DE10017374A1 - Magnetische Koppeleinrichtung und deren Verwendung - Google Patents

Abstract

Die magnetische Koppeleinrichtung (12) enthält ein elektrisches, ein magnetisches Signalfeld (H) mittels Stromfluss (I) erzeugendes elektrisches Leiterelement (10) sowie galvanisch getrennt davon mindestens ein zugeordnetes magnetfeldempfindliches Sensorelement (S). Das Sensorelement (S) soll ein einen erhöhten magnetoresistiven Effekt zeigendes Mehrschichtensystem (3) mit weichmagnetischer Messschicht (6, 6') enthalten, deren Magnetisierung (m¶me¶) bei fehlendem Signalfeld (H) in eine vorbestimmte Ausgangslage einnimmt. Vorzugsweise enthält das Mehrschichtensystem (3) noch einen magnetisch härteren, als künstlicher Antiferromagnet (AAF) ausgebildeten Biasschichtteil. Die Koppeleinrichtung kann als Stromsensor verwendet werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Koppelein­ richtung mit wenigstens einem ein magnetisches Signalfeld mittels Stromfluss erzeugenden elektrischen Leiterelement so­ wie mit mindestens einem dem Leiterelement zugeordneten, von diesem galvanisch getrennten Sensorelement. Eine entsprechen­ de Koppeleinrichtung ist z. B. aus dem Buch von E. Schrüfer "Elektrische Messtechnik", 6. Auflage, 1995, Hanser-Verlag München, Seiten 165 bis 168 zu entnehmen. Die Erfindung be­ trifft ferner die Verwendung einer solchen Koppeleinrichtung.

Auf vielen Gebieten der Technik wie z. B. der digitalen Infor­ mationsübertragung oder der Messtechnik wird eine potential­ freie Übertragung von elektrischen Signalen gefordert. Hierzu werden vielfach optoelektronische Koppeleinrichtungen vorge­ sehen. In deren Koppelelementen, sogenannten Optokopplern, wird auf einen Eingang ein elektrisches (primäres) Signal ge­ geben, das in ein optisches Strahlungssignal umgewandelt wird. Dieses Strahlungssignal wird durch ein isolierendes Me­ dium hindurch auf ein Sensor- oder Detektorelement übertra­ gen, wo es wieder in ein elektrisches (sekundäres) Signal rückverwandelt wird.

Eine digitale Informationsübertragung mittels Optokopplern ist begrenzt in der Übertragungsrate durch die beschränkte Bandbreite der optischen Elemente und in der Bauform durch die beschränkte Integrierbarkeit der optischen Elemente mit der Siliziumtechnologie. Ferner können die optischen Elemente nur in einem Temperaturbereich bis maximal etwa 85°C betrie­ ben werden.

Neben einer solchen optoelektrischen Signalübertragung ist auch eine magnetische Übertragung unter Verwendung von Hall- Sonden bzw. -Generatoren bekannt. Mit solchen Sonden lassen sich nämlich alle die Signalgrößen erfassen, die Magnetfelder erzeugen oder beeinflussen. So ist z. B. der vorstehend ge­ nannten Literaturstelle eine entsprechende, potentialfreie Messung eines Stromes zu entnehmen. Hierzu wird dieser durch die Wicklung eines Elektromagneten geschickt. Dessen magneti­ sche Induktion wird dann mittels einer Hall-Sonde bestimmt. Bei einem konstanten Steuerstrom durch die Hall-Sonde ist dann deren Hall-Spannung ein Maß für den zu messenden Strom.

Eine Strommessung ist also unter Verwendung von Hall-Sonden prinzipiell möglich; sie stößt jedoch praktisch auf große Schwierigkeiten. Auch bei verhältnismäßig hohen Stromstärken ist nämlich das einen stromdurchflossenen Leiter umgebende Magnetfeld immer noch klein, so dass nur sehr niedrige Hall- Spannungen auftreten. Man sieht sich deshalb z. B. gezwungen, mit dem zu messenden Strom einen definierten Magnetkreis zu erregen, um so die wesentlich höhere magnetische Induktion im Luftspalt eines solchen Magnetkreises messen zu können. Abge­ sehen davon, dass entsprechende Messeinrichtungen verhältnis­ mäßig voluminös sind, ist der diesbezügliche apparative Auf­ wand auch hoch.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die magne­ tische Koppeleinrichtung der eingangs genannten Art dahinge­ hend auszugestalten, dass mit ihr auf verhältnismäßig einfa­ che Weise eine Signalübertragung auf magnetischem Wege ermög­ licht ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das magnetfeldempfindliche Sensorelement ein einen erhöhten magnetoresistiven Effekt zeigendes Mehrschichtensystem um­ fasst, 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 Schicht bei fehlendem Signalfeld eine vorbestimmte, von der Vorzugsachse der Magnetisierung dieser Schicht abhängige Ausgangslage hat. Die Vorzugsachse der Magnetisierung ist da­ bei "sensorintrinsisch"; ihre Einprägung kann sowohl durch einen besonderen Schichtaufbau z. B. durch Auswahl des Materi­ als und/oder der Schichtdicke, aber auch durch eine bestimmte geometrische Form, z. B. durch ein bestimmtes Verhältnis von Länge zu Breite, und/oder durch eine durch ein äußeres Mag­ netfeld eingeprägte Anisotropie geschehen. Eine solche Ani­ sotropie lässt sich entweder während des Herstellungsprozes­ ses oder nachträglich durch einen Temperschritt in einem Mag­ netfeld erzeugen.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass sich zur Ausbildung einer magnetischen Koppeleinrichtung der magnetoresistive Effekt, insbesondere der sogenannte "Giant Magneto Resistance" (GMR)-Effekt, von speziellen Dünnschich­ tensystemen bezüglich eines auftreffenden Magnetfeldes aus­ nutzen lässt, um ein der das Magnetfeld hervorrufenden physi­ kalischen Größe wie z. B. einem Strom entsprechendes elektri­ sches Signal zu erzeugen. Diese Erzeugung ist mit dem erfin­ dungsgemäß eingesetzten Mehrschichtensystem verhältnismäßig einfach und kostengünstig zu erreichen. Außerdem ist bei sol­ chen Mehrschichtensystemen eine Temperaturabhängigkeit wie bei optischen Koppeleinrichtungen nicht zu befürchten; denn im Gegensatz zu den optischen Koppelelementen können käufli­ che GMR-Sensoren bis etwa 150°C betrieben werden.

