DE4427495C2

DE4427495C2 - Sensor device with a GMR sensor element

Info

Publication number: DE4427495C2
Application number: DE4427495A
Authority: DE
Inventors: Hugo A M Van Den Berg
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1994-08-03
Filing date: 1994-08-03
Publication date: 2000-04-13
Anticipated expiration: 2014-08-04
Also published as: DE4427495A1; DE4434912A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sensoreinrichtung zur Er fassung eines äußeren Magnetfeldes mit einem einen sehr gro ßen magnetoresistiven Effekt (GMR) zeigenden Sensorelement und mit Mitteln zum Führen eines vorgegebenen Stromes über die Einrichtung. Eine derartige Sensoreinrichtung ist der DE 42 32 244 A1 zu entnehmen.The invention relates to a sensor device for He detection of an external magnetic field with a very large ß-magnetoresistive effect (GMR) sensor element and with means for carrying a given current over the establishment. Such a sensor device is the DE 42 32 244 A1.

In ferromagnetischen Übergangsmetallen wie Nickel (Ni), Eisen (Fe) oder Kobalt (Co) und deren Legierungen ist der elektri sche Widerstand von der Größe und der Richtung eines das Ma terial durchdringenden Magnetfeldes abhängig. Diesen Effekt nennt man anisotropen Magnetowiderstand (AMR) oder anisotro pen magnetoresistiven Effekt. Er beruht physikalisch auf den unterschiedlichen Streuquerschnitten von Elektronen mit der Spinpolarität des D-Bandes mit unterschiedlichem Spin, die entsprechend als Majoritäts- bzw. Minoritätselektronen be zeichnet werden. Für magnetoresistive Sensoren wird im all gemeinen eine dünne Schicht aus einem solchen magnetoresisti ven Material mit einer Magnetisierung in der Schichtebene verwendet. Die Widerstandsänderung bei Drehung der Magneti sierung bezüglich der Stromrichtung kann einige Prozent des normalen isotropen (ohmschen) Widerstandes betragen.In ferromagnetic transition metals like nickel (Ni), iron (Fe) or cobalt (Co) and their alloys is the electri resistance of the size and direction of a measure depending on the penetrating magnetic field. This effect is called anisotropic magnetoresistance (AMR) or anisotropic pen magnetoresistive effect. It is based on the physical different scattering cross sections of electrons with the Spin polarity of the D band with different spin, the accordingly as majority or minority electrons be drawn. For magnetoresistive sensors, mean a thin layer of such a magnetoresisti ven material with a magnetization in the layer plane used. The change in resistance when the magnets rotate The direction of the current can be a few percent of the normal isotropic (ohmic) resistance.

Ferner sind seit einiger Zeit magnetoresistive Mehrschicht systeme bekannt mit mehreren, zu einem Stapel angeordneten ferromagnetischen Schichten, die durch metallische Zwischen schichten voneinander getrennt sind und deren Magnetisierun gen jeweils in der Schichtebene liegen. Die jeweiligen Schichtdicken sind dabei deutlich geringer als die mittlere freie Weglänge der Leitungselektronen gewählt. In solchen Schichtsystemen kann nun zusätzlich zu dem anisotropen magne toresistiven Effekt (AMR) in den einzelnen Schichten ein so genannter Giant-magnetoresistiver Effekt oder Giant-Magneto widerstand (GMR) auftreten. Ein solcher GMR-Effekt beruht auf der unterschiedlich starken Streuung von Majoritäts- und Mi noritäts-Leitungselektronen an den Grenzflächen zwischen den ferromagnetischen Schichten und den Zwischenschichten sowie auf Streuungen innerhalb der Schichten, insbesondere bei Ver wendung von Legierungen. Der GMR-Effekt ist ein isotroper Ef fekt und kann erheblich größer sein als der anisotrope Effekt AMR mit Werten bis zu 70% des normalen isotropen Widerstan des.Furthermore, magnetoresistive multilayers have been used for some time systems known with several, arranged in a stack ferromagnetic layers by metallic intermediate layers are separated from one another and their magnetization each lie in the layer plane. The respective Layer thicknesses are significantly less than the middle one free path length of the line electrons selected. In such Layer systems can now be added to the anisotropic magne toresistive effect (AMR) in the individual layers so called giant magnetoresistive effect or giant magneto resistance (GMR) occur. Such a GMR effect is based on the different degrees of dispersion of majority and mi nority conduction electrons at the interfaces between the ferromagnetic layers and the intermediate layers as well for scatter within the layers, especially with ver use of alloys. The GMR effect is an isotropic Ef fect and can be considerably larger than the anisotropic effect AMR with values up to 70% of normal isotropic resistance of.

Es sind zwei Grundtypen von entsprechenden magnetoresistiven Mehrschichtsystemen bekannt. Bei dem ersten Typ sind die fer romagnetischen Schichten über die Zwischenschichten antifer romagnetisch miteinander gekoppelt, so daß sich die in den Schichtebenen liegenden Magnetisierungen von zwei benachbar ten ferromagnetischen Schichten ohne äußeres Magnetfeld anti parallel zueinander ausrichten. Ein entsprechendes Beispiel für diesen Typ sind Eisen-Chrom-Übergitter (Fe-Cr-Superlat tices) mit ferromagnetischen Schichten aus Fe und antiferro magnetischen Zwischenschichten aus Cr. Dieser Typ mit anti ferromagnetisch gekoppelten, ferromagnetischen Schichten zeigt eine Abhängigkeit der Strom- und der Transmissionskoef fizienten für an den Grenzflächen gestreute Elektronen mit Spin-up einerseits und mit Spin-down andererseits vom Winkel zwischen den Magnetisierungen in benachbarten ferromagneti schen Schichten. Dabei nimmt der GMR-Effekt bei von 0° auf 180° wachsendem Winkel zwischen den beiden Magnetisierungen stetig zu und erreicht bei 180° sein Maximum ("Phys. Rev. Lett.", Vol. 63, No. 6, Aug. 1989, Seiten 664 bis 667 oder "IEEE Trans. Magn.", Vol. 28, No. 5, Sept. 1992, Seiten 2482 bis 2487).There are two basic types of corresponding magnetoresistive ones Multilayer systems known. In the first type are the fer romagnetic layers over the intermediate layers antifer magnetically coupled with each other, so that the in the Layer layers lying magnetizations of two adjacent ferromagnetic layers without external magnetic field anti align parallel to each other. A corresponding example iron-chrome superlattices (Fe-Cr superlate tices) with ferromagnetic layers of Fe and antiferro magnetic intermediate layers made of Cr. This guy with anti ferromagnetic coupled, ferromagnetic layers shows a dependency of the current and the transmission coefficient efficient for electrons scattered at the interfaces Spin-up on the one hand and with spin-down on the other hand from the angle between the magnetizations in neighboring ferromagneti layers. The GMR effect picks up at 0 ° 180 ° growing angle between the two magnetizations steadily increases and reaches its maximum at 180 ° ("Phys. Rev. Lett. ", Vol. 63, No. 6, Aug. 1989, pages 664 to 667 or "IEEE Trans. Magn.", Vol. 28, No. 5, Sept. 1992, pages 2482 to 2487).

