CN100504426C - 磁阻层系统和具有这种层系统的传感器元件 - Google Patents
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Abstract
提出一种磁阻层系统(5)，其中在特别基于GMR效应或AMR效应基本原理工作的一个磁阻层堆叠(14)的周围设有一个层结构(15)，该层结构产生一个合成磁场，该合成磁场作用于磁阻层堆叠(14)。层结构(15)具有一个第一磁层(12)和一个第二磁层(13)，它们通过一个非磁中间层(11)彼此分开，并通过中间层(11)铁磁地交换耦合，其中所述磁层之一为一个由CoFe、Co及包含这些材料的磁合金构成的软磁层，另一个磁层(13)为一个由CoSm组成的硬磁层。此外还提出特别是用于检测磁场强度和方向的传感器元件，其具有一个这样的磁阻层系统(5)。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁阻层系统和具有这种层系统的传感器元件。其中在一个磁阻层堆叠的周围设有至少一个层结构，该层结构产生一个合成磁场，该合成磁场作用于磁阻层堆叠。
背景技术
由现有技术公知了例如用于汽车的磁阻层系统和对应的传感器元件，其中工作点通过辅助磁场移动.特别地，公知了通过装配宏观硬磁体或有电流通过的励磁线圈产生的辅助磁场。
此外在DE 101 28 135.8中说明了一种构思，即硬磁层置于磁阻层堆叠附近，特别是在层堆叠上或下，硬磁层首先通过杂散场与层堆叠的真正的敏感层耦合。由此存在尽可能高的矫顽磁性作为目标参数另一方面前景中剩余磁场作为限制参数.这种硬磁层在垂直集成时也导致磁阻层系统的相邻敏感层的电短路，这限制希望的GMR效应(“大磁阻”)或AMR效应(各向异性磁阻)或相对于外部待分析的磁场的层系统的敏感度.
在DE 101 40 606.1中描述，两个磁层通过非磁的中间层可使各磁层的磁化方向依单个层厚度与单个层总厚度而铁磁性或非铁磁性地彼此耦合.
发明内容
本发明的任务是提供一种磁层系统，该系统具有相对于外部磁场高敏感度及同时敏感度尽可能与温度无关。
所述任务通过一种磁阻层系统来实现，其中在一个磁阻层堆叠的周围设有至少一个层结构，该层结构产生一个合成磁场，该合成磁场作用于磁阻层堆叠.根据本发明，层结构具有一个第一磁层和一个第二磁层，它们通过一个非磁中间层彼此分开，第一磁层与第二磁层通过中间层铁磁地交换耦合，其中第一磁层为一个由CoFe、Co及包含这些材料的磁合金构成的软磁层，第二磁层为一个由CoSm组成的硬磁层；或者第一磁层为一个由CoSm组成的硬磁层，而第二磁层为一个由CoFe、Co及包含这些材料的磁合金构成的软磁层。
根据本发明的磁性层系统及本发明的具有该层系统的传感器元件相对于现有技术具有优点，即其敏感度在给定温度间隔中仅有很小或优选无明显的温度相关性，其敏感度用于检测外部磁场的强度和/或方向。
所述磁阻层堆叠基于GMR效应或AMR效应基本原理工作。
对于例如由按照耦合多层原理的GMR层堆叠构成的公知磁阻传感器元件，层堆叠相对于外部磁场或该磁场的强度的应该通常在室温下达到的最大敏感度随温度改变。此外其敏感度也作为由层堆叠中例如通过集成的硬磁层产生的偏置磁场或辅助磁场的功能改变，使可调整磁阻层堆叠的工作点，工作点与温度和偏置磁场或辅助磁场的强度相关。总之，这使得敏感元件的工作点在预给定偏置磁场时作为温度的函数显著移动，这通常导致敏感度的明显的损失。
反之对于根据本发明的磁阻层系统，通过产生作用于磁阻层堆叠的合成磁场的层结构专门的构造实现磁阻层系统的敏感度作为温度函数不改变或仅很小改变，或磁阻层系统的工作点相应未改变或很少改变。在此特别有利的是如果产生偏置磁场的层结构具有产生的合成磁场的温度相关性，该温度相关性刚好补偿磁阻层系统中的磁层堆叠的温度相关性，那么层堆叠的工作点不移动和/或保持同样的敏感度。
只要层结构在本发明的磁阻层系统中或在由此产生的传感器元件中示出合成磁场的温度变化，该温度变化与磁阻的层堆叠的工作点的温度变化就能相适配，而硬磁材料，特别以高居里温度，有磁化的固有的温度变化。
所以当对于纯硬磁层由此产生的偏置杂散磁场或辅助磁场与硬磁层的磁化近似成比例，本发明给出的层结构的合成磁场有利地通过中间交换耦合的温度相关性决定.
