DE102007040183A1

DE102007040183A1 - Magnetfeldsensor zur Erfassung eines äußeren magnetischen Felds, insbesondere des Erdmagnetfelds, sowie mit solchen Magnetfeldsensoren gebildetes Magnetfeldsensorsystem

Info

Publication number: DE102007040183A1
Application number: DE200710040183
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr. Paul; Stefan Eilers
Original assignee: SENSITEC NAOMI GmbH
Current assignee: SENSITEC NAOMI GmbH
Priority date: 2007-08-25
Filing date: 2007-08-25
Publication date: 2009-03-05

Abstract

Ein Magnetfeldsensor zur Erfassung eines äußeren magnetischen Felds, insbesondere des Erdmagnetfelds, umfasst mindestens zwei parallele magneto-resistive Schichtstreifenelemente (1-4) mit Strom- und/oder Spannungskontakten (6-9) zum Erzeugen eines Messsignals sowie Mittel zum Bilden des Messsignals (DeltaU) aus der Differenz zwischen den jeweils zwei der Schichtstreifenelemente (1, 3 bzw. 2, 4) gleichzeitig auftretenden Spannungen. Eine hohe, zeitlich konstakte Messempfindlichkeit bei eindeutiger Richtungsangabe wird unkompliziert dadurch erreicht, dass jeweils zwei der Schichtstreifenelemente (1-4) parallel zu der Schichtstreifenrichtung (S) zueinander entgegengesetzt gleich remanent vormagnetisiert sind (M1, M2, M3, M4) und abgesehen von der Vormagnetisierung gleich sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Magnetfeldsensor zur Erfassung eines äußeren magnetischen Felds, insbesondere des Erdmagnetfelds, mit mindestens zwei parallelen magnetoresistiven Schichtstreifenelementen mit Strom- und Spannungskontakten zum Erzeugen eines Messsignals.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein mit solchen Magnetfeldsensoren gebildetes Magnetfeldsensorsystem.
Ein derartiger bekannter Magnetfeldsensor umfasst eine Magnetfelderfassungseinrichtung mit wenigstens ersten und zweiten Magnetfelderfassungselementen, welche insbesondere magnetoresistive, ferromagnetische Schichtstreifenelemente sind, mit Stromkontakten, über die ein Konstantstrom in die Magnetfelderfassungselemente eingespeist wird, sowie mit Spannungskontakten, zum Erzeugen eines Messsignals ( EP 0 544 579 B1 = US 5 247 278 ). Der Magnetfeldsensor ist insbesondere mit vier Magnetfelderfassungselementen als Wheatstonebrücke realisiert. Er umfasst weiterhin eine Einrichtung zur Einstellung einer Magnetisierungsrichtung sowie eine Einrichtung zur Umkehrung der Magnetisierungsrichtung in den Magnetfelderfassungselementen, wobei nach Einstellung der Magnetisierungsrichtung und Umkehr der Magnetisierungsrichtung jeweils ein Aus gangssignal mit einem ersten Pegel bzw. ein Ausgangssignal mit einem zweiten Pegel generiert wird und die Differenz zwischen dem ersten Pegel und dem zweiten Pegel erfasst wird, die repräsentativ für die zu messenden externen magnetischen Feldkomponenten ist. Als Einrichtung zur Einstellung und Umkehr der Magnetisierungsrichtung dient insbesondere ein metallischer Leiterstreifen. Im einzelnen können mit einem serpentinenförmigen oder spiralförmigen Leiter die Magnetisierungsrichtungen von in der Wheatstonebrücke einander gegenüberliegend angeordneter Magnetfelderfassungselementen zueinander in der gleichen Richtung oder in unterschiedlichen Richtungen eingestellt werden. Bei Einstellung der Magnetisierungsrichtung und deren Umkehr sollen die Magnetfelderfassungselemente bzw. die magnetoresistiven, ferromagnetischen Schichtstreifenelemente bevorzugt in einen Ein-Domänen-Zustand zur Reproduzierbarkeit des Messsignals gebracht werden, um das Messsignal gut zu reproduzieren, wenngleich in Einzelfällen eine Erfassung des äußeren magnetischen Felds auch mit Mehr-Domänen-Zuständen der Schichtstreifenelemente möglich sein soll. Die Mittel zum Magnetisieren und Ummagnetisieren dienen zur Offsetminimierung des Messsignals. Daneben kann mit einem weiteren metallischen Leiterstreifen ein bekanntes äußeres magnetisches Feld an den Magnetfelderfassungselementen zum Testen, Kalibrieren und zur Anfangseinstellung aufgebracht werden. – Grundsätzlich ist die Winkelauflösung bzw. die Auflösung der magnetischen Feldkomponenten, die mit dem Magnetfeldsensor erfasst werden, durch die Hysterese der magnetoresistiven, ferromagnetischen Stoffe, aus denen die Schichtstreifenelemente gebildet sind, begrenzt.