Bei dem zweiten Grundtyp eines einen GMR-Effekt zeigenden Mehrschichtsystems sind die nicht-magnetischen Zwischen schichten zwischen den ferromagnetischen Schichten so dick gewählt, daß die magnetische Austauschkopplung zwischen den ferromagnetischen Schichten möglichst gering ist. Die Zwi schenschichten können aus einem Metall, einem Halbleiter oder auch einem Isolator bestehen. Jeweils benachbarte ferromagne tische Schichten sollen dabei unterschiedliche Koerzitivfeld stärken aufweisen. Die Abhängigkeit ihrer Magnetisierungen von einem äußeren Magnetfeld ergibt sich aus den entsprechen den Hysteresekurven des magnetisch weicheren bzw. magnetisch härteren Materials. Wenn die Magnetisierungen der magnetisch weicheren Schichten parallel zu den Magnetisierungen der ma gnetisch härteren Schichten ausgerichtet sind, ist der Wider stand des gesamten Mehrschichtsystems am kleinsten. Bei einer antiparallelen Ausrichtung der Magnetisierungen ist der Wi derstand hingegen am größten.In the second basic type, one that shows a GMR effect Multi-layer systems are the non-magnetic intermediate layers between the ferromagnetic layers so thick chosen that the magnetic exchange coupling between the ferromagnetic layers is as small as possible. The two Layer layers can be made of a metal, a semiconductor or also exist an insulator. Neighboring ferromagne table layers are supposed to have different coercive fields have strengths. The dependence of their magnetizations of an external magnetic field results from the corresponding the hysteresis curves of the magnetically softer or magnetically harder material. If the magnetizations are magnetic softer layers parallel to the magnetizations of ma gnetically harder layers is the cons the smallest of the entire multilayer system. At a anti-parallel alignment of the magnetizations is the Wi however, the largest.

Um nun mit einem solchen Mehrschichtsystem vom zweiten Typ ein auswertbares Sensorsignal zu erhalten, bringt man das Schichtsystem zunächst in die magnetische Sättigung. Das be deutet, daß bei einem Magnetfeld mit einer vorgegebenen Meß richtung die Feldstärke des Magnetfeldes oberhalb der größe ren der beiden Koerzitivfeldstärken der Schichten eingestellt wird und die Magnetisierungen aller Schicht somit parallel zu dieser Sättigungsfeldrichtung ausgerichtet werden. Es gibt einen solchen Sättigungsbereich für ein in Meßrichtung ge richtetes, positives Magnetfeld und einen weiteren, symme trisch zum ersten liegenden Sättigungsbereich, indem das Ma gnetfeld und damit auch alle Magnetisierungen umgekehrt ge richtet und somit negativ sind. Das Widerstandssignal ist nun abhängig davon, von welchem der beiden Sättigungsbereiche man aus startet. Beginnt man im negativen Sättigungsbereich, so bleibt das Widerstandssignal auf seinem minimalen Wert bis zu einer positiven Feldstärke etwas unterhalb der positiven Ko erzitivfeldstärke der magnetisch weicheren Schichten. Die Ma gnetisierungen der weicheren Schichten werden nun gedreht, um das Signal steigt bis etwas oberhalb der Feldstärke auf sei nen maximalen Wert an. Nun sind die Magnetisierungen der ma gnetisch unterschiedlich harten Schichten antiparallel ge richtet, und das Widerstandssignal bleibt in einem Bereich zwischen den beiden positiven Koerzitivfeldstärken etwa kon stant. In einem Bereich um die positive Koerzitivfeldstärke der magnetisch härteren Schichten werden nun auch die Magne tisierungen der magnetisch härteren Schichten von dem Magnet feld aus ihrer ursprünglichen Richtung gedreht und bei einer Feldstärke oberhalb dieser Koerzitivfeldstärke wieder paral lel zum Magnetfeld und zu den Magnetisierungen der anderen Schichten gerichtet. In diesem positiven Sättigungsbereich ist das Widerstandssignal wiederum minimal. Startet man hin gegen im positiven Sättigungsbereich, so ergibt sich ein zu dem vorstehend beschriebenen Widerstandssignal spiegelsymme trisches Widerstandssignal, das seinen minimalen Wert bei einer negativen Feldstärke etwas oberhalb der negativen Koer zitivfeldstärke des magnetisch weicheren Materials und seinen maximalen Wert in einem Bereich zwischen den beiden negativen Koerzitivfeldstärken der beiden unterschiedlichen Materialien annimmt (vgl. EP 0 483 373 A1).To now with such a multilayer system of the second type to get an evaluable sensor signal, you bring that Layer system first into magnetic saturation. That be indicates that with a magnetic field with a given measurement direction the field strength of the magnetic field above the size ren of the two coercive field strengths of the layers and the magnetizations of all layers are parallel to this saturation field direction are aligned. There are such a saturation range for a ge in the measuring direction directed, positive magnetic field and another, symme tric to the first lying saturation range by the Ma magnetic field and thus all magnetizations vice versa judges and are therefore negative. The resistance signal is now depending on which of the two saturation ranges off starts. If you start in the negative saturation range, then the resistance signal remains at its minimum value up to a positive field strength slightly below the positive Ko tensile field strength of the magnetically softer layers. The Ma Gnetizations of the softer layers are now turned around the signal rises to something above the field strength maximum value. Now the magnetizations of ma layers of different hardness are antiparallel aligns, and the resistance signal remains in a range between the two positive coercive fields approximately kon stant. In an area around the positive coercive field strength the magnetically harder layers are now also the magne the magnetically harder layers of the magnet field rotated from its original direction and at one Field strength above this coercive field strength again paral lel to the magnetic field and the magnetizations of the others Layers directed. In this positive saturation range the resistance signal is again minimal. You start there against in the positive saturation range, there is a too the above-described resistance signal mirror symmetry trical resistance signal, which is at its minimum value a negative field strength slightly above the negative Koer citation field strength of the magnetically softer material and its maximum value in a range between the two negative Coercive field strengths of the two different materials assumes (cf. EP 0 483 373 A1).