通过中间层铁磁交换耦合的第一磁层和第二磁层的杂散场耦合在给定铁磁中间层耦合时反向(entgegenrichten)，即为非铁磁耦合.在减少铁磁中间层耦合时，例如通过升高温度，非铁磁成分相对增加，因此层结构的整体杂散磁场减小。通过升高温度以相应地向较小磁场移动先前调定的工作点，并因此补偿磁阻层堆叠的作为温度函数的敏感度变化。总之，以这种方式能通过中间层交换耦合强度及第一磁层和第二磁层的层厚度改变杂散磁场或偏置磁场随温度的变化，该中间层交换耦合为材料常数并由此决定选择的材料.
当由层结构产生的合成磁场的强度与用于产生磁阻层堆叠的最大敏感度所必要的磁场值一致时，有利地实现磁阻层系统或由此产生的传感器元件特别高的敏感度.这有利地保持在工作时层系统通常位于的温度间隔上，即例如-30℃至+200℃的温度间隔。
本发明的有利改进方案见从属权利要求中的特征.
如果磁阻层堆叠和层结构具有相似的优选相同的或温度历程，这可容易地由此实现，即对于第二非磁中间层和层结构的非磁中间层使用相同的材料，那么在磁阻层系统中由具有第三磁层和第四磁层的按照耦合多层原理或旋转阀(Spin-Valve)原理基于GMR效应是有利的，其中第三磁层和第四磁层通过第二非磁中间层彼此分开。以这种方式层结构和磁阻层堆叠表现出分别由中间层交换耦合决定的相似或相同的温度相关性.
此外有利的是，层结构在不同的方案中靠近磁阻层堆叠，即该方案可在垂直集成时在磁阻层堆叠的上面或下面和/或可在水平集成时一侧或优选双侧靠近磁阻层.
总之有利的是，层结构的两个磁层具有不同的厚度。
附图说明
以下，结合附图及后面的描述来详细描述本发明，图1为层系统的剖面图.
具体实施方式
图1示出具有以图1示出的方向的合成磁场磁化m1的第一磁层12，中间层11位于该层上。在中间层11上设有具有以图1示出的方向的合成磁场磁化m2的第二磁层13.在第二磁层13上设有磁阻层堆叠14，该磁阻层堆叠与现有技术一样。特别地磁阻层堆叠14以GMR效应基本原理按照耦合多层原理或转动阀原理工作。第一磁层12、中间层11和第二磁层13一起构成产生合成磁场的层结构15，该合成磁场作用于层堆叠。此外规定，第一磁层12和第二磁层13通过中间层11铁磁交换耦合.
第一磁层12例如为软磁层，特别是由坡莫合金、CoFe、Co、Fe、Ni、FeNi及包含这些材料磁合金构成的层。第二磁层13例如为硬磁层，特别由CoSm、CoCrPt、CoCrTa、Cr或CoPt组成的硬磁层。替换方案为第一磁层12也可为所述材料构成的硬磁层，而第二层13可为所述材料构成的软磁层.此外，第一磁层12及第二磁层13可以都是由CoSm、CoCrPt、CoCrTa、Cr或CoPt组成的硬磁层。
第一磁层12的厚度与第二磁层13的厚度不同。第二磁层13的厚度优选大于第一磁层12的厚度。
非磁中间层11例如由铜，具有铜的合金或由铜制成的合金、具有银的合金或由银制成的合金或具有金的合金或由金制成的合金，例如CuAgAu，或优选由钌构成.
