WO2002006844A1 - Assembly for transmitting signals using magnetoresistive sensor elements - Google Patents

Assembly for transmitting signals using magnetoresistive sensor elements Download PDF

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WO2002006844A1
WO2002006844A1 PCT/DE2001/002476 DE0102476W WO0206844A1 WO 2002006844 A1 WO2002006844 A1 WO 2002006844A1 DE 0102476 W DE0102476 W DE 0102476W WO 0206844 A1 WO0206844 A1 WO 0206844A1
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WO
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sensor elements
layer
bridge
arrangement according
magnetic
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Application number
PCT/DE2001/002476
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Inventor
Wolfgang Clemens
Michael Vieth
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09Magnetoresistive devices
    • G01R33/093Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for signal transmission with at least one electrical conductor track that generates a magnetic signal field by means of current flow, as well as a plurality of magnetoresistive sensor elements that are connected to the conductor track and are galvanically separated from it, which are connected to a full or partial bridge with two bridge branches.
  • optocouplers are mainly used for galvanically isolated signal transmission in communication and automation technology.
  • an electrical (primary) data signal is given to an input, which is converted into an optical radiation signal by means of a light-emitting diode (LED).
  • LED light-emitting diode
  • This radiation signal is transmitted through an insulating, optically transparent medium to an optical sensor or detector element, where it is converted back into an electrical (secondary) signal.
  • Such a digital information transmission by means of optocouplers is limited in the transmission rate by the limited bandwidth of the optical elements (with approximately 50 MBd corresponding to 25 MHz) and in the design by the limited integrability of the optical elements with silicon technology. Furthermore, the optical elements can only be operated in a temperature range up to a maximum of about 85 ° C. and moreover generally only with operating voltages of at least 5 V.
  • magnetic transmission using Hall probes for example, is also known. Such probes can be used to record all of the signal quantities that generate or influence magnetic fields. For example, a corresponding, potential-free measurement of a current can be found in the book by E. Schrüfer "Electrical Measurement Technology", 6th edition, 1995, Hanser-Verlag Kunststoff, pages 165 to 168.
  • magnetoresistive sensor elements In the field of magnetoelectronics, it is also possible to use magnetoresistive sensor elements to set up so-called magnet couplers, which also enable galvanically isolated data transmission.
  • magnet couplers These also enable galvanically isolated data transmission.
  • the indicated limits of the optocouplers can be significantly exceeded, e.g. with a significantly higher data transfer rate and the possibility of operating corresponding components even at voltages lower than 5 V.
  • Such magnetic couplers are also to be integrated with electronic components of Si technology. Of course, they can also be used for analog current measurement after appropriate adjustment.
  • a corresponding magnetic coupler was proposed with the unpublished DE patent application 100 17 374.8 from 7.4.2000. According to a special embodiment, it contains several magnetoresistive sensor elements connected to form a full or partial bridge with two bridge branches. At least one electrical conductor track generating a magnetic signal field by means of current flow is assigned to these sensor elements.
  • Each sensor element comprises a multilayer system showing an increased magnetoresistive effect, which contains at least one soft magnetic measuring layer, at least one further ferromagnetic layer and at least one non-magnetic intermediate layer arranged in between, the magnetization of the soft magnetic measuring layer seeing one of the preferred axes of the magnetization in the absence of a signal field has a predetermined starting position dependent on this layer.
  • the preferred axis of magnetization is sensor-intrinsic; That is, their imprinting can take place not only through a special layer structure, for example through selection of the material and / or the layer thickness, but also through a certain geometric shape, for example through a predetermined ratio of length to width, and / or through an embossed by an external magnetic field Anisotropy happen. Such anisotropy can be generated either during the manufacturing process or afterwards by a tempering step in a magnetic field.
  • Corresponding magnetocouplers can be operated up to around 150 ° C and can be integrated or combined with components from silicon technology.
  • the multilayer systems of the magnetocoupler can also be designed as magnetoresistive tunnel elements, their non-magnetic intermediate layers then consisting of an electrically insulating material.
  • WO 98/07165 also shows a magnetocoupler which has four sensor elements for current detection, with which a magnetic signal field is to be detected, which is generated by means of current flow 'through a flat coil.
  • the conductor tracks of this flat coil thus extend orthogonally through the 'sensor elements and are electrically against these separately.
  • the sensor elements are each constructed as multi-layer systems with two ferromagnetic layers, which are each separated by an electrically conductive, non-magnetic intermediate layer and are magnetoresistive, anisotropic.
  • the multilayer systems can in particular show the so-called GMR effect.
  • each magnetoresistive sensor element has magnetization with a starting position pointing in the same direction and the conductor track is guided from the two bridge branches via sensor elements such that an alternating sensor element from the first Bridge branch and a sensor element arranged diagonally in the bridge from the second bridge branch is detected and the same current flow direction is given in diagonal sensor elements.
  • the magnetoresistive sensor elements can be anisotropically magnetoresistive (so-called “AMR elements”), giant magnetoresistive (so-called “GMR elements”), tunneling magnetoresistive (so-called “TMR elements”) or colossal magnetoresistive (so-called “CMR elements”) ) (see, for example, the volume “XMR Technologies” (Technology Analysis: Magnetism, Volume 2)) of the VDI Technology Center “Physical Technologies", Düsseldorf (DE) 1997, pages 11 to 46).
  • AMR elements anisotropically magnetoresistive
  • GMR elements giant magnetoresistive
  • TMR elements tunneling magnetoresistive
  • CMR elements colossal magnetoresistive
  • the structure of the bridge arrangement makes it possible to ensure that the sensor elements which have a preferred direction can be magnetized in the same direction and nevertheless changes in resistance with different signs are measured on the individual sensor elements.
  • the advantages of the measures according to the invention can thus be seen in the fact that a simple structure of the signal transmission Support arrangement with its magnetocouplers connected to a full or partial bridge is made possible due to the uniform magnetizations of the sensor elements.
  • each of their sensor elements can comprise a multilayer system which exhibits an increased magnetoresistive effect and contains at least one soft magnetic measuring layer, at least one further ferromagnetic layer and at least one non-magnetic intermediate layer arranged between them.
  • These multilayer systems can form particularly sensitive gantant-magnetoresistive or tunnel-magnetoresistive sensor elements with a hard and a soft magnetic part.
  • the hard magnetic sensor part advantageously needs to be magnetized only once in production, so that the magnetization direction is permanently maintained.
  • the soft magnetic layer can now be easily aligned using an external magnetic field.
  • the electrical resistance of the sensor elements depends on the relative position of the magnetization of the hard and soft magnetic layers. In this case, temperature influences are advantageously reduced in that a bridge arrangement is provided here, sensor elements which are premagnetized antiparallel are connected to one another.
  • the current track can be used for magnetization in a particularly simple manner in order to magnetize and thus align the hard magnetic layers of the sensor elements by means of a correspondingly large current surge.
  • the signal transmission arrangement according to the invention preferably has means for its magnetic shielding against external magnetic interference fields.
  • Appropriate means can in particular on the side of the at least one conductor track facing away from the sensor elements and optionally galvanically separated from it in the form of a soft magnetic layer.
  • Such a layer can advantageously also perform the function of a magnetic mirror with respect to the magnetic field signal caused by the at least one conductor track and can thus contribute to a corresponding signal amplification.
  • the signal transmission arrangement according to the invention can advantageously be used as a current sensor.
  • a current flowing through their electrical conductor track can namely be generated to generate a primary signal field, which is then detected by the magnetoresistive sensor elements and converted into a secondary signal.
  • the signal transmission arrangement according to the invention can be integrated with components of silicon technology.
