DE10128963A1

DE10128963A1 - Magnetoresistives Sensorsystem

Info

Publication number: DE10128963A1
Application number: DE10128963A
Authority: DE
Inventors: Roland Mattheis; Hugo Van Den Berg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-06-15
Filing date: 2001-06-15
Publication date: 2003-01-02

Abstract

Magnetoresistives Sensorsystem, mit einem weichmagnetischen Messschichtsystem und mindestens einem hartmagnetischen, als AAF-System ausgebildeten Referenzschichtsystem mit wenigstens einer Referenzschicht, wobei das Referenzschichtsystem (2, 2', 2'', 2'''a, 2'''b) einen Schichtabschnitt, umfassend wenigstens ein Biasschichtsystem (7, 7', 7'', 7''', 7'''') mit wenigstens einer ferrimagnetischen Schicht (8, 8''', 8'''') aufweist, wobei die magnetischen Momente des Biasschichtsystems (7, 7', 7''', 7'''') und der Referenzschicht (10, 10', 10''a) über eine Kopplungsschicht (9, 9') entgegengesetzt gekoppelt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein magnetoresistives Sensorsystem, mit einem weichmagnetischen Messschichtsystem und mindestens einem hartmagnetischen, als AAF-System ausgebildeten Referenzschichtsystem mit wenigstens einer Referenzschicht.

Derartige Sensorsysteme werden beispielsweise als Magnetfelddetektoren eingesetzt. Ein zentraler Bestandteil hierbei ist das Referenzschichtsystem, das als AAF-System (AAF = artifical anti ferromagnetic) ausgebildet ist. Ein derartiges AAF- System ist aufgrund seiner hohen magnetischen Steifigkeit und der relativ geringen Kopplung zum Messschichtsystem durch den sogenannten Orange-Peel-Effekt und/oder durch makroskopische magnetostatische Kopplungsfelder von Vorteil. Ein AAF-System besteht in der Regel aus einer ersten Magnetschicht oder einem Magnetschichtsystem, einer antiferromagnetischen Kopplungsschicht und einer zweiten magnetischen Schicht oder einem magnetischen Schichtsystem, das mit seiner Magnetisierung über die antiferromagnetische Kopplungsschicht entgegengesetzt zur Magnetisierung der unteren Magnetschicht gekoppelt wird. Ein solches AAF-System kann z. B. aus zwei magnetischen Co-Schichten und einer antiferromagnetischen Kopplungsschicht aus Cu gebildet werden.

Um die Steifigkeit des AAF-Systems, also seine Resistenz gegen externe äußere Felder zu verbessern ist es üblich, an der dem Messschichtsystem abgewandten Magnetschicht des AAF- Systems eine antiferromagnetische Schicht anzuordnen. Über diese antiferromagnetische Schicht wird die direkt benachbarte Magnetschicht in ihrer Magnetisierung zusätzlich gepinnt, so dass das AAF-System insgesamt härter wird (exchange pinning oder exchange biasing).

Nachteilig hierbei ist jedoch die relativ schwache Kopplung zwischen der antiferromagnetischen Schicht und der auf ihr angeordneten Magnetschicht, die typischerweise kleiner als 0,3 mJ/m² ist. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Magnetisierung eines aus der antiferromagnetischen Schicht und dem AAF-System bestehenden Biasschichtsystems nicht einfach eingestellt werden kann. Hierfür ist es erforderlich, die Temperatur des Biasschichtsystems über die sogenannte blocking- Temperatur der antiferromagnetischen Schicht zu erhöhen, so dass die Kopplung aufgehoben wird, gleichzeitig muss ein starkes externes Feld angelegt und in diesem anschließend abgekühlt werden. Dies ist vor allem bei Wheatston'schen Brückenschaltungen mit einander entgegengesetzt ausgerichteten AAF-Systemen problematisch. Schwierigkeiten treten auch dann auf, wenn die Dicken der Magnetschichten des AAF-Systems annähernd identisch sind, da dann das AAF-System kein oder nur ein minimales Nettomoment besitzt und über das externe Feld nur schwer eingestellt werden kann.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Sensorsystem anzugeben, das hinsichtlich der Magnetisierung des Referenzschichtsystems einfach einstellbar ist.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einem magnetoresistiven Sensorsystem der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Referenzschichtsystem einen Schichtabschnitt umfassend wenigstens ein Biasschichtsystem mit wenigstens einer ferrimagnetischen Schicht aufweist, wobei die magnetischen Momente des Biasschichtsystems und der Referenzschicht über eine Kopplungsschicht entgegengesetzt gekoppelt sind.

