DD288009A5 - Anordnung zur messung magnetischer felder mit magnetosesistivem duennschichtsensorchip - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung magnetischer Felder mit magnetoresistivem Duennschichtsensorchip. In der Anordnung ist zur Vergroeszerung des linearen Bereiches der Kennlinie neben dem bei magnetoresistiven Sensoren meistens notwendigen Stabilisierungsfeldmagneten noch ein weichmagnetisches Teil geringer Dicke parallel zur Sensorchipebene in einem bestimmten Abstand vorhanden (Fig. 1). Dieses schwaecht bei niedrigen zu messenden Feldstaerken dieselbe am Ort des magnetoresistiven Sensors soweit ab, dasz der Kennlinienanstieg etwa auf den Wert abgesenkt ist, der auch bei hoeheren Feldstaerken noch vorhanden ist, bei denen das weichmagnetische Teil wegen UEberschreitung der Saettigungsmagnetisierung nicht mehr wirksam ist.{magnetoresistiver Sensor; Magnetfeldmessung; potentialfreie Strommessung; Regelelement; Leistungsmessung; Linearisierung}

Description

Darlegung des Wosens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Messung magnetischer Felder anzugeben, die in einem weiten Bereich eine lineare Kennlinie aufweist, deren maximaler Ausgangssignalbereich gegenüber den nichtlinearisierter Sensoren nicht abgesenkt ist, gegenüber letzteren in der Herstellung keine zusätzlichen Dünnschichtfertigungsschritte höchster Präzision erforderlich macht und die ohne Einschränkung für die Stabilisierungsfeldstärke arbeitet, die sich aus der Bedingung eines sicher hysteresefreien Betriebes oder aus der jeweils angestrebten Meßempfindlichkeit ergibt. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Anordnung zur Messung magnetischer Felder mit magnetoresistivem Dünnschichtsensorchip und mit vorzugsweise vorhandenem Dauermagneten zur Stabilisierungsfelderzeugung erfindungsgemäß zur Vergrößerung des linearen Bereiches der Sensorausgangsspannung parallel zum Sensorchip in einem der Sensorabmessung in Stabilisierungsfeldrichtung entsprechenden Abstand ein Teil geringer Dicke aus weichmagnetischem Material vorhanden ist, dessen Länge in Richtung der die Aussteuerung bewirkenden Magnetfeldkomponente größer als die des Sensorchips ist. Durch das parallel zum Sensorchip vorhandene weichmagnetische Teil wird die magnetische Feldstärke am Ort des magnetoresistiven Sensors verringert, da die magnetischen Feldlinien bestrebt sind, den Weg des geringsten magnetischen Widerstandes zu benutzen, der wegen der hohen Permeabilität des weichmagnetischen Teiles durch diese verläuft. Um die Feldabschwächung am Sensorort auf einen geeigneten Wert zu bringen, sind der obengenannte Abstand und die genannte Länge einzuhalten. Da der Anstieg der Ausgangsspannung des magnetoresistiven Sensors selbst bei kleinen angelegten Magnetfeldern einen größeren Wert hat als bei großen angelegten Magnetfeldern, wird diese Feldstärkeverringerung am Ort des Sensors genutzt, um bezüglich des von außen angelegten, zu messenden Magnetfeldes auch bei kleinen Worten schon einen geringeren Anstieg zu haben. Damit bei größeren Feldwerten diese Anstiegs- bzw. Meßfeldverringerung nich t mehr wirksam ist, und so eine Linearisierung erreicht werden kann, werden erfindungsgemäß die Permeabilität, Breite und Dicke des weichmagnetischen Teiles so bemessen, daß bei einem Magnetfeldwert, bei dem etwa zwei Drittel der maximalen Ausgangsspannung des magnetoresistiven Dünnschichtsensors auftreten, seine Sättigungsmagnetisierung erreicht ist. Bei Feldstärken, die oberhalb der zur Sättigung der Magnetisierung des weichmagnetischen Teiles notwendigen liegen, entspricht sein magnetischer Widerstand dem der Umgebung, so daß eine Feldverringerung am Sensorort hier nicht mehr wirksam ist. Es ist hervorzuheben, daß der angegebene Magnetfeldwert, bei dem etwa zwei Drittel der maximalen Ausgangsspannung des Sensors auftreten, sich auf den Sensor im Feld des Stabilisierungsfeldmagneten bezieht. Damit ist es dann selbstverständlich, daß die Linearisierung der Sensorkennlinie für beliebige Stabilisiorungsmagnetfeldstärken erreichbar ist. Da bei hohen zu messenden Magnetfeldern der Sensor dem Feldanstieg ohne Abschwächung direkt ausgesetzt ist, wird bezüglich der maximal möglichen Ausgangsspannungsänderung des Sensors keinerlei Beschränkung auftreten.

