DE102004032482A1

DE102004032482A1 - Sensor und Verfahren zum Erfassen einer Verformung

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Publication number: DE102004032482A1
Application number: DE102004032482A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Zimmer; Stephan Schmitt
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2004-07-05
Filing date: 2004-07-05
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2024-07-06
Also published as: US7319322B2; US7583081B2; DE102004032482B4; US20080060443A1; US20060097720A1

Abstract

Ein Sensor (100) weist ein Substrat (100a) mit einem mechanisch verformbaren Bereich (110) auf, wobei ein magnetostriktives Spin-Valve-Sensorelement (114) angeordnet ist, um eine mechanische Verformung des mechanisch verformbaren Bereichs (110) zu erfassen. Auf dem Substrat (100) befindet sich eine Vorrichtung (122) zum Erzeugen eines steuerbaren Magnetfelds, durch das ein Verhalten des Sensorelements (114) beeinflußt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf magnetostriktive Mehrschichtsysteme zum Erfassen eines mechanisch verformbaren Bereichs auf einem Substrat.

Magnetostriktive Mehrschichtsysteme, beispielsweise Spin-Valve-Systeme, werden heutzutage in vielfältiger Weise als Sensoren verwendet. Beispielsweise beschreibt die Druckschrift K. Ludwig u. a., „Adapting GMR sensors for integrated devices" Sensors and Actuators A, 106, 2003, S. 15 – 18, eine Anwendung von GMR-Sensoren in integrierten Bauelementen als Stromsensoren und Magnetokoppler. Die GMR-Magnetokoppler weisen eine Spulenschicht auf, in der ein Signalstrom in ein magnetisches Feld umgewandelt wird. Durch Anlegen eines Magnetfelds mittels eines Stroms in der Spulenschicht wird das Ausgangssignal des Magnetokopplers aufgrund einer ferromagnetischen Kopplung zu positiven Werten verschoben, wenn das angelegte Magnetfeld entlang der Richtung der Magnetisierung der magnetisch harten Schicht liegt. Die Verschiebung kann durch eine Anordnung von vier Sensoren in einer Brückenstruktur kompensiert werden, so daß durch das entsprechende Entwerfen von geometrischen Anordnungen eine Sensorausgangscharakteristik eingestellt bzw. entworfen werden kann. Ferner zeigt die WO/95/28699 einen Magnetfeldsensor, bei dem ein Hilfsmagnetfeld erzeugt wird, um einen Arbeitspunkt des Magnetfeldsensors einzustellen. Das Hilfs-Magnetfeld kann durch einen elektrischen Leiter erzeugt werden, wobei bei einem Rückkopplungsbetrieb eine Spannung der Magnetfeldsensorelemente konstant gehalten wird und der Strom durch den elektrischen Leiter gemessen wird.

In neuester Zeit erschließen sich für magnetoresistive GMR/TMR-Multi-Schichtsysteme (GMR/TMR = giant magneto resistance / tunneling magneto resistance) aufgrund ihrer herausragenden Eigen schaften hinsichtlich Sensitivität und erforderlichen Strukturgrößen in der Sensorik immer größere Anwendungsbereiche. Spin-Valve-Systeme auf Basis von GMR-Systemen oder TMR-Systemen, weisen prinzipiell einen Schichtaufbau auf, bei dem eine magnetisch harte Schicht, deren Magnetisierung festgelegt bzw. gepinned ist, über oder unterhalb einer magnetisch weichen Schicht angeordnet ist, deren Magnetisierung in einem äußeren Magnetfeld frei einstellbar ist. Die magnetisch harte Schicht und die magnetisch weiche Schicht sind durch eine nicht-magnetische Schicht voneinander getrennt, die bei einem GMR-System eine nicht-ferromagnetische Metallschicht ist und bei einem TMR-System eine nichtmetallische Isolierschicht umfaßt. Magnetostriktive GMR/TMR-Strukturen können als Dehnungsmesser an mikromechanischen Biegebalken oder beweglichen Membranen zum Erfassen von Beschleunigungen oder eines Drucks verwendet werden. Bei derartigen Strukturen ist es vorteilhaft, wenn die freie Schicht aus einem Material gebildet ist, das eine hohe Magnetostriktion aufweist, um eine möglichst hohe Empfindlichkeit zu erreichen.

