DE102021201042B3

DE102021201042B3 - Magnetfeldsensorvorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Magnetfeldsensorvorrichtung

Info

Publication number: DE102021201042B3
Application number: DE102021201042.3A
Authority: DE
Inventors: Stefan Tibus; Werner Schiemann; Robert Peter Uhlig; Joachim Nagel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-02-04
Filing date: 2021-02-04
Publication date: 2022-01-27
Anticipated expiration: 2041-02-05
Also published as: JP2022119745A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Magnetfeldsensorvorrichtung mit vier zu einer Wheatstone-Brückenschaltung verschalteten Widerstandselementen, wobei jedes Widerstandselement mindestens ein magnetischer-Tunnelwiderstand, TMR,-Element aufweist, wobei jedes TMR-Element eine elektrisch leitfähige fixierte Lage, eine elektrisch leitfähige freie Lage und eine die fixierte Lage und die freie Lage trennende elektrisch isolierende Tunnelbarriere aufweist, wobei die freie Lage eine anisotrope geometrische Form aufweist. Eine Erregereinrichtung erzeugt ein magnetisches Wechselfeld. Eine Kompensationseinrichtung erzeugt ein magnetisches Gleichfeld. Eine Messeinrichtung gibt in Abhängigkeit von einer Brückenspannung der Wheatstone-Brückenschaltung ein Messsignal aus. Eine Regeleinrichtung erzeugt anhand des von der Messeinrichtung ausgegebenen Messsignals ein Steuersignal, um die Kompensationseinrichtung derart anzusteuern, dass ein Gleichanteil des Messsignals auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird. Eine Auswerteeinrichtung ermittelt anhand des Erregerstroms und des von der Messeinrichtung ausgegebenen Messsignals eine Stärke eines externen Magnetfeldes.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Magnetfeldsensorvorrichtung sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Magnetfeldsensorvorrichtung.
Stand der Technik
Mit zunehmender Elektrifizierung kommt der Strommessung im Fahrzeug eine immer höhere Bedeutung zu. Bei einem bekannten Messverfahren wird ein Messshunt verwendet, um anhand des Spannungsabfalles den durch den Messshunt fließenden Strom zu messen. Problematisch ist dabei, dass häufig eine galvanische Trennung von Messkreis und Auswertekreis erforderlich ist, welche bei diesem Messverfahren nicht gegeben ist und mithilfe zusätzlicher elektronischer Komponenten aufgebaut werden muss.
Zunehmend werden daher berührungslose Systeme verwendet, die z.B. anhand des Magnetfeldes den Strom ermitteln, welcher das Magnetfeld erzeugt. Aus der US 2016 / 0 320 459 A1 ist ein Magnetfeldsensor mit verbesserter Linearität bekannt. Die EP 1 450 176 A1 offenbart einen Magnetfeldsensor mit einer Magnetfeldmesszelle und einer magnetischen Abschirmung, die mindestens zwei durch einen Luftspalt getrennte Teile aufweist und die in einem Hohlraum der magnetischen Abschirmung angeordnete Magnetfeldmesszelle umgibt. Weiter ist aus der EP 2 423 693 B1 ein Ringkern-Stromwandler bekannt, wobei ein dielektrischer Körper durch komplementäre Verriegelungselemente, die auf dem dielektrischen Körper und einem Gehäuse vorgesehen sind, am Gehäuse verriegelt werden kann.
Induktive, nach dem Transformatorprinzip betriebene Systeme eignen sich nicht zur Erfassung des Gleichstromanteils. Für die berührungslose Strommessung gibt es verschiedene Ansätze. So kann z.B. zwischen linearen Verfahren und dem Fluxgate-Prinzip unterschieden werden.
Lineare Verfahren basieren auf einem linearen Verhalten eines Stromsensors über einen definierten Messbereich hinweg. Die Messgröße wird über eine im Wesentlichen lineare Funktion in eine elektrisch erfassbare Größe, wie z.B. eine Spannung transformiert.
Das Fluxgate-Prinzip hingegen nutzt gezielt das nichtlineare Verhalten des magnetischen Materials eines Sensors, um die notwendige Sättigungsmagnetisierung des Sensorelements zu bestimmen. Diese ändert sich abhängig von einem äußeren Magnetfeld und verschiebt die Mittelpunktlage. Dabei entspricht die Mittelpunktlage einer Differenz der Amplituden, die für die Sättigung mit einem negativ orientierten Magnetfeld und einem positiv orientierten Magnetfeld erforderlich sind.
