DE4327458A1

DE4327458A1 - Sensor chip for high-resolution measurement of magnetic field strength

Info

Publication number: DE4327458A1
Application number: DE4327458A
Authority: DE
Inventors: Fritz Dr Dettmann; Uwe Loreit
Original assignee: INST MIKROSTRUKTURTECHNOLOGIE
Current assignee: INST MIKROSTRUKTURTECHNOLOGIE
Priority date: 1993-08-16
Filing date: 1993-08-16
Publication date: 1995-02-23
Anticipated expiration: 2013-08-17
Also published as: DE4327458C2

Abstract

A magnetoresistive sensor element is described, the resistive strips of which consist of elliptical regions, connected in series, of anisotropically magnetoresistive material, which regions have a minimum mutual separation, and in which connection takes place using non-magnetic conductive layer surfaces which zonally cover the elliptical regions such that the boundary lines of the conductive layer surfaces form an angle of approximately 45 DEG with the longitudinal direction of the strips. The resistive strips of a voltage divider or of a bridge are arranged in a line, so that they can be fitted into a narrow gap of a flux-concentrator arrangement. The high field strengthening of the flux concentrator which can thus be achieved, and the slight rotatability of the magnetisation in the elliptical regions are a prerequisite for a magnetic-field sensor element with very high sensitivity.

Description

Magnetfeldmeßelemente, die die Änderung des elektrischen Widerstandes von Schichtstreifen ausnutzen, die aus dünnen Schichten anisotropen magnetoresistiven Materials bestehen, sind allgemein bekannt. Eine zusammenfassende Darstellung der Eigenschaften und der Aufbauprinzipien solcher Meßelemente wird z. B. von U. Dibbern in "Sensors" Volume 5, "Magnetic Sensors" VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim, 1989 auf den Seiten 341 bis 380 gegeben. Der spezifische Widerstand des anisotropen Materials ist vom Winkel zwischen der Stromrichtung und der Richtung der Eigenmagnetisierung abhängig. Die Widerstandsänderung der magnetoresistiven Schichtstreifen entsteht dadurch, daß die Eigenmagnetisierung, die sich im Ruhezustand parallel zur Streifenlängsrichtung einstellt, durch die in der Schichtebene liegende Magnetfeldkomponente eines quer zur Streifenlängsrichtung angelegten Magnetfeldes aus dieser Richtung herausgedreht ist. Üblicherweise werden zwei Magnetschichtstreifen oder -streifenmäander, deren Widerstand sich im Magnetfeld gegenläufig ändert, zu einem Spannungsteiler zusammengeschaltet, oder es sind vier Magnetschichtstreifen oder -streifenmäander, die sich paarweise gegenläufig ändern, zu einer Wheatstonebrücke verbunden.Magnetic field measuring elements that change the electrical resistance of Take advantage of layered strips that consist of thin layers of anisotropic magnetoresistive Materials exist, are generally known. A summary of the Properties and the principles of construction of such measuring elements is such. B. by U. Dibbern in "Sensors" Volume 5, "Magnetic Sensors" VCH Publishing Company, Weinheim, 1989 given on pages 341 to 380. The specific resistance of the anisotropic Material is the angle between the current direction and the direction of the Self-magnetization dependent. The change in resistance of the magnetoresistive Layer stripes result from the fact that the self-magnetization occurs at rest parallel to the longitudinal direction of the strip, through the one lying in the layer plane Magnetic field component of a magnetic field applied transversely to the longitudinal direction of the strip turned out from this direction. Usually two magnetic layer strips or strip meanders whose resistance changes in opposite directions in the magnetic field connected to a voltage divider, or there are four magnetic layer strips or -strip meanders, which change in pairs in opposite directions, to a Wheatstone bridge connected.

