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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erkennen eines Magnetfeldes,
welche eine Wheatstonebrücke
mit mindestens vier magnetoresistiven Elementen auf einem Substrat
umfasst, wobei jedes magnetoresistive Element mindestens einen empfindlichen
Bereich umfasst, der wiederum eine ferromagnetische Schicht mit
einer magnetisch leichten Achse in einer ersten Richtung, eine nicht
magnetische Schicht und eine zweite ferromagnetische Schicht mit
einer magnetisch leichten Achse in einer zweiten Richtung, die sich
von der ersten Richtung unterscheidet, umfasst, wobei diese empfindlichen Bereiche
parallele empfindliche Richtungen aufweisen, die parallel zu einer
dritten Richtung sind. Jedes magnetoresistive Element ist einem
Stromleiter in der unmittelbaren Nähe dieses magnetoresistiven Elements
zugeordnet.
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Eine
Anordnung dieser Art ist aus WO-A-95/28649 (PHN 14.825) bekannt.
In der bekannten Anordnung zeigt die erste ferromagnetische Schicht
in einem Magnetfeld aufgrund ihres Wachstums eine einachsige Anisotropie
in einer Richtung. Die Magnetisierung der zweiten ferromagnetischen Schicht
ist bestimmt durch die Austauschwechselwirkung mit einer antiferromagnetischen
Schicht auf der zweiten ferromagnetischen Schicht. Diese Wechselwirkung
führt wirksam
zu einer unidirektionalen Anisotropie der zweiten ferromagnetischen
Schicht. Bei der Fertigung der bekannten Anordnung werden die zweite
ferromagnetische Schicht und die antiferromagnetische Schicht bei
einer Temperatur oberhalb der Blockungstemperatur dem von einem
in den Stromleitern fließenden
elektrischen Strom erzeugten Magnetfeld ausgesetzt, anschließend wird
die Temperatur der Schichten auf einen Wert unterhalb der Blockungstemperatur
abgesenkt, wobei das Magnetfeld aufrechterhalten wird. Dieser Schritt
fixiert die Richtung der effektiven Anisotropie der zweiten ferromagnetischen
Schicht bei der Fertigung und damit die Empfindlichkeit der einzelnen
magnetoresistiven Elemente in der Wheatstonebrücke. De facto wird die Empfindlichkeit
der Wheatstonebrücke
gegenüber
Feldern in einer vordefinierten Richtung programmiert. Die Blockungstemperatur
ist die Temperatur, bei der das Austauschverschiebungsfeld (Exchange
Bias) der zweiten ferromagnetischen Schicht praktisch bei null liegt.
Die Blockungstemperatur beispielsweise einer geeigneten FeMn-Legierung
liegt bei 140°C.
Die Programmierung der Wheatstonebrücke erfordert daher eine Hitzebehandlung,
und die Anordnung ist nur deutlich unterhalb der Blockungstemperatur
thermisch ausreichend stabil.
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Für die Messung
kleiner statischer Magnetfelder muss ein Stellwiderstand mit mindestens
einem der magnetoresistiven Elemente der bekannten Anordnung in
Reihe geschaltet werden. Der Wert des Stellwiderstands wird bei
der Fertigung der Anordnung eingestellt, um Ungleichgewichte der
Brücke durch
Abweichungen der Elemente in der Brücke relativ zueinander auszugleichen.
Dies ist ein zeitaufwändiges
und teures Verfahren.
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Eine
Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, eine Anordnung
der angeführten Art
zu schaffen, mit der es möglich
ist, die Wheatstonebrücke
bei Raumtemperatur zu programmieren, und in der Ungleichgewichte
der Brücke
im laufenden Betrieb und ohne Verwendung von Stellwiderständen einfach
ausgeglichen werden können.
