(57)【要約】  少なくとも１つの磁界検知性センサ層を集積ＧＭＲスピンバルブ多層システムに有するマグネットセンサ装置であって、磁界検知性センサエレメント（２，３，；４，５；１０，１１；１２，１３）が１つの測定ブリッジに接続されており、該センサエレメントの抵抗（Ｒ）は外部磁界に依存して変化する形式のマグネットセンサ装置が提案される。このセンサエレメントはそれぞれ少なくとも１つのほぼ線形の測定ストライプ（１０，１１，１２，１３）から形成されており、該測定ストライプはそれぞれ検出すべき磁界（Ｈ）の方向に対して垂直に伸長している。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの磁界検知性センサ層を集積スピンバルブ多層システムに有するマグネットセンサ装置であって、磁界検知性センサエレメント（２，３，；４，５；１０，１１；１２，１３）が１つの測定ブリッジに接続されており、該センサエレメントの抵抗（Ｒ）は外部磁界（Ｈ）に依存して変化する形式のマグネットセンサ装置において、
センサエレメントはそれぞれ少なくとも１つのほぼ線形の測定ストライプ（１０，１１，１２，１３）から形成されており、該測定ストライプはそれぞれ検出すべき磁界（Ｈ）の方向に対して垂直に伸長している、ことを特徴とするマグネットセンサ装置。
【請求項２】
請求項１記載のマグネットセンサ装置において、
巨大磁気抵抗材料（ＧＭＲ）からなるそれぞれ４つの測定ストライプ（１０，１１，１２，１３）がホイートストン測定ブリッジに接続されているマグネットセンサ装置。
【請求項３】
請求項１または２記載のマグネットセンサ装置において、
それぞれ複数の測定ストライプ（１０，１１，１２，１３）がセンサエレメントを形成するために並列に接続されているマグネットセンサ装置。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか一項記載のマグネットセンサ装置において、
測定ストライプ（１０，１１，１２，１３）はそれぞれ約２から１０μｍの幅を有するマグネットセンサ装置。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか一項記載のマグネットセンサ装置において、
マグネットセンサ装置（１）は、自動車の回転構成部材における回転数検出のための磁界勾配計として配置されているマグネットセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
従来技術
本発明は、請求項１の上位概念による、線形または回転運動するエレメントの運動をセンシングするためのマグネットセンサ装置に関する。
【０００２】
磁界検知構成素子としてのいわゆるＧＭＲセンサ（ＧＭＲ＝Giant Magneto Resistance、巨大磁気抵抗効果）を、自動車における回転角検出の際に比較的頑強なセンサとして適用できること自体は公知である。
交互に磁化および非磁化された薄膜金属層からなる適切な層システムで発生する作用がＧＭＲと称される。ここでは層システムの電気抵抗が印加される磁界に、スピン依存性の電子散乱により大きく依存することがあげられる。
【０００３】
例えばＤＥ１０１２８１３５Ａ１には、硬質磁気層を磁気抵抗層積層体の近傍に、すなわちその上および／または下に配置することが記載されている。この硬質磁気層はその漂遊磁界によってもっぱら磁気抵抗層と結合し、このときにいわゆるバイアス磁界を形成する。このバイアス磁界は磁界オフセットとして作用し、内部磁界に重畳される外部磁界が非常に弱く変化する場合でも、本来の測定値に良好に測定可能で比較的大きな変化を引き起こし、これが層システム内の抵抗変化として検出される。
【０００４】
さらにＤＥ１９９４９７１４Ａ１から、このようなセンサをいわゆるスピンバルブ層システムとして構成することが公知である。ここで軟磁性検出層は非磁化中間層によって硬質磁気層から分離されている。
ここで非磁化中間層は次のような層厚を有する。すなわち２つの磁気層の間で非磁化中間層を介しては僅かな磁気結合しか生じないような層厚を有する。これにより、軟磁性検出層の磁化方向を非常に小さな外部磁界によって決めることができるようになる。
【０００５】
ＧＭＲスピンバルブとして、基本的に少なくとも４つの層からなる層積層体がある。ここで層は以下の役目を引き受ける：
１．  印加される磁界に続く、十分に空いた自由層；
２．  ＧＭＲ作用に関与する２つの磁気層間にある非磁化中間層；
３．  磁気層であり、外部磁界に限界値まで接近しない固定層；
