KR20060119973A - 하프 또는 풀브리지 회로 형태의 자기 저항 센서 - Google Patents

하프 또는 풀브리지 회로 형태의 자기 저항 센서 Download PDF

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아셀 바르토스
아르민 마이젠베르크
프리츠 데트만
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에이치엘-플라나 테크닉 게엠베하
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Abstract

AMR 또는 GMR 효과에 기초하는 자기저항 센서는 그 저항이 상이한 형상 이방성의 자기저항 박막 스트립으로 구성됨으로써 실질적으로 확장된 선형 특성곡선을 나타낸다. 상이한 형상 이방성은 다양한 스트립 폭, 스트립 두께, 스트립 간격 또는 스트립 재료에 의해 달성될 수 있다. 적어도 하나의 특성곡선 지점에서 자기저항 센서의 출력 전압에 대한 온도 보상은, 센서의 적어도 하나의 자기저항의 저항에 자기저항 재료와 다른 온도 계수를 갖는 추가 박막 스트립이 직렬 접속됨으로써 달성된다.

Description

하프 또는 풀브리지 회로 형태의 자기 저항 센서{MAGNETORESISTIVE SENSOR IN THE FORM OF A HALF-OR FULL-BRIDGE CIRCUIT}
본 발명은 이방성 자기저항 효과(AMR) 또는 거대 자기저항 효과(GMR)를 이용하고 자계를 표시하는데 적합한 센서에 관한 것이다. 특히 본 발명을 통해 개선된 센서 소자의 적용은 특성 값의 초과를 자동으로 인식하는 데 있다. 특정한 전계 강도의 이러한 초과는 예컨대 센서의 위치로 영구 자석이 이동되거나 또는 증가하는 전류 강도가 센서의 근처에 있는 전도체를 가하는 전기장 강도가 흐를 때 야기될 수 있다. 두 가지 경우에 센서에 의해 출발 신호의 특성값의 초과시 스위칭 과정이 시작될 수 있다. 센서 신호와 선형 관계에 있는 경우, 전환점 주변에서 자석 위치 또는 전류 강도에 대한 설명이 센서 신호에 가장 간단하게 제시될 수 있다.
상기 방식의 센서가 공지되어 있으며, 상기 센서의 온도 의존성 및 선형성은 적용을 위해 아직 충분하지 않다. 상기 결함을 극복하기 위해 AMR 센서의 경우 EP 0 796 491에서 특성 곡선의 비선형성을 보상할 수 있는 회로가 기술되어 있다. 그러나 제시된 회로는 복잡하고 다양한 적용을 위해서는 고가의 공정 비용이 든다.
자계에서 AMR 스트립 또는 GMR 스트립의 저항값의 변동은 일반적으로 비선형으로 이루어진다. 스트립 평면에서 전류 방향에 대해 횡으로 자계가 인가되는 AMR 센서 스트립의 경우에, 저항 변동은 전계 강도에 의해 자승으로 이루어진다. 스핀 밸브 박막 시스템의 경우 GMR 스트립에서도 고정된 강자성 박막의 자화가 스트립 길이 방향과 일치하고 자계가 상기 방향에 대해 횡으로 설정되면, 저항 변동은 전계 강도에 의해 자승으로 이루어진다. 휘스톤 브리지로 구성된 센서로서 상기 스트립 저항으로부터 출력 신호를 송출하고, 상기 신호는 실질적으로 저항과 동일한 자계에 대한 자승의 종속성을 갖는다.
센서 소자의 선형성을 개선하기 위해 AMR 센서에 대한 다수의 특허 명세서가 있다. 따라서 공개공보 DE 26 15 539에 다수의 고전도성 비자성 박막 스트립을 갖는 센서 저항의 자기저항 박막 스트립이 약간 이격 배치되는 것이 제안되고, 상기 스트립의 길이 방향은 자기저항 박막 스트립의 길이 방향과 약 45°를 형성한다. 이로써 작은 양 및 음의 전계 범위에서 선형 특성 곡선이 나타난다. 도전 박막 스트립이 자기저항 스트립에 대한 상반된 기울기에 의해 동일한 자계에서 저항 변동의 반대 극성 신호가 얻어질 수 있다. 선형 특성 곡선의 자계 범위를 확장하는 방법으로서, 경제특허 DD 260 773에 자기저항 스트립의 고유 자화 각도의 상이한 회전성에서 고전도성 박막 스트립의 상반된 기울기의 두 개의 부분을 갖는 각각의 자기저항에 의한 저항의 구성이 제시된다. 상이한 회전성은 상이한 스트립 폭에 의해 달성될 수 있다. 특성 곡선의 선형화가 자기저항 스트립 상의 기울어지는 도전박막 스트립에 의해 구현되는 센서는, 도전박막 스트립에 의해 자기저항 스트립의 저항값이 약 1/3로 감소되는 단점을 갖는다. 따라서 상기 값만큼 센서면의 비경제적인 확장이 필요하다. 또한, 도전박막 스트립은 약 1㎛ 범위에서 약간 확장시 기 껏 백분율 범위에 놓여야 하는 편차와, 경사 각도의 고도의 정확성으로 제조되어야 하고, 이것은 기술적으로 매우 복잡한 공정을 의미한다. 또한, 선형화를 위한 제시된 방법은 AMR 센서에만 적용될 수 있다. 왜냐하면, 상기 방법은 전류 방향의 변동에 의해 저항 스트립에 영향을 미치기 때문이다. 그러나 이것은 GMR 센서의 경우에 저항값에 있어서 중요하지 않다.