Bei einem solchen Mehrschichtsystem mit GMR-Effekt vom zwei ten Grundtyp ist somit der spezifische Widerstand ρ abhängig von dem Winkel ϕ zwischen den Magnetisierungsrichtungen auf einanderfolgender ferromagnetischer Schichten. Dieser Wider stand kann in zwei Anteile zerlegt werden, einen vom Winkel ϕ unabhängigen Anteil ρ₀, der bei einer parallelen Ausrichtung der Magnetisierungen erhalten wird, und einen winkelabhängi gen Anteil Δρ. In empfindlichen Systemen beträgt Δρ typi scherweise 15 bis 30% von ρ₀. Es zeigt sich jedoch, daß so wohl ρ₀ wie auch in geringerem Umfang Δρ eine Abhängigkeit von der Betriebstemperatur T besitzen. So ist bei Raumtempe ratur T_a ρ₀, das von einem stark temperaturabhängigen Bei trag der Phononen geprägt ist, annähernd proportional zu T/T_a. Das bedeutet z. B., daß bei einer Temperaturerhöhung um 50°C über T_a sich eine Änderung von ρ₀ um etwa 17% ergibt. Eine solche Änderung ist für die meisten Anwendung uner wünscht. Andererseits ist die Temperaturabhängigkeit von Δρ materialabhängig, wobei sie für Fe größer ist als für Ni oder Co. Verglichen zu ρ₀ ist jedoch diese Abhängigkeit von Δρ, das im wesentlichen durch Streuungen an Gitterdefekten her vorgerufen wird, verhältnismäßig gering. Außerdem führen me chanische Verspannungen entsprechender Sensorelemente zu einer ρ₀-Änderung und könnten als Beitrag zu Δρ aufgefaßt werden.In such a multilayer system with GMR effect of the second basic type, the specific resistance ρ is therefore dependent on the angle ϕ between the magnetization directions on successive ferromagnetic layers. This resistance could be broken down into two parts, a part ρ ₀ which is independent of the angle ϕ and which is obtained when the magnetizations are aligned in parallel, and a part Δρ which is dependent on the angle. In sensitive systems, Δρ is typically 15 to 30% of ρ ₀ . It turns out, however, that ρ ₀ as well as Δρ have a dependence on the operating temperature T. At room temperature T _a ρ ₀ , which is characterized by a strongly temperature-dependent contribution of the phonons, is approximately proportional to T / T _a . That means e.g. B. that a temperature increase of 50 ° C above T _a results in a change of ρ ₀ by about 17%. Such a change is undesirable for most applications. On the other hand, the temperature dependence of Δρ is material-dependent, although it is greater for Fe than for Ni or Co. Compared to ρ ₀ , however, this dependence on Δρ, which is essentially caused by scattering from lattice defects, is relatively small. In addition, mechanical stresses of corresponding sensor elements lead to a ρ ₀ change and could be interpreted as a contribution to Δρ.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Sen soreinrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahinge hend auszugestalten, daß ihre Temperaturabhängigkeit deutlich verringert ist.The object of the present invention is therefore the Sen sensor device with the features mentioned above hend to design that their temperature dependence clearly is reduced.

Diese Aufgabe wird ausgehend von den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen durch folgende Merkmale gelöst:
This object is achieved on the basis of the features specified in the preamble of claim 1 by the following features:

a) It is a bridge circuit with four pairs assigned ten diagonal bridge elements in two between connection score for the bridge branches connected in parallel intended,
b) at least one of the bridge elements is as the sensor element with a large magnetoresistive effect,

und
and

a) the sensitivity of at least one of the bridge elements with regard to the external magnetic field is different above the magnetic field sensitivity of at least one other Bridge element.

Die Erfindung geht davon von der Überlegung aus, daß mit einer Brückenschaltung eine Trennung der Summanden ρ₀ und Δρ des spezifischen Widerstands ρ derart möglich ist, daß eine Abhängigkeit der an den Meßpunkten der Brückenschaltung in der Mitte jedes Brückenzweiges abzunehmenden Meßspannung praktisch nur noch von Δρ besteht. Voraussetzung hierzu ist, daß sich das Brückenelement mit GMR-Effekt praktisch nur hin sichtlich dieses Summanden Δρ, der auf Streueffekte an Git terdefekten zurückzuführen ist, von mindestens einem anderen Element der Brücke unterscheidet. Da Δρ nur wenig tempera turabhängig ist, läßt sich so mit der Brückenschaltung vor teilhaft ein entsprechend temperaturkompensiertes Meßsignal in Abhängigkeit von dem äußeren Magnetfeld erhalten, das ge gebenenfalls auch bzgl. mechanischer Spannungen der Brücken elemente zumindest teilweise kompensiert ist.The invention is based on the consideration that with a bridge circuit a separation of the summands ρ ₀ and Δρ of the specific resistance ρ is possible in such a way that a dependency of the measurement voltage to be taken at the measuring points of the bridge circuit in the middle of each bridge branch is practically only from Δρ consists. The prerequisite for this is that the bridge element with GMR effect practically differs only visually from this summand Δρ, which is due to scattering effects on grid defects, from at least one other element of the bridge. Since Δρ is only slightly dependent on the temperature, a corresponding temperature-compensated measurement signal can be obtained with the bridge circuit before depending on the external magnetic field, which elements are at least partially compensated for mechanical stresses of the bridges.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Sensorein richtung gehen aus den sich dem Hauptanspruch unterordnenden Ansprüchen hervor.Advantageous refinements of the sensors according to the invention go from the subordinate to the main claim Claims.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen. Dabei zeigen jeweils schema tischTo further explain the invention, below referred to the drawing. Each show a schematic table

Fig. 1 das Schaltbild einer Brückenschaltung einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung, Fig. 1 is a circuit diagram of a bridge circuit of a sensor device according to the invention,

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein einzelnes Sensorelement dieser Einrichtung, Fig. 2 shows a cross section through an individual sensor element of this device,

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung und Fig. 3 shows a cross section through a sensor device according to the invention and

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine weitere erfindungsgemäße Einrichtung. Fig. 4 shows a cross section through a further device according to the invention.

In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are the same in the figures Provide reference numerals.

Für die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung wird vorteilhaft eine an sich bekannte Brückenschaltung vorgesehen, die aus Fig. 1 hervorgeht. Die gezeigte Brücke B enthält zwei Brückenzweige Z1 und Z2, die zwischen zwei Anschlußpunkten A1 und A2 der Brücke parallelgeschaltet sind. Über die Brücke B soll an den Anschlußpunkten A1 und A2 ein Strom I₀ geführt werden. Jeder der Brückenzweige Z1 und Z2 enthält zwei in Reihe geschaltete Brückenelemente E11 und E12 bzw. E21 und E22. Die Bezeichnungsweise der einzelnen Brückenelemente Eij (mit 1 ≦ i ≦ 2 und 1 ≦ j ≦ 2) ist dabei so gewählt, daß mit i der jeweilige Brückenzweig (Z1 oder Z2) und mit j die Elemen te innerhalb eines einzelnen Brückenzweigs in Stromführungs richtung durchnumeriert sind. Zwischen den beiden Elementen Ei1 und Ei2 jedes Brückenzweigs liegt je ein Meßpunkt P1 bzw. P2 der Brücke. An diesen Meßpunkten kann eine Meßspannung U_m abgenommen werden.For the sensor device according to the invention, a bridge circuit known per se is advantageously provided, which is shown in FIG. 1. The bridge B shown contains two bridge branches Z1 and Z2, which are connected in parallel between two connection points A1 and A2 of the bridge. A current I _{0 is to be} conducted via the bridge B at the connection points A1 and A2. Each of the bridge branches Z1 and Z2 contains two bridge elements E11 and E12 or E21 and E22 connected in series. The designation of the individual bridge elements Eij (with 1 ≦ i ≦ 2 and 1 ≦ j ≦ 2) is chosen so that with i the respective bridge branch (Z1 or Z2) and with j the elements within a single bridge branch are numbered consecutively in the current carrying direction are. Between the two elements Ei1 and Ei2 of each bridge branch there is a measuring point P1 or P2 of the bridge. A measuring voltage U _{m can be} taken at these measuring points.

