JP2022119745A - Magnetic field sensor device and manufacturing method of magnetic field sensor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁界センサ装置及び磁界センサ装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a magnetic field sensor device and a method of manufacturing a magnetic field sensor device.
電動化の増加に伴い、自動車の電流測定の重要性がより一層高まっている。公知の測定方法では、測定用シャントが使用され、電圧降下に基づいて、測定用シャントを流れる電流を測定する。ここでの問題は、測定回路と評価回路をガルバーニ絶縁することが頻繁に必要になるが、この測定方法ではそれができず、追加の電子部品を用いて構成しなければならないことである。 With the increase in electrification, the importance of current measurement in automobiles is increasing. A known measuring method uses a measuring shunt and measures the current through the measuring shunt based on the voltage drop. The problem here is that it is frequently necessary to galvanically isolate the measurement and evaluation circuits, which is not possible with this measurement method and must be implemented with additional electronic components.
そのため、例えば磁界を発生させる電流を磁界に基づいて特定する非接触方式がより一層使用されている。線形性が改善された磁界センサは、米国特許出願公開第2016/0320459号より公知である。EP1450176A1は、磁界測定セルと、空隙によって分離された少なくとも2つの部分を有し、磁気シールドの空洞に配置された磁界測定セルを囲む磁気シールドとを備える磁界センサを開示している。さらに、EP2423693B1から、誘電体とハウジングに設けられた相補的なロック要素によって、誘電体をハウジングにロックすることができるトロイダルコア変流器が公知である。
Therefore, more and more non-contact methods are being used, for example, determining the current generating the magnetic field on the basis of the magnetic field. A magnetic field sensor with improved linearity is known from US2016/0320459. EP 1 450 176 A1 discloses a magnetic field sensor comprising a magnetic field measuring cell and a magnetic shield having at least two parts separated by an air gap and surrounding the magnetic field measuring cell arranged in a cavity of the magnetic shield. Furthermore, from
変圧器の原理で作動する誘導型システムは、直流成分の検出には適さない。非接触式電流測定には様々なアプローチがある。したがって、例えば、線形法とフラックスゲート原理とを区別することができる。 Inductive systems operating on the transformer principle are not suitable for detecting DC components. There are various approaches to non-contact current measurement. Thus, for example, a distinction can be made between linear methods and fluxgate principles.
線形法は、定義された測定範囲全体についての電流センサの線形挙動に基づく。測定量は、実質的に線形関数を介して、例えば電圧などの電気的に検出可能な量に変換される。
これに対し、フラックスゲート原理は、特にセンサの磁性材料の非線形挙動を利用して、センサ素子の必要な飽和磁化を特定する。これは外部磁界に応じて変化し、中心点位置を移動させる。ここで、中心点位置は、負方向の磁界及び正方向の磁界で飽和に必要な振幅の差異に相当する。
Linear methods are based on the linear behavior of the current sensor over a defined measurement range. The measured quantity is converted into an electrically detectable quantity, eg voltage, via a substantially linear function.
In contrast, the fluxgate principle specifically exploits the non-linear behavior of the magnetic material of the sensor to specify the required saturation magnetization of the sensor element. It changes in response to the external magnetic field and moves the center point position. Here, the center point position corresponds to the amplitude difference required for saturation in negative and positive magnetic fields.
磁性材料を磁界の向きを変えて周期的に飽和状態にする、発振基準磁界を発生させると、この中心点のずれを特定し、そこから測定すべき外部磁界を推測することができる。
非接触式電流測定には、例えば異方性磁気抵抗効果(AMR効果)、巨大磁気抵抗効果(GMR効果)、トンネル磁気抵抗効果(tunnel magnetoresistance、TMR効果)などに基づくセンサを使用することができる。これらのセンサは、線形用途、多くの場合測定ブリッジ用途において使用される。この際、このタイプのセンサの線形特性曲線を改善する負担がある。
By generating an oscillating reference magnetic field that periodically saturates the magnetic material by reorienting the field, this center point deviation can be determined and from it the external magnetic field to be measured can be inferred.
Sensors based on, for example, the anisotropic magnetoresistive effect (AMR effect), the giant magnetoresistive effect (GMR effect), the tunnel magnetoresistive effect (TMR effect), etc. can be used for contactless current measurement. . These sensors are used in linear applications, often in measurement bridge applications. There is then the burden of improving the linear characteristic curve of this type of sensor.