Zur Lösung dieser
Aufgabe ist die erfindungsgemäße Anordnung dadurch
gekennzeichnet, dass die erste Richtung durch einen spitzen Winkel
hinsichtlich der dritten Richtung abgeschrägt ist, und dass die zweite
Richtung in entgegengesetzter Richtung durch einen spitzen Winkel
hinsichtlich der dritten Richtung abgeschrägt ist, wobei sich jeder dieser
Stromleiter über mindestens
einen Bereich seiner Länge
in einer vierten Richtung senkrecht zur dritten Richtung erstreckt. Die
erfindungsgemäße Anordnung
nutzt ein magnetoresistives Material, das an sich aus WO-A-96/07926
(PHN 14.992) bekannt ist. Die Erfinder haben entdeckt, dass dieses
Material in einer Anordnung mit einer Wheatstonebrücke vorteilhaft
genutzt werden kann, wenn die Richtung, in die sich die Stromleiter
erstrecken, senkrecht zur Empfindlichkeitsrichtung des magnetoresistiven
Elements gewählt
wird. Das in der erfindungsgemäßen Anordnung
verwendete Material umfasst keine antiferromagnetische Schicht auf
der zweiten ferromagnetischen Schicht, und infolgedessen gibt es
keine Blockungstemperatur. Die erfindungsgemäße Anordnung kann somit bei
Raumtemperatur programmiert werden, indem ein Strom durch die Stromleiter
geführt
wird, der entgegengesetzt gerichtete Magnetfelder an der Position
der in benachbarten Zweigen der Wheatstonebrücke angeordneten magnetoresistiven Elemente
erzeugt. Dies lässt
sich einfach erreichen durch Verbinden der Stromleiter, sodass die
in den Stromleitern fließenden
Ströme,
die den in benachbarten Zweigen der Wheatstonebrücke angeordneten magnetoresistiven
Elementen zuge ordnet sind, in entgegengesetzter Richtung fließen. Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung liegt darin,
dass die thermische Stabilität
nicht auf die Blockungstemperatur von ca. 140°C begrenzt ist. Als Begrenzungsfaktoren
sind die Grenzfläche
sowie Korngrenzendiffusionsvorgänge
zu erwarten, die bei oberhalb ca. 250°C spürbar werden.
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Ein
Ungleichgewicht in der Brücke
kann sehr einfach kompensiert werden durch Umkehren der Richtung
des Stromflusses, sodass die Programmierung umgekehrt wird. Diese
Technik ist an sich bekannt aus Anordnungen zur Magnetfelderkennung, die
den anisotropen magnetoresistiven Effekt nutzen. Dies wird als Umschlagen
(Flipping) bezeichnet.
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Wie
oben erwähnt,
reicht es zur Lösung
der wesentlichen Aufgaben der Erfindung aus, die Stromleiter so
miteinander zu verbinden, dass die Ströme in den Stromleitern, die
den Elementen in benachbarten Zweigen der Wheatstonebrücke zugeordnet
sind, in entgegengesetzter Richtung fließen. Bei manchen Anwendungen
ist es jedoch wünschenswert,
ein Magnetfeld zu erzeugen, das die gleiche Stärke wie das zu messende Feld,
jedoch eine entgegengesetzte Richtung aufweist. Die magnetoresistiven
Elemente erfahren dann ein Magnetfeld mit einem Wert nahe null.
Diese Aufgabe lässt sich
lösen durch
die Verwendung von Stromleitern, die in unmittelbarer Nähe jedes
einzelnen magnetoresistiven Elements das gleiche Magnetfeld erzeugen.
Der durch diese Leiter fließende
Strom kann dann gemessen werden, um die Stärke des zu erkennenden Magnetfeldes
zu bestimmen. Dies kann erreicht werden durch Hinzufügen von
Stromleitern, die alle in Reihe geschaltet sind. Eine Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Anordnung,
bei der diese Zusatzfunktion ohne Hinzufügen weiterer Stromleiter erzielt
wird, ist jedoch dadurch gekennzeichnet, dass Umschaltmittel für die Verbindung
der Stromleiter mit einer Stromquelle gemäß mindestens einem ersten und
einem zweiten Verbindungsplan vorgesehen sind, wobei im ersten Verbindungsplan
die Stromleiter so angeordnet sind, dass Ströme in Stromleitern, die den
in benachbarten Zweigen der Wheatstonebrücke angeordneten magnetoresistiven
Elementen zugeordnet sind, entgegengesetzte Richtungen aufweisen,
während
im zweiten Verbindungsplan die Stromleiter so angeordnet sind, dass
die Ströme
in allen Stromleitern die gleiche Richtung aufweisen.