Um eine hohe Magnetfeldempfindlichkeit des Spannungsteilers oder der Sensorbrücke zu erreichen, sind diese mit einer möglichst großen Versorgungsspannung zu betreiben, da das Ausgangssignal zur Betriebsspannung proportional ist. Das erfordert einen relativ hohen Widerstand. Andererseits ist die Anordnung so zu gestalten, daß die Drehbarkeit der Magnetisierung in der Schicht möglichst leicht erfolgen kann. Für lange Schichtstreifen ist letzteres dann der Fall, wenn geringe Schichtdicken und große Streifenbreiten verwendet werden. Da die Dicke der magnetoresistiven Schicht wegen der mit abnehmender Schichtdicke fallenden Widerstandsänderung bei Einwirkung eines Magnetfeldes nach unten begrenzt wird, ist so zur Empfindlichkeitserhöhung eine Flächenvergrößerung des Sensorelementes unerläßlich, damit die leichte Drehbarkeit der Eigenmagnetisierung gewährleistet wird. Damit wird auch der Gesamtwiderstand des Sensors genügend hoch, und bei genügend geringem Leistungsumsatz kann eine hohe Betriebsspannung angelegt werden. Die dazu erforderliche große Chipfläche ist einerseits aus Kostengründen nachteilig, da der Chippreis nahezu proportional zur Chipfläche ist. Andererseits ist eine Vergrößerung der Breite des Sensorelementes in Richtung des zu messenden Magnetfeldes auch dadurch mit einem großen Nachteil verbunden, daß hier die Anwendung von magnetfeldverstärkenden, weichmagnetischen Flußkonzentratorstreifen, wie sie beispielsweise im EP 0 131 405 beschrieben wird, sehr erschwert wird. Bei der Anordnung nach dem EP 0 131 405 befindet sich der Magnetfeldsensor in einem Spalt zwischen den beiderseits symmetrisch angeordneten weichmagnetischen Streifen. Deren Feldverstärkung ist um so höher, je größer das Verhältnis zwischen Gesamtlänge und Spaltlänge ist. Dabei sollte die Dicke der weichmagnetischen Streifen größer sein als die Spaltlänge, da sonst ein starker Feldabfall zur Spaltmitte hin erfolgt. In einer Anordnung nach dem EP 0 091 000 wird dieses Problem des Feldabfalls im Spalt scheinbar umgangen, indem dort nur einseitig am Sensor ein weichmagnetischer Streifen angebracht ist. Aber auch hier erfolgt mit zunehmendem Abstand vom weichmagnetischen Streifen ein starker Feldstärkeabfall. Deshalb ist die Verwendung großflächiger Sensorelemente auf jeden Fall ungünstig, wenn die Magnetfeldbestimmung nicht nur hochempfindlich, sondern auch mit hoher Ortsauflösung erfolgen soll.To ensure a high magnetic field sensitivity of the voltage divider or the sensor bridge reach, they must be operated with the largest possible supply voltage, because the output signal is proportional to the operating voltage. That requires a relative high resistance. On the other hand, the arrangement must be designed so that the rotatability the magnetization in the layer can take place as easily as possible. For long The latter is the case when thin layers and large layers Strip widths are used. Because of the thickness of the magnetoresistive layer the change in resistance with decreasing layer thickness when exposed to a Magnetic field is limited down, so is an increase in sensitivity Area enlargement of the sensor element is essential, so that the easy rotation of the Self-magnetization is guaranteed. The total resistance of the Sensors high enough, and with enough low power conversion can be high Operating voltage are applied. The large chip area required for this is on the one hand, disadvantageous for cost reasons, since the chip price is almost proportional to Chip area is. On the other hand, the width of the sensor element is increased in The direction of the magnetic field to be measured also has a major disadvantage connected that the application of magnetic field-enhancing, soft magnetic Flow concentrator strips, as described for example in EP 0 131 405, very much is difficult. In the arrangement according to EP 0 131 405 the Magnetic field sensor in a gap between the symmetrically arranged on both sides soft magnetic stripes. The greater the field amplification, the higher the Ratio between total length and gap length. The thickness of the soft magnetic strips may be larger than the gap length, otherwise there is a strong drop in field to the middle of the gap. In an arrangement according to EP 0 091 000 this is Problem of field drop in the gap apparently avoided by only one side there Sensor a soft magnetic strip is attached. But this also happens with increasing distance from the soft magnetic strip a strong drop in field strength. Therefore, the use of large-area sensor elements is definitely unfavorable, if the magnetic field determination is not only highly sensitive, but also with high Spatial resolution should take place.

Um eine leichte Drehbarkeit der Magnetisierung zu erreichen, können andere Schichtgeometrien als der bisher diskutierte lange schmale Streifen verwendet werden. In der Patentschrift US 3 382 448 wird die Verwendung von kreisförmigen magnetischen Widerständen vorgeschlagen. Kreisförmige Magnetschichten haben keine Formanisotropie in der Ebene und verfügen aus diesem Grunde über eine leichter drehbare Eigenmagnetisierung. Nachteiligerweise ist jedoch der Widerstand einer Kreisfläche einer dünnen Schicht nur durch die Dicke gegeben, und wegen der nach unten begrenzten Schichtdicke magnetoresistiven Materials ist nur ein geringer Widerstandswert und damit auch nur ein geringer Wert der zulässigen Sensorbetriebsspannung möglich. Ein weiterer Nachteil der Anordnung nach der Patentschrift US 3 382 448 besteht darin, daß die Stromlinien in den kreisförmigen Widerstandsbereichen nicht parallel verlaufen. Da die Größe der Widerstandsänderung im magnetoresistiven Material jedoch vom Winkel zwischen Strom und Magnetisierung abhängt und eine breite Winkelverteilung des Stromes in den kreisförmigen Bereichen vorliegt, sind nur sehr geringe Widerstandsänderungen möglich. Damit verbunden ist eine hohe Empfindlichkeit hier nicht vorhanden.In order to make the magnetization easy to turn, others can Layer geometries can be used as the long narrow strip discussed so far. In US Pat. No. 3,382,448 discloses the use of circular magnetic Resistances suggested. Circular magnetic layers have none Shape anisotropy in the plane and therefore have a lighter one rotatable self-magnetization. Unfortunately, the resistance is one Circular area of a thin layer given only by the thickness, and because of the after The layer thickness of the magnetoresistive material limited below is only a small one Resistance value and therefore only a small value of the permissible Sensor operating voltage possible. Another disadvantage of the arrangement according to the Patent US 3 382 448 is that the streamlines in the circular Resistance areas are not parallel. Because the size of the change in resistance in magnetoresistive material, however, on the angle between current and magnetization depends and a wide angular distribution of the current in the circular areas only very small changes in resistance are possible. Connected with it there is no high sensitivity here.

