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Title:
ASSEMBLY FOR TRANSMITTING SIGNALS USING MAGNETORESISTIVE SENSOR ELEMENTS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2002/006844
Kind Code:
A1
Abstract:
The signal transmission assembly has an electric conductor strip (11) that generates a magnetic signal field by means of a current flow (I), in addition to several magnetoresistive sensor elements (7¿i?) with a magnetization (m¿i?) that are connected using two bridge branches (Z1, Z2) to form a complete or partial bridge (B). The conductor strip (11) is guided over the sensor elements (7¿i?) in such a way that alternately a sensor element from the first bridge branch (Z1) and from the second bridge branch (Z2) is detected by said strip (11) and the same current flow direction (I) is given in diagonal sensor elements (7¿1?, 7¿4? or 7¿2?, 7¿3?).

Inventors:
CLEMENS WOLFGANG (DE)
VIETH MICHAEL (DE)
Application Number:
PCT/DE2001/002476
Publication Date:
January 24, 2002
Filing Date:
July 04, 2001
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
CLEMENS WOLFGANG (DE)
VIETH MICHAEL (DE)
International Classes:
G01R33/09; (IPC1-7): G01R33/09; G01R15/20
Domestic Patent References:
WO1998007165A21998-02-19
WO1994015223A11994-07-07
Foreign References:
EP0782002A11997-07-02
DE19649265A11998-06-04
DE19933209A12000-02-03
Other References:
FENG J S: "Self Biased Magnetoresistive Bridge Configuration for Current Measurement. April 1976.", IBM TECHNICAL DISCLOSURE BULLETIN, vol. 18, no. 11, 1 April 1976 (1976-04-01), New York, US, pages 3847 - 3851, XP002181331
VDI-TECHNOLOGIEZENTRUM: "XMR-Technologien ("Technologieanalyse: Magnetismus, Band 2)", 1997, DÜSSELDORF (DE), XP001029290
LEMME H: "EIN MODUL FUER ALLE STROMBEREICHE MAGNETORESISTIVE STROMSENSOREN KOMPAKT WIE NOCH NIE", ELEKTRONIK, FRANZIS VERLAG GMBH. MUNCHEN, DE, vol. 48, no. 18, 7 September 1999 (1999-09-07), pages 71 - 72,74-79, XP000924135, ISSN: 0013-5658
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Postfach 22 16 34 München, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Anordnung zur Signalübertragung mit wenigstens einer ein magnetisches Signalfeld mittels Stromfluss erzeugenden e lektrischen Leiterbahn sowie mehreren zu einer Volloder Teilbrücke mit zwei Brückenzweigen verschalteten, der Leiter bahn zugeordneten, von dieser galvanisch getrennten, magneto resistiven Sensorelementen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass jedes magnetoresistive Sensorelement (7i) bei fehlendem Signalfeld (12) eine Magnetisierung (mi) mit einer in dieselbe Richtung weisenden Ausgangslage besitzt und die Leiterbahn (11) derart über die Sensorelemente (7i) aus den beiden Brückenzweigen (Z1, Z2) geführt ist, dass von ihr (11) alternierend ein Sensorelement aus dem ersten Brü ckenzweig (ZI) und aus dem zweiten Brückenzweig (Z2) erfasst wird und in diagonalen Sensorelementen (71, 74 bzw. 72, 73) dieselbe Stromflussrichtung gegeben ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Sensorelemente (7) jeweils ein einen erhöhten magnetoresistiven Effekt zeigendes Mehrschich tensystem umfassen, das mindestens eine weichmagnetische Schicht (4), mindestens eine weitere ferromagnetische Schicht (1) sowie mindestens eine dazwischen angeordnete, nicht magnetische Zwischenschicht (3) enthält.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, g e k e n n z e i c h n e t durch ein Mehrschichtensystem mit einer ge genüber der mindestens einen weichmagnetischen Schicht (4) magnetisch härteren, von dieser durch die nichtmagnetische Zwischenschicht (3) beabstandeten Magnetschicht (1) oder ein entsprechendes Schichtsystem.
4. Anordnung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das magnetisch härtere Schichtsystem als ein mehrschichtiger künstlicher Antiferro magnet (AAF) und/oder ein natürlicher Antiferromagnet (NAF) oder ein Ferrimagnet mit gekoppelter Magnetschicht ausgebil det ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Mehr schichtensystem als ein magnetoresistives Tunnelelement mit einer isolierenden oder halbleitenden Zwischenschicht (3) ausgebildet ist.
6. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Ausbildung der Sensor elemente (7i) zumindest weitgehend auf einer gemeinsamen Ebe ne eines Substrates (8).
7. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch Mittel zu deren magnetischer Abschirmung gegen externe magnetische Störfelder (Hst).
8. Anordnung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass mindestens eine weichmagnetische Schicht (15) als Abschirmungsmittel an der den Sensorelemen ten (7i) abgewandten Seite der wenigstens einen Leiterbahn (11) isoliert gegenüber dieser angeordnet ist.
9. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Verwendung als ein Stromsensor oder ein Magnetokoppler.
10. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Integration mit Bautei len der Siliziumtechnologie.
Description:
Beschreibung Anordnung zur Signalübertragung mittels magnetoresistiver Sensorelemente Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Signalüber- tragung mit wenigstens einer ein magnetisches Signalfeld mit- tels Stromfluss erzeugenden elektrischen Leiterbahn sowie mehreren zu einer Voll-oder Teilbrücke mit zwei Brückenzwei- gen verschalteten, der Leiterbahn zugeordneten, von dieser galvanisch getrennten magnetoresistiven Sensorelementen.