Bei der Herstellung derartiger Sensoren ist jedoch stets mit fertigungsbedingten Streuungen zu rechnen, beispielsweise durch die Ausmaße und Dicke der mikromechanischen Biegebalken bzw. der beweglichen Membranen, was die mechanische Empfindlichkeit des Sensors beeinflußt.

Ferner ergeben sich Streuungen der magnetischen Eigenschaften der aktiven GMR/TMR-Schichten, beispielsweise der relativen Lage der Magnetisierungen oder der Anisotropiefeldstärken, die Auswirkungen auf die magnetostriktive Empfindlichkeit ausüben. Die oben genannten Streuungen führen bei einer vorgegebenen Produktspezifikation zwangsläufig zu Ausbeuteverlusten, wodurch sich die Herstellung von Sensoren auf Spin-Valve-Basis in industrieller Fertigung erheblich verteuern.

Abgesehen von den Schwierigkeiten einer kostengünstigen Herstellung von Sensoren auf Spin-Valve-Basis weisen diese Systeme auch Schwierigkeiten beim Betreiben selbst auf.

Da es sich beim magnetostriktiven Effekt um einen nichtlinearen Effekt handelt, ist das Ausgangssignal der bekannter Sensoren nur in einem kleinen Bereich annähernd mit einer Funktion erster Ordnung beschreibbar. Es ist daher nicht möglich, ein lineares Ausgangssignal über einen gesamten Arbeitsbereich des Sensors zu erreichen, ohne aufwendige nachfolgende Korrekturberechnungen der Ausgangssignale durchzuführen. Abgesehen davon, daß das zusätzliche Bereitstellen derartiger Rechenkapazitäten zu einer Vergrößerung der Bauelemente führt oder bestehende Rechnerkapazitäten blockiert, ist es bei bestimmten Anwendungen erforderlich, die Ausgangssignale mit hoher Genauigkeit ohne Verzögern bereitzustellen, beispielsweise bei Beschleunigungssensoren, die im Kraftfahrzeugbereich eingesetzt werden. Eine Verwendung von aufwendigen Berechnungen ist dabei nicht nur nachteilig sondern oftmals generell ausgeschlossen.

Daher wäre es wünschenswert, bei einem Sensor den Aufwand der Auswerteelektronik möglichst gering zu halten, d. h. ein möglichst lineares und reproduzierbares Ausgangskennfeld, d.h. beispielsweise ein lineares Dehnung/Widerstand-Ausgangskennfeld, zu erreichen.

Ferner ist auch die Einstellung des Arbeitspunkts der Empfindlichkeit mit großen Schwierigkeiten behaftet, insbesondere da eine reproduzierbare Empfindlichkeit für bestimmte Arbeitspunkte der bekannten Sensoren nicht möglich ist. Ferner ist die Empfindlichkeit der bekannten Spin-Valve-Sensoren über den ganzen Dehnungsbereich nicht konstant, wobei zusätzlich Sättigungseffekte auftreten, die zu einer Abflachung der Ausgangskennlinie führen und damit den Arbeitbereich stark beschränken. Dies kann dazu führen, daß Sensoren für bestimmte Anwendungen ausgeschlossen sind, bei denen eine Erfassung einer Verformung über einen weiten Bereich erforderlich ist, beispielsweise bei Beschleunigungssensoren, die hohen Beschleunigungen ausgesetzt sind.

