DE10017374A1

DE10017374A1 - Magnetic coupling device using multi-layer magnetic field sensor

Info

Publication number: DE10017374A1
Application number: DE10017374A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Clemens; Joachim Wecker; Guenter Rupp
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Sensitec GmbH
Priority date: 1999-05-25
Filing date: 2000-04-07
Publication date: 2000-12-21
Anticipated expiration: 2020-04-08
Also published as: DE10017374B4; WO2000072387A1

Abstract

The magnetic coupling device has at least one electrical conductor element, for providing a magnetic signal field in response to an electrical current and a galvanically separated magnetic field sensor element (S). The latter has a multi-layer system (3) containing at least one soft magnetic measuring layer (6,6') with a given magnetisation direction, for obtaining an increased magnetoresistive effect. The soft magnetic layers are separated from hard magnetic bias layers via non-magnetic intermediate layers.

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.The invention relates to a magnetic coupling direction with at least one magnetic signal field by means of a current-generating electrical conductor element as with at least one associated with the conductor element this galvanically isolated sensor element. One match de coupling device is z. B. from the book by E. Schrüfer "Electrical measurement technology", 6th edition, 1995, Hanser-Verlag Munich, pages 165 to 168. The invention be also concerns the use of such a coupling device.

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.In many areas of technology such. B. the digital information mation transmission or measurement technology becomes a potential free transmission of electrical signals required. For this optoelectronic coupling devices are often featured see. In their coupling elements, so-called optocouplers, an electrical (primary) signal is applied to an input give that converted into an optical radiation signal becomes. This radiation signal is measured by an isolating Me dium through to a sensor or detector element where it turns back into an electrical (secondary) signal is converted back.

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.A digital information transfer using optocouplers is limited in the transmission rate by the limited Range of optical elements and in the design the limited integrability of the optical elements with of silicon technology. Furthermore, the optical elements only operated in a temperature range up to a maximum of about 85 ° C be.

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.In addition to such an optoelectric signal transmission also magnetic transmission using Hall Probes or generators known. Leave with such probes namely, all of the signal quantities are recorded, the magnetic fields generate or influence. So z. B. the above ge called a corresponding, potential-free reference Take a current measurement. This is done by sent the winding of an electromagnet. Whose magnet cal induction is then determined using a Hall probe. With a constant control current through the Hall probe then their Hall voltage is a measure of the current to be measured.

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.A current measurement is therefore using Hall probes in principle possible; however, it is practically large Trouble. Even at relatively high currents is namely the one surrounding a current-carrying conductor Magnetic field still small, so that only very low Hall Tensions occur. One sees therefore z. B. forced a defined magnetic circuit with the current to be measured excite, so the much higher magnetic induction in the To be able to measure the air gap of such a magnetic circuit. Abge see that appropriate measuring equipment ratio are moderately voluminous, the related apparatus is turned up too.

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.The object of the present invention is therefore the magne table coupling device of the type mentioned dahinge to design that with it on relatively simple che way allows signal transmission by magnetic means light is.

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.This object is achieved in that the Magnetic field sensitive sensor element an increased multilayer system exhibiting magnetoresistive effect that at least one soft magnetic measuring layer, min at least another ferromagnetic layer and at least one at least one non-magnetic intermediate arranged in between Layer contains, the magnetization of the soft magneti layer in the absence of a signal field a predetermined, of the preferred axis of magnetization of this layer Starting position. The preferred axis of magnetization is there with "sensor intrinsic"; their imprinting can be done by a special layer structure z. B. by selecting the material as and / or the layer thickness, but also by a certain geometric shape, e.g. B. by a certain ratio of Length to width, and / or by an external mag Anisotropy impressed on the net field. Such ani Sotropy can either be during the manufacturing process ses or afterwards by a temp step in a mag Generate net field.

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.The invention is based on the knowledge that to form a magnetic coupling device magnetoresistive effect, especially the so-called "Giant Magneto Resistance "(GMR) effect, from special thin film systems with respect to an incident magnetic field can be used to one of the physi potash size such as B. a current corresponding electri generate a signal. This generation is with the invent multi-layer system used in accordance with the invention easy and inexpensive to achieve. In addition, at sol Chen multilayer systems a temperature dependency like not to be feared with optical coupling devices; because in contrast to the optical coupling elements can be purchased che GMR sensors can be operated up to about 150 ° C.