Auf vielen Gebieten der Technik wie z. B. der digitalen Infor- mationsübertragung oder der Messtechnik wird eine potential- freie Übertragung von elektrischen Signalen gefordert. So werden zur galvanisch getrennten Signalübertragung in der Kommunikations-und Automatisierungstechnik überwiegend soge- nannte Optokoppler verwendet. Hierbei wird auf einen Eingang ein elektrisches (primares) Datensignal gegeben, das mittels einer lichtemittierenden Diode (LED) in ein optisches Strah- lungssignal umgewandelt wird. Dieses Strahlungssignal wird durch ein isolierendes, optisch transparentes Medium hindurch auf ein optisches Sensor-oder Detektorelement übertragen, wo es wieder in ein elektrisches (sekundäres) Signal rückverwan- delt wird.

Eine derartige digitale Informationsübertragung mittels Opto- kopplern ist begrenzt in der übertragungsrate durch die be- schranke Bandbreite der optischen Elemente (mit etwa 50 MBd entsprechend 25 MHz) und in der Bauform durch die beschränkte Integrierbarkeit der optischen Elemente mit der Siliziumtech- nologie. Ferner können die optischen Elemente nur in einem Temperaturbereich bis maximal etwa 85°C und außerdem im all- gemeinen nur mit Betriebsspannungen von mindestens 5 V be- trieben werden.

Neben einer solchen optoelektrischen Signalübertragung ist auch eine magnetische Übertragung beispielsweise unter Ver- wendung von Hall-Sonden bekannt. Mit solchen Sonden lassen sich nämlich alle die Signalgrößen erfassen, welche Magnet- felder erzeugen oder beeinflussen. So ist z. B. aus dem Buch von E. Schrüfer"Elektrische Messtechnik", 6. Auflage, 1995, Hanser-Verlag München, Seiten 165 bis 168 eine entsprechende, potentialfreie Messung eines Stromes zu entnehmen.

