DE10130620A1

DE10130620A1 - System aus Magnetisierungsvorrichtung und magnetoresistiven Sensorelementen in einer Brückenschaltung und Verwendung der Magnetisierungsvorrichtung

Info

Publication number: DE10130620A1
Application number: DE2001130620
Authority: DE
Inventors: Ludwig Baer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-06-26
Filing date: 2001-06-26
Publication date: 2003-01-16

Abstract

Das System (2) enthält magnetoresistive Sensorelemente (E1 bis E4) mit jeweils einer weichmagnetischen Messschicht, einer nicht-magnetischen Zwischenschicht und einer magnetisch härteren Referenzschicht, wobei jeweils zwei Sensorelemente (E2, E2 bzw. E3, E4) einen stromdurchflossenen Zweig (Z1 bzw. Z2) einer Brücke (b) bilden und in Stromführungsrichtung hintereinander angeordnet sind. Zur Einstellung der Magnetisierungen (m1 bis m4) der Referenzschichten der Sensorelemente (E1 bis E4) ist eine Vorrichtung (3) vorgesehen, die drei den Sensorelementen (E1 bis E4) zugeordnete, streifenförmige Leiterbahnteile (L1 bis L3) aufweist, die untereinander parallel und schräg bezüglich der Stromführungsrichtung angeordnet sind. Über jeden Leiterbahnteil (L1 bis L3) ist ein Einstellstrom (I¶e¶) vorbestimmter Richtung und Stärke zu führen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein System aus zu wenigstens einer stromdurchflossenen Brücke verschaltbaren oder verschalteten magnetoresistiven Sensorelementen, die auf einem gemeinsamen Substrat jeweils mit demselben Dünnschichtaufbau angeordnet sind, welcher zumindest eine weichmagnetische Messschicht enthält die über eine nicht-magnetische Zwischenschicht von einer vergleichsweise magnetisch härteren Referenzschicht getrennt ist und welcher einen gegenüber einem AMR-Effekt erhöhten magnetoresistiven Effekt zeigt, und aus einer Vorrichtung zur Einstellung der Magnetisierungen der Referenzschichten. Eine derartiges System mit einer Magnetisierungsvorrichtung geht aus der EP 0 875 000 B1 hervor. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer Magnetisierungsvorrichtung eines entsprechenden Systems.

Aus dem Band "XMR-Technologien"-Technologieanalyse: Magnetismus; Bd. 2, VDI-Technologiezentrum "Physikalische Technologien', Düsseldorf (DE), 1997, Seiten 11 bis 46 sind verschiedene magnetoresistive Sensorelemente zu entnehmen, die einen Mehrschichtenaufbau haben. Diese Elemente können gegenüber einem Einschichtaufbau mit sogenanntem AMR-Effekt einen erhöhten magnetoresistiven Effekt zeigen, wobei sie giantmagnetoresistiv (sogenannte "GMR-Elemente") oder tunnelmagnetoresistiv (sogenannte "TMR-Elemente") oder colossalmagnetoresistiv (sogenannte "CMR-Elemente") bilden können. Die Mehrschichtsysteme dieser Elemente umfassen mindestens eine weichmagnetische Messschicht oder ein Messschichtsystem sowie mindestens eine magnetisch härtere Referenzschicht bzw. ein entsprechendes Referenzschichtsystem. Der Referenzschicht wird eine permanente magnetische Polarisation eingeprägt, während die Messschicht frei orientierbar in einem äußeren Magnetfeld bleibt.