Wird ein oszillierendes Referenzfeld erzeugt, welches das magnetische Material bei unterschiedlicher Magnetfeldorientierung periodisch in Sättigung bringt, kann diese Mittelpunktverschiebung ermittelt werden und daraus auf das äußere, zu messende Magnetfeld geschlossen werden.
Zur berührungslosen Strommessung können Sensoren zum Einsatz kommen, welche z.B. auf dem anisotropen magnetoresistiven Effekt (AMR-Effekt), dem Riesenmagnetwiderstands-Effekt (GMR-Effekt) oder dem magnetischen-Tunnelwiderstand-Effekt (englisch: tunnel magnetoresistance, TMR-Effekt) basieren. Diese Sensoren werden für lineare Anwendungen meistens in Messbrückenanwendungen verwendet. Es gibt hierbei Bemühungen, die lineare Kennlinie dieses Sensortyps zu verbessern.
Die Ummagnetisierung von ferromagnetischen Kernen innerhalb eines Magnetkerns hinsichtlich des Fluxgate-Prinzips kann mit Sensoren detektiert werden. Dabei kann ein Magnetkreis verwendet werden, der aus Erregerspulen und einem ferromagnetischen Kern besteht. Als Sensor dient entweder eine Empfängerspule oder ein linearer Magnetfeldsensor. Auch die gleichzeitige Nutzung einer einzelnen um den Magnetkern gewickelten Spule als Erreger und Empfänger kann vorgesehen sein. Weiter kann mithilfe einer Kompensationsspule das externe Magnetfeld kompensiert werden und somit die Mittelpunktlage korrigiert werden. Der notwendige Kompensationsstrom ist dann das Maß für das externe Magnetfeld.
Aus der Schrift US 2018/0 191 282 A1 ist eine Magnetfeldsensorvorrichtung bekannt, bei der der magnetische Tunnelwiderstands-Effekt (TMR) an zwei Magnetsensorelementen verwendet wird. Weitere Anwendungen des TMR-Effekts sind aus den Schriften US 2016 / 0 320 462 A1 EP 2 284 553 A1 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt eine Magnetfeldsensorvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Magnetfeldsensorvorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereit. Darüber hinaus beansprucht die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der beschriebenen Magnetfeldsensorvorrichtung.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach eine Magnetfeldsensorvorrichtung mit vier zu einer Wheatstone-Brückenschaltung verschalteten Widerstandselementen, wobei jedes Widerstandselement mindestens ein magnetischer-Tunnelwiderstand-Element (TMR-Element) aufweist, wobei jedes TMR-Element eine elektrisch leitfähige magnetisch fixierte Lage (engl. fixed layer), eine elektrisch leitfähige magnetisch freie Lage (engl. free layer) und eine die fixierte Lage und die freie Lage trennende elektrisch isolierende Tunnelbarriere aufweist und wobei die freie Lage eine anisotrope geometrische Form aufweist. Die Magnetfeldsensorvorrichtung umfasst weiter eine Erregereinrichtung mit mindestens einer Magnetfeldeinrichtung, wobei die Erregereinrichtung dazu ausgebildet ist, durch Bestromen der mindestens einen Magnetfeldeinrichtung mit einem Erregerstrom für jedes Widerstandselement ein auf das Widerstandselement einwirkendes magnetisches Wechselfeld zu erzeugen. Weiter umfasst die Magnetfeldsensorvorrichtung eine Kompensationseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, für jedes Widerstandselement ein auf das Widerstandselement einwirkendes magnetisches Gleichfeld zu erzeugen. Die Magnetfeldsensorvorrichtung umfasst eine Messeinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einer Brückenspannung der Wheatstone-Brückenschaltung ein Messsignal auszugeben. Weiter umfasst die Magnetfeldsensorvorrichtung eine Regeleinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, anhand des von der Messeinrichtung ausgegebenen Messsignals ein Steuersignal zu erzeugen, um die Kompensationseinrichtung derart anzusteuern, dass ein Gleichanteil des Messsignals auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird. Schließlich umfasst die Magnetfeldsensorvorrichtung eine Auswerteeinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, anhand des Erregerstroms und des von der Messeinrichtung ausgegebenen Messsignals eine Stärke eines externen Magnetfeldes zu ermitteln.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Magnetfeldsensorvorrichtung, wobei zumindest die Erregereinrichtung und die Kompensationseinrichtung mittels eines Dünnschichtverfahrens hergestellt werden.