Vorteilhafterweise befindet sich der Stabilisierungsfeldmagnet über dem Sensorchip und das weichmagnetische Teil unter demselben. Dadurch wird ein maximaler Abstand zwischen Stabilisierungsfeldmagneten und weichmagnetischem Teil erreicht und dadurch die mögliche magnetische Sättigung des weichmagnetischen Teiles durch ddas Feld des Stabilisierungsfeldmagneten vermieden. Es ist weiterhin vorteilhaft, den magnetoresistiven Sensorchip, den Stabilisierungsfeldmagneten und das weichmagnetische Teil fixiert in einem Gehäuse unterzubringen. Damit sind Fehler in der Feldanzeige, die durch gegenseitige Lageveränderungen zustande kommen können, ausgeschlossen. Vorzugsweise besteht das weichmagnetische Teil aus einer amorphen Metallegierung, die bei geeigneter Behandlung und Herstellung hohe Permeabilität bei geringster Remanenz und Hysterese aufweist und in Folienform verwendet v/erden kann.

Ausführungsbeisplel

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigt Figur 1 die Anordnung eines magnetoresistiven Dünnschichtsensorchips 1 auf einem Substrat mit einem Stabilisierungsfeldmagneten 2 und einem weichmagnetischen Teil 4. In der Figur 2 sind Kennlinien des magnetoresistiven Sensors ohne und mit linearisieronder Wirkung des weichmagnetischen Teiles 4 dargestellt. Die Figur 1 ist nicht maßstäblich und zeigt nur die geometrische Lagezuordnung der genannten Teile. Die Struktur des eigentlichen magnetoresistiven Dünnschichtsensors auf dem Dünnschichtsensorchip 1 ist nicht dargestellt, da sie irn einzelnen für die Erfindung nicht von Bedeutung ist. Der eigentliche magnetoresistive Sensor befindet sich auf der Ebene des dargestellten Dünnschichtsensorchips 1. In dieser Ebene wird die Stabilisiei ungsfeldrichtung H_x durch die Lage des Nordpoles N und des Südpoles S des Stabilisierungsfeldmagneten 2 festgelegt. Die Meßfeldrichtung H_y liegt ebenfalls in der Dünnschichtsensorebene und steht senkrecht auf der Stabilisierungsfeldrichtung H_x. Die Chipfläche ist von der Größe 1 · 1 mm². Der Stabilisierungsfeldmagnet 2 ist ein Dauermagnet aus Maniperm 860. Das von ihm am Ort des magnetoresistiven Sensors bewirkte Magnetfeld hat eine Feldstärke von 3kA/m. Damit sind Hystereseerscheinungen und Umklappvorgänge der Eigenmagnetisierung des magnetoresistiven Sensors praktisch ausgeschlossen.

Ohne das weichmagnetische Teil geringer Dicke 4 ergibt sich für den magnetoresistiven Sensor im homogenen Meßfeld H_y die Kennlinie 6 in Figur 2. Das Maximum dieser Kurve liegt bei etwa 5kA/m und hat bei einer Betriebsspannung am magnetoresistiven Sensor von 10 V einen Wert von etwa 10OmV. Linear ist die Kurve nur in der Umgebung des Nullpunktes. Die Linearitätsabweichung ist kleiner als 1 %, wenn in einem Ausgangsspannungsbereich gearbeitet wird, der ein Drittel des maximalen Wertes nicht überschreitet. Um die Linearitätsabweichung in der Figur 2 deutlich zu machen, ist zum Vergleich gestrichelt eine Gerade an die Kennlinie 6 eingezeichnet.