Die Erfindung schlägt vorteilhaft den Einsatz eines Biasschichtsystems mit wenigstens einer ferrimagnetischen Schicht vor, wobei die magnetischen Momente dieses Biasschichtsystems bzw. der ferrimagnetischen Schicht mit denen der Referenzschicht gekoppelt sind und damit das Referenzschichtsystem bilden. Eine ferrimagnetische Schicht zeichnet sich dadurch aus, dass sie aus wenigstens zwei magnetischen Untergittern besteht, deren magnetische Momente wie beim Antiferromagneten antiparallel ausgerichtet sind. Jedoch kompensieren sich die magnetischen Momente nicht vollständig, so dass ein resultierendes magnetisches Nettomoment entsteht. Ein Ferrimagnet verhält sich demnach nach außen wie ein Ferromagnet, lediglich die Größe der Sättigungsmagnetisierung ist in der Regel klein und die Temperaturabhängigkeit der Sättigung ist stärker. Da der Temperaturverlauf der Magnetisierung der Untergitter in der Regel unterschiedlich ist und die Untergitter untereinander antiferromagnetisch koppeln (= antiparallel), gibt es bei Ferrimagneten eine Temperatur, an der sich die Momente gegenseitig aufheben (d. h. antiparallel gleich sind) und das Nettomoment verschwindet. Diese Temperatur nennt man Kompensationstempeatur. In der Nähe der Kompensationstemperatur hat die ferrimagnetische Schicht also nur ein minimales oder im Idealfall kein magnetisches Nettomoment. Während die Magnetisierung der ferrimagnetischen Schicht außerhalb des Kompensationstemperaturfensters durch ein relativ niedriges externes Feld eingestellt werden kann und mit ihr die Ausrichtung der gekoppelten Fixierschicht, ist in der Nähe der Kompensationstemperatur jedoch die Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht aufgrund des fehlenden magnetischen Nettomoments äußerst stabil. Legt man nun durch geeignete Materialwahl die Kompensationstemperatur der ferrimagnetischen Schicht so, dass sie in der Nähe der Operationstemperatur des Sensorsystems liegt, so erhält man ein äußerst stabiles Biasschichtsystem. Durch Erhöhung oder Erniedrigung der Temperatur in einen Bereich außerhalb dieser Kompensationstemperatur ist die Einstellung der Magnetisierung des Biasschichtsystems problemlos möglich. Die Temperaturänderung kann in beide Richtungen erfolgen, da sich normalerweise beim Durchtritt durch die Kompensationstemperatur das magnetische Moment eines ferrimagnetischen Stoffes umkehrt.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung der ferrimagnetischen Schicht innerhalb des Referenzschichtsystems ist, dass die Kopplung zur Referenzschicht eines damit verbundenen AAF- Systems sehr hoch gewählt werden kann, und zwar in einer Größenordnung von ca. 10 mJ/m². Das heißt, das Referenzschichtsystem kann sehr stabil gemacht werden gegen externe Felder.

Insgesamt kann hierdurch ein äußerst stabiles Sensorsystem erhalten werden, das trotz allem einfach hinsichtlich der Biasschichtmagnetisierung eingestellt werden kann. Dies ist insbesondere auch bei einer Verwendung eines solchen Sensorsystems innerhalb einer Wheatston'schen Brückenschaltung, wie sie z. B. bei einem 360°-Winkelsensor zum Einsatz kommt, von Vorteil, da auf eine starke Temperaturerhöhung über die blocking-Temperatur bei gleichzeitig anliegendem hohen Einstellfeld verzichtet werden kann.

Die ferrimagnetische Schicht kann erfindungsgemäß aus einer Legierung eines magnetischen Übergangsmetalls und eines Selten-Erd-Metalls bestehen. Alternativ dazu kann die ferrimagnetische Schicht auch ein Mehrschichtsystem aus einem magnetischen Übergangsmetall und einem Selten-Erd-Metall sein. Als Übergangsmetall kann z. B. Eisen (Fe) oder Kobalt (Co) verwendet werden, als Selten-Erd-Metall kann z. B. Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd) oder Terbium (Tb) verwendet werden.