Um die magnetoresistiven Schichtstreifenelemente beim Magnetisieren und Ummagnetisieren jeweils in den Sättigungszustand zu bringen, müssen entsprechend starke Magnetfelder erzeugt werden, womit ein hoher Stromverbrauch verbunden ist.
Als magnetoresistive Schichtstreifenelemente sind nach dem Stand der Technik anisotrope magnetoresistive (AMR-)Sensoren verwendet worden, die typischerweise eine dünne Schicht aus Permalloy aufweisen, die zur Linearisierung ihres Transferverhaltens mit einer sogenannten Barber-Pole-Struktur strukturiert sind. Allerdings erhöht die Strukturierung der Barber-Pole den Herstellungsaufwand. Wegen der Widerstandstoleranz und der Temperaturabhängigkeit der AMR-Sensoren werden diese bevorzugt in einer Wheatstonebrücke angeordnet, die außerdem gegenüber einem einzelnen AMR-Schichtstreifenelement den Vorteil einer höheren Empfindlichkeit hat (Application Note 37 der Fa. ZETEX Semiconductors, 01.09.2003).
Um die Linearität des Magnetfeldsensors zu verbessern und dessen Temperaturabhängigkeit zu vermindern, sind weiterhin in einem bekannten MR- bzw. AMR-Magnetfeldsensor unter den magnetoresistiven Schichtstreifen weitere hochleitfähige Schichtstreifen vorgesehen, deren Längsrichtung mit der der magnetoresistiven Schichtstreifen übereinstimmt und von diesen elektrisch isoliert sind. In diesen hochleitfähigen Schichtstreifen wird zur Kompensation des äußeren magnetischen Felds ein Kompensationsstrom geleitet, so dass das resultierende äußere Feld minimiert wird ( DE 43 19 146 A1 ). Die Messempfindlichkeit wird durch diese Linearisierungsmaßnahme jedoch nicht erhöht.
Zunehmend werden die AMR-Sensoren zur Magnetfeldmessung durch empfindlichere GMR-Sensoren abgelöst, die sich durch hohe erzielbare Widerstandsänderungen auszeichnen. Ein solcher Magnetfeldsensor mit ferromagnetischer, dünner Schicht und zugehörigen Strom- und Spannungskontakten zum Auslesen eines Signals bzw. von Daten weist ein Schichtsystem mit wenigstens einer zweiten über eine Zwischenschicht aus nicht magnetischem Metall benachbarten ferromagnetischen Schicht auf, wobei das Schichtsystem so aufgebaut ist, dass ohne äußeres Magnetfeld die Magnetisierung der einen ferromagnetischen Schicht antiparallel zu der benachbarten ferromagnetischen Schicht ausgerichtet ist ( DE 38 20 475 C1 ). Generell werden solche Schichtsysteme mit alternierenden magnetischen und nicht magnetischen Schichten, bei denen der elektrische Widerstand von der relativen Magnetisierungsrichtung benachbarter Schichten abhängt, als GMR-Systeme bezeichnet. In diesem Sinne ist auch die Bezeichnung GMR-Sensor in der vorliegenden Anmeldung zu verstehen.