  • FIG. 1 shows a hard-soft structure of a magnetoresistive sensor element
  • FIG. 2 shows characteristic curves of various suitable sensor elements
  • FIG. 3 shows a bridge formwork according to the prior art
  • FIG. 4 shows characteristic curves that result from the bridge circuit according to FIG. 3
  • Figure 5 shows a cross section through a layer structure of a
  • FIG. 6 a bridge structure of a signal transmission arrangement according to the invention
  • FIG. 7 a cross section through the bridge structure according to FIG. 6,
  • FIG. 8 a suitable bridge structure in the form of a half bridge and
  • FIG. 9 a suitable magnetic shielding against external stray fields.
  • Giant magnetoresistive (GMR) or tunnel magnetoresistive (TMR) sensor elements in the so-called spin valve structure are advantageously used for the signal transmission arrangement according to the invention.
  • a corresponding basic structure of a corresponding sensor element with hard and soft magnetic layers can be seen from the sectional view in FIG. 1.
  • 1 denotes a hard magnetic layer
  • 2 a magnetization direction of this layer
  • 3 a non-magnetic intermediate layer
  • 4 a soft magnetic layer
  • 5 a magnetization direction of this soft magnetic layer
  • 6 an external magnetic field H ex .
  • the hard magnetic layer 1 of the sensor element, generally designated 7 can be a single layer, for example made of Co or a Co alloy, or can also consist of a layer system.
  • Such a layer system can in particular be designed as a so-called artificial antiferromagnet AAF (artificial antiferromagnet) (cf. WO 94/15223), which behaves like a permanent magnet and can also be regarded as a bias layer part.
  • the layer system can also form a natural antiferromagnet NAF with a magnetic layer coupled to it.
  • a combination of both types of layer system is of course also possible.
  • a fari- agnet with a coupled magnetic layer is conceivable instead of the NAF system.
  • the non-magnetic intermediate layer 3 can be a metallic layer in the case of a GMR sensor element. Instead, in the case of a TMR sensor element, it can also consist of an insulating material or a semiconducting material.
  • the soft magnetic layer 4 is only weakly magnetically coupled to the hard magnetic layer 1 or a corresponding layer system or is decoupled from this layer / layer system. Anisotropy may or may not be impressed on the soft magnetic layer. There are different characteristics. Both variants can be used for the sensor elements. The structure shown can of course also be repeated several times in a layer system in order to increase the sensor effect (cf. the aforementioned WO 94/15223 A).
  • FIG. 2 shows typical characteristics of individual sensor elements of the spin valve type with and without anisotropy.
  • the upper diagram a) shows the characteristic (resistance R as a function of the field strength of the external field H ex ) for an uncoupled spin valve system.
  • a hysteresis of the characteristic curve is shown with a remanent magnetization without an external field.
  • the characteristic curve shown in diagram b) below results for an uncoupled spin valve system, the soft magnetic layer (measuring layer) having an impressed anisotropy.
  • Such anisotropy can be generated in a manner known per se by a variety of measures.
  • the characteristic curve is shown in the event that this anisotropy is oriented perpendicular to the magnetization of the hard magnetic layer. Other orientations are of course also possible.
  • FIG. 3 shows a known Wheatstone bridge arrangement of sensor elements 7 ⁇ .
  • a so-called half-bridge construction or partial bridge construction is also possible (cf. DE 196 19 806 AI mentioned).
  • FIG. 5 shows a cross section through a structured integrated layer structure for a current sensor or a magnetocoupler 9 from a bridge circuit of a signal transmission arrangement according to the invention. Representing the magnetoresistive sensor elements of this arrangement, only a single sensor element 7 ⁇ is shown here as an entire layer package.
  • the sensor elements are advantageous by
  • the individual sensor elements are produced by structuring steps.
  • This passivation layer also serves as an insulation layer.
  • the required current conductor tracks 11 are applied thereon, which are structured as illustrated, for example, in FIGS. 6 and 8 below.
  • a current I is sent through the current conductor tracks, the direction of current flow of which is illustrated with the character that is usually used.
  • the desired information is to be transmitted by means of this stream.
  • a magnetic field 12 forms around the current conductor tracks and is now detected by the sensor elements 1. This enables galvanically isolated signal transmission. It now depends on the layer system used and the subsequent evaluation electronics whether the signal is transmitted analog or digital. In the first case there is an analog current sensor, in the second case, for example, a magnetocoupler.
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment of an advantageous course of the path for a current I over a conductor track 11 for a signal transmission arrangement according to the invention in supervision.
  • the sensor elements 7 ⁇ to 7 are connected to form a bridge arrangement B. They can advantageously be formed on a common level of a substrate.
  • the hard magnetic layer is magnetized in the same direction in all sensor elements.
  • the magnetizations m_, l to m4 therefore all point in the same direction. This is a great advantage because the entire wafer can be magnetized homogeneously during production.
  • layer structures can be used, such as exchange bias systems, in which the magnetization has to be carried out in a relatively complex manner, for example with a specific temperature cycle.
  • the current path 11 is guided over the individual sensor elements such that elements adjacent to one another within a current branch ZI or Z2 and sensor elements in the two current branches see an antiparallel magnetic field. That is, each magnetoresistive sensor element 7j. If there is no signal field, the current track has magnetization with a starting position pointing in the same direction.
  • the line should terbahn 11 be guided over the sensor elements from the two bridge branches ZI and Z2 in such a way that a sensor element from the first bridge branch ZI and from the second bridge branch Z2 is detected alternately and thus the same current flow direction is given in diagonal sensor elements of the bridge order B. Consequently, the direction of current flow across the sensor element pairs ⁇ l ⁇ -li and 7 2 -7 3 is the same in each case.
  • a bridge signal as shown in FIG. 4 can also be advantageously achieved by the respective characteristic curves.
  • the structure shown is much simpler than other alternatives, such as are known, for example, as compensation circuits for current sensors.
  • other embodiments than the structure shown in FIG. ⁇ are also possible; it is only important that the current conductor track 11 is guided over the individual sensor elements 7i in such a way that, seen from the electrical side, a bridge arrangement is created which enables a differential measurement.
  • FIG. 7 shows a cross section through the layer structure for a magnetocoupler with a bridge arrangement according to FIG. 6 in a representation corresponding to FIG. 5.
  • the magnetic field 12 of two adjacent parts of the current conductor path 11 through which the same current I flows, but in the opposite direction, is antiparallel to one another.
  • the characteristics of the underlying sensor elements 7 are thus reflected, resulting in a bridge signal.
  • FIG. 8 shows the design of the current path through a current conductor track 11 for a half-bridge structure, a representation corresponding to FIG. 6 being chosen. It may be the case that with certain sensor structures, full-bridge switching is not possible or can only be implemented with great effort.
  • a half-bridge arrangement as shown in FIG. 8 is also suitable here. In this case, only two sensor elements, such as elements 7 2 and 7 3 , lie below the current conductor path 11, while the others are not influenced by their signal field become.
  • the two unaffected sensor elements 7 ⁇ and 7 4 can optionally be replaced by normal resistors (see, for example, the aforementioned DE 195 07 303 AI); with respect to a temperature stability of the signal, it is however advantageous l ⁇ also for the elements and to choose 7 4 sensor structures as for the other sensor elements 7 2 and 7. 3
  • a soft magnetic layer 15 or a soft magnetic layer structure can be built into the structure, which reduces / shields the influence of external stray fields. This is generally advantageous since the sensor elements 7_. must be designed very sensitive for effective data transmission.
  • Such a soft-magnetic layer structure or the soft-magnetic shielding layer 15 can also be used to more effectively couple the magnetic field of the current track to the assigned sensor elements or to increase the field strength at the sensor elements.
  • the soft magnetic layer or layer structure can also be shaped in a certain way in order either to achieve better shielding of the external stray fields H st or to achieve a better coupling of the field generated by the electrical conductor 11.
  • the soft magnetic shielding layer must of course be electrically insulated from the individual turns of the electrical conductor 11. An insulation layer 14 shown in the figure is used for this.