Erfindungsgemäß soll für die Brückenelemente Eij gelten, daß die Empfindlichkeit mindestens eines der Brückenelemente be züglich eines äußeren Magnetfeldes verschieden ist gegenüber der Magnetfeldempfindlichkeit von mindestens zwei anderen Brückenelementen. Nachfolgend seien diese Brückenelemente je weils paarweise einander zugeordnet. Hierbei ist allgemein außer Betracht zu bleiben, daß die Elemente E11 und E21 oder E11 und E12 ein erstes Paar und die Elemente E12 und E22 bzw. E21 und E22 ein zweites Paar mit jeweils gleicher Magnet feldempfindlichkeit bilden. Es ist also auszuschließen, daß die Elemente E11 und E21 eine erste Magnetfeldempfindlichkeit und die Elemente E12 und E22 eine zweite Magnetfeldempfind lichkeit aufweisen. Ebenso ist auszuschließen, daß die Ele mente E11 und E12 eine erste und die Elemente E21 und E22 eine zweite Magnetfeldempfindlichkeit besitzen. In diesen ge nannten Fällen ist der angestrebte Zweck einer Kompensation der Temperaturabhängigkeit und/oder mechanischen Spannungsab hängigkeit nicht zu erreichen.According to the invention should apply to the bridge elements Eij that the sensitivity of at least one of the bridge elements is different with respect to an external magnetic field the magnetic field sensitivity of at least two others Bridge elements. In the following, these bridge elements are each because assigned in pairs to each other. Here is general disregard that elements E11 and E21 or E11 and E12 a first pair and the elements E12 and E22 or E21 and E22 a second pair, each with the same magnet form field sensitivity. It can therefore be ruled out that the elements E11 and E21 have a first magnetic field sensitivity and elements E12 and E22 have a second magnetic field sensitivity exhibit It can also be excluded that the Ele elements E11 and E12 a first and the elements E21 and E22 have a second magnetic field sensitivity. In these ge named cases is the intended purpose of compensation the temperature dependency and / or mechanical stress dependency not attainable.

Die Brückenelemente des betrachteten Ausführungsbeispieles bilden zwei Paare von in der Brücke diagonal zueinander ange ordneten, in verschiedenen Brückenzweigen liegenden Elemen ten, nämlich das Paar E11-E22 und das Paar E12-E21. Gemäß dem ausgewählten Ausführungsbeispiel sollen in einem der Paare, beispielsweise in dem Paar E12-E21 die Elemente gleiche Ma gnetfeldabhängigkeit bzw. -empfindlichkeit und damit gleichen widerstand R in einem Magnetfeld haben. Die Magnetfeld abhängigkeit dieser Elemente kann auch praktisch Null sein, so daß es sich bei diesen Elementen dann um rein ohmsche Elemente handelt. Demgegenüber weisen die Elemente des ande ren Paares E11-E22 nur im feldfreien Fall, d. h. ohne äußeres Magnetfeld, einen gleichen Widerstand R_m auf. Dieser Wider stand soll sich bei vorhandenem Magnetfeld um einen Anteil ΔR_m ändern. Hierzu wird zumindest für eines der Elemente E11 oder E22 ein Sensorelement mit sehr großem magnetoresistiven Effekt (GMR) gewählt. Ein entsprechendes Sensorelement ist z. B. aus der eingangs genannten DE 42 32 244 A1 bekannt. Der prinzipielle Aufbau eines solchen Elementes ist in Fig. 2 veranschaulicht. Ein entsprechend aufgebautes Brückenelement, z. B. das Element E22, enthält ein auf einem Substrat 2 aufgebrachtes, für ein GMR-Element typisches Schichtpaket S1. Dieses Schichtpaket besitzt vorteilhaft als unterste Schicht eine hartmagnetische Schicht 3, eine darauf aufgebrachte, als Koppelschicht wirkende Zwischenschicht 4 sowie eine auf dieser abgeschiedene ferro- oder ferrimagnetische Schicht 5. Diese Schicht 5 stellt dabei eine Bias-Schicht mit im Meßbereich zumindest annähernd konstanter Magnetisierung in ihrer Schichtebene dar. Die Schichten 3 bis 5 bilden ein sogenanntes Bias-Schichtsystem S'. Statt des Bias-Schichtsy stems kann auch nur eine einzelne Bias-Schicht vorgesehen sein. Gemäß dem angenommenen Ausführungsbeispiel ist das Schichtsystem mit einer magnetisch wenigstens annähernd ent koppelnden Zwischenschicht 6 abgedeckt, auf der sich eine magnetfeldempfindliche Meßschicht 7 befindet. An dieser Meß schicht sind in der Figur nicht dargestellte Anschlußkontakte zum Führen des vorgesehenen Stromes I₀ über das Element angebracht. Dieser Aufbau des Schichtpaketes S1 kann noch mit einer Schutzschicht überzogen sein.The bridge elements of the exemplary embodiment under consideration form two pairs of elements arranged diagonally to one another in the bridge and lying in different bridge branches, namely the pair E11-E22 and the pair E12-E21. According to the selected exemplary embodiment, in one of the pairs, for example in the pair E12-E21, the elements should have the same magnetic field dependency or sensitivity and thus the same resistance R in a magnetic field. The magnetic field dependence of these elements can also be practically zero, so that these elements are purely ohmic elements. In contrast, the elements of the other pair E11-E22 have the same resistance R _m only in the field-free case, ie without an external magnetic field. This resistance should change with a magnetic field by a proportion ΔR _m . For this purpose, a sensor element with a very large magnetoresistive effect (GMR) is selected for at least one of the elements E11 or E22. A corresponding sensor element is e.g. B. known from the aforementioned DE 42 32 244 A1. The basic structure of such an element is illustrated in FIG. 2. A correspondingly constructed bridge element, e.g. B. the element E22, contains a layer package S1 applied to a substrate 2 and typical of a GMR element. This layer package advantageously has, as the bottom layer, a hard magnetic layer 3 , an intermediate layer 4 applied thereon, acting as a coupling layer, and a ferromagnetic or ferrimagnetic layer 5 deposited thereon. This layer 5 represents a bias layer with at least approximately constant magnetization in its layer plane in the measuring range. Layers 3 to 5 form a so-called bias layer system S '. Instead of the bias layer system, only a single bias layer can also be provided. According to the assumed exemplary embodiment, the layer system is covered with an interlayer 6, which at least approximately magnetically decouples, on which there is a magnetic field-sensitive measuring layer 7 . At this measuring layer are not shown in the figure, contacts for carrying the intended current I ₀ attached to the element. This structure of the layer package S1 can also be covered with a protective layer.

Vorteilhaft kann der schichtförmige Aufbau des Sensorelemen tes mit großem magnetoresistiven Effekt auch als sogenanntes Multischichtensystem ausgeführt sein. Ein solches System zeichnet sich dadurch aus, daß es neben dem vorstehend erläu terten Schichtpaket noch weitere Schichten oder Schichtpakete enthält und gegebenenfalls eine Folge von periodisch wieder kehrenden Schichten besitzt.The layered structure of the sensor element can be advantageous tes with a large magnetoresistive effect also as a so-called Multi-layer system. Such a system is characterized in that in addition to the above layer packs, further layers or layer packs contains and possibly a sequence of periodically again has sweeping layers.

