**WARNUNG** Anfang DESC Feld konnte Ende CLMS uberlappen **.
PATENTANSPRÜCHE
1. Anordnung zum Detektieren des Nulldurchgangs eines Magnetfeldes, mit einem Magnetfeldsensor, einer Stromquelle und einer Auswerteschaltung, wobei der Magnetfeldsensor aus einem ferromagnetischen anisotropen magnetoresistiven Magnetfilm besteht, der zwischen ein Substrat und eine Isolationsschicht eingebettet, einem in Richtung der schweren Magnetisierungsachse angelegten statischen magnetischen Hilfsfeld ausgesetzt und aus der Stromquelle gespeist ist und dessen Anschlusskontakte an die Auswerteschaltung angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Isolationsschicht (5) eine flache Dünnfilmspule (6) angeordnet ist, die in Reihe mit dem Magnetfilm (2) an die Stromquelle (13) angeschlossen ist, vom gleichen Strom (I) durchflossen wird wie der Magnetfilm (2) und aus mehreren in einer oder zwei Ebenen angeordneten Windungen besteht,
welche in einem mit dem Magnetfilm (2) fluchtenden Bereich parallel zu dessen Längsrichtung verlaufen.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (di) der Isolationsschicht (5) einerseits viel kleiner als die effektive Breite (bs) der Dünnfilmspule (6) und andererseits wenigstens annähernd gleich gross ist wie die Zwischenraumbreite (b2) zwischen den einzelnen Windungen der Dünnfilmspule (6).
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Leiterbreite b@) der Dünnfilmspule (6) zur Zwischenraumbreite (b2) wenigstens annähernd 3 :1 beträgt.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (b) des Magnetfilms (2) nur wenig kleiner ist als die Breite (bs) der Dünnfilmspule (6).
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnfilmspule (6) zweilagig ist und dass die Leiter der einen Lage gegenüber den Leitern der anderen Lage seitlich versetzt sind.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Detektieren des Nulldurchgangs eines Magnetfeldes der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
Solche bekannte Anordnungen (EP-A 0 030 041) können z.B. zum Messen eines in einem elektrischen Leiter fliessenden Stromes verwendet werden, wobei der Magnetfilm den Nulldurchgang eines Magnetfeldes detektiert, das der Summe des vom elektrischen Strom erzeugten Magnetfeldes und einem alternierenden Vormagnetisierungsfeld entspricht. Dabei wird der anisotrope Magnetfilm dem zu detektierenden Magnetfeld in Richtung seiner leichten Magnetisierungsachse (magnetische Vorzugsrichtung) ausgesetzt, wodurch der Magnetfilm periodisch ummagnetisiert wird und sich sein elektrischer Widerstand sprungartig ändert.
Mit Hilfe der an die Anschlusskontakte des Magnetfilms angeschlossenen Auswerteschaltung wird der Zeitpunkt der Widerstandsänderung detektiert.
Um bei der Ummagnetisierung des Magnetfilms starke Signale mit steilen definierten Flanken zu erzielen, wird der Arbeitspunkt des Magnetfilms vorzugsweise in das Gebiet der rotierenden Ummagnetisierung verlegt, weil sich sonst die Magnetisierung im Magnetfilm durch sog. Wandverschiebungen ändert, was sich durch schwache, unruhige
Signale der Widerstandsänderung des Magnetfilms äussert.
Dieser Arbeitspunkt kann mittels eines statischen magnetischen Hilfsfeldes erreicht werden, das in Richtung der schweren Magnetisierungsachse, d.h. senkrecht zur Vorzugs richtung, an den Magnetfilm angelegt wird.
Bei sehr kleinen Magnetfilmen mit einer Breite in der Grössenordnung von höchstens 20 Mikrometer kann das statische Hilfsfeld auf sehr elegante Weise dadurch erzeugt werden, dass zwei sandwichförmig angeordnete Magnetfilme verwendet werden, wobei jeweils der im einen Magnetfilm fliessende Strom in der schweren Magnetisierungsachse des anderen Magnetfilms ein statisches magnetisches Hilfsfeld erzeugt und umgekehrt (EP-A 0 030 041). Bei Magnetfilmen mit makroskopischer Grösse, d.h. beispielsweise mit einer Breite von 200 Mikrometer, ist jedoch dieser Weg kaum gangbar, weil zu hohe Ströme benötigt würden, um ein Hilfsfeld ausreichender Stärke zu erzeugen.