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Eine
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Anordnung
ist dadurch gekennzeichnet, dass die empfindlichen Bereiche streifenförmige Strukturen aufweisen,
die sich in Richtungen parallel zur dritten Richtung erstrecken.
Diese Ausführungsform
hat den Vorteil, dass die Anordnung sehr kompakt sein kann.
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Eine
weitere Ausführungsform
ist dadurch gekennzeichnet, dass die empfindlichen Bereiche im Wesentlichen
eine kreisförmige
oder ovale Struktur haben und die empfindlichen Bereiche der einzelnen magnetoresistiven
Elemente elektrisch so miteinander verbunden sind, dass der durch
ein magnetoresistives Element fließende Strom durch die empfindlichen
Bereiche senkrecht zu deren Empfindlichkeitsrichtungen fließt. Diese
Ausführungsform
hat den Vorteil, dass sie eine höhere
Empfindlichkeit im Vergleich zu den zuvor erwähnten Ausführungsformen bietet.
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Diese
und weitere Aspekte der Erfindung werden anhand der nachfolgend
beschriebenen Ausführungsformen
deutlich.
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1 zeigt
einen vereinfachten Schaltplan derjenigen Teile einer Anordnung
zum Erkennen eines Magnetfeldes, die für das Verständnis der Erfindung von Bedeutung
sind.
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2 zeigt
eine perspektivische Sicht einer mehrschichtigen Struktur, die Teil
eines magnetoresistiven Elements der in 1 gezeigten
Anordnung ist.
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3 ist
eine Draufsicht der in 2 dargestellten mehrschichtigen
Struktur.
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4 zeigt
ein Merkmal eines magnetoresistiven Elements mit der in den 2 und 3 dargestellten
mehrschichtigen Struktur.
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5 zeigt
eine erste Ausführungsform
der Struktur einer Wheatstonebrücke,
die Teil der in 1 dargestellten Anordnung ist.
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6 zeigt
eine zweite Ausführungsform
der Struktur der Wheatstonebrücke,
die Teil der in 1 dargestellten Anordnung ist.
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Die
in 1 gezeigte Anordnung umfasst vier magnetoresistive
Elemente 1a, 1b, 1c und 1d, die
so miteinander verbunden sind, dass sie eine Wheatstonebrücke mit
den Stromversorgungsanschlüssen 3 und 5 bilden,
die mit der den Strom Iin liefernden Stromquelle 7 verbunden
sind. Die Brücke erzeugt
eine Ausgangsspannung U0, die an den Ausgangsanschlüssen 9 und 11 anliegt.
Statt der Stromquelle 7 könnte auch eine Spannungsquelle
für die Stromversorgung
der Brücke
verwendet werden. Jedes magnetoresistive Element 1a, ..., 1d umfasst
ein oder mehrere empfindliche Bereiche mit einem spezifischen elektrischen
Widerstand, der von dem Wert und der Richtung eines Magnetfeldes
abhängt,
dem der empfindliche Bereich ausgesetzt ist.
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2 zeigt
eine Draufsicht der Struktur eines der empfindlichen Bereiche 13.
Diese Struktur ist an sich aus WO 96/07926 (PHN 14.992) bekannt. Diese
Struktur kann beispielsweise erhalten werden durch ein sukzessives
Ablagern auf einem Siliziumsubstrat 15 mit hohem Widerstand:
eine erste Ta-Schicht 17, eine erste ferromagnetische Schicht 19 (z.
B. FeNi), eine nicht magnetische Schicht 21 (z. B. Cu),
eine zweite ferromagnetische Schicht 23 (ähnlich der
ersten ferromagnetischen Schicht) und eine zweite Ta-Schicht 25.
Die erste Ta-Schicht 17 regt ein defektfreies Wachstum
mit einer starken kristallografischen Struktur an und die zweite
Ta-Schicht 25 dient zum Schutz der Struktur gegen Oxidation. Während des
Wachstums jeder der ferromagnetischen Schichten 19 und 23 wird
ein Magnetfeld angelegt, das die Richtung der magnetisch leichten Achse
der Schicht festlegt. Die Richtung des während des Wachstums der zweiten
ferromagnetischen Schicht 23 angelegten Feldes unterscheidet
sich von der Richtung des Feldes während des Wachstums der ersten
ferromagnetischen Schicht 19. Als Ergebnis erstreckt sich
die leichte Achse 27 der ersten ferromagnetischen Schicht 19 in
einer ersten Richtung und die leichte Achse 29 der zweiten
ferromagnetischen Schicht 23 in einer zweiten Richtung.