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.Another, with the configuration of the invention Coupling device connected advantage is to be seen in that the entire structure with components of silicon technology can be integrated and combined. It is therefore small and inexpensive to manufacture. So he can z. B. directly with wide electronics can be integrated on a common chip.

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.A magnetic coupling device is indeed known from WO 98/07165 device for current detection, in particular four sensor has elements with which a magnetic signal field, the is generated by current flow through a flat coil is detect. The conductor elements of the flat coil run orthogonal to the sensor elements and are galvanic separate from these. The sensor elements are each as a multilayer system with two ferromagnetic layers built up by an electrically conductive, non- magnetic interlayer are separated and magnetore are sistive, anisotropic. These multi-layer systems can especially show a GMR effect. Details of the on construction of the multilayer systems to be used and in particular Aspects of the magnetization ratios of their ferro however, magnetic layers are not detailed. However, these details are essential for a clear sig nal acquisition with high transmission rate of particular importance tung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Koppelein richtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.Advantageous embodiments of the coupling according to the invention direction emerge from the dependent claims.

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.In particular, a multi-layer system with one counter magnetically harder over the soft magnetic measuring layer, from this through a non-magnetic intermediate layer spaced bias layer part may be provided. Appropriate, known multi-layer systems are characterized by a high magnetoresistive effect.

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.The bias layer part can advantageously be a so-called ter be formed artificial antiferromagnet. In the Production of appropriate multilayer systems can be done on the Development of appropriate systems and the related procedures be used to manufacture them.

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.The orientation of the magnetization of at least one Soft magnetic measuring layer with no signal field in egg ner predetermined starting position for the invention Coupling device must be ensured so that everyone likes netic signal pulse the measuring layer in a fixed off current state returns with a defined signal level. For this can advantageously be a magnetic (ferromagnetic or tiferromagnetic) coupling of the magnetization of the measurement layer on the magnetization of a magnetically harder bias part of the layer with a non-magnetic intermediate layer a predetermined thickness may be provided.

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.In addition, it is also advantageously possible that the magnetisie tion of the soft magnetic measuring layer in the absence of a signal field through a directed additional magnetic field into the predetermined starting position is set. A corresponding Alignment of the magnetization of the measuring layer can be also by impressing a uniaxial anisotropy z. B. by set a special shape of the layer.

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.The inventive multilayer system can be particularly advantageous coupling device according to the invention as a magnetoresistive doing nelelement be formed. Such tunnel elements point one between each of their ferromagnetic layers non-magnetic tunnels layer (so-called "tunnel barriers") from an electrical insulating or semiconducting material. These elements are advantageous because of their high signal swing and particularly small size.

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. The coupling device according to the invention preferably has Means for their magnetic shielding against external magne table interference fields. Appropriate means can in particular on the side of the we facing away from the multilayer system at least one conductor element and possibly galvanic separated from this in the form of a soft magnetic layer be arranged. Such a layer can also be advantageous the function of a magnetic mirror with respect to that of the magneti caused at least one conductor element exercise field signal and can thus correspond to a appropriate signal amplification.

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.The coupling device according to the invention can advantageously be used as a current sensor can be used. One by their electri sches conductor element flowing current can namely generate generation of a primary signal field, which is then generated by the at least one magnetic field sensitive sensor element is detected and converted into a secondary signal.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Koppeleinrichtung nach der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen her vor.Further advantageous refinements of the coupling device According to the invention go from the remaining claims in front.