자기저항 센서의 출력 신호의 온도 종속성의 극복은 명세서 GB 2 281 654에 따라 자기저항 박막 바로 아래에 박막 베이스 상에 열전 박막을 배치하고 전자 회로를 이용하여 센서 신호를 보정함으로써 달성된다. 특허 명세서 JP 63 179 586에 따라 열전 박막으로서 마찬가지로 전계 센서 장치 내에서와 동일한 파라미터를 갖는 자기저항 박막이 사용된다. 두 개의 장치의 단점은 전자 회로 및 특히 그들의 검정을 위한 비용이 많이 드는 점이다.
센서 브리지에서 모든 분기에서 동일한 자기저항 재료의 경우 저항이 자계 종속적으로 그리고 자계에 비종속적으로 형성됨으로써 센서 신호의 온도 종속성을 극복하기 위한 시도는 특허 명세서 US4 506 220에 기술되어 있다. 자계 종속 저항들은 브리지 회로에서 바로 반대편에 놓이고 한 지점에서 서로 연결된다. 이러한 시도에 의해 결과적으로 온도 변경시 커먼 모드 변위가 방지된다. 자계 내의 변동 저항의 온도 계수는 변동되지 않으며 따라서 온도에 의한 브리지 신호의 변동도 유지된다.
특허 명세서 EP 0 048 289호에 제안된 장치에서 저항의 양의 온도 계수를 갖는, 센서의 모든 자기저항 박막의 하부에 저항의 음의 온도 계수를 갖는 도전 하부 박막이 제공된다. 자기 저항 박막 및 하부 박막의 박막 두께의 적절한 비율의 선택시 이중 박막의 온도 계수를 없앨 수 있다. 이로써 휘스톤 브리지로서 구성된 자기저항 센서의 경우에 브리지 저항을 온도에 비종속적으로 만들 수 있다. 그러나 인가된 자계에 상응하는 센서의 신호가 모든 온도에서 동일하다는 결론을 내리는 오류를 범할 수 있다. 자기저항 박막의 경우에 자계에서 저항의 변동의 온도계수는 음의 값을 갖는 한편, 저항의 온도계수는 양의 값을 갖는다. 자기저항 센서의 출력 신호는 상승하는 온도에 따른 보상 조치 없이 감소한다. EP 0 048 289에 제시된 하부 박막은 자기저항 박막의 저항에 대해 평행하게 전기 접속된다. 자계 인가시 이중 박막의 신호를 결정하는 저항 변동은, 자기저항 박막만 있는 경우보다 작게 감소된다. 온도가 상승함에 따라 자기저항 박막의 저항은 상응하고 하부 박막의 저항은 감소한다. 따라서 자계에 의해서만 저항 변동이 더욱 감소된다. 결과적으로 온도가 상승할수록 자기저항 박막으로만 구성된 센서의 신호보다 급격하게 감소하는 센서 출력 신호가 얻어진다.
본 발명의 목적은 박막 베이스에 자기 저항 센서의 구성을 제공하는 것으로, 상기 센서의 특성곡선은 용도에 필요한 전계 범위에서 선형으로 진행하고 상기 센서의 출력 신호는 온도 보상된다.
상기 목적은 청구범위 제 1 항 및 청구범위 제 17 항에 따른 센서 장치에 의해 달성된다. 바람직한 실시예는 종속 청구항에 포함되어 있다. 센서 특성곡선의 선형화는 상이한 형상 이방성의 자기 저항 박막 스트립의 직렬 접속에 의해 달성된다. 자기 저항 박막 스트립은 도전막 구조를 지지하지 않기 때문에, 상기 스트립의 완전한 저항값은 유효해지고 정해진 필수 센서 저항은 최소 센서면에서 구현될 수 있다. 특성곡선이 선형인 자계 범위는 상이한 형상 이방성의 박막 스트립의 수를 적절하게 선택함으로써 용도에 따라 조절할 수 있다. 각각의 상이한 형상 이방성의 박막 스트립을 많이 필요로 할수록 선형 영역이 더 커야 한다. AMR 센서 브리지를 위해 예컨대 두 개의 대각선으로 반대편에 놓인 저항에만 상이한 폭의 박막 스트립이 제공되어야하고, 측정될 자계는 박막 스트립의 길이 방향에 대해 수직으로 향한다. 두 개의 다른 브리지 저항들은 바람직하게 가장 작은 폭의 박막 스트립만 갖는다. 따라서 한편으로는 최소 칩면만 필요로 하고 다른 한편으로는 타원형의 박막 스트립의 큰 형상 이방성으로부터 측정될 모든 자계에서 변동없는 필수 저항값을 야기하는 고유 자화의 안정성이 얻어진다. 선형화된 범위에서 센서 특성곡선의 상승 지속의 실질적인 개선은 보조 자계에 의해 단 100A/m의 측정 전계 방향에 대해 수직으로 가능하다.