４．  固定層を固定するための１つまたは複数の層。第４の層は、反強磁性体、プラスチック反強磁性体、それらの組み合わせ、硬質磁気層、またはその他とすることができる。
【０００６】
前に説明したセンサはそれ自体公知のように、例えば自動車技術での回転数検出のために、しばしばいわゆる磁界勾配計システムで構成される。すなわちホイートストン測定ブリッジの各２つの分岐路が所定の間隔で配置され、これにより均質な磁界はブリッジ信号に作用しない。これに対して所定の間隔領域での磁界変化はブリッジ信号を形成する。これによりセンサは磁気的ポールホイールの信号だけを測定する。ポールホイールのポールペア間隔は所定の磁界勾配計間隔にほぼ相当する。
【０００７】
相応のことが、それ自体は強磁性ではないが、センサの近傍に取り付けられた磁石の磁界を磁化率によって変調するスチールホイールを使用する場合にも当てはまる。このようなセンサホイールに対する例は、突起と切欠部を有する歯付きホイールまたはセンサホイールである。ここでも磁界の変調だけが磁界勾配計間隔の尺度で測定される。
【０００８】
磁界勾配計をＧＭＲスピンバルブに基づき構成するために、ＧＭＲ材料からなる４つの測定ストライプが薄膜技術で構成される。評価電子回路に対して適切なブリッジ抵抗を１ｋΩのオーダにするため、通常はメアンダ状に配置された測定ストライプが選択される。
【０００９】
このようなＧＭＲスピンバルブ構造体の抵抗変化は非常に狭い磁界領域内で行われる。これによりスピンバルブ構造体自体は非常に小さな磁界強度変調を測定することができる。しかしこのような回転数センサを大きな動作間隔で使用すると、均質な外部磁界がＧＭＲセンサの動作点をシフトさせ、スピンバルブ構造体がポールホイールまたはセンサホイールの小さな磁界変化を場合により検出できなくなるという問題が生じる。
【００１０】
発明の利点
少なくとも１つの磁界検知性センサ層を集積スピンバルブ多層システムに有し、磁界検知性センサエレメントが測定ブリッジに接続されており、該測定ブリッジの電気抵抗は外部磁界に依存して変化する冒頭に述べた形式のマグネットセンサ装置の改善形態では、本発明により有利には、センサエレメントがそれぞれ、少なくともほぼ線形の測定ストライプから形成され、該測定ストライプは検出すべき磁界の方向に対してそれぞれ垂直に伸長している。
【００１１】
有利な実施形態によれば、明細書冒頭に述べたＧＭＲ材料からなるそれぞれ４つのセンサエレメントが薄膜技術でホイートストン測定ブリッジに接続されている。ここでは有利にはそれぞれ複数の測定ストライプを１つのセンサエレメントの形成のために平行に接続することもできる。ここで測定ストライプは有利には約２から１０μｍの幅を有する。
【００１２】
従って本発明の対象は、オーム抵抗の点で磁界に依存するセンサエレメントを、従来技術で通常のメアンダ形状ではなく十分に線形であり、数μｍの小さい幅の測定ストライプとして測定すべき磁界の方向に対して垂直に配向することである。
【００１３】
磁性体内の磁界が外部磁界とは異なること自体は公知である。これは各磁性体がその磁化によって外部磁界に対抗的に作用し、とりわけ磁性体内に存在する内部磁界が磁性体の幾何形状に依存するように作用するからである。とりわけ磁界は、その寸法が３次元で大きく異なる磁性体に、広がりがもっとも小さい方向でもっとも弱く入り込む。このことにより、磁化は外部磁界がない場合、有利には広がりの最も大きい方向を指す。このことにより、通常は完全に均質に磁化される磁性体の磁化特性曲線が、その幾何形状を基準にした磁界の方向に依存するようになる  
とりわけ薄膜磁気層では、層平面の磁界の特性曲線と、層平面に対して垂直な磁界の特性曲線とが明瞭に異なることを前提にできる。この理由から、測定ストライプの幅が測定磁界の方向に対して垂直方向で減少することは同様に特性曲線形状を変化させる。
【００１４】
冒頭に説明したＧＭＲスピンバルブ構造体の抵抗変化は、すでに述べたように非常に狭い磁界領域内で生じる。このことによりスピンバルブ構造体は、非常に小さな磁界強度変調を測定することができる。スピンバルブ構造体を回転数センサと使用する場合、このことはポールホイールまたはセンサホイールにより形成される信号に非常に高い感度を有することを意味する。とりわけ磁界変調を、動作間隔が大きい場合にでも確実に検出することができる。
【００１５】
しかしこのような回転数センサを大きな動作間隔で使用すると、均質な外部磁界がＧＭＲセンサの動作点をシフトさせ、スピンバルブ構造体がポールホイールまたはセンサホイールの小さな磁界変化を検出できなくなるという問題が生じる。本発明による測定ストライプの構成により特性曲線が傾斜するようになり、このことは高感度領域を拡大させ、同時に、特性曲線の小さな勾配に相当する最大感度を減少させる。