フラックスゲート原理に関する磁気コア内の強磁性コアの磁気反転は、センサで検出することができる。この時、励磁コイル及び強磁性コアからなる磁気回路を用いることができる。センサは、受信コイル又はリニア磁気センサのいずれかを使用する。また、磁気コアに巻いた1つのコイルを励磁器及び受信器として同時に使用することも意図され得る。さらに、補償コイルを用いて外部磁界を補償し、それによって中心点位置を修正することもできる。そして、必要な補償電流が外部磁界の基準となる。 The magnetic reversal of the ferromagnetic core within the magnetic core for the fluxgate principle can be detected with a sensor. At this time, a magnetic circuit consisting of an excitation coil and a ferromagnetic core can be used. The sensors use either receive coils or linear magnetic sensors. It may also be envisaged to use one coil wound on a magnetic core simultaneously as exciter and receiver. Additionally, compensation coils can be used to compensate for external magnetic fields, thereby correcting the center point position. The required compensation current then becomes the reference for the external magnetic field.
米国特許出願公開第2018/0191282号の文献から、2つの磁気センサ素子でトンネル磁気抵抗効果(TMR)を使用した磁界センサ装置が公知である。TMR効果のさらなる適用は、米国特許出願公開第2016/0320462号、EP2284553A1の文献から知られている。 From document US 2018/0191282 a magnetic field sensor device is known which uses the tunnel magnetoresistive effect (TMR) with two magnetic sensor elements. Further applications of the TMR effect are known from the document US2016/0320462, EP2284553A1.
本発明は、独立請求項の特徴を有する磁界センサ装置及び磁界センサ装置の製造方法を提供する。さらに、本発明は、記載された磁界センサ装置の作動方法の権利を主張する。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a magnetic field sensor device and a method for manufacturing a magnetic field sensor device having the features of the independent claims. Furthermore, the invention claims a method of operation of the described magnetic field sensor device.
好ましい実施形態は、それぞれの従属請求項の主題である。
第1の態様によれば、本発明は、ホイートストンブリッジ回路に接続された4つの抵抗素子を有する磁界センサ装置であって、各抵抗素子は少なくとも1つのトンネル磁気抵抗素子(TMR素子)を有し、各TMR素子は、導電性の磁気固定層(fixed layer)と、導電性の磁気自由層(free layer)と、固定層及び自由層を分離する電気絶縁トンネルバリアとを有し、自由層は異方性幾何学形状を有する、磁界センサ装置に関する。磁界センサ装置は、少なくとも1つの磁界装置を備える励磁装置であって、少なくとも1つの磁界装置に励磁電流を通電して、各抵抗素子に対して抵抗素子に作用する交番磁界を発生させるように構成されている励磁装置をさらに備える。磁界センサ装置は、各抵抗素子に対して抵抗素子に作用する直流磁界を発生させるように構成されている補償装置をさらに備える。磁界センサ装置は、ホイートストンブリッジ回路のブリッジ電圧に応じて測定信号を出力するように構成されている測定装置を備える。磁界センサ装置は、測定信号の直流成分が所定値に制御されるように補償装置を駆動制御するために、測定装置から出力される測定信号に基づいて制御信号を生成するように構成されている制御装置をさらに備える。最後に、磁界センサ装置は、励磁電流と、測定装置から出力される測定信号とに基づいて、外部磁界強度を特定するように構成されている評価装置を備える。
Preferred embodiments are the subject matter of the respective dependent claims.
According to a first aspect, the invention is a magnetic field sensor device comprising four resistive elements connected in a Wheatstone bridge circuit, each resistive element comprising at least one tunnel magnetoresistive element (TMR element). , each TMR element has an electrically conductive fixed layer, an electrically conductive magnetic free layer, and an electrically insulating tunnel barrier separating the fixed and free layers, the free layer comprising: It relates to a magnetic field sensor device having an anisotropic geometry. The magnetic field sensor device is an excitation device comprising at least one magnetic field device configured to energize the at least one magnetic field device with an excitation current to generate an alternating magnetic field acting on each resistance element. It further comprises an exciter. The magnetic field sensor device further comprises a compensating device configured for each resistive element to generate a DC magnetic field acting on the resistive element. The magnetic field sensor device comprises a measuring device configured to output a measuring signal as a function of the bridge voltage of the Wheatstone bridge circuit. The magnetic field sensor device is configured to generate a control signal based on the measurement signal output from the measurement device for controlling the compensation device such that the DC component of the measurement signal is controlled to a predetermined value. A controller is further provided. Finally, the magnetic field sensor device comprises an evaluation device configured to determine the external magnetic field strength on the basis of the excitation current and the measurement signal output by the measurement device.
