CN1229196A

CN1229196A - 用磁阻效应传感器件测量外部磁场方向的传感装置

Info

Publication number: CN1229196A
Application number: CN98124894A
Authority: CN
Inventors: 雨果·冯德伯格
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1997-09-24
Filing date: 1998-09-18
Publication date: 1999-09-22
Anticipated expiration: 2018-09-18
Also published as: EP0905523A3; JPH11194161A; EP0905523B1; US6313627B1; CN1200284C; DE59812241D1; EP0905523A2

Abstract

一种借助磁阻效应传感器件来测量外部磁场方向的传感装置,其具有一GMR－多层系统,该多层系统包括至少一个软磁测量层,至少一个较硬的偏磁层,以及至少一个位于其间的非磁性中间层。所述传感器件(E)内含有至少两个传感器部件(E₁,E₂),它们的多层系统是在一个共有的基片上构成的,其磁化方向(m₁,m₂)构成一个不等于0°或不等于180°的角度(α),并且其测量信号(△R1,△R2)被共同处理。

Description

用磁阻效应传感器件测量外部磁场方向的传感装置

本发明涉及一种传感装置，用于借助至少一个传感器件测量外部磁场的方向，所述传感器件具有一个能显示极大磁阻效应(GMR)的多层系统，该多层系统包括

-至少一个软磁测量层，

-至少一个具有预定磁化方向的相对较硬的偏磁层，以及

-至少一个位于其间的非磁性中间层，

这种传感装置公开在文献WO 94/17426中。

在铁磁性过渡金属如镍、铁或钴及其合金构成的层状物中，电阻与穿透材料的磁场的大小和方向有关。在这种层状物中产生的效应被称为“各向异性磁致电阻(AMR)”，或者“各向异性磁阻效应”。该效应的物理原理在于，具有不同自旋以及D波段自旋极性的电子有着不同的散射截面。其中的电子被称为基本电子和空穴电子。对于相应的磁阻传感器，通常是设有一由等高面被磁化的磁阻材料制成的薄层。相对于流经传感器的电流方向的磁化转动所引起的电阻变化可以达到正常各向同性(＝欧姆的)电阻的百分之几。

此外，磁阻型多层系统也是公知的，这是由若干层铁磁性材料层叠而成的结构，各层之间由金属的非磁性中间层相互隔开，并且其磁化最好处在层平面上。各层的厚度应当明显小于导电电子的平均自由路径长度。在这种多层系统中，除了上述各向异性磁阻效应AMR以外，还会出现所谓“大磁阻效应”或者“大磁致电阻(GMR)”(例如参见文献EP0483373A)。这种GMR效应的机理在于基本导电电子和空穴导电电子在铁磁层和相邻的中间层之间的界面上有不同强度的散射，以及在于这些层内部的散射效应。GMR效应是一种各向同性效应，它明显大于各向异性效应AMR。一般而言，如果GMR效应的数值明显高于AMR单层元件的数值，则就将其称为GMR效应(在室温下)。

在相应地显示出GMR效应的多层系统的第一种类型中，相邻的磁性层如果没有外界磁场会由于相互的耦合而产生反平行磁性取向。这种取向可以通过一个外部磁场过渡成平行取向。而在GMR多层系统的第二种类型中，有一层是所谓的偏磁层，它磁性地比一种已经存在的磁性尽可能软的测量层要硬。所述测量层和/或偏磁层可以是若干组，这些层组成一个叠置的组合层。但以下说明均是针对单层而言的。

测量层和偏置层在这种第二种多层系统中，通过非磁性中间层在磁性上相互隔开。没有外部磁场时，两种磁性层以某种方式相互磁化，例如以反平行方式。在外部磁场H_m(＝测量层的层平面上的测量磁场分量)的影响下，软磁性的测量层的磁化率M_m将根据磁场的方向取向，而磁性较硬的偏磁层的取向则实际上保持不变。其中在两层材料的磁化方向之间的夹角φ决定了该多层系统的电阻：在平行取向时，电阻较小，在反平行取向时，电阻较大。产生这种现象的原因是，数值H_m和M_m之间给出了一个明确的关系。在最简单的情况中有以下关系

M_m·H_m＝M_mH_m

(其中的向量数值用黑体表示，标量数值用普通体表示)。

这种GMR多层系统的磁阻信号ΔR通过下式得到：

ΔR＝Δ(1-cosφ)

从该式中可以看出φ＝φ_o和φ＝-φ_o的ΔR具有同样的值。这意味着角度φ只能明确地在180°的区间内。此外在θ＝0和θ＝π时，角度测量的灵敏度dΔR/dθ＝Δsinθ非常低，其中的θ代表外部磁场H_m方向和通过偏磁层磁化而确定的参考方向之间的夹角(参见上述WO文献)。

因此，本发明的任务在于，提供一种具有以上特征的传感装置，它具备360°的角度探测能力，而且能够避免出现灵敏度过低的问题。

本发明对以上的任务所提出的解决方案是，至少有一个传感器件内含有至少两个传感器部件，所述传感器件的多层系统是在一个共有的基片上构成的，所述传感器件的磁化方向构成一个不等于0°或不等于180°的角度，并且所述传感器件的测量信号被共同处理。