Vorteile der Erfindung
Das Fluxgate-Verfahren erfordert unter anderem den Einsatz eines magnetfeldsensitiven Materials (ferromagnetischer Kern) mit nichtlinearer B-H-Kennlinie. Dadurch wird typischerweise der Bauraum erhöht und dessen Größe und Lage können das Magnetfeld beeinflussen. Die erfindungsgemäße Magnetfeldsensorvorrichtung ist derart ausgestaltet, dass die Sensorelemente eine geometrische Anisotropie aufweisen, um die erforderliche Nichtlinearität der Sensorausgangskennlinie zu erzeugen. Durch die Integration der Funktionalität des magnetfeldsensitiven Materials in die Sensorelemente kann Bauraum eingespart werden.
Eine der Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht in der Ausnutzung der geometrisch erzeugten Nichtlinearität von Magnetfeldsensoren auf Basis von Tunnelmagnetwiderständen, um eine hochgenaue lineare Magnetfeldsensorvorrichtung bereitzustellen. Die nichtlinearen TMR-Elemente werden hierzu in einer Wheatstone-Messbrücke verschaltet.
TMR-basierte Sensoren bieten Vorteile in Bezug auf die erreichbaren Messfrequenzen, weshalb sie sich besonders für den Einsatz im Fluxgate-Prinzip eignen. Die periodische Umschaltung der beiden Arbeitspunkte mit hoher Frequenz stellt gewisse Anforderungen an die Erregereinrichtung, da etwa die benötigten Spannungen bei Verwendung einer Erregerspule maßgeblich von der Induktivität der Erregerspule abhängen. Damit lassen sich auch hohe Messbandbreiten bei hoher Genauigkeit erreichen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Magnetfeldsensorvorrichtung ist die freie Lage symmetrisch bezüglich zweier Hauptachsen ausgebildet, wobei sich eine Ausdehnung der freien Lage entlang der Hauptachsen für die beiden Hauptachsen unterscheidet. Die Hauptachsen legen die Hauptmagnetisierungsrichtungen und damit die Arbeitspunkte der Magnetfeldsensorvorrichtung fest.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Magnetfeldsensorvorrichtung ist die freie Lage oval, rechteckig, rautenförmig oder linsenförmig geformt. Die freie Lage weist somit insbesondere vorzugsweise zwei Symmetrieachsen bzw. Hauptachsen auf.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Magnetfeldsensorvorrichtung weist die Magnetfeldeinrichtung mindestens eine Spule oder mindestens einen elektrischen Leiter auf, wobei die Erregereinrichtung dazu ausgebildet ist, die mindestens eine Spule oder den mindestens einen elektrischen Leiter mit dem Erregerstrom zu bestromen, um das magnetische Wechselfeld zu erzeugen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Magnetfeldsensorvorrichtung verläuft die mindestens eine Spule oder der mindestens eine elektrische Leiter quer zur Magnetisierungsrichtung der freien Lage des mindestens einen TMR-Elements.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Magnetfeldsensorvorrichtung umfasst die Erregereinrichtung die Kompensationseinrichtung, wobei ein Wechselanteil des Erregerstroms das magnetische Wechselfeld erzeugt und wobei ein Gleichanteil des Erregerstroms das magnetische Gleichfeld erzeugt. Dadurch ist ein besonders kompakter Aufbau möglich.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Magnetfeldsensorvorrichtung weist jedes Widerstandselement eine Vielzahl von parallel und/oder in Reihe geschalteten TMR-Elementen auf. Dadurch können die Empfindlichkeit und der effektive elektrische Widerstand der Magnetfeldsensorvorrichtung eingestellt werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Magnetfeldsensorvorrichtung ist die Regeleinrichtung dazu ausgebildet, die Kompensationseinrichtung derart anzusteuern, dass das Messsignal im Wesentlichen symmetrisch um eine Brückenspannung von null Volt verläuft. Die Auswerteeinrichtung kann ermitteln, bei welchem Erregerstrom die Wheatstone-Messbrücke den Arbeitspunkt wechselt. Etwa anhand einer Look-up-Tabelle oder der Berechnung über eine Kalibrationsfunktion kann die Auswerteeinrichtung die Stärke des externen Magnetfelds ermitteln.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Magnetfeldsensorvorrichtung ist die Auswerteeinrichtung weiter dazu ausgebildet, anhand der ermittelten Stärke des externen Magnetfelds eine Stromstärke eines das Magnetfeld erzeugenden Stromes zu bestimmen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Magnetfeldsensorvorrichtung sind die Erregereinrichtung und die Kompensationseinrichtung mittels Dünnschichtverfahren hergestellt. Durch die Realisierung der Erreger- und Kompensationseinrichtung im Dünnschichtverfahren kann der Stromverbrauch reduziert werden, da durch geringere Abstände ein kleinerer Strom ausreichend ist, um Felder mit entsprechender Amplitude zu erzeugen. Weiter können vorzugsweise auch die TMR-Elemente mittels Dünnschichtverfahren hergestellt sein.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Magnetfeldsensorvorrichtung ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet, zur Bestimmung des Magnetfelds zu ermitteln, bei welchem Erregerstrom die Wheatstone-Brückenschaltung ihren Arbeitspunkt wechselt. Wirkt ein externes Magnetfeld auf die Wheatstone-Brückenschaltung ein, verändert sich der notwendige Erregerstrom für den Arbeitspunktwechsel. Anhand des Erregerstroms kann die Auswerteeinrichtung somit die Magnetfeldstärke des externen Magnetfelds ermitteln.