【００１６】
これにより有利には、本発明の磁界センサは、障害磁界が所定の最大値まで均質であっても確実に機能する。とりわけ±１ｋＡ／ｍの障害磁界に対する不感性が保証される。
【００１７】
図面
次に、添付の図面を参照しながら本発明に実施例について詳しく説明する。
図１は、従来技術によるメアンダ形状の測定ストライプをセンサエレメントとして有する磁界センサに対する測定ブリッジ回路の層構造を示す基本図である。
図２は、センサエレメントの電気抵抗の特性曲線を示す線図であり、電気抵抗は変調された磁界を電気信号に電磁的に変換するスキームにより磁界に依存する。
図３は、図２による特性曲線が外部障害磁界によりシフトされた様子を示す線図である。
図４は、図１とは異なり線形の測定ストライプを有する本発明の磁界センサを示す概略図である。
図５は、並列に接続された複数の線形測定ストライプをセンサエレメントとして有する別の実施例を示す概略図である。
図６は、図４または５による本発明のＧＭＲスピンバルブ測定ストライプの特性曲線を示す線図であり、ここでは勾配が小さく、特性曲線が外部障害磁界によりシフトされている。
【００１８】
実施例の説明
図１には従来技術公知のＧＭＲ磁界センサ１の基本構造が示されており、この磁界センサはマルチレイヤー構造または多層構造で作製されている。明細書冒頭に述べた磁界変化をセンシングするために、公知のメアンダ状測定ストライプ２，３，４，５がセンサエレメントして設けられており、これらのセンサエレメントはホイートストンブリッジ回路に統合接続されている。これにより測定ストライプ２，３，４，５の磁界に依存する抵抗変化を相応に評価することができる。
【００１９】
図２には、磁界Ｈに依存する測定ストライプ２，３，４，５の電気抵抗Ｒの特性曲線６が示されている。従って特性曲線６では信号７がセンシングすべき変調磁界に相応して電気信号８に、図１のＧＲＭスピンバルブ構造体によって変換される。
【００２０】
図３から、ここに図示しない回転数センサにおいて動作間隔が過度に大きいと、均質外部磁界が特性曲線６を、ひいてはＧＭＲセンサの動作点を矢印９に示すようにシフトし、図１のスピンバルブ構造体は回転数センサのポールホイールまたはセンサホイールの信号７による小さな磁界変化を検出できなくなることが分る。
【００２１】
線形測定ストライプ１０，１１，１２，１３をセンサエレメントとする本発明の構成が図４と５に示されている。ここで図５の実施例は図４の実施例とは異なり、複数の個別測定ストライプの並列回路がセンサエレメントとして設けられている。測定ストライプ１０，１１，１２，１３は明細書冒頭に述べたように巨大磁気抵抗材料（ＧＭＲ）からなり、薄膜技術でホイートストン測定ブリッジに従来技術と同じように接続されている。個々の測定ストライプ１０，１１，１２，１３は有利にはそれぞれ約２から１０μｍの幅を有する。
【００２２】
図６の特性曲線１４は、図５と５に示した本発明の測定ストライプ１０，１１，１２，１３の抵抗Ｒが磁界Ｈに依存して変化している様子を示す。この特性曲線１４の勾配は、図２と３の特性曲線１６とは異なり比較的に小さいことが分る。この平坦な経過によって、矢印１５により同様に示したように特性曲線１４が外部障害磁界によりシフトした場合でも、高感度領域が拡大する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、従来技術によるメアンダ形状の測定ストライプをセンサエレメントとして有する磁界センサに対する測定ブリッジ回路の層構造を示す基本図である。
【図２】図２は、センサエレメントの電気抵抗の特性曲線を示す線図であり、電気抵抗は変調された磁界を電気信号に電磁的に変換するスキームにより磁界に依存する。
【図３】図３は、図２による特性曲線が外部障害磁界によりシフトされた様子を示す線図である。
【図４】図４は、図１とは異なり線形の測定ストライプを有する本発明の磁界センサを示す概略図である。
【図５】図５は、並列に接続された複数の線形測定ストライプをセンサエレメントとして有する別の実施例を示す概略図である。
【図６】図６は、図４または５による本発明のＧＭＲスピンバルブ測定ストライプの特性曲線を示す線図であり、ここでは勾配が小さく、特性曲線が外部障害磁界によりシフトされている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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