Abstract

The signal transmission assembly has an electric conductor strip (11) that generates a magnetic signal field by means of a current flow (I), in addition to several magnetoresistive sensor elements (7i) with a magnetization (mi) that are connected using two bridge branches (Z1, Z2) to form a complete or partial bridge (B). The conductor strip (11) is guided over the sensor elements (7i) in such a way that alternately a sensor element from the first bridge branch (Z1) and from the second bridge branch (Z2) is detected by said strip (11) and the same current flow direction (I) is given in diagonal sensor elements (71, 74 or 72, 73).

Description

Beschreibung description
Anordnung zur Signalübertragung mittels magnetoresistiver SensorelementeArrangement for signal transmission using magnetoresistive sensor elements
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Signalübertragung mit wenigstens einer ein magnetisches Signalfeld mittels Stromfluss erzeugenden elektrischen Leiterbahn sowie mehreren zu einer Voll- oder Teilbrücke mit zwei Brückenzwei- gen verschalteten, der Leiterbahn zugeordneten, von dieser galvanisch getrennten magnetoresistiven Sensorelementen.The invention relates to an arrangement for signal transmission with at least one electrical conductor track that generates a magnetic signal field by means of current flow, as well as a plurality of magnetoresistive sensor elements that are connected to the conductor track and are galvanically separated from it, which are connected to a full or partial bridge with two bridge branches.
Auf vielen Gebieten der Technik wie z.B. der digitalen Informationsübertragung oder der Messtechnik wird eine potential- freie Übertragung von elektrischen Signalen gefordert. So werden zur galvanisch getrennten Signalübertragung in der Kommunikations- und Automatisierungstechnik überwiegend sogenannte Optokoppler verwendet. Hierbei wird auf einen Eingang ein elektrisches (primäres) Datensignal gegeben, das mittels einer lichtemittierenden Diode (LED) in ein optisches Strahlungssignal umgewandelt wird. Dieses Strahlungssignal wird durch ein isolierendes, optisch transparentes Medium hindurch auf ein optisches Sensor- oder Detektorelement übertragen, wo es wieder in ein elektrisches (sekundäres) Signal rückverwan- delt wird.In many areas of technology such as digital information transmission or measurement technology requires a floating transmission of electrical signals. So-called optocouplers are mainly used for galvanically isolated signal transmission in communication and automation technology. Here, an electrical (primary) data signal is given to an input, which is converted into an optical radiation signal by means of a light-emitting diode (LED). This radiation signal is transmitted through an insulating, optically transparent medium to an optical sensor or detector element, where it is converted back into an electrical (secondary) signal.
Eine derartige digitale Informationsübertragung mittels Optokopplern ist begrenzt in der Übertragungsrate durch die beschränkte Bandbreite der optischen Elemente (mit etwa 50 MBd entsprechend 25 MHz) und in der Bauform durch die beschränkte Integrierbarkeit der optischen Elemente mit der Siliziumtechnologie. Ferner können die optischen Elemente nur in einem Temperaturbereich bis maximal etwa 85°C und außerdem im allgemeinen nur mit Betriebsspannungen von mindestens 5 V be- trieben werden. Neben einer solchen optoelektrischen Signalübertragung ist auch eine magnetische Übertragung beispielsweise unter Verwendung von Hall-Sonden bekannt. Mit solchen Sonden lassen sich nämlich alle die Signalgrößen erfassen, welche Magnet- feider erzeugen oder beeinflussen. So ist z.B. aus dem Buch von E. Schrüfer „Elektrische Messtechnik", 6. Auflage, 1995, Hanser-Verlag München, Seiten 165 bis 168 eine entsprechende, potentialfreie Messung eines Stromes zu entnehmen.Such a digital information transmission by means of optocouplers is limited in the transmission rate by the limited bandwidth of the optical elements (with approximately 50 MBd corresponding to 25 MHz) and in the design by the limited integrability of the optical elements with silicon technology. Furthermore, the optical elements can only be operated in a temperature range up to a maximum of about 85 ° C. and moreover generally only with operating voltages of at least 5 V. In addition to such an optoelectric signal transmission, magnetic transmission using Hall probes, for example, is also known. Such probes can be used to record all of the signal quantities that generate or influence magnetic fields. For example, a corresponding, potential-free measurement of a current can be found in the book by E. Schrüfer "Electrical Measurement Technology", 6th edition, 1995, Hanser-Verlag Munich, pages 165 to 168.
Darüber hinaus ist auf dem Gebiet der Magnetoelektronik möglich, mit magnetoresistiven Sensorelementen sogenannte Magne- tokoppler aufzubauen, die ebenfalls eine galvanisch getrennte Datenübertragung ermöglichen. Hier lassen sich die aufgezeigten Begrenzungen der Optokoppler deutlich überschreiten, z.B. mit einer deutlich höheren Datenübertragungsrate und der Möglichkeit, entsprechende Bauteile auch noch bei kleineren Spannungen als 5 V zu betreiben. Ferner sind derartige Magne- tσkoppler mit Elektronikbauteilen der Si-Technologie zu integrieren. Selbstverständlich können sie auch nach entspre- chender Anpassung zur analogen Strommessung verwendet werden.In the field of magnetoelectronics, it is also possible to use magnetoresistive sensor elements to set up so-called magnet couplers, which also enable galvanically isolated data transmission. Here the indicated limits of the optocouplers can be significantly exceeded, e.g. with a significantly higher data transfer rate and the possibility of operating corresponding components even at voltages lower than 5 V. Such magnetic couplers are also to be integrated with electronic components of Si technology. Of course, they can also be used for analog current measurement after appropriate adjustment.
Mit der nicht-vorveröffentlichten DE-Patentanmeldung 100 17 374.8 vom 7.4.2000 wurde ein entsprechender Magneto- koppler vorgeschlagen. Er enthält gemäß einer besonderen Aus- führungsform mehrere zu einer Voll- oder Teilbrücke mit zwei Brückenzweigen verschalteten magnetoresistiven Sensorelemente. Diesen Sensorelementen ist wenigstens eine ein magnetisches Signalfeld mittels Stromfluss ' erzeugende elektrische Leiterbahn zugeordnet. Jedes Sensorelement umfasst ein einen erhöhten magnetoresistiven Effekt zeigendes Mehrschichtensystem, das mindestens eine weichmagnetische Messschicht, mindestens eine weitere ferromagnetische Schicht sowie mindestens eine dazwischen angeordnete nicht-magnetische Zwischenschicht enthält, wobei die Magnetisierung der weichmagneti- sehen Messschicht bei fehlendem Signalfeld eine von der Vorzugsachse der Magnetisierung dieser Schicht abhängende vorbestimmte Ausgangslage hat. Die Vorzugsachse der Magnetisierung ist dabei sensorintrinsisch; d.h. ihre Einprägung kann sowohl durch einen besonderen Schichtaufbau z.B. durch Auswahl des Materials und/oder der Schichtdicke, aber auch durch eine bestimmte geometrische Form, z.B. durch ein vorbestimmtes Ver- hältnis von Länge zu Breite, und/oder durch eine durch ein äußeres Magnetfeld eingeprägte Anisotropie geschehen. Eine solche Anisotropie lässt sich entweder während des Herstellungsprozesses oder nachträglich durch einen Temperschritt in einem Magnetfeld erzeugen. Entsprechende Magnetokoppler kön- nen bis etwa 150°C betrieben werden und lassen sich mit Bauteilen der Siliziumtechnologie integrieren bzw. kombinieren.A corresponding magnetic coupler was proposed with the unpublished DE patent application 100 17 374.8 from 7.4.2000. According to a special embodiment, it contains several magnetoresistive sensor elements connected to form a full or partial bridge with two bridge branches. At least one electrical conductor track generating a magnetic signal field by means of current flow is assigned to these sensor elements. Each sensor element comprises a multilayer system showing an increased magnetoresistive effect, which contains at least one soft magnetic measuring layer, at least one further ferromagnetic layer and at least one non-magnetic intermediate layer arranged in between, the magnetization of the soft magnetic measuring layer seeing one of the preferred axes of the magnetization in the absence of a signal field has a predetermined starting position dependent on this layer. The preferred axis of magnetization is sensor-intrinsic; That is, their imprinting can take place not only through a special layer structure, for example through selection of the material and / or the layer thickness, but also through a certain geometric shape, for example through a predetermined ratio of length to width, and / or through an embossed by an external magnetic field Anisotropy happen. Such anisotropy can be generated either during the manufacturing process or afterwards by a tempering step in a magnetic field. Corresponding magnetocouplers can be operated up to around 150 ° C and can be integrated or combined with components from silicon technology.