第2の態様によれば、本発明は、本発明に係る磁界センサ装置の製造方法であって、少なくとも励磁装置及び補償装置は、薄膜プロセスによって製造される磁界センサ装置の製造方法に関する。 According to a second aspect, the invention relates to a method of manufacturing a magnetic field sensor device according to the invention, wherein at least the excitation device and the compensating device are manufactured by thin film processes.
フラックスゲート法では、特に非線形のB-H特性曲線を有する磁界感応材料(強磁性コア)の使用を有する。これにより、一般的に設置スペースが大きくなり、そのサイズや位置が磁界に影響を与える可能性がある。本発明に係る磁界センサ装置は、センサ出力特性曲線の必要な非線形性を発生させるために、センサ素子が幾何学的異方性を有するように構築されている。磁界感応材料の機能をセンサ素子に内蔵することで、設置スペースを節約することができる。 The fluxgate method particularly involves the use of magnetic field sensitive materials (ferromagnetic cores) with a non-linear BH characteristic curve. This generally results in a larger installation space, whose size and position can affect the magnetic field. The magnetic field sensor device according to the invention is constructed such that the sensor elements have geometric anisotropy in order to generate the required non-linearity of the sensor output characteristic curve. Installation space can be saved by incorporating the function of the magnetic field sensitive material into the sensor element.
本発明の基礎となる考えは、高精度な線形磁界センサ装置を提供するために、トンネル磁気抵抗に基づいた磁界センサの幾何学的に発生する非線形性を利用することである。このため、非線形TMR素子は、ホイートストン測定ブリッジで接続されている。 The idea underlying the present invention is to exploit the geometrically generated non-linearity of magnetic field sensors based on tunnel magnetoresistance in order to provide a highly accurate linear magnetic field sensor device. To this end, the nonlinear TMR elements are connected in a Wheatstone measurement bridge.
TMRに基づくセンサは、到達可能な測定周波数に関して有利であり、そのためフラックスゲート原理での使用に特に適している。2つの動作点を高い周波数で周期的に切り換えることで、励磁装置には一定の要求がなされるが、これは、励磁コイルを使用する場合、必要な電圧は励磁コイルのインダクタンスに大きく依存するためである。これにより、高い測定帯域幅に高い精度で到達することも可能になる。 Sensors based on TMR are advantageous with respect to the achievable measurement frequencies and are therefore particularly suitable for use in the fluxgate principle. The periodic switching between the two operating points at high frequency places certain demands on the exciter, because when using an exciter coil, the required voltage is highly dependent on the inductance of the exciter coil. is. This also allows high measurement bandwidths to be reached with high precision.
磁界センサ装置の好ましい発展形態によれば、自由層は、2つの主軸に対して対称的に構成され、主軸に沿った自由層の伸張は、2つの主軸について異なる。主軸は主磁化方向、ひいては磁界センサ装置の動作点を決定する。 According to a preferred development of the magnetic field sensor device, the free layer is arranged symmetrically with respect to the two main axes, the elongation of the free layer along the main axes being different for the two main axes. The principal axis determines the principal magnetization direction and thus the operating point of the magnetic field sensor device.
磁界センサ装置の好ましい発展形態によれば、自由層は、楕円形、長方形、菱形又はレンズ形に成形されている。したがって、自由層は、特に好ましくは、2つの対称軸又は主軸を有する。 According to a preferred development of the magnetic field sensor device, the free layer is elliptically, rectangularly, rhomboidally or lenticularly shaped. The free layer therefore particularly preferably has two axes of symmetry or principal axes.