Das dem vorstehend beschriebenen Sensorelement E22 mindestens eine zugeordnete Element aus dem gleichen oder dem anderen Elementenpaar (hier: E11) soll sich von dem Element E22 le diglich durch einen bestimmten Anteil Δρ des spezifischen Widerstandes ρ unterscheiden. Dabei soll es sich bei dem An teil Δρ zumindest um den auf Streuungseffekte an Gitterde fekten zurückzuführenden Anteil des spezifischen Widerstandes handeln. Für die Meßspannung U_m der Brücke B gemäß Fig. 1 gilt dann:
The sensor element E22 described above, at least one associated element from the same or the other pair of elements (here: E11) should only differ from the element E22 by a certain proportion Δρ of the specific resistance ρ. The part Δρ should at least be the part of the specific resistance due to scattering effects on lattice defects. The following then applies to the measuring voltage U _{m of} the bridge B according to FIG. 1:

U_m = (ΔR_m + R_m - R) . I₀/2
U _m = (ΔR _m + R _m - R). I _0/2

bzw. U_m = ΔR_m . I₀/2, falls R_m = R.or U _m = ΔR _m . I _0/2 if R _m = R.

D. h., für die angestrebte Trennung von ρ₀ und Δρ in ρ muß zum einen der Strom über die Brücke konstant gehalten werden. Außerdem müssen sich lediglich zwei Elemente der Brücke hin sichtlich Δρ unterscheiden, während die anderen Elemente gleich sind. So ist es insbesondere möglich, für die Brücke drei gleiche Elemente zu wählen und das vierte Element so auszugestalten, daß es hinsichtlich Δρ gegenüber den übrigen drei Elementen verschieden ist. Ein entsprechendes Aus führungsbeispiel zweier diagonaler Brückenelemente E11 und E22 mit unterschiedlichem Δρ bzw. ΔR ist aus Fig. 3 er sichtlich.In other words, for the desired separation of ρ ₀ and Δρ in ρ, the current across the bridge must be kept constant. In addition, only two elements of the bridge have to differ visibly Δρ, while the other elements are the same. In particular, it is possible to choose three identical elements for the bridge and to design the fourth element so that it is different from the other three elements with respect to Δρ. A corresponding exemplary embodiment from two diagonal bridge elements E11 and E22 with different Δρ or ΔR is evident from FIG. 3.

Gemäß dieser Fig. 3 weist das Brückenelement E22 einen Auf bau mit dem aus Fig. 2 ersichtlichen Schichtpaket S1 auf. Dieses Schichtpaket enthält darüber hinaus noch als oberste Schicht eine Schutzschicht 8. Zur Ausbildung des dazu diago nalen Brückenelementes E11 sind zwei sich weitgehend entspre chende Schichtpakete S1 und S2 aufeinandergestapelt. Dabei bleibt in diesem Element das Schichtpaket S1 magnetisch inak tiv und ist nur aus Gründen einer einfachen Herstellung der Brückenelemente vorhanden. Die laterale Geometrie des zweiten Schichtpaketes S2 braucht dabei nicht identisch mit der des darunterliegenden, ersten Schichtpaketes S1 zu sein. Zwischen beiden Schichtpaketen S1 und S2 befindet sich eine Isolator schicht 10. Die auf den obersten Meßschichten der Elemente E11 und E22 aufzubringenden Stromanschlußkontakte sind in der Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen.According to this FIG. 3, the bridge element E22 has a structure with the layer package S1 shown in FIG. 2. This layer package also contains a protective layer 8 as the top layer. In order to form the diagonal bridge element E11, two largely corresponding layer packages S1 and S2 are stacked on top of one another. The layer package S1 remains magnetically inactive in this element and is only present for reasons of simple manufacture of the bridge elements. The lateral geometry of the second layer package S2 need not be identical to that of the underlying first layer package S1. There is an insulator layer 10 between the two layer packages S1 and S2. The current connection contacts to be applied to the uppermost measuring layers of the elements E11 and E22 are omitted in the figure for reasons of clarity.

Bei der Gestaltung der Elemente E11 und E22 wird von der Überlegung ausgegangen, daß die Signalempfindlichkeit von R gegenüber R_m von GMR-Elementen im allgemeinen weitgehend un abhängig von der lateralen Geometrie dieser Elemente ist. Folglich lassen sich mit einem Schichtpaket, wie es z. B. den Aufbau des Paketes S1 hat, unterschiedliche Empfindlichkeiten von R und R_m nicht ohne weiteres realisieren. Der erwünschte Unterschied kann vorteilhaft mit zwei elektrisch getrennten, übereinanderliegenden Schichtpakete erhalten werden. In Fig. 3 ist die Realisierung eines entsprechenden Ausführungs beispieles in Planartechnik angedeutet. Dementsprechend wer den zunächst die Schichtpakete S1 vorzugsweise aller Brücken elemente, d. h. auch die der Elemente E12 und E21, erzeugt. Für die Elemente E12 und E21 können jedoch gegebenenfalls auch andere identische Elemente vorgesehen werden. In einem zweiten Schritt wird dann das Schichtpaket S2 allein für das Element E22 aufgebracht. Selbstverständlich ist es auch mög lich, daß man für alle Elemente einen Stapel von zwei Schichtpaketen S1 und S2 vorsieht und dann für ein einziges Element dessen zweites Schichtpaket S2 wieder entfernt. Dar über hinaus ist es auch möglich, zumindest für die Brücken elemente E11 und E22 einen Stapel von einer größeren Anzahl von Schichtpaketen vorzusehen, wobei für das Elementenpaar E11-E22 eine unterschiedliche Anzahl der Schichtpakete ge wählt wird. When designing the elements E11 and E22, it is assumed that the signal sensitivity of R to R _m of GMR elements is generally largely independent of the lateral geometry of these elements. Consequently, with a layer package, as it is e.g. B. has the structure of the package S1, not easily realize different sensitivities of R and R _m . The desired difference can advantageously be obtained with two electrically separated, stacked layers. In Fig. 3 the implementation of a corresponding execution example in planar technology is indicated. Accordingly, the layer packets S1, preferably all elements, that is, elements E12 and E21, are generated first. However, other identical elements can also be provided for elements E12 and E21. In a second step, the layer package S2 is then applied solely for the element E22. Of course, it is also possible that a stack of two layer packages S1 and S2 is provided for all elements and then the second layer package S2 is removed again for a single element. In addition, it is also possible to provide a stack of a larger number of layer packages at least for the bridge elements E11 and E22, a different number of layer packages being selected for the element pair E11-E22.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn alle Schichtpakete der Brückenelemente, zumindest aber jeweils ein Paar von Brücken elementen (hier: E12-E22 und E11-E21 oder E11-E12 und E21-E22) auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet werden. Dann ist nämlich zu gewährleisten, daß sich diese Brückenele mente zumindest weitgehend auf dem gleichen Temperaturniveau befinden, d. h. thermisch aneinandergekoppelt sind. Die tempe raturabhängigen Anteile ρ₀ des spezifischen Widerstandes ρ dieser Elemente gehen dann in die Meßspannung U_m praktisch nicht mehr ein. Durch geeignete Materialwahl für das gemein same Substrat ist gegebenenfalls zusätzlich noch zu errei chen, daß die Brückenelemente über das Substrat elastisch gekoppelt sind.It is particularly advantageous if all layer packages of the bridge elements, but at least one pair of bridge elements (here: E12-E22 and E11-E21 or E11-E12 and E21-E22) are arranged on a common substrate. Then it must be ensured that these Brückenele elements are at least largely at the same temperature level, ie are thermally coupled together. The temperature-dependent components ρ _{0 of} the specific resistance ρ of these elements then practically no longer go into the measuring voltage U _m . Through a suitable choice of material for the common substrate it may be additionally achieved that the bridge elements are elastically coupled over the substrate.