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 ZeichnungTo further explain the invention, below reference to the drawing, based on which games of magnetic coupling devices schematically are illustrated. Show in the drawing

Fig. 1 als Schnittbild den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Koppeleinrichtung mit einem magnetoresistiven Mehrschichtensystem, Fig. 1 a sectional image of the basic structure of a coupling device according to the invention with a magnetoresistive multilayer system,

Fig. 2 einen speziellen Aufbau nach Fig. 1, Fig. 2 shows a specific structure of FIG. 1,

Fig. 3 eine Aufsicht auf den Aufbau nach Fig. 1, Fig. 3 is a plan view of the assembly according to Fig. 1,

Fig. 4 als Schnittbild einen beispielhaften Aufbau einer Koppeleinrichtung mit einem magnetore sistiven, einen künstlichen Antiferromagneten aufweisenden Mehrschichtensystem, Fig. 4 as a sectional view of an exemplary construction of a coupling device with a magnetic tore sistiven, an artificial antiferromagnet having multi-layer system,

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. 5 as a sectional view of another construction of a coupling device whose multi-layer system is supplemented with respect to the configuration of Fig. 4 by a well-natural antiferromagnet

Fig. 6 in einem Diagramm Kopplungsmöglichkeiten in ei nem derartigen Mehrschichtensystem in Abhängig keit von einer Entkopplungsschichtdicke, Fig. 6 a diagram showing coupling possibilities in egg nem such a multi-layer system in Depending speed of a decoupling layer thickness,

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, FIGS. 7 and 8 in the magnetoresistive Ef diagrams of a structure 1 of a like outer fect of Fig., Depending on various directions netic signal field,

Fig. 9 in einem Diagramm den magnetoresistiven Effekt für diesen Aufbau in Abhängigkeit von der Dicke einer Entkopplungsschicht des Mehrschichtensys tems und Fig. 9 is a diagram of the magnetoresistive effect for this structure depending on the thickness of a decoupling layer of the multi-layer system and

Fig. 10 bis 13 den sukzessiven Aufbau einer speziel len Koppeleinrichtung. Fig. 10 to 13 the successive construction of a specially len coupling device.

In den Figuren sind entsprechenden Teilen dieselben Bezugs zeichen zugeordnet.Corresponding parts in the figures are the same reference characters assigned.

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.The section indicated in FIG. 1 of a coupling device according to the invention, generally designated 2 , comprises at least one magnetic field-sensitive sensor element S on a substrate 7 . This sensor element should have a multilayer system which shows a ge compared to magnetoresistive single-layer sensor elements, in particular made of NiFe, with an increased magnetoresistive effect. The multilayer system contains at least one soft magnetic measuring layer, the magnetization of which assumes a predetermined starting position in the absence of a signal field H. This starting position is determined as a function of the intrinsic preferred axis of magnetization. The sensor element S is covered by an insulation layer 11 . At least one electrical conductor element 10 runs above the element and thus galvanically separated from it. With this conductor element, the (primary) magnetic signal field H is to be generated on the basis of a corresponding current flow I, which is detected by the sensor element S and thus causes a corresponding (secondary) signal.

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. Fig. 2 shows a section through a corresponding embodiment of a coupling device 2 . A Si wafer that serves as the substrate 7 is coated with an insulation layer 20 made of SiO ₂ , which carries a sensor S. The sensor is covered by a passivating layer 21 made of Al ₂ O ₃ , which levels the structure. On this passivation layer there is a first insulation layer 11 a made of a polymer, on the upper side of which a conductor element 10 made of Al serving as a current path with a thin metallic base 10 a made of Ti is arranged. The conductor element is covered by a further insulation layer 11 b from the material of the insulation layer 11 a. The leveled structure is from a magnetically soft layer 22 z. B. covered from a NiFe alloy such as Permalloy. This layer is advantageously used for magnetic shielding against external interference fields and at the same time as a magnetic mirror to increase the excitation field caused by the conductor track 10 . It does not necessarily have to be galvanically isolated from the conductor element. Furthermore, it may be useful to use the coupling device according to the invention against disturbing external magnetic fields also on the substrate side. B. shield by at least one additional Permalloy layer. This additional shielding layer can be located in particular on the underside of the substrate or as a further layer above the substrate. Instead of a single layer, several layers can of course also be provided.

