DE68912720T2

DE68912720T2 - Magnetoresistiver Magnetfeldsensor.

Info

Publication number: DE68912720T2
Application number: DE68912720T
Authority: DE
Inventors: Bharat B Pant
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1988-10-14
Filing date: 1989-10-10
Publication date: 1994-07-21
Anticipated expiration: 2009-10-11
Also published as: EP0369160B1; JPH02129576A; CA1306009C; JP2936140B2; EP0369160A2; DE68912720D1; EP0369160A3; US4847584A

Description

Die Erfindung befaßt sich mit auf magnetoresistivem Material basierenden Magnetfeldsensoren und insbesondere solchen, die eine geringe elektrische Stromaufnahme haben.
Es gibt viele Fälle, wo die Messung eines Magnetfelds notwendig ist. Hierzu gehört die Messung der Position oder Nähe eines magnetisierten Teils einer Struktur, das Auslesen magnetisch gespeicherter Informationen, die Messung von Stromflüssen ohne das Erfordernis einer Meßvorrichtung im Stromweg und dergleichen.
Viele der in solchen Situationen auftretenden magnetischen Effekte sind relativ gering und erfordern folglich einen empfindlichen Magnetsensor. Ein Magnetsensor, der solche schwachen Magnetfeldstörungen messen kann und wirtschaftlich herstellbar ist, läßt sich auf der Basis des magnetoresistiven Effekts realisieren. Solche auf magnetoresistivem Material basierende Magnetsensoren können in der Technik der Herstellung monolithisch integrierter Schaltungen produziert und somit nicht nur wirtschaftlich, sondern auch sehr klein hergestellt werden. Das magnetoresistive Material wird als Dünnschicht bei der Herstellung nach der Art monolitisch integrierter Schaltungen aufgebracht.
Ein Magnetsensor basierend auf magneloresistivem Material entsteht durch Verwendung solchen Materials als elektrischer Widerstand. Ein Strom wird hindurchgeschickt, und die daran entstehende Spannung hängt vom effektiven Widerstand des Materials längs des Stromflußweges ab. Der Widerstandswert seinerseits ist vom Magnetisierungszustand des Materials abhängig. Liegt die Magnetisierung parallel zum Stromfluß, so zeigt das Material seinen maximalen Widerstand. Es hat einen minimalen Widerstand, wenn sich die Magnetisierung rechtwinkelig zum Stromfluß erstreckt.
Im magnetoresistiven Material gibt es eine effektive Magnetisierung, die sich in erster Linie längs der Vorzugsachse des Materials erstreckt. Ein auf das magnetoresistive Material einwirkendes externes Feld dreht die Magnetisierungsrichtung im Material, um als Folge hiervon dessen Widerstand zu ändern. Der vom Strom durchflossene geänderte Widerstand erzeugt eine Änderung des Spannungsabfalls am Widerstand, der als Kennwert für die Stärke des externen magnetischen Feldes gemessen werden kann.
Der effektive Widerstand einer solchen Schicht ändert sich mit dem Quadrat des Kosinus des Winkels zwischen der effektiven Magnetisierungsrichtung und der Stromflußrichtung durch das Material. Der Gesamtwiderstand ist üblicherweise jedoch nicht von Interesse, sondern die Widerstandsänderung in Abhängigkeit von einer Änderung des angelegten externen Magnetfeldes. Diese Änderung wird am besten an einem Punkt längs der quadrierten Kosinus- Kennlinie gemessen, an dem die Kurve angenähert linear verläuf.
Um ein Arbeiten im linearen Bereich der Kennlinie zu ermöglichen, muß ein anfänglicher Winkel zwischen der Richtung des Stromflusses und der Nennrichtung der Magnetisierung ohne externes Magnetfeld vorhanden sein. Dies läßt sich auf verschiedene Weise durch eine Vormagnetisierungseinrichtung erzielen. Das magnetoresistive Material kann auf einem Substrat als durchgehender Widerstand in Form eines Fischgrätenmusters angebracht werden oder aus fortlaufend miteinander verbundenen zahlreichen Schräglinien, wobei der Neigungswinkel etwa 45º bezogen auf die Ausdehnungsrichtung des Widerstands beträgt. Es muß eine Quelle für eine magnetische Vormagnetisierung vorhanden sein, welche sich im Winkel von 90º zur Ausdehnungsrichtung des Widerstands erstreckt.
Ein anderes Verfahren besteht in der Verwendung eines geraden Streifens aus magnetoresistivem Matenal und der Hinzufügung einzelner Leiter über jenem Streifen, die unter einem Winkel von 45º mit Bezug auf die Streifenrichtung ausgerichtet sind. Dies hat zur Folge, daß der Strom unter einem Winkel gegenüber der Längsausdehnung des Streifens durch diesen magnetoresistiven Streifen fließt. Eine solche Konfiguration wird wegen ihrer Gestalt oft als "Barber-Pole"-Magnetwiderstandskopf bezeichnet. Bei einer solchen Anordnung entfällt das Erfordernis einer externen Quelle für ein Vormagnetisierungsfeld.