Für eine feste und stabile Kopplung der Momente der jeweils gekoppelten Schichten ist es zweckmäßig, wenn dies über eine RKKY-Kopplung (RKKY = Ruderman-Kittel-Kasuya-Joshida) erfolgt.

Das magnetische Nettomoment des ein AAF-System bildenden Referenzschichtsystems sollte im Operationsfenster des Sensorsystems verschwindend sein. Im Hinblick auf die zu erzielende möglichst hohe Stabilität ist ein Gesamtmoment von Null am Zweckmäßigsten.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn mindestens eine Schicht des Referenzschichtsystems eine uniaxiale Anisotropie aufweist, längs welcher die Magnetisierung im Operationstemperaturfenster gerichtet ist. Die Anisotropie führt zu einer weiteren Versteifung des Systems. Die uniaxiale Anisotropie kann in Richtung einer leichten Achse des Sensorsystems, die ihrerseits durch die Geometrie und die Orientierung des Sensorsystems bestimmt wird, induziert werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Referenzschichtsysteme verschiedener Sensorsysteme, die auf einem gemeinsamen Wafer zur Bildung eines 360°-Winkeldetektors angeordnet sind, in unterschiedliche Richtungen auszurichten.

Die uniaxiale Anisotropie kann im Rahmen einer ersten Erfindungsausgestaltung durch schräges Abscheiden der einen oder aller Schichten des Referenzschichtsystems erzeugt werden. Die Schichten werden hierbei z. B. unter einem Winkel bezüglich der Ebene des Substrats aufgedampft.

Alternativ oder zusätzlich kann die uniaxiale Anisotropie auch durch Einprägen einer Vorzugsrichtung in einem bei der Schichtsystemerzeugung anliegenden Magnetfeld erzeugt sein. Hierbei bestimmt die Richtung des anliegenden Magnetfelds die Vorzugsrichtung des dabei erzeugten Schichtsystems.

Eine weitere Möglichkeit der Anisotropieerzeugung ist eine Keimschicht, auf der das Referenzschichtsystem aufgewachsen ist. Diese Keimschicht besitzt selbst eine ausgezeichnete Richtung, die sich auf das aufwachsende Schichtsystem überträgt und die Vorzugsrichtung oder die leichte Richtung definiert.

Eine weitere Möglichkeit ist die Erzeugung der uniaxialen Anisotropie durch Einprägen einer Vorzugsrichtung während einer thermischen Ausheilphase in einem Magnetfeld.

Eine andere Möglichkeit zur Anisotropieerzeugung sieht vor, dass die mindestens eine Schicht oder alle Schichten des Referenzschichtsystems, vorzugsweise dessen ferrimagnetische Schicht einen großen Magnetostriktionskoeffizienten aufweist. In diesem Fall kann die uniaxiale Anisotropie durch anisotrope Verformungsrelaxation erzeugt sein. Zweckmäßig ist es hierbei, wenn die Kristallite der oder aller Schichten des Referenzschichtsystems, zumindest die Kristallite der ferrimagnetischen Schicht eine längliche Form aufweisen.

Eine andere Möglichkeit zur Anisotropieerzeugung besteht schließlich darin, dass wenigstens eine Verformungs- oder Spannungsschicht zur Verstärkung einer anisotropen Verformungsrelaxation vorgesehen ist. Diese Schicht kann z. B. aus SiO₂ sein. Durch die hierüber aufgrund des unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhaltens induzierten Spannungen im Schichtsystem wird die Vorzugsrichtung induziert.

Es versteht sich von selbst, dass natürlich auch zwei oder mehr der beschriebenen Möglichkeiten zur Anisotropieerzeugung gleichzeitig angewandt werden können.

Weiterhin kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das Sensorselement aus wenigstens zwei Referenzschichtsystemen und wenigstens einem weichmagnetischen Messschichtsystem besteht, die über Entkopplungsschichtsysteme voneinander getrennt sind. Dieses Sensorsystem weist also einen mehrschichtigen Aufbau auf, wobei die verschiedenen Biasschichtsysteme einander unterstützen.

Schließlich kann ein ein weichmagnetisches Mehrschichtsystem und ein Referenzschichtsystem entkoppelndes Entkopplungsschichtsystem eine Metallschicht oder eine Isolierschicht oder eine Halbleiterschicht sein.

Das Sensorsystem selbst kann ein giant-magnetoresistive-, ein magnetic-tunnel-junction- oder ein spin-valve-transistor- System sein.