Die Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine mit geringem Aufwand herstellbare Sensoranordnung anzugeben, die die hochempfindliche Magnetfeldmessung bei hoher räumlicher Auflösung und geringer Verlustleistung dadurch ermöglicht, daß die Widerstandsänderung des magnetoresistiven Materials voll ausgenutzt wird, daß eine hohe Brückenbetriebsspannung verwendet werden kann und daß geringe Abmessungen die effektive Anwendung von weichmagnetischen Flußkonzentratoren zulassen.The object of the invention is therefore to produce one with little effort Specify sensor arrangement that the highly sensitive magnetic field measurement at high spatial resolution and low power dissipation enables that Resistance change of the magnetoresistive material is fully exploited that a high bridge operating voltage can be used and that small dimensions allow the effective use of soft magnetic flux concentrators.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichnete Anordnung gelöst. Die Reihenschaltung vieler elliptischer Bereiche einer magnetoresistiven Schicht ermöglicht die Realisierung von hohen Widerständen. Damit ist bei hoher Betriebsspannung nur eine geringe Verlustleistung vorhanden. Die Verwendung elliptischer Bereiche ist einerseits vorteilhaft, weil die Abmessung der kleinen Halbachse die Breite des durch die Hintereinanderschaltung entstehenden Streifens auf einen geringen Wert hält, so daß die Sensoranordnung in einem Spalt minimaler Breite untergebracht werden kann. Andererseits wird die Zahl der hintereinandergeschalteten Bereiche durch die Länge der großen Halbachse auf einen nicht zu hohen Wert beschränkt. Das ist notwendig, da der relative Anteil der Leitschichtflächen an der Gesamtlänge des entstehenden Streifens mit der genannten Zahl zunimmt, was zu einem geringeren Gesamtwiderstand führen würde. Darüberhinaus trifft in elliptischen Bereichen die bei Kreisen beobachtete Aufspaltung in Teilbereiche mit entgegengesetzter Magnetisierungsrichtung, die zur Unempfindlichkeit des Sensors gegenüber Magnetfeldern führt, erst bei wesentlich geringeren Abmessungen auf.The object is achieved by the arrangement characterized in the claims. The Series connection of many elliptical areas of a magnetoresistive layer enables the realization of high resistances. So there is only one at high operating voltage low power loss available. The use of elliptical areas is one hand advantageous because the dimension of the small semiaxis is the width of the through the The resulting strip is kept at a low value so that the Sensor arrangement can be accommodated in a gap of minimal width. On the other hand, the number of areas connected in series is determined by the length of the large semi-axis limited to a value that is not too high. This is necessary because the relative proportion of the conductive layer areas to the total length of the resulting strip the number mentioned increases, which would lead to a lower overall resistance. In addition, the splitting observed in circles occurs in elliptical areas Subareas with opposite magnetization direction, which leads to insensitivity of the sensor with respect to magnetic fields, only with significantly smaller dimensions on.

Der Abstand zwischen den einzelnen elliptischen Bereichen liegt oberhalb eines Mindestwertes. Damit kann durch die magnetische Wechselwirkung der Bereiche untereinander nicht wieder eine Formanisotropie des Gesamtstreifens auftreten. Diese würde wieder zu einer schwereren Drehbarkeit der Magnetisierung führen.The distance between the individual elliptical areas is above one Minimum values. This can be done by the magnetic interaction of the areas a shape anisotropy of the entire strip does not occur again with one another. These would again make the magnetization more difficult to rotate.

Die Anschlußflächen aus gut leitfähigem Material wurden in der angegebenen Weise gestaltet, damit die Stromrichtung im jeweiligen magnetoresistiven Bereich im wesentlichen parallel in der ganzen Fläche ist. Gleichzeitig bildet sie einen Winkel mit der Längsrichtung des Gesamtstreifens. Das hat den Vorteil, daß bei der Herstellung der magnetoresistiven Schicht eine gemeinsame Anisotropierichtung für alle elliptischen Bereiche durch Anlegen eines homogenen Magnetfeldes eingeprägt werden kann, die mit der Längsrichtung des Gesamtstreifens übereinstimmt.The pads made of highly conductive material were in the manner specified designed so that the current direction in the respective magnetoresistive area in is essentially parallel in the whole area. At the same time, it forms an angle with the Longitudinal direction of the entire strip. This has the advantage that in the manufacture of the magnetoresistive layer a common anisotropy direction for all elliptical Areas can be impressed by applying a homogeneous magnetic field corresponds to the longitudinal direction of the entire strip.

Die Anordnung der elliptischen Bereiche von zwei Dünnschichtwiderständen für einen Spannungsteiler oder von vier Dünnschichtwiderständen für eine Wheatstonebrücke in einer Linie hat den Vorteil, daß die Breite des Sensorelementes auf einem minimalen Wert gehalten werden kann. Das Sensorelement kann so in einem möglichst schmalen Spalt einer Flußkonzentratoranordnung untergebracht werden.The arrangement of the elliptical areas of two thin film resistors for one Voltage divider or four thin film resistors for a Wheatstone bridge in A line has the advantage that the width of the sensor element is at a minimum Value can be maintained. The sensor element can thus be as narrow as possible Gap of a flux concentrator arrangement can be accommodated.