선형화되고 온도 안정화된 자기 저항 센서를 위해 GMR 박막 시스템을 사용하는 경우 스핀 밸브 시스템이 바람직한 것으로 입증된다. 상기 스핀 밸브 시스템은, 자화 방향이 본래의 또는 인위적인 역강자성 박막에 바로 인접함으로써 조절되고 측정될 자계 강도에 의해 실질적으로 영향을 받지 않을 수 있는 고정된 강자성 박막, 자화가 회부 자계에 의해 쉽게 회전될 수 있는 자유 강자성 박막, 및 두 개의 강자성 박막의 자화가 거의 분리되도록 박막 두께가 선택되는 비자성 중간 박막으로 구성된다. 스핀 밸브 박막 시스템의 저항값은 두 개의 강자성 박막의 자화의 병렬 위치에서 최소이고 역평형 방향에서 최대이다. 고정된 박막의 자화가 스트립 길이 방향으로 설정되고 자유 박막의 자화가 형상 이방성의 작용으로 인해 외부 전계의 작용 없이 상기 방향으로 향하면, 증가하는 외부 전계의 인가시 전계 강도에 따라 자승으로 진행하는, 박막 시스템의 저항값이 얻어진다. 따라서, 특성곡선의 선형화는 AMR 센서의 경우와 동일한 방법으로, 즉 상이한 형상 이방성의 박막 스트립의 직렬 접속에 의해 달성될 수 있다. 이것은 간단하게 예를 들어 박막 스트립의 폭에 의해 조절될 수 있다. 이 경우, 각각의 하프 브리지의 저항의 박막 스트립의 자화를 반대 방향으로 설정함으로써, 두 개의 저항은 자계에서 반대방향으로 변동된다. 따라서, 두 배의 센서 감도를 얻을 수 있다. 물론, 대각선으로 놓인 저항이 고정된 박막의 동일한 자화 방향을 갖는 풀브리지에도 적용된다. 스핀 밸브 시스템의 비자성 중간 박막의 두께는, 두 개의 강자성 박막의 약 강자성 또는 역 강자성 결합이 나타나도록 선택될 수 있다. 두 가지 경우에서 자유 박막의 자화의 약한 회전성이 얻어진다. 장해 전계의 작용에 따른 자유 박막의 자화 안전성은 현저하게 높아진다. 이로써 선형화 특성 곡선의 기울기의 지속은 AMR 센서의 경우와 유사하게 스트립 방향으로 안정화 전계에 의해 개선된다.
측정될 특정 자계에서 온도 변화시 센서 신호의 안정성을 음의 온도 계수를 갖는 자계에 의존하지 않는 박막 저항의 본 발명에 따른 직렬 접속에 의해 자기저항 박막 스트립으로 구현하기 위해, 자기저항 박막 스트립의 저항값의 약 1%인 박막 저항값이 충분할 수 있다. 이로 인한 센서 신호의 감소는 열적으로 안정화되지 않은 센서 신호에 비하여 매우 경미하다. 자계에 의해 영향을 받지 않을 수 있는 두 개의 브리지 저항의 저항이 먼저 천분율 범위의 값정도로 전계에 의존하는 저항을 초과하는 경우, 센서 브리지의 제로 오프셋의 검정은 AMR 센서의 경우에 간단하게 형성될 수 있다. 자기 저항 박막 및 다른 박막의 검정 범위가 저항값의 음의 온도 계수를 가지면, 최적으로 온도 안정화된, 특성 곡선의 범위 및 센서 브리지의 제로 오프셋의 검정을 개별적으로 실행할 수 있다.
본 발명의 실시예는 하기에서 설명된다. 이를 위해 관련 도면은 하기와 같다.
도 1은 박막 베이스에서 선형 특성 곡선을 갖는 본 발명에 따른 AMR 센서.
도 2는 박막 베이스에서 선형 특성 곡선을 갖는 본 발명에 따른 GMR 센서.
도 3은 센서 브리지의 저항의 다른 실시예.
도 4는 선행 기술에 따른 AMR 센서의 특성 곡선.
도 5는 선형 AMR 센서의 특성 곡선.
도 6은 선행 기술에 따른 스핀 밸브 유형의 GMR 저항의 특성 곡선.