Schließlich betrifft die Erfindung neben dem Sensorsystem selbst einen magnetoresistiven 360°-Winkelsensor, bestehend aus zwei auf einem gemeinsamen Substrat angeordneten Sensorbrücken, die jeweils vier Sensorsysteme aufweisen, wobei vier Sensorsysteme eine erste Anisotropie und vier Sensorsysteme eine zur ersten Anisotropie in einem Winkel von vorzugsweise 90° stehende zweite Anisotropie aufweisen, wobei die Sensorelemente wie vorbeschrieben ausgebildet sind. Der 360°- Winkelsensor kann dabei ein giant-magnetoresistive-, ein magnetic-tunnel-junction- oder ein spin-valve-transistor- Sensor sein.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Sensorsystems einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung des temperaturabhängigen Magnetisierungsverlaufs eines Ferrimagneten,
Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Sensorsystem einer zweiten Ausführungsform mit einem mehrschichtigen Biasschichtsystem,
Fig. 4 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Sensorsystems einer dritten Ausführungsform mit einem mehrschichtigen AAF-Referenzschichtsystem,
Fig. 5 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Sensorsystems einer vierten Ausführungsform mit einer Keimschicht zur Erzeugung einer Anisotropie,
Fig. 6 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Sensorsystems einer fünften Ausführungsform mit einer Spannungsschicht zur Erzeugung der Anisotropie, und
Fig. 7 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorsystems, und
Fig. 8 einen 360°-Winkelsensor.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Sensorsystem 1 einer ersten Ausführungsform. Dieses besteht aus einem Referenzschichtsystem 2, das über ein Entkopplungsschicht 3 von einem Messschichtsystem 4 entkoppelt ist. Das Referenzschichtsystem 2 selbst ist auf einem Substrat 5 angeordnet. Das Referenzschichtsystem 2 besteht aus einem Schichtabschnitt 6, der ein unteres Biasschichtsystem 7 umfasst, das im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einer ferrimagnetischen Schicht 8 und einer damit gekoppelten ferromagnetischen Schicht 26 besteht. Im gezeigten Beispiel ist die ferrimagnetische Schicht 8 eine Legierungsschicht, wobei als Legierungskomponenten ein Übergangsmetall, z. B. Fe, Co, Ni und ein Selten-Erd-Metall, z. B. Gd, Dy, Tb verwendet werden können. Es bilden sich innerhalb der ferrimagnetischen Schicht 8 zwei magnetische Untergitter mit einander entgegengesetzten magnetischen Momenten M, wie in Fig. 1 durch die einander entgegengesetzt gerichteten Pfeile dargestellt ist. Die magnetischen Momente der beiden Untergitter sind jedoch hinsichtlich Anzahl und/oder Stärke verschieden, das heißt, sie kompensieren sich bis auf einen schmalen Kompensationstemperaturbereich nicht. Hieraus resultiert ein Nettomoment des Biasschichtsystems 7 im Bereich außerhalb des Kompensationstemperaturbereichs. Hierauf wird Nachfolgend noch eingegangen.
Über ein antiferromagnetisches Kopplungsschichtsystem 9 wird das magnetische Nettomoment des Biasschichtsystems 7 antiparallel mit den magnetischen Momenten M einer Referenzschicht 10 gekoppelt. Das heißt, die magnetischen Momente M und damit die Magnetisierung der Referenzschicht 10 steht zu dem resultierenden Nettomoment des Biasschichtsystems 7 entgegengesetzt. Das Referenzschichtsystem 2 bildet insgesamt ein AAF- System. Die Kopplung zwischen der Magnetisierung des Biasschichtsystems 7, also der ferrimagnetischen Schicht 8, der ferromagnetischen Schicht 26 und der Magnetisierung der Referenzschicht 10 ist sehr stark, das heißt, die Magnetisierung der Referenzschicht 10 ist sehr stabil ausgerichtet. Dieses Biasschichtsystem 7 bzw. die ferrimagnetische Schicht 8 selbst weist eine uniaxiale Anisotropie auf, längs welcher sich die Magnetisierungen der Untergitter ausrichten. Diese Anisotropie führt dazu, dass die Magnetisierung des Biasschichtsystems 7 selbst sehr stabil ist, was wiederum zur Stabilität des gesamten Referenzschichtsystems führt.
