DE102004007421A1

DE102004007421A1 - XMR-Dünnschichtenelement mit zusätzlichen magnetfelderzeugenden Mitteln

Info

Publication number: DE102004007421A1
Application number: DE200410007421
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr. Rührig
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Sensitec GmbH
Priority date: 2004-02-16
Filing date: 2004-02-16
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2024-02-17
Also published as: DE102004007421B4

Abstract

Das XMR-Dünnschichtenelement (2) enthält eine magnetische Messschicht (3) zur Detektion eines externen Magnetfeldes, eine Referenzschicht (4) mit einer gegenüber der Messschicht (3) vergleichsweise größeren magnetischen Härte und eine zwischen diesen Schichten befindliche nicht-magnetische Zwischenschicht (5). Die Messschicht (4) soll mit Hilfe von Mitteln (7) zur Erzeugung eines zusätzlichen Magnetfeldes (H¶i¶) einem internen magnetischen Wechselfeld (H¶i¶) auszusetzen sein, wobei den Felderzeugnungsmitteln (7) eine Regelungeinrichtung zugordnet ist, mittels derer eine zumindest teilweise Kompensation der Einwirkung des externen Magnetfeldes auf die Messschicht (4) vorzunehmen ist.

Description

XMR-Dünnschichtenelement mit zusätzlichen magnetfelderzeugenden Mitteln Die Erfindung bezieht sich auf ein XMR-Dünnschichtenelement mit einer Schichtenfolge, die zumindest

– eine Messschicht zur Detektion eines externen Magnetfeldes,
– eine Referenzschicht mit einer gegenüber der Messschicht vergleichsweise größeren magnetischen Härte,
– eine zwischen diesen Schichten befindliche nichtmagnetische Zwischenschicht sowie
– zugeordnete Mittel zu einer Erzeugung eines zusätzlichen Magnetfeldes

Ein entsprechendes Dünnschichtenelement ist der DE 197 39 550 C1 zu entnehmen.

Magnetoresistive Dünnschichtenfolge, die gegenüber einschichtigen Elementen mit einem sogenannten „klassischen AMR-Effekt" einen wesentlich erhöhten magnetoresistiven Effekt (sogenannten „XMR-Effekt") zeigen, sind allgemein bekannt (vgl. z.B. den Band „XMR-Technologien" – Technologieanalyse: Magnetismus; Bd. 2, VDI-Technologiezentrum „Physikalische Technologien", Düsseldorf (DE), 1997, Seiten 11 bis 46). Da bei entsprechenden Elementen der Magnetisierungswiderstand feldabhängig ist, lässt sich rückwirkend auf ein angelegtes externes Magnetfeld schließen. Demgemäss wird in herkömmlichen XMR-Sensoren z.B. eine winkelabhängige Magnetisierungsverteilung einer Messschicht bezüglich einer Referenzschicht mittels des elektrischen Widerstandes als Messgröße ausgewertet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Empfindlichkeit eines derartigen XMR-Dünnschichtenelements weiter zu steigern.

Diese Aufgabe wird für ein XMR-Dünnschichtenelement mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend gelöst, dass die Messschicht mit Hilfe der Felderzeugungsmittel zusätzlich einem internen magnetischen Wechselfeld auszusetzen oder ausgesetzt ist, wobei den Felderzeugungsmitteln eine Regelungseinrichtung zugeordnet ist, mittels derer eine zumindest teilweise Kompensation der Einwirkung des externen Magnetfeldes auf die Messschicht vorzunehmen ist.

Bei dem Dünnschichtenelement nach der Erfindung wird also die Schichtenfolge einem internen Feld ausgesetzt, und das zu detektierende externe Feld als Messgröße bewirkt eine Veränderung des zeitabhängigen Magnetowiderstandes. Dabei ist die eigentliche Messgröße die Amplitude der durch das äußere Feld generierten Oberwellen. Dies hat den Vorteil, dass durch Variation des generierten internen Feldes diese Messgröße zumindest großenteils kompensiert werden kann, womit sich eine deutliche Steigerung der Empfindlichkeit ergibt. Hierfür geeignete „Nullpunkt-Kompensationsverfahren" sind hinreichend bekannt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Dünnschichtenelementes gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäss kann das XMR-Dünnschichtenelement nach der Erfindung zusätzlich noch folgende Merkmale aufweisen:

– Die zusätzlichen Felderzeugungsmittel können als wenigstens eine in das Element integrierte elektrische Leiterbahn ausgebildet sein.
– Die Referenzschicht kann eine Einzelschicht eines Referenzschichtensystems sein.
– Das interne Magnetfeld kann zumindest annähernd senkrecht zur Ausgangsmagnetisierung der Referenzschicht gerichtet sein.
– Das interne Magnetfeld kann einen sinusförmigen Verlauf seiner Feldstärke zeigen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. Dabei zeigen in jeweils schematisierter Form
deren 1 und 2 ein erfindungsgemäßes XMR-Dünnschichtenelement im Querschnitt bzw. in Aufsicht sowie
deren 3a, 4a und 5a den Feldverlauf eines internen magnetischen Wechselfeldes in dem Element sowie
deren 3b, 4b und 5b davon abhängiger Magnetowiderstände des Elementes.
Dabei sind in den Figuren sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
Bei der für 1 angenommenen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen XMR-Dünnschichtenelementes als TMR-Element 2 wird vom Aufbau an sich bekannter TMR-Elemente vom sogenannten „Spin Valve"-Typ ausgegangen. Das TMR-Element 2 umfasst somit mindestens eine magnetisch härtere Referenzschicht 3 und mindestens eine demgegenüber magnetisch weichere Messschicht 4. Diese beiden Schichten 3 und 4 sind dabei über eine nicht-magnetische, im Falle der ausgewählten Ausführungsform als TMR-Element, isolierende Zwischenschicht 5 getrennt. Dieser Schichtaufbau kann selbstverständlich noch weitere Schichten umfassen, wie es aus der Technologie von XMR-Elementen allgemein bekannt ist. Parallel zu dem Schichtenaufbau und mittels einer Isolation 6 gegenüber diesem isoliert verläuft eine in den Aufbau des Elementes integrierte elektrische Leiterbahn 7 (vgl. z.B. die DE 195 20 206 C2 ). Mittels eines über diese Leiterbahn zu führenden internen Stromes I_i ist ein internes zusätzliches Magnetfeld H_i zu erzeugen, das insbesondere auf die der Leiterbahn zugewandte Messschicht 4 einwirkt.
In einem XMR-Dünnschichtenelement, dessen Ausgestaltung vorteilhaft rund und formisotrop ist, führt nach 2 eine Änderung der Magnetisierungsrichtung m der Messschicht relativ zu einer fest vorgegebenen Magnetisierung M der Referenzschicht zu einer Widerstandsänderung. Diese kann in bekannter Weise durch einen Spannungsabfall gemessen werden, der ein Maß für den magnetoresistiven Effekt TMR ist. Im Ausgangszustand liegt die Magnetisierungsrichtung m der Messschicht parallel zu der der Referenzschicht, beispielsweise durch eine vorhandene Neél-Kopplung entlang der x-Richtung eines rechtwinkligen x-y-Koordinatensystems. Legt man nun intern, beispielsweise über die Leiterbahn 7 nach 1, ein zusätzliches, vorzugsweise sinusförmiges Magnetfeld H_i = H_y der Frequenz ω in y-Richtung gemäß 3a an, so wird sich die Magnetisierungsrichtung der Messschicht in diese Feldrichtung drehen (vgl. 2), und der Widerstand bzw. magnetoresistive Effekt TMR des Dünnschichtenelementes zeigt dann den in 3b gezeigten Verlauf. Dabei beinhaltet die Frequenz des Widerstandes im Wesentlichen Frequenzanteile der zweiten Harmonischen (2ω) als Oberwellen zu denen der Grundfrequenz ω. Generell sind Signale mit der Frequenz von n·ω als Oberwellen anzusehen, wobei n eine ganze Zahl bedeutet. Wird nun durch ein weiteres, externes Magnetfeld H_xv in x-Richtung die Messschicht so weit vormagnetisiert, dass das der Neél-Kopplung zuzuordnende Magnetfeld H_N zumindest teilweise, vorzugsweise gerade vollständig kompensiert wird, so wird das aus 3b ersichtliche Signal mit der doppelten Frequenz (2ω) mehr und mehr verschwinden (vgl. 4b). Der Grund hierfür ist wie folgt: Ist das Feld in y-Richtung groß genug, um die Messschicht zu sättigen, und ist kein Feld in x-Richtung überlagert, ist es energetisch gleichwertig, dass die Magnetisierung in Domänen mit Komponenten in (+x)-Richtung und in (–x)-Richtung zerfällt. Die ersten würden den Widerstand erniedrigen (parallele Magnetisierung zwischen Mess- und Referenzschicht), letztere den Widerstand dementsprechend erhöhen. Im exakten Gleichgewicht würden sich beide Effekte kompensieren, und der Widerstand würde sich nicht ändern (vgl. 4b). Schon kleinste überlagerte Felder in x-Richtung werden hingegen dieses Gleichgewicht stören, und die eine oder andere Richtung bevorzugen. Dies führt zu einem TMR-Signal im 2ω-Frequenzbereich (vgl. 5b). Eine Abschätzung zeigt, dass bereits Feldstärken von wenigen 0,01 Oe (wenige A/m) zu einem deutlichen Signal führen können. Die Empfindlichkeit hängt dabei im Wesentlichen von der Dispersion der leichten Richtung in der Messschicht ab, und kann z.B. bei amorphen Materialien sehr genau eingestellt werden.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Dünnschichtenelementes besteht also darin, das 2ω-Signal, d.h. die Oberwellen mit geradzahligen n (n=2,4,6....), möglichst weitgehend durch Variation des x-Feldes zu unterdrücken. Da nur Komponenten des XMR-Effekts im 2ω-Signal zur Kompensation verwendet werden, kann das Rauschen durch Frequenzfilterung z.B. in sogenannter Look-in-Technik minimiert werden. Liegt zusätzlich zum internen Magnetfeld ein externes Magnetfeld als Messgröße an, stellt demnach die interne Feldstärke, die zur Minimierung des 2ω-Signals benötigt wird, das eigentliche Messsignal dar.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Dünnschichtenelementes stellt im gleichen Messverfahren noch eine Größe für die Feldkomponente in y-Richtung bereit. Wie in 5b gezeigt, führt die Überlagerung des internen y-Feldes durch ein externes Feld zu einer Deformation des 2ω-Signals, die sich in der Bildung höherer Harmonischer (jetzt: 4ω) des 2ω-Signals auswirkt. Eine Kompensation bezüglich der Minimierung dieser Harmonischen erlaubt eine Bestimmung des angelegten externen Feldes in dieser Richtung. Beide Messungen, da in unter schiedlichen Frequenzbereichen, können unabhängig voneinander sein, so dass die Kompensation in beiden Richtungen eine 2-dimensionale Feldbestimmung erlaubt.
Für eine konkrete Realisierung entsprechender erfindungsgemäßer Dünnschichtenelemente werden vorteilhaft folgende Eigenschaften eingeplant:

– Eine Neél-Kopplung,
– eine geringe Dispersion einer einachsigen Anisotropie,
– eine mäßige einachsige Anisotropie,
– ein ausgeprägter XMR-Effekt,
– hinreichend gute HF-Eigenschaften.

Elemente mit entsprechenden Eigenschaften sind Stand der Technik.

Claims

XMR-Dünnschichtenelement mit einer Schichtenfolge, die zumindest – eine magnetische Messschicht zur Detektion eines externen Magnetfeldes, – eine Referenzschicht mit einer gegenüber der Messschicht vergleichsweise größeren magnetischen Härte, – eine zwischen diesen Schichten befindliche nichtmagnetische Zwischenschicht sowie – zugeordnete Mittel zu einer Erzeugung eines zusätzlichen Magnetfeldes umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschicht (4) mit Hilfe der Felderzeugungsmittel zusätzlich einem internen magnetischen Wechselfeld (H_y) auszusetzen oder ausgesetzt ist, wobei den Felderzeugungsmitteln eine Regelungseinrichtung zugeordnet ist, mittels derer eine zumindest teilweise Kompensation der Einwirkung des externen Magnetfeldes auf die Messschicht (4) vorzunehmen ist.
Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Felderzeugungsmittel als wenigstens eine in das Element (2) integrierte elektrische Leiterbahn (7) ausgebildet sind.
Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzschicht (3) eine Einzelschicht eines Referenzschichtensystems ist.
Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das interne Magnetfeld (H_y) zumindest annähernd senkrecht zur Ausgangsmagnetisierung der Referenzschicht (3) gerichtet ist.
Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das interne Magnetfeld (H_y) einen sinusförmigen Verlauf seiner Feldstärke zeigt.