Wie im Koordinatensystem am unteren Rand von 2 gezeigt,
unterscheidet sich die erste Richtung von der zweiten Richtung.
Bezogen auf dieses Koordinatensystem erstrecken sich die Schichten 17–25 parallel zur
X-Y-Ebene und die Richtung des Wachstums der Schichten ist die Z-Richtung.
Die erste und zweite Richtung 27 und 29 sind parallel
zur X-Y-Ebene und in
spitzen Winkeln zur X-Achse in entgegengesetzten Richtungen abgeschrägt. 3 ist
eine Draufsicht der in 2 gezeigten mehrschichtigen
Struktur, in der die X-Achse und die magnetisch leichten Achsen 27 und 29 dargestellt
sind. Die magnetisch leichte Achse 27 der ersten ferromagnetischen
Schicht 19 ist hinsichtlich der X-Achse gegen den Uhrzeigersinn abgeschrägt und die
magnetisch leichte Achse 29 der zweiten ferromagnetischen
Schicht 23 ist hinsichtlich der X-Achse im Uhrzeigersinn
abgeschrägt. In
dieser Ausführungsform
haben die Winkel, in denen die leichten Achsen 27 und 29 abgeschrägt sind, die
gleiche Größe, die
beiden Winkel können
jedoch, wie in WO-A-96/07926
beschrieben, unterschiedlich sein. Die erste und zweite ferromagnetische
Schicht 19 und 23 können magnetisiert werden, indem
sie vorübergehend
in ein Magnetfeld mit einer Komponente parallel zur X-Achse gebracht
werden. Wenn dieses Programmierungsfeld parallel zur positiven X-Richtung
ausgerichtet ist (in 3 nach rechts), haben die resultierenden
Magnetisierungsvektoren eine Komponente in positiver X-Richtung.
Wenn dieses Programmierungsfeld in negativer X-Richtung ausgerichtet
ist, haben die Magneti sierungsvektoren eine Komponente in negativer
X-Richtung. Der Magnetisierungsvektor M1 der
ersten ferromagnetischen Schicht umschließt einen Winkel θ mit der
X-Achse, und der Magnetisierungsvektor M2 der
zweiten ferromagnetischen Schicht umschließt mit der X-Achse einen Winkel
mit dem gleichen Wert θ,
jedoch in der entgegengesetzten Richtung. Wenn an die Anordnung
in einer Richtung parallel zur X-Achse ein Magnetfeld H angelegt
wird, werden die Magnetisierungsvektoren M1 und
M2 in entgegengesetzten Richtungen zur X-Achse
gedreht, sodass der Wert des Winkels θ verringert wird. Die Abweichung
mit dem Feld H des Winkels θ hängt von
der Stärke
der magnetokristallinen Anisotropie der ferromagnetischen Schichten 19 und 23 ab
sowie von der Austauschkopplung zwischen den beiden Schichten über die nicht
ferromagnetische Schicht 21 und von der magnetostatischen
Kopplung zwischen den beiden Schichten. Die Rotation der Magnetisierungsvektoren
M1 und M2 bewirkt,
dass der Widerstand eines magnetoresistiven Elements 1a,
..., 1d einschließlich eines
oder mehrerer empfindlicher Bereiche, mit einer Struktur wie in 2 gezeigt,
als Funktion des angelegten Magnetfeldes H variiert. Dieser Effekt
ist zurückzuführen auf
die Überlagerung
des Riesenmagnetowiderstandseffekts (GMR, giant magnetoresistance)
und des anisotropen Magnetowiderstandseffekts (AMR, anisotropic
magnetoresistance) und lässt
sich näherungsweise
sehr gut ausdrücken durch: R = R(θ=0) + ΔRGMR½(1 – cos 2θ) – ΔRAMR(1 – cos2θ) (1)(wenn der
Stromfluss durch das magnetoresistive Element parallel zur Empfindlichkeitsrichtung
x ist)
und R
= R(θ=0)
+ ΔRGMR½(1 – cos 2θ) + ΔRAMR(1 – cos2θ) (2)(wenn der
Stromfluss durch das magnetoresistive Element senkrecht zur Empfindlichkeitsrichtung
x ist).