Darüber hinaus ist auf dem Gebiet der Magnetoelektronik mög- lich, mit magnetoresistiven Sensorelementen sogenannte Magne- tokoppler aufzubauen, die ebenfalls eine galvanisch getrennte Datenübertragung ermöglichen. Hier lassen sich die aufgezeig- ten Begrenzungen der Optokoppler deutlich überschreiten, z. B. mit einer deutlich höheren Datenübertragungsrate und der Mög- lichkeit, entsprechende Bauteile auch noch bei kleineren Spannungen als 5 V zu betreiben. Ferner sind derartige Magne- tokoppler mit Elektronikbauteilen der Si-Technologie zu in- tegrieren. Selbstverständlich können sie auch nach entspre- chender Anpassung zur analogen Strommessung verwendet werden.

Mit der nicht-vorveröffentlichten DE-Patentanmeldung 100 17 374.8 vom 7.4.2000 wurde ein entsprechender Magneto- koppler vorgeschlagen. Er enthält gemäß einer besonderen Aus- führungsform mehrere zu einer Voll-oder Teilbrücke mit zwei Brückenzweigen verschalteten magnetoresistiven Sensorelemen- te. Diesen Sensorelementen ist wenigstens eine ein magneti- sches Signalfeld mittels Stromflusst erzeugende elektrische Leiterbahn zugeordnet. Jedes Sensorelement umfasst ein einen erhöhten magnetoresistiven Effekt zeigendes Mehrschichtensys- tem, das mindestens eine weichmagnetische Messschicht, min- destens eine weitere ferromagnetische Schicht sowie mindes- tens eine dazwischen angeordnete nicht-magnetische Zwischen- schicht enthält, wobei die Magnetisierung der weichmagneti- schen Messschicht bei fehlendem Signalfeld eine von der Vor- zugsachse der Magnetisierung dieser Schicht abhängende vorbe- stimmte Ausgangslage hat. Die Vorzugsachse der Magnetisierung

ist dabei sensorintrinsisch ; d. h. ihre Einprägung kann sowohl durch einen besonderen Schichtaufbau z. B. durch Auswahl des Materials und/oder der Schichtdicke, aber auch durch eine be- stimmte geometrische Form, z. B. durch ein vorbestimmtes Ver- hältnis von Länge zu Breite, und/oder durch eine durch ein äußeres Magnetfeld eingeprägte Anisotropie geschehen. Eine solche Anisotropie lässt sich entweder während des Herstel- lungsprozesses oder nachträglich durch einen Temperschritt in einem Magnetfeld erzeugen. Entsprechende Magnetokoppler kön- nen bis etwa 150°C betrieben werden und lassen sich mit Bau- teilen der Siliziumtechnologie integrieren bzw. kombinieren.

Die Mehrschichtsysteme des Magnetokopplers können auch als magnetoresistive Tunnelelemente ausgebildet sein, wobei ihre nicht-magnetischen Zwischenschichten dann aus einem elekt- risch isolierenden Material bestehen.

Auch aus der WO 98/07165 geht ein Magnetokoppler hervor, der zur Stromdetektion vier Sensorelemente besitzt, mit denen ein magnetisches Signalfeld zu detektieren ist, welches mittels Stromfluss durch eine Flachspule erzeugt wird. Die Leiter- bahnen dieser Flachspule verlaufen dabei orthogonal über die 'Sensorelemente und sind galvanisch gegenüber diesen getrennt.

Auch hier sind die Sensorelemente jeweils als Mehrschichten- systeme mit zwei ferromagnetischen Schichten aufgebaut, die jeweils durch eine elektrisch leitende, nicht magnetische Zwischenschicht getrennt sind und magnetoresistiv, anisotrop sind. Die Mehrschichtsysteme können insbesondere den soge- nannten GMR-Effekt zeigen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die Anordnung zur Signalübertragung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, dass sie einen besonders einfa- chen Aufbau ihrer magnetoresistiven Sensorelemente ermög- licht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass jedes magnetoresistive Sensorelement bei fehlendem Signalfeld eine Magnetisierung mit einer in dieselbe Richtung weisenden Aus- gangslage besitzt und die Leiterbahn derart über Sensorele- mente aus den beiden Brückenzweigen geführt ist, dass von ihr alternierend ein Sensorelement aus dem ersten Brückenzweig und ein dazu diagonal in der Brücke angeordnetes Sensorele- ment aus dem zweiten Brückenzweig erfasst wird und in diago- nalen Sensorelementen dieselbe Stromflussrichtung gegeben ist.