Ein über den aus elliptischen Bereichen gebildeten Dünnschichtwiderständen isoliert angeordneter Streifenleiter kann von einem Strom durchflossen werden, der das von außen auf das Sensorelement einwirkende zu messende Magnetfeld gerade wieder aufhebt. Mit einer entsprechenden Regelschaltung kann also im Kompensationsbetrieb gearbeitet werden. Ausgangssignal des Sensors ist dann die Kompensationsstromstärke, die auf jeden Fall proportional zum angelegten Feld und völlig temperaturunabhängig ist. Schwankungen der Materialeigenschaften der magnetoresistiven Schicht und ihrer Schichtdicke spielen so für die Magnetfeldempfindlichkeit keine Rolle mehr.An isolated over the thin film resistors formed from elliptical areas arranged stripline can be traversed by a current that the magnetic field to be measured on the outside of the sensor element just again picks up. With a corresponding control circuit, it can be used in compensation mode be worked. The output signal of the sensor is then the compensation current, which is in any case proportional to the field applied and completely independent of temperature is. Fluctuations in the material properties of the magnetoresistive layer and its Layer thicknesses no longer play a role in magnetic field sensitivity.

Über den aus elliptischen Bereichen gebildeten Dünnschichtwiderständen kann auch ein Streifenmäander angeordnet sein, dessen Streifenlängsrichtung über den elliptischen Bereichen quer zur Richtung der Eigenmagnetisierung der Bereiche verläuft. Das Magnetfeld eines Stromes durch diesen Streifenmäander kann vorteilhafterweise zur Ausführung verschiedener Einwirkungen auf das Sensorelement genutzt werden. Nach Anliegen hoher Störfeldstärken kann mit einem Impuls dieses Magnetfeldes die Richtung der Eigenmagnetisierung aller Bereiche wieder eindeutig eingestellt werden. Bei dauerndem Fließen eines Stromes durch diesen Mäander wird die Empfindlichkeit des Sensorelementes auf einen dem erzeugten Magnetfeld entsprechenden Wert herabgesetzt und gleichzeitig wird der Meßbereich des Sensorelementes um den gleichen Faktor erhöht. Dadurch werden Messungen bei höheren Störmagnetfeldern ermöglicht. Durch Stromimpulse, die periodisch in bestimmtem Zeitabstand mit entgegengesetzter Richtung durch den Streifenmäander fließen, kann die Eigenmagnetisierung der Bereiche jeweils in die entgegengesetzte Richtung eingestellt werden. Damit wird auch die Richtung der Widerstandsänderung, die ein äußeres Magnetfeld bewirkt, jeweils umgekehrt. Die Ausgangsspannung einer daraus aufgebauten Brückenschaltung wechselt mit der Periode der Stromimpulse das Vorzeichen. Die Brückenausgangsspannung wird so zu einer Wechselspannung, für die die Ausgangsspannung der Brücke ohne anliegendes äußeres Magnetfeld keine Bedeutung hat. Damit haben auch Temperaturdriften dieser als Offsetspannung der Brücke bezeichneten Nullabweichung keinen Einfluß auf das Meßsignal. Das Sensorelement arbeitet also mit sehr hoher Empfindlichkeit und mit sehr hoher Nullpunktsstabilität.Above the thin film resistors formed from elliptical areas, a Strip meanders can be arranged, the longitudinal direction of the strip over the elliptical Areas running perpendicular to the direction of the magnetization of the areas. The Magnetic field of a current through this strip meander can advantageously be used Execution of various actions on the sensor element can be used. To With a pulse of this magnetic field, the direction can be applied to high interference field strengths the self-magnetization of all areas can be clearly set again. At continuous flow of a current through this meander will increase the sensitivity of the Sensor element reduced to a value corresponding to the magnetic field generated and at the same time the measuring range of the sensor element is increased by the same factor elevated. This enables measurements at higher interference magnetic fields. By Current pulses that periodically at a certain time interval with opposite directions flow through the strip meander, the self-magnetization of the areas can be set in the opposite direction. This will also change the direction of the The change in resistance that causes an external magnetic field is reversed. The The output voltage of a bridge circuit built from it changes with the period the sign of the current impulses. The bridge output voltage becomes one AC voltage, for which the output voltage of the bridge without external applied Magnetic field has no meaning. This also has temperature drifts as Offset voltage of the bridge has no influence on the Measurement signal. The sensor element therefore works with a very high sensitivity and with a very high level high zero stability.

Eine große Magnetfeldverstärkung durch einen Flußkonzentrator wird dadurch erreicht, daß dessen mit weichmagnetischem Material belegte Flächen direkt neben den elliptischen Bereichen der Dünnschichtwiderstände beginnen. Ein besonders geringer Abstand wird dadurch realisiert, daß die an das Sensorelement angrenzenden weichmagnetischen Teile ebenfalls mit den Methoden der Dünnschichtherstellung und -strukturierung erzeugt sind. Die weichmagnetischen Teile haben allerdings eine wesentlich größere Dicke als die magnetoresistive Schicht. Damit die magnetoresistive Schicht in die Mitte des Spaltes der weichmagnetischen Teile und damit an den Ort des maximalen Magnetfeldes kommt, ist die Chipobeifläche im Gebiet der weichmagnetischen Teile abgesenkt. Auf diese werden dann weichmagnetische Formteile größerer Fläche nachträglich aufgesetzt. Damit benötigen die Sensorelemente nur eine geringe Chipfläche und sind so mit geringem Kostenaufwand herstellbar.A large magnetic field gain through a flux concentrator is thereby achieved that the surfaces covered with soft magnetic material directly next to the elliptical areas of the thin film resistors begin. A particularly low one Distance is realized in that the adjoining the sensor element soft magnetic parts also with the methods of thin film production and structuring are generated. However, the soft magnetic parts have one much greater thickness than the magnetoresistive layer. So that the magnetoresistive Layer in the middle of the gap of the soft magnetic parts and thus to the location of the maximum magnetic field, the chipo area is in the area of soft magnetic parts lowered. These are then soft magnetic molded parts larger area retrofitted. The sensor elements therefore only need one small chip area and can thus be produced at low cost.

Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigt Fig. 1 den Aufbau eines magnetoresistiven Widerstandsstreifens aus elliptischen Bereichen. In Fig. 2 ist ein Spannungsteiler aus zwei solcher Widerstandsstreifen, über denen sich isoliert ein Streifenleiter befindet, dargestellt. In Fig. 3 ist isoliert über einem entsprechenden Spannungsteiler ein Streifenmäander zu sehen, dessen Streifenlängsrichtung mit der Längsrichtung des Widerstandsstreifens einen rechten Winkel bildet. Fig. 4 zeigt einen Sensorchip, das neben zu einem Spannungsteiler geschalteten Widerstandsstreifen aus elliptischen Bereichen, über denen sowohl ein Streifenleiter als auch ein Streifenmäander vorhanden ist, in Dünnschichttechnik gefertigte weichmagnetische Teile aufweist, auf die weichmagnetische Formteile aufgesetzt sind.The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments. In the accompanying drawings Fig. 1 shows the structure of a magneto-resistive strip from elliptical areas. FIG. 2 shows a voltage divider made up of two such resistance strips, above which a strip conductor is isolated. In Fig. 3 a strip meander can be seen isolated over a corresponding voltage divider, the longitudinal direction of the strip forming a right angle with the longitudinal direction of the resistance strip. Fig. 4 shows a sensor chip, in addition to a voltage divider resistor connected strip of elliptical areas, on which both a strip line as a Streifenmäander is also present, having thin-film technology manufactured soft magnetic parts are placed onto the soft magnetic moldings.