In Fig. 3 ist eine Möglichkeit zur Beeinflussung der Signal empfindlichkeit der einzelnen Brückenelemente unter Berück sichtigung einer Stapelung von Schichtpaketen angedeutet. Eine unterschiedliche Empfindlichkeit dieser Elemente läßt sich beispielsweise einfach über die Dicke einzelner sich entsprechender Schichten beeinflussen. D. h., die Maßnahmen zur Wahl unterschiedlicher Dicke können sich jeweils auf eine einzelne Schicht oder auf mehrere Schichten von Schichtpake ten gleichzeitig beziehen. Gemäß dem in der Figur dargestell ten Ausführungsbeispiel hat die Meßschicht 7 des Brückenele mentes E22 eine beispielsweise größere Dicke d₇ als die Meß schicht 7' mit einer Dicke d₇ ^'. Ebensogut könnten auch Bias- Schichten und/oder Koppelschichten mit unterschiedlichen Dicken vorgesehen werden. Im Extremfall könnte man z. B. in einem Brückenelement eines diagonalen Elementpaares mit un terschiedlicher Empfindlichkeit ganz auf die Meßschicht ver zichten oder diese starr mit dem Biassystem koppeln.In Fig. 3, one way of influencing the signal sensitivity of the individual bridge elements is indicated, taking into account a stacking of layer packets. A different sensitivity of these elements can easily be influenced, for example, via the thickness of individual, corresponding layers. In other words, the measures for selecting different thicknesses can relate to a single layer or to several layers of layer packages at the same time. According to the dargestell ten in the figure embodiment, the measurement layer has 7 of the bridge Enele mentes E22 d a, for example, greater thickness ₇ as the measuring layer 7 'having a thickness d _^7'. Bias layers and / or coupling layers with different thicknesses could also be provided. In extreme cases, one could e.g. B. in a bridge element of a diagonal pair of elements with un different sensitivity completely waive on the measuring layer ver or couple it rigidly with the bias system.

Statt der in Fig. 3 veranschaulichten Möglichkeit zur Beein flussung der Signalempfindlichkeiten der einzelnen Brücken elemente können hierfür auch andere Maßnahmen ergriffen wer den. So besteht als weitere Möglichkeit zur Beeinflussung von Dr bzw. ΔR eine entgegengesetzte Magnetisierung entsprechen der Bias-Schichten. Solche entgegengesetzte Magnetisierungen führen nämlich zu entgegengesetzten Vorzeichen von Δρ. Ent sprechende Maßnahmen lassen sich selbstverständlich auch mit der in Fig. 3 aufgezeigten Möglichkeit einer Wahl unter schiedlicher Schichtdicken kombinieren. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel geht aus Fig. 4 hervor, wobei für sich entsprechende Bias-Schichten unterschiedliche Schichtdicken vorgesehen sind.Instead of the possibility illustrated in FIG. 3 for influencing the signal sensitivity of the individual bridge elements, other measures can also be taken for this. As a further possibility for influencing Dr or ΔR there is an opposite magnetization corresponding to the bias layers. Such opposite magnetizations lead to opposite signs of Δρ. Corresponding measures can of course also be combined with the option shown in FIG. 3 to choose from different layer thicknesses. A corresponding exemplary embodiment is shown in FIG. 4, different layer thicknesses being provided for corresponding bias layers.

In dieser Figur ist ein Paar von Brückenelementen E21'-E11' einer Brückenschaltung veranschaulicht, die sich hinsichtlich des Aufbaus der Bias-Schichtsysteme ihrer magnetfeldempfind lichen Schichtpakete unterscheiden. Das Brückenelement E21' weist wiederum nur ein einziges Schichtpaket S1' mit einer Schichtenfolge entsprechend S1 nach Fig. 2 auf. Seine hart magnetische Schicht 3 hat eine Dicke d₃ und eine vorbestimmte Ausrichtung der Magnetisierung M₃. Seine ferro- oder ferrima gnetische Schicht (Biasschicht) 5 habe eine Dicke d₅ und eine vorbestimmte Magnetisierung M₅. Das Brückenelement E11' be sitzt ebenfalls das jedoch magnetisch inaktive Schichtpaket S1', auf dem ein zweites Schichtpaket S2' aufgebracht ist. Dieses zweite Schichtpaket S2' unterscheidet sich von dem Schichtpaket S1' durch die Dicke d₅ ^' seiner Biasschicht 5'. Die Magnetisierung dieser Biasschicht 5' ist mit M'₅ bezeich net. Bei einem solchen unterschiedlichen Aufbau der Bias- Schichtsysteme von S1' und S2' der beiden Brückenelemente richtet sich das Vorzeichen von Δρ nach der Richtung der Ma gnetisierung in den an die Meßschichten 7 bzw. 7' angrenzen den Schichten des jeweiligen Bias-Schichtsystems, d. h., nach den Magnetisierungen M₅ bzw. M₅ ^' der Biasschichten 5 bzw. 5'. Diese Magnetisierungsrichtungen M₅ bzw. M₅ ^' werden vorein gestellt mit Hilfe eines äußeren Magnetfeldes H₀. Eine entge gengesetzte Ausrichtung der Magnetisierungen in den Bias schichten ist z. B. möglich, indem man für das Brückenelement E11' d₅ ^' . M₅ ^' - d'₃ . M'₃ < 0 und für das Gegenstück des Schichtpaketes S1' von Element E21' d₅ . M₅ - d₃ . M₃ < 0 wählt während der Einstellung. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist dies aufgrund der unter schiedlichen Dicken d₅ bzw. d₅ ^' gewährleistet. Die resultie renden, entgegengesetzten Magnetisierungen M₅ und M₅ ^' der Biasschichten 5 bzw. 5' sind dabei in der Figur mit Pfeilen veranschaulicht. Die Gesamtwiderstände R_m ^' = R₁ und R' = R₂ in der Brückenschaltung gemäß Fig. 1 sind dann gegeben durch:
In this figure, a pair of bridge elements E21'-E11 'of a bridge circuit is illustrated, which differ in the structure of the bias layer systems of their magnetic field-sensitive layer packages. The bridge element E21 'in turn has only a single layer package S1' with a layer sequence corresponding to S1 according to FIG. 2. Its hard magnetic layer 3 has a thickness d ₃ and a predetermined orientation of the magnetization M ₃ . Its ferro- or ferromagnetic layer (bias layer) 5 has a thickness d ₅ and a predetermined magnetization M ₅ . The bridge element E11 'also has the magnetically inactive layer package S1' on which a second layer package S2 'is applied. This second layer package S2 'differs from the layer package S1' in the thickness d ₅ ^'of its bias layer 5 '. The magnetization of this bias layer 5 'is denoted by M' ₅ . With such a different structure of the bias layer systems of S1 'and S2' of the two bridge elements, the sign of Δρ depends on the direction of the magnetization in the layers of the respective bias layer system adjacent to the measuring layers 7 and 7 ', ie , after the magnetizations M ₅ and M ₅ ^'of the bias layers 5 and 5 '. These magnetization directions M ₅ and M ₅ ^' are set in advance using an external magnetic field H ₀ . An opposite orientation of the magnetizations in the bias layers is such. B. possible by for the bridge element E11 'd ₅ ^' . M ₅ ^' - d' ₃ . M ' ₃ <0 and for the counterpart of the layer package S1' of element E21 'd ₅ . M ₅ - d ₃ . M ₃ <0 selects during the setting. According to the embodiment of FIG. 4, this is ensured due to the different thicknesses d ₅ and d ₅ ^' . The resulting opposite magnetizations M ₅ and M ₅ ^'of the bias layers 5 and 5 ' are illustrated in the figure with arrows. The total resistances R _m ^' = R ₁ and R' = R ₂ in the bridge circuit according to FIG. 1 are then given by:

R_m ^' = R₁ = R₁ ^' + ΔR₁, R' = R₂ = R₂ ^' - ΔR₂
R _m ^' = R ₁ = R ₁ ^' + ΔR ₁ , R '= R ₂ = R ₂ ^' - ΔR ₂

mit R₁ ^' = R₂ ^' und ΔR₁ ≅ ΔR₂.with R ₁ ^' = R ₂ ^' and ΔR ₁ ≅ ΔR ₂ .

Für die Spannung U_m an den Meßpunkten der Brückenschaltung folgt dann:
Then follows for the voltage U _m at the measuring points of the bridge circuit:

Um ≅ ΔR₁ . I₀.By ≅ ΔR ₁ . I ₀ .

D. h., die Spannung hat sich bei einer Ausführungsform nach Fig. 4 gegenüber der nach Fig. 3 verdoppelt.In other words, the voltage in an embodiment according to FIG. 4 has doubled compared to that according to FIG. 3.

Neben der anhand von Fig. 4 aufgezeigten Möglichkeit, unter schiedliche Brückenelemente durch unterschiedlich ausgerich tete Magnetisierungen in ihren Schichtsystemen zu erhalten, bestehen noch weitere Möglichkeiten: So kann man z. B. Bias schichten mit unterschiedlicher Koerzitivfeldstärke H_c vorse hen, wobei beispielsweise im Brückenelement E11' das H_c sei ner Biasschicht des aktiven Schichtensystems S2' größer ist als im Brückenelement E21', während in letzterem Element die Koerzitivfeldstärke H_c von der hartmagnetischen Schicht grö ßer gewählt wird als für die entsprechende Schicht von Ele ment E11'. Auch ist es auf ähnliche Weise möglich, unter schiedliche Vorzugsachsen und Anisotropien aufzuprägen und für diesen Zweck auszunutzen. Darüber hinaus kann man auch Schichten mit Materialien einsetzen, die sich hinsichtlich ihrer Curie-Temperaturen unterscheiden. In addition to the possibility shown with the aid of FIG. 4, to obtain different bridge elements through differently aligned magnetizations in their layer systems, there are further possibilities. B. Bias layers with different coercive field strength H _c , for example in the bridge element E11 'the H _c ner bias layer of the active layer system S2' is larger than in the bridge element E21 ', while in the latter element the coercive field strength H _c from the hard magnetic layer is larger ß is selected as for the corresponding layer of element E11 '. It is also possible in a similar way to impress under different preferred axes and anisotropies and to use them for this purpose. In addition, you can also use layers with materials that differ in their Curie temperatures.

Eine weitere Möglichkeit, zwei Brückenelemente mit Magnet feldempfindlichkeiten unterschiedlichen Vorzeichens zu erhal ten, besteht auch darin, daß man das eine Brückenelement (beispielsweise das Element E11'), wie vorstehend erläutert, als ein Sensorelement mit großem magnetoresistiven Effekt ausbildet, während man das ihm zugeordnete Brückenelement (E21') mit anderem Vorzeichen der Magnetfeldempfindlichkeit als ein Sensorelement mit großem inversen magnetoresistiven Effekt gestaltet. Derartige Elemente sind z. B. aus "Phys. Rev. Lett.", Vol. 72, No. 3, Jan. 1994, Seiten 408 bis 411 bekannt. Sie zeichnen sich dadurch aus, daß bei paralleler Ausrichtung der Magnetisierung in benachbarten Schichten der Widerstand gerade am größten ist.Another possibility, two bridge elements with a magnet field sensitivity of different signs ten, is also that one is a bridge element (e.g. element E11 '), as explained above, as a sensor element with a large magnetoresistive effect is training while the associated bridge element (E21 ') with a different sign of the magnetic field sensitivity as a sensor element with large inverse magnetoresistive Effect designed. Such elements are e.g. B. from "Phys. Rev. Lett. ", Vol. 72, No. 3, Jan. 1994, pages 408 to 411 known. They are characterized in that at parallel Alignment of magnetization in adjacent layers of the Resistance is greatest.

Bei den vorstehend anhand der Fig. 1 bis 4 erläuterten Ausführungsbeispielen wurde davon ausgegangen, daß zwei be trachtete Brückenelemente, beispielsweise die Elemente E11 und E22 oder E11' und E21', unterschiedliche Magnetfeldemp findlichkeiten aufweisen. Besonders vorteilhaft im Hinblick auf eine große Signalspannung U_m (vgl. Fig. 1) ist es, wenn jedes der beiden Brückenelementpaare von zwei Elementen gleicher Magnetfeldempfindlichkeit gebildet wird, aber die Brückenelemente des ersten Paares gegenüber den Brücken elementen des zweiten Paares verschieden sind. Gemäß Fig. 1 hätten beispielsweise dementsprechend die Elemente E11 und E22 eine erste, z. B. positive Magnetfeldempfindlichkeit und die anderen Elemente E12 und E21 eine zweite, dann negative Magnetfeldempfindlichkeit.In the exemplary embodiments explained above with reference to FIGS. 1 to 4, it was assumed that two bridge elements, for example the elements E11 and E22 or E11 'and E21', have different magnetic field sensitivities. It is particularly advantageous with regard to a large signal voltage U _m (see FIG. 1) if each of the two pairs of bridge elements is formed by two elements of the same magnetic field sensitivity, but the bridge elements of the first pair are different from the bridge elements of the second pair. According to FIG. 1, for example, elements E11 and E22 would accordingly have a first, e.g. B. positive magnetic field sensitivity and the other elements E12 and E21 a second, then negative magnetic field sensitivity.

Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde ferner von Bias-Schichtsystemen mit zwei Magnetschichten (vgl. die Schichten 3 und 5 gemäß Fig. 2) ausgegangen. Selbstverständ lich sind auch perodische Anordnungen mit wenigstens drei Ma gnetschichten pro Bias-Schichtsystem einsetzbar. Auch für diese Systeme lassen sich analoge Maßnahmen ergreifen. Z. B. könnte dann für die Bias-Schichtsysteme des Elementes E11' und E21' gelten:
In the exemplary embodiments described, bias layer systems with two magnetic layers (cf. layers 3 and 5 according to FIG. 2) were also assumed. Of course, periodic arrangements with at least three magnetic layers per bias layer system can also be used. Similar measures can also be taken for these systems. For example, the following could apply to the bias layer systems of the elements E11 'and E21':

d_x . M_x - d_y . M_y + d_z . M_z < 0 (für S1 von E 11')
d _x . M _x - d _y . M _y + d _z . M _z <0 (for S1 of E 11 ')

bzw.
respectively.

d_x . M_x - d_y . M_y + d_z . M_z < 0 (für S2 von E21').d _x . M _x - d _y . M _y + d _z . M _z <0 (for S2 of E21 ').

Dabei sind mit x, y, z die einzelnen übereinander angeordne ten Magnetschichten der Schichtsysteme, von unten nach oben betrachtet, gekennzeichnet.The individual, x, y, z are arranged one above the other th magnetic layers of the layer systems, from bottom to top considered, marked.

Zur Verschaltung der einzelnen Brückenelemente zu einer Brückenschaltung gemäß Fig. 1 wird jedes Element mit seinem mindestens einen GMR-Schichtsystem mit wenigstens zwei Kon takten versehen. Diese Kontakte werden entweder beide, wie bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen angenommen, auf der obersten Meßschicht des entsprechenden magnetfeldempfind lichen Schichtsystems angeordnet, so daß der Strom I₀ im Mit tel parallel zu den Schichtebenen fließt (sogenanntes "Current-in-Plane(CIP)-System"); oder es wird jeweils ein Kontakt auf der obersten und auf der untersten Schicht ange ordnet, so daß dann der Strom I₀ im Mittel senkrecht zu den Schichtebenen fließt (sogenanntes "Current-Perpendicular-to- Planes(CPP)-System"). Die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind auch nicht nur für die vorgehend erwähnten CIP- und CPP-Sy steme anwendbar. Ebenso lassen sich Magnetowiderstand-Tun nelsysteme einsetzen.To interconnect the individual bridge elements to form a bridge circuit according to FIG. 1, each element is provided with at least one GMR layer system with at least two contacts. These contacts are either both, as assumed in the previous exemplary embodiments, arranged on the top measuring layer of the corresponding magnetic field-sensitive layer system, so that the current I _{0 flows} in parallel with the layer planes (so-called "current-in-plane (CIP) - System"); or a contact is arranged on the top and on the bottom layer, so that the current I ₀ then flows on average perpendicular to the layer planes (so-called "current perpendicular to plan (CPP) system"). The measures according to the invention are also not only applicable to the aforementioned CIP and CPP systems. Magnetoresistance tunnel systems can also be used.

Statt der für die Ausführungsbeispiele angenommenen Sensor elemente (E11, E11', E22, E21') großen magnetoresistiven Ef fektes mit schichtförmigen Aufbau sind ebensogut auch Typen mit einem sogenannten granularen Aufbau geeignet. Entspre chende Elemente sind beispielsweise aus "Phys. Rev. Lett.", Vol. 71, No. 14, 1993, Seiten 2331 bis 2333 oder Vol. 68, No. 25, 1992, Seiten 3745 bis 3752 bekannt.Instead of the sensor adopted for the exemplary embodiments elements (E11, E11 ', E22, E21') large magnetoresistive Ef Defects with a layered structure are also types suitable with a so-called granular structure. Correspond The following elements are, for example, from "Phys. Rev. Lett.", Vol. 71, No. 14, 1993, pages 2331 to 2333 or vol. 68, no. 25, 1992, pages 3745 to 3752.

Claims

1. Sensor device for detecting an external magnetic field with a very large magnetoresistive effect (GMR) sensor element and with means for carrying a given current through the device , characterized by the following features:

a) A bridge circuit (B) with four paired diagonal bridge elements (Eij) is provided in two bridge branches (Z1, Z2) connected in parallel between connection points (A1, A2) for the current (I ₀ ),
b) at least one of the bridge elements (E11, E11 ') is formed as the sensor element with a large magnetoresistive effect,

and

a) the sensitivity of at least one of the bridge elements (E11, E11 ') with respect to the external magnetic field is different compared to the magnetic field sensitivity of other bridge elements (E22, E21').

2. Sensor device according to claim 1, characterized ge indicates that the at least one bridge element (E11, E11 ', E22, E21') with large magnetoresistive Effect has a layered structure.

3. Sensor device according to claim 2, characterized ge indicates that the at least one bridge element with a large magnetoresistive effect a layer package (S1, S1 ', S2, S2') has a magnetic field sensitive Measuring layer and with at least one of the measuring layer magne table at least largely decoupled bias layer.

4. Sensor device according to claim 3, characterized in that the bias layer ( 5 , 5 ') is part of a bias layer system (S') in which adjacent magnetic layers are antiferromagnetically coupled via an intermediate layer arranged between them.

5. Sensor device according to one of claims 2 to 4, characterized in that the min at least a bridge element with a large magnetoresistive Ef is perfectly designed as a multi-layer system.

6. Sensor device according to one of claims 1 to 5, characterized by at least two bridges elements whose magnetic field sensitivities are different have signs.

7. Sensor device according to claim 6, characterized ge indicates that the diagonal bridge elements te (E11, E22) of a pair of bridge elements a posi tive magnetic field sensitivity and the diagonal bridge element elements (E12, E21) of the other pair have a negative magnetic field possess sensitivity.

8. Sensor device according to claim 6, characterized ge indicates two diagonal bridge elements te (E11, E22 or E11 ', E21') magnetic field sensitivities with have different signs.

9. Sensor device according to one of claims 6 to 8, characterized in that the Difference between bridge elements with magnetic field sensitivity sign of bias layers with different magnets have directions.

10. Sensor device according to one of claims 6 to 9, characterized in that of two Difference between bridge elements with magnetic field sensitivity sign of one as a sensor element with a large magnet toresistive effect and the other as a sensor element with in verse great magnetoresistive effect are designed.

11. Sensor device according to one of claims 1 to 10, characterized in that minde at least two diagonal bridge elements (E12, E21) one at a time least have largely the same magnetic field sensitivity.

12. Sensor device according to one of claims 2 to 11, characterized in that two dia gonal bridge elements (E11, E22; E11 ', E22') different cher magnetic field sensitivity GMR layer packets (S1, S2; S1 ', S2'), which are at least one of their distinguish between corresponding magnetic layers.

13. Sensor device according to claim 12, characterized in that the two diagonal bridge elements (E11, E22; E11 ', E21') of different magnetic field sensitivity at least two corresponding layers ( 5 , 5 '; 7 , 7 ') with different different thicknesses ( d ₅ , d ₅ ^' ; d ₇ , d ₇ ^' ).

14. Sensor device according to one of claims 1 to 13, characterized in that all bridge elements are arranged on a common substrate ( 2 ).

15. Sensor device according to claim 14, characterized in that the bridge elements (E11, E22; E11 ', E21') are thermally and optionally elastically coupled by means of the substrate ( 2 ).