Ein weiterer, mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Koppeleinrichtung verbundener Vorteil ist darin zu sehen, dass der gesamte Aufbau mit Bauteilen der Siliziumtechnologie integrierbar und kombinierbar ist. Er ist somit klein und kostengünstig herstellbar. So kann er z. B. direkt mit weite­ rer Elektronik auf einem gemeinsamen Chip integriert werden.

Aus der WO 98/07165 geht zwar eine magnetische Koppeleinrich­ tung zur Stromdetektion hervor, die insbesondere vier Sensor­ elemente besitzt, mit denen ein magnetisches Signalfeld, das mittels Stromfluss durch eine Flachspule erzeugt wird, zu detektieren ist. Die Leiterelemente der Flachspule verlaufen dabei orthogonal über die Sensorelemente und sind galvanisch gegenüber diesen getrennt. Die Sensorelemente sind jeweils als Mehrschichtensystem mit zwei ferromagnetischen Schichten aufgebaut, die durch eine elektrisch leitende, nicht- magnetische Zwischenschicht getrennt sind und magnetore­ sistiv, anisotrop sind. Diese Mehrschichtensysteme können insbesondere einen GMR-Effekt zeigen. Einzelheiten des Auf­ baus der zu verwendenden Mehrschichtsysteme und insbesondere Gesichtspunkte der Magnetisierungsverhältnisse ihrer ferro­ magnetischen Schichten sind jedoch nicht näher ausgeführt. Gerade diese Einzelheiten sind aber für eine eindeutige Sig­ nalgewinnung mit hoher Übertragungsrate von besonderer Bedeu­ tung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Koppelein­ richtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

So kann insbesondere ein Mehrschichtensystem mit einem gegen­ über der weichmagnetischen Messschicht magnetisch härteren, von dieser durch eine nicht-magnetische Zwischenschicht beabstandeten Biasschichtteil vorgesehen sein. Entsprechende, bekannte Mehrschichtensysteme zeichnen sich durch einen hohen magnetoresistiven Effekt aus.

Vorteilhaft kann dabei der Biasschichtteil als ein sogenann­ ter künstlicher Antiferromagnet ausgebildet sein. Bei der Herstellung entsprechender Mehrschichtensysteme kann auf den Aufbau entsprechender Systeme und die diesbezüglichen Verfah­ ren zu deren Herstellung zurückgegriffen werden.

Die Ausrichtung der Magnetisierung der mindestens einen weichmagnetischen Messschicht bei fehlendem Signalfeld in ei­ ner vorbestimmte Ausgangslage muss für die erfindungsgemäße Koppeleinrichtung sichergestellt sein, damit nach jedem mag­ netischen Signalpuls die Messschicht in einen festen Aus­ gangszustand mit definiertem Signalpegel zurückkehrt. Hierzu kann vorteilhaft eine magnetische (ferromagnetische oder an­ tiferromagnetische) Kopplung der Magnetisierung der Mess­ schicht an die Magnetisierung eines magnetisch härteren Bias­ schichtteils über eine nicht-magnetische Zwischenschicht mit einer vorbestimmten Dicke vorgesehen sein.

Daneben ist es vorteilhaft auch möglich, dass die Magnetisie­ rung der weichmagnetischen Messschicht bei fehlendem Signal­ feld durch ein gerichtetes magnetisches Zusatzfeld in die vorbestimmte Ausgangslage eingestellt ist. Eine entsprechende Ausrichtung der Magnetisierung der Messschicht lässt sich auch durch Einprägung einer uniaxialen Anisotropie z. B. durch eine besondere Formgebung der Schicht einstellen.

Besonders vorteilhaft kann das Mehrschichtensystem der erfin­ dungsgemäßen Koppeleinrichtung als ein magnetoresistives Tun­ nelelement ausgebildet sein. Solche Tunnelelemente weisen zwischen ihren ferromagnetischen Schichten jeweils eine nicht-magnetische, einen Tunneleffekt ermöglichende Zwischen­ schicht (sogenannte "Tunnelbarrieren") aus einem elektrisch isolierenden oder halbleitenden Material auf. Diese Elemente zeichnen sich nämlich vorteilhaft durch einen hohen Signalhub und besonders kleine Baugröße aus.

Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Koppeleinrichtung Mittel zu ihrer magnetischen Abschirmung gegen externe magne­ tische Störfelder auf. Entsprechende Mittel können insbeson­ dere an der dem Mehrschichtensystem abgewandten Seite des we­ nigstens einen Leiterelementes und gegebenenfalls galvanisch getrennt von diesem in Form einer weichmagnetischen Schicht angeordnet sein. Eine solche Schicht kann vorteilhaft auch die Funktion eines magnetischen Spiegels bezüglich des von dem mindestens einen Leiterelement hervorgerufenen magneti­ schen Feldsignals ausüben und kann somit zu einer entspre­ chenden Signalverstärkung beitragen.