Die Mehrschichtsysteme des Magnetokopplers können auch als magnetoresistive Tunnelelemente ausgebildet sein, wobei ihre nicht-magnetischen Zwischenschichten dann aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen.The multilayer systems of the magnetocoupler can also be designed as magnetoresistive tunnel elements, their non-magnetic intermediate layers then consisting of an electrically insulating material.
Auch aus der WO 98/07165 geht ein Magnetokoppler hervor, der zur Stromdetektion vier Sensorelemente besitzt, mit denen ein magnetisches Signalfeld zu detektieren ist, welches mittels Stro fluss ' durch eine Flachspule erzeugt wird. Die Leiterbahnen dieser Flachspule verlaufen dabei orthogonal über die 'Sensorelemente und sind galvanisch gegenüber diesen getrennt. Auch hier sind die Sensorelemente jeweils als MehrSchichten- Systeme mit zwei ferromagnetischen Schichten aufgebaut, die jeweils durch eine elektrisch leitende, nicht magnetische Zwischenschicht getrennt sind und magnetoresistiv, anisotrop sind. Die Mehrschichtsysteme können insbesondere den sogenannten GMR-Effekt zeigen.WO 98/07165 also shows a magnetocoupler which has four sensor elements for current detection, with which a magnetic signal field is to be detected, which is generated by means of current flow 'through a flat coil. The conductor tracks of this flat coil thus extend orthogonally through the 'sensor elements and are electrically against these separately. Here, too, the sensor elements are each constructed as multi-layer systems with two ferromagnetic layers, which are each separated by an electrically conductive, non-magnetic intermediate layer and are magnetoresistive, anisotropic. The multilayer systems can in particular show the so-called GMR effect.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die Anordnung zur Signalübertragung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, dass sie einen besonders einfachen Aufbau ihrer magnetoresistiven Sensorelemente ermög- licht. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass jedes magnetoresistive Sensorelement bei fehlendem Signalfeld eine Magnetisierung mit einer in dieselbe Richtung weisenden Aus- gangslage besitzt und die Leiterbahn derart über Sensorele- mente aus den beiden Brückenzweigen geführt ist, dass von ihr alternierend ein Sensorelement aus dem ersten Brückenzweig und ein dazu diagonal in der Brücke angeordnetes Sensorelement aus dem zweiten Brückenzweig erfasst wird und in diagonalen Sensorelementen dieselbe Stromflussrichtung gegeben ist.The object of the present invention is now to design the arrangement for signal transmission with the features mentioned at the outset in such a way that it enables a particularly simple construction of its magnetoresistive sensor elements. This object is achieved according to the invention in that, in the absence of a signal field, each magnetoresistive sensor element has magnetization with a starting position pointing in the same direction and the conductor track is guided from the two bridge branches via sensor elements such that an alternating sensor element from the first Bridge branch and a sensor element arranged diagonally in the bridge from the second bridge branch is detected and the same current flow direction is given in diagonal sensor elements.
Die magnetoresistiven Sensorelemente können dabei anisotrop magnetoresistiv (sogenannte „AMR-Elemente") , giant- agnetoresistiv (sogenannte „GMR-Elemente") , tunnel- magnetoresistiv (sogenannte „TMR-Elemente") oder kolossal- magnetoresistiv (sogenannte „CMR-Elemente") aufgebaut sein (vgl. z.B. den Band „XMR-Technologien" (Technologieanalyse: Magnetismus, Band 2) des VDI-Technologiezentrums „Physikalische Technologien" , Düsseldorf (DE) 1997, Seiten 11 bis 46) . Der Strompfad der Signalübertragung wird dabei durch mindestens eine Isolationsschicht getrennt so über die Brückenanordnung dieser Elemente geführt, dass man Signale unterschiedlichen Vorzeichens an den einzelnen Sensorelementen enthält und somit eine Brückenanordnung gegeben ist. Eine solche Brückenanordnung zeigt vorteilhaft eine weitgehendeThe magnetoresistive sensor elements can be anisotropically magnetoresistive (so-called "AMR elements"), giant magnetoresistive (so-called "GMR elements"), tunneling magnetoresistive (so-called "TMR elements") or colossal magnetoresistive (so-called "CMR elements") ) (see, for example, the volume "XMR Technologies" (Technology Analysis: Magnetism, Volume 2)) of the VDI Technology Center "Physical Technologies", Düsseldorf (DE) 1997, pages 11 to 46). The current path of the signal transmission is separated by at least one insulation layer over the bridge arrangement of these elements in such a way that signals of different signs are contained on the individual sensor elements and a bridge arrangement is thus provided. Such a bridge arrangement advantageously shows an extensive one
Temperaturstabilität des Signals, da die Widerstände der Einzelsensoren sich in gleicher Weise bei Temperaturschwankungen ändern. Es ist dabei unerheblich, ob man mit den Sensorelementen eine Vollbrücke oder eine Teilbrücke wie z.B. eine Halbbrücke aufbaut (vgl. DE 195 07 303 AI oderTemperature stability of the signal, since the resistances of the individual sensors change in the same way with temperature fluctuations. It is irrelevant whether a full bridge or a partial bridge such as e.g. builds a half-bridge (cf. DE 195 07 303 AI or
DE 196 19 806 AI) . Durch den Aufbau der Brückenanordnung lässt sich gewährleisten, dass die Sensorelemente, die eine Vorzugsrichtung haben, in dieselbe Richtung aufmagnetisiert werden können und trotzdem an den Einzelsensorelementen Wi- derstandsänderungen mit unterschiedlichem Vorzeichen gemessen werden. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Maßnahmen sind somit darin zu sehen, dass ein einfacher Aufbau der Signalüber- tragungsanordnung mit ihren zu einer Voll- oder Teilbrücke verschalteten Magnetokopplern aufgrund der einheitlichen Magnetisierungen der Sensorelemente ermöglicht ist.DE 196 19 806 AI). The structure of the bridge arrangement makes it possible to ensure that the sensor elements which have a preferred direction can be magnetized in the same direction and nevertheless changes in resistance with different signs are measured on the individual sensor elements. The advantages of the measures according to the invention can thus be seen in the fact that a simple structure of the signal transmission Support arrangement with its magnetocouplers connected to a full or partial bridge is made possible due to the uniform magnetizations of the sensor elements.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Signalübertragungsanordnung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.Advantageous refinements of the signal transmission arrangement according to the invention emerge from the dependent claims.
So können gemäß einer speziellen Ausführungsform jeweils ihre Sensorelemente jeweils ein einen erhöhten magnetoresistiven Effekt zeigendes Mehrschichtensystem umfassen, das mindestens eine weichmagnetische Messschicht, mindestens eine weitere ferromagnetische Schicht sowie mindestens eine dazwischen angeordnete nicht-magnetische Zwischenschicht enthält. Dabei können diese Mehrschichtensysteme besonders empfindliche gi- ant-magnetoresistive oder tunnel-magnetoresistive Sensorelemente mit einem hart- und einem weichmagnetischen Teil bilden. Der hartmagnetische Sensorteil braucht vorteilhaft nur einmal in der Produktion aufmagnetisiert zu werden, womit die Magnetisierungsrichtung permanent erhalten bleibt. Die weichmagnetische Schicht lässt sich nun durch ein externes Magnetfeld sehr leicht ausrichten. Der elektrische Widerstand der Sensorelemente hängt ab von der relativen Lage der Magnetisierung der hart- und der weichmagnetischen Schicht. Dabei werden vorteilhaft Temperatureinflüsse dadurch vermindert, dass hier eine Brückenanordnung vorgesehen ist, wobei antiparallel vormagnetisierte Sensorelemente miteinander verschaltet werden.For example, according to a special embodiment, each of their sensor elements can comprise a multilayer system which exhibits an increased magnetoresistive effect and contains at least one soft magnetic measuring layer, at least one further ferromagnetic layer and at least one non-magnetic intermediate layer arranged between them. These multilayer systems can form particularly sensitive gantant-magnetoresistive or tunnel-magnetoresistive sensor elements with a hard and a soft magnetic part. The hard magnetic sensor part advantageously needs to be magnetized only once in production, so that the magnetization direction is permanently maintained. The soft magnetic layer can now be easily aligned using an external magnetic field. The electrical resistance of the sensor elements depends on the relative position of the magnetization of the hard and soft magnetic layers. In this case, temperature influences are advantageously reduced in that a bridge arrangement is provided here, sensor elements which are premagnetized antiparallel are connected to one another.