Ein bekannter Magnetfeldsensor verwendet GMR-Multilagen und Flussverstärker aus weichmagnetischem Material. Durch Anordnung einer als Mäander ausgebildeten GMR-Sensorschicht zu den Flussverstärkern kann eine Winkelmessung erfolgen. Speziell in einer Kompassanwendung hat jedoch dieser Magnetfeldsensor den Nachteil einer begrenzten Winkeleindeutigkeit von 180°, so dass Nord und Süd nicht ohne weiteres unterscheidbar sind. Weiterhin können die aus Permalloy bestehenden Flussverstärker die Empfindlichkeit des Magnetfeldsensors durch unbeabsichtigte Ummagnetisierung verschieben, was die Anwendung verunsichert.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Magnetfeldsensor zur Erfassung eines äußeren magnetischen Felds, insbesondere eines Erdmagnetfelds, mit mindestens zwei parallelen magnetoresistiven Schichtstreifenelementen mit Strom- und/oder Spannungskontakten zum Erzeugen eines Messsignals zu schaffen, der sich durch hohe, zeitlich konstante Messempfindlichkeit ohne Einschränkung hinsichtlich der Richtungseindeutigkeit auszeichnet und wenig aufwendig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird mit einem Magnetfeldsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bei diesem Magnetfeldsensor werden die durch ein zu den Schichtstreifenelementen parallelen Komponenten des erfassten äußeren Magnetfelds erzeugten Spannungspegel von zwei parallelen magnetoresistiven Schichtstreifenelementen, die parallel zu ihrer Schichtstreifenrichtung und zueinander entgegengesetzt gleich remanent vormagnetisiert sind und somit eine unterschiedliche Remanenz aufweisen, direkt miteinander verglichen, d. h. subtrahiert, um ein eindeutiges Messsignal in einem Bereich der Hysteresekurve des magnetoresistiven Materials der beiden Schichtstreifenelemente zu erzeugen. Der erfindungsgemäße Magnetfeldsensor zeichnet sich somit durch eine messtechnische Nutzung der magnetischen Hysterese der unterschiedlich vorkonditionierten Schichtstreifenelemente aus. Damit wird ein hochempfindlicher, unkomplizierter Magnetfeldsensor geschaffen, der eindeutig und reproduzierbar kleine äußere Magnetfelder, z. B. in dem Bereich bis 4 Oe, also insbesondere das Erdmagnetfeld, messen kann. Die Nutzung der Hysterese für Messzwecke erfordert eine gleichzeitige entgegengesetzte Vormagnetisierung der beiden parallelen Schichtstreifenelemente aus ferromagnetischem Material mit deutlichen Hystereseeigenschaften durch ein zu ihrer Schichtstreifenrichtung paralleles äußeres Magnetisierungsfeld, welches die Schichtstreifenelemente jedoch nicht in die Sättigung zu magnetisieren braucht.
Das Hystereseverhalten der Schichtstreifenelemente zeigt sich in deren Transfercharakteristiken, die im Einzelnen gemäß den Ansprüchen 2 und 3 an den beiden parallelen magnetoresistiven, entgegengesetzt vormagnetisierten Schichtstreifenelementen eingestellt sind und vorzugsweise in einem Bereich zwischen deren Maxima für eine Messung des äußeren Magnetfelds genutzt werden, siehe Anspruch 4. Aus den Transfercharakteristiken der beiden abgesehen von der Vormagnetisierung gleichen Schichtstreifenele mente ergeben sich ohne zu erfassendes äußeres Magnetfeld gleiche Widerstände und somit eine Spannungsdifferenz zwischen den Schichtstreifenelementen von Null, abgesehen von einem bauelementetoleranz- und/oder temperaturbedingten Offset. Liegt aber ein äußeres Magnetfeld an von bis zu einem maximalen Wert von etwa 4 Oe, dann entsteht je nach Magnetfeldrichtung eine positive oder negative Spannungsdifferenz, da das eine Schichtstreifenelement auf einem aufsteigenden Ast wirkt und das andere Schichtstreifenelement auf einem absteigenden Ast. Beide Äste kreuzen sich bei dem äußeren Magnetfeld Null. Damit wird eine hohe Messempfindlichkeit erzielt. Wenn das äußere Magnetfeld parallel zu den Schichtstreifenelementen die Richtung ändert, d. h. in Gegenrichtung übergeht, ändert sich dementsprechend das Vorzeichen der Differenzspannung, welche somit eindeutig von der Richtung des äußeren Felds abhängt. Um den Nullpunkt der Differenzspannung bis in die Nähe jeweils eines der Maxima der Transfercharakteristiken verläuft die Abhängigkeit der Spannungsdifferenz von dem äußeren Feld parallel zur Schichtstreifenrichtung weitgehend linear.