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.The (secondary) signal produced by the sensor element 5 is denoted by s2 in the plan view from FIG. 3 of the structure according to FIG. 1, while the (primary) signal of the conductor element 10 is assigned the reference symbol s1. The secondary signal s2 is obtained from the signal taken from the multilayer system of the sensor element and amplified in an amplifier 8 . The signal transmission can take place with a high data transmission rate (<100 MBd). In the figure, the multilayer system of the sensor element S, which is covered by the insulation layer 11 , is shown in dashed lines for its galvanic separation with respect to the conductor element 10 .

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.In the construction of a coupling device 12 indicated in section in FIG. 4, a magnetoresistive multilayer system is used as an exemplary embodiment for its sensor element 5 , as is provided for known GMR sensor elements (see, for example, EP 0 483 373 A1, DE 42 32 244 A1, DE 42 43 357 A1 or WO 94/15223 A). The device 2 therefore contains a multi-layer system 3 created in thin film technology in a known manner, which shows an increased magnetoresistive effect ΔR / R. The magnetoresistive effect of the multilayer system is said to be larger (it is higher) than known magnetoresistive single-layer systems (cf. EP 0 490 608 A2 or EP 0 346 817 B1). It is therefore generally at least a few percent (at room temperature) and is, for example, at least 3%. The multilayer system to be used can preferably be designed as a so-called hard-soft system (with magnetically harder and softer layer parts or layers). The size ΔR of the magnetoresistive effect represents in a known manner the difference in the electrical resistance of the multilayer system between parallel and antiparallic alignment of the magnetizations of the soft magnetic layer (s) to the hard magnetic layer (s). The variable R is the electrical resistance with appropriate parallel alignment. The magnetically harder layer part of this multilayer system can in particular be designed as a so-called ter artificial antiferromagnet AAF (Artificial Antiferro magnet) (cf. WO 94/15223 A mentioned), which behaves like a permanent magnet and is also to be regarded as a bi-layer part. The artificial antiferromagnet AAF is a GMR subsystem made up of a layer sequence of magnetic layers (e.g. made of Co or a Co alloy) and non-magnetic coupling layers (e.g. made of Cu). It shows a strongly anti-parallel coupling and a small amount of the net moment of magnetization. The direction of this net torque is magnetized in a certain direction in the production process (like a permanent magnet), and this direction serves as the reference direction of the multilayer system 3 . In the present case, the artificial antiferromagnet AAF is symmetrical, that is, it has a central bias layer 4 and two of these by non-magnetic coupling layers 4 a and 4 a 'separate outer magnetic layers 4 b and 4 b'. The magnetizations of the magnetic layers 4 and 4 b, 4 b 'are indicated by arrowed lines m _b and m _mb , the stronger magnetization m _{b of} the middle bias layer 4 being illustrated by a larger arrow length. The net moment of magnetization of the entire artificial antiferromagnet AAF is assigned the reference symbol m _aaf below.

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.Through a non-magnetic intermediate layer 5 or 5 'of thickness d z. B. from Cu separated from the artificial antiferromagnet AAF is a soft magnetic measuring layer 6 or 6 ', which consists for example of Fe or an Fe alloy. The Fe measuring layers can also be in contact with the respective Cu intermediate layer via a thin Co layer. To increase the magnetoresistive effect, two soft magnetic measuring layers 6 and 6 'are arranged symmetrically around the artificial antiferro magnet AAF according to the embodiment presented.

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.In the present case, there is a magnetic coupling between the respective measuring layer and the respectively associated bias layer part, so that the signal shows a field dependency (cf. FIGS . 6 and 7). In the case of larger fields (above about 5 kA / m), the signal changes to magnetic saturation. The resulting signal shape is not particularly linear and may be subject to hysteresis; it is therefore not particularly suitable for quantitative, analog current measurement. However, as in the present case, these facts are of no importance if digital signals are to be transmitted and / or only threshold values are to be measured.

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.As can further be seen from FIG. 1 or FIG. 4, the external magnetic signal field H (or magnetic field) is generated by a current I in an electrical conductor element 10 , which is assigned to the magnetoresistive multilayer system 3 and, for example, via at least one of the measuring layers 6 and / or 6 'in particular at least approximately orthogonal. If necessary, however, the conductor element 10 can also run at least approximately parallel to the generally strip-shaped multilayer system 3 (see, for example, FIG. 3). The mutual alignment of the conductor element and the multilayer system depends on the intrinsic preferred position. In addition, it is also possible not to run the conductor track exactly perpendicular or parallel to the strip-shaped multilayer system, but to provide a slight deviation by an angle of up to ± 15 °. This enables the magnetization to be rotated instead of decaying in domains during the remagnetization. Such a domain decay can have an unfavorable effect on the magnetic stability of the entire multilayer system.