Die magnetoresistiven Sensorelemente können dabei anisotrop magnetoresistiv (sogenannte"AMR-Elemente"), giant- magnetoresistiv (sogenannte"GMR-Elemente"), tunnel- magnetoresistiv (sogenannte"TMR-Elemente") oder kolossal- magnetoresistiv (sogenannte CMR-Elemente") aufgebaut sein (vgl. z. B. den Band"XMR-Technologien" (Technologieanalyse : Magnetismus, Band 2) des VDI-Technologiezentrums"Physikali- sche Technologien", Düsseldorf (DE) 1997, Seiten 11 bis 46).

Der Strompfad der Signalübertragung wird dabei durch mindes- tens eine Isolationsschicht getrennt so über die Brückenan- ordnung dieser Elemente geführt, dass man Signale unter- schiedlichen Vorzeichens an den einzelnen Sensorelementen enthält und somit eine Brückenanordnung gegeben ist. Eine solche Brückenanordnung zeigt vorteilhaft eine weitgehende Temperaturstabilität des Signals, da die Widerstände der Ein- zelsensoren sich in gleicher Weise bei Temperaturschwankungen ändern. Es ist dabei unerheblich, ob man mit den Sensorele- menten eine Vollbrücke oder eine Teilbrücke wie z. B. eine Halbbrücke aufbaut (vgl. DE 195 07 303 A1 oder DE 196 19 806 A1). Durch den Aufbau der Brückenanordnung lässt sich gewährleisten, dass die Sensorelemente, die eine Vorzugsrichtung haben, in dieselbe Richtung aufmagnetisiert werden können und trotzdem an den Einzelsensorelementen Wi- derstandsänderungen mit unterschiedlichem Vorzeichen gemessen werden. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Maßnahmen sind so- mit darin zu sehen, dass ein einfacher Aufbau der Signalüber-

tragungsanordnung mit ihren zu einer Voll-oder Teilbrücke verschalteten Magnetokopplern aufgrund der einheitlichen Mag- netisierungen der Sensorelemente ermöglicht ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Signal- übertragungsanordnung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

So können gemäß einer speziellen Ausführungsform jeweils ihre Sensorelemente jeweils ein einen erhöhten magnetoresistiven Effekt zeigendes Mehrschichtensystem umfassen, das mindestens eine weichmagnetische Messschicht, mindestens eine weitere ferromagnetische Schicht sowie mindestens eine dazwischen an- geordnete nicht-magnetische Zwischenschicht enthält. Dabei können diese Mehrschichtensysteme besonders empfindliche gi- ant-magnetoresistive oder tunnel-magnetoresistive Sensorele- mente mit einem hart-und einem weichmagnetischen Teil bil- den. Der hartmagnetische Sensorteil braucht vorteilhaft nur einmal in der Produktion aufmagnetisiert zu werden, womit die Magnetisierungsrichtung permanent erhalten bleibt. Die weich- magnetische Schicht lässt sich nun durch ein externes Magnet- feld sehr leicht ausrichten. Der elektrische Widerstand der Sensorelemente hängt ab von der relativen Lage der Magneti- sierung der hart-und der weichmagnetischen Schicht. Dabei werden vorteilhaft Temperatureinflüsse dadurch vermindert, dass hier eine Brückenanordnung vorgesehen ist, wobei antipa- rallel vormagnetisierte Sensorelemente miteinander verschal- tet werden.

Zur Magnetisierung kann in besonders einfacher Weise die Stromleiterbahn benutzt werden, um die hartmagnetischen Schichten der Sensorelemente durch einen entsprechend großen Stromstoß aufzumagnetisieren und somit auszurichten.

Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Signalübertragungsan- ordnung Mittel zu ihrer magnetischen Abschirmung gegen exter- ne magnetische Störfelder auf. Entsprechende Mittel können

insbesondere an der den Sensorelementen abgewandten Seite der wenigstens einen Leiterbahn und gegebenenfalls galvanisch ge- trennt von dieser in Form einer weichmagnetischen Schicht an- geordnet sein. Eine solche Schicht kann vorteilhaft auch die Funktion eines magnetischen Spiegels bezüglich des von der mindestens einen Leiterbahn hervorgerufenen magnetischen Feldsignals ausüben und kann somit zu einer entsprechenden Signalverstärkung beitragen.

Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Signalübertra- gungsanordnung vorteilhaft als ein Stromsensor verwendet wer- den. Ein durch deren elektrische Leiterbahn fließender Strom kann nämlich zur Erzeugung eines primären Signalfeldes er- zeugt werden, das dann von den magnetoresistiven Sensorele- menten detektiert und in ein sekundäres Signal umgewandelt wird.

Vorteilhaft ist auch, dass sich die erfindungsgemäße Signal- übertragungsanordnung mit Bauteilen der Siliziumtechnologie integrieren lässt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Signalübertragungseinrichtung gehen aus den übrigen Unteran- sprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figuren jeweils sche- matisch Teile von erfindungsgemäßen Stromübertragungseinrich- tungen veranschaulicht sind. So zeigen deren Figur 1 einen Hart-Weich-Aufbau eines magnetoresistiven Sen- sorelementes, Figur 2 typische Kennlinien von verschiedenen geeigneten Sen- sorelementen, Figur 3 eine Brückenschaltung gemäß dem Stand der Technik, Figur 4 mit der Brückenschaltung nach Figur 3 sich ergebende Kennlinien,

Figur 5 einen Querschnitt durch einen Schichtaufbau eines Sensorelementes mit zugeordneter Leiterbahn, Figur 6 einen Brückenaufbau einer erfindungsgemäßen Signal- übertragungsanordnung, Figur 7 einen Querschnitt durch den Brückenaufbau nach Figur 6, Figur 8 einen geeigneten Brückenaufbau in Form einer Halbbrü- cke und Figur 9 eine geeignete magnetische Schirmung gegen externe Streufelder.

Dabei sind in den Figuren sich entsprechende Teile mit den- selben Bezugszeichen versehen.

Vorteilhaft sind für die erfindungsgemäße Signalübertragungs- anordnung giant-magnetoresistive (GMR) oder tunnel- magnetoresistive (TMR) Sensorelemente im sogenannten Spin- Valve-Aufbau zu verwenden. Ein entsprechender prinzipieller Aufbau eines entsprechenden Sensorelementes mit hart-und weichmagnetischen Schichten geht aus dem Schnittbild der Fi- gur 1 hervor. Dabei sind bezeichnet mit 1 eine hartmagneti- sche Schicht, mit 2 eine Magnetisierungsrichtung dieser Schicht, mit 3 eine nicht-magnetische Zwischenschicht, mit 4 eine weichmagnetische Schicht, mit 5 eine Magnetisierungs- richtung dieser weichmagnetischen Schicht sowie mit 6 ein ex- ternes Magnetfeld Hex. Die hartmagnetische Schicht 1 des all- gemein mit 7 bezeichneten Sensorelementes kann dabei eine einzelne Schicht sein, z. B. aus Co oder einer Co-Legierung, oder auch aus einem Schichtensystem bestehen. Ein solches Schichtensystem kann insbesondere als ein sogenannter kunst- licher Antiferromagnet AAF (artificial antiferromagnet) aus- gebildet sein (vgl. die WO 94/15223), der sich wie ein Perma- nentmagnet verhält und auch als ein Biasschichtteil anzusehen ist. Stattdessen kann das Schichtsystem auch einen natürli- chen Antiferromagneten NAF mit einer daran gekoppelten Mag- netschicht bilden. Selbstverständlich ist auch eine Kombina- tion von beiden Schichtsystemtypen möglich. Auch ein Fari-