Für Anwendungen mit geringer Stromaufnahme ist ein solcher Widerstandsmagnetkopf-Fühler besonders wirkungsvoll, wenn der Streifen aus magnetoresistivem Material sehr lang im Vergleich zu seiner Breite ist. Hierdurch wird der Widerstand des magnetoresistiven Materialstreifens zwischen seinen Enden erhöht und damit die für seinen Betrieb erforderliche Leistung verringert. Darüber hinaus werden Entmagnetisierungseffekte innerhalb des magnetoresistiven Materialstreifens beträchtlich reduziert. Es gibt jedoch Grenzen hinsichtlich der Länge, die ein solcher Streifen auf einem monolithisch integrierten Schaltkreisbauelement fortlaufend haben kann, weshalb der Streifen oftmals in eine Serie paralleler Teile gefaltet wird. Jeder Teil wird dann als Reihenschaltung in bezug auf die vorangehende Reihenverbindung zurückgefaltet, um auf diese Weise eine kompaktere magnetoresistive Materialstruktur zu bilden.
Dies führt jedoch zu relativ scharfen Kurven an den Stellen, wo das magnetoresistive Material im gefalteten Streifen einen der in Reihe geschalteten Teile beendet und um 180º gefaltet wird, um in einer Richtung parallel zum vorhergehenden Zwischenglied ein weiteres zu bilden. Diese scharf gebogenen Teile führen zur Bildung sogenannter magnetischer Enddomänen in und in der Nähe dieser gebogenen Regionen. Die Magnetisienungsrichtung in solchen Domänen kann sich in bezug auf die Magnetisierungsrichtung in den parallelen Teilen des fortlaufenden Streifens erheblich ändern. Die Magnetisierung der parallelen Teile selbst ist im wesentlicher in Ausdehnungsrichtung jedes Teils ausgerichtet, weil die Länge im Vergleich zur Breite zu verringerten Entmagnetisierungseffekten führt.
Eine besondere Schwierigkeit bei solchen Enddomänen besteht darin, daß sie empfindlich sind für Temperaturänderungen und Schwankungen des externen magnetischen Feldes, wodurch sich die Magnetisierungsrichtung in den Enddomänen ändert. Dies hat zur Folge, daß unvorhersehbare Fluktuationen im Streifenwiderstand und folglich in der Spannung längs des magnetoresistiven Materials des Sensors auftreten, wenn dieser von einem vorgegebenen Strom durchflossen wird. Werden vier solcher Sensoren aus magnetoresistivem Material zu einer Brückenschaltung zusammengeschaltet, so führen diese Spannungsänderungen aufgrund von Temperaturänderungen in den Enddomänen zu sich zufällig ändernden Werten oder Fluktuationen in der Brückenspannung zwischen den Fühleranschlüssen und damit zu Meßfehlern eines eine solche Brückenschaltung verwendenden Magnetometers. Es besteht folglich der Wunsch nach einem magnetoresistiven Magnetsensor mit einer auch bei Temperaturschwankungen stabileren Spannung längs der Magnetwiderstände.
In der am 19.3.1992 veröffentlichten und in der Zeitschrift "Patent Abstracts of Japan", Band 6, Heft 119 (E-116) (997) vom 3. Juli 1982 zusammengefaßten japanischen Patentveröffentlichung 57-48284 wird ein magnetisches Signalübeitragungselement beschrieben, welches die im Oberbegriff des Aspruchs 1 aufgeführten Merkmale umfaßt Dieses magnetische Signalübertragungselement besteht aus einem mit einer Isolierschicht bedeckten Siliziumsubstrat und einem hierauf gebildeten streifenförmigen Leitersegment. Die aus mehreren parallelen Leitern bestehende Leiterschicht ist von einer zweiten Isolierschicht bedeckt, und auf dieser Schicht befindet sich ein Mäander-Muster aus magnetoresistiven Elementen. Eine weitere Isolierschicht bedeckt dieses Muster, und eine obere Schicht mit weiteren Leitersegmenten wird auf der letztgenannten Isolierschicht hergestellt. Die unteren und die oberen Leitersegmente sind an ihren Enden miteinander verbunden, um hierdurch eine flache das magnetoresistive Muster umschließende Spule zu bilden. Ein die Spule durchfließender Strom erzeugt ein Magnetfeld.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung offenbart eine magnetoresistive Einrichtung mit mehreren Streifen aus magnetoresistivem Material, wobei ein erster Leiter über den Streifen in der Nähe von deren erstem Ende, aber vom Streifen isoliert, angeordnet ist und ein zweiter Leiter über den Streifen in der Nähe von deren zweitem Ende, aber wiederum gegenüber dem Streifen isoliert, vorgesehen ist. Die Streifen sind miteinander verbunden, um einen Strom hindurchzuleiten. Diese Verbindung kann für Streifen, welche parallel zueinander angeordnet sind, an deren Enden vorgesehen sein, so daß die Streifen elektrisch in Reihe geschaltet sind. Diese Enden können außerhalb der Leiter verjüngt ausgebildet sein. Mehrere solcher Einrichtungen können zur Bildung einer Sensorschaltung in Form einer Brückenschaltung zusammengeschaltet werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt teilweise ein Layout einer Ausführungsform der Erfindung,
Figur 2 einen Querschnitt durch einen Teil der vorliegenden Erfindung, und
Figur 3 einen Ausschnitt aus Figur 1.

Einzelbeschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Figur 1 zeigt die Draufsicht auf einen monolitisch integrierten Schaltkreis für einen Magnetfeldsensor 10 vom Barber-Pole-Typ mit vier Gruppen 11, 12, 13 und 14 von Streifen aus einem magnetoresistiven Material. Jede der Gruppen 11, 12, 13 und 14 hat parallel zueinander ausgerichtete magnetoresistive Streifen, welche in noch zu schildernder Weise elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Punkte innerhalb jeder Gruppe zeigen an, daß nur einige der Streifen dargestellt sind. Nicht alle Schichten sind sichtbar und einige verborgene Linien sind der Deutlichkeit wegen weggelassen.
Die Gruppen 11 und 13 sind durch eine zugeordnete Verbindungseinrichtung elektrisch sowohl miteinander verbunden als auch an einen Stromversorgungsanschlußbereich 15 angeschlossen. Die Gruppen 12 und 14 sind durch eine weitere zugeordnete Verbindungseinrichtung sowohl elektrisch miteinander verbunden als auch an einen Stromversorgungsanschlußbereich 16 angeschlossen. Die Verbindungseinrichtung mit dem Stromversorgungsanschlußbereich 16 enthält eine aus dem gleichen magnetoresistiven Material bestehende Widerstandsabgleichvorrichtung 16'. Die Gruppen 11 und 12 sind elektrisch über eine zugeordnete Verbindungseinrichtung miteinander elektrisch verbunden und auch an einen Fühlersignalausgangsbereich 17 geführt. Die Gruppen 13 und 14 sind mittels einer zugeordneten Verbindungseinrichtung miteinander verbunden und an einen Fühlerausgangsanschlußbereich 18 angeschlossen. Statt dessen könnten die Anschlußbereiche 17 und 18 für die Stromversorgung und die Anschlußbereiche 15 und 16 für die Fühlerausgangssignale verwendet werden.
Der Fühler 10 in Figur 1 hat eine weitere Verbindungsanordnung, um magnetische Hilfsfelder in der Nähe der Enden der magnetoresistiven Streifen in jeder Gruppe zu erzeugen. Ein erster Stromversorgungsanschlußbereich mit Stromverteilungseinrichtung 19 verteilt den Strom auf vier Leiter, welche vier hieran angeschlossene Stromwege 20, 21, 22 und 23 bilden. Ein weiterer Stromversorgungsanschlußbereich mit Stromverteilungsvorrichtung 24 ist am anderen Ende dieser vier Leiter vorgesehen und mit ihnen elektrisch verbunden.
Figur 2 zeigt den allgemeinen Aufbau des monolithischen integrierten Schaltkreises mit der Struktur nach Figur 1, obwohl nicht im gleichen Maßstab und aus Gründen der Übersichtlichkeit auch nicht notwendiger Weise in den gleichen Proportionen. Dieser monolithische integrierte Schaltkreis wird auf einem Halbleitersubstrat 30 aufgebaut, das typischerweise aus Silizium besteht, welches derart dotiert ist, um andere Schaltungsteile des monolitischen integrierten Schaltkreises zu tragen. Das Substrat 30 weist eine Isolierschicht 31, üblicherweise aus einem Oxyd des Siliziums, in erster Linie Siliziumdioxyd auf. Die Dicke der Schicht 31 beträgt typischerweise 1,0um. Hierauf ist eine weitere Isolierschicht 32 angebracht und besteht typischerweise aus Siliziumnitrid mit einer Dicke von 0,5um. Die Schicht 32 bildet eine geeignete Oberfläche zum Aufbringen des magnetoresistiven Materials
Das magnetoresistive Material, welches auf der Schicht 32 eine dünne Schicht 33 bildet, ist üblicherweise eine ferromagnetische Dünnschicht mit einer Dicke von 200Å und besteht aus einer Legierung zusammengesetzt aus Nickel, Kobalt und Eisen. Als Beispiel kann dieses Schichtmaterial etwa 81% Nickel und 9% Eisen enthalten. In manchen Fällen werden der Legierung andere Stoffe in geringen Mengen zugefügt, um die ausgewählten Eigenschaften der Schicht zu verbessern. Die vorgeschlagene Zusammensetzung führt zu einer relativ geringen Magnetostriktion in der Schicht, aber zeigt einen bedeutenden magnetoresistiven Effekt und einachsige Anisotropie.