Um solche Elemente für die Magnetsensorik nutzbar zu machen, werden sie vorteilhaft zu Wheat'stonschen Brücken verschaltet. Damit lässt sich der hohe Widerstands-Offset kompensieren und die magnetische Hysterese erniedrigen. Für die demnach vorteilhafte Verschaltung zu einer Brücke ist es notwendig, die Referenzschichten in den zwei benachbarten Brückenzweigen antiparallel auszurichten. Dies schließt jedoch eine globale Ausrichtung aller Referenzschichten der Sensorelemente einer Brücke aus. Man sah sich deshalb gezwungen, eine Brückenschaltung bisher Hybrid aus vier einzelnen, magnetisch vorpolarisierten Sensorelementen aufzubauen und zu verdrahten. Auch in die einzelnen Brückenelemente integrierte Leiterbahnschleifen sind bekannt, um durch Stromfluss lokale individuelle Magnetfelder zu erzeugen (vgl. DE 195 20 206 C2) Ersteres Verfahren ist mit dem Problem verbunden, dass die Produktion solcher Sensorelemente durch die Manipulation von Einzelelementen verkompliziert ist. Das letztere Verfahren beschränkt sich auf die Erzeugung verhältnismäßig geringer Feldstärken. Das hat zur Folge, dass praktisch nur spezielle Schichtsysteme, sogenannte "Exchange-Bias-Systeme", magnetisiert werden können.

Entsprechende Probleme sind bei der aus der eingangs genannten EP-B1-Schrift zu entnehmenden Magnetisierungsvorrichtung vermindert. Mit dieser Vorrichtung sind die Magnetisierungen der Referenzschichten in magnetoresistiven Sensorelementen einzustellen, die zu mindestens einer mit einem Strom zu beaufschlagenden Brücke verschaltet sind. Diese auf einem gemeinsamen Substrat angeordneten Elemente weisen denselben Dünnschichtaufbau auf, der zumindest eine weichmagnetische Messschicht enthält, die über eine nicht-magnetische Zwischenschicht von einer vergleichsweise magnetisch härteren Referenzschicht getrennt ist. Die Sensorelemente sollen dabei einen gegenüber einem AMR-Effekt erhöhten magnetoresistiven Effekt zeigen. Die bekannte Magnetisierungsvorrichtung enthält vier streifenförmige, untereinander parallel verlaufende Leiterbahnteile, die jeweils einem Sensorelement einer Brücke zugeordnet und von diesem räumlich getrennt sind. Über diese Leiterbahnteile ist jeweils ein Einstellstrom vorbestimmter Richtung und Stärke derart zu führen, dass mittels des von jedem Einstellstrom erzeugten Magnetfeldes die Orientierungsrichtungen der Magnetisierung der Referenzschichten von jeweils benachbarten Sensorelementen antiparallel fest einstellbar sind. Diese Einrichtung ist jedoch nur zur Magnetisierung einer Brückenanordnung geeignet, bei der jeweils zwei Sensorelemente einen stromdurchflossenen Zweig der Brücke bilden und alle Sensorelemente nebeneinander angeordnet sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das bekannte System aus Sensorelementen und Magnetisierungsvorrichtung dahingehend auszugestalten, dass der apparativer Aufwand vermindert wird und dennoch eine individuelle Ausrichtung der Referenzschichten für eine Brückenschaltung mit räumlich hintereinander angeordneten magnetoresistiven Sensorelementen in jedem Brückenzweig ermöglicht wird. Ferner soll eine besondere Verwendungsmöglichkeit der Magnetisierungsvorrichtung des Systems angegeben werden.

Die sich auf das System beziehende Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Dementsprechend sollen

- jeweils zwei Sensorelemente einen stromdurchflossenen Zweig der Brücke bilden und in Stromführungsrichtung hintereinander angeordnet sein,
- drei den Sensorelementen einer Brücke zugeordnete, von diesen räumlich getrennte streifenförmige Leiterbahnteile vorhanden sein, die untereinander parallel und schräg bezüglich der Stromführungsrichtung derart angeordnet sind, dass ein Leiterbahnteil zwei zueinander diagonal in der Brücke angeordneten Sensorelementen zugeordnet ist,

und

- Mittel zur Führung eines Einstellstromes vorbestimmter Richtung und Stärke derart über jedem Leiterbahnteil vorhanden sein, dass mittels des von jedem Einstellstrom erzeugten Magnetfeldes die Orientierungsrichtungen der Magnetisierung der Referenzschichten von jeweils zwei zu diesem Zweig gehörenden Sensorelementen antiparallel und von jeweils zwei diagonal in der Brücke angeordneten Sensorelementen parallel fest einstellbar sind.