本发明的基本考虑是，利用两个最好是同样结构的传感器部件获得两个有待受共同对待或处理的传感部分信号，该信号可明确地区分0°-180°和180°-360°的范围。

本发明所述传感装置的有利结构是，所述传感器部件相互分离并通过一个共同的信号处理装置连在一起。一个传感器件的两个传感器部件的磁化方向所构成的角度在20°至160°之间，或者在200°至340°之间。所述磁化方向所构成的角度至少近似于(n·45°)±10°，其中n＝1，2，3，4，5，6或7。所述磁化方向所构成的角度至少近似于90°或270°。所述传感器部件具有相同的层状结构和相同的几何尺寸。每个传感器部件的测量层和/或偏磁层由一个组合层构成，该组合层是由若干层组成的。传感器部件的每个多层系统至少设有一个导电条，用于传输调节电流，从而在多层系统的至少一个偏磁层进行确定的磁化调节。若干个在电气上并联的导电条构成条形导电装置。

下面对照附图对本发明作进一步的说明。每个附图均为示意图。附图中：

图1为本发明传感装置的一单个传感器部件的剖视图，

图2为具有互补测量范围的两个传感器部件的俯视图及其所对应的测量信号曲线，

图3为一个传感器部件的特殊实施形式的俯视图，

图4为图3所示传感器部件磁化用导电条的几何形状的俯视图。

图中凡是相同的部分均采用相同的附图标记。

本发明所述传感装置包括至少一个传感器件，该器件至少由两个传感器部件组成，两者最好设置在一块采用薄膜技术制造的共用基片上。这种传感器部件的结构是公知的(例如参见文献EP0483373A或DE-A-4232244、4243357或4243358)。如图1所示，每个传感器部件E_j均包括一个设置在基片2上的、对于GMR器件是典型的多层系统S。这种多层系统的最下层最好是一个硬磁层3，其上面设置一层作为耦合层的中间层4，在该中间层上面还有一层铁磁性或铁氧体磁性层5。该层5构成一个偏磁层，其层平面上具有在测量范围内至少是近似恒定的磁化方向。特别是作为抗铁磁性耦合的层3至5构成了一个所谓的偏磁层组P。也可以用由一铁磁性层和一直接接触的抗铁磁性层或者一个唯一的偏磁层组成的一个磁性相对较硬的系统代替该偏磁层组。根据所示的实施例，所述层组P通过一层非磁性的中间层6相对于对磁场敏感的、磁性尽可能软的测量层7磁性上至少基本去耦。在测量层上设有图中并没有示出的用于引导预定电流流经传感器部件的接线触点。多层系统S的这种结构上还可以设置一层保护层。图中至少对于待测(外部)测量磁场H_m的方向用箭头线示出。

这种GMR传感器部件E_j的电阻因而取决于测量层7相对于偏磁层组P的相对磁化方向。其电阻的改变可用于确定一个作用磁场的方向，例如转动位置或绝对位置(例如参见文献WO 94/17426)。这种电阻的变化确定了磁阻效应的大小ΔR_r。该大小ΔR_r是通过以下公式定义的：

ΔR_r＝[R(↑↓)]-R(↑↑)]/R(↑↑)

由于GMR传感器件对磁场方向敏感，磁阻效应的大小ΔR_r表示测量层相对于偏磁层或相应的偏磁层组的反平行和平行磁化方向之间的电阻差别。在以上所列公式中，测量层和偏磁层的磁化方向是通过箭头表示的。一般而言，如果磁阻效应值ΔR_r至少为2％(在室温下)，便可以将其称为GMR效应。

具有大磁阻效应的传感器部件E_j的层状结构最好采用所谓的多层系统。这种系统的特征是，除了上述多层系统外，还包括其他的层或层组，必要时还包括一叠周期性重复的层组(例如参见文献DE 4243358A)。

在图2中表示的是两个具有圆形截面的传感器部件E₁和E₂。该传感器部件共同构成了本发明所述传感装置的一个传感器件E。这种传感装置可以包括若干个上述器件，它们例如能连接构成电桥电路。每个传感器部件的偏磁层的磁化方向均统一地指向共用基片2的平面，并且用m₁和m₂表示。所述磁化方向对每个传感器部件确定一个参考方向，相对于该参考方向可测量出一个外部磁场H_m作用在测量层平面上的分量的定向角。如图所示，每个属于一个传感器件的传感器部件E₁和E₂的参考线或相应的偏磁层磁化方向相互构成一个夹角α，按照本发明，该夹角不等于0°也不等于180°。一般而言，该夹角根据本发明至少近似于按照α＝(n·45°)，其中n＝1，2，3，4，5，6或7，其偏差为±10°。在图2所示实施例中的夹角α特别有利地至少近似于90°。在这种情况下可从所对应的曲线图中得到与定向角θ相关的电阻变量ΔR1和ΔR2。在同时观察该图时可立即发现，人们能够没有分辨率损耗地明确地在从0到360°的整个角度范围内确定角度θ。为此需要使用图中没有表示的测量信号处理装置。该处理装置分别与传感器部件E₁和E₂连接。