磁界センサ装置の好ましい発展形態によれば、磁界装置は、少なくとも1つのコイル又は少なくとも1つの導電体を有し、励磁装置は、交番磁界を発生させるために、少なくとも1つのコイル又は少なくとも1つの導電体に励磁電流を通電するように構成されている。 According to a preferred development of the magnetic field sensor device, the magnetic field device has at least one coil or at least one conductor, and the excitation device has at least one coil or at least one conductor for generating the alternating magnetic field. configured to apply an excitation current to the body;
磁界センサ装置の好ましい発展形態によれば、少なくとも1つのコイル又は少なくとも1つの導電体は、少なくとも1つのTMR素子の自由層の磁化方向に対して横方向に延びる。 According to a preferred development of the magnetic field sensor device, the at least one coil or the at least one conductor extends transversely to the magnetization direction of the free layer of the at least one TMR element.
磁界センサ装置の好ましい発展形態によれば、励磁装置は、補償装置を備え、励磁電流の交流成分が交番磁界を発生させ、励磁電流の直流成分が直流磁界を発生させる。これにより、特にコンパクトな構成が可能になる。 According to a preferred development of the magnetic field sensor device, the excitation device comprises a compensator, the AC component of the excitation current generating an alternating magnetic field and the DC component of the excitation current generating a DC magnetic field. This allows a particularly compact construction.
磁界センサ装置の好ましい発展形態によれば、各抵抗素子は、並列及び/又は直列に接続された複数のTMR素子を有する。これにより、磁界センサ装置の感度や効果的な電気抵抗を調整することができる。 According to a preferred development of the magnetic field sensor device, each resistive element has a plurality of TMR elements connected in parallel and/or in series. This makes it possible to adjust the sensitivity and effective electrical resistance of the magnetic field sensor device.
磁界センサ装置の好ましい発展形態によれば、制御装置は、測定信号がゼロボルトのブリッジ電圧について実質的に対称に延びるように、補償装置を駆動制御するように構成されている。評価装置は、ホイートストン測定ブリッジがどの励磁電流で動作点を切り換えるかを特定することができる。評価装置は、例えばルックアップテーブルや校正機能による計算によって、外部磁界強度を特定することができる。 According to a preferred development of the magnetic field sensor device, the control device is designed to activate the compensating device in such a way that the measuring signal runs substantially symmetrically about a bridge voltage of zero volts. An evaluation device can determine at which excitation current the Wheatstone measuring bridge switches its operating point. The evaluation device can determine the external magnetic field strength, for example by calculation with a lookup table or a calibration function.
磁界センサ装置の好ましい発展形態によれば、評価装置は、外部磁界の特定強度に基づいて、磁界を発生させる電流の電流強度を決定するようにさらに構成されている。
磁界センサ装置の好ましい発展形態によれば、励磁装置及び補償装置は、薄膜プロセスによって製造されている。薄膜プロセスで励磁装置及び補償装置を実現することで、距離が小さいほど、対応する振幅の電界を発生させるためにより小さな電流で足りるため、消費電流を低減することができる。さらに、好ましくは、TMR素子もまた薄膜プロセスによって製造されてもよい。
According to a preferred development of the magnetic field sensor device, the evaluation device is further arranged to determine the current strength of the current generating the magnetic field on the basis of the specific strength of the external magnetic field.
According to a preferred development of the magnetic field sensor device, the excitation device and the compensating device are manufactured by thin-film processes. Realizing the exciter and compensator in a thin film process can reduce the current consumption, as the smaller the distance, the smaller the current required to generate the corresponding amplitude of the electric field. Furthermore, preferably, the TMR element may also be manufactured by a thin film process.
磁界センサ装置の好ましい発展形態によれば、評価装置は、磁界を決定するために、ホイートストンブリッジ回路がどの励磁電流で動作点を切り換えるかを特定するように構成されている。ホイートストンブリッジ回路に外部磁界が作用すると、動作点の切り換えに必要な励磁電流が変化する。このため、評価装置は、励磁電流に基づいて外部磁界の磁界強度を特定することができる。 According to a preferred development of the magnetic field sensor device, the evaluation device is designed to determine at which excitation current the Wheatstone bridge circuit switches the operating point in order to determine the magnetic field. When an external magnetic field acts on the Wheatstone bridge circuit, the excitation current required for switching the operating point changes. Therefore, the evaluation device can specify the magnetic field strength of the external magnetic field based on the excitation current.