Fig. 2 beschreibt den Verlauf der temperaturabhängigen Magnetisierung der ferrimagnetischen Schicht 8. Gezeigt ist längs der Abszisse die anliegende Temperatur, längs der Ordinate die jeweilige Magnetisierung des Untergitters der Übergangsmetallkomponente (J_TM), die Magnetisierung der Selten-Erd- Komponente (J_RE) sowie die resultierende Nettomagnetisierung (J_RE-TM).
Anhand des Verlaufs der Nettomagnetisierung J_RE-TM ist ersichtlich, dass im gezeigten Ausführungsbeispiel aufgrund der größeren Magnetisierung J_RE der Selten-Erd-Komponente eine mit zunehmender Temperatur abnehmende Gesamtmagnetisierung gegeben ist. Bei einer Kompensationstemperatur T_comp ist die Gesamtmagnetisierung jedoch Null, das heißt, die Magnetisierungen J_RE und J_TM sind bei entgegengesetzter Ausrichtung gleich groß. Mit weiterer Temperaturerhöhung überwiegt die Magnetisierung J_TM. Die Gesamtmagnetisierung bricht bei Erreichen der Curietemperatur T_C zusammen.
Ersichtlich ist ferner, dass die Koerzitivfeldstärke H_C um diese Kompensationstemperatur T_comp sehr stark ansteigt bzw. bei der Kompensationstemperatur T_comp aufgrund des hier gegebenen Nettomoments von Null unendlich ist.
Gemäß der Erfindung wird nun die ferrimagnetische Schicht 8 so hinsichtlich der verwendeten Materialien, ihrer Dimensionierung und ihrer Geometrie etc. gewählt, dass der Bereich um die Kompensationstemperatur T_comp in dem Operationstemperaturbereich, innerhalb welchem das Sensorsystem 1 betrieben wird, liegt oder mit diesem zusammenfällt. Das heißt, beim normalen Betrieb des Sensorsystems ist das magnetische Gesamtmoment der ferrimagnetischen Schicht annähernd Null, das heißt, sie ist sehr stabil gegen ein anliegendes externes Feld, da die Koerzitivfeldstärke H_C sehr groß ist. Das bedeutet, dass auch die Kopplung zur Referenzschicht 10 sehr stabil ist, da die die Kopplung bewirkende ferrimagnetische Schicht 8 bzw. das Biasschichtsystem 7 sich im anliegenden Feld nicht ändert.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Ausrichtung der Magnetisierung der Referenzschicht 10 relativ einfach ist. Die Magnetisierung der Referenzschicht 10 muss bei derartigen Sensorsystemen bekanntermaßen sehr stabil sein. Das Sensorsignal, dessen Höhe ein Maß für die Größe des zu messenden Parameters ist, ist bekanntermaßen abhängig von der Richtung der Magnetisierung des weichmagnetischen Messschichtsystems 4, die in dem anliegenden externen und zu messenden Magnetfeld sehr leicht drehbar ist, bezüglich der Richtung der feststehenden, harten Magnetisierung der Referenzschicht 10. Infolgedessen ist es erforderlich, diese Magnetisierung der Referenzschicht 10 einzustellen, insbesondere beispielsweise bei Verwendung des Sensorsystems bei 360°-Winkelsensoren, wo die Magnetisierungen der verschiedenen, den Winkelsensor bildenden Sensorsysteme in unterschiedliche Richtungen gerichtet sein müssen.