Es ist auch eine Vorrichtung zur Messung schwacher Magnetfelder bekannt (DE-OS 1 951 230), bei der das statische magnetische Hilfsfeld (auch Polarisationsgleichfeld genannt) mittels der gewickelten Spule erzeugt und die Ausgangsimpulse an einer Fühlerwicklung abgegriffen werden.
Eine solche Anordnung weist einen grossen Raumbedarf auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, bei welcher der Magnetfeldsensor aus einem einzigen Magnetfilm makroskopischer Grösse besteht und das statische magnetische Hilfsfeld mit einfachen Mitteln unter Verzicht auf eine zusätzliche, leistungsstarke Stromquelle erzeugbar ist.
Die Erfindung ist im Anspruch 1 gekennzeichnet. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Magnetfeldsensor in der Draufsicht,
Fig. 2 den Magnetfeldsensor nach der Fig. 1 im Schnitt entlang der Linie A-A,
Fig. 3 den Magnetfeldsensor nach der Fig. 1 im Schnitt entlang der Linie B-B,
Fig. 4 verschiedene Masken zur Herstellung des Magnet feldsensors und
Fig. 5 ein Schaltbild.
In den Fig. 1 bis 3 bedeutet 1 ein Substrat aus einem elektrisch nicht oder zumindest schlecht leitenden Material. Als Substrat 1 eignet sich beispielsweise ein Glasplättchen oder ein Siliziumplättchen, das einen monolithischen integrierten Schaltkreis enthält und dessen Oberfläche mit einer dünnen Oxydschicht bedeckt ist. Auf der Oberfläche des Substrates 1 ist ein magnetisch anisotroper Magnetfilm 2 aus ferromagnetischem magnetoresistivem Material angeordnet. Die typischen Abmessungen des Magnetfilms 2 betragen 1 = 1 mm, b = 0,2 mm und d = 0,02 um, wobei 1 die aktive Länge, b die aktive Breite und d die Dicke bedeutet. Die leichte Magnetisierungsachse (Vorzugsrichtung) EA liegt in Längsrichtung und die schwere Magnetisierungsachse HA in Querrichtung des Magnetfilms 2. An seinen beiden Enden ist der Magnetfilm 2 verbreitert und mit Anschlusskontakten 3,4 versehen.
Eine Isolationsschicht 5 ist so auf das Substrat 1 und den Magnetfilm 2 aufgetragen, dass der aktive Teil des Magnetfilms 2 vollständig zwischen dem Substrat 1 und der Isolationsschicht 5 eingebettet ist und nur noch die Anschlusskontakte 3,4 frei zugänglich bleiben. Auf der Isolationsschicht 5 ist eine flache Dünnfilmspule 6 deponiert, die aus mehreren in einer gemeinsamen Ebene angeordneten Windungen besteht. In einem über dem aktiven Teil des Magnetfilms 2 liegenden, mit diesem fluchtenden Bereich verlaufen die Windungen der Dünnfilmspule 6 parallel zur Längsrichtung des Magnetfilms 2. Die beiden Enden der Dünnfilmspule 6 gehen in Anschlusskontakte 7, 8 über. Der Anschlusskontakt
7 des äusseren Spulenendes befindet sich ausserhalb der Iso lationsschicht 5 unmittelbar auf dem Anschlusskontakt 4 des
Magnetfilms 2, ist also mit diesem elektrisch verbunden.
Bei der Herstellung des beschriebenen Magnetfeldsensors
wird der Magnetfilm 2 jeweils im Nulldurchgang des Wechselfeldes ummagnetisiert und der elektrische Widerstand des Magnetfilms 2 ändert sprungartig. An den Anschlusskontakten 3, 4 des vom Strom I durchflossenen Magnetfilms 2 entstehen steile, wohldefinierte Spannungsimpulse, von denen jeder einen Nulldurchgang des Wechselfeldes markiert. In der Auswerteschaltung 14 werden diese Spannungsimpulse verstärkt und der weiteren Verabreichung zugeleitet
Da die Stärke H des Hilfsfeldes zur Windungszahl n proportional ist, genügt zur Erzeugung des Hilfsfeldes eine einzige leistungsarme Stromquelle 13, die zur Speisung des Magnetfilms 2 ohnehin erforderlich ist. Bei bs = 0,1 mm und n = 10 ist ein Strom I von lediglich 10 mA erforderlich, um ein Hilfsfeld mit einer Stärke H von 250 A/m zu erzeugen und damit den gewünschten Arbeitspunkt zu erreichen.