Die Schichten können bei erhöhter Temperatur über mehrere Stunden in Ahwesenheit eines erheblichen magnetischen Feldes geglüht werden, welches in einer Richtung angelegt wird, die mit der Längsachse der magnetoresistiven Dünnschichtstreifen übereinstimmt. Hierdurch wird die Schichtstabilität verbessert. Dies geschieht durch Vergrößerung der Korngröße und Verbesserung der Koinzidenz der Vorzugsachse des Materials mit der formbedingten Vorzugsachse, um die magnetische Dispersion zu verringern.
Eine Schicht 34 aus Tantalnitrid mit einer Dicke von nur 150Å wird über dem magnetoresistiven Material angebracht. Diese Schicht leitet bezogen auf Figur 2 in vertikaler Richtung, aber ist in Querrichtung wegen ihrer geringen Dicke und der Materialeigenschaften von hohem Widerstand. Eine Gruppe von stromleitenden Verbindungstücken 35 erstreckt sich in einem Winkel von 45º zur Längsrichtung der magnetoresistiven Materialstreifen auf der Oberfläche der Schicht 34 und beläßt diese Verbindungsstreifen (i) in elektrischem Kontakt mit der Schicht 33 aus magnetoresistivem Material, aber (ii) wirksam elektrisch isoliert voneinander wegen der Eigenschaften der Schicht 34. Die Verbindungsstreifien 35 haben eine Dicke von etwa 0,5um und bestehen aus Aluminium, welches mit etwa 4% Kupfer legiert ist. Die aufgrund der Winkelanordnung der Anschlußstreifen 35 bedingte seitliche Erweiterung dieser Streifen ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in Figur 2 weggelassen.
Diese Gruppe von Aluminiumanschlußstreifen ist mit einer weiteren Isolierschicht 36 bedeckt, welche auch die Bereiche zwischen den Aluminiumstreifen füllt. Die Isolierschicht 36 besteht üblicherweise aus Siliziumnitrid und erstreckt sich bis etwa 1,0um über die Oberfläche der Tantalnitridschicht 34. Die Schicht 36 schützt die Oberfläche der Aluminiumverbindungsstreifen und bildet eine isolierende Grenzschicht zwischen diesen und der darüber befindlichen nächsten Schicht.
Diese auf die Nitridschicht 36 folgende nächste Schicht 37 ist üblicherweise eine weitere Schicht aus Aluminium legiert mit 4% Kupfer und bildet die Leiterbahnen 20, 21, 22, 23. Die Schicht 37 hat typischerweise eine Dicke von 1,0um. Sie ist von einer weiteren Isolier- und Schutzschicht 38 bedeckt, die wiederum üblicherweise aus Siliziumnitrid mit einer Dicke vor 0,5um besteht. Hierauf können Verbindungsanschlußbereiche gebildet werden wiederum aus Aluminium legiert mit 4% Kupfer, um im Bedarfsfall Anschlüsse herzustellen. Solche Bereiche sind in der Struktur gemäß Figur 2 nicht wiedergegeben.
Die Bildung eines Siliziumsubstrats 30 mit den verschieden dotierten Bereichen darin, wie sie für andere Schaltkreisteile benötigt werden, wird in aus der Halbleiterherstellung bekannterweise durchgeführt. In ähnlicher Weise erfolgt die Anbringung der verschiedenen Schichten und der Verbindungsstreifen 35, d.h. generell aller Strukturen auf dem Siliziumsubstrat 30 nach in der Technik der Herstellung monolitisch integrierter Schaltungen bekannten Methoden.
Die Gruppen 11, 12, 13 und 14 in Figur 1 bilden jeweils einen eigenen Magnetwiderstand, der, wie oben erläutert, aus vielen in Reihe geschalteten magnetoresistiven Streifen besteht. Hiermit und in der oben beschriebenen Weise mittels der Anschlußbereiche 15, 16, 17 und 18 untereinander verbunden bilden diese Widerstände eine in Figur 1 gezeigte, aus vier Zweigen bestehende Brückenschaltung. Im Betrieb kann Strom der Klemme 15 zugeführt und aus der Klemme 16 abgeleitet werden oder umgekehrt. Die Signalspannung wird differentiell zwischen den Anschlüssen 17 und 18 abgegriffen.