Zu der obigen vorteilhaften Nutzung der Hystereseeigenschaften der magnetoresistiven Schichtstreifen zur Messung kleiner äußerer Magnetfelder, braucht gemäß Anspruch 5 die entgegengesetzt gleiche Remanenz der Schichtstreifenelemente nicht durch vorangehende Sättigungsmagnetisierung eingestellt zu sein, sondern es reicht hierzu eine geringere Vormagnetisierung aus. Der dementsprechend geringe Magnetisierungsstrom wirkt sich weiterhin dann besonders günstig aus, wenn zur an sich bekannten Beseitigung bzw. Minimierung eines Offset des Messsignals und damit zur Erhöhung der Messgenauigkeit, die Schichtstreifenelemente gemäß Anspruch 6 periodisch ummagnetisiert werden. Dazu genügen wegen des geringeren Strombedarfs wenig leistungsstarke Bauelemente der Magnetisierungs- bzw. Ummagnetisierungsmittel.
Auch besteht die Möglichkeit, gemäß Anspruch 7 Leiterbahnen für die Magnetisierung unter dem Magnetfeldsensor anzuordnen. Weil dünne Leiterbahnen der Magnetisierungsleiteranordnung und Zuleitungen zu dieser genügen, können die Abmessungen des Magnetfeldsensors verringert werden. Die Herstellung kann vereinfacht werden, insbesondere durch Sputtern der Magnetisierungsleiteranordnung und deren Zuleitungen in einem Schritt.
Eine Magnetisierung der Schichtstreifenelemente bis zur Sättigung kann jedoch ebenfalls erfolgen. Damit wird ein reproduzierbarer Ausgangszustand der Magnetisierung der Schichtstreifenelemente erzeugt, was insbesondere bei größeren äußeren Störfeldern wünschenswert sein kann.
Die hohen Widerstandsänderungseffekte von GMR-Sensoren können besonders vorteilhaft mit dem auf Hysterese beruhenden Messprinzip kombiniert gemäß Anspruch 8 genutzt werden. Unter GMR-Sensoren bzw. GMR-Elementen werden, wie oben erwähnt, solche verstanden, die alternierend magnetische und nicht magnetische Schichten aufweisen und bei denen der elektrische Widerstand von der relativen Magnetisierungsrichtung abhängt. Sie können zwei oder mehrere ferromagnetische Schichten mit jeweils einer zwischen diesen angeordneten Zwischenschicht aus nicht magnetischem Metall besitzen, wobei das Schichtsystem so aufgebaut ist, dass ohne äußeres Magnetfeld die Magnetisierung der einen ferromagnetischen Schicht antiparallel zu der anliegenden oder benachbarten ferromagnetischen Schicht ausgerichtet ist. Die benachbarten ferromagnetischen Schichten können beispielsweise aus Fe, Co, Ni oder Legierung hiervon bestehen. Eine GMR-Mehrfachschicht kann zwei oder mehrere Schichten aus Permalloy, und jeweils eine Zwischenschicht zwischen diesen aus Kupfer umfassen. Erfindungsgemäß bevorzugt sind gemäß Anspruch 9 in Mäander strukturier te GMR-Multilagen als Schichtstreifenelemente. Mit der Mäanderstruktur kann ein genügend hoher Widerstandswert erreicht werden. Aufgrund der hohen Formanisotropie der Mäanderstreifen ist dieses System besonders empfindlich auf Felder parallel zu den Schichtstreifen bzw. in deren Streifenrichtung, die gleich der Empfindlichkeitsrichtung ist.
Der gleichzeitig unterschiedliche Vormagnetisierungszustand von wenigstens zwei magnetoresistiven Schichtstreifenelementen mit Hystereseeigenschaften kann auch mit TMR-Elementen (tunnel magneto resistive elements) zur Messung schwacher Magnetfelder gemäß Anspruch 10 genutzt werden, vor allem für Anwendungen, die hochohmige Schichtstreifenelemente verlangen. Damit können bei kleineren Strömen ausreichende Spannungspegel und somit Messsignale erreicht werden.
Gemäß Anspruch 11 kann der Magnetfeldsensor, dessen Hystereseverhalten zur Bildung eines Messsignals genutzt wird, zusätzlich mit einem Kompensationsstromleiter an den Schichtstreifenelementen ausgestattet sein, der in einer Kompensationsschaltungsanordnung mit einem selbsttätig so groß eingeregelten Kompensationsstrom gespeist wird, dass das zu messende äußere Magnetfeld damit weitgehend kompensiert wird. Damit kann die Abhängigkeit des Kompensationsstroms von dem zu messenden äußeren magnetischen Feld linearisiert werden.