全ての図において、同一又は機能的に同一の要素や装置には、同一の参照符号を付している。プロセスステップの番号付けは明確化のためであり、一般的に特定の時系列順序を示すものではない。特に、複数のプロセスステップを同時に行ってもよい。 Identical or functionally identical elements and devices are provided with the same reference numerals in all figures. The numbering of process steps is for clarity and generally does not imply any particular chronological order. In particular, several process steps may be performed simultaneously.
図1は、磁界センサ装置10の概略構成図を示す。ホイートストンブリッジ回路は、4つの抵抗素子R1~R4を備える。各抵抗素子R1~R4は、固定層71、自由層72及び(図示しない)トンネルバリアを有するTMR素子又はTMRセル11~14からなる。自由層72は、異方性幾何学形状、図1では楕円形形状を有する。
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a magnetic
磁界センサ装置10は、磁界装置を有する励磁装置2をさらに備える。磁界装置は、コイル、又は導電体、又は複数の導電体として構成されてもよく、抵抗素子R1~R4の下方又は上方に配置されている。コイルや導電体に電流が流れると交番磁界が発生し、交番磁界は抵抗素子R1~R4に作用する。導電体は、例えば薄膜プロセスによって製造されてもよい。
The magnetic
さらに、磁界センサ装置10は、各抵抗素子R1~R4に対して、抵抗素子に作用する直流磁界を発生させるように構成された補償装置3を備える。また、補償装置3と励磁装置2とは、同一の部品によって実施されてもよい。例えば、TMR素子11~14の下方又は上方に延びるコイル、又は単一の導電体、又は複数の並列導電体を設けてもよく、コイル又は導電体を流れる励磁電流の交流成分により交番磁界が発生し、励磁電流の直流成分により直流磁界が発生する。
Furthermore, the magnetic
磁界センサ装置10は、ホイートストンブリッジ回路のブリッジ電圧VDDを測定し、対応する測定信号を出力する測定装置4をさらに備える。
磁界センサ装置10は、測定装置4からの測定信号を受信し、測定信号に基づいて制御信号を生成する制御装置5をさらに備える。この制御信号によって補償装置3が制御される。制御装置5は、測定信号の直流成分が所定値に制御されるように制御信号を生成する。特に、測定信号がゼロボルトのブリッジ電圧について実質的に対称になるように制御することができる。
The magnetic
The magnetic
最後に、磁界センサ装置10は、励磁装置2が印加した励磁電流と、測定装置4が出力した測定信号とに基づいて、外部磁界強度を特定する評価装置6を備える。
磁界を決定するために、評価装置6は、ホイートストンブリッジ回路の動作点を切り換える励磁電流を特定する。ホイートストンブリッジ回路に外部磁界が作用すると、動作点の切り換えに必要な励磁電流が変化する。
Finally, the magnetic
To determine the magnetic field,
図1に示すように、固定層71の磁化方向と自由層72の磁化方向は、ある角度を取る。TMR素子11、14のうちの2つはそれぞれ第1の自由磁化方向を有し、他の2つのTMR素子12、13は自由層72の磁化に対して鏡映の第2の自由磁化方向を有する。TMR素子11~14の自由層72の磁化は、2つの動作点に対して磁化方向に沿って正又は負に配向され、すなわち180度ずれて配向されている。実際に発生する磁化は、励磁装置2の交番磁界と補償装置3の直流磁界、及び制御装置6の制御信号における、外部磁界の補償に必要な理想的な制御信号からの誤った偏差に依存する。
As shown in FIG. 1, the magnetization direction of the fixed
図1に示す状態(第1の動作点)では、TMR素子11~14の磁化はそれぞれ第1の方向を示す。TMR素子11~14の配向により、センシング方向xが決まる。磁界センサ装置10は、センシング方向xに沿った外部磁界の磁界強度を決定することができる。
In the state (first operating point) shown in FIG. 1, the magnetizations of the
図2は、磁界センサ装置10のさらなる状態(第2の動作点)を示す。ここで、TMR素子11~14の磁化は、それぞれ第1の方向とは反対の第2の方向を示す。
なお、本発明は、図示の実施形態に限定されるものではない。特に、各抵抗素子R1~R4は、直列及び/又は並列接続された複数のTMR素子11~14から構成されてもよい。
FIG. 2 shows a further state (second operating point) of the magnetic
It should be noted that the present invention is not limited to the illustrated embodiments. In particular, each resistive element R1-R4 may be composed of a plurality of TMR elements 11-14 connected in series and/or in parallel.