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Die
Magnetfeldabhängigkeit
des Widerstandes der beschriebenen Anordnung ist in 4 dargestellt
(für ΔRAMR = 0). Es ist ein symmetrisches Merkmal,
das zwei Zweige mit entgegengesetzten Anstiegen bei H = 0 umfasst.
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5 zeigt
eine erste Ausführungsform
der von den magnetoresistiven Elementen 1a, .., 1d gebildeten
Struktur und die diesen Elementen zugeordneten Stromleiter. Die
Struktur wird beispielsweise gebildet durch Aufbringen eines Dünnfilms
auf einem elektrisch isolierenden Substrat. Jedes magnetoresistive
Element 1a, ..., 1d umfasst eine Vielzahl empfindlicher
Bereiche 13, die im Wesentlichen die Zusammensetzung wie
in 2 haben. Die empfindlichen Bereiche 13 sind
elektrisch in Reihe geschaltet durch Verbinden der Bereiche 31,
die beispielsweise eine Kupferschicht umfassen können. Zur besseren Klarheit
sind in 5 die Verbindungsbereiche 31 von
den empfindlichen Bereichen 13 durch eine gestrichelte
Linie getrennt. Die auf diese Weise gebildeten vier magnetoresistiven
Elemente 1a, ..., 1d sind über Leiterstreifen 33 miteinander
verbunden und bilden somit eine Wheatstonebrücke. Die Leiterstreifen 33 können die
gleiche Zusammensetzung haben wie die Verbindungsbereiche 31.
Auf den Leiterstreifen 33 sind Positionen vorgegeben, die
die in 1 dargestellten Anschlüsse 3, 5 und 9, 11 bilden.
Elektrische Leiter wie beispielsweise Kupferdrähte können mit diesen Anschlüssen, z.
B. durch Anlöten,
verbunden werden. Die vier magnetoresistiven Elemente 1a,
..., 1d sind strukturell identisch, weisen jedoch im Status
H = 0 paarweise unterschiedliche Richtungen der Magnetisierungsvektoren
auf (durch Pfeile in den empfindlichen Bereichen 13 gekennzeichnet).
Die Richtungen der Magnetisierungsvektoren werden so gewählt, dass
magnetoresistive Elemente in benachbarten Zweigen der Wheatstonebrücke (beispielsweise
die Elemente 1a und 1b oder 1b und 1c)
unterschiedliche Richtungen der Magnetisierungsvektoren haben. Die
Elemente 1a, .., 1d sind empfindlich gegenüber Magnetfeldern
mit der in 5 gezeigten Richtung oder der
entgegengesetzten Richtung (d. h. Felder entlang der Richtung der
X-Achse). Ein angelegtes Magnetfeld H bewirkt ein Ungleichgewicht
der Brücke,
das mit Hilfe einer Spannung U0 über die Ausgangsanschlüsse 9, 11 erkannt
wird, wenn ein Strom Iin zwischen den Stromanschlüssen 3, 5 fließt.
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In
der unmittelbaren Nähe
zu jedem einzelnen magnetoresistiven Element 1a, .., 1d ist
ein Stromleiter 35a, 35b, 35c, 35d vorgesehen.
Die Stromleiter 35a, ..., 35d (schattiert dargestellt)
können
unter den magnetoresistiven Elementen 1a, .., 1d,
wie in 5 dargestellt, oder über diesen Elementen liegen.
Sie sind von den zugeordneten magnetoresistiven Elementen 1a,
.., 1d durch eine elektrisch isolierende Schicht (nicht
dargestellt) getrennt. Der erste Stromleiter 35a hat erste
und zweite Endstücke 37 und 39,
der zweite Stromleiter 35b hat erste und zweite Endstücke 41 und 43,
der dritte Stromleiter 35c hat erste und zweite Endstücke 45 und 47 und
der vierte Stromleiter 35d hat erste und zweite Endstücke 49 und 51.
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Ein
Strom, der beispielsweise durch den ersten Stromleiter 35a fließt, erzeugt
ein Magnetfeld an der Position des ersten magnetoresistiven Elements 1a.