Die erfindungsgemäße Koppeleinrichtung kann vorteilhaft als ein Stromsensor verwendet werden. Ein durch deren elektri­ sches Leiterelement fließender Strom kann nämlich zur Erzeu­ gung eines primären Signalfeldes erzeugt werden, das dann von dem mindestens einen magnetfeldempfindlichen Sensorelement detektiert und in ein sekundäres Signal umgewandelt wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Koppeleinrichtung nach der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen her­ vor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, anhand derer Ausführungsbei­ spiele von magnetischen Koppeleinrichtungen schematisch veranschaulicht sind. Dabei zeigen in der Zeichnung

Fig. 1 als Schnittbild den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Koppeleinrichtung mit einem magnetoresistiven Mehrschichtensystem,

Fig. 2 einen speziellen Aufbau nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Aufsicht auf den Aufbau nach Fig. 1,

Fig. 4 als Schnittbild einen beispielhaften Aufbau einer Koppeleinrichtung mit einem magnetore­ sistiven, einen künstlichen Antiferromagneten aufweisenden Mehrschichtensystem,

Fig. 5 als Schnittbild einen weiteren Aufbau einer Koppeleinrichtung, deren Mehrschichtensystem gegenüber dem Aufbau nach Fig. 4 um einen na­ türlichen Antiferromagneten ergänzt ist,

Fig. 6 in einem Diagramm Kopplungsmöglichkeiten in ei­ nem derartigen Mehrschichtensystem in Abhängig­ keit von einer Entkopplungsschichtdicke,

Fig. 7 und 8 in Diagrammen den magnetoresistiven Ef­ fekt eines Aufbaus nach Fig. 1 in Abhängigkeit von verschiedenen Richtungen eines äußeren mag­ netischen Signalfeldes,

Fig. 9 in einem Diagramm den magnetoresistiven Effekt für diesen Aufbau in Abhängigkeit von der Dicke einer Entkopplungsschicht des Mehrschichtensys­ tems und

Fig. 10 bis 13 den sukzessiven Aufbau einer speziel­ len Koppeleinrichtung.

In den Figuren sind entsprechenden Teilen dieselben Bezugs­ zeichen zugeordnet.

Der in Fig. 1 im Schnitt angedeutete Aufbau einer allgemein mit 2 bezeichneten erfindungsgemäßen Koppeleinrichtung um­ fasst mindestens ein magnetfeldempfindliches Sensorelement S auf einem Substrat 7. Dieses Sensorelement soll ein einen ge­ genüber magnetoresistiven Einschichtsensorelementen insbeson­ dere aus NiFe erhöhten magnetoresistiven Effekt zeigendes Mehrschichtensystem aufweisen. Das Mehrschichtensystem ent­ hält mindestens eine weichmagnetische Messschicht, deren Mag­ netisierung bei einem fehlenden Signalfeld H in eine vorbe­ stimmte Ausgangslage einnimmt. Diese Ausgangslage ist in Ab­ hängigkeit von der intrinsischen Vorzugsachse der Magnetisie­ rung festgelegt. Das Sensorelement S ist von einer Isolati­ onsschicht 11 abgedeckt. Oberhalb des Elementes und somit von diesem galvanisch getrennt verläuft wenigstens ein elektri­ sches Leiterelement 10. Mit diesem Leiterelement ist aufgrund eines entsprechenden Stromflusses I das (primäre) magnetische Signalfeld H zu erzeugen, das von dem Sensorelement S erfasst wird und somit in diesem ein entsprechendes (sekundäres) Sig­ nal hervorruft.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine entsprechende Ausfüh­ rungsform einer Koppeleinrichtung 2. Ein als Substrat 7 die­ nender Si-Wafer ist mit einer Isolationsschicht 20 aus SiO₂ überzogen, die einen Sensor S trägt. Der Sensor ist von einer den Aufbau einebnenden Passivierungsschicht 21 aus Al₂O₃ ab­ gedeckt. Auf dieser Passivierungsschicht befindet sich eine erste Isolationsschicht 11a aus einem Polymer, auf deren Oberseite ein als Strompfad dienendes Leiterelement 10 aus Al mit einer dünnen metallischen Unterlage 10a aus Ti angeordnet ist. Das Leiterelement ist von einer weiteren Isolations­ schicht 11b aus dem Material der Isolationsschicht 11a abge­ deckt. Der so eingeebnete Aufbau ist von einer weichmagneti­ schen Schicht 22 z. B. aus einer NiFe-Legierung wie Permalloy abgedeckt. Diese Schicht dient vorteilhaft zu einer magneti­ schen Schirmung gegen externe Störfelder und gleichzeitig als magnetischer Spiegel zur Erhöhung des von der Leiterbahn 10 hervorgerufenen Erregerfeldes. Sie braucht nicht unbedingt von dem Leiterelement galvanisch getrennt zu sein. Ferner kann es sinnvoll sein, die erfindungsgemäße Koppeleinrichtung gegen störende externe Magnetfelder auch auf der Substratsei­ te z. B. durch mindestens eine zusätzliche Permalloy-Schicht abzuschirmen. Diese zusätzliche Schirmschicht kann sich ins­ besondere auf der Substratunterseite oder auch als weitere Lage oberhalb des Substrates befinden. Statt einer einzigen Schicht können selbstverständlich auch mehrere Lagen vorgese­ hen werden.

Das von dem Sensorelement 5 hervorgerufene (sekundäre) Signal ist in der aus Fig. 3 hervorgehenden Aufsicht auf den Aufbau nach Fig. 1 mit s2 bezeichnet, während dem (primären) Signal des Leiterelementes 10 das Bezugszeichen s1 zugeordnet ist. Das sekundäre Signal s2 wird aus dem an dem Mehrschichtensys­ tem des Sensorelementes entnommenen, in einem Verstärker 8 nachverstärkten Signal gewonnen. Die Signalübertragung kann dabei mit hoher Datenübertragungsrate (< 100 MBd) erfolgen. In der Figur ist das von der Isolationsschicht 11 abgedeckte Mehrschichtensystem des Sensorelementes S zu dessen galvani­ scher Trennung gegenüber dem Leiterelement 10 gestrichelt eingezeichnet.