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.The conductor element 10 is spaced above the insulation layer 11 on the measuring layer 6 and thus galvanically separated from this. Its signal field H acts in the same way on the entire sensor element (or the multilayer system 3 ). The sensor element is relatively thin (below about 100 nm) compared to the much thicker insulation layer 11 (several 100 nm to a few microns). The corresponding thickness ratios are not shown to scale in FIGS. 1 and 4. The magnetization of the magnetically white measuring layers is then aligned by the signal field H, while the magnetically harder layers of the bias layer part remain unchanged. That is, the signal field H then determines the direction of the magnetization m _me indicated by a dashed arrow in each measurement layer.

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.The magnetic coupling between the respective measuring layer and the respectively associated bias layer part oscillates between the various types of coupling in a manner known per se depending on the thickness d of the respective intermediate layer 5 or 5 '. Therefore, in principle, a thickness d can be selected for the respective intermediate layer in accordance with the desired type of coupling. Conversely, if the thickness of the intermediate layers 5 and 5 'is chosen to be so large, e.g. B. about 2.3 nm for Cu intermediate layers 5 and 5 'and Fe or Co measuring layers 6 and 6 ' that the measuring layers are magnetically decoupled by the intermediate layers from the associated bias layer part, then the magnetization of the respective Rotate the measuring layer relatively freely in an external magnetic field. This also means that the magnetization of the measuring layers remain in the position in which the external magnetic field is switched off. This property is undesirable for the realization of a magnetic coupling device. Therefore, it is ensured in the multilayer system 3 according to the invention that after each signal pulse generated by an external magnetic field, the measuring layers return to a fixed initial state with a defined signal level, their magnetization m _me then having a predetermined starting position or returning to it.

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.In the exemplary embodiment of a coupling device 12 shown in FIG. 4, this is achieved in that the soft magnetic measuring layers 6 and 6 'may be magnetically coupled to the artificial antiferromagnet AAF or another bias layer part by limiting the thickness d of the intermediate layers 5 and 5 '. It is advantageous that the shift and process sequence does not have to be changed compared to corresponding known GMR position sensors, that is, the same manufacturing technology can be used.

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.The use of a bias layer part in the form of an artificial antiferromagnet is to be regarded as particularly advantageous for the multi-layer system with increased magnetoresistive effect to be created for the exemplary embodiments explained above and to be created using thin-film technology. However, it is also possible to form the bias layer part only by a single, magnetically harder layer than the magnetically softer measuring layer. A suitable bias layer part can also from a so-called "natural" antiferro magnet NAF such. B. consist of a NiO, IrMn or FeMn layer to which a magnetic layer z. B. is coupled from Co. Corresponding design features are known from the so-called "spin valves". Of course, bias layer parts made from a combination of artificial antiferromagnet AAF and natural antiferromagnet NAF can also be provided. A corresponding exemplary embodiment is indicated in FIG. 5. In the case of the multilayer system of this coupling device, generally designated 24 , the device shown in FIG. 4 is assumed. The multi-layer system is located on a substrate 7 with an insulating layer 20 covering it. As shown in FIG. 2. The Mehrschichtensys tem of the coupling device 24 contains the simplest form ei nes artificial antiferromagnet AAF asymmetric In construction, the two ferromagnetic layers 4 and 4 b under schiedlicher magnetic hardness and an intervening non-magnetic intermediate layer 4 a includes. In addition, here on the side facing away from the soft magnetic measuring layer 6 of this artificial antiferromagnet AAF there is also a layer 25 forming a natural antiferromagnet NAF. B. attached from IrMn.