Damit im Magnetfilm 2 die gesamte Stärke H des Hilfsfeldes zur Wirkung kommt, soll die Dicke d der Isolationsschicht 5 viel kleiner sein als die Breite b4 der Dünnfilmspule 6. Andererseits soll die Dicke d1 etwa gleich gross sein wie die Zwischenraumbreite b2 zwischen den einzelnen Windungen der Dünnfilmspule 6 durch diese Massnahme wird erreicht.
dass der Magnetfilm 2 nahe bei der Dünnfilmspule 6 an einem Ort placiert ist, wo das magnetische Hilfsfeld besonders homogen ist und eine Welligkeit (ripple) von nur etwa 10% aufweist, die keinen störenden Einfluss auf den Ummagnetisierungsvorgang ausübt. Eine optimale Ausnutzung der durch den Strom I erzeugten magnetischen Durchflutung und eine minimale Welligkeit werden dann erreicht, wenn die Breite b des Magnetfilms 2 nur wenig kleiner ist als die Breite bs der Dünnfilmspule 6 und das Verhältnis der Leiterbreite bi der Dünnfilmspule 6 zur Zwischenraumbreite b2 etwa 3:1 beträgt.
Die Welligkeit des Hilfsfeldes kann weiter vermindert werden, wenn die Dünnfilmspule 6 zweilagig ausgebildet ist und die Leiter der einen Lage gegenüber den Leitern der anderen Lage seitlich um den Wert 1/2 (b@ + b2) versetzt sind, so dass sich die Leiter gegenseitig überlappen.
wird der Magnetfilm 2 mit Hilfe einer Maske 9 (Fig. 4a) auf das Substrat 1 aufgedampft oder photolithographisch aus einer zuvor das Substrat 1 vollständig bedeckenden, aufgedampften magnetischen Schicht geätzt. Die Deposition der Anschlusskontakte 3,4 auf den Enden des Magnetfilms 2 und die Deposition der Dünnfilmspule 6 und des Anschlusskontaktes 8 auf der Isolationsschicht 5 sowie des Anschlusskontaktes 7 auf dem Anschlusskontakt 4 erfolgt vorteilhaft nach einem photolithographischen Dünnfilm-Herstellungsverfahren mittels einer Maske 10 (Fig. 4b) bzw. 12 (Fig. 4d).
Als Material für die Dünnfilmspule 6 und die Anschlusskontakte 3, 4, 7 und 8 eignet sich z.B. Aluminium oder Gold. Zur Erzeugung der Isolationsschicht 5, die z.B. aus Siliciumoxyd bestehen kann, dient eine Maske 11 (Fig. 4c).
Gemäss der Fig. 5 ist die Dünnfilmspule 6 in Reihe mit dem Magnetfilm 2 an eine Stromquelle 13 angeschlossen und wird vom gleichen Strom I durchflossen wie der Magnetfilm 2. Die Anschlusskontakte 3, 4 des Magnetfilms 2 sind mit einer Auswerteschaltung 14 verbunden.
Die beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt:
Der in der Dünnfilmspule 6 fliessende Strom erzeugt ein Magnetfeld, das im Bereich der aktiven Länge des Magnetfilms 2, wo die einzelnen Leiter der Dünnfilmspule 6 parallel und sehr nahe entlang des Magnetfilms 2 verlaufen, homogen ist und der Beziehung
I.n/2b5 gehorcht, wobei n die Windungszahl der Dünnfilmspule 6 und bs die effektive Breite der Dünnfilmspule 6 bedeutet.
Dieses Magnetfeld liegt in Richtung der schweren Magnetisierungsachse HA des Magnetfilms 2 und wirkt als statisches magnetisches Hilfsfeld (bias), welches den Arbeitspunkt des Magnetfilms 2 in das Gebiet rotierender Ummagnetisierung verlegt.