Ein erfindungsgemäßer Widerstandsstreifen auf einem Sensorchip 1 ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Er besteht aus in einer Linie angeordneten elliptischen Bereichen 2 einer anisotrop magnetoresistiven Schicht von etwa 10 nm bis 50 nm Dicke. In der Fig. 1 sind der Einfachheit halber nur vier elliptische Bereiche 2 dargestellt, wirkliche Sensoranordnungen werden davon eine größere Zahl aufweisen. Die großen Halbachsen 4 der elliptischen Bereiche 2 liegen in Längsrichtung des Widerstandsstreifens. In diese Richtung zeigt auch die bei der Herstellung in die Schicht eingeprägte Anisotropie. Der Abstand 6 zwischen den elliptischen Bereichen 2, der größer als ein Fünftel der großen Halbachse 4 ist, wird durch nichtmagnetische Leitschichtflächen 3 überbrückt. Die Bedeckung der elliptischen Bereiche 2 durch die Leitschichtflächen 3 jeweils auf beiden Seiten der Ellipsen ist symmetrisch zueinander. Dabei ist jeweils mindestens ein Abschnitt der elliptischen Bereiche 2 bedeckt, der vom Rand her eine größere Ausdehnung hat als ein Drittel der großen Halbachse 4. Die Begrenzungslinien 5 der Leitschichtflächen 3 bilden mit der Längsrichtung des Widerstandsstreifens einen Winkel von 45°. Ein durch den Widerstandstreifen fließender Strom bildet durch diese Anordnung mit der Längsrichtung, in die auch die Eigenmagnetisierung in den magnetoresistiven Schichtbereichen 2 ohne äußeres Magnetfeld zeigt, im wesentlichen einen Winkel von -45°, da die Leitfähigkeit der Leitschichtflächen 3 um mehr als den Faktor 10 höher liegt als die der magnetoresistiven Schicht. Ein äußeres Magnetfeld, das in der Ebene der Chipfläche 1 liegt und quer zur Längsrichtung des Widerstandsstreifens von links nach rechts zeigt, wird die Magnetisierung in den elliptischen Bereichen 2 nach rechts drehen, damit den Winkel zwischen Strom und Magnetisierung über 45° hinaus vergrößern und so eine Widerstandsabnahme des Widerstandsstreifens bewirken. Diese Widerstandsänderung pro angelegter Magnetfeldstärke wird maximal sein, weil sich erstens Winkeländerungen im Bereich von 45° zwischen Strom- und Magnetisierungsrichtung am stärksten auswirken, weil zweitens durch den Abstand der elliptischen Bereiche 2 nur noch eine unwesentliche Gesamtformanisotropie des Widerstandsstreifens der Magnetisierungsdrehung entgegen wirkt und weil drittens die eingeprägte Schichtanisotropie verbunden mit der geringen Formanisotropie der Ellipsen ausreichend ist, um eine Aufspaltung der Magnetisierungsrichtung innerhalb der elliptischen Bereiche 2 zu verhindern. Diese Aussagen sind auch dann noch richtig, wenn die Abmessung der kleinen Halbachse der Ellipsen im Bereich von 10 µm liegt. Damit ist das Grundelement für hochempfindliche magnetoresistive Sensoren, die in schmale Spalte von Flußkonzentratoranordnungen untergebracht werden können, beschrieben.A resistance strip according to the invention on a sensor chip 1 is shown schematically in FIG. 1. It consists of elliptical regions 2 of an anisotropic magnetoresistive layer of approximately 10 nm to 50 nm thickness arranged in a line. For the sake of simplicity, only four elliptical areas 2 are shown in FIG. 1, real sensor arrangements will have a larger number of them. The large semiaxes 4 of the elliptical areas 2 lie in the longitudinal direction of the resistance strip. The anisotropy impressed in the layer during manufacture also points in this direction. The distance 6 between the elliptical regions 2 , which is greater than a fifth of the large semi-axis 4 , is bridged by non-magnetic conductive layer surfaces 3 . The covering of the elliptical regions 2 by the conductive layer surfaces 3 on both sides of the ellipses is symmetrical to one another. In this case, at least one section of the elliptical regions 2 is covered, which extends from the edge to a greater extent than a third of the large semi-axis 4 . The boundary lines 5 of the conductive layer surfaces 3 form an angle of 45 ° with the longitudinal direction of the resistance strip. Through this arrangement, a current flowing through the resistance strip essentially forms an angle of -45 ° with the longitudinal direction, in which the self-magnetization in the magnetoresistive layer regions 2 points without an external magnetic field, since the conductivity of the conductive layer surfaces 3 is more than a factor of 10 is higher than that of the magnetoresistive layer. An external magnetic field, which lies in the plane of the chip area 1 and points from left to right transversely to the longitudinal direction of the resistance strip, will rotate the magnetization in the elliptical regions 2 to the right, thus increasing the angle between current and magnetization beyond 45 ° and so on cause a decrease in resistance of the resistance strip. This change in resistance per applied magnetic field strength will be maximum because, firstly, angle changes in the range of 45 ° between the direction of current and magnetization have the greatest effect, secondly, because, due to the distance between the elliptical regions 2, only an insignificant overall shape anisotropy of the resistance strip counteracts the magnetization rotation, and thirdly the impressed layer anisotropy combined with the low shape anisotropy of the ellipses is sufficient to prevent the magnetization direction from splitting within the elliptical regions 2 . These statements are still correct even if the dimension of the small semi-axis of the ellipses is in the range of 10 µm. This describes the basic element for highly sensitive magnetoresistive sensors that can be accommodated in narrow gaps in flux concentrator arrangements.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung. Auf einem Sensorchip 1 sind in einer Linie zwei der oben beschriebenen Widerstandsstreifen, die aus elliptischen Bereichen 2 magnetoresistiver Schicht und aus verbindenden Leitschichtflächen 3 bestehen, zu einem Spannungsteiler mit dem Spannungsausgangskontakt 8 angeordnet. Ohne Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes tritt hier ein Ausgangsspannungswert auf; der der Hälfte der an den Spannungsteiler angelegten Betriebsspannung entspricht. Die beiden Widerstandsstreifen unterscheiden sich durch den Winkel der Begrenzungslinie der Bedeckung der elliptischen Bereiche 2. Es wurden +45° und -45° gewählt. Dadurch ist die Widerstandsänderung in den beiden Teilen bei Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes gegenläufig. Die Änderung der Ausgangsspannung am Kontakt 8 pro Feldstärke wird so maximal. Die Änderung der Ausgangsspannung am Kontakt 8 enthält keinen Anteil, der auf die Änderung des Widerstandswertes der magnetoresistiven Bereiche 2 mit der Temperatur zurückführbar ist. Über den Widerstandsstreifen ist isoliert ein Streifenleiter 7 angeordnet. Ein Strom durch diesen Streifenleiter 7 erzeugt ein Magnetfeld mit der Richtung, wie sie von der darunterliegenden Anordnung gemessen werden kann. Hat dieses Magnetfeld die entgegengesetzte Richtung wie das von außen angelegte Magnetfeld, so ist es bei Regelung des Stromwertes möglich, die elliptischen Bereiche 2 stets im feldfreien Zustand zu halten. Bei der Durchführung dieses Kompensationsverfahrens ist der im Streifenleiter 7 fließende Strom dem angelegten äußeren Feld proportional und stellt das Ausgangssignal des Sensorelementes dar. Dieses ist von der Temperaturabhängigkeit der Änderung des Widerstandes der magnetoresistiven Schicht nicht betroffen. Fig. 2 shows a further embodiment of the invention. On a sensor chip 1 , two of the resistance strips described above, which consist of elliptical regions 2 of magnetoresistive layer and of connecting conductive layer surfaces 3 , are arranged in a line to form a voltage divider with voltage output contact 8 . Without the influence of an external magnetic field, an output voltage value occurs here; which corresponds to half of the operating voltage applied to the voltage divider. The two resistance strips differ in the angle of the boundary line of the covering of the elliptical regions 2 . + 45 ° and -45 ° were selected. As a result, the change in resistance in the two parts is opposed when an external magnetic field is applied. The change in the output voltage at contact 8 per field strength becomes maximum. The change in the output voltage at the contact 8 contains no component which can be traced back to the change in the resistance value of the magnetoresistive regions 2 with the temperature. A strip conductor 7 is arranged in isolation over the resistance strip. A current through this strip conductor 7 generates a magnetic field with the direction as can be measured from the arrangement below. If this magnetic field has the opposite direction to the magnetic field applied from the outside, it is possible, when regulating the current value, to always keep the elliptical regions 2 in the field-free state. When this compensation method is carried out, the current flowing in the strip conductor 7 is proportional to the external field applied and represents the output signal of the sensor element. This is not affected by the temperature dependence of the change in the resistance of the magnetoresistive layer.