Bei dem in Fig. 4 im Schnitt angedeuteten Aufbau einer er­ findungsgemäßen Koppeleinrichtung 12 ist für deren Sensorele­ ment 5 als Ausführungsbeispiel ein magnetoresistives Mehr­ schichtensystem zugrundegelegt, wie es für an sich bekannte GMR-Sensorelemente vorgesehen wird (vgl. z. B. EP 0 483 373 A1, DE 42 32 244 A1, DE 42 43 357 A1 oder WO 94/15223 A). Die Einrichtung 2 enthält deshalb ein in bekannter Weise in Dünn­ filmtechnik erstelltes Mehrschichtensystem 3, das einen er­ höhten magnetoresitiven Effekt ΔR/R zeigt. Der magnetore­ sistive Effekt des Mehrschichtensystems soll dabei gegenüber bekannten magnetoresistiven Einschichtsystemen größer (er­ höht) sein (vgl. EP 0 490 608 A2 oder EP 0 346 817 B1). Er ist deshalb im allgemeinen mindestens einige Prozent (bei Raumtemperatur) groß und beträgt beispielsweise mindestens 3%. Das zu verwendende Mehrschichtensystem kann vorzugsweise als sogenanntes Hart-Weich-System (mit magnetisch härteren und weicheren Schichtteilen oder Schichten) ausgebildet sein. Die Größe ΔR des magnetoresistiven Effektes stellt dabei in bekannter Weise den Unterschied des elektrischen Widerstandes des Mehrschichtensystems zwischen paralleler und antiparalle­ ler Ausrichtung der Magnetisierungen der weichmagnetischen Schicht(en) zu der/den hartmagnetischen Schicht(en) dar. Die Größe R ist der elektrische Widerstand bei entsprechender pa­ ralleler Ausrichtung. Der magnetisch härtere Schichtteil die­ ses Mehrschichtensystems kann insbesondere als ein sogenann­ ter künstlicher Antiferromagneten AAF (Artificial Antiferro­ magnet) ausgebildet sein (vgl. die genannte WO 94/15223 A), der sich wie ein Permanentmagnet verhält und auch als ein Bi­ asschichtteil anzusehen ist. Der künstliche Antiferromagnet AAF ist ein GMR-Subsystem aus einer Schichtenfolge von magne­ tischen Schichten (z. B. aus Co oder einer Co-Legierung) und nicht-magnetischen Koppelschichten (z. B. aus Cu). Er zeigt eine stark antiparallele Kopplung und ein kleines verbleiben­ des Nettomoment der Magnetisierung. Die Richtung dieses Net­ tomoments wird im Produktionsprozess in eine bestimmte Rich­ tung aufmagnetisiert (wie ein Permanentmagnet), und diese Richtung dient als Bezugsrichtung des Mehrschichtensystems 3. Im vorliegenden Fall ist der künstliche Antiferromagnet AAF symmetrisch ausgebildet, d. h., er weist eine mittlere Bias­ schicht 4 und zwei von dieser durch nicht-magnetische Kopp­ lungsschichten 4a bzw. 4a' getrennte äußere Magnetschichten 4b bzw. 4b' auf. Die Magnetisierungen der magnetischen Schichten 4 und 4b, 4b' sind durch gepfeilte Linien m_b bzw. m_mb angedeutet, wobei die stärkere Magnetisierung m_b der mitt­ leren Biasschicht 4 durch eine größere Pfeillänge veranschau­ licht sein soll. Dem Nettomoment der Magnetisierung des ge­ samten künstlichen Antiferromagneten AAF sei nachfolgend das Bezugszeichen m_aaf zugeordnet.

Durch eine nicht-magnetische Zwischenschicht 5 bzw. 5' der Dicke d z. B. aus Cu von dem künstlichen Antiferromagneten AAF getrennt liegt jeweils eine weichmagnetische Messschicht 6 bzw. 6', die beispielsweise aus Fe oder einer Fe-Legierung besteht. Die Fe-Messschichten können auch über eine dünne Co- Schicht an der jeweiligen Cu-Zwischenschicht anliegen. Zur Erhöhung des magnetoresistiven Effektes sind gemäß dem darge­ stellten Ausführungsbeispiel zwei weichmagnetische Mess­ schichten 6 und 6' symmetrisch um den künstlichen Antiferro­ magneten AAF angeordnet.

Im vorliegenden Fall gibt es eine magnetische Kopplung zwi­ schen der jeweiligen Messschicht und dem jeweils zugeordneten Biasschichtteil, so dass das Signal eine Feldabhängigkeit zeigt (vgl. die Fig. 6 und 7). Bei größeren Feldern (über etwa 5 kA/m) geht das Signal in die magnetische Sättigung ü­ ber. Die sich dabei ergebende Signalform ist zwar nicht be­ sonders linear und gegebenenfalls mit einer Hysterese behaf­ tet; sie ist also nicht besonders gut für eine quantitative, analoge Strommessung geeignet. Diese Tatsachen haben jedoch wie im vorliegenden Fall dann keine Bedeutung, wenn digitale Signale übertragen werden sollen und/oder nur Schwellwerte zu messen sind.

Wie ferner aus Fig. 1 oder Fig. 4 hervorgeht, wird das ex­ terne magnetische Signalfeld H (bzw. Magnetfeld) durch einen Strom I in einem elektrischen Leiterelement 10 erzeugt, der dem magnetoresistiven Mehrschichtensystem 3 zugeordnet ist und beispielsweise über zumindest eine der Messschichten 6 und/oder 6' hinweg insbesondere zumindest annähernd orthogo­ nal verläuft. Gegebenenfalls kann aber auch das Leiterelement 10 zumindest annähernd parallel zu dem im allgemeinen strei­ fenförmig ausgebildeten Mehrschichtensystem 3 verlaufen (vgl. z. B. Fig. 3). Die gegenseitige Ausrichtung von Leiterelement und Mehrschichtensystem hängt dabei von der intrinsischen Vorzugslage ab. Darüber hinaus ist es aber auch möglich, die Leiterbahn nicht genau senkrecht oder parallel zu dem strei­ fenförmigen Mehrschichtensystem verlaufen zu lassen, sondern eine demgegenüber leichte Abweichung um einen Winkel von bis zu ±15° vorzusehen. Damit lässt sich bei der Ummagnetisie­ rung eine Drehung der Magnetisierung an Stelle eines Zerfalls in Domänen bewirken. Ein derartiger Domänenzerfall kann sich nämlich ungünstig auf die magnetische Stabilität des gesamten Mehrschichtensystems auswirken.