Figurenliste
Es zeigen:

1 einen schematischen Aufbau einer Magnetfeldsensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einem ersten Zustand;
2 einen schematischen Aufbau der Magnetfeldsensorvorrichtung in einem zweiten Zustand;
3 verschiedene geometrische Ausgestaltungen der freien Lage der TMR-Elemente;
4 schematische Illustrationen zur Erläuterung der Magnetisierung in der freien Lage;
5 eine schematische Darstellung eines TMR-Elements;
6 eine Abhängigkeit des Widerstands von einem Winkel zwischen den Magnetisierungsrichtungen der freien Lage und der fixierten Lage eines TMR-Elements;
7 eine schematische Darstellung eines TMR-Elements mit einer Magnetfeldeinrichtung;
8 eine schematische Darstellung einer Ausgangskennlinie einer Wheatstone-Brücke einer erfindungsgemäßen Magnetfeldsensorvorrichtung; und
9 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Magnetfeldsensorvorrichtung.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll im Allgemeinen keine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt einen schematische Aufbau einer Magnetfeldsensorvorrichtung 10. Eine Wheatstone-Brückenschaltung umfasst vier Widerstandselemente R1 bis R4. Jedes Widerstandselement R1 bis R4 besteht aus einem TMR-Element bzw. einer TMR-Zelle 11 bis 14 mit einer fixierten Lage 71, einer freien Lage 72 und einer (nicht gezeigten) Tunnelbarriere. Die freie Lage 72 weist eine anisotrope geometrische Form auf, in 1 eine ovale Form.
Die Magnetfeldsensorvorrichtung 10 umfasst weiter eine Erregereinrichtung 2 mit einer Magnetfeldeinrichtung. Die Magnetfeldeinrichtung kann als Spule oder als ein elektrischer Leiter oder eine Vielzahl von elektrischen Leitern ausgebildet sein, und ist unterhalb oder oberhalb der Widerstandselemente R1 bis R4 angeordnet. Wenn ein Strom durch die Spule oder die elektrischen Leiter fließt, wird ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, welches auf die Widerstandselemente R1 bis R4 einwirkt. Die elektrischen Leiter können beispielsweise mittels Dünnschichtverfahren hergestellt sein.
Weiter umfasst die Magnetfeldsensorvorrichtung 10 eine Kompensationseinrichtung 3, welche dazu ausgebildet ist, für jedes Widerstandselement R1 bis R4 ein auf das Widerstandselement einwirkendes magnetisches Gleichfeld zu erzeugen. Die Kompensationseinrichtung 3 und die Erregereinrichtung 2 können auch durch dieselben Bauteile implementiert sein. So kann etwa eine Spule oder ein einzelner elektrischer Leiter oder eine Vielzahl von parallelen elektrischen Leitern vorgesehen sein, welche unterhalb oder oberhalb der TMR-Elemente 11 bis 14 verlaufen, wobei ein Wechselanteil des durch die Spule bzw. die elektrischen Leiter fließenden Erregerstroms das magnetische Wechselfeld erzeugt und wobei ein Gleichanteil des Erregerstroms das magnetische Gleichfeld erzeugt.
Die Magnetfeldsensorvorrichtung 10 umfasst weiter eine Messeinrichtung 4, welche eine Brückenspannung V_DD der Wheatstone-Brückenschaltung misst und ein entsprechendes Messsignal ausgibt.