Diese Ausrichtung ist bei dem erfindungsgemäßen Sensorsystem aufgrund der Verwendung der ferrimagnetischen Schicht 8 relativ einfach. Hierzu muss lediglich die Temperatur soweit erhöht oder erniedrigt werden, dass man sich aus dem Bereich um die Kompensationstemperatur T_comp weit genug hinausbewegt, so dass ein resultierendes Nettomoment gegeben ist. Durch ein vergleichsweise geringes externes Feld kann nun die Magnetisierung der ferrimagnetischen Schicht eingestellt werden, zumal die Koerzitivfeldstärke einer ferrimagnetischen Schicht relativ niedrig ist. Aufgrund der sich dann ergebenden Kopplung zur Referenzschicht 10 stellt sich dessen Magnetisierung wiederum antiparallel ein. Durch einfache, geringe Temperaturerhöhung oder Erniedrigung unter Verwendung eines geringen Einstellfelds kann also die Magnetisierung der ferrimagnetischen Schicht in die gewünschte Richtung, in welcher die ferrimagnetische Schicht bevorzugt eine uniaxiale Anisotropie aufweist, eingestellt werden. Es ist nicht wie beim Stand der Technik unter Verwendung eines natürlichen Antiferromagneten mit aufgesetztem AAF-System erforderlich, eine hohe Temperatur anzufahren, um über die blocking-Temperatur zu kommen und anschließend in einem hohen externen Magnetfeld abzukühlen.
Fig. 3 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Sensorsystem 11. Auch hier ist ein Referenzschichtsystem 2' vorgesehen, bestehend aus einem Biasschichtsystem 7', einer antiferromagnetischen Kopplungsschicht 9' sowie einer Referenzschicht 10'. Im Unterschied zum Biasschichtsystem 7 aus Fig. 1 ist das Fixierschichtsystem 7 ein Mehrschichtsystem bestehend aus separaten Schichten 8', 8", wobei die eine Schicht 8' z. B. vom Übergangsmetall und die Schicht 8" vom Selten-Erd-Metall gebildet ist. Die Funktionsweise bzw. die Eigenschaften dieses Fixierschichtsystems 7' sind jedoch die gleichen wie des Systems aus Fig. 1.
Fig. 4 zeigt als Prinzipskizze ein Sensorsystem 12 mit einem mehrschichtigen Referenzschichtsystem 2". Es umfasst einen unteren Schichtabschnitt 2"a, bestehend aus einer unteren Ferromagnetschicht 27 (z. B. Co), einer ferrimagnetischen Schicht 28 (z. B. CoTb) und einer oberen Ferromagnetschicht 29 (z. B. Co). Über eine antiferromagnetisch koppelnde Zwischenschicht 30 (z. B. Cu oder Ro) ist ein oberer Schichtabschnitt 2"b mit seiner unteren ferromagnetischen Schicht 31 (z. B. Co) gekoppelt. Auf der Schicht 31 ist wiederum eine ferrimagnetische Schicht 32 (z. B. CoTb) und auf dieser eine ferromagnetische Schicht 33 (z. B. Co) aufgebracht. Über eine Entkopplungsschicht 34 ist schließlich das eigentliche Messschichtsystem 35 entkoppelt. Der gesamte Referenzschichtaufbau bildet ein AAF-System.
Fig. 5 zeigt schließlich ein weiteres erfindungsgemäßes Sensorsystem 13, das in seinem Aufbau im gezeigten Ausführungsbeispiel dem aus Fig. 1 entspricht. Zur Erzeugung einer Anisotropie in dem Biasschichtsystem 7''' ist hier eine Keimschicht 14 vorgesehen, auf welcher das Biasschichtsystem 7''' bzw. die ferrimagnetische Schicht 8''' abgeschieden ist. Die Keimschicht besitzt eine Vorzugsrichtung bzw. Anisotropie, die sich beim Schichtwachstum auf die ferrimagnetische Schicht 8''' überträgt. Längs dieser Anisotropie oder leichten Richtung stellt sich die Magnetisierung der jeweiligen Untergitter bevorzugt ein.
Eine weitere Möglichkeit der Erzeugung dieser Anisotropie ist bezüglich des in Fig. 6 gezeigten Sensorsystems 15 beschrieben, das im Aufbau dem aus Fig. 5 ähnlich ist. Dort ist jedoch anstelle der Keimschicht 14 (die natürlich ebenfalls vorgesehen sein könnte) auf das Biasschichtsystem 7"" bzw. die ferrimagnetische Schicht 8"" eine Spannungsschicht 16 aufgebracht, z. B. aus SiO₂, die in die ferrimagnetische Schicht uniaxial gerichtete Spannungen induziert, die wiederum eine uniaxiale Anisotropie induzieren.