Zur Magnetisierung kann in besonders einfacher Weise die Stromleiterbahn benutzt werden, um die hartmagnetischen Schichten der Sensorelemente durch einen entsprechend großen Stromstoß aufzumagnetisieren und somit auszurichten.The current track can be used for magnetization in a particularly simple manner in order to magnetize and thus align the hard magnetic layers of the sensor elements by means of a correspondingly large current surge.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Signalübertragungsanordnung Mittel zu ihrer magnetischen Abschirmung gegen externe magnetische Störfelder auf. Entsprechende Mittel können insbesondere an der den Sensorelementen abgewandten Seite der wenigstens einen Leiterbahn und gegebenenfalls galvanisch getrennt von dieser in Form einer weichmagnetischen Schicht angeordnet sein. Eine solche Schicht kann vorteilhaft auch die Funktion eines magnetischen Spiegels bezüglich des von der mindestens einen Leiterbahn hervorgerufenen magnetischen Feldsignals ausüben und kann somit zu einer entsprechenden Signalverstärkung beitragen.The signal transmission arrangement according to the invention preferably has means for its magnetic shielding against external magnetic interference fields. Appropriate means can in particular on the side of the at least one conductor track facing away from the sensor elements and optionally galvanically separated from it in the form of a soft magnetic layer. Such a layer can advantageously also perform the function of a magnetic mirror with respect to the magnetic field signal caused by the at least one conductor track and can thus contribute to a corresponding signal amplification.
Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Signalübertragungsanordnung vorteilhaft als ein Stromsensor verwendet werden. Ein durch deren elektrische Leiterbahn fließender Strom kann nämlich zur Erzeugung eines primären Signalfeldes erzeugt werden, das dann von den magnetoresistiven Sensorele- menten detektiert und in ein sekundäres Signal umgewandelt wird.Of course, the signal transmission arrangement according to the invention can advantageously be used as a current sensor. A current flowing through their electrical conductor track can namely be generated to generate a primary signal field, which is then detected by the magnetoresistive sensor elements and converted into a secondary signal.
Vorteilhaft ist auch, dass sich die erfindungsgemäße Signalübertragungsanordnung mit Bauteilen der Siliziumtechnologie integrieren lässt.It is also advantageous that the signal transmission arrangement according to the invention can be integrated with components of silicon technology.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Signalübertragungseinrichtung gehen aus den übrigen Unteransprüchen hervor.Further advantageous refinements of the signal transmission device according to the invention emerge from the remaining subclaims.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figuren jeweils schematisch Teile von erfindungsgemäßen Stromübertragungseinrichtungen veranschaulicht sind. So zeigen deren Figur 1 einen Hart-Weich-Aufbau eines magnetoresistiven Sensorelementes, Figur 2 typische Kennlinien von verschiedenen geeigneten Sensorelementen, Figur 3 eine Brückenschal ung gemäß dem Stand der Technik, Figur 4 mit der Brückenschaltung nach Figur 3 sich ergebende Kennlinien, Figur 5 einen Querschnitt durch einen Schichtaufbau einesTo further explain the invention, reference is made below to the drawing, in the figures of which each schematically illustrates parts of power transmission devices according to the invention. 1 shows a hard-soft structure of a magnetoresistive sensor element, FIG. 2 shows characteristic curves of various suitable sensor elements, FIG. 3 shows a bridge formwork according to the prior art, FIG. 4 shows characteristic curves that result from the bridge circuit according to FIG. 3, Figure 5 shows a cross section through a layer structure of a
Sensorelementes mit zugeordneter Leiterbahn, Figur 6 einen Brückenaufbau einer erfindungsgemäßen Signalübertragungsanordnung, Figur 7 einen Querschnitt durch den Brückenaufbau nach Figur 6, Figur 8 einen geeigneten Brückenaufbau in Form einer Halbbrücke und Figur 9 eine geeignete magnetische Schirmung gegen externe Streufelder. Dabei sind in den Figuren sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.6 a bridge structure of a signal transmission arrangement according to the invention, FIG. 7 a cross section through the bridge structure according to FIG. 6, FIG. 8 a suitable bridge structure in the form of a half bridge and FIG. 9 a suitable magnetic shielding against external stray fields. Corresponding parts are provided with the same reference symbols in the figures.
Vorteilhaft sind für die erfindungsgemäße Signalübertragungs- anordnung giant-magnetoresistive (GMR) oder tunnel- magnetoresistive (TMR) Sensorelemente im sogenannten Spin- Valve-Aufbau zu verwenden. Ein entsprechender prinzipieller Aufbau eines entsprechenden Sensorelementes mit hart- und weichmagnetischen Schichten geht aus dem Schnittbild der Figur 1 hervor. Dabei sind bezeichnet mit 1 eine hartmagnetische Schicht, mit 2 eine Magnetisierungsrichtung dieser Schicht, mit 3 eine nicht-magnetische Zwischenschicht, mit 4 eine weichmagnetische Schicht, mit 5 eine Magnetisierungs- richtung dieser weichmagnetischen Schicht sowie mit 6 ein externes Magnetfeld Hex. Die hartmagnetische Schicht 1 des allgemein mit 7 bezeichneten Sensorelementes kann dabei eine einzelne Schicht sein, z.B. aus Co oder einer Co-Legierung, oder auch aus einem Schichtensystem bestehen. Ein solches Schichtensystem kann insbesondere als ein sogenannter künstlicher Antiferromagnet AAF (artificial antiferromagnet) ausgebildet sein (vgl. die WO 94/15223), der sich wie ein Permanentmagnet verhält und auch als ein Biasschichtteil anzusehen ist. Stattdessen kann das Schichtsystem auch einen natürli- chen Antiferromagneten NAF mit einer daran gekoppelten Magnetschicht bilden. Selbstverständlich ist auch eine Kombination von beiden Schichtsystemtypen möglich. Auch ein Fari- agnet mit angekoppelter Magnetschicht ist statt des NAF- Systems denkbar. Die nicht-magnetische Zwischenschicht 3 kann im Falle eines GMR-Sensorele entes eine metallische Schicht sein. Stattdessen kann sie im Falle eines TMR-Sensorelementes auch aus einem isolierenden Material oder einem halbleitenden Material bestehen. Die weichmagnetische Schicht 4 ist an die hartmagnetische Schicht 1 oder ein entsprechendes Schichtensystem magnetisch nur schwach gekoppelt oder gegenüber dieser Schicht/Schichtsystem entkoppelt. Der weichmagnetischen Schicht kann gegebenenfalls eine Anisotropie aufgeprägt sein oder auch nicht. Es ergeben sich dabei verschiedene Kennlinien. Beide Varianten können für die Sensorelemente ausgenutzt werden. Der gezeigte Aufbau kann natürlich auch mehrfach in einem Schichtsystem wiederholt werden, um so den Sen- soreffekt zu erhöhen (vgl. die genannte WO 94/15223 A) .Giant magnetoresistive (GMR) or tunnel magnetoresistive (TMR) sensor elements in the so-called spin valve structure are advantageously used for the signal transmission arrangement according to the invention. A corresponding basic structure of a corresponding sensor element with hard and soft magnetic layers can be seen from the sectional view in FIG. 1. 1 denotes a hard magnetic layer, 2 a magnetization direction of this layer, 3 a non-magnetic intermediate layer, 4 a soft magnetic layer, 5 a magnetization direction of this soft magnetic layer and 6 an external magnetic field H ex . The hard magnetic layer 1 of the sensor element, generally designated 7, can be a single layer, for example made of Co or a Co alloy, or can also consist of a layer system. Such a layer system can in particular be designed as a so-called artificial antiferromagnet AAF (artificial antiferromagnet) (cf. WO 94/15223), which behaves like a permanent magnet and can also be regarded as a bias layer part. Instead, the layer system can also form a natural antiferromagnet NAF with a magnetic layer coupled to it. A combination of both types of layer system is of course also possible. Also a fari- agnet with a coupled magnetic layer is conceivable instead of the NAF system. The non-magnetic intermediate layer 3 can be a metallic layer in the case of a GMR sensor element. Instead, in the case of a TMR sensor element, it can also consist of an insulating material or a semiconducting material. The soft magnetic layer 4 is only weakly magnetically coupled to the hard magnetic layer 1 or a corresponding layer system or is decoupled from this layer / layer system. Anisotropy may or may not be impressed on the soft magnetic layer. There are different characteristics. Both variants can be used for the sensor elements. The structure shown can of course also be repeated several times in a layer system in order to increase the sensor effect (cf. the aforementioned WO 94/15223 A).