Bei Vorhandensein des weichmagnetischen Teiles 4 geringer Dicke mit einer Länge 5 in Richtung des die Aussteuerung bewirkenden Magnetfeldes H_y, die größer als die des Sensorchips 1 ist, ergibt sich die Kennlinie 9 in Figur 2. Dazu ist es notwendig, daß der Abstand 3 des weichmagnetischen Teiles 4 von magnetoresistiven Dünnschichtsensorchip 1 etwa 1 mm beträgt, was der Länge des Sensors in Stabilisierungsfeldrichtung entspricht. Da die Magnetfeldlinien den Weg des geringsten magnetischen Widerstandes wählen, wird das Magnetfeld außerhalb des hochpermeablen weichmagnetischen Teiles 4 gegenüber dem oben beschriebenen Fall geschwächt. Die Schwächung ist auch abhängig vom Abstand 3 zum weichmagnetischen Teil 4. Für einen Abstand 3 von etwa 1 mm, in dem sich der magnetoresistive Dünnschichtsensorchip 1 befindet, ist sie gerade so groß, daß der Anstieg der Ausgangsspannung des Sensors mit dem anliegenden äußeren

Magnetfeld H_y bei sehr kleinen Feldstärken auf einen Wert absinkt, wie er ohno Vorhandensein des weichmagnetischen Teile·; 4 erst bei einem Feldstärkewert auftreten wurde, bei dem etwa zwei Drittel der maximalen Ausgangsspannung erreicht sind. Als weichmagnetisches Teil 4 Ist eine amorphe Metallegierung In Form einer Folie von 20μηη Dicke, einer Breite von 4 mm und einer Länge 5 von 6mm vorhanden. Bei der äußeren Magnetfeldstärke, bei der die Ausgangsspannung den Wert von zwei Dritteln 7 der maximalen Ausgangsspannung annimmt, erreicht das amorphe weichmagnetische Teil 4 seine Sättigungsmagnetisierung. Damit gleicht sich der magnetische Widerstand im Material dem der Umgebung an, und es tritt keine Abschwächung des Magnetfeldzuwachses am Ort des magnetoresistiven Dünnschichtsensorchips 1 gegenüber dom äußeren Feld mehr auf. Die Kennlinie wird also von hier ab mit dem Anstieg fortgesetzt, der dem vom Punkt 7 in Kurve 6 entspricht. Damit ist es selbstverständlich, daß der Wert der maximalen Ausgangsspannung 8 auch in der Kurve 9 der linearisierten Sensoranordnung erreicht wird. Das ist der Figur 2 zu entnehmen, in der auch für Kurve 9 ein Vergleich mit der gestrichelt eingezeichneten Geraden erfolgt. Der Linearitätsbereich in der 1-%-Grenze ist gegenüber der Kurve 6 um mehr als den Faktor zwei vergrößert. Wie aus Figur 1 hervorgeht, befindet sich der Stabilisierungsfeldmanget 2 über dem magnetoresistiven Dünnschichtsensorchip 1 und das weichmagnetische Teil 4 geringer Dicke darunter. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Feldstärke, die der Stabilisierungsfeldmagnet 2 bewirkt, am Ort des magnetoresistiven Dünnschichtsensorchips 1 wesentlich höher ist als am Ort des weichmagnetischen Teiles 4 und so das weichmagnetische Material sich nicht von vornherein im Zustand der magnetischen Sättigung befindet. Das ist einfach durch die starke räumliche Abnahme des magnetischen Dipolfeldes des Stabilisierungsfeldmagneten 2 gegeben.

Der magnetoresistive Dünnschichtaensorchip 1, der Stabilisierungsfeldmagnet 2 und das weichmagnetische Teil 4 geringer Dicke befinden sich räumlich fixiert in einem Gehäuse. Damit sind Lageverschiebungen der Teile gegeneinander ausgeschlossen und es werden Änderungen der Kennlinie der Anordnung, die damit unabdingbar verbunden wären, mit Sicherheit vermieden.

Claims (4)

1. -1- 238 009 Patentansprüche:

   1. Anordnung zur Messung magnetischer Felder mit magnetoresistivem Dünnschichtsensorchip (1) und mit vorzugsweise vorhandenem Stabilisierungsfeldmagneten (2), dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergrößerung des linearen Bereiches der Ausgangsspannung des Sensors parallel zum Dünnechichtsensorchip (1) in einem der Sensorabmessung in Stabilisierungsfeldrichtung entsprechenden Abstand (3) ein Teil (4) geringer Dicke aus weichmagnetischem Materia! vorhanden ist, dessen Länge (5) in Richtung der die Aussteuerung bewirkenden Magnetfeldkomponente größer als die des Dünnschichtsensorchips (1) ist und dessen Permeabilität, Breite und Dicke solche Werte haben, daß bei einem Magnetfeldwert, bei dom etwa zwei Drittel der maximalen Ausgangsspannung des magnetoresistiven Dünnschichtsensors auftreten, seine Sättigungsmagnetisierung erreicht ist.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Stabilisierungsfeldmagnet (2) überdem Dünnschichtsensorchip (1) und das weichmagnetische Teil (4) unter demselben befindet.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der magnetoresistive Dünnschichtsensoi chip (1), der Stabilisierungsfeldmagnet (2) und das Teil (4) aus weichmagnetischem Material fixiert in einem Gehäuse befinden.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das weichmagnetische Material eine amorphe Metallegierung ist.

   Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Magnetoresistive Sensoren werden zur Messung von magnetischen Feldern und deren Gradienten eingesetzt. Sie finden bei der poteniialfreien Messung von Gleich- und Wechselströmen Anwendung. Sie können in Kombination mit billigen Dauermagneten zu empfindlichen Positions- und Winkelbestimmung benutzt werden. Weiterhin kommen sie als funktionsbestimmende Bestandteile elektronischer Regel- und Schaltelemente zum Einsatz. Zur Nutzung der magnetoresistiven Sensoren bei der Messung der elektrischen Leistung sind im linearen Kennlinienbereich besonders einfache Auswerteschaltungen einsetzbar.

   Charakteristik des bekannten Standes der Technik

   Magnetoresistive Sensoren und Anordnungen zur Linearisierung ihrer Kennlinien sind bekannt. So ist in der Patentschrift OD 260773 eine Anordnung beschrieben, in der die Kennlinie des Sensors dadurch linearisiert ist, daß jedes Widerstandselement einer Brückenschaltung mindestens einen Dünnschichtstreifen enthält, der eine gegenläufige Widerstandsänderung und eine leichtere Drehbarkeit seiner Magnetisierungsrichtung gegenüber den anderen Streifen desselben Widerstandselementes aufweist. Nachteilig an dieser Anordnung ist, daß der Ausgangsspannungsbereich durch das Vorhandensein der sich gegenläufig ändernden Dünnschichtstreifen gegenüber dem des nichtlinearisierten Sensors verringert ist und daß die Linearisierung nur bei einem durch die Streifenabmessungen genau festgelegten Stabilisierungsmagnetfeld in Streifenlängsrichtung verbessert ist. Dieser Stabilisierungsmagnetfeldwert liegt zu nahe an der Grenze des für den hysteresefreien Betrieb notwendigen, so daß ein einwandfreier Sensorbetrieb nicht in jedem Falle gewährleistet werden kann. Eine andere Möglichkeit der Vergrößerung des Linearitätsbereiches wird in den Patentschriften US 4321460 und US 4425593 angegeben. Durch Überdecken der Randgebiete der mit Leitschichtstreifen versehenen magnetoresistiven Streifen mit hochpermeablem Material wird verhindert, daß in diesen Gebieten die widerstandsändernde Drehung der Magnetisierungsrichtung durch das angelegte Magnetfeld stattfinden kann. Damit entfällt in der Magnetfeld-Ausgangsspannungs-Kennlinie der Anteil der Nichtlinearität, der durch die Abweichung der Stromrichtung von einem Winkel von 45° gegen die Streifenlängsrichtung auftritt. Solche Abweichungen sind in den Randbereichen der Schichtstreifen unvermeidlich, am Schichtrand fließt der Strom stets in Streifenlängsrichtung. Bei dieser Anordnnung erweist sich als nachteilig, daß neben der für die Grundfunktion des Sensors nötigen hartmagnetischen Schicht die Herstellung einer zweiten Magnetschicht mit weichmagnetischen Eigenschaften notwendig ist und deren Strukturierung mit einer Abweichung der Kantenlage von weniger als 1 μπι vom vorgegebenen Wert erfolgen muß. Außerdem tragen die abgedeckten Randbereiche zur Widerstandsänderung nichts mehr bei, sie sind aber am Gesamtwiderstand wesentlich beteiligt. Das führt zu einem Absinken des maximal möglichen Ausgangsspannungsbereiches des Sensors. So wird durch diese Anordnung zwar erreicht, daß ein relativ größerer Bereich der Kennlinie linear verläuft, eine Vergrößerung des absoluten linearen Aussteuerbereiches liegt aber trotzdem nicht vor.

   Ziel der Erfindung

   Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine Anordnung zur Messung magnetischer Felder mit magnetoresistivem Dünnschichtfensor anzugeben, die durch einen linearen Zusammenhang zwischen dem zu messenden Magnetfeld und dem Sensorausgangssignal charakterisiert ist und die das durch das magnetoresistive Material bedingte maximale Ausgangssignal aufweist.