Bei diesen erfindungsgemäßen Maßnahmen wird von dem bekannten Magnetisierungsprinzip Gebrauch gemacht, durch elektrischen Stromfluss lokal unterschiedlich orientierte magnetische Felder zu erzeugen. Wie bei der bekannten Magnetisierungsvorrichtung werden auch hier ausschließlich langgestreckte parallele Leiterbahnteile verwendet. Streufelder durch Leiterbahnkrümmungen lassen sich dadurch ausschließen. Die Justierung der Magnetisierungsbahnen bezüglich der Brückenstruktur ist folglich wesentlich vereinfacht. Außerdem ist der Aufbau der Magnetisierungsvorrichtung des erfindungsgemäßen Systems mit nur drei Leiterbahnteilen pro Brücke sehr einfach, da mit dem mittleren dieser drei Leiterbahnteile die Referenzschichten von zwei Sensorelementen zugleich festlegbar sind.

Ferner ergibt sich der Vorteile, dass es mit der gewählten Anordnung der Leiterbahnteile in Bezug auf die Brückenorientierung bzw. Stromflussrichtung ermöglicht wird, mit langgestreckten Leiterbahnteilen zu magnetisieren. Dabei ist in an sich bekannter Weise (vgl. die genannte DE 195 20 206 C2) eine periodische Anordnung von Sensorelementen vieler Brücken auf einem gemeinsamen Wafer nach einem vorbestimmten Raster möglich, wobei viele der Brückenelemente gleichzeitig zu magnetisieren und Fehlmagnetisierungen von benachbarten Brücken zu vermeiden sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Systems gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

So können die Leiterbahnteile der Magnetisierungsvorrichtung um etwa 45° (einschließlich zugelassener Abweichungen von ±10°) bezüglich der Stromführungsrichtung angeordnet sein. Mit benachbarten Leiterbahnteilen werden dann entgegengesetzte magnetische Felder erzeugt. Die Elemente einer unter dieser Leiterbahnstruktur liegenden Brückenschaltung können so in einfacher Weise polarisiert werden, wobei die einzelnen Sensorelemente der Brückenschaltung diagonal abgedeckt werden.

Hierzu können vorteilhaft die elektrisch hintereinander geschalteten Leiterbahnteile einen mäanderförmigen Strompfad bilden. Es ist so sicherzustellen, dass die Stromstärke in allen parallelen Leiterbahnteile gleich ist.

Die Leiterbahnteile können in die magnetoresistiven Sensorelemente der Brückenschaltung integriert sein oder sie können auf einem eigenen Träger, vorzugsweise einer flexiblen Leiterplatte, angeordnet sein.

Insbesondere im Falle von in die Sensorelemente integrierter Leiterbahnteile reicht deren Stromtragfähigkeit vielfach nicht aus, um harte Referenzschichten vollständig zu polarisieren. Gerade in diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, die Leiterbahnteile bis auf ihre dem jeweiligen Sensorelement zugewandte Flachseite mit magnetisch polarisierbarem, weichmagnetischen Material zu ummanteln. Es lässt sich so eine Feldverstärkung eines weichmagnetischen Joches nutzen, wobei ohne weiteres eine Feldverstärkung um einen Faktor 2 bis 3 erreicht werden kann.