Hinsichtlich eines Verhaltens von GMR/TMR-Strukturen unter mechanischer Dehnung offenbart die Druckschrift M. Löhndorf u. a., „Strain Sensors based on magnetostrictive GMR/TMR structures", IEEE Transaction on Magnetics, Bd. 38, Nr. 5, 2002, Ergebnisse von Messungen an GMR-Mehrschichtsystemen und MTJ-Systemen, bei denen eine mechanische Dehnung mittels eines Biegeapparats hervorgerufen wird. Während der Messungen wurde ein Magnetfeld angelegt, um den Verlauf des Widerstands als Funktion des Magnetfelds aufzuzeichnen. Aufgrund des höheren MR-Verhältnisses (Magnetwiderstand-Verhältnisses) wird die Verwendung von MTJ-Systemen in magnetostriktiven Anwendungen als vorteilhaft erachtet.

Ferner beschreibt die Druckschrift M. Löhndorf u. a., „Highly sensitive strain sensors on magnetic tunneling junctions", Appl. Phys. Letter, Bd. 81, Nr. 2, 2002, S. 313 – 315, Messungen an MTJ-Systemen, bei denen ein Magnetfeld in einer ersten Konfiguration parallel zu der Magnetisierungsachse des MTJ-Systems und der Richtung einer angelegten Dehnung angelegt wird. In einer zweiten Konfiguration wird die angelegte Dehnung senkrecht zu dem angelegten Magnetfeld und der Magnetisierungsachse des MTJ-Systems angelegt. Für die erste Konfiguration parallel zu der Magnetisierungsachse des MTJ-Systems wird dabei das Auftreten von Hysteresen beobachtet, wohingegen bei der zweiten Konfiguration einer senkrecht angelegter Dehnung wesentlich abgeschwächte Hysterese-Effekte beobachtet werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen magnetostriktiven Mehrschicht-Sensor mit verbesserten Charakteristika zu schaffen. Die folgenden Erläuterungen beziehen sich auf weichmagnetische Sensorschichten, die aus Materialien mit positiver Magnetostriktionskonstante bestehen. Die Ergebnisse sind allerdings bei entsprechender Änderung der relativen Orientierung der Magnetisierungen von weicher und harter Schicht sowie der Dehnungsrichtung prinzipiell auch auf Materialsysteme mit negativer Magnetostriktionskonstante übertragbar.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß durch das Vorsehen einer auf dem Substrat angeordneten Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds die Eigenschaften bzw. das Verhalten derartiger Mehrschicht-Sensorelemente durch das erfindungsgemäß erzeugte Magnetfeld auf eine günstige Weise beeinflußt werden kann.

Das erfindungsgemäße Erzeugen eines steuerbaren Magnetfelds durch eine integrierte Vorrichtung ermöglicht insbesondere die oben genannten Nachteile der bekannten magnetostriktiven Sensoren auf Spin-Valve-Basis zu überwinden, wie es nachfolgend erklärt wird.

Unter einem Mehrschicht-Sensorelement wird ein System aus mehreren magnetischen Schichten verstanden, die übereinander angeordnet sind und durch nicht-magnetische Schichten getrennt sein können. Das magnetostriktive Mehrschicht-Sensorelement kann dabei sowohl eine Abhängigkeit des elektrischen Widerstands von einem magnetischen Feld als auch einer Verformung des verformbaren Bereichs am Ort des Sensors aufweisen.