Neben den in Fig. 5 und 6 beschriebenen Möglichkeiten zur Induzierung oder Erzeugung einer uniaxialen Anisotropie besteht natürlich auch die Möglichkeit, diese durch ein schräges Abscheiden der ferrimagnetischen Schicht oder durch Einprägen einer Vorzugsrichtung in einem anliegenden Feld, gegebenenfalls während eines thermischen Ausheilschritts oder unter Verwendung einer ferrimagnetischen Schicht mit einem großen Magnetostriktionskoeffizienten und gegebenenfalls entsprechender Formgabe der Schichtkörner zu erzeugen. Dem Fachmann sind hinreichende Möglichkeiten zur Erzeugung einer Anisotropie bekannt, die er sämtlich einzeln oder in Kombination anwenden kann.
Fig. 5 zeigt schließlich eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorsystems 18. Diese besteht aus einem ersten Referenzschichtsystem 2'''a, gefolgt von einem Entkopplungsschichtsystem 3''' und einem Messschichtsystem 4'''. Dieses Messschichtsystem 4''' ist wiederum über ein zweites Entkopplungssystem 3''' von einem zweiten Referenzschichtsystem 2'''b entkoppelt. Dieses Referenzschichtsystem 2'''b besteht ebenfalls wie das Referenzschichtsystem 2a aus einem Biasschichtsystem, umfassend eine ferrimagnetische Schicht und eine ferromagnetische Schicht, einer antiferromagnetischen Kopplungsschicht sowie einer Referenzschicht, wie dies bezüglich Fig. 3 beschrieben ist. Jedoch ist der Schichtaufbau der beiden Referenzschichtsysteme 2'''a, b spiegelbildlich zueinander. Die beiden Biasschichtsysteme unterstützen einander aufgrund der parallelen Ausrichtung der Magnetisierungen der jeweiligen Magnetschichtsysteme.
Schließlich zeigt Fig. 8 einen erfindungsgemäßen magnetoresistiven 360°-Winkelsensor 19. Gezeigt ist in Form einer Prinzipskizze die Anordnung verschiedener Sensorsysteme auf einem insoweit nicht näher gezeigten gemeinsamen Sensorsubstrat mit zwei Typen von Sensorbrücken, die zur Bildung eines 360°-Winkelsensors benötigt werden und um 90° verschobene Signale liefern. Gezeigt sind zwei Sensorbrücken 20, 21, wobei auf einem Substrat natürlich mehrere Sensorbrücken, von denen jeweils zwei einen Winkelsensor bilden, erzeugt werden. Jede Brücke 20, 21 besteht aus jeweils vier Sensorelementen 22a, b, c, d bzw. 23a, b, c, d. Ersichtlich sind die Sensorsysteme in parallelen, geradlinigen Reihen, die in x- und y- Richtung verlaufen, angeordnet. Dies führt zu einer optimalen Ausnutzung der Substratfläche. Jedes Sensorsystem ist entsprechend einer der vorbeschriebenen Ausführungsformen aufgebaut, das heißt, es ist in jedem Fall ein Biasschichtsystem mit einer ferrimagnetischen Schicht vorgesehen. Die induzierte Anisotropie des Biasschichtsystems bzw. des gesamten Biasschichtsystems ist durch die Doppelpfeile 24, 25 dargestellt. Die Doppelpfeile 24, 25 und damit die leichten Achsen stehen unter einem Winkel von 90° zueinander. Bedingt durch die induzierte Anisotropie dreht sich die Magnetisierung der ferrimagnetischen Schicht und infolge der Kopplung mit ihr die Magnetisierung des Magnetschichtsystems in Abhängigkeit eines äußeren Einstell-Magnetfelds in Richtung der leichten Achse. In Fig. 7 sind die jeweiligen Magnetisierungsrichtungen durch die Pfeile innerhalb der jeweiligen Sensorsysteme angegeben. Wie Fig. 7 zu entnehmen ist weisen jeweils zwei Sensorsysteme einer jeweiligen Sensor-Vollbrücke zwei gleiche Anisotropien auf, die im gezeigten Beispiel jeweils senkrecht zueinander stehen. Da jeweils zwei Sensorbrücken 20, 21 jeweils einen 360°-Winkelsensor ergeben sind folglich pro Winkelsensor acht Sensorsysteme mit insgesamt vier unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen vorhanden.