Wenn der Strom in Y-Richtung fließt, ist dieses Magnetfeld parallel
zur X-Achse gerichtet. Hat dieses Magnetfeld eine ausreichende Stärke, kann
es wie oben beschrieben die Richtung der Magnetisierungsvektoren
M1 und M2 in den
empfindlichen Bereichen 13 des Elements 1a bestimmen.
Die Richtung des Magnetisierungsvektors in jedem der magnetoresistiven
Elemente 1a, .., 1d hängt somit von der Richtung des
Stromflusses in dem zugeordneten Stromleiter 35a, ..., 35d ab.
Infolgedessen können
die Stromleiter 35a, ..., 35d zur Programmierung
der magnetoresistiven Elemente 1a, .., 1d verwendet
werden. Zu diesem Zweck sollten die Ströme durch den ersten und den
dritten Stromleiter 35a und 35c eine erste Richtung
und die Ströme
durch den zweiten und den vierten Stromleiter 35b und 35d eine
zweite Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung aufweisen.
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Wenn
Gleichstrommagnetfelder mit einer hohen Empfindlichkeit gemessen
werden müssen,
hat die Temperaturabhängigkeit
des Widerstand der magnetoresistiven Elemente 1a, .., 1d einen
negativen Einfluss auf die Messgenauigkeit. Es ist ein in der Technik
bekanntes Verfahren, diese thermische Drift auszugleichen, indem
zunächst
eine Messung des Magnetfeldes durchgeführt wird, während die magnetoresistiven
Elemente 1a und 1c ihren Widerstand vergrößern, wenn
das Magnetfeld H beispielsweise entlang der positiven X-Achse gerichtet
ist, und anschließend
eine ähnliche
Messung für
Magnetfelder H entlang der negativen X-Richtung durchgeführt wird,
während
diese magnetoresistiven Elemente ihren Widerstand vergrößern. Durch
Subtraktion der beiden Messergebnisse kann der Effekt der thermischen
Drift eliminiert werden. Diese Technik wird als Umschlagen (Flipping)
der Empfindlichkeit der magnetoresistiven Elemente bezeichnet. In
der in 5 dargestellten Anordnung kann Umschlagen sehr
einfach dadurch erreicht werden, dass durch jeden der Stromleiter 35a,
..., 35d ein Strom geführt
wird mit entgegengesetzter Richtung zu der Richtung des Stroms,
der für
die Programmierung der Anordnung verwendet wird. Die Folge davon
ist, dass die Anordnung mit einer umgekehrten Empfindlichkeit neu
programmiert wird.
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Die
Programmier- und Umschlagfunktionen der Stromleiter 35a,
..., 35d wie oben beschrieben lassen sich erzielen, indem
diese Stromleiter in Reihe geschaltet werden, sodass durch alle
vier Stromleiter immer der gleiche Strom fließt, wobei die Stromrichtung
im ersten und dritten Stromleiter 35a und 35c gleich
ist und entgegengesetzt der Stromrichtung im zweiten und vierten
Stromleiter 35b und 35d. Zu diesem Zweck können die
Endstücke
der Stromleiter wie folgt angeschlossen werden: 39 an 41, 37 an 45 und 47 an 49.
Die verbleibenden Endstücke 43 und 51 können dann
an die Anschlüsse
einer Gleichstromquelle mit umkehrbarer Polarität angeschlossen werden. Diese
Anschlüsse
können
permanent gemacht werden.
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In
manchen Fällen
ist es wünschenswert, Magnetfelder
H so zu messen, dass die Wheatstonebrücke immer im Gleichgewicht
und die Ausgangsspannung U0 immer null ist.
Dies lässt
sich erreichen durch Anlegen eines Kompensations-Magnetfeldes an
die magnetoresistiven Elemente 1a, .., 1d mit
der gleichen Stärke
wie das Feld H, jedoch der entgegengesetzten Richtung. Ein solches
Kompensationsfeld kann mittels eines oder mehrerer Stromleiter in
der Nähe
der magnetoresistiven Elemente 1a, .., 1d erzeugt
werden. Der zum Erreichen eines Gleichgewichts der Brücke erforderliche
Strom ist von der Stärke
des Magnetfeldes H abhängig.