Beispielsweise kann ein Mehrschicht-Sensorelement ein GMR-Sensorelement oder ein TMR-Sensorelement sein. Für die Dehnungsmessung eignen sich als GMR/TMR-Einzelelemente beispielsweise sogenannte Spin-Valve-Strukturen, die aus zwei magnetischen Schichten bestehen, die durch eine nicht-magnetische Schicht voneinander getrennt sind. Der Schichtwiderstand der Struktur hängt dabei vom relativen Winkel zwischen den Magnetisierungsrichtungen der beiden magnetischen Schichten ab. Eine der magnetischen Schichten ist festgelegt bzw. gepinned, während die andere magnetisch weich ist und ihre Magnetisierungsrichtung durch ein äußeres Magnetfeld und/oder Belastung oder Drehung drehen kann, was mit einer Änderung des Schichtwiderstands korreliert. Die Verwendung derartiger GMR/TMR-Einzelelemente weist den Vorteil auf, daß die Magnetisierungsrichtungen beider Schichten bei nicht-angelegtem Magnetfeld (H = 0) durch eine gezielte Prozeßführung beliebig zueinander ausgerichtet werden können. Stehen beide Magnetisierungen parallel, so ist der Schichtwiderstand minimal, wohingegen bei antiparalleler Ausrichtung ein maximaler Schichtwiderstand auftritt. Der Widerstand verhält sich proportional zu cos(Φ), wobei Φ der Winkel zwischen den beiden Magnetisierungen ist. Mit dem erfindungsgemäß angelegten externen Magnetfeld läßt sich der Effekt der Polarisationsdrehung der weichen Schicht durch Dehnung entweder verstärken oder abschwächen.

Dies ermöglicht eine Justierung des Arbeitspunkts, beispielsweise um einen Offset-Abgleich zu erreichen, zur Kompensation von fertigungsbedingten Streuungen des mechanisch formbaren Bereichs, beispielsweise der Biegebalken- oder Membrangeometrie (mechanische Empfindlichkeit) oder der GMR/TMR-Schichteigenschaften, d. h. einer magnetischen Empfindlichkeit. Darüber hinaus ermöglicht das extern angelegte Magnetfeld ein dynamisches Nachführen des Arbeitspunkts, so daß beispielsweise ein erweiterter Arbeitsbereich oder ein lineares Signal über den ganzen Dehnungsbereich erreicht werden kann. Beispielsweise wird durch das erfindungsgemäße Anlegen eines steuerbaren Magnetfelds die bei derartigen Systemen auftretende Nichtlinearität vermieden, indem durch das Anlegen eines Magnetfelds diejenige Kennlinie gewählt wird, die hinsichtlich der Linearität die günstigsten Eigenschaften aufweist. Dadurch kann beispielsweise über einen gesamten Arbeitsbereich eine Linearität des Ausgangsignals erreicht werden. Ferner ist es möglich, durch entsprechendes Steuern des Magnetfelds genau die Kennlinie auszuwählen, die die momentan höchste Empfindlichkeit aufweist.

Die Vorrichtung zur Erzeugung des externen Magnetfelds ist vorzugsweise auf dem Halbleiter, beispielsweise einem Siliziumchip, integriert. Die Integrierung der Vorrichtung zur Erzeugung des Magnetfelds weist dabei nicht nur den Effekt einer einfachen Systemintegration und einer Erzeugung der Vorrichtung mit bekannten Prozeßschritten auf sondern ermöglicht darüber hinaus, das Magnetfeld mit hoher Genauigkeit hinsichtlich Richtung und Betrag auf eine kostengünstige Weise zu erzeugen.

Besonders vorteilhaft und einfach kann die Erzeugung des Magnetfelds durch Leiterstrukturen, beispielsweise Leiterbahnen, erfolgen. Bei einem Ausführungsbeispiel können die Leiterbahnen auf den passivierten GMR/TMR-Widerständen aufgebracht sein. Dadurch ergibt sich ein geringer Abstand, der nur durch die Passivierungsdicke bestimmt ist, zwischen der Leiterbahn und der GMR/TMR-Struktur. Dies ermöglicht, daß je nach Leitergeometrie mit kleinen Strömen im Bereich von einigen mA ein Magnetfeld von einigen kA/m erreicht werden können. Der Abstand der Leiterbahn von den Sensorelementen liegt dabei vorzugsweise in einem Bereich von 40 – 1200nm.

Die Leiterstruktur kann dabei jeweils aus einem oder mehreren geraden Leitern gebildet sein, der bzw. die über oder unter einem bzw. mehreren Sensorelementen gebildet ist bzw. sind.