Figur 2 zeigt typische Kennlinien von Einzelsensorelementen vom Spin-Valve-Typ ohne und mit Anisotropie. Dabei zeigt das obere Diagramm a) die Kennlinie (Widerstand R als Funktion der Feldstärke des externen Feldes Hex) für ein ungekoppeltes Spin-Valve-System. Es zeigt sich eine Hysterese der Kennlinie mit einer remanenten Magnetisierung ohne äußeres Feld. Die in dem- unteren Diagramm b) gezeigte Kennlinie ergibt sich für ein ungekoppeltes Spin-Valve-System, wobei die weichmagneti- sehe Schicht (Messschicht) eine eingeprägte Anisotropie hat. Eine solche Anisotropie kann in an sich bekannter Weise durch vielfältige Maßnahmen erzeugt werden. Gezeigt ist die Kennlinie für den Fall, dass diese Anisotropie senkrecht zur Magnetisierung der hartmagnetischen Schicht ausgerichtet ist. An- dere Ausrichtungen sind selbstverständlich auch möglich.FIG. 2 shows typical characteristics of individual sensor elements of the spin valve type with and without anisotropy. The upper diagram a) shows the characteristic (resistance R as a function of the field strength of the external field H ex ) for an uncoupled spin valve system. A hysteresis of the characteristic curve is shown with a remanent magnetization without an external field. The characteristic curve shown in diagram b) below results for an uncoupled spin valve system, the soft magnetic layer (measuring layer) having an impressed anisotropy. Such anisotropy can be generated in a manner known per se by a variety of measures. The characteristic curve is shown in the event that this anisotropy is oriented perpendicular to the magnetization of the hard magnetic layer. Other orientations are of course also possible.
In bekannter Weise sind auch andere Methoden möglich, eine Vorzugsrichtung in der weichmagnetischen Schicht anzubringen, z.B. durch ein externes Feld oder durch eine leichte Kopplung zur hartmagnetischen Schicht. Aus Figur 3 geht eine bekannte Wheatstone-Brückenanordnung von Sensorelementen 7ι hervor. Dabei sind vier Sensorelemente 7i (mit i = 1....4) in zwei Brückenzweigen ZI bzw. Z2 zusammen geschaltet, wobei die zu einem Brückenzweig gehörenden Sensorelemente eine antiparallele Ausrichtung der hartmagnetischen Schicht zueinander haben. Die entsprechenden Magnetisierungsrichtungen der Sensorelemente 7ι sind mit im (mit i = 1....4). Selbstverständlich ist auch ein sogenannter Halbbrückenaufbau oder Teilbrückenaufbau möglich (vgl. die genannte DE 196 19 806 AI) . In der Figur sind ferner mit GND ein elektrisches Grundpotential, mit U ein demgegenüber erhöhtes Spannungspotential, auf das die beiden Brückenzweige Zl und Z2 gelegt sind, sowie mit VI und V2 die Spannungspotentiale an den entsprechenden Abgriffen für die Brückenspan- nung V = V1-V2 bezeichnet.In a known manner, other methods are also possible for applying a preferred direction in the soft magnetic layer, for example by means of an external field or by a slight coupling to the hard magnetic layer. 3 shows a known Wheatstone bridge arrangement of sensor elements 7ι. Four sensor elements 7i (with i = 1 .... 4) are connected together in two bridge branches ZI and Z2, the sensor elements belonging to a bridge branch having an antiparallel orientation of the hard magnetic layer to one another. The corresponding magnetization directions of the sensor elements 7ι are im (with i = 1 .... 4). Of course, a so-called half-bridge construction or partial bridge construction is also possible (cf. DE 196 19 806 AI mentioned). In the figure, there is also a basic electrical potential with GND, with U a higher voltage potential, on which the two bridge branches Zl and Z2 are placed, and with VI and V2 the voltage potentials at the corresponding taps for the bridge voltage V = V1-V2 designated.
In Figur 4 sind typische Kennlinien bei einer Brückenanordnung der Sensorelemente nach Figur 3 wiedergegeben, und zwar für den Fall der Kennlinien der Einzelelemente gemäß Figur 2 : a) = ohne Anisotropie der weichmagnetischen Schicht, b) = mit Anisotropie der weichmagnetischen Schicht. Im Idealfall gibt es nun keinen Offset mehr.4 shows typical characteristic curves for a bridge arrangement of the sensor elements according to FIG. 3, specifically for the case of the characteristic curves of the individual elements according to FIG. 2: a) = without anisotropy of the soft magnetic layer, b) = with anisotropy of the soft magnetic layer. Ideally, there is no longer an offset.
Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch einen strukturierten integrierten Schichtaufbau für einen Stromsensor oder einen Magnetokoppler 9 aus einer Brückenschaltung einer erfindungsgemäßen Signalübertragungsanordnung. Stellvertretend für die magnetoresistiven Sensorelemente dieser Anordnung ist hier nur ein einziges Sensorelement 7ι als gesamtes Schichtpaket dargestellt. Die Sensorelemente werden vorteilhaft durchFIG. 5 shows a cross section through a structured integrated layer structure for a current sensor or a magnetocoupler 9 from a bridge circuit of a signal transmission arrangement according to the invention. Representing the magnetoresistive sensor elements of this arrangement, only a single sensor element 7ι is shown here as an entire layer package. The sensor elements are advantageous by
Sputtern auf ein Substrat 8, z.B. einen thermisch isolierten Si-Wafer aufgebracht. Durch Strukturierungsschritte werden die einzelnen Sensorelemente hergestellt. Darauf kommt min- destens eine Passivierungsschicht 10, um das Sensorelement insbesondere vor Umwelteinflüssen zu schützen. Diese Passivierungsschicht dient auch als Isolationsschicht. Es kann auch eine Kombination aus Passivierungs- und Isolations- Schicht aufgebaut werden. Darauf werden die erforderlichen Stromleiterbahnen 11 aufgebracht, die so strukturiert werden, wie z.B. in den Figuren 6 und 8 nachfolgend veranschaulicht ist. Durch die Stromleiterbahnen wird ein Strom I geschickt, dessen Stromführungsrichtung mit dem üblicherweise verwendeten Zeichen veranschaulicht ist. Mittels dieses Stromes soll die gewünschte Information übertragen werden. Um die Stromleiterbahnen bildet sich ein Magnetfeld 12 aus, das nun von den Sensorelementen 1 erfasst wird. Damit ist eine galva- nisch getrennte Signalübertragung möglich. Es hängt nun vom verwendeten Schichtsystem und der anschließenden Auswerteelektronik ab, ob das Signal analog oder digital übertragen wird. Im ersteren Fall ergibt sich ein analoger Stromsensor, im zweiten Fall z.B. ein Magnetokoppler.Sputtering applied to a substrate 8, for example a thermally insulated Si wafer. The individual sensor elements are produced by structuring steps. There is at least one passivation layer 10 in order to protect the sensor element in particular from environmental influences. This passivation layer also serves as an insulation layer. A combination of passivation and isolation Layer. The required current conductor tracks 11 are applied thereon, which are structured as illustrated, for example, in FIGS. 6 and 8 below. A current I is sent through the current conductor tracks, the direction of current flow of which is illustrated with the character that is usually used. The desired information is to be transmitted by means of this stream. A magnetic field 12 forms around the current conductor tracks and is now detected by the sensor elements 1. This enables galvanically isolated signal transmission. It now depends on the layer system used and the subsequent evaluation electronics whether the signal is transmitted analog or digital. In the first case there is an analog current sensor, in the second case, for example, a magnetocoupler.
Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines vorteilhaften Verlaufes des Pfades für einen Strom I über eine Leiterbahn 11 für eine Signalübertragungsanordnung nach der Erfindung in Aufsicht. Die Sensorelemente 7χ bis 7 sind zu einer Brücken- anordnung B verschaltet. Sie können vorteilhaft auf einer gemeinsamen Ebene eines Substrates ausgebildet werden. Jedoch ist im Gegensatz zu der Ausführungsform nach Figur 3 bei allen Sensorelementen die hartmagnetische Schicht in dieselbe Richtung aufmagnetisiert . Die Magnetisierungen m_,l bis m4 weisen deshalb alle in dieselbe Richtung. Dies ist ein großer Vorteil, da bei der Herstellung der gesamte Wafer homogen aufmagnetisiert werden kann. Außerdem kann man Schichtaufbauten nehmen wie z.B. Exchange-Bias-Systeme, bei denen die Magnetisierung verhältnismäßig komplex z.B. mit einem bestimmten Temperaturzyklus durchgeführt werden muss. Hierbei wird die Stromlei erbahn 11 so über die einzelnen Sensorelemente geführt, dass zueinander benachbarte Elemente innerhalb eines Stromzweiges ZI oder Z2 und in den beiden Stromzweigen Sensorelemente ein antiparalleles Magnetfeld sehen. D.h., jedes magnetoresistive Sensorelement 7j. besitzt bei fehlendem Signalfeld der Stromleiterbahn eine Magnetisierung mit einer in dieselbe Richtung weisenden Ausgangslage. Dabei soll die Lei- terbahn 11 derart über die Sensorelemente aus den beiden Brückenzweigen ZI und Z2 geführt sein, dass von ihr alternierend ein Sensorelement aus dem ersten Brückenzweig ZI und aus dem zweiten Brückenzweig Z2 erfasst wird und somit in diagonalen Sensorelementen der Brückenordnung B jeweils dieselbe Stromflussrichtung gegeben ist. Folglich ist die Stromflussrichtung über den Sensorelementpaaren < lχ-li und 72-73 jeweils gleich. Dann ist vorteilhaft durch die jeweiligen Kennlinien ebenfalls ein Brückensignal wie in Figur 4 dargestellt zu er- reichen. Der gezeigte Aufbau ist wesentlich einfacher als andere Alternativen, wie sie z.B. als Kompensationsschaltungen von Stromsensoren bekannt sind. Selbstverständlich sind auch andere Ausführungsformen als der in Figur β gezeigte Aufbau möglich; es ist nämlich nur wichtig, dass die Stromleiterbahn 11 so über die einzelnen Sensorelemente 7i geführt wird, dass von der elektrischen Seite her gesehen eine Brückenanordnung entsteht, die eine Differenzmessung ermöglicht.FIG. 6 shows an exemplary embodiment of an advantageous course of the path for a current I over a conductor track 11 for a signal transmission arrangement according to the invention in supervision. The sensor elements 7χ to 7 are connected to form a bridge arrangement B. They can advantageously be formed on a common level of a substrate. However, in contrast to the embodiment according to FIG. 3, the hard magnetic layer is magnetized in the same direction in all sensor elements. The magnetizations m_, l to m4 therefore all point in the same direction. This is a great advantage because the entire wafer can be magnetized homogeneously during production. In addition, layer structures can be used, such as exchange bias systems, in which the magnetization has to be carried out in a relatively complex manner, for example with a specific temperature cycle. Here, the current path 11 is guided over the individual sensor elements such that elements adjacent to one another within a current branch ZI or Z2 and sensor elements in the two current branches see an antiparallel magnetic field. That is, each magnetoresistive sensor element 7j. If there is no signal field, the current track has magnetization with a starting position pointing in the same direction. The line should terbahn 11 be guided over the sensor elements from the two bridge branches ZI and Z2 in such a way that a sensor element from the first bridge branch ZI and from the second bridge branch Z2 is detected alternately and thus the same current flow direction is given in diagonal sensor elements of the bridge order B. Consequently, the direction of current flow across the sensor element pairs <lχ-li and 7 2 -7 3 is the same in each case. Then a bridge signal as shown in FIG. 4 can also be advantageously achieved by the respective characteristic curves. The structure shown is much simpler than other alternatives, such as are known, for example, as compensation circuits for current sensors. Of course, other embodiments than the structure shown in FIG. Β are also possible; it is only important that the current conductor track 11 is guided over the individual sensor elements 7i in such a way that, seen from the electrical side, a bridge arrangement is created which enables a differential measurement.
Figur 7 zeigt einen Querschnitt durch den Schichtaufbau für einen Magnetokoppler ' mit einer Brückenanordnung nach Figur 6 in Figur 5 entsprechender Darstellung. Wie aus der Figur hervorgeht, ist das Magnetfeld 12 zweier nebeneinander liegender Teile der Stromleiterbahn 11, durch die derselbe Strom I fließt, jedoch in entgegengesetzter Richtung, antiparallel zueinander. Somit spiegeln sich die Kennlinien der jeweils darunterliegenden Sensorelemente 7 , wodurch sich ein Brückensignal ergibt.FIG. 7 shows a cross section through the layer structure for a magnetocoupler with a bridge arrangement according to FIG. 6 in a representation corresponding to FIG. 5. As can be seen from the figure, the magnetic field 12 of two adjacent parts of the current conductor path 11 through which the same current I flows, but in the opposite direction, is antiparallel to one another. The characteristics of the underlying sensor elements 7 are thus reflected, resulting in a bridge signal.