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. In FIG. 5, a magnetization of the natural anti-ferromagnetic NAF is denoted by m _naf , although a natural antiferromagnet has no macroscopic magnetization _{per se} . Rather, each of its grid levels is oriented antipa rallel to the next (neighboring) grid level. This should be indicated in the figure by the two arrows drawn in broken lines. Accordingly, when applying an NAF layer 25 , care must be taken to ensure that the correct crystalline growth is produced by magnetically coupling the top level to the first layer of the AAF system. That is, the magnetization of the AAF layer adjoining the NAF layer 25 couples to the magnetization of the uppermost layer or grid plane of the NAF layer.

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.In addition to the additional use of an artificial antiferromagnet described above, it is instead also possible to use a natural ferrimagnet such as e.g. B. in the form of egg ner Fe ₃ O ₄ layer.

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.According to a first possible embodiment for a multilayer system 3 of a coupling device 12 or 24 according to the invention, a medium, parallel or antiparal coupling between the at least one measuring layer and the associated bias layer part in the form of an artificial antiferromagnet AAF or a combination thereof with a natural antiferromagnet NAF sought. The layer thickness d to be selected for this purpose is explained on the basis of a specific exemplary embodiment for the embodiment according to FIG. 4, reference being made to the diagram in FIG. 6. In this diagram, the magnetic shift H _b (in kA / m) of the hysteresis curve of the soft magnetic layer 6 or 6 'relative to the magnetic field strength zero is plotted in the ordinate direction and the thickness d (in nm) of a Cu interlayer 5 is plotted in the abscissa direction . The size H _b is a measure of the strength of the coupling; its sign indicates the direction of coupling. As can be seen from the curve profile shown, a maximum ferromagnetic coupling is achieved with a layer thickness between 1.8 and 2.0 nm. For the coupling device according to the invention, corresponding thicknesses d can consequently advantageously be selected in the case of Cu intermediate layers 5 or 5 ' become. In principle, however, larger thicknesses are also possible, in which one then has a weak coupling parallel to the tip.

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. In the following diagrams of FIGS. 7 to 9, a multilayer system 3 according to FIG. 4 is used as a basis, in which different thicknesses d of the intermediate layers 5 and 5 'have been adopted. The multilayer system can be written as follows, the indices representing the respective layer thicknesses in nm:
(Fe ₆ Co _0.5 ) Cu _x [Co _1.2 Cu ₁ Co _3.6 Cu ₁ Co _1.2 ] Cu _x (Co _0.5 Fe ₃ ) Cu ₄ .

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.The layers in the round brackets represent the measuring layers 6 'and 6 , the layers in the square brackets the layers 4 b, 4 a', 4 , 4 a, 4 b of the artificial antiferromagnet AAF, the layers Cu _x the intermediate layers 5 'or 5 and the outer layer Cu _{4 represents} a protective layer.

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.The diagrams in FIG. 7 show the magnetoresistive effect ΔR / R (in%) as a function of the field strength H (in kA / m) of an external signal field in the event that this signal field is directed perpendicular to the net magnetization m _{aaf of} the artificial antiferromagnet . The curve of the upper diagram results for a thickness d of a Cu intermediate layer 5 of 2.0 nm, while the curve of the lower diagram is obtained for a thickness d of 2.2 nm. 5 as seen from Fig., A signal is obtained of about 1.2% and 1.8%, which is symmetrical to the zero position.

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.A higher signal swing of over 3% is achieved if the signal line in the form of the electrical conductor element 10 is arranged above the multilayer system 3 in such a way that the conductor current I acts in the direction of the magnetization m _{aaf of} the artificial antiferromagnet AAF. Fig. 8 shows in diagrams corresponding to Fig. 7, the values to be obtained. Cu intermediate layer thicknesses of 2.0 nm were used as the basis and only a magnetic field was applied in the positive direction.

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. From the diagrams of FIG. 9 in FIG. 6, the representation corresponds to the signal values which, depending on the thickness d of the Cu intermediate layer 5, are parallel to the magnetization m _aaf (upper diagram) and for one for an external signal field H. vertical course (lower diagram). These diagrams also show that layer thicknesses d of at most 2.4 nm, advantageously less, are to be selected for Cu interlayers if a medium-strength, ferromagnetic coupling is desired. However, if a (very weak) antiferromagnetic coupling is permitted, then layer thicknesses d over 2.4 nm are also possible.