magnet mit angekoppelter Magnetschicht ist statt des NAF- Systems denkbar. Die nicht-magnetische Zwischenschicht 3 kann im Falle eines GMR-Sensorelementes eine metallische Schicht sein. Stattdessen kann sie im Falle eines TMR-Sensorelementes auch aus einem isolierenden Material oder einem halbleitenden Material bestehen. Die weichmagnetische Schicht 4 ist an die hartmagnetische Schicht 1 oder ein entsprechendes Schichten- system magnetisch nur schwach gekoppelt oder gegenüber dieser Schicht/Schichtsystem entkoppelt. Der weichmagnetischen Schicht kann gegebenenfalls eine Anisotropie aufgeprägt sein oder auch nicht. Es ergeben sich dabei verschiedene Kennli- nien. Beide Varianten können für die Sensorelemente ausge- nutzt werden. Der gezeigte Aufbau kann natürlich auch mehr- fach in einem Schichtsystem wiederholt werden, um so den Sen- soreffekt zu erhöhen (vgl. die genannte WO 94/15223 A).

Figur 2 zeigt typische Kennlinien von Einzelsensorelementen vom Spin-Valve-Typ ohne und mit Anisotropie. Dabei zeigt das obere Diagramm a) die Kennlinie (Widerstand R als Funktion der Feldstärke des externen Feldes HeX) für ein ungekoppeltes Spin-Valve-System. Es zeigt sich eine Hysterese der Kennlinie mit einer remanenten Magnetisierung ohne äußeres Feld. Die in dem-unteren Diagramm b) gezeigte Kennlinie ergibt sich für ein ungekoppeltes Spin-Valve-System, wobei die weichmagneti- sche Schicht (Messschicht) eine eingeprägte Anisotropie hat.

Eine solche Anisotropie kann in an sich bekannter Weise durch vielfältige Maßnahmen erzeugt werden. Gezeigt ist die Kennli- nie für den Fall, dass diese Anisotropie senkrecht zur Magne- tisierung der hartmagnetischen Schicht ausgerichtet ist. An- dere Ausrichtungen sind selbstverständlich auch möglich.

In bekannter Weise sind auch andere Methoden möglich, eine Vorzugsrichtung in der weichmagnetischen Schicht anzubringen, z. B. durch ein externes Feld oder durch eine leichte Kopplung zur hartmagnetischen Schicht.

Aus Figur 3 geht eine bekannte Wheatstone-Brückenanordnung von Sensorelementen 7i hervor. Dabei sind vier Sensorelemente 7i (mit i = 1.... 4) in zwei Brückenzweigen Z1 bzw. Z2 zusam- men geschaltet, wobei die zu einem Brückenzweig gehörenden Sensorelemente eine antiparallele Ausrichtung der hartmagne- tischen Schicht zueinander haben. Die entsprechenden Magneti- sierungsrichtungen der Sensorelemente 7i sind mit mi (mit i = 1.... 4). Selbstverständlich ist auch ein sogenannter Halbbrückenaufbau oder Teilbrückenaufbau möglich (vgl. die genannte DE 196 19 806 A1). In der Figur sind ferner mit GND ein elektrisches Grundpotential, mit U ein demgegenüber er- höhtes Spannungspotential, auf das die beiden Brückenzweige Z1 und Z2 gelegt sind, sowie mit V1 und V2 die Spannungspo- tentiale an den entsprechenden Abgriffen für die Brückenspan- nung V = V1-V2 bezeichnet.

In Figur 4 sind typische Kennlinien bei einer Brückenanord- nung der Sensorelemente nach Figur 3 wiedergegeben, und zwar für den Fall der Kennlinien der Einzelelemente gemäß Figur 2 : a) = ohne Anisotropie der weichmagnetischen Schicht, b) = mit Anisotropie der weichmagnetischen Schicht.