Claims

1. Magnetoresistives Sensorsystem, mit einem weichmagnetischen Messschichtsystem und mindestens einem hartmagnetischen, als AAF-System ausgebildeten Referenzschichtsystem mit wenigstens einer Referenzschicht, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzschichtsystem (2, 2', 2", 2'''a, 2'''b) einen Schichtabschnitt umfassend wenigstens ein Biasschichtsystem (7, 7', 7''', 7"") mit wenigstens einer ferrimagnetischen Schicht (8, 8''', 8"") aufweist, wobei die magnetischen Momente des Biasschichtsystems (7, 7', 7''', 7"") und der Referenzschicht (10, 10', 10"a) über eine Kopplungsschicht (9, 9') entgegengesetzt gekoppelt sind.

2. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ferrimagnetische Schicht (8) aus einer Legierung eines magnetischen Übergangsmetalls und eines Selten-Erd-Metalls besteht.

3. Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Biasschichtsystem lediglich aus der ferrimagnetischen Schicht (8) besteht.

4. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ferrimagnetische Schicht ein Mehrschichtsystem (8', 8") aus einem magnetischen Übergangsmetall und einem Selten-Erd-Metall ist.

5. Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Momente zumindest eines Teils der jeweils gekoppelten Schichten über die jeweilige Kopplungsschicht durch eine RKKY-Kopplung gekoppelt sind.

6. Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Nettomoment des ein AAF-System bildenden Referenzschichtsystems (2, 2', 2", 2'''a, 2'''b) im Operationsfenster des Sensorsystems (1, 11, 12, 13, 15, 18) deutlich kleiner als bei Sättigung und vorzugsweise Null ist.

7. Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schicht des Referenzschichtsystems (2, 2', 2", 2'''a, 2'''b) eine uniaxiale Anisotropie aufweist.

8. Sensorsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die uniaxiale Anisotropie durch schräges Abscheiden der einen oder aller Schichten des Referenzschichtsystems (2, 2', 2", 2'''a, 2'''b) erzeugt ist.

9. Sensorsystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die uniaxiale Anisotropie durch Einprägen einer Vorzugsrichtung in einem bei der Schichtsystemerzeugung anliegenden Magnetfeld erzeugt ist.

10. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die uniaxiale Anisotropie mittels einer Keimschicht (14), auf der das Referenzschichtsystem aufgewachsen ist, erzeugt ist.

11. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die uniaxiale Anisotropie durch Einprägen einer Vorzugsrichtung während einer thermischen Ausheilphase in einem Magnetfeld erzeugt ist.

12. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schicht oder alle Schichten des Referenzschichtsystems, vorzugsweise dessen ferrimagnetische Schicht, einen großen Magnetostriktionskoeffizienten aufweist.

13. Sensorsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die uniaxiale Anisotropie durch anisotrope Verformungsrelaxation erzeugt ist.

14. Sensorsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristallite der einen oder aller Schichten des Referenzschichtsystems, vorzugsweise die Kristallite der ferrimagnetischen Schicht eine längliche Form aufweisen.

15. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Verformungs- oder Spannungsschicht (16) zur Verstärkung einer anisotropen Verformungsrelaxation vorgesehen ist.

16. Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es aus wenigstens zwei Referenzschichtsystemen (2'''a, 2'''b) und wenigstens einem weichmagnetischen Messschichtsystem (4''') besteht, die über Entkopplungsschichtsysteme (3''') voneinander entkoppelt sind.

17. Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzschichtsystem (2") aus zwei Schichtabschnitten (2"a, 2"b) besteht, von denen jeder zwei ferromagnetische Schichten (27, 29, 31, 33) mit einer dazwischen angeordneten ferrimagnetischen Schicht (28, 32) aufweist, wobei die Schichtsysteme über eine antiferromagnetisch koppelnde Zwischenschicht (30) gekoppelt sind.

18. Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein ein weichmagnetisches Messschichtsystem (4, 4''') und ein Referenzschichtsystem (2, 2', 2", 2'''a, 2'''b) entkoppelndes Entkopplungsschichtsystem (3, 3''') eine Metallschicht oder eine Isolierschicht oder eine Halbleiterschicht ist.

19. Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein giant-magnetoresistive-, ein magnetic-tunnel-junction- oder ein spin-valve-transistor-System ist.

20. Magnetoresistiver 360°-Winkelsensor, bestehend aus zwei auf einem gemeinsamen Substrat angeordneten Sensorbrücken, die jeweils vier Sensorsysteme aufweisen, wobei vier Sensorsysteme eine erste Anisotropie und vier Sensorsysteme eine zur ersten Anisotropie in einem Winkel von vorzugsweise 90° stehende zweite Anisotropie aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorsysteme (22a, 22b, 22c, 22d, 23a, 23b, 23c, 23d) nach einem der Ansprüche 1 bis 19 ausgebildet sind.

21. Magnetoresistiver 360°-Winkelsensor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass es ein giant-magnetoresistive-, ein magnetic-tunnel-junction- oder ein spin-valve-transistor-Sensor ist.