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.In the exemplary embodiments explained above, it was assumed that in the at least one measuring layer 6 or 6 ', the predetermined starting direction of the magnetization m _me by magnetic (ferromagnetic or antiferromagnetic) coupling of the measuring layer to the magnetically harder bias layer part or artificial antiferromagnet AAF ( with or without an additional natural antiferromagnet NAF) is ensured by means of a suitable choice of the thickness d of the associated intermediate layer 5 or 5 '.

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.Of course, according to a further embodiment for a multilayer system, it is also possible for a directed additional magnetic field (background field) to be provided which brings about the predetermined output direction of the measuring layer magnetization m _me before and after exposure to the external magnetic signal field. To generate a corresponding restoring force on the measuring layer when the external signal field is switched off, the additional field should expediently be directed at least approximately perpendicular to the magnetization m _{aaf of} the artificial antiferromagnet AAF. In Fig. 4, the usual symbol representation of the field direction is selected for such an additional field H _z . Deviating from the Dar position, the additional field H _{2 can} also be directed antiparallel to the signal field.

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. In addition to the measures described above for setting an initial position of the magnetization m _{me of} the at least one measurement layer 6 or 5 ', it is also possible as a further embodiment of a multilayer system to impress a uniaxial anisotropy into an existing measurement layer in the absence of a signal field H. This can be done, for example, by a magnetic field-inducing treatment during the deposition of the measuring layer material or by an afterglow in a magnetic field. An alloy such as e.g. B. Permalloy in question.

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.Furthermore, it can be easily thought of ver various recruitment measures mentioned above and resetting an initial direction of the measuring layer magnet combination with each other. So z. B. also a additional magnetic field on a measuring layer with uniaxial Apply anisotropy.

Darüber hinaus kann das Mehrschichtensystem auch eine perio disch wiederkehrende Schichtenfolge besitzen (vgl. z. B. die genannte WO 94/15223 A).The multilayer system can also be used as a perio have a recurring layer sequence (see e.g. the mentioned 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:For a practical implementation of the coupling device according to the invention, it may be advantageous if it is constructed with several of the sensor elements designed according to the invention, preferably in a plane that is at least largely common, for example in the form of a bridge arrangement. This bridge arrangement can in particular be interconnected as a Wheatstone bridge. With this and with a suitable electrical sensor element supply, temperature influences of the basic resistance of the bridge and the magnetoresistive effect can then be eliminated, or at least drastically reduced. This is also useful for signal evaluation, since a so-called "offset" is then no longer necessary. The successive construction of a corresponding bridge arrangement in known thin-film technology is indicated below in FIGS . 10 to 13 as a possible exemplary embodiment:

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).On a substrate 7 , the necessary Ver interconnects 13 i for the sensor elements with the associated contacting or connecting surfaces 14 a to 14 d are first applied ( Fig. 10). Then the multilayer systems of the four sensor elements S1 to S4 of the bridge arrangement are at least largely formed in a common plane ( FIG. 11). These indicated by reinforced lines, stripe-shaped sensor elements are designed in U-shaped or meandering with two parallel long sides. The structure obtained in this way is then covered with an insulation (not shown) except for the contacting areas 14 a to 14 d. An electrical conductor track in the form of a flat coil 15 with contacting surfaces 16 a and 16 b for generating a magnetic signal field by means of current flow is now applied to the surface of this insulation ( FIG. 12). The conductor track of the flat coil is orthogonal to the individual sensor elements. After insulation of the structure obtained in this way, a magnetic shielding according to FIG. 2 can then advantageously be provided. For this purpose, e.g. B. on the insulation not shown Darge in the area of the sensor element pairs S1-S4 and S2-S3 these pairs covering magnetic shields 17 a and 17 b applied ( 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.In addition to the bridge arrangement in the form of a full bridge assumed for the above exemplary embodiment according to FIGS. 10 to 13, suitable bridge arrangements can also bridge part thereof, e.g. B. built in the form of half-bridges who. To build Wheatstone bridges, sensor elements with the opposite signal are required; In this case, this can be achieved, for example, by different magnetization or by a different current direction of the individual elements. It is also possible to build bridge systems in which only parts of the sensor elements "act actively and the other elements do not, for example by only assigning the at least one current conductor element only to the" active "elements.