Das Leiterelement 10 ist über die Isolationsschicht 11 beabstandet auf der Messschicht 6 angebracht und somit galva­ nisch von dieser getrennt. Sein Signalfeld H wirkt in glei­ cher Weise auf das gesamte Sensorelement (bzw. das Mehr­ schichtensystem 3). Das Sensorelement ist dabei verhältnismä­ ßig dünn (unter etwa 100 nm) im Vergleich zu der wesentlich dickeren Isolationsschicht 11 (mehrere 100 nm bis einige µm). Die entsprechenden Dickenverhältnisse sind in den Fig. 1 und 4 nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. Durch das Signal­ feld H werden dann die Magnetisierungen der magnetisch wei­ cheren Messschichten ausgerichtet, während die magnetisch härteren Schichten des Biasschichtteils unverändert bleiben. D. h., das Signalfeld H bestimmt dann die Richtung der durch einen gestrichelten Pfeil angedeuteten Magnetisierung m_me in jeder Messschicht.

Die magnetische Kopplung zwischen der jeweiligen Messschicht und dem jeweils zugeordneten Biasschichtteil oszilliert zwi­ schen den verschiedenen Kopplungsarten in an sich bekannter Weise in Abhängigkeit von der Dicke d der jeweiligen Zwi­ schenschicht 5 bzw. 5'. Deshalb kann prinzipiell für die je­ weilige Zwischenschicht eine Dicke d entsprechend der ge­ wünschten Kopplungsart gewählt werden. Wird hingegen die Di­ cke d der Zwischenschichten 5 und 5' so groß gewählt, z. B. über 2,3 nm bei Cu-Zwischenschichten 5 bzw. 5' und Fe- oder Co-Messschichten 6 und 6', dass die Messschichten durch die Zwischenschichten von dem zugeordneten Biasschichtteil magne­ tisch entkoppelt sind, dann kann sich die Magnetisierung der jeweiligen Messschicht verhältnismäßig frei in einem externen Magnetfeld drehen. Dies bedeutet auch, dass die Magnetisie­ rungen der Messschichten in der Position stehen bleiben, in der das externe Magnetfeld ausgeschaltet wird. Diese Eigen­ schaft ist für die Realisierung einer magnetischen Koppelein­ richtung unerwünscht. Deshalb ist bei dem erfindungsgemäßen Mehrschichtensystem 3 sichergestellt, dass nach jedem von ei­ nem externen Magnetfeld erzeugten Signalpuls die Messschich­ ten in einen festen Ausgangszustand mit definiertem Signalpe­ gel zurückkehren, wobei ihre Magnetisierung m_me dann eine vorbestimmte Ausgangslage hat bzw. in diese zurückkehrt.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Koppeleinrichtung 12 wird dies dadurch erreicht, dass die weichmagnetischen Messschichten 6 und 6' durch Begrenzung der Dicke d der Zwischenschichten 5 bzw. 5' an den künstlichen Antiferromagneten AAF oder einen anderen Biasschichtteil mag­ netisch angekoppelt werden. Vorteilhaft ist dabei, dass ge­ genüber entsprechenden bekannten GMR-Positionssensoren die Schicht- und Prozessabfolge nicht geändert werden muss, also die gleiche Fertigungstechnologie verwendet werden kann.

Für das für die vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiele zugrunde gelegte, in Dünnschicht-Technik zu erstellende Mehr­ schichtensystem mit erhöhtem magnetoresitiven Effekt ist die Verwendung eines Biasschichtteils in Form eines künstlichen Antiferromagneten als besonders vorteilhaft anzusehen. Es ist jedoch auch möglich, den Biasschichtteil nur durch eine ein­ zige, gegenüber der magnetisch weicheren Messschicht magne­ tisch härteren Schicht zu bilden. Ein geeigneter Biasschicht­ teil kann auch aus einem sogenannten "natürlichen" Antiferro­ magneten NAF wie z. B. aus einer NiO-, IrMn- oder FeMn-Schicht bestehen, an die eine Magnetschicht z. B. aus Co gekoppelt ist. Entsprechende Gestaltungsmerkmale sind von den sogenann­ ten "Spin Valves" her bekannt. Selbstverständlich lassen sich auch Biasschichtteile aus einer Kombination von künstlichem Antiferromagnet AAF und natürlichem Antiferromagnet NAF vor­ sehen. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 angedeutet. Beim Mehrschichtensystem dieser allgemein mit 24 bezeichneten Koppeleinrichtung wird von dem der in Fig. 4 dargestellten Einrichtung ausgegangen. Das Mehrschichtensys­ tem befindet sich auf einem Substrat 7 mit es abdeckender Isolationsschicht 20 z. B. gemäß Fig. 2. Das Mehrschichtensys­ tem der Koppeleinrichtung 24 enthält die einfachste Form ei­ nes künstlichen Antiferromagneten AAF mit asymmetrischem Auf­ bau, der zwei ferromagnetische Schichten 4 und 4b unter­ schiedlicher magnetischer Härte sowie eine dazwischenliegende nicht-magnetische Zwischenschicht 4a umfasst. Zusätzlich ist hier auf der der weichmagnetischen Messschicht 6 abgewandten Seite dieses künstlichen Antiferromagneten AAF noch eine ei­ nen natürlichen Antiferromagneten NAF bildende Schicht 25 z. B. aus IrMn angebracht.