Durch die Messung dieses Stroms kann die Stärke von H gemessen werden.
Es wurde festgestellt, dass in der erfindungsgemäßen Anordnung die Stromleiter 35a,
..., 35d zum Erzeugen des Kompensationsfeldes verwendet
werden können.
Zu diesem Zweck muss der Strom in allen Stromleitern 35a,
..., 35d in der gleichen Richtung fließen. Dies wird erreicht durch
den Anschluss der Endstücke
dieser Stromleiter wie folgt: 37 an 51, 49 an 41 sowie 43 an 45.
Die verbleibenden Endstücke 39 und 47 müssen dann
mit den Anschlüssen
einer regelbaren Gleichstromquelle verbunden werden.
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Es
ist klar, dass die Programmier- und Umschlagfunktionen einen Verbindungsplan
von Stromleitern erfordern, der sich von dem Verbindungsplan für die Funktion
zur Schaffung eines Kompensationsfeldes unterscheidet. Beide Verbindungspläne können jedoch
durch Bereitstellung geeigneter Umschaltmittel realisiert werden.
Eine Ausführungsform solcher
Umschaltmittel ist im Schaltplan von 1 dargestellt.
In dieser Ausführungsform
umfassen die Umschaltmittel acht Wechselschalter 53, 55, 57, 59, 61, 63, 65 und 67.
Die Schalter 53, ..., 67 werden vorzugsweise mit
geeigneten Halbleiter-Umschaltelementen
wie beispielsweise bipolaren Feldeffekt-Transistoren implementiert.
Sie werden in bekannter Weise über
eine Steuereinheit (nicht dargestellt) gesteuert. Die Schalter 53,
..., 67 können
zwischen zwei Stellungen umschalten. In den in 1 dargestellten
Stellungen verbinden die Schalter die Endstücke der Stromleiter wie folgt:
Schalter 53 und 55 verbinden die Endstücke 39 und 41,
Schalter 67 und 59 verbinden die Endstücke 37 und 45,
Schalter 61 und 63 verbinden die Endstücke 47 und 49,
Schalter 57 verbindet das Endstück 43 mit einem ersten Anschluss 69 einer
Stromquelle 71 und Schalter 65 verbindet das Endstück 51 mit
dem zweiten Anschluss 73 der Stromquelle. Die Stromquelle 71 liefert
einen Gleichstrom Iaux und umfasst Mittel
zur Umkehrung der Richtung dieses Stroms auf einen entsprechenden
Befehl von der Steuereinheit hin. Mit den Schaltern 53,
..., 67 in den in 1 gezeigten Stellungen
kann die Programmier- und Umschlagfunktion durchgeführt werden.
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Wenn
die Schalter 53, ..., 67 die in 1 nicht
gezeigten Stellungen aufweisen, verbinden sie die Endstücke der
Stromleiter 35a, ..., 35d wie folgt: Schalter 65 und 67 verbinden
die Endstücke 37 und 51,
Schalter 63 und 55 verbinden die Endstücke 49 und 41,
Schalter 57 und 59 verbinden die Endstücke 43 und 45,
Schalter 53 verbindet das Endstück 39 mit dem ersten
Anschluss 69 der Stromquelle 71 und Schalter 61 verbindet
das Endstück 47 mit
dem zweiten Anschluss 73. Mit den Schaltern 53,
..., 67 in diesen Stellungen kann die Funktion der Schaffung
eines Kompensationsfeldes erreicht werden. In der Anordnung in 1 wird
für alle
Funktionen die gleiche Stromquelle 71 verwendet. Zur Schaffung
eines Kompensationsfeldes kann natürlich auch eine andere Stromquelle
verwendet werden.
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In
der in 5 dargestellten ersten Ausführungsform sind die empfindlichen
Bereiche 13 der magnetoresistiven Elemente 1a,
.., 1d streifenförmige
Strukturen, die sich in X-Richtung, d. h. der Empfindlichkeitsrichtung
erstrecken. Wie in der Figur gezeigt, verlaufen die empfindlichen
Bereiche 13 parallel mit relativ kleinen Abständen zwischen
benachbarten empfindlichen Bereichen eines magnetoresistiven Elements.