Zum Abgleich des Brückenausgangssignals derart, daß dieses bei einem fehlenden externen Magnetfeld möglichst gleich Null ist, werden die Widerstandsteile 16' benutzt. Eine beträchtliche Anzahl langgestreckter Widerstände sind in der Anordnung 16' enthalten, die im Bedarfsfall unterbrochen werden können, um den Widerstandswert zwischen zwei abwechselnden Stromwegen zwischen den Anschlußbereichen 15 und 16 abzugleichen. Die Widerstände in der Anordnung 16' sind aus dem gleichen magnetoresistiven Material gebildet, wie die als Fühler benutzten Streifen.
Die Widerstände in der Anordnung 16' in erster Linie links vom Anschlußbereich 16 sind einander parallelgeschaltet, und diese Gruppe ist mit den Gruppen 11 und 12 in Reihe geschaltet. Die schräge Verbindungsleitung von oben links nach unten rechts dieser Widerstände schließt die links davon liegenden Teile aus, um mehrere unterschiedliche Widerstandswerte parallel zueinander für einen genauen Abgleich zur Verfügung zu stellen. Die Widerstände rechts vom Anschlußbereich 16 in der Anordnung 16' sind parallelgeschaltet, und diese Parallelgruppe ist mit den Gruppen 13 und 14 in Reihe geschaltet. Auch hier findet die schräge Verbindungsanordnung Anwendung. Durch Ausbrechen ausgewählter Widerstandsspuren wird der Widerstandswert in jenem Zweig der Brücke erhöht, der die zugeordneten Gruppen aufweist.
Die Streifen aus magnetoresistivem Material in Figur 1 sind genau in Figur 3 wiedergegeben wobei dieser Ausschnitt dem Bereich entspricht, der in Figur 1 mit einem Kreis 3 umgeben ist. Einer dieser Abschnitte umfaßt die Verbindungsanordnung für den Fühlersignalanschlußbereich 17 und diesen Anschlußbereich. Dies ist im Ausschnitt auf der linken Seite von Figur 3 wiedergegeben, wo er sich bis zu zwei Streifen 11' und 12' aus magnetischem Material erstreckt und mit diesen in Kontakt ist. Der eine gehört zur Gruppe 11 und der andere zur Gruppe 12. Jeder liegt auf einer Seite des Raums, der diese beiden Gruppen voneinander trennt. Dies ist die Stelle, wo diese beiden Gruppen durch die dargestellte Verbindungsanordnung in Reihe miteinander verbunden sind.
Zusätzlich zu dieser Verbindung sind die Streifen 11' aus magnetoresistivem Material der Gruppe 11 jeweils miteinander in Reihe geschaltet wie dies oben angedeutet werde. Dies gilt auch für die magnetoresistiven Materialstreifen in den Gruppen 12, 13 und 14. Die Verbindungen auf der linken Seite der magnetoresistiven Materialstreifen 11' in der Gruppe 11 und für die Streifen 12' in der Gruppe 12 werden durch die kupferlegierten Aluminumverbindungen 40 hergestellt. Im linken Teil von Figur 3 sind Verbindungen 40 über den beiden Streifen 11' und 12' aus magnetoresistivem Material gezeigt und untereinander durch eine dem Fühlersignalanschlußbereich 17 zugeordnete Verbindungsanordnung verbunden. Aufeinanderfolgende Paare von Streifen sind in jeder Richtung durch eine Verbindung 40 aneinander angeschlossen.
Die rechten Endteile der Streifen 11' und 12' aus magnetoresistivem Material sind zum Teil im rechten Ausschnitt in Figur 3 wiedergegeben, wo weitere Aluminiumlegierungs-Verbindungen 41 jeweils Paare von Streifen miteinander verbinden. Die beiden Streifen 11' und 12' aus magnetoresistivem Material sind durch die dem Fühlersignalanschlußbereich 17 zugeordnete Verbindungsanordnung und durch die Verbindung 40 miteinander verbunden, aber im rechten Teil von Figur 3 voneinander getrennt und nicht miteinander verbunden. Vielmehr ist jeder Streifen mit dem magnetoresisitiven Materialstreifen in seiner eigenen Gruppe verbunden, der ihm benachbart liegt. Wiederum sind danach aufeinanderfolgende Paare dieser magnetoresistiven Materialstreifen in jeder Gruppe durch Verbinder 41 aneinander angeschlossen. Somit kann man in den beiden Auschnitten gemäß Figur 3 die magnetoresistiven Materialstreifen jeder Gruppe untereinander in Reihe geschaltet erkennen. Weitere Verbinder 42 verbinden, wie dargestellt, die Enden der magnetoresisitiven Materialstreifen 13' und 14' der Gruppen 13 bzw. 14 im rechten Ausschnitt von Figur 3.