도 7은 스핀 밸브 유형의 선형 GMR 센서의 특성 곡선.
도 8은 온도 안정화된 자기저항 센서 브리지의 구조.
도 9는 온도 안정화된 특성곡선 점을 갖는 선형 자기저항 센서의 특성 곡선.
도 1에 본 발명에 따른 자기저항 센서 브리지가 도시되어 있고, 상기 센서 브리지의 저항(1;2;3;4)은 AMR 박막 스트립으로 구성되어 있고 박막 베이스(19) 상 에 제공된다. 저항(1;2;3 및 4)은 각각 파선에 의해 제한된다. 브리지 구동 전압은 접속점(UB , UB -) 사이에 인가된다. 브리지의 출력 신호는 Ua2 와 Ua1 간의 전압차로 측정된다. 브리지의 전기 회로 내에서 대각선으로 마주 놓인 저항(1, 4)은(도 8 참조) 각각 네 개의 AMR 박막 스트립(6;7;8;9)을 포함한다. 상기 AMR 박막 스트립(6;7;8;9)은 평행한 스트립 길이 방향, 상이한 형상 이방성 및 서로 다른 길이를 갖고 도시된 경우에서는 두 개의 저항 (1, 4)에 대칭으로 배치된다. AMR 박막 스트립(6;7;8;9)의 상이한 형상 이방성은 도 1에서 상이한 폭(10;11;12;13)을 선택함으로써 조절될 수 있다. 동일한 번호로 도시된 AMR 박막 스트립(6;7;8;9)은 각각 모든 특성에 있어서 동일하기 때문에 저항(1, 4)의 저항값도 동일하다. 저항(2, 3)은 동일한 특성의 병렬로 아래로 서로 동일한 AMR 박막 스트립으로 구성된다. 상기 AMR박막 스트립의 길이 방향은 AMR 박막 스트립(6;7;8;9)의 길이 방향과 직각을 이룬다. 형상 이방성으로 인해 인가된 자계(He, Hh)를 갖지 않는 모든 AMR 박막 스트립의 자화는 각각의 스트립의 길이 방향에 일치한다. 전류는 AMR 박막 스트립에 의해 길이 방향으로 흐르기 때문에, 인가된 자계 없이 모든 저항은 최대 저항값 상태에 있게 된다. 네 개의 저항값은 동일하다. 측정될 자계(He)의 인가시 저항(2, 3)의 AMR 박막 스트립의 자화는 변경되지 않는다. 왜냐하면, 상기 자화는 이미 He의 방향에 상응하기 때문이다. 그러나 저항(1, 4)의 AMR 박막 스트립(6;7;8;9)의 자화는 전계 방향으로 편향되고 그들의 저항값은 감소된다. 자화 및 스트립 방향 간의 각도는 하기식으로부터 얻어진다.
Figure 112006017188409-PCT00001
상기 식에서 각각의 박막 스트립(6;7;8;9)은 폭 w, 두께 t, 재료 Hk의 포화자화 Ms 및 이방성 전계 강도를 갖는다. AMR 박막 스트립의 저항값 R1은 하기식에 의해 얻어진다.
Figure 112006017188409-PCT00002
상기 식에서 R0i는 각각의 AMR 박막 스트립의 최대 저항값, ri는 자계에 의해 달성될 수 있는 최대 저항 변동이다.
선행 기술에 상응하는 바와 같이, 동일한 형상 이방성, 즉 동일한 폭, 동일한 두께 및 동일한 재료의 AMR 박막 스트립만 사용되면, 각각의 자계 강도 He에서 각도 φ가 발생하고 두 개의 브리지 저항(1, 4)의 값은 자계 He에 의해 자승으로 변경된다. 따라서, 도 4에 도시된 바와 같이 브리지 출력 신호도 자승으로 자계의 의존하는 값이다. 박막 스트립의 폭은 도시된 경우에 6㎛, 두께는 25 nm, 포화 자화는 106 A/m이고 재료의 이방성 전계 강도는 250A/m 이다. 자계에서 도달할 수 있는 최대 저항 변동은 2.5%이다. 도 4에서 실선 곡선은 볼트 작동 전압에서 브리지의 출력 전압이다. 출력 전압의 상승은 점으로 도시된다. 전계에 의한 선형 상응은 브리지 출력 전압의 자승의 곡선으로 증명된다.