Wird in Richtung der leichten Magnetisierungsachse EA ein zu detektierendes magnetisches Wechselfeld angelegt, so
** WARNING ** beginning of DESC field could overlap end of CLMS **.
PATENT CLAIMS
1. Arrangement for detecting the zero crossing of a magnetic field, with a magnetic field sensor, a current source and an evaluation circuit, the magnetic field sensor consisting of a ferromagnetic anisotropic magnetoresistive magnetic film which is embedded between a substrate and an insulation layer, a static magnetic auxiliary field applied in the direction of the heavy magnetization axis exposed and fed from the current source and its connection contacts are connected to the evaluation circuit, characterized in that a flat thin-film coil (6) is arranged on the insulation layer (5), which is connected in series with the magnetic film (2) to the current source (13) is connected, flows through the same current (I) as the magnetic film (2) and consists of several turns arranged in one or two levels,
which run in a region aligned with the magnetic film (2) parallel to its longitudinal direction.
2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the thickness (di) of the insulation layer (5) on the one hand is much smaller than the effective width (bs) of the thin film coil (6) and on the other hand is at least approximately the same size as the gap width (b2) between the individual turns of the thin film coil (6).
3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the ratio of the conductor width b @) of the thin film coil (6) to the gap width (b2) is at least approximately 3: 1.
4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the width (b) of the magnetic film (2) is only slightly smaller than the width (bs) of the thin film coil (6).
5. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the thin film coil (6) has two layers and that the conductors of one layer are laterally offset from the conductors of the other layer.
The invention relates to an arrangement for detecting the zero crossing of a magnetic field of the type mentioned in the preamble of claim 1.
Such known arrangements (EP-A 0 030 041) can e.g. be used to measure a current flowing in an electrical conductor, the magnetic film detecting the zero crossing of a magnetic field, which corresponds to the sum of the magnetic field generated by the electrical current and an alternating bias field. The anisotropic magnetic film is exposed to the magnetic field to be detected in the direction of its easy magnetization axis (preferred magnetic direction), as a result of which the magnetic film is periodically remagnetized and its electrical resistance changes abruptly.
With the aid of the evaluation circuit connected to the connection contacts of the magnetic film, the time of the change in resistance is detected.
In order to achieve strong signals with steeply defined flanks when remagnetizing the magnetic film, the working point of the magnetic film is preferably moved to the area of rotating remagnetization, because otherwise the magnetization in the magnetic film changes due to so-called wall displacements, which changes due to weak, restless ones
Expresses signals of change in resistance of the magnetic film.
This operating point can be achieved by means of a static magnetic auxiliary field which is in the direction of the heavy magnetization axis, i.e. perpendicular to the preferred direction, is applied to the magnetic film.
In the case of very small magnetic films with a width of the order of at most 20 micrometers, the static auxiliary field can be generated in a very elegant manner by using two sandwich-like magnetic films, the current flowing in one magnetic film in each case in the heavy magnetization axis of the other magnetic film generated static magnetic auxiliary field and vice versa (EP-A 0 030 041). For magnetic films with a macroscopic size, i.e. For example, with a width of 200 micrometers, this path is hardly feasible, because excessive currents would be required to generate an auxiliary field of sufficient strength.
A device for measuring weak magnetic fields is also known (DE-OS 1 951 230), in which the static auxiliary magnetic field (also called polarization direct field) is generated by means of the wound coil and the output pulses are picked up on a sensor winding.
Such an arrangement requires a large amount of space.
The invention has for its object to provide an arrangement of the type mentioned in the preamble of claim 1, in which the magnetic field sensor consists of a single magnetic film of macroscopic size and the static auxiliary magnetic field can be generated with simple means without an additional, powerful power source.
The invention is characterized in claim 1. Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawing. Show it:
1 shows a magnetic field sensor in plan view,
2 shows the magnetic field sensor according to FIG. 1 in section along the line A-A,
3 shows the magnetic field sensor according to FIG. 1 in section along the line B-B,
Fig. 4 different masks for producing the magnetic field sensor and
Fig. 5 is a circuit diagram.
1 to 3, 1 means a substrate made of an electrically non-conductive or at least poorly conductive material. A suitable substrate 1 is, for example, a glass plate or a silicon plate which contains a monolithic integrated circuit and whose surface is covered with a thin oxide layer. A magnetically anisotropic magnetic film 2 made of ferromagnetic magnetoresistive material is arranged on the surface of the substrate 1. The typical dimensions of the magnetic film 2 are 1 = 1 mm, b = 0.2 mm and d = 0.02 µm, where 1 means the active length, b the active width and d the thickness. The slight magnetization axis (preferred direction) EA lies in the longitudinal direction and the heavy magnetization axis HA lies in the transverse direction of the magnetic film 2. The magnetic film 2 is widened at both ends and provided with connecting contacts 3, 4.