Weiter umfasst die Magnetfeldsensorvorrichtung 10 eine Regeleinrichtung 5, welche das Messsignal von der Messeinrichtung 4 empfängt und anhand des Messsignals ein Steuersignal erzeugt. Mit dem Steuersignal wird die Kompensationseinrichtung 3 gesteuert. Die Regeleinrichtung 5 erzeugt das Steuersignal derart, dass der Gleichanteil des Messsignals auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Messsignal im Wesentlichen auf einen symmetrischen Verlauf um eine Brückenspannung von null Volt geregelt wird.
Schließlich umfasst die Magnetfeldsensorvorrichtung 10 eine Auswerteeinrichtung 6, welche anhand des von der Erregereinrichtung 2 angelegten Erregerstroms und des von der Messeinrichtung 4 ausgegebenen Messsignals eine Stärke eines externen Magnetfeldes ermittelt.
Die Auswerteeinrichtung 6 ermittelt zur Bestimmung des Magnetfelds denjenigen Erregerstrom, bei dem die Wheatstone-Brückenschaltung ihren Arbeitspunkt wechselt. Wirkt ein externes Magnetfeld auf die Wheatstone-Brückenschaltung ein, verändert sich der notwendige Erregerstrom für den Arbeitspunktwechsel.
Wie in 1 gezeigt, schließen eine Magnetisierung der fixierten Lage 71 sowie eine Magnetisierungsrichtung der freien Lage 72 einen Winkel ein. Jeweils zwei der TMR-Elemente 11, 14 weisen eine erste freie Magnetisierungsrichtung auf, während die beiden weiteren TMR-Elemente 12, 13 eine bezüglich der Magnetisierung der freien Lage 72 gespiegelte zweite freie Magnetisierungsrichtung aufweisen. Die Magnetisierung der freien Lage 72 der TMR-Elemente 11 bis 14 ist für die beiden Arbeitspunkte entlang der Magnetisierungsrichtung positiv oder negativ, d. h. um 180 Grad versetzt ausgerichtet. Die tatsächlich auftretende Magnetisierung hängt von dem magnetischen Wechselfeld der Erregereinrichtung 2 und dem magnetischen Gleichfeld der Kompensationsvorrichtung 3 sowie fehlerhaften Abweichungen im Steuersignal vom idealen Steuersignal, das für die Kompensation des externen Magnetfelds notwendig wäre, der Regeleinrichtung 6 ab.
In dem in 1 gezeigten Zustand (erster Arbeitspunkt) zeigt die Magnetisierung der TMR-Elemente 11 bis 14 jeweils in eine erste Richtung. Durch die Ausrichtung der TMR-Elemente 11 bis 14 ergibt sich eine Sensierrichtung x. Die Magnetfeldsensoreinrichtung 10 ermöglicht es, die Magnetfeldstärke eines äußeren Magnetfeldes entlang der Sensierrichtung x zu bestimmen.
In 2 ist ein weiterer Zustand (zweiter Arbeitspunkt) der Magnetfeldsensorvorrichtung 10 illustriert. Hierbei zeigt die Magnetisierung der TMR-Elemente 11 bis 14 jeweils in die der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung.
Die Erfindung ist nicht auf die gezeigte Ausführungsform beschränkt. Insbesondere kann jedes Widerstandselement R1 bis R4 aus einer Vielzahl von in Reihe und/oder parallel geschalteten TMR-Elementen 11 bis 14 aufgebaut sein.
3 zeigt verschiedene mögliche geometrische Ausgestaltungen der freien Lage 72 der TMR-Elemente 11 bis 14. Von links nach rechts kann die freie Lage eine ovale freie Lage 72a, eine rechteckige freie Lage 72b, eine rautenförmig freie Lage 72c oder eine linsenförmige freie Lage 72d sein.
4 zeigt schematische Illustrationen zur Erläuterung der Magnetisierung in der freien Lage 72. Gezeigt ist eine Achse A, welche eine Symmetrieachse bzw. Hauptachse der freien Lage 72 ist. Links unten ist eine erste Ausrichtung der Magnetisierung der freien Lage 72 illustriert und rechts unten eine zweite Ausrichtung in einer entgegengesetzten Richtung. Zwischen diesen Magnetisierungsrichtungen der freien Lage 72 wird aufgrund des angelegten magnetischen Wechselfeldes periodisch gewechselt.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines TMR-Elements mit einer magnetischen fixierten Lage 71, welche entlang einer ersten Richtung magnetisiert ist, sowie der magnetischen freien Lage 72, welche in positiver oder negativer Richtung entlang einer zweiten Richtung magnetisiert ist, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung einen Winkel φ einschließen.