인가된 자계 He의 함수로서 본 발명에 따른 센서의 출력 전압은 도 5에서 상 승하는 실선 곡선으로 도시된다. 브리지의 두 개의 브리지 저항(1, 4)은 여기에서 선택된 실시예의 경우 각각 상이한 폭의 8 개의 자기저항 박막 스트립(도 1에서 4개의 박막 스트립만 도시됨)으로 구성된다. 자기저항 박막은 25 nm의 두께, 106 A/m의 포화 자화 및 250 A/m의 이방성 전계 강도를 갖는다. 박막의 저항 상승은 2.5%이다. 각각의 브리지 저항의 전체 저항값은 1㏀ 이다. 브리지 저항(1, 4)을 위해 4;5;6;8;12;32 및 64 ㎛의 폭을 갖는 박막 스트립이 선택된다. 인가된 자계를 갖지 않는 저항값은 상이한 폭의 박막 스트립에서 동일한 순서로 340;275;83.3;82.6;93.6;12.5;68.2 및 40.5 Ω이다. 센서 특성곡선의 미분은 두 가지 경우에 대해서 도 5의 하부에서 균일하게 도시된다. 각각의 자계가 측정될 전계에 대해 수직을 이루면 실선이 유효하다. 이 경우 상이한 폭의 8개의 박막 스트립으로 구성된 저항임을 알 수 있는 변동폭을 갖는, 선형 영역 내의 특성곡선의 상승에 대한 평균적인 일정 값이 얻어진다. 상이한 폭의 박막 스트립의 수가 증가되면, 변동폭은 감소된다. 가변 폭(11)을 갖는 도 3에 따른 자기저항 박막 스트립(7)이 사용될 경우 바람직한 것으로 입증된다. 작은 폭을 갖는 박막 스트립(6)의 저항 부분이 항상 최대이기 때문에, 일정하게 작은 폭을 갖는 박막 스트립과 더 큰 가변 폭(11)을 갖는 박막 스트립(7)의 조합이 최적이다. 제 2 미분 함수(도 5에서 점선으로 도시)는 제 1 미분 함수보다 현저히 작은 변동폭을 갖는다. 본 발명에 따라 자성 보조 전계 Hh는 작은 전계 강도에 의해 측정될 전계에 대해 수직으로 인가될 때 상기 2차 미분 함수가 얻어진다. 도시된 실시예에서 100 A/m의 보조 전계 가 이용된다.
도 2는 자기저항 스핀 밸브 박막 시스템이 사용된 경우 4개의 저항(1;2;3;4)으로 구성된 본 발명에 따른 센서 브리지가 박막 베이스(19)에 배치된 것을 도시한다. 브리지는 콘택 UB + , UB - 에 전압을 공급한다. 출력 전압은 콘택 Ua1 과 Ua2 사이에 인가한다. 도 2에서 각각의 브리지 저항(1;2;3;4)은 상이한 폭(10;11;12;13)의 각각 4개의 자기저항 스핀 밸브 박막 스트립(6;7;8;9)으로 이루어진다. 선택된 실시예에서 모든 박막 스트립(6;7;8;9)의 길이 방향이 일치하고, 4개의 저항(1;2;3;4)은 서로 형상적으로 동일하다. 스핀 밸브 박막 시스템은, 자화 방향이 본래의 또는 인위적인 역강자성 박막에 바로 인접함으로써 조절되고 측정될 자계 강도에 의해 경미하게만 영향을 받을 수 있는 고정된 강자성 박막, 외부 자계에 의해 자화가 쉽게 회전될 수 있는 자유 강자성 박막, 및 박막 두께가 두 개의 강자성 박막의 자화가 거의 분리되도록 선택되는 비자성 중간 박막으로 구성된다. 고정 강자성 박막의 자화 방향(14;15)은 각각의 브리지 분기의 두 개의 저항(1;2 및 3;4)에서 반대로 조절된다. 대각선으로 놓인 저항(1;4 및 2;3)에서 상기 방향은 일치한다. 측정될 전계 He는 자화 방향(14;15)과 스트립 길이 방향에 대해 수직이다. 자유 강자성 박막의 자화 방향은 측정 전계 He 없이 스트립 길이 방향과 일치하고 보조 전계 Hh의 영구적이 또는 일시적인 인가에 의해 상기 보조 전계의 방향으로 당겨진다.
자유 및 고정된 박막의 자화의 출발 위치가 평행하면 스핀 밸브 박막 스트립의 저항에 하기식이 적용된다.
Figure 112006017188409-PCT00003
자화가 처음에 역평행이면 하기식과 같다.
Figure 112006017188409-PCT00004
R0 가 저항값의 자계에 의존하는 부분이고, Θ(He) 또는 φ(He)은, Hh의 방향을 갖는 측정 전계 He의 영향을 받으면서 자유 또는 고정 박막의 자화를 형성하는 각도이다. 스핀 밸브 박막 시스템의 저항 상승은 r 이다. 각각의 He 값에 대한 적절한 각도는 예를 들어 하기식들을 해결함으로써 얻어질 수 있다.
Figure 112006017188409-PCT00005
및
Figure 112006017188409-PCT00006
상기식에서
H01 = (t/w)Ms + Hk1 이고,
H02 = (t/w)Ms + Hk2 이다.