Im Idealfall gibt es nun keinen Offset mehr.

Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch einen strukturierten integrierten Schichtaufbau für einen Stromsensor oder einen Magnetokoppler 9 aus einer Brückenschaltung einer erfindungs- gemäßen Signalübertragungsanordnung. Stellvertretend für die magnetoresistiven Sensorelemente dieser Anordnung ist hier nur ein einziges Sensorelement 7i als gesamtes Schichtpaket dargestellt. Die Sensorelemente werden vorteilhaft durch Sputtern auf ein Substrat 8, z. B. einen thermisch isolierten Si-Wafer aufgebracht. Durch Strukturierungsschritte werden die einzelnen Sensorelemente hergestellt. Darauf kommt min- destens eine Passivierungsschicht 10, um das Sensorelement insbesondere vor Umwelteinflüssen zu schützen. Diese Passi- vierungsschicht dient auch als Isolationsschicht. Es kann auch eine Kombination aus Passivierungs-und Isolations-

schicht aufgebaut werden. Darauf werden die erforderlichen Stromleiterbahnen 11 aufgebracht, die so strukturiert werden, wie z. B. in den Figuren 6 und 8 nachfolgend veranschaulicht ist. Durch die Stromleiterbahnen wird ein Strom I geschickt, dessen Stromführungsrichtung mit dem üblicherweise verwende- ten Zeichen veranschaulicht ist. Mittels dieses Stromes soll die gewünschte Information übertragen werden. Um die Strom- leiterbahnen bildet sich ein Magnetfeld 12 aus, das nun von den Sensorelementen 7i erfasst wird. Damit ist eine galva- nisch getrennte Signalübertragung möglich. Es hängt nun vom verwendeten Schichtsystem und der anschließenden Auswerte- elektronik ab, ob das Signal analog oder digital übertragen wird. Im ersteren Fall ergibt sich ein analoger Stromsensor, im zweiten Fall z. B. ein Magnetokoppler.

Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines vorteilhaften Verlaufes des Pfades für einen Strom I über eine Leiterbahn 11 für eine Signalübertragungsanordnung nach der Erfindung in Aufsicht. Die Sensorelemente 71 bis 74 sind zu einer Brücken- anordnung B verschaltet. Sie können vorteilhaft auf einer ge- meinsamen Ebene eines Substrates ausgebildet werden. Jedoch ist im Gegensatz zu der Ausführungsform nach Figur 3 bei al- len Sensorelementen die hartmagnetische Schicht in dieselbe Richtung aufmagnetisiert. Die Magnetisierungen mil bis m44 weisen deshalb alle in dieselbe Richtung. Dies ist ein großer Vorteil, da bei der Herstellung der gesamte Wafer homogen aufmagnetisiert werden kann. Außerdem kann man Schichtaufbau- ten nehmen wie z. B. Exchange-Bias-Systeme, bei denen die Mag- netisierung verhältnismäßig komplex z. B. mit einem bestimmten Temperaturzyklus durchgeführt werden muss. Hierbei wird die Stromleiterbahn 11 so über die einzelnen Sensorelemente ge- führt, dass zueinander benachbarte Elemente innerhalb eines Stromzweiges Z1 oder Z2 und in den beiden Stromzweigen Sen- sorelemente ein antiparalleles Magnetfeld sehen. D. h., jedes magnetoresistive Sensorelement 7i besitzt bei fehlendem Sig- nalfeld der Stromleiterbahn eine Magnetisierung mit einer in dieselbe Richtung weisenden Ausgangslage. Dabei soll die Lei-