Die fixierte Lage 71 weist eine im Wesentlichen feste Magnetisierung auf, welche nicht oder nur schwach von einem externen Magnetfeld abhängig ist. Die fixierte Lage 71 und die freie Lage 72 sind durch eine elektrisch nicht leitfähige Barriere, die auch Sperrschicht oder Tunnelbarriere genannt wird, getrennt. Die Fixierte Lage 71 ist magnetisch in einer Vorzugsrichtung eingestellt, während die freie Lage 72 magnetisch weitestgehend frei ist. Der Winkel φ zwischen den Magnetisierungsrichtungen der beiden magnetischen Schichten bestimmt den resultierenden ohmschen Widerstand des Tunnelmagnetwiderstands. Abhängig vom wirkenden Magnetfeld ändert sich dieser Winkel φ und damit der Widerstand, sodass die Auswerteeinrichtung 6 die Magnetfeldstärke des externen Magnetfeldes bestimmen kann.
6 zeigt eine Abhängigkeit des Widerstands R von dem Winkel φ zwischen den Magnetisierungsrichtungen der freien Lage und der fixierten Lage eines TMR-Elements. Ein Winkel φ von 0 Grad entspricht einer parallelen Ausrichtung der Magnetisierungsrichtungen mit einem ersten Widerstandswert RTT. Mit größer werdendem Winkel φ steigt der Widerstandswert über einen Widerstandswert R0 bis zu einem Maximalwert R↑↓, bei einem Winkel von 180 Grad an, entsprechend einer antiparallelen Ausrichtung.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines TMR-Elements mit einer Magnetfeldeinrichtung 21. Illustriert sind die fixierte Lage 71, die freie Lage 72 sowie parallel verlaufende elektrische Leiter, welche die Magnetfeldeinrichtung 21 bilden, und von einem Strom i durchflossen sind. Der Strom erzeugt ein magnetisches Wechselfeld und/oder Gleichfeld, welches auf die Magnetisierung der freien Lage 72 einwirkt.
Um einen festen magnetischen Referenzpunkt einzustellen, wird gezielt eine geometrische Anisotropie der freien Lage 72 durch ein Aspektverhältnis ungleich 1 zwischen Länge und Breite einer im Wesentlichen in der Ebene ausgebildeten Struktur eingestellt. Bei Wegfall eines zusätzlichen Magnetfeldes richtet sich die freie Lage 72 entlang der durch die Anisotropie vorgegebenen Vorzugsachse aus. Da die Anisotropie lediglich eine Richtung vorgibt, stellen sich zwei stabile Arbeitspunkte ein, die jeweils um 180° zueinander verdreht sind.
Die Stabilität eines einzelnen TMR-Elements 11 bis 14, d.h. die Amplitude des Magnetfelds, welches notwendig ist, um den jeweils anderen Arbeitspunkt anzufahren, lässt sich über das Aspektverhältnis einstellen. Eine lange, aber schmale freie Lage 72 weist eine höhere Stabilität auf als eine freie Lage 72, welche in beiden Raumrichtungen annähernd gleiche geometrische Abmessungen besitzt.
Wird mithilfe der Magnetfeldeinrichtung 21 ein Magnetfeld erzeugt, das stark genug ist, periodisch zwischen den beiden Arbeitspunkten der TMR-Elemente 11 bis 14 hin- und herzuwechseln, kann bei entsprechender Ausgestaltung der Wheatstone-Brückenschaltung über die sich einstellende Brückenausgangsspannung und der Kenntnis des für das Erreichen der beiden Arbeitspunkte notwendigen Erregerstroms das externe Magnetfeld ermittelt werden, welches zunächst überwunden werden muss, um den jeweils anderen Arbeitspunkt anzufahren.
8 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausgangskennlinie einer Wheatstone-Brücke einer erfindungsgemäßen Magnetfeldsensorvorrichtung 10. Aufgetragen ist die Ausgangsspannung bzw. Brückenspannung Vout als Funktion der Magnetfeldstärke des äußeren Magnetfelds B entlang der in 1 illustrierten Sensierrichtung. Eingezeichnet sind die Saturierungsspannungen V_sat und -V_sat relativ zu einer Ausgangsspannung Vout von null Volt. Bei ansteigendem Magnetfeld erhöht sich die Ausgangsspannung Vout entlang der Pfeilrichtung P ausgehend von der positiven Saturierungsspannung V_sat. Bei einer positiven oberen Magnetfeldstärke B_flip fällt die Ausgangsspannung Vout auf einen negativen Wert ab und nähert sich für größer werdende Magnetfeldstärken B von unten her der negativen Saturierungsspannung -V_sat. Umgekehrt verringert sich die Ausgangsspannung Vout von großen Magnetfeldstärken B kommend bis zu einer negativen unteren Magnetfeldstärke -B_flip, bei welcher die Magnetfeldstärke B auf einen positiven Wert springt. Der Verlauf der Ausgangsspannung Vout zeigt eine Hysterese.