In Fig. 5 ist zwar eine Magnetisierung des natürlichen Anti­ ferromagneten NAF mit m_naf bezeichnet, obwohl ein natürlicher Antiferromagnet an sich keine makroskopische Magnetisierung aufweist. Vielmehr ist jede seiner Gitternetzebenen antipa­ rallel zur nächsten (benachbarten) Gitternetzebene orien­ tiert. Dies soll in der Figur durch die beiden gestrichelt eingezeichneten Pfeile angedeutet sein. Beim Aufbringen einer NAF-Schicht 25 muss man dementsprechend darauf achten, dass man das richtige kristalline Wachstum erzeugt, indem die oberste Ebene magnetisch an die erste Schicht des AAF-Systems ankoppelt. D. h., die Magnetisierung der an die NAF-Schicht 25 angrenzenden AAF-Schicht koppelt an die Magnetisierung der obersten Lage bzw. Gitternetzebene der NAF-Schicht an.

Neben der vorstehend beschriebenen zusätzlichen Verwendung eines künstlichen Antiferromagneten ist es stattdessen auch möglich, einen natürlichen Ferrimagneten wie z. B. in Form ei­ ner Fe₃O₄-Schicht vorzusehen.

Gemäß einer ersten möglichen Ausführungsform für ein Mehr­ schichtenssystem 3 einer erfindungsgemäßen Koppeleinrichtung 12 oder 24 wird eine mittelstarke, parallele oder antiparal­ lele Kopplung zwischen der mindestens einen Messschicht und dem zugeordneten Biasschichtteil in Form eines künstlichen Antiferromagneten AAF oder einer Kombination eines solchen mit einem natürlichen Antiferromagneten NAF angestrebt. Die hierfür zu wählende Schichtdicke d sei anhand eines konkreten Ausführungsbeispieles für die Ausführungsform nach Fig. 4 erläutert, wobei auf das Diagramm der Fig. 6 Bezug genommen wird. In diesem Diagramm ist in Ordinatenrichtung die magne­ tische Verschiebung H_b (in kA/m) der Hysteresiskurve der weichmagnetischen Schicht 6 bzw. 6' relativ zur Magnetfeld­ stärke Null und in Abszissenrichtung die Dicke d (in nm) ei­ ner Cu-Zwischenschicht 5 aufgetragen. Die Größe H_b ist ein Maß für die Stärke der Kopplung; ihr Vorzeichen gibt die Richtung der Kopplung an. Wie dem gezeigten Kurvenverlauf zu entnehmen ist, erzielt man eine maximale ferromagnetische Kopplung bei einer Schichtdicke zwischen 1,8 und 2,0 nm. Für die erfindungsgemäße Koppeleinrichtung können folglich im Fall von Cu-Zwischenschichten 5 bzw. 5' vorteilhaft entspre­ chende Dicken d gewählt werden. Prinzipiell sind jedoch auch größere Dicken möglich, bei denen man dann eine schwache an­ tiparallele Kopplung hat.

Bei den folgenden Diagrammen der Fig. 7 bis 9 ist ein Mehrschichtensystem 3 gemäß Fig. 4 zugrundegelegt, bei dem verschiedene Dicken d der Zwischenschichten 5 und 5' angenom­ men wurden. Das Mehrschichtensystem lässt sich folgendermaßen schreiben, wobei die Indizes die jeweiligen Schichtdicken in nm wiedergeben:
(Fe₆Co_0,5)Cu_x[Co_1,2Cu₁Co_3,6Cu₁Co_1,2]Cu_x(Co_0,5Fe₃)Cu₄.

Dabei stellen die Schichten in den runden Klammern die Mess­ schichten 6' bzw. 6, die Schichten in der eckigen Klammer die Schichten 4b, 4a', 4, 4a, 4b des künstlichen Antiferromagneten AAF, die Schichten Cu_x die Zwischenschichten 5' bzw. 5 und die äußere Schicht Cu₄ eine Schutzschicht dar.

Die Diagramme der Fig. 7 zeigen den magnetoresistiven Effekt ΔR/R (in %) in Abhängigkeit von der Feldstärke H (in kA/m) eines externen Signalfeldes für den Fall, dass dieses Signal­ feld senkrecht zur Nettomagnetisierung m_aaf des künstlichen Antiferromagneten gerichtet ist. Der Kurvenverlauf des oberen Diagramms ergibt sich für eine Dicke d einer Cu-Zwischen­ schicht 5 von 2,0 nm, während der Kurvenverlauf des unteren Diagramms für eine Dicke d von 2,2 nm erhalten wird. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, erhält man ein Signal von ca. 1,2% bzw. 1,8%, das symmetrisch zur Nullage ist.

Einen höheren Signalhub von über 3% erreicht man, wenn die Signalleitung in Form des elektrischen Leiterelementes 10 so über dem Mehrschichtensystem 3 angeordnet wird, dass der Lei­ terstrom I in Richtung der Magnetisierung m_aaf des künstlichen Antiferromagneten AAF wirkt. Fig. 8 zeigt in Diagrammen ent­ sprechend Fig. 7 die zu erhaltenden Werte. Hierbei wurden Cu-Zwischenschichtdicken von 2,0 nm zugrundegelegt und nur ein Magnetfeld in positiver Richtung angelegt.

Aus den Diagrammen der Fig. 9 gehen in Fig. 6 entsprechen­ der Darstellung die Signalwerte hervor, die sich in Abhängig­ keit der Dicke d der Cu-Zwischenschicht 5 für ein externes Signalfeld H parallel zur Magnetisierung m_aaf (oberes Dia­ gramm) und für einen senkrechten Verlauf (unteres Diagramm) ergeben. Auch diese Diagramme zeigen, dass für Cu-Zwischen­ schichten Schichtdicken d von höchstens 2,4 nm, vorteilhaft darunter, zu wählen sind, wenn man eine mittelstarke, ferro­ magnetische Kopplung anstrebt. Lässt man jedoch eine (sehr schwache) antiferromagnetische Kopplung zu, dann sind auch Schichtdicken d über 2,4 nm möglich.

Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen wurde davon ausgegangen, dass in der mindestens einen Messschicht 6 oder 6' die vorbestimmte Ausgangsrichtung der Magnetisierung m_me durch eine magnetische (ferromagnetische oder antiferro­ magnetische) Kopplung der Messschicht an den magnetisch här­ teren Biasschichtteil bzw. künstlichen Antiferromagneten AAF (mit oder ohne zusätzlichem natürlichen Antiferromagneten NAF) mittels geeigneter Wahl der Dicke d der zugeordneten Zwischenschicht 5 bzw. 5' gewährleistet wird.

Selbstverständlich ist es gemäß einer weiteren Ausführungs­ form für ein Mehrschichtensystem auch möglich, dass ein ge­ richtetes magnetisches Zusatzfeld (Hintergrundfeld) vorgese­ hen wird, das die vorbestimmte Ausgangsrichtung der Mess­ schichtmagnetisierung m_me vor und nach Einwirkung des exter­ nen magnetischen Signalfeldes bewirkt. Zur Erzeugung einer entsprechenden Rückstellkraft auf die Messschicht bei Ab­ schaltung des externen Signalfeldes sollte das Zusatzfeld zweckmäßig zumindest annähernd senkrecht zur Magnetisierung m_aaf des künstlichen Antiferromagneten AAF gerichtet sein. In Fig. 4 ist für ein solches Zusatzfeld H_z die übliche Symbol­ darstellung der Feldrichtung gewählt. Abweichend von der Dar­ stellung kann das Zusatzfeld H₂ auch antiparallel zum Signal­ feld gerichtet sein.

Neben den vorstehend geschilderten Maßnahmen zur Einstellung einer Ausgangslage der Magnetisierung m_me der mindestens ei­ nen Messschicht 6 oder 5' ist es als weitere Ausführungsform eines Mehrschichtensystems auch möglich, bei fehlendem Sig­ nalfeld H in eine bestehende Messschicht eine uniaxiale Ani­ sotropie einzuprägen. Dies kann beispielsweise durch eine magnetfeldinduzierende Behandlung während des Abscheidens des Messschichtmaterials oder durch ein Nachglühen in einem Mag­ netfeld erfolgen. Als Messschichtmaterial kommt vorzugsweise eine Legierung wie z. B. Permalloy in Frage.

Ferner kann ohne weiteres auch daran gedacht werden, die ver­ schiedenen, vorstehend erwähnten Maßnahmen zur Einstellung und Rückstellung einer Ausgangsrichtung der Messschichtmagne­ tisierung miteinander zu kombinieren. So kann z. B. auch ein magnetisches Zusatzfeld auf eine Messschicht mit uniaxialer Anisotropie einwirken.

Darüber hinaus kann das Mehrschichtensystem auch eine perio­ disch wiederkehrende Schichtenfolge besitzen (vgl. z. B. die genannte WO 94/15223 A).

Zu einer praktischen Ausführung der erfindungsgemäßen Koppel­ einrichtung kann es vorteilhaft sein, wenn diese mit mehreren der erfindungsgemäß gestalteten, vorzugsweise in einer zu­ mindest weitgehend gemeinsamen Ebene liegenden Sensorelemen­ ten beispielsweise in Form einer Brückenanordnung aufgebaut wird. Diese Brückenanordnung kann insbesondere als eine Wheatstone-Brücke verschaltet sein. Hiermit sowie mit einer geeigneten elektrischen Sensorelementversorgung lassen sich dann Temperatureinflüsse des Grundwiderstandes der Brücke und des magnetoresistiven Effektes eliminieren, zumindest aber drastisch reduzieren. Dies ist auch für eine Signalauswertung sinnvoll, da dann ein sogenannter "Offset" wegfällt. Der suk­ zessive Aufbau einer entsprechenden Brückenanordnung in be­ kannter Dünnfilmtechnik ist nachfolgend in den Fig. 10 bis 13 als ein mögliches Ausführungsbeispiel angedeutet:

Auf einem Substrat 7 werden zunächst die erforderlichen Ver­ bindungsleiterbahnen 13i für die Sensorelemente mit den dazu­ gehörenden Kontaktierungs- oder Anschlussflächen 14a bis 14d aufgebracht (Fig. 10). Daran anschließend werden die Mehr­ schichtsysteme der vier Sensorelemente S1 bis S4 der Brücken­ anordnung zumindest weitgehend in einer gemeinsamen Ebene ausgebildet (Fig. 11). Diese durch verstärkte Linien ange­ deuteten, streifenförmigen Sensorelemente sind im wesentli­ chen U- oder mäanderförmig mit zwei parallelen Längsseiten gestaltet. Der so gewonnene Aufbau wird dann bis auf die Be­ reiche der Kontaktierungsflächen 14a bis 14d mit einer nicht dargestellten Isolation abgedeckt. Auf die Oberfläche dieser Isolation wird nun eine elektrische Leiterbahn in Form einer Flachspule 15 mit Kontaktierungsflächen 16a und 16b zur Er­ zeugung eines magnetischen Signalfeldes mittels Stromflusses aufgebracht (Fig. 12). Die Leiterbahn der Flachspule verlau­ fen dabei orthogonal über die einzelnen Sensorelemente. Nach einer Isolation des so erhaltenen Aufbaus kann vorteilhaft anschließend noch eine magnetische Schirmung gemäß Fig. 2 vorgesehen werden. Hierzu werden z. B. auf die nicht darge­ stellte Isolation im Bereich der Sensorelementpaare S1-S4 und S2-S3 diese Paare abdeckende magnetische Schirmungen 17a bzw. 17b aufgebracht (Fig. 13).