Die beiden jeweils entgegengesetzt gleich vormagnetisierten Schichtstreifenelemente, deren Hystereseverhalten zur Messung eines schwachen Magnetfelds genutzt wird, sind wenigstens in einer Halbbrücke und nach Anspruch 12 bevorzugt in einer Wheatstonebrücke angeordnet, mit der u. a. störende Temperatureffekte minimiert werden können. Ein solcher unerwünschter Temperatureffekt besteht bei einem GMR-Sensor in einer Wider standsabnahme mit sinkender Temperatur. In einer Wheatstonebrücke mit vier magnetoresistiven Schichtstreifenelementen als Brückenwiderstände ist die Magnetisierungsleiteranordnung insbesondere so an den Schichtstreifenelementen angeordnet, dass jeweils in der Brücke diagonal gegenüberliegende Schichtstreifenelemente in gleicher Schichtstreifenrichtung remanent vormagnetisiert werden und jeweils zwei in Reihe liegende Schichtstreifenelemente zwar ebenfalls parallel zur Schichtstreifenrichtung, jedoch zueinander entgegengesetzt remanent vormagnetisiert werden. Zu diesem Zweck kann ein durchgehender Leiterstreifen z. B. annähernd als unter den mäanderförmigen Schichtstreifenelementen angeordnete Acht geformt sein.
Für eine Messung der äußeren Magnetfeldrichtung weist ein Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 13 zwei der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoren auf, bei dem die Schichtstreifen um 90° gegenseitig gedreht sind und in einer Messschaltungsanordnung so angeordnet sind, dass ein Magnetfeldvektor in einer durch zwei Empfindlichkeitsrichtungen definierte Ebene erfasst wird, in der die beiden Schichtstreifen liegen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors wird im folgenden anhand einer Zeichnung mit zwei Figuren beschrieben, woraus sich weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben können. Es zeigen:
1 in schematischer Darstellung einen Magnetfeldsensor mit vier parallelen magnetoresistiven Schichtstreifenelementen, die in einer Wheatstonebrücke angeordnet sind, mit Strom- und Spannungskontakten zum Erzeugen eines Messsignals sowie einer Leiterbahn zum Erzeugen eines Magnetfeldes und
2 Transferkurven magnetoresistiver Schichtstreifenelemente von denen jeweils zwei räumlich parallel und elektrisch in der Wheatstonebrücke in Serie angeordnet sein können.
In 1 sind vier in Mäander strukturierte GMR-Multilagen, die magnetoresistive Schichtstreifenelemente 1, 2, 3, 4 darstellen, in einer allgemein mit 5 bezeichneten Wheatstonebrücke angeordnet. Die GMR-Multilagen können zusammen mit den an sie angeschlossenen bzw. benachbarten Leitern auf einem Substrat in Dünnschichttechnik ausgeführt sein. Die Wheatstonebrücke 5 weist Kontakte 6 und 7 zum Anschluss einer Versorgungsspannung bzw. bevorzugt eines eingeprägten Stroms auf, sowie Kontakte 8 und 9, welche Brückenabgriffe jeweils an einer Verbindungsstelle der in Reihe geschalteten Schichtstreifenelemente 1 und 3 bzw. Schichtstreifenelemente 2 und 4 bilden und von denen das Messsignal abgegriffen werden kann.
In räumlicher Nähe unter bzw. über den magnetoresistiven Schichtstreifenelementen 1–4 ist isoliert eine Magnetisierungsleiteranordnung 10 angeordnet, die einen Eingangskontakt 11 und einen Ausgangskontakt 12 für einen umkehrbar getakteten Magnetisierungsstrom aufweist.
Wie aus 1 ersichtlich, ist die Magnetisierungsleiteranordnung so annähernd in Form einer liegenden Acht ausgebildet, so dass beispielsweise ein Magnetisierungsstrom I unter den Schichtstreifenelementen 1 und 4 nach links fließt und unter den Schichtstreifenelementen 2 und 3 nach rechts. Damit werden die magnetoresistiven Schichtstreifenelemente 1 und 4 in Streifenrichtung S, die auch die Empfindlichkeitsrichtung ist, mit dem magnetischen Feld M1 bzw. M4 vormagnetisiert und die Schichtstreifenelemente 2 und 3 werden entgegen der Streifenrichtung S mit dem magnetischen Feld M2 bzw. M3 vormagnetisiert. Bei Richtungsänderung des Magnetisierungsstroms kehren sich natürlich die Richtungen der magnetischen Felder M1–M4 entsprechend um. Somit sind jeweils zwei in der Wheatstonebrücke in Reihe liegende magnetoresistive Schichtstreifenelemente 1 und 3 bzw. 2 und 4 durch den Magnetisierungsstrom I zueinander entgegengesetzt remanent magnetisiert, wenn ein äußeres Magnetfeld, das gemessen werden soll, auf die Schichtstreifenelemente 1–4 einwirkt.