Besonders vorteilhaft lässt sich die Magnetisierungsvorrichtung des Systems zur Magnetisierung von Sensorelementen in Form von Mehrschichtensystemen vom GMR- oder TMR- oder XMR- Typ verwenden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Systems gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen hervor.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Systems mit einer Magnetisierungsvorrichtung gehen aus der Zeichnung hervor. Dabei zeigen jeweils schematisch
deren Fig. 1 eine Aufsicht auf die Leiterbahnteile der Vorrichtung oberhalb einer Brückenschaltung aus Sensorelementen und
deren Fig. 2 eine spezielle Ausführungsform der Leiterbahnteile einer Magnetisierungsvorrichtung.
In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
Das erfindungsgemäße System umfasst zwei Teile, nämlich eine besondere Anordnung von Sensorelementen und eine entsprechende Magnetisierungsvorrichtung. Bei der Magnetisierungsvorrichtung wird von an sich bekannten Ausführungsformen, insbesondere der aus der eingangs genannten EP-B1-Schrift entnehmbaren Ausführungsform, ausgegangen. In Fig. 1 sind von dieser Magnetisierungsvorrichtung 3 des allgemein mit 2 bezeichneten Systems nur deren drei streifenförmige Leiterbahnteile L1 bis L3 ersichtlich. Mit diesen Leiterbahnen soll eine feste Einprägung der Magnetisierung in den magnetisch härteren Referenzschichten oder -schichtsystemen von vier magnetoresistiven Sensorelementen E1 bis E4 vorzunehmen sein. Als Sensorelemente kommen bevorzugt die aus dem vorstehend genannten Band "XMR-Technologien" zu entnehmenden Mehrschichtsysteme vom GMR- oder TMR- oder XMR-Typ in Frage, welche jeweils mindestens eine Referenzschicht mit gegenüber einer Messschicht vergleichsweise größerer magnetischer Härte (Koerzitivfeldstärke) aufweisen. Statt einer einzigen Referenzschicht kommen hierfür auch Schichtsysteme in Frage, die insbesondere auch einen sogenannten künstlichen Antiferromagneten bilden können (vgl. die WO 94/15223).
Die vier Sensorelemente E1 bis E4 sind zu einer Brücke B verschaltet, wobei jeweils zwei hintereinander geschaltete Sensorelemente (hier E1 und E2 bzw. E3 und E4) einen von zwei parallelen Brückenzweigen Z1 bzw. Z2 bilden. Über die Brücke ist ein Strom I_B zu führen, der in den beiden Brückenzweigen Teilströme i1 bzw. i2 mit durch Pfeile angedeuteter Führungsrichtung hervorruft. Die streifenförmigen Leiterbahnteile L1 bis L3 sollen dann schräg bezüglich dieser Stromführungsrichtungen, vorzugsweise um einen Winkel α von etwa 45° (einschließlich zugelassener Abweichungen von ±10°) angeordnet sein. Dabei ist die gegenseitige Beabstandung der Leiterbahnteile so gewählt, dass mit dem Leiterbahnteil L1 das Sensorelement E1 in dem Zweig Z1, mit dem Leiterbahnteil L2 die Sensorelemente E2 und E3 aus den beiden Brückenzweigen Z1 und Z2 sowie mit dem Leiterbahnteil L3 das Sensorelement E4 aus dem Brückenzweig Z2 abgedeckt wird. Sieht man nun in den Leiterbahnteile L1 bis L3 alternierend unterschiedliche Richtungen eines Einstellstromes I_e, beispielsweise durch eine mäanderförmige Verschaltung dieser Leiterbahnteile, vor, so ergeben sich in den Referenzschichten der Sensorelemente Magnetisierungen m1 bis m4 mit der gewünschten Ausrichtung. Betrachtet man nämlich in den beiden Brückenzweigen Z1 und Z2 jeweils benachbarte Brückenelemente (hier: die Elemente E1 und E3 bzw. die Elemente E2 und E4), so sind die Magnetisierungsrichtungen dieser Elementpaare entgegengesetzt gerichtet. Außerdem sind in jedem Brückenzweig die Magnetisierungen der beiden hintereinander geschalteten Brückenelemente ebenfalls antiparallel ausgerichtet.
Die insbesondere eine langgestreckte Mäanderbahn bildenden Leiterbahnteile werden vorteilhaft auf einer flexiblen, semitransparenten Folie so erzeugt, dass sie die Fläche eines oder mehrerer Typs mit den Sensorelementen abdeckt. Es ergibt sich so quasi ein transparenter Stempel. Dadurch lässt sich die Magnetisierungsstruktur zur Brückenstruktur ausrichten. Durch periodisches Verfahren des Stempels z. B. mit einer Wafer-Proben-Mimik können größere Wafer aufmagnetisiert werden.
Aus Fig. 2 geht die Verwendung von weichmagnetischem Material zur teilweisen Ummantelung der Leiterbahnteile mit dem Zweck hervor, das von diesen Leiterbahnteilen erzeugte magnetische Feld zu verstärken. In der Figur ist z. B. der Leiterbahnteil L1 angedeutet, der bis auf seine dem ihm zugeordneten Sensorelement E1 zugewandte Flachseite F mit dem magnetisch polarisierenden Material ummantelt ist. In der Figur ist die dreiseitige Ummantelung des Leiterbahnteils L1 mit 4 bezeichnet. Außerdem ist in der Figur der Einstellstrom I_e mit seiner Stromführungsrichtung angedeutet, der zu einer Magnetisierung ml in einer Referenzschicht des Sensorelementes E1 führt, die senkrecht bezüglich der Stromführungsrichtung orientiert ist.