Diese Verbindung aller der vielen magnetoresistiven Materialstreifen in jeder Gruppe zu einem einzigen Widerstand bestehen aus einer langen Folge miteinander verbundener Streifen in Form vielfacher Zweige im Widerstand erfolgt, wie oben erwähnt, zur Erzielung eines hohen Widerstandswertes für den Widerstand Diese Erhöhung des Widerstandswerts führt beim Betrieb des Fühlers zu einer wesentlich geringeren Leistungsaufnahme. Die Verwendung der Verbinder 40, 41 und 42 vermeidet gebogene Teile des magnetoresisitiven Materials, die zu Enddomänen führen könnten. Jedoch können abgeschnittene Streifen sogenannte geknickte (Buckling) Magnetdomänen an ihren Endstücken bilden. Geknickte Domänen sind ebenfalls eine Quelle von Schwierigkeiten, weil die Magnetisierung dort wiederum auf Temperaturänderungen und externe Magnetfeldänderungen reagiert.
In Figur 3 sind unter 45º bezogen auf die Längsausdehnung der magnetoresisitven Materialstreifen 11', 12', 13' und 14' verlaufende Leiterstreifen 35 dargestellt. Sie haben eine positive Neigung für die magnetoresistiven Streifen der Gruppen 11 und 14 und haben eine negative Neigung für die Gruppen 12 und 13. Hierdurch entsteht ein auf den Fühler 10 einwirkendes externes Magnetfeld, welches versucht, den Widerstand in zwei der Gruppen zu erhöhen und in den beiden anderen Gruppen zu verringern. Als Ergebnis hiervon gerät die Brücke außer Gleichgewicht ihrer Widerstandswerte in den beiden Zweigen zwischen den Anschlußbereichen 15 und 16. Für einen hier durchfließenden Strom entsteht an den Signalanschlußbereichen 17 und 18 eine Spannungsdifferenz entsprechend der Stärke des externen Magnetfeldes und in gewissem Umfang abhängig von dessen Richtung.
Die Richtung des Feldes wird in bezug auf die Achsen des Fühlers gemessen, von denen eine durch die Signalanschlußbereiche 17 und 18 verläuft und die andere sich hierzu senkrecht erstreckt. Die Magnetisierung der magnetoresistiven Materialstreifen erfolgt primär längs ihrer Längsausdehnung. Ein externes Feld ist in der Lage, die Magnetisierung in diesen Streifen zu drehen, wenn das Feld hierzu rechtwinklig steht. Sie kann die Magnetisierung nicht drehen, wenn das Feld parallel zu den Streifen verläuft.
Anordnungen für eine solche Fühlereinrichtung mit Brückenschaltung wurden bisher in Form kontinuierlicher magnetoresistiver Materialstreifen vorgesehen. Wie oben erwähnt, führen die sich hierbei ergebenden scharfen Biegungen zur Bildung magnetischer Enddomänen in magnetoresistivem Material der Biegestellen. Die Domänen haben eine Magnetisierung, die sich bei Temperaturänderungen oder dergleichen ändert und damit zu einer sich ändernden Spannungsdifferenz zwischen den Ausgangsanschlußbereichen 17 und 18 führt, wenn kein externes Magnetfeld einwirkt.
Die Verwendung der Verbinder 40, 41 und 42 in Figur 3 zur elektrischen Verbindung benachbarter magnetoresistiver Materialstreifen zu einem einzigen Serienwiderstand hilft bei der Beseitigung dieser Quelle von Ausgangssignaländerungen, indem man benachbarte magnetoresistive Materialstreifen mit einem nicht-magnetischen Verbindungsmaterial untereinander verbindet und damit scharf gebogenes, magnetoresistives Material vermeidet. Es bedeutet einen Gewinn, wenn man diese Vetindungen auf dem magnetoresistiven Materialstreifen an einer Stelle vorsieht, bevor das Ende der Streifen erreicht ist. Folglich werden die Verbindungen hergestellt, ehe diejenigen Teile der magnetoresistiven Materialstreifen erreicht sind, in denen geknickte Domänen aufzutreten drohen, und zwar sogar ohne Abbiegungen des magnetoresistiven Materials in der Nähe von dessen Enden. Die Anordnung der Verbinder 40, 41, und 42 stellt sicher, daß der Stromfluß durch die magnetoresistiven Materialstreifen nicht in den Endteilen erfolgt, in welchen geknickte Domänen gebildet werden können. Hierdurch vermeidet man aus dieser Fehlerquelle herrührende Spannungsabweichungen.