In der Brückenschaltung wird das als Brückenspannung von den Kontakten 8 und 9 abgreifbare Messsignal im Prinzip als Differenz von Spannungen gebildet, die an zueinander entgegengesetzt parallel zu der Streifenrichtung S vormagnetisierten Schichtstreifen 1 und 3 bzw. 2 und 4 entstehen.
Hierzu wird im einzelnen auf 2 Bezug genommen, die Transferkurven 13, 14 des Widerstands gleicher magnetoresistiver Schichtstreifenelemente, aber in zueinander entgegengesetzten Vormagnetisierungszuständen bzw. Remanenz in Abhängigkeit von der Komponente des äußeren magnetischen Felds parallel zu den Schichtstreifenelementen darstellt. (Die Ordinaten sind als Widerstände angegeben, denen bei Konstantstrom die an den Schichtstreifenelementen entstehenden Spannungen entsprechen.)
Wie aus 2 ersichtlich, sind die beiden Transferkurven 13 und 14 hysteresebedingt zueinander um etwa 3–5 Oe versetzt, und sie weisen bezüglich jeweils eines Maximums zwei Äste auf. Die beiden symmetrisch zu dem Nullpunkt versetzten Transferkurven 13, 14 der entgegengesetzt vormagnetisierten beiden Schichtstreifenelemente zeigen ohne äußeres Feld H = 0 gleiche Widerstände bzw. Spannungen, die voneinander subtrahiert verschwinden, so dass ohne äußeres Feld das Messsignal Null ist. Mit einem äußeren Feld Hext, wiederum parallel zu der Streifenrichtung S in 1, wächst die Spannung an dem einen Schichtstreifenelement linear an und die Spannung an dem anderen, zu ihm in Reihe liegenden Schichtstreifenelement fällt linear ab, so dass entsprechend der Widerstandsdifferenz ΔR dieser beiden Schichtstreifenelemente ein Messsignal des Betrags ΔU entsteht, wenn ein Konstantstrom durch die Schichtstreifenelemente fließt. In dieser Weise kann als Differenz der Spannungen an zwei in Reihe liegenden Schichtstreifenelementen 1 und 3 bzw. 2 und 4 das Messsignal in dem Bereich zwischen den Maxima der Transferkurven 13, 14 gebildet werden.
Bemerkenswert für die obige Funktion der magnetoresistiven Schichtstreifenelemente mit Nutzung deren Hysterese ist, dass hierzu die magnetoresistiven Schichtstreifenelemente nicht in Sättigung magnetisiert zu werden brauchen, damit sie für die Messzwecke ausreichend remanent vormagnetisiert sind.
Aus der Anschauung der 2 ergibt sich auch, dass bei einer Umkehr des zu erfassenden äußeren magnetischen Felds das in der Wheatstonebrücke 5 gebildete Messsignal entsprechend der Differenz der Spannungen an zwei entgegengesetzt zueinander vormagnetisierten Schichtstreifenelementen 1, 3 bzw. 2, 4 das Vorzeichen ändert. Das Messsignal gibt also das Vorzeichen des äußeren Magnetfelds wieder.
Durch periodische Änderung der Vormagnetisierung mittels entsprechender Magnetisierungsstromimpulse wechselnder Vorzeichen kann ein Offset der Wheatstonebrücke für genaue Messungen minimiert werden, wobei, wie oben festgestellt, die GMR-Elemente als magnetoresistive Schichtstreifenelemente nicht vollständig in den Ein-Domänen-Zustand magnetisiert zu sein brauchen.