Neben der für das vorstehende Ausführungsbeispiel nach den Fig. 10 bis 13 angenommenen Brückenordnung in Form einer Vollbrücke können geeignete Brückenanordnungen auch als Teil­ brücken hiervon, z. B. in Form von Halbbrücken aufgebaut wer­ den. Zum Aufbau von Wheatstone-Brücken werden Sensorelemente benötigt mit entgegengesetztem Signal; dies lässt sich in diesem Fall beispielsweise durch eine unterschiedliche Magne­ tisierung oder durch eine unterschiedliche Stromrichtung der einzelnen Elemente erreichen. Es ist auch möglich, Brücken­ systeme aufzubauen, bei denen nur Teile der Sensorelemente "aktiv wirken und die anderen Elemente nicht, z. B. indem nur das mindestens eine Stromleiterelement lediglich den "akti­ ven" Elementen zugeordnet wird.

Neben der Ausbildung des magnetoresistiven Mehrschichtensys­ tems in der erfindungsgemäßen Koppeleinrichtung als GMR- Sensorelement kann dieses besonders vorteilhaft auch als ein entsprechendes Tunnelelement aufgebaut sein. Solche Tunnel­ elemente sind an sich bekannt (vgl. z. B. "Phys. Rev. Lett.", Vol. 74, No. 16, 17. Apr. 1995, Seiten 3273 bis 3276; WO 96/07208 A; US 5 416 353 A oder WO 98/14793 A) und unter­ scheiden sich im Aufbau von den den vorstehenden Ausführungs­ beispielen zugrunde gelegten GMR-Sensorelementen hinsichtlich ihres Aufbaus in erster Linie durch das nicht-metallische Ma­ terial ihrer Zwischenschicht(en) bzw. Tunnelbarrieren­ schicht(en) wie z. B. aus Al₂O₃. Eine solche Barrierenschicht liegt dann zwischen einer weichmagnetischen Schicht und einem magnetisch härteren Schichtenpaket.

Die erfindungsgemäße Koppeleinrichtung kann vorteilhaft als Stromsensor verwendet werden. Der in ihrem mindestens einen Stromleiterelement geführte (Signal-)Strom erzeugt dann das zu detektierende primäre, magnetische Signalfeld, welches von dem mindestens einen zugeordneten, besonders gestalteten magnetoresistiven Sensorelement in ein sekundäres, elektri­ sches Signal transformiert wird.

Claims (16)

1. Magnetische Koppeleinrichtung (2, 12, 24) mit wenigstens einem ein magnetisches Signalfeld (H) mittels Stromfluss er­ zeugenden elektrischen Leiterelement (10) sowie mit mindes­ tens einem dem Leiterelement zugeordneten, von diesem galva­ nisch getrennten, magnetfeldempfindlichen Sensorelement (S), welches ein einen erhöhten magnetoresistiven Effekt zeigendes Mehrschichtensystem (3) umfasst, das mindestens eine weich­ magnetische Messschicht (6, 6') mindestens eine weitere fer­ romagnetische Schicht sowie mindestens eine dazwischen ange­ ordnete nicht-magnetische Zwischenschicht enthält, wobei die Magnetisierung (m_me) der weichmagnetischen Messschicht bei fehlendem Signalfeld (H) eine von der Vorzugsachse der Magne­ tisierung dieser Schicht abhängende vorbestimmte Ausgangslage hat.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeich­ net durch ein Mehrschichtensystem (3) mit einem gegenüber der mindestens einen weichmagnetischen Messschicht (6, 6') magnetisch härteren, von dieser durch die nicht-magnetische Zwischenschicht beabstandeten Biasschichtteil.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Biasschichtteil als ein mehrschichtiger künstlicher Antiferromagnet (AAF) und/oder ein natürlicher Antiferromagnet (NAF) oder Ferrimagnet mit gekoppelter Magnetschicht (25) ausgebildet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekenn­ zeichnet durch eine magnetische Kopplung der mindes­ tens einen Messschicht (6, 6') an die Magnetisierung des Bi­ asschichtteils.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Kopplung durch eine vor­ bestimmte Dicke (d) der nicht-magnetischen Zwischenschicht (5, 5') eingestellt ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch mindestens eine Zwischenschicht (5, 5') aus Cu mit ei­ ner Dicke (d) von höchstens 2,4 nm.

7. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vor­ bestimmte Ausgangslage der Magnetisierung (m_me) der mindes­ tens einen Messschicht (6, 6') bei fehlendem Signalfeld (H) durch ein gerichtetes magnetisches Zusatzfeld (H_z) einge­ stellt ist.

8. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vor­ bestimmte Ausgangslage der Magnetisierung (m_me) der mindes­ tens einen Messschicht (6, 6') durch Einprägung einer uniaxi­ alen Anisotropie in der Messschicht eingestellt ist.

9. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vor­ bestimmte Ausgangslage der Magnetisierung (m_me) der mindes­ tens einen Messschicht (6, 6') durch deren geometrische Form eingestellt ist.

10. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrschichtensystem als ein magnetoresistives Tunnelelement ausgebildet ist.

11. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere zu einer Voll- oder Teilbrücke angeordnete Sensorelemente.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, gekennzeich­ net durch eine Anordnung der Sensorelemente zumindest weitgehend in einer gemeinsamen Ebene.

13. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zu deren magneti­ scher Abschirmung gegen externe magnetische Störfelder.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, dass mindestens eine weichmagne­ tische Schicht (22) als Abschirmungsmittel an der dem Mehr­ schichtensystem (3) abgewandten Seite des wenigstens einen Leiterelementes (10) angeordnet ist.

15. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Integration mit Bau­ teilen der Siliziumtechnologie.

16. Verwendung der Koppeleinrichtung nach einem der vorange­ henden Ansprüche als ein Stromsensor.