Zumindest das letztgenannte Ergebnis gilt, wenn die an den Enden der magnetoresistiven Materialstreifen auftretenden geknickten Domänen auf Bereiche beschränkt sind, welche näher an den Endteilen der Streifen liegen als die Positionen der Verbinder 40, 41 und 42, und zwar bezogen auf die benachbarten Enden der magnetoresistiven Materialstreifen. Zwei weitere Maßnahmen werden im Fühler 10 angewandt, um sicherzustellen, daß solche geknickte Domänen an den Streifenenden außerhalb der Stellen der Verbindung der Streifen untereinander verbleiben. Die erste dieser Maßnahmen besteht darin, die Enden der magnetoresistiven Material streifen, wie in Figur 3, zu verjüngen. Es hat sich gezeigt, daß eine solche Verjüngung die Bildung von geknickten Domänen im Vergleich zu Streifen mit rechtwinklig abgeschnittenen Enden vermindert. Die Verjüngung verkleinert die Oberfläche der magnetischen Poldichte und scheint, einige Volumenpole im Material selbst zu bilden. Die Verjüngung sollte über einen Abstand erfolgen, der typischerweise viermal der Breite (oder mehr) eines magnetoresistiven Materialstreifens von üblicherweise 20,0um Breite entspricht.
Die andere Maßnahme besteht in der Anbringung der Leiter 20 und 21 auf einer Seite in der Nähe der Enden der magnetoresistiven Materialstreifen 11' und 12' in den Gruppen 11 bzw. 12 sowie der Leiter 22 und 23 an jeder Seite in der Nähe der Enden der magnetoresistiven Materialstreifen 13' und 14' der Gruppen 13 bzw. 14. Die Stromrichtung durch diese Leiter ist derart, daß darunter ein Magnetfeld an den magnetoresistiven Materialstreifen erzeugt wird, dessen Richtung praktisch parallel zur gewünschten Magnetisierung in diesen Streifen verläuft. Damit versucht dieses zusätzliche Feld, die in jedem der magnetoresistiven Materialstreifen existierende Magnetisierung zu verstärken und letztendlich das Auftreten von Domänen darin zu verhindern, die eine Magnetisierung in Gegenrichtung zur gewünschten Richtung haben. Zu diesem Zweck können weitere Leiter über anderen Teilen des Innenbereichs dieser magnetoresistiven Materialstreifen vorgesehen werden.
Zusätzlich versuchen die sich aus dem Stromfluß durch die Leiter ergebenden Magnetfelder die vorhandene Magnetisierung in der Mitte der Streifen festzuhalten oder zu verriegeln und sich damit nach unten fortzusetzen. Dies bildet im Ergebnis ein Hindernis dagegen, daß sich geknickte Domänen oder andere magnetische Instabilitäten von den Enden dieser Streifen nach innen in Richtung auf Teile der magnetoresistiven Materialstreifen fortpflanzen, welche dem Magnetfühler 10 als Fühlerteile dienen.
Die Leiter 20, 21, 22 und 23 sind typischerweise 1,0um dick und haben, wie erwähnt, eine Breite die vergleichbar oder größer ist als die Breite der magnetoresistiven Materialstreifen. Streifen dieser Abmessungen können einen beträchtlichen Strom in der Größenordnung von 10,0mA oder mehr führen, um darunter ein Magnetfeld von 3 Oersted oder mehr zu erzeugen, ohne dabei eine elektrische Materialwanderung in den Leitern selbst zu verursachen.
Diese Maßnahmen führen zu einer wesentlich verbesserten Stabilität der Arbeitsweise des Magnetsensors, in dem auch bei Temperaturänderungen eine wesentlich stabilere Spannung zwischen den Fühlerausgangsbereichen 17 und 18 auftritt. Dies führt zu geringeren Änderungen im Ausgangssignal über lange Zeiträume und zwischen Messungen, welche in großen Zeitabständen erfolgen. Damit wird die Unsicherheit hinsichtlich der Größe des zu messenden extern einwirkenden Magnetfeldes verringert.