按照图1的所述例中层结构15在层堆叠14下。层结构15也可同样位于层堆叠14之上或旁边。
按照图1的第一和/或第二磁层12、13厚度分别在10纳米至100纳米之间，特别在20纳米至50纳米之间.选择中间层11的厚度，使第一磁层12与第二磁层13铁磁交换耦合。中间层11的厚度例如为0.8纳米。
单个的图1说明的层的定位(Deposition)相对于公知影响因素通常并不关键。所需的铁磁中间层交换耦合可特别借助非磁中间层11通过中间层11公知层厚度调节。
按照图1的磁阻层系统5在工作时所处在的温度波动通常在-30℃至+200℃范围内，磁阻层系统5例如在用于探测外部磁场强度和/或方向的传感器元件中、特别在汽车上。
当温度升高时，例如从室温升高，首先出现第一磁层12与第二磁层13之间的铁磁中间层交换耦合的“软化”。同时两个耦合磁层12、13的杂散场耦合反向于铁磁中间层交换耦合。铁磁层耦合由于温度升高引起的软化导致磁层12、13的反向杂散耦合相对增加，使层结构15中的整体杂散场，即作用于磁阻层堆叠14的合成磁场减小。相应地通过层结构15调节的磁阻层堆叠14的工作点向较小磁场移动。
图1中示出，第一磁层12如何产生作用于磁阻堆叠14的杂散场H1，及第二磁层13如何产生同样作用于磁阻堆叠14的杂散场H2。
当第一磁层12与第二磁层13间的中间层交换耦合软化时在描述的例子中杂散场H1、H2的和，即作用于磁阻层堆叠的合成磁场偏置磁场总体减小。
如果磁层12、13之一为软磁层，例如第二磁层12，可以调整两个杂散场H1和H2，使其彼此最大程度的补偿。
最后还应提到，层结构15的所述构思方便地置入以GMR多层、GMR旋转阀结构和AMR层系统或CRM层系统(“巨大磁阻”)存在的磁阻层系统。此外应指出，按照磁阻层系统5通常位于衬底上，通过所述缓冲层与该衬底相连。此外在磁阻层14上也有例如由钽构成的覆盖层。
Claims (14)
1.一种磁阻层系统，其中在一个磁阻层堆叠(14)的周围设有至少一个层结构(15)，该层结构产生一个合成磁场，该合成磁场作用于磁阻层堆叠(14)，其特征在于，层结构(15)具有一个第一磁层(12)和一个第二磁层(13)，它们通过一个非磁中间层(11)彼此分开，第一磁层(12)与第二磁层(13)通过中间层(11)铁磁地交换耦合，其中第一磁层(12)为一个由CoFe、Co及包含这些材料的磁合金构成的软磁层，第二磁层(13)为一个由CoSm组成的硬磁层；或者第一磁层(12)为一个由CoSm组成的硬磁层，而第二磁层(13)为一个由CoFe、Co及包含这些材料的磁合金构成的软磁层。
2.根据权利要求1所述的磁阻层系统，其特征在于，所述磁阻层堆叠基于大磁阻效应或各向异性磁阻效应基本原理进行工作。
3.根据权利要求1所述的磁阻层系统，其特征在于，第一磁层(12)和第二磁层(13)为一个硬磁层.
4.根据权利要求1所述的磁阻层系统，其特征在于，所述硬磁层是由CoSm、CoCrPt、CoCrTa、Cr或CoPt组成的硬磁层。
5.根据前述权利要求中任一项所述的磁阻层系统，其特征在于，第一磁层(12)具有一个与第二磁层(13)不同的厚度。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的磁阻层系统，其特征在于，层堆叠(14)具有一个第三磁层和一个第四磁层，它们通过一个第二非磁中间层彼此分开，层结构(15)的非磁中间层(11)与层堆叠(14)的第二非磁中间层至少由同种材料构成和/或具有一个至少相同的厚度.
7.根据权利要求1至4中任一项所述的磁阻层系统，其特征在于，非磁中间层(11)由铜构成，或者由具有铜的合金或由铜制成的合金、具有银的合金或由银制成的合金、或者由具有金或由金制成的合金所构成，或由钌构成。
8。根据权利要求1至4中任一项所述的磁阻层系统，其特征在于，层结构(15)设置在层堆叠(14)之上和/或之下和/或旁边。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的磁阻层系统，其特征在于，第一磁层和/或第二磁层(12、13)厚度在10纳米至100纳米之间。
10.根据权利要求9所述的磁阻层系统，其特征在于，第一磁层和/或第二磁层(12、13)厚度在20纳米至50纳米之间。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的磁阻层系统，其特征在于，当磁阻层系统(5)所遭受的温度改变时，一个改变的敏感度或磁阻层堆叠(14)的一个移动的工作点相对于待测强度和/或方向的外部磁场来说至少部分地通过合成磁场至少部分地得以补偿，该合成磁场根据温度的改变也发生变化，并且该合成磁场由所述层结构(15)产生。
12.根据权利要求11所述的磁阻层系统，其特征在于，所述温度在一30℃至+200℃的预给定温度间隔内.
13.根据权利要求11所述的磁阻层系统，其特征在于，所述敏感度或工作点完全地得以补偿。
14.传感器元件，该传感器元件具有按照前述权利要求中任一项所述的一个磁阻层系统(5)。
15.根据权利要求14所述的传感器元件，其特征在于，所述传感器元件用于检测磁场强度和方向.
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