상기식에서 Hk1은 자유 박막의 이방성 전계 강도이고 Hk2는 고정된 박막의 이 방성 전계 강도이다. 자유 및 고정 박막의 두께 t는 동일한 값을 기초로 하고 이것은 폭 w, 및 포화 자화 Ms에서도 마찬가지이다.
NiFe 스핀 밸브 박막 시스템에서 Hk1는 100A/m 이고 Hk2 는 25 kA/m이다. 이로써 측정 전계 He의 작용시 자유 박막의 자화 각도는 실질적으로 고정 박막의 자화 각도보다 크게 변경되지만, 상기 고정 박막은 일정하지 않다.
도 6은 측정 전계 He에서 자유 및 고정 박막의 자화의 평행 및 역평행 출발 위치에서 일정 폭의 스핀 밸브 박막 시스템의 박막 스트립의 저항값의 변경을 두꺼운 실선으로 도시한다. 출발 위치는 해당 화살표에 의해 식별된다. 또한, 두 개의 저항 곡선의 미분 값이 기재되어 있고 마찬가지로 화살표로 도시되어 있다. 미분 값은 적어도 시작부에서는 인가하는 자계에 따라 선형으로 상승한다. 즉, 이방성 자기저항 박막의 경우에처럼 여기에서도 자승의 저항 특성곡선을 제공한다. 동일한 형상 이방성의 박막 스트립이 사용되는 경우, 스핀 밸브 박막 시스템에 기초한 센서 브리지는 상기와 같은 자승의 특성곡선을 갖는다.
이와 달리, 예컨대 박막 스트립(6;7;8;9)의 상이한 폭(10;11;12;13)에 의한 본 발명에 따른 상이한 형상 이방성이 사용된, 도 2에 따른 센서 브리지에서는 도 7에 도시된 바와 같이, 실질적으로 선형 특성 곡선이 얻어진다. 예컨대 100 A/m의 Hk1 및 25kA/m의 Hk2에서 그리고 106 A/m의 포화 자화에서 각각 6 mm의 자유 및 고정박막의 박막 두께를 갖는 NjFe 스핀 밸브 박막 시스템에서, 각각의 저항 내에서 1;2;3;4 또는 5㎛의 폭을 갖는 5개의 박막 스트립이 전기적으로 직렬 접속되면, 선형 영역(5)을 갖는 상기 특성곡선이 얻어진다. 각각의 브리지 저항(1;2;3;4)은 전계 작용 없이 1 ㏀의 저항값을 갖는다. 출력 자화(14)의 평행한 방향을 갖는 저항(2;3)에서 상기 폭의 스트립은 동일한 순서대로 599;173;28.6;53.8 또는 145 Ω의 저항값을 갖는다. 역평행 방향(15)을 갖는 저항(1;4)에서는 699;159.4;53.6;45.5 또는 50 Ω의 상응하는 스트립 저항값을 갖는다. 도 7에서 센서 특성곡선의 미분 값은 다시 점으로 기재된다. 특성 곡선의 선형 영역(5)에서 미분 저항의 작은 변동폭만 존재한다. 선형 영역(5)은 1.5kA/m 내지 6.5 kA/m으로 연장된다. 미분의 변동폭은 이 경우 다시 상이한 폭의 박막 스트립의 수가 증가함으로써, 도 3에 따른 가변 폭의 박막 스트립이 사용됨으로써 그리고 보조 전계 Hh가 인가됨으로써 감소될 수 있다.
선형 특성 곡선 영역을 갖는 스핀 밸브 박막 시스템으로 이루어진 저항 스트립을 갖는 GMR 센서의 상기 실시예는, 상이한 스트립 폭에 의해 달성된 상이한 형상 이방성의 박막 스트립의 본 발명에 따른 용도 이외에도 스트립 길이 방향 및 인가된 자화 방향에 대한 구조적 배치의 개수와 관련된다. 그러나 상기 구조적 배치는 본 발명에 있어서 제한되지 않는다. 이것은 다른 다수의 구조적 배치로 구현될 수도 있다.
도 8은 박막 베이스(19) 상에서 자기 저항 센서 브리지의 전기 회로를 도시하고, 상기 회로는 도 9에서 이방성 자기저항 박막이 사용된 경우에 대해 도시된 바와 같이, 다른 성형 특성 곡선 영역(5)을 가질 뿐만 아니라 특정한 특성 곡선점에서 온도에 의존하지 않는 출력 전압을 전달한다. 도 8의 자기저항 센서 브리지는 일반적인 것처럼 4개의 브리지 저항(1;2;3 및 4)을 포함한다. 브리지 저항(1;2;3 및 4)의 구성은 도 8에 도시된다. 브리지 저항은 도 1과 관련하여 설명된 구조를 갖고 이방성 자기저항 재료로 구성된다. 그러나 상기 브리지 저항은 도 2와 관련하여 설명된 구조에도 상응할 수 있고 스핀 밸브 박막 시스템에서 GMR 효과를 이용할 수 있다. 저항(1;2;3;4)의 구조에 대한 다른 변형예도 가능하다. 자기저항 저항(1;2;3;4)의 저항값은 온도 변화시 변동될 수 있음이 중요하다. 일반적 이용의 온도 범위에서 자기저항 저항의 저항값은 온도에 따라 거의 선형으로 증가한다. 즉, 저항값의 증가는 양의 온도 계수(Tk)로 계산될 수 있다. 자기저항 박막의 저항 상승, 즉 자계 작용에 의한 최대 가능 백분율의 저항 변동은 온도 상승에 따라 감소된다. 즉, 저항 상승 및 브리지 전압의 상기의 거의 선형 감소의 온도 계수는 음의 값이고, 또한 일반적으로 값에 있어서도 저항 변동의 온도 계수보다 z크다.