Claims

1. Magnetoresistive Einrichtung zum Erfassen magnetischer Felder mit

a) ersten (15) sowie zweiten (16) Stromversorgungsanschlußbereichen;

b) einer ersten Gruppe (11) von Streifen (11') aus magnetoresistivem Material auf einem Substrat (30), wobei jeder Streifen (11') ein erstes und ein zweites Ende aufweist, um elektrischen Strom zwischen den ersten und den zweiten Stromversorgungsanschlußbereichen (15, 16) fließen zu lassen;

c) einem ersten Leiter (20), der über jedem Streifen (11') der ersten Gruppe (11) von Streifen aus magnetoresistivem Material in der Nähe von dessen erstem Ende, aber von diesem isoliert angeordnet ist;

dadurch gekennzeichnet, daß

d) der erste Leiter (20) für den Anschluß an eine erste Stromquelle elektrisch mit einer ersten Anschlußvorrichtung (19) verbunden ist; und

e) ein zweiter Leiter (21) für den Anschluß an eine zweite Stromquelle mit einer zweiten Anschlußvorrichtung (24) verbunden ist und der zweite Leiter (21) über jedem Streifen (11') der ersten Gruppe (11) von Streifen aus magnetoresistivem Material in der Nähe von dessen zweitem Ende, aber von diesem isoliert angeordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Streifen (11') aus magnetoresistivem Material in der Nähe seines ersten Endes einen Teil aufweist, der an einen Teil eines anderen in der Nähe von dessen erstem Ende elektrisch angeschlossen ist, wobei selektiv die ersten Enden von bis zu zwei solcher Streifen (11') aus magnetoresistivem Material übersprungen sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Enden jedes der Streifen (11') aus magnetoresistivem Material zu ihrem Ende hin schmaler werden.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die sich verjüngenden Endstücke an beiden Enden der magnetoresistiven Streifen (11') außerhalb des Raumes beginnen, der zwischen Außenkanten des ersten (20) und des zweiten (21) Leiters liegt.

5. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Verbindungen (40, 41) zwischen benachbarten Endteilen abwechselnder Paare von Streifen (11') aus magnetoresistivem Material innerhalb zwischen den Innenkanten des ersten (20) und des zweiten (21) Leiters liegen.

6. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine zweite Gruppe (12, 13, 14) von Streifen (12', 13', 14') aus magnetoresistivem Material auf dem Substrat (30) aufweist, wobei jeder Streifen (12', 13', 14') ein erstes und ein zweites Ende aufweist, um einen weiteren elektrischen Strom fließen zu lassen, wenn dieser den ersten und zweiten Stromzufuhranschlußbereichen (15, 16) zugeführt wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Leiter (22) über der zweiten Gruppe (13) von Streifen (13') aus magnetoresistivem Material in der Nähe von deren erstem Ende, aber von diesem isoliert angeordnet ist und ein vierter Leiter (32) über der zweiten Gruppe (13) von Streifen (13') aus magnetoresistivem Material in der Nähe von deren zweitem Ende, aber von diesem isoliert angeordnet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leiter (20) über der ersten (11) und der zweiten (12) Gruppe von Streifen aus magnetoresistivem Material in der Nähe von deren erstem Ende, aber von diesem isoliert angeordnet ist und der zweite Leiter (21) über der ersten (11) und der zweiten (12) Gruppe von Streifen aus magnetoresistivem Material in der Nähe von deren zweitem Ende, aber von diesem isoliert angeordnet ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen (11', 12', 13', 14') aus magnetoresistivem Material in den Gruppen (11, 12, 13, 14) auf dem Substrat (30) parallel zueinander vorgesehen sind, wobei das erste Ende eines solchen Streifens aus magnetoresistivem Material, ausgenommen die übersprungenen Enden, elektrisch an das erste Ende eines benachbarten Streifens aus magnetoresistivem Material angeschlossen ist und mit einem zweiten Ende mit einem zweiten Ende eines anderen hierzu benachbarten Streifens aus magnetoresistivem Material elektrisch verbunden ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 6, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Einrichtung die erste (11), die zweite (12), eine dritte (13) und eine vierte (14) Gruppe von Streifen aus magnetoresistivem Material auf dem Substrat (30) aufweist;

b) die magnetoresistiven Streifen der ersten (11) und der zweiten (12) Gruppe in Reihe geschaltet sind, um einen ersten elektrischen Strom durch die erste und zweite Gruppe von Streifen aus magnetoresistivem Material zu leiten, wenn dieser den ersten und zweiten Stromversorgungsanschlußbereichen (15, 16) zugeführt wird;

c) die magnetoresistiven Streifen der dritten (13) und der vierten (14) Gruppe in Reihe geschaltet sind, um einen zweiten elektrischen Strom durch die dritte und vierte Gruppe von Streifen aus magnetoresistivem Material fließen zu lassen, wenn dieser den ersten und zweiten Stromversorgungsanschlußbereichen (15, 16) zugeführt wird.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch

a) einen ersten Fühleranschlußbereich (17) an der Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Gruppe (11, 12) von Streifen aus magnetoresistivem Material; sowie

b) einen zweiten Fühleranschlußbereich (18) an der Verbindung zwischen der dritten und vierten Gruppe (13, 14) von Streifen aus magnetoresistivem Material.