Hinsichtlich einer geometrischen Anordnung der Vorrichtung zum Erzeugen des Magnetfelds können je nach Spezifikation und Anwendungsbereich des Sensors unterschiedliche Konfigurationen vorgesehen sein. Beispielsweise können die Magnetfelder so erzeugt werden, daß dieselben parallel oder senkrecht zu einer Richtung der Dehnung angelegt werden.

Ebenso können bei Anwendungen, bei denen das Sensorelement Spin-Valve-Sensorelemente umfaßt, unterschiedliche Magnetisierungen der magnetisch harten und magnetisch weichen Schicht vorgesehen sein. Bei einem Ausführungsbeispiel wird das Sensorelement so angeordnet, daß die Magnetisierungen der weichen und der magnetisch harten Schicht der Spin-Valve-Sensorelemente jeweils parallel zueinander sind. Vorzugsweise wird bei diesem Ausführungsbeispiel zum Ermöglichen einer Erfassung einer Dehnung mit hoher Empfindlichkeit das Sensorelement auf dem verformbaren Bereich derart angeordnet, daß die Magnetisierungen der weichen und magnetisch harten Schicht bei nicht-angelegtem Magnetfeld und einer nicht- angelegten Dehnung senkrecht zu der Dehnungsrichtung am Ort des Sensorelements sind, wobei das Magnetfeld parallel zu den Magnetisierungen der Schichten des Sensorelements erzeugt wird, d. h. ebenfalls senkrecht zu der Dehnungsrichtung.

Darüber hinaus ist bei weiteren Ausführungsbeispielen vorgesehen, das Magnetfeld parallel zu einer Dehnungsrichtung des mechanisch verformbaren Bereichs, dessen Verformung von dem Sensorelement erfaßt wird, anzulegen. Bei einer derartigen Konfiguration ist es möglich, die Magnetisierungen der magnetisch harten und weichen Schicht jeweils parallel vorzusehen, wobei die Magnetisierungen wiederum senkrecht zu dem generierten Magnetfeld und der Dehnungsrichtung sind. Eine derartige Anordnung zeichnet sich insbesondere durch einen sehr weiten Bereich der Linearität aus, so daß diese Anordnung für viele Anwendungen vorteilhaft ist.

Zum Bilden eines Sensors kann ein Sensorelement ferner mit einem weiteren gleichartigen oder unterschiedlichen Sensorelement zu einer Halbbrücke verschaltet werden. Bei einem Ausführungsbeispiel kann ein weiteres Sensorelement als ein Referenzelement dienen, wenn es auf dem verformbaren Bereich derart angeordnet wird, daß die Dehnungsrichtung am Ort des Referenzelements parallel zu den Magnetisierungen der weichen und magnetisch harten Schicht des Referenzelements ist, so daß eine Verformung bzw. Dehnung keinen Einfluß auf den Magnetisierungsvektor der weichmagnetischen Sensorschicht des Referenzelements hat. Vorzugsweise wird dabei sowohl für das Erfassungs-Sensorelement als auch für das Referenz-Sensorelement das Magnetfeld mit gleicher Stärke und gleicher Richtung bzgl. der Widerstandsorientierung erzeugt, was beispielsweise durch rechtwinklig zueinander angeordnete Leiterstrukturen erfolgen kann, die miteinander verbünden sind. Die obige Anordnung mit Referenzsensorelementen ermöglicht das Erzeugen eines Offset- und Drift-armen Ausgangssignals.

Auf dem verformbaren Bereich kann ferner eine weitere Halbbrücke entsprechend zu der oben beschriebenen Halbbrücke angeordnet sein. Vorzugsweise sind die vier Sensorelemente bei einem rechteckig oder quadratisch ausgebildeten verformbaren Bereich jeweils rechtwinklig zueinander, d. h. in einem rechteckigen oder quadratischen Muster, an den Seiten des verformbaren Bereichs zueinander, angeordnet. Generell kann der verformbare Bereich jedoch jede