도 8에 브리지 저항(1, 4)에 추가 박막 스트립(17)의 저항이 전기적으로 직렬 접속되어 있다. 상기 다른 박막 스트립(17)은 본 발명에 따라 자기저항 박막 스트립과 다른 저항값의 온도 계수를 갖는다. 특수한 실시예에서 추가 박막 스트립(17)은 온도에 의존하는 저항으로 선택된다(즉, Tk = 0). 또한, 도 1에 따른 센서 브리지는 이방성 자기저항 박막을 기초로 하고, 상기 센서에서 두 개의 브리지 저항(1, 4)은 측정될 자계 He에 의해 영향을 받고, 브리지 저항(2, 3)은 박막 스트립의 길이 방향이 측정 전계 방향과 일치하기 때문에 전계에 의존하지 않는다. 4개의 브리지 저항(1;2;3;4)의 저항값은 25℃의 온도에서 각각 1 ㏀ 이다. 브리지 저항(1, 4)은 특성곡선의 선형화를 위해 각각 8개의 자기 저항 박막 스트립으로 구성되고 즉, 상기 도 5의 상세한 설명에서 제시된 특성 값을 갖는다. 추가 박막 스트립(17)은 10 Ω의 저항값을 갖는다. 도 9에 -25℃ 내지 125℃ 범위의 상이한 온도에서 대한 도시된 센서 특성곡선에서 알 수 있는 바와 같이, 추가의 박막 스트립(17)에 의해 모든 특성곡선의 공통의 교차점이 얻어지고, 상기 교차점은 전환점(16)으로 이용될 수 있다. 상기 전환점(16)이 나타나는 자기 전계 강도는 추가 박막 스트립(17)의 저항값에 의존한다. 상기 저항값은 10 Ω의 도시된 실시예에서 매우 작으므로, 이로 인한 센서 출력 신호의 상승 감소는 몇 백분율로 매우 경미하다. 약 2.5 kA의 자계 강도에 있는 공통의 전환점(16)의 출력 전압은 영교차시 나타난다. 이것은 도 8의 저항(2, 3)에 검정 박막 영역(18)을 추가함으로써 달성되었다. 도시된 실시예에서 검정 박막 영역(18)은 자기저항 박막 스트립과 동일한 재료로 구성된다. 상기 박막 스트립은 1.7 Ω의 저항값을 갖는다. 검정 박막 영역(18)의 저항값의 변동시 공통의 전환점의 출력 전압이 변경된다.
도 8에 도시된 브리지 회로는 본 발명의 바람직한 실시예임이 입증된다. 본 발명은 모든 센서 풀 브리지 또는 하프 브리지를 포함하고, 상기 브리지에서 적어도 하나의 자기저항 저항에 대해 직렬로 저항값의, 자기 저항 재료와 상이한 온도 계수를 갖는 추가 박막 스트립(17)이 제공된다. 이 경우 자기저항 센서가 특성곡선에 걸쳐 선형 범위를 포함하는지의 여부는 중요하지 않다. 검정 박막 영역(18)은 하나 또는 다수의 브리지 저항(1;2;3;4)에 할당될 수 있다. 검정 박막 영역(18)의 재료는 자기저항 박막 스트립, 추가 박막 스트립(17) 또는 다른 재료와 동일할 수 있다.