In Fig. 3 ist über einem Spannungsteiler aus zwei in einer Linie angeordneten Widerstandsstreifen aus elliptischen Bereichen 2 ein Streifenmäander 9 isoliert angeordnet. Mit Hilfe eines Stromes durch diesen Streifenmäander entsteht an den Orten der elliptischen Bereiche 2 magnetoresitiver Schicht ein Magnetfeld in positiver oder negativer Richtung der Längsausdehnung der Widerstandsstreifen. Mit einem Stromimpuls genügender Amplitude ist es so möglich, die Richtung der Eigenmagnetisierung ohne äußeres Magnetfeld in den elliptischen Bereichen 2 einzustellen. Da das Vorzeichen der Widerstandsänderung von der Richtung der Eigenmagnetisierung abhängt, sind in Fig. 3 die Winkel der Begrenzungslinien 5 der Bedeckung mit Leitschichtflächen 3 abwechselnd zu +45° und -45° gewählt. Damit ändert sich der Widerstandswert aller elliptischen Bereiche 2 desselben Widerstandsstreifens bei Magnetfeldeinwirkung stets in gleicher Richtung. Die beiden Widerstandsstreifen des Spannungsteilers ändern ihren Widerstandswert aber wieder gegenläufig. Die Anordnung der Fig. 3 kann für folgende Sensorelementen-Funktionen eingesetzt werden:In Fig. 3, a strip meander 9 is arranged insulated above a voltage divider consisting of two resistance strips of elliptical areas 2 arranged in a line. With the help of a current through this strip meander, a magnetic field is created at the locations of the elliptical areas 2 of the magnetoresistive layer in the positive or negative direction of the longitudinal extension of the resistance strips. With a current pulse of sufficient amplitude, it is possible to set the direction of self-magnetization in the elliptical regions 2 without an external magnetic field. Since the sign of the change in resistance depends on the direction of self-magnetization, the angles of the boundary lines 5 of the covering with conductive layer surfaces 3 are alternately chosen to be + 45 ° and -45 ° in FIG. 3. The resistance value of all elliptical areas 2 of the same resistance strip always changes in the same direction when exposed to a magnetic field. The two resistance strips of the voltage divider change their resistance value in opposite directions. . The arrangement of Figure 3 can functions sensor elements are used for the following:

- After exposure to a magnetic interference field, the amplitude of which must not have been very large because of the extremely high sensitivity of the sensor element, the directions of the self-magnetization of the elliptical areas 2 may have been set as desired. A current pulse through the strip meander 9 restores the direction necessary for operation and makes the element ready for measurement again.
- A constant current through the strip meander 9 leads to a static magnetic field value in the direction of the self-magnetization of the elliptical regions 2 and causes a difficult rotation of the magnetization direction. The sensor becomes less sensitive and its measuring range is expanded so that higher magnetic fields can now be measured.
- A constant current through the strip meander 9 leads to a static magnetic field value which is opposite to the self-magnetization of the elliptical areas 2 . This facilitates the rotation of the magnetization direction and further increases the sensor sensitivity.
- The strip meander 9 sends a current pulse in the opposite direction alternately with a certain period. The direction of the self-magnetization of the elliptical regions 2 is thus constantly changed. At the output of the voltage divider, an AC voltage with field-dependent amplitude arises when an external magnetic field is applied. The separation of this AC voltage from the existing DC voltage component leads to a signal which is no longer disturbed by drifting the DC voltage component. In addition to the high magnetic field sensitivity of the sensor element, there is also the high zero point stability.