Zur Bestimmung des Magnetfelds zeichnet die Messeinrichtung 4 den Erregerspulenstrom und die Brückenspannung der Wheatstone-Brückenschaltung auf und vermerkt, bei welchem Erregerstrom die Wheatstone-Brückenschaltung ihren Arbeitspunkt wechselt. Wirkt ein externes Magnetfeld auf die Wheatstone-Brückenschaltung ein, verändert sich der notwendige Erregerstrom für den Arbeitspunktwechsel.
Weiter kann die von der Regeleinrichtung 5 gesteuerte Kompensationseinrichtung 3 einen Kompensationsstrom derart bereitstellen, dass auch bei Vorhandensein eines externen Magnetfelds die Arbeitspunkte symmetrisch um Null herum wechseln.
9 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Magnetfeldsensorvorrichtung 10.
Hierzu wird in einem ersten Verfahrensschritt S1 in Dünnschichttechnologie eine Wheatstone-Brückenschaltung mit vier miteinander verschalteten Widerstandselementen R1 bis R4 bereitgestellt, wobei jedes Widerstandselement mindestens ein TMR-Element 11 bis 14 aufweist.
Weiter wird in einem Verfahrensschritt S2 eine Erregereinrichtung 2 zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfelds mit mindestens einer Magnetfeldeinrichtung bereitgestellt, etwa eine Spule oder eine Vielzahl paralleler elektrischer Leiter, welche vorzugsweise ebenfalls mittels eines Dünnschichtverfahrens hergestellt wird. Weiter wird eine Kompensationseinrichtung 3 zum Erzeugen eines magnetischen Gleichfelds bereitgestellt. Die Kompensationseinrichtung 3 kann eine separate Spule oder separate elektrische Leiter umfassen, welche bevorzugt ebenfalls mittels eines Dünnschichtverfahrens erzeugt werden. Die Kompensationseinrichtung 3 und die Erregereinrichtung 2 können jedoch auch dieselben Bauteile, etwa eine oder mehrere Spulen oder elektrische Leiter, umfassen.
In einem Verfahrensschritt S3 wird eine Messeinrichtung 4 ausgebildet, welche die Brückenspannung der Wheatstone-Brückenschaltung misst. Eine Regeleinrichtung 5 wird ausgebildet, welche anhand des von der Messeinrichtung ausgegebenen Messsignals ein Steuersignal erzeugt, um die Kompensationseinrichtung 3 derart anzusteuern, dass ein Gleichanteil des Messsignals auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird. Schließlich wird eine Auswerteeinrichtung ausgebildet, welche anhand des Erregerstroms und des von der Messeinrichtung ausgegebenen Messsignals eine Stärke eines externen Magnetfeldes ermittelt.

Claims

Magnetfeldsensorvorrichtung (10), mit: vier zu einer Wheatstone-Brückenschaltung verschalteten Widerstandselementen (R1 bis R4), wobei jedes Widerstandselement (R1 bis R4) mindestens ein magnetischer-Tunnelwiderstand, TMR,-Element aufweist, wobei jedes TMR-Element (11-14) eine elektrisch leitfähige fixierte Lage (71), eine elektrisch leitfähige freie Lage (72; 72a-72d) und eine die fixierte Lage (71) und die freie Lage (72; 72a-72d) trennende elektrisch isolierende Tunnelbarriere aufweist, wobei die freie Lage (72; 72a-72d) eine anisotrope geometrische Form aufweist; einer Erregereinrichtung (2) mit mindestens einer Magnetfeldeinrichtung (21), wobei die Erregereinrichtung (2) dazu ausgebildet ist, durch Bestromen der mindestens einen Magnetfeldeinrichtung (21) mit einem Erregerstrom für jedes Widerstandselement (R1 bis R4) ein auf das Widerstandselement (R1 bis R4) einwirkendes magnetisches Wechselfeld zu erzeugen; einer Kompensationseinrichtung (3), welche dazu ausgebildet ist, für jedes Widerstandselement (R1 bis R4) ein auf das Widerstandselement (R1 bis R4) einwirkendes magnetisches Gleichfeld zu erzeugen; einer Messeinrichtung (4), welche dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einer Brückenspannung der Wheatstone-Brückenschaltung ein Messsignal auszugeben; einer Regeleinrichtung (5), welche dazu ausgebildet ist, anhand des von der Messeinrichtung (4) ausgegebenen Messsignals ein Steuersignal zu erzeugen, um die Kompensationseinrichtung (3) derart anzusteuern, dass ein Gleichanteil des Messsignals auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird; und einer Auswerteeinrichtung (6), welche dazu ausgebildet ist, anhand des Erregerstroms und des von der Messeinrichtung (4) ausgegebenen Messsignals eine Stärke eines externen Magnetfeldes zu ermitteln.
Magnetfeldsensorvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die freie Lage (72; 72a-72d) symmetrisch bezüglich zweier Hauptachsen ausgebildet ist, wobei sich eine Ausdehnung der freien Lage (72; 72a-72d) entlang der Hauptachsen für die beiden Hauptachsen unterscheidet.
Magnetfeldsensorvorrichtung (10) nach Anspruch 2, wobei die freie Lage (72; 72a-72d) oval, rechteckig, rautenförmig oder linsenförmig geformt ist.
Magnetfeldsensorvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Magnetfeldeinrichtung (21) mindestens eine Spule oder mindestens einen elektrischen Leiter aufweist, wobei die Erregereinrichtung (2) dazu ausgebildet ist, die mindestens eine Spule oder den mindestens einen elektrischen Leiter mit dem Erregerstrom zu bestromen, um das magnetische Wechselfeld zu erzeugen.
Magnetfeldsensorvorrichtung (10) nach Anspruch 4, wobei die mindestens eine Spule oder der mindestens eine elektrische Leiter quer zur Magnetisierungsrichtung der freien Lage (72) des mindestens einen TMR-Elements (11-14) verläuft.
Magnetfeldsensorvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Erregereinrichtung (2) die Kompensationseinrichtung (3) umfasst, und wobei ein Wechselanteil des Erregerstroms das magnetische Wechselfeld erzeugt und wobei ein Gleichanteil des Erregerstroms das magnetische Gleichfeld erzeugt.
Magnetfeldsensorvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jedes Widerstandselement (R1 bis R4) eine Vielzahl von parallel und/oder in Reihe geschalteten TMR-Elemente (11-14) aufweist.
Magnetfeldsensorvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Regeleinrichtung (5) dazu ausgebildet ist, die Kompensationseinrichtung (3) derart anzusteuern, dass das Messsignal im Wesentlichen symmetrisch um eine Brückenspannung von null Volt verläuft.
Magnetfeldsensorvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Erregereinrichtung (2) und die Kompensationseinrichtung (3) mittels Dünnschichtverfahren hergestellt sind.
Verfahren zum Herstellen einer Magnetfeldsensorvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Erregereinrichtung (2) und die Kompensationseinrichtung (3) mittels eines Dünnschichtverfahrens hergestellt werden.
Verfahren zum Betreiben eine Magnetfeldsensorvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Magnetfeldsensorvorrichtung (10) • vier zu einer Wheatstone-Brückenschaltung verschalteten Widerstandselementen (R1 bis R4) aufweist, • eine Erregereinrichtung (2) mit mindestens einer Magnetfeldeinrichtung (21), • eine Kompensationseinrichtung (3), • eine Messeinrichtung (4), • eine Regeleinrichtung (5), und • einer Auswerteeinrichtung (6) aufweist, wobei das Verfahren • die mindestens einen Magnetfeldeinrichtung (21) derart mit einem Erregerstrom bestromt, dass für jedes Widerstandselement (R1 bis R4) ein auf das Widerstandselement (R1 bis R4) einwirkendes magnetisches Wechselfeld erzeugt wird; und • für jedes Widerstandselement (R1 bis R4) ein auf das Widerstandselement (R1 bis R4) einwirkende magnetisches Gleichfeld erzeugt; • in Abhängigkeit von einer Brückenspannung der Wheatstone-Brückenschaltung ein Messsignal ausgibt; • anhand des von der Messeinrichtung (4) ausgegebenen Messsignals ein Steuersignal erzeugt, um die Kompensationseinrichtung (3) derart anzusteuern, dass ein Gleichanteil des Messsignals auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird; und • anhand des Erregerstroms und des von der Messeinrichtung (4) ausgegebenen Messsignals eine Stärke eines externen Magnetfeldes ermittelt.