Figur 8 zeigt die Auslegung des Strompfades durch eine Strom- leiterbahn 11 für einen Halbbrückenaufbau, wobei eine Figur 6 entsprechende Darstellung gewählt ist. Es kann nämlich sein, dass bei bestimmten Sensorstrukturen eine Vollbrückenschal- tung nicht möglich oder nur mit großem Aufwand zu realisieren ist. Hier ist auch eine Halbbrückenanordnung wie in Figur 8 gezeigt geeignet. Dabei liegen nur zwei Sensorelemente wie z.B. die Elemente 72 und 73 unter der Stromleiterbahn 11, während die anderen nicht von deren Signalfeld beeinflusst werden. Die zwei nicht beeinflussten Sensorelemente 7χ und 74 können gegebenenfalls auch durch normale Widerstände ersetzt sein (vgl. z.B. die genannte DE 195 07 303 AI); im Hinblick auf eine Temperaturstabilität des Signals ist es jedoch von Vorteil, auch für die Elemente lχ und 74 Sensorstrukturen wie für die anderen Sensorelemente 72 und 73 zu wählen.FIG. 8 shows the design of the current path through a current conductor track 11 for a half-bridge structure, a representation corresponding to FIG. 6 being chosen. It may be the case that with certain sensor structures, full-bridge switching is not possible or can only be implemented with great effort. A half-bridge arrangement as shown in FIG. 8 is also suitable here. In this case, only two sensor elements, such as elements 7 2 and 7 3 , lie below the current conductor path 11, while the others are not influenced by their signal field become. The two unaffected sensor elements 7χ and 7 4 can optionally be replaced by normal resistors (see, for example, the aforementioned DE 195 07 303 AI); with respect to a temperature stability of the signal, it is however advantageous lχ also for the elements and to choose 7 4 sensor structures as for the other sensor elements 7 2 and 7. 3
Darüber hinaus kann gemäß dem in Figur 9 gezeigten Querschnitt eine weichmagnetische Schicht 15 bzw. ein weichmagne- tischer Schichtaufbau in die Struktur eingebaut sein, der den Einfluss externer Streufelder verringert/abschirmt. Dies ist im allgemeinen von Vorteil, da die Sensorelemente 7_. sehr empfindlich ausgelegt werden müssen für eine effektive Datenübertragung. Ein solcher weichmagnetischer Schichtaufbau bzw. die weichmagnetische Schirmungsschicht 15 kann auch dazu genutzt werden, um das Magnetfeld der Stromleiterbahn effektiver an die zugeordneten Sensorelemente zu koppeln bzw. um die Feldstärke an den Sensorelementen zu erhöhen. Die weichmagnetische Schicht bzw. Schichtstruktur kann auch in einer be- stimmten Weise geformt sein, um entweder eine bessere Schirmung der externen Streufelder Hst oder eine bessere Kopplung des von der Stromleiterbahn 11 erzeugten Feldes zu erreichen. Die weichmagnetische Schirmungsschicht muss gegenüber den einzelnen Windungen der Stromleiterbahn 11 selbstverständlich elektrisch isoliert sein. Hierzu dient eine in der Figur gezeigte Isolationsschicht 14. In addition, according to the cross section shown in FIG. 9, a soft magnetic layer 15 or a soft magnetic layer structure can be built into the structure, which reduces / shields the influence of external stray fields. This is generally advantageous since the sensor elements 7_. must be designed very sensitive for effective data transmission. Such a soft-magnetic layer structure or the soft-magnetic shielding layer 15 can also be used to more effectively couple the magnetic field of the current track to the assigned sensor elements or to increase the field strength at the sensor elements. The soft magnetic layer or layer structure can also be shaped in a certain way in order either to achieve better shielding of the external stray fields H st or to achieve a better coupling of the field generated by the electrical conductor 11. The soft magnetic shielding layer must of course be electrically insulated from the individual turns of the electrical conductor 11. An insulation layer 14 shown in the figure is used for this.

Claims

Patentansprüche claims
1. Anordnung zur Signalübertragung mit wenigstens einer ein magnetisches Signalfeld mittels Stromfluss λ erzeugenden e- lektrischen Leiterbahn sowie mehreren zu einer Voll- oder1. Arrangement for signal transmission with at least one electrical conductor track generating a magnetic signal field by means of current flow λ and several to a full or
Teilbrücke mit zwei Brückenzweigen verschalteten, der Leiterbahn zugeordneten, von dieser galvanisch getrennten, magnetoresistiven Sensorelementen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass jedes magnetoresistive Sensorelement (7ι) bei fehlendem Signalfeld (12) eine Magnetisierung (im) mit einer in dieselbe Richtung weisenden Ausgangslage besitzt und die Leiterbahn (11) derart über die Sensorelemente (7- aus den beiden Brückenzweigen (ZI, Z2) geführt ist, dass von ihr (11) alternierend ein Sensorelement aus dem ersten Brü- ckenzweig (ZI) und aus dem zweiten Brückenzweig (Z2) erfasst wird und in diagonalen Sensorelementen (lχ, 7 bzw. 72, 73) dieselbe Stromflussrichtung gegeben ist.Partial bridge with two bridge branches interconnected, assigned to the conductor track and galvanically separated from it, magnetoresistive sensor elements, characterized in that, in the absence of a signal field (12), each magnetoresistive sensor element (7ι) has magnetization (im) with a starting position pointing in the same direction and the conductor track ( 11) is guided over the sensor elements (7- from the two bridge branches (ZI, Z2) such that a sensor element from the first bridge branch (ZI) and from the second bridge branch (Z2) is alternately detected by it (11) and the same current flow direction is given in diagonal sensor elements (lχ, 7 or 7 2 , 7 3 ).
2. Anordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e nn - z e i c h n e t , dass die Sensorelemente (7) jeweils ein einen erhöhten magnetoresistiven Effekt zeigendes Mehrschichtensystem umfassen, das mindestens eine weichmagnetische Schicht (4) , mindestens eine weitere ferromagnetische Schicht (1) sowie mindestens eine dazwischen angeordnete, nicht- magnetische Zwischenschicht (3) enthält .2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the sensor elements (7) each comprise a multilayer system showing an increased magnetoresistive effect, the at least one soft magnetic layer (4), at least one further ferromagnetic layer (1) and at least one arranged in between , contains non-magnetic intermediate layer (3).
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, g e k e n n z e i c h n e t durch ein Mehrschichtensystem mit einer gegenüber der mindestens einen weichmagnetischen Schicht (4) magnetisch härteren, von dieser durch die nicht-magnetische Zwischenschicht (3) beabstandeten Magnetschicht (1) oder ein entsprechendes Schichtsystem.3. Arrangement according to claim 1 or 2, provided by a multilayer system with a magnet layer (1) which is magnetically harder than the at least one soft magnetic layer (4) and spaced apart by the non-magnetic intermediate layer (3) or a corresponding layer system.
4. Anordnung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , dass das magnetisch härtere4. Arrangement according to claim 3, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t that the magnetically harder
Schichtsystem als ein mehrschichtiger künstlicher Antiferromagnet (AAF) und/oder ein natürlicher Antiferromagnet (NAF) oder ein Ferrimagnet mit gekoppelter Magnetschicht ausgebildet ist.Layer system as a multilayer artificial antiferromagnet (AAF) and / or a natural antiferromagnet (NAF) or a ferrimagnet with a coupled magnetic layer is formed.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, d a - du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Mehrschichtensystem als ein magnetoresistives Tunnelelement mit einer isolierenden oder halbleitenden Zwischenschicht (3) ausgebildet ist.5. Arrangement according to one of claims 2 to 4, so that the multilayer system is designed as a magnetoresistive tunnel element with an insulating or semiconducting intermediate layer (3).
6. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Ausbildung der Sensorelemente (7ι) zumindest weitgehend auf einer gemeinsamen Ebene eines Substrates (8) .6. Arrangement according to one of the preceding claims, at least largely by designing the sensor elements (7ι) at least largely on a common plane of a substrate (8).
7. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch Mittel zu deren magnetischer Abschirmung gegen externe magnetische Störfelder (Hsc) .7. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized by means for its magnetic shielding against external magnetic interference fields (H sc ).
8. Anordnung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t , dass mindestens eine weichmagnetische8. Arrangement according to claim 7, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t that at least one soft magnetic
Schicht (15) als Abschirmungsmittel an der den Sensorelementen (7i) abgewandten Seite der wenigstens einen Leiterbahn (11) isoliert gegenüber dieser angeordnet ist.Layer (15) is arranged as a shielding means on the side of the at least one conductor track (11) facing away from the sensor elements (7i) and insulated from it.
9. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Verwendung als ein Stromsensor oder ein Magnetokoppler.9. Arrangement according to one of the preceding claims, g e k e n n z e i c h n e t by use as a current sensor or a magnetocoupler.
10. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e - k e n n z e i c h n e t durch eine Integration mit Bauteilen der Siliziumtechnologie. 10. Arrangement according to one of the preceding claims, g e - k e n n z e i c h n e t by integration with components of silicon technology.
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