図3は、TMR素子11~14の自由層72の、考えられる様々な幾何学的構成を示す。左から右に、自由層は、楕円形の自由層72a、長方形の自由層72b、菱形の自由層72c又はレンズ形の自由層72dとすることができる。
FIG. 3 shows various possible geometries of the
図4は、自由層72における磁化を説明するための概略図である。自由層72の対称軸又は主軸である軸Aが示されている。自由層72の磁化の第1の配向が左下に図示され、反対方向の第2の配向が右下に図示されている。自由層72のこれらの磁化方向は、印加された交番磁界により周期的に切り換わる。
FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the magnetization in the
図5は、第1の方向に沿って磁化された磁気固定層71と、第2の方向に沿って正又は負の方向に磁化された磁気自由層72とを備え、第1の方向及び第2の方向が角度φを取るTMR素子の概略図である。
FIG. 5 includes a magnetic pinned
固定層71は、外部磁界に依存しないか、又はあまり依存しない、実質的に固定された磁化を有する。固定層71と自由層72は、遮断層又はトンネルバリアとも呼ばれる、電気的に非導電性のバリアによって分離されている。固定層71は、磁気的に好ましい方向に調整されており、自由層72は、磁気的にはるかに自由である。2つの磁性層の磁化方向間の角度φは、結果として生じるトンネル磁気抵抗のオーム性抵抗を決定する。作用する磁界に応じて、この角度φ、ひいては抵抗値が変化するため、評価装置6は外部磁界の磁界強度を決定することができる。
図6は、TMR素子の自由層及び固定層の磁化方向間の角度φに対する、抵抗Rの依存性を示す。角度φが0度の場合は、第1の抵抗値R↑↑を有し、磁化方向の平行な配向に相当する。角度φが大きくなると、抵抗値は抵抗値R0を経て、反平行に相当する角度180度の最大値R↑↓まで増加する。 FIG. 6 shows the dependence of the resistance R on the angle φ between the magnetization directions of the free and fixed layers of the TMR element. An angle φ of 0 degrees has a first resistance value R↑↑ and corresponds to a parallel orientation of the magnetization directions. As the angle φ increases, the resistance value increases through the resistance value R0 to the maximum value R↑↓ corresponding to the anti-parallel angle of 180 degrees.
図7は、磁界装置21を備えたTMR素子の概略図である。固定層71、自由層72、及び磁界装置21を形成し電流iが流れる平行導電体が示されている。電流は、自由層72の磁化に作用する交番磁界及び/又は直流磁界を発生させる。
FIG. 7 is a schematic diagram of a TMR element with a
固定磁気基準点を調整するために、自由層72の幾何学的異方性は、実質的に平面に構成された構造の長さと幅との間のアスペクト比が1に等しくないことによって意図的に調整される。追加の磁界の中止により、自由層72は、異方性によって設定された好ましい軸に沿って配向される。異方性は一方向のみ設定するため、それぞれを180°相互に捩れた2つの安定した動作点が調整される。
To adjust the fixed magnetic reference point, the geometric anisotropy of the
単一のTMR素子11~14の安定性、すなわちそれぞれ他の動作点に近づくために必要な磁界の振幅は、アスペクト比によって調整される。細長い自由層72は、両方の空間方向に略同じ幾何学的寸法を有する自由層72よりも高い安定性を有する。
The stability of the single TMR elements 11-14, ie the amplitude of the magnetic field required to approach each other operating point, is adjusted by the aspect ratio. An elongated
TMR素子11~14の2つの動作点の間で周期的に交互に切り換わるために十分な強さの磁界が、磁界装置21を用いて生成される場合、それぞれ他方の動作点に近づくために最初に克服しなければならない外部磁界を、調整されたブリッジ出力電圧でホイートストンブリッジ回路を適宜構築し、2つの動作点に到達するために必要な励磁電流を知ることで特定することができる。
If a magnetic field of sufficient strength to cyclically alternate between the two operating points of the TMR elements 11-14 is generated using the
図8は、本発明に係る磁界センサ装置10のホイートストンブリッジの出力特性曲線の概略図である。出力電圧又はブリッジ電圧Voutが、図1に図示したセンシング方向に沿った外部磁界Bの磁界強度の関数としてプロットされる。出力電圧Voutをゼロボルトとして、飽和電圧Vsatと-Vsatがプロットされている。磁界が大きくなると、出力電圧Voutは正の飽和電圧Vsatを起点に矢印方向Pに沿って増加する。上側の磁界強度Bflipが正の場合、出力電圧Voutは負の値まで下がり、増加している磁界強度Bに対し下側から負の飽和電圧Vsatに近づく。逆に、出力電圧Voutは大きい磁界強度Bから下側の負の磁界強度Bflipまで減少し、このとき磁界強度Bは正の値に移動する。出力電圧Voutの経過はヒステリシスを示す。
FIG. 8 is a schematic diagram of the output characteristic curve of the Wheatstone bridge of the magnetic