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.In addition to the formation of the magnetoresistive multilayer system in the coupling device according to the invention as a GMR sensor element, this can also be constructed particularly advantageously as a corresponding tunnel element. Such tunnel elements are known per se (cf., for example, "Phys. Rev. Lett.", Vol. 74, No. 16, Apr 17, 1995, pages 3273 to 3276; WO 96/07208 A; US 5 416 353 A or WO 98/14793 A) and differ in the structure of the GMR sensor elements on which the above exemplary embodiments are based, in terms of their structure primarily by the non-metallic material of their intermediate layer (s) or tunnel barriers ( en) such as B. from Al ₂ O ₃ . Such a barrier layer then lies between a soft magnetic layer and a magnetically harder layer package.

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.The coupling device according to the invention can advantageously be used as Current sensor can be used. The one in their at least one Conductor element guided (signal) current then generates that primary magnetic signal field to be detected, which of the at least one assigned, specially designed magnetoresistive sensor element in a secondary, electri signal is transformed.

Claims

1. Magnetic coupling device ( 2 , 12 , 24 ) with at least one electrical conductor element ( 10 ) generating a magnetic signal field (H) by means of current flow, and with at least one associated with the conductor element, galvanically separated from this, magnetically sensitive sensor element (S), Which comprises a multilayer system ( 3 ) exhibiting an increased magnetoresistive effect, which contains at least one soft magnetic measuring layer ( 6 , 6 ') at least one further ferromagnetic layer and at least one non-magnetic intermediate layer arranged between them, the magnetization (m _me ) the soft magnetic measuring layer in the absence of a signal field (H) has a predetermined starting position dependent on the preferred axis of magnetization of this layer.

2. Device according to claim 1, characterized by a multi-layer system ( 3 ) with a compared to the at least one soft magnetic measuring layer ( 6 , 6 ') magnetically harder, spaced from this by the non-magnetic intermediate layer part of the bias layer.

3. Device according to claim 2, characterized in that the bias layer part is designed as a multilayered artificial antiferromagnet (AAF) and / or a natural antiferromagnet (NAF) or ferrimagnet with a coupled magnetic layer ( 25 ).

4. Device according to claim 2 or 3, characterized by a magnetic coupling of the at least one measuring layer ( 6 , 6 ') to the magnetization of the Bi as layer part.

5. Device according to claim 4, characterized in that the coupling is set by a predetermined thickness (d) of the non-magnetic intermediate layer ( 5 , 5 ').

6. Device according to claim 5, characterized by at least one intermediate layer ( 5 , 5 ') made of Cu with egg ner thickness (d) of at most 2.4 nm.

7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the predetermined starting position of the magnetization (m _me ) of at least one measuring layer ( 6 , 6 ') in the absence of a signal field (H) by a directed additional magnetic field (H _z ) represents is.

8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the predetermined starting position of the magnetization (m _me ) of the at least one measuring layer ( 6 , 6 ') is set by impressing a uniaxi al anisotropy in the measuring layer.

9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the predetermined starting position of the magnetization (m _me ) of the at least one measuring layer ( 6 , 6 ') is set by their geometric shape.

10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the Multi-layer system as a magnetoresistive tunnel element is trained.

11. Device according to one of the preceding claims, characterized by several to a full or partial bridge arranged sensor elements.

12. The device according to claim 11, characterized net by an arrangement of the sensor elements at least largely on a common level.

13. Device according to one of the preceding claims, characterized by means of their magneti shielding against external magnetic interference fields.

14. Device according to claim 13, characterized in that at least one soft magnetic layer ( 22 ) is arranged as a shielding means on the side of the at least one conductor element ( 10 ) facing away from the multilayer system ( 3 ).

15. Device according to one of the preceding claims, characterized by an integration with construction share silicon technology.

16. Use of the coupling device according to one of the preceding claims as a current sensor.