Die Anordnung kann dadurch sehr kompakt sein. Diese Ausführungsform
ist daher gut geeignet, wenn nur wenig Platz für den Sensor zur Verfügung steht.
In dieser Konfiguration fließt
der Strom durch die empfindlichen Bereiche parallel zur Empfindlichkeitsrichtung.
Aus Gleichung (1) folgt, dass in diesem Fall die GMR- und AMR-Effekte
gegensätzliche
Vorzeichen haben. Wenn eine sehr hohe Empfindlichkeit der Anordnung
erforderlich ist, wäre
es von Vorteil, den Strom senkrecht zur Empfindlichkeitsrichtung
fließen
zu lassen, sodass sich gemäß Gleichung
(2) der GMR- und der AMR-Effekt konstruktiv addieren. Diese Situation
wird in einer in 6 dargestellten zweiten Ausführungsform
erreicht. In dieser zweiten Ausführungsform
sind die empfindlichen Bereiche 13 im Wesentlichen kreisförmige Strukturen
(alternativ können
sie auch oval sein), die über
die Verbindungsbereiche 31 in einer Weise elektrisch verbunden
sind, dass ein Strom, der durch eines der magnetoresistiven Elemente 1a,
.., 1d fließt,
durch die empfindlichen Bereiche in einer Richtung fließt, die
senkrecht zur Empfindlichkeitsrichtung dieser Bereiche liegt. Gleichung
(2) gilt somit für
diese magnetoresistiven Elemente. Die Empfindlichkeitsrichtung der
empfindlichen Bereiche ist festgelegt durch die Richtung der Magnetisierungsvektoren
dieser Bereiche, die durch Pfeile in der gleichen Weise wie in 5 dargestellt
ist: Wie in der ersten Ausführungsform
liegt diese Empfindlichkeitsrichtung parallel zur X-Richtung. Zur
Reduzierung der für
den Sensor erforderlichen Oberfläche
sind die magnetoresistiven Elemente 1a, .., 1d in
der ersten und zweiten Ausführungsform
mäanderartig
geformt. In der ersten Ausführungsform
kann jeder streifenförmige empfindliche
Bereich 13 eine beträchtliche
Länge haben,
sodass eine relativ kleine Anzahl solcher Bereiche entlang einer
Linie in Y-Richtung, senkrecht zur Empfindlichkeitsrichtung, angeordnet
werden kann. Ein einzelner Stromleiter 35a, ..., 35d parallel
zur Y-Richtung reicht somit für
jedes magnetoresistive Element 1a, .., 1d aus.
In der zweiten Ausführungsform
ist eine relativ große
Anzahl punktförmiger
Bereiche für
jedes magnetoresistive Element erforderlich, und das mäanderförmige Element
umfasst eine Vielzahl paralleler Reihen, wobei jede Reihe eine Vielzahl
empfindlicher Bereiche 13 umfasst. Da das einem bestimmten
magnetoresistiven Element zugeordnete, vom Stromleiter erzeugte
Magnetfeld für
alle empfindlichen Bereiche dieses Elements die gleiche Richtung
haben muss, umfasst jeder Stromleiter 35a, 35b, 35c und 35d eine
Vielzahl aktiver Bereiche 135a, 135b, 135c und 135d,
die mit inaktiven Bereichen 235a, 235b, 235c und 235d verbunden
sind. Jeder der aktiven Bereiche entspricht und befindet sich unter
(oder über)
einer entsprechenden Reihe empfindlicher Bereiche, wobei die inaktiven
Bereiche zwischen den Reihen der empfindlichen Bereiche liegen.
Ein magnetoresistives Element der zweiten Ausführungsform belegt daher eine
größere Fläche als
ein magnetoresistives Element der ersten Ausführungsform. Als Verbesserung
können
die punktförmigen
empfindlichen Bereiche 13 der zweiten Ausführungsform
in einem sechseckigen Muster angeordnet werden, um die gegenseitigen
Beeinflussungen auf ein Minimum zu begrenzen. Ein ähnlicher Vorschlag
wurde für
die Anordnung in WO-A-95/28649 gemacht.
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Die
empfindlichen Bereiche 13 (ob punktförmig oder nicht) können so
klein gewählt
werden, dass sie Einzelbereiche bilden.