磁界を決定するために、測定装置4はホイートストンブリッジ回路の励磁コイル電流とブリッジ電圧を記録し、どの励磁電流でホイートストンブリッジ回路が動作点を切り換えるかを記載する。ホイートストンブリッジ回路に外部磁界が作用すると、動作点の切り換えに必要な励磁電流が変化する。 To determine the magnetic field, the measuring device 4 records the excitation coil current and the bridge voltage of the Wheatstone bridge circuit and describes at which excitation current the Wheatstone bridge circuit switches its operating point. When an external magnetic field acts on the Wheatstone bridge circuit, the exciting current required for switching the operating point changes.
さらに、制御装置5によって制御される補償装置3は、外部磁界が存在する場合でも動作点がゼロを中心に対称的に切り換えられるように、補償電流を供給することができる。
図9は、本発明に係る磁界センサ装置10の製造方法を示すフロー図である。
Furthermore, the
FIG. 9 is a flow diagram showing a method of manufacturing the magnetic
このために、薄膜技術における第1のプロセスステップS1において、4つの相互接続された抵抗素子R1~R4を有するホイートストンブリッジ回路が提供され、各抵抗素子は少なくとも1つのTMR素子11~14を有する。 To this end, in a first process step S1 in thin-film technology, a Wheatstone bridge circuit is provided with four interconnected resistor elements R1-R4, each resistor element having at least one TMR element 11-14.
さらに、プロセスステップS2において、コイル又は複数の平行導電体など、少なくとも1つの磁界装置で交番磁界を発生させるための励磁装置2が提供され、これも好ましくは薄膜プロセスによって製造される。さらに、直流磁界を発生させるための補償装置3が提供される。補償装置3は、別個のコイル又は別個の導電体を備えることができ、これらも好ましくは薄膜プロセスによって製造される。ただし、補償装置3及び励磁装置2は、1つ又は複数のコイルや導電体など、同じ部品を備えていてもよい。
Furthermore, in process step S2 an
プロセスステップS3において、ホイートストンブリッジ回路のブリッジ電圧を測定する測定装置4が構成される。測定信号の直流成分が所定の値に制御されるように補償装置3を駆動制御するために、測定装置によって出力された測定信号に基づいて制御信号を生成する制御装置5が構成される。最後に、励磁電流と、測定装置から出力される測定信号とに基づいて外部磁界強度を特定する評価装置が構成される。
In process step S3, a measuring device 4 for measuring the bridge voltage of the Wheatstone bridge circuit is configured. In order to control the
2 励磁装置
3 補償装置
4 測定装置
5 制御装置
6 評価装置
10 磁界センサ装置
11 TMRセル、TMR素子
12 TMRセル、TMR素子
13 TMRセル、TMR素子
14 TMRセル、TMR素子
21 磁界装置
71 固定層
72 自由層
72a 楕円形の自由層
72b 長方形の自由層
72c 菱形の自由層
72d レンズ形の自由層
R1 抵抗素子
R2 抵抗素子
R3 抵抗素子
R4 抵抗素子
S1 プロセスステップ
S2 プロセスステップ
S3 プロセスステップ
2
Claims (11)
少なくとも1つの磁界装置(21)を備える励磁装置(2)であって、前記少なくとも1つの磁界装置(21)に励磁電流を通電して、各抵抗素子(R1~R4)に対して前記抵抗素子(R1~R4)に作用する交番磁界を発生させるように構成されている、励磁装置(2)と、
各抵抗素子(R1~R4)に対して前記抵抗素子(R1~R4)に作用する直流磁界を発生させるように構成されている補償装置(3)と、
前記ホイートストンブリッジ回路のブリッジ電圧に応じて測定信号を出力するように構成されている測定装置(4)と、
前記測定信号の直流成分が所定値に制御されるように前記補償装置(3)を駆動制御するために、前記測定装置(4)から出力される前記測定信号に基づいて制御信号を生成するように構成されている制御装置(5)と、
前記励磁電流と、前記測定装置(4)から出力される前記測定信号とに基づいて、外部磁界強度を特定するように構成されている評価装置(6)と、
を備えた、磁界センサ装置(10)。 Four resistive elements (R1-R4) connected to a Wheatstone bridge circuit, each resistive element (R1-R4) having at least one tunnel magnetoresistive TMR element, each TMR element (11-14 ) separates a conductive pinned layer (71), a conductive free layer (72; 72a-72d) and an electrically insulating tunnel barrier separating said pinned layer (71) and said free layer (72; 72a-72d). and wherein said free layers (72; 72a-72d) have an anisotropic geometry;