Claims

1. System (2) aus
zu mindestens einer Brücke (B) verschaltbaren oder verschalteten magnetoresistiven Sensorelementen (E1 bis E4), die auf einem gemeinsamen Substrat jeweils mit demselben Dünnschichtaufbau angeordnet sind, welcher zumindest eine weichmagnetische Messschicht enthält, die über eine nicht-magnetische Zwischenschicht von der vergleichsweise magnetisch härteren Referenzschicht getrennt ist, und der einen gegenüber einem AMR-Effekt erhöhten magnetoresistiven Effekt zeigt, wobei jeweils zwei Sensorelemente (E1, E2 bzw. E3, E4)
einen stromdurchflossenen Zweig (Z1 bzw. Z2) der Brücke (B) bilden
und
in Stromführungsrichtung hintereinander angeordnet sind,
sowie
aus einer Vorrichtung (3) zur Einstellung der Magnetisierungen (m1 bis m4) der Referenzschichten der Sensorelemente (E1 bis E4),
welche Vorrichtung (3)

a) drei den Sensorelementen (E1 bis E4) einer Brücke (B) zugeordnete, von diesen räumlich getrennte streifenförmige Leiterbahnteile (L1 bis L3) aufweist, die untereinander parallel und schräg bezüglich der Stromführungsrichtung derart angeordnet sind, dass ein Leiterbahnteil (L2) zwei zueinander diagonal in der Brücke (B) angeordneten Sensorelementen (E2, E3) zugeordnet ist und

b) Mittel enthält zur Führung eines Einstellstromes (I_e) vorbestimmter Richtung und Stärke derart über jeden Leiterbahnteil (L1 bis L3), dass mittels des von jedem Einstellstrom erzeugten Magnetfeldes die Orientierungsrichtungen der Magnetisierung der Referenzschichten von jeweils zwei zu einem Zweig (Z1, Z2) gehörenden Sensorelementen (E1, E2 bzw. E3, E4) antiparallel und von jeweils zwei diagonal in der Brücke (B) angeordneten Sensorelementen (E1, E3 bzw. E2, E4) parallel fest einstellbar sind.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnteile (L1 bis L3) der Magnetisierungsvorrichtung (3) um etwa 45° bezüglich der Stromführungsrichtung anzuordnen sind.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch hintereinander geschalteten Leiterbahnteile (L1 bis L3) der Magnetisierungsvorrichtung (3) einen mäanderförmigen Strompfad bilden.

4. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnteile (L1 bis L3) der Magnetisierungsvorrichtung (3) bis auf ihre dem jeweiligen Sensorelement zugewandte Flachseite (F) mit magnetisch polarisierbarem, weichmagnetischem Material (4) ummantelt sind.

5. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnteile (L1 bis L3) der Magnetisierungsvorrichtung in die Sensorelemente (E1 bis E4) der Brücke (B) integriert sind.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnteile (L1 bis L3) der Magnetisierungsvorrichtung (3) auf einem eigenen Träger angeordnet sind.

7. System nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine der Magnetisierungsvorrichtung (3) mit einer flexiblen Leiterplatte als Träger.

8. Verwendung der Magnetisierungsvorrichtung des Systems nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Magnetisierung von Sensorelementen in Form von Mehrschichtensystemen vom GMR- oder TMR- oder XMR-Typ.