An insulation layer 5 is applied to the substrate 1 and the magnetic film 2 such that the active part of the magnetic film 2 is completely embedded between the substrate 1 and the insulation layer 5 and only the connection contacts 3, 4 remain freely accessible. A flat thin-film coil 6 is deposited on the insulation layer 5 and consists of several turns arranged in a common plane. In a region lying above the active part of the magnetic film 2 and in alignment with it, the turns of the thin film coil 6 run parallel to the longitudinal direction of the magnetic film 2. The two ends of the thin film coil 6 merge into connection contacts 7, 8. The connection contact
7 of the outer coil end is located outside the insulation layer 5 directly on the connection contact 4 of the
Magnetic film 2, is therefore electrically connected to this.
In the manufacture of the magnetic field sensor described
the magnetic film 2 is remagnetized at the zero crossing of the alternating field and the electrical resistance of the magnetic film 2 changes abruptly. Steep, well-defined voltage pulses arise at the connection contacts 3, 4 of the magnetic film 2 through which the current I flows, each of which marks a zero crossing of the alternating field. These voltage pulses are amplified in the evaluation circuit 14 and passed on for further administration
Since the strength H of the auxiliary field is proportional to the number of turns n, a single low-power current source 13, which is required anyway for feeding the magnetic film 2, is sufficient to generate the auxiliary field. With bs = 0.1 mm and n = 10, a current I of only 10 mA is required in order to generate an auxiliary field with a strength H of 250 A / m and thus to achieve the desired operating point.
So that the entire thickness H of the auxiliary field comes into effect in the magnetic film 2, the thickness d of the insulation layer 5 should be much smaller than the width b4 of the thin film coil 6. On the other hand, the thickness d1 should be approximately the same as the gap width b2 between the individual turns of the Thin film coil 6 is achieved by this measure.
that the magnetic film 2 is placed close to the thin film coil 6 at a location where the auxiliary magnetic field is particularly homogeneous and has a ripple of only about 10%, which has no disruptive influence on the magnetization reversal process. Optimal utilization of the magnetic flux generated by the current I and minimal ripple are achieved if the width b of the magnetic film 2 is only slightly smaller than the width bs of the thin film coil 6 and the ratio of the conductor width bi of the thin film coil 6 to the gap width b2, for example Is 3: 1.
The ripple of the auxiliary field can be further reduced if the thin-film coil 6 is constructed in two layers and the conductors of one layer are laterally offset by the value 1/2 (b @ + b2) from the conductors of the other layer, so that the conductors are mutually opposed overlap.
the magnetic film 2 is vapor-deposited onto the substrate 1 with the aid of a mask 9 (FIG. 4a) or is etched photolithographically from a vapor-deposited magnetic layer which previously completely covered the substrate 1. The deposition of the connection contacts 3, 4 on the ends of the magnetic film 2 and the deposition of the thin film coil 6 and the connection contact 8 on the insulation layer 5 as well as the connection contact 7 on the connection contact 4 is advantageously carried out using a mask 10 (FIG. 4b) or 12 (Fig. 4d).
Suitable material for the thin film coil 6 and the connection contacts 3, 4, 7 and 8 is e.g. Aluminum or gold. To produce the insulation layer 5, which e.g. Can consist of silicon oxide, a mask 11 is used (Fig. 4c).
5, the thin film coil 6 is connected in series with the magnetic film 2 to a current source 13 and flows through the same current I as the magnetic film 2. The connection contacts 3, 4 of the magnetic film 2 are connected to an evaluation circuit 14.
The arrangement described works as follows:
The current flowing in the thin film coil 6 generates a magnetic field which is homogeneous in the area of the active length of the magnetic film 2, where the individual conductors of the thin film coil 6 run parallel and very close along the magnetic film 2, and the relationship
I.n / 2b5 obeys, where n means the number of turns of the thin film coil 6 and bs the effective width of the thin film coil 6.
This magnetic field lies in the direction of the heavy magnetization axis HA of the magnetic film 2 and acts as a static auxiliary magnetic field (bias) which relocates the operating point of the magnetic film 2 to the area of rotating magnetic reversal.
If an alternating magnetic field to be detected is applied in the direction of the easy magnetization axis EA, so