An excitation device (2) comprising at least one magnetic field device (21), wherein the at least one magnetic field device (21) is energized with an excitation current to cause each resistance element (R1-R4) to an exciter (2) configured to generate an alternating magnetic field acting on (R1-R4);
a compensator (3) configured to generate for each resistive element (R1-R4) a DC magnetic field acting on said resistive element (R1-R4);
a measuring device (4) configured to output a measurement signal in response to the bridge voltage of the Wheatstone bridge circuit;
generating a control signal based on the measurement signal output from the measurement device (4) to drive and control the compensation device (3) so that the DC component of the measurement signal is controlled to a predetermined value; a controller (5) configured in
an evaluation device (6) configured to determine an external magnetic field strength on the basis of the excitation current and the measurement signal output from the measurement device (4);
A magnetic field sensor device (10), comprising:
前記磁界センサ装置(10)が、
ホイートストンブリッジ回路に接続された4つの抵抗素子(R1~R4)を備え、
少なくとも1つの磁界装置(21)を備える励磁装置(2)と、
補償装置(3)と、
測定装置(4)と、
制御装置(5)と、
評価装置(6)と
を備え、
各抵抗素子(R1~R4)に対して前記抵抗素子(R1~R4)に作用する交番磁界を発生させるように、前記少なくとも1つの磁界装置(21)に励磁電流を通電するステップと、
各抵抗素子(R1~R4)に対して前記抵抗素子(R1~R4)に作用する直流磁界を発生させるステップと、
前記ホイートストンブリッジ回路のブリッジ電圧に応じて測定信号を出力するステップと、
前記測定信号の直流成分が所定値に制御されるように前記補償装置(3)を駆動制御するために、前記測定装置(4)から出力される前記測定信号に基づいて制御信号を生成するステップと、
前記励磁電流と、前記測定装置(4)から出力される前記測定信号とに基づいて、外部磁界強度を特定するステップと
を含む方法。
A method of operating a magnetic field sensor device (10) according to any one of claims 1 to 9, comprising:
The magnetic field sensor device (10)
Equipped with four resistance elements (R1 to R4) connected to a Wheatstone bridge circuit,
an excitation device (2) comprising at least one magnetic field device (21);
a compensator (3);
a measuring device (4);
a controller (5);
an evaluation device (6),
energizing the at least one magnetic field device (21) with an exciting current so as to generate an alternating magnetic field acting on each resistive element (R1-R4);
a step of generating a direct current magnetic field acting on each resistive element (R1-R4);
outputting a measurement signal according to the bridge voltage of the Wheatstone bridge circuit;
generating a control signal based on the measurement signal output from the measurement device (4) to drive and control the compensation device (3) so that the DC component of the measurement signal is controlled to a predetermined value; When,
determining an external magnetic field strength based on said excitation current and said measurement signal output from said measurement device (4).
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