Fig. 4 zeigt die Anordnung eines Sensorelementes auf einem Sensorchip 1 im Spalt einer Flußkonzentratoranordnung. Das Sensorelement enthält über beiden Widerstandsstreifen aus elliptischen Bereichen 2 und aus Leitschichtflächen 3, die einen Spannungsteiler bilden, sowohl einen Streifenleiter 7 als auch einen Streifenmäander 9. Damit kann das Sensorelement im Wechselspannungsbetrieb mit geringer Nullpunktsdrift und im Kompensationsbetrieb ohne Temperatureinfluß in Funktion gesetzt werden. Auf der Chipfläche 1 sind zu beiden Seiten des Sensorelementes Flächen mit in Dünnschichttechnik hergestelltem weichmagnetischem Material 10 belegt. Auf diese Flächen sind auf beiden Seiten weichmagnetische Formteile 11 aufgesetzt. Die Zeichnung in der Fig. 4 ist nicht maßstäblich, sie zeigt nur das Prinzip der Anordnung. Der Spalt mit den Flächen des weichmagnetischen Materials 10 hat in einer realen Anordnung etwa eine Breite von 20 µm. Die Gesamtausdehnung der weichmagnetischen Formteile 11 in der Richtung quer zum Spalt liegt in der Größe von 20 mm, während ihre Dicke größer als die Spaltbreite ist. Dadurch wird im Spalt eine Flußkonzentration ermöglicht, die eine Vergrößerung der Magnetfeldstärke im Spalt gegenüber der außen angelegten Feldstärke um bis zu drei Größenordnungen zuläßt. Da diese vergrößerte Feldstärke auf das eigentliche Sensorelement einwirkt ist so ein höchstempfindliches Magnetfeldmeßelement entstanden. Fig. 4 shows the arrangement of a sensor element on a sensor chip 1 in the gap of a flux concentrator arrangement. The sensor element contains both a strip conductor 7 and a strip meander 9 above two resistance strips from elliptical areas 2 and from conductive layer surfaces 3 , which form a voltage divider. The sensor element can thus be operated in AC operation with a low zero drift and in compensation operation without the influence of temperature. On the chip surface 1 , surfaces are covered with soft magnetic material 10 produced in thin-film technology on both sides of the sensor element. Soft magnetic molded parts 11 are placed on these surfaces on both sides. The drawing in FIG. 4 is not to scale, it only shows the principle of the arrangement. In a real arrangement, the gap with the surfaces of the soft magnetic material 10 has a width of approximately 20 μm. The total extent of the soft magnetic shaped parts 11 in the direction transverse to the gap is 20 mm, while their thickness is greater than the gap width. This enables a flux concentration in the gap, which allows the magnetic field strength in the gap to be increased by up to three orders of magnitude compared to the field strength applied externally. Since this increased field strength acts on the actual sensor element, a highly sensitive magnetic field measuring element is created.

Claims

1. Sensor chip ( 1 ) on which one or more thin-film resistors are arranged for high-resolution measurement of the magnetic field strength, which show the magnetoresistive effect, characterized in that the thin-film resistors consist of electrically connected elliptical regions ( 2 ) of magnetoresistive layer and the individual elliptical Areas ( 2 ) have a distance ( 6 ), which is greater than a fifth of the large semiaxis of the ellipses, and that the electrical connection to the pads and between the elliptical areas ( 2 ) is made by non-magnetic conductive layer surfaces ( 3 ) that partially cover the elliptical areas ( 2 ), and that the cover of the elliptical areas ( 2 ) is symmetrical to each other on both sides and at least up to a distance from the edge of the elliptical areas ( 2 ) that is one third of the large semiaxis, and that the boundary line e of the covering of the elliptical areas ( 2 ) forms an angle with the large semiaxis.

2. Sensor chip according to claim 1, characterized in that two thin-film resistors formed by elliptical regions ( 2 ) are interconnected to form a voltage divider.

3. Sensor chip according to claim 2, characterized in that the thin-film resistors forming the voltage divider are arranged in a line, and that a center tap ( 8 ) is provided for leading out the output voltage.

4. Sensor chip according to claim 1, characterized in that four thin-film resistors formed by elliptical regions ( 2 ) are interconnected to form a Wheatstone bridge.

5. Sensor chip according to claim 4, characterized in that all four Thin film resistors of the Wheatstone bridge are arranged in a line.

6. Sensor chip according to claim 1, characterized in that the magnetization in all elliptical areas ( 2 ) points in the same direction.

7. Sensor chip according to claim 1, characterized in that above each thin-film resistor consisting of elliptical regions ( 2 ), a strip conductor ( 7 ) is arranged insulated, the longitudinal direction of which coincides with the direction of the self-magnetization of the elliptical regions ( 2 ).

8. Sensor chip according to claim 1 or 7, characterized in that a strip meander ( 9 ) is arranged insulated above the thin film resistors so that the longitudinal direction of its strips over the elliptical regions ( 2 ) forms a right angle with the self-magnetization of the magnetoresistive elliptical regions ( 2 ) forms.

9. Sensor chip according to claim 8, characterized in that the meander strips over the thin film resistors are alternately over an elliptical area ( 2 ) and over a non-magnetic conductive layer surface ( 3 ), so that when current flows through the strip meander ( 9 ) at the location of all magnetoresistive elliptical areas ( 2 ) the same magnetic field direction is present.

10. Sensor chip according to claim 8, characterized in that the meander strips over the thin film resistors each lie above the elliptical areas ( 2 ), so that when the current flows through the strip meander ( 9 ) at the location of the magnetoresistive elliptical areas ( 2 ) of a resistor, the magnetic field alternately points in the opposite direction.

11. Sensor chip according to one of the preceding claims, characterized in that on the chip surface in addition to the thin film resistors on one or both sides with soft magnetic material ( 10 ) surfaces are present.

12. Sensor chip according to claim 11, characterized in that the soft magnetic material ( 10 ) is produced on the chip surface by methods of thin-film technology.

13. Sensor chip according to claim 11 or 12, characterized in that the chip area in the region of the soft magnetic material ( 10 ) is lowered compared to the region of the thin film resistors.

14. Sensor chip according to claim 12 or 13, characterized in that on the soft magnetic thin-layer material ( 10 ) soft magnetic molded parts ( 11 ) are placed.

15. Sensor chip according to claim 1, characterized in that the Angle is 45 °.

16. Sensor chip according to claim 1, characterized in that the small and the large semi-axis of the ellipses match.