图3表示的是一个本发明所述传感装置的传感器件的一个传感器部件E_j，它本身是一个公知的实施例(例如参见文献DE 19507303A)。该传感器部件由多个沿电流I流动方向纵向延伸的条状分段e_a组成。如图3所示，它包括5个分段，每个分段都有一个预定的长度L_a和一个预定的宽度B_a，并且相互平行构成了宽度为w的间隔空间。所述分段通过接触桥k沿电流方向曲折地串联在一起。所述接触桥是通过以下方式实现的，不仅分段e_a而且接触桥均通过相应的结构化，例如通过电子印制板方法用一块共同的平面层状结构加工而成。在图中还表示出传感器部件E_j的非磁性导流条9以及各个分段的偏磁层的磁化方向或参考方向m_a。

图3所示实施例的优点一方面在于所期望的阻抗可达若干kΩ水平。另一方面在于，通过预定的几何形状以及通过测量层内一突出的择优磁化方向可产生一各向同性的磁化特性。所示几何形状的另一优点是，该条形的几何形状对于偏磁层内的磁化稳定性有好处。

在本发明所述传感装置的传感器件中，各个传感器部件的偏磁层或偏磁层组必须在狭窄的空间内具有不同的磁化方向。所以最好采用文献DE19520172、19520178或19520206所公开的磁化装置。在这种磁化装置中，为产生磁化作用，利用了导电条内流过的电流所产生的磁场，所述导电条位于各个传感器部件的上面。而且导电条或者直接地或者以绝缘方式设置在各个多层系统的上面，并且与该多层系统相连或与该多层系统分离但定位在其上方。导电条的一种可能的实施形式显示在图4中。其中的出发点是，有两个相同的平行延伸的传感器件E和E′分别由4个相互串联在一起的传感器部件E₁至E₄以及E₁′至E₄′组成。每个传感器部件的结构均和图3所示的实施形式相同。每两个相互串联在一起的传感器部件具有一个垂直相对的磁化方向，如图2所示。在图中只能看到条形导电装置10和10′，它们将传感器件的各传感器部件E₁至E₄或E₁′至E₄′的多层系统覆盖。条形导电装置10或10′在各个传感器部件的范围内具有导电条10a或10a′，它们分别位于所对应的传感器部件的分段e_a的上面。传感器部件的范围内的导电条10a或10a′是并联连接的。经条形导电装置传输的调整电流用于产生相应的调整磁场，该电流用I_e表示。

例如通过在一较大的平面上开缝隙得到的各导电条的这样一种并联布置，也有利地适用于其它具有较大表面的传感器部件或传感器件。由此可保证在弯折的导流方向上(参见图4)，电流位于各个导电条的方向内，并不会被导向与其倾斜的方向。所以可以相应精确地确定磁化方向。

Claims

1.一种借助至少一个传感器件测量外部磁场的方向的传感装置，所述传感器件具有一个能显示极大磁阻效应(GMR)的多层系统，该多层系统包括

-至少一个软磁测量层，

-至少一个具有预定磁化方向的相对较硬的偏磁层，以及

-至少一个位于其间的非磁性中间层，

其特征在于，至少有一个传感器件(E，E′)内含有至少两个传感器部件(E_j，E₁至E₄，E₁′至E₄′)，

-所述传感器部件的多层系统(S)是在一个共有的基片(2)上构成的，

-所述传感器部件的磁化方向(m₁至m₄)构成一个不等于0°或不等于180°的角度(α)，并且

-所述传感器部件的测量信号(ΔR1，ΔR2)被共同处理。

2.如权利要求1所述的传感装置，其特征在于，所述传感器部件相互分离并通过一个共同的信号处理装置连在一起。

3.如权利要求1或2所述的传感装置，其特征在于，一个传感器件的两个传感器部件的磁化方向(m₁至m₄)所构成的角度(α)在20°至160°之间，或者在200°至340°之间。

4.如权利要求3所述的传感装置，其特征在于，所述磁化方向(m₁至m₄)所构成的角度(α)至少近似于(n·45°)±10°，其中n＝1，2，3，4，5，6或7。

5.如权利要求4所述的传感装置，其特征在于，所述磁化方向(m₁，m₂)所构成的角度(α)至少近似于90°或270°。

6.如权利要求1至5中任一项所述的传感装置，其特征在于，所述传感器部件(E_j)具有相同的层状结构和相同的几何形状及尺寸。

7.如权利要求1至6中任一项所述的传感装置，其特征在于，每个传感器部件(E_j)的测量层(7)和/或偏磁层由一个组合层构成，该组合层由多层组成。

8.如权利要求1至7中任一项所述的传感装置，其特征在于，各传感器部件(E_j)的每个多层系统(S)至少设有一个导电条(10a)，用于导引调节电流(I_e)，从而在多层系统的至少一个偏磁层内进行确定的磁化调节。

9.如权利要求1至8中任一项所述的传感装置，其特征在于，多个电气并联的导电条(10a)构成一条形导电装置(10，10′)。