terbahn 11 derart über die Sensorelemente aus den beiden Brü- ckenzweigen Z1 und Z2 geführt sein, dass von ihr alternierend ein Sensorelement aus dem ersten Brückenzweig Z1 und aus dem zweiten Brückenzweig Z2 erfasst wird und somit in diagonalen Sensorelementen der Brückenordnung B jeweils dieselbe Strom- flussrichtung gegeben ist. Folglich ist die Stromflussrich- tung über den Sensorelementpaaren-71-74 und 72-73 jeweils gleich. Dann ist vorteilhaft durch die jeweiligen Kennlinien ebenfalls ein Brückensignal wie in Figur 4 dargestellt zu er- reichen. Der gezeigte Aufbau ist wesentlich einfacher als an- dere Alternativen, wie sie z. B. als Kompensationsschaltungen von Stromsensoren bekannt sind. Selbstverständlich sind auch andere Ausführungsformen als der in Figur 6 gezeigte Aufbau möglich ; es ist nämlich nur wichtig, dass die Stromleiterbahn 11 so über die einzelnen Sensorelemente 7i geführt wird, dass von der elektrischen Seite her gesehen eine Brückenanordnung entsteht, die eine Differenzmessung ermöglicht.

Figur 7 zeigt einen Querschnitt durch den Schichtaufbau für einen Magnetokoppler 9 mit einer Brückenanordnung nach Figur 6 in Figur 5 entsprechender Darstellung. Wie aus der Figur hervorgeht, ist das Magnetfeld 12 zweier nebeneinander lie- gender Teile der Stromleiterbahn 11, durch die derselbe Strom I fließt, jedoch in entgegengesetzter Richtung, antiparallel zueinander. Somit spiegeln sich die Kennlinien der jeweils darunterliegenden Sensorelemente 7i, wodurch sich ein Brü- ckensignal ergibt.

Figur 8 zeigt die Auslegung des Strompfades durch eine Strom- leiterbahn 11 für einen Halbbrückenaufbau, wobei eine Figur 6 entsprechende Darstellung gewählt ist. Es kann nämlich sein, dass bei bestimmten Sensorstrukturen eine Vollbrückenschal- tung nicht möglich oder nur mit großem Aufwand zu realisieren ist. Hier ist auch eine Halbbrückenanordnung wie in Figur 8 gezeigt geeignet. Dabei liegen nur zwei Sensorelemente wie z. B. die Elemente 7z und 73 unter der Stromleiterbahn 11, während die anderen nicht von deren Signalfeld beeinflusst

werden. Die zwei nicht beeinflussten Sensorelemente 71 und 74 können gegebenenfalls auch durch normale Widerstände ersetzt sein (vgl. z. B. die genannte DE 195 07 303 A1) ; im Hinblick auf eine Temperaturstabilität des Signals ist es jedoch von Vorteil, auch für die Elemente 71 und 74 Sensorstrukturen wie für die anderen Sensorelemente 72 und 73 zu wählen.

Darüber hinaus kann gemäß dem in Figur 9 gezeigten Quer- schnitt eine weichmagnetische Schicht 15 bzw. ein weichmagne- tischer Schichtaufbau in die Struktur eingebaut sein, der den Einfluss externer Streufelder verringert/abschirmt. Dies ist im allgemeinen von Vorteil, da die Sensorelemente 7i sehr empfindlich ausgelegt werden müssen für eine effektive Daten- übertragung. Ein solcher weichmagnetischer Schichtaufbau bzw. die weichmagnetische Schirmungsschicht 15 kann auch dazu ge- nutzt werden, um das Magnetfeld der Stromleiterbahn effekti- ver an die zugeordneten Sensorelemente zu koppeln bzw. um die Feldstärke an den Sensorelementen zu erhöhen. Die weichmagne- tische Schicht bzw. Schichtstruktur kann auch in einer be- stimmten Weise geformt sein, um entweder eine bessere Schir- mung der externen Streufelder Hst oder eine bessere Kopplung des von der Stromleiterbahn 11 erzeugten Feldes zu erreichen.

Die weichmagnetische Schirmungsschicht muss gegenüber den einzelnen Windungen der Stromleiterbahn 11 selbstverständlich elektrisch isoliert sein. Hierzu dient eine in der Figur ge- zeigte Isolationsschicht 14.