1: magnetoresistives Schichtstreifenelement
2: magnetoresistives Schichtstreifenelement
3: magnetoresistives Schichtstreifenelement
4: magnetoresistives Schichtstreifenelement
5: Wheatstonebrücke
6: Kontakt Versorgungsspannung
7: Kontakt Versorgungsspannung
8: Kontakt Brückenabgriff
9: Kontakt Brückenabgriff
10: Magnetisierungsleiteranordnung
11: Eingangskontakt für Magnetisierungsstrom
12: Ausgangskontakt für Magnetisierungsstrom
13: Transferkurve
14: Transferkurve

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0544579 B1 [0003]
- US 5247278 [0003]
- DE 4319146 A1 [0006]
- DE 3820475 C1 [0007]

Claims

Magnetfeldsensor zur Erfassung eines äußeren magnetischen Felds, insbesondere des Erdmagnetfelds, mit mindestens zwei parallelen magnetoresistiven Schichtstreifenelementen (1–4) mit Strom- und/oder Spannungskontakten (6–9) zum Erzeugen eines Messsignals, wobei die Schichtstreifenelemente (1–4) mit gleicher Spezifikation, jedoch jeweils parallel zu der Schichtstreifenrichtung (S) zueinander entgegengesetzt gleich remanent vormagnetisiert sind (M₁, M₂, M₃, M₄) und wobei Mittel zum Bilden des Messsignals (ΔU) aus der Differenz zwischen den an den beiden Schichtstreifenelementen (1, 3 bzw. 2, 4) gleichzeitig auftretenden Spannungen vorgesehen sind.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schichtstreifenelemente (1, 3 bzw. 2, 4) jeweils auf eine Transfercharakteristik zwischen der Feldstärke des äußeren Magnetfelds parallel zur Schichtstreifenrichtung (S) und dem Widerstand des Schichtstreifenelements (1, 3 bzw. 2, 4) mit jeweils einem Maximum bei einer von Null abweichenden Feldstärke des äußeren Magnetfelds eingestellt sind, derart, dass die Feldstärke, bei der das Maximum an einem ersten der beiden Schichtstreifenelemente (1 bzw. 3) auftritt, das umgekehrte Vorzei chen hat wie die Feldstärke, bei der das Maximum an einem zweiten der beiden Schichtelemente (2 bzw. 4) auftritt.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände der beiden Schichtstreifenelemente (1, 3 bzw. 2, 4) bei Abwesenheit eines äußeren Felds im Wesentlichen gleich sind.
Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbereich auf Feldstärken des äußeren Feldes kleiner als denjenigen begrenzt ist, denen die Maxima der Widerstände der Schichtstreifenelemente (1, 3 bzw. 2, 4) entsprechen.
Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine entgegengesetzte gleiche Remanenz der Schichtstreifenelemente (1–4) durch eine geringere Magnetisierung als die Sättigungsmagnetisierung eingestellt ist.
Magnetfeldsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zum Einstellen der entgegengesetzt gleichen remanenten Vormagnetisierung der beiden Schichtstreifenelemente und zur vorzugsweise periodischen Umkehr der Vormagnetisierung.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Einstellen der remanenten Vormagnetisierung eine an den Schichtstreifenelementen angeordnete Magnetisierungsleiteranordnung (10) umfassen.
Magnetfeldsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Schichtstreifenelement (1–4) ein GMR-Element mit einem Schichtsystem ist, das zwei oder mehrere über je eine nicht magnetische Zwischenschicht benachbarte ferromagnetische Schichten aufweist, und dass das Schichtsystem so aufgebaut ist, dass ohne äußeres Magnetfeld die eine der ferromagnetischen Schichten antiparallel zu der anderen, benachbarten ferromagnetischen Schicht ausgerichtet ist.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Schichtstreifenelement in Mäander strukturierte GMR-Multilagen umfasst.
Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1–7, gekennzeichnet durch TMR-Elemente als Schichtstreifenelemente (1–4).
Magnetfeldsensor nach einen der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an den Schichtstreifenelementen (1–4) außer der Magnetisierungsleiteranordnung, mit der jeweils zwei der Schichtstreifenelemente (1, 3 bzw. 2, 4) entgegengesetzt gleich vormagnetisierbar sind, ein Kompensationsstromleiter angeordnet ist.
Magnetfeldsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils entgegengesetzt gleich vormagnetisierten Schichtstreifenelemente (1, 3 bzw. 2, 4) in einer Wheatstonebrücke (5) angeordnet sind.
Magnetfeldsensorsystem mit zwei Magnetfeldsensoren nach einem der vorangehenden Ansprüche, in dem die Schichtstreifen um 90° gegenseitig gedreht sind und in einer Messschaltungsanordnung so angeordnet sind, dass ein Magnetfeldvektor in einer Ebene erfasst wird, in der die beiden Schichtstreifen liegen.