Claims (26)

  1. 박막 베이스(19) 상에 박막 스트립으로 형성된, 하프 또는 풀 브리지 회로 형태의 저항(1;2;3;4)을 갖는 AMR 또는 GMR 효과에 기초하는 자기저항 센서에 있어서,
    적어도 하나의 저항(1;2;3;4)의 선형 특성곡선 영역(9)의 확장을 위해 상이한 형상 이방성의 자기저항 박막 스트립(6;7;8;9)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 자기저항 박막 스트립(6;7;8;9)의 상이한 폭(10;11;12;13)을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 저항의 상기 자기저항 박막 스트립(6;7;8;9)의 상이한 두께는 상이한 형상 이방성의 원인인 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 저항의 상기 자기저항 박막 스트립(6;7;8;9)의 상이한 재료는 상기 상이한 형상 이방성의 원인인 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 저항의 상기 자기저항 박막 스트립(6;7;8;9)의 상이한 간격은 상기 상이한 형상 이방성의 원인인 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 저항의 상기 자기저항 박막 스트립(6;7;8;9)의 박막 일부의 상이한 결합 전계 강도는 상기 상이한 형상 이방성의 원인인 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상이한 형상 이방성에 대한 두 가지 또는 다수의 원인이 제공되는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저항(1;2;3;4)은 각각 평행한 길이 방향을 갖는, 전기적으로 직렬 접속된 자기저항 박막 스트립(6;7;8;9)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저항(1;2;3;4)은 AMR 박막 스트립(6;7;8;9)으로 형성되고 하프 브리지 회로의 상기 두 개의 저항(1;2 또는 3;4)의 상기 박막 스트립(6;7;8;9)의 길이 방향으로 직각을 형성하는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  10. 제 9 항에 있어서, 풀 브리지 회로에서 대각선으로 마주 놓인 저항(1;3 및 2;4)의 AMR 박막 스트립(6;7;8;9)의 길이 방향은 평행하게 연장되는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 풀 브리지 회로의 두 개의 대각선 저항(1;3 및 2;4)은 평행한 길이 방향을 갖는 AMR 박막 스트립(6;7;8;9)의 상이한 폭(10;11;12;13)을 가지는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 측정된 전계 He의 방향은 실질적으로 상이한 폭(10;11;12;13)의 AMR 박막 스트립(6;7;8;9)의 길이 방향에 대해 실질적으로 수직인 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상이한 폭(10;11;12;13)의 상기 AMR 박막 스트립(6;7;8;9)의 길이 방향으로 일정한 자성의 보조 전계 Hh가 인가되는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  14. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하프 브리지 회로의 두 개의 저항(1;2 또는 3;4)은 GMR 박막 스트립(6;7;8;9)으로 형성되고 인가된 자화(14;15)의 방향은 상기 하프 브리지 회로의 두 개의 저항(1;2 또는 3;4)에서 상이 한 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  15. 제 14 항에 있어서, 풀 브리지 회로에서 대각선으로 마주 놓인 저항(1;3 및 2;4)의 GMR 박막 스트립(6;7;8;9)의 자화 방향은 평행하게 연장되는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서, 상기 GMR 박막 스트립(6;7;8;9)의 자화 방향은 스트립 길이 방향에 대해 평행한 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  17. 박막 베이스(19) 상에서 박막 스트립으로 형성된 저항(1;2;3;4)을 포함하는 하프 또는 풀 브리지 회로 형태의, 특히 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 자기저항 센서에 있어서,
    저항의 서로 동일한 온도 계수를 갖는 자기저항 박막 스트립(6;7;8;9)을 제외한 적어도 하나의 저항(1;2;3;4)의 특성곡선의 적어도 하나의 지점에서 출력 전압의 온도 비의존성을 달성하기 위해 다른 온도 계수를 갖는 전기적으로 직렬 접속된 추가 박막 스트립(17)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 추가 박막 스트립의 저항은 자계에 의해 영향을 받지 않는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  19. 제 17 항 또는 제 18 항에 있어서, 상기 추가 박막 스트립(17)의 저항값의 온도 계수의 극성 값은 자기 저항 박막 스트립(6;7;8;9)의 저항의 온도 계수의 극성 값과 반대인 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  20. 제 17 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추가 박막 스트립(17)의 저항값의 온도 계수는 음이고 자기 저항 박막 스트립(6;7;8;9)의 저항값의 온도 계수는 양인 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  21. 제 17 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서, 브리지 회로에서 대각선으로 놓인 두 개의 저항(1;3 또는 2;4)은 추가 박막 스트립(17)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  22. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 풀 브리지 회로에서 대각선으로 놓인 두 개의 저항(1;3 또는 2;4)은 상이한 형상 이방성(10;11;12;13)의 자기저항 박막 스트립(6;7;8;9) 및 추가 박막 스트립(17)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  23. 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 브리지의 적어도 하나의 상기 저항(1;2;3;4)은 적어도 하나의 검정 박막 영역(18)을 포함하고, 상기 영역의 저항값은 조절가능한 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 검정 박막 영역(18)의 재료는 자기저항 박막 스트립(6;7;8;9)의 재료에 상응하는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  25. 제 23 항에 있어서, 상기 검정 박막 영역(18)의 재료는 추가 박막 스트립(17)의 재료에 상응하는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  26. 제 23 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나의 저항(1;2;3;4)에 두 개의 검정 박막 영역(18)이 포함되고, 제 1 검정 박막 영역(18)의 재료는 추가 박막 스트립(17)의 재료에 상응하고 제 2 검정 박막 영역(18)의 재료는 자기저항 박막 스트립(6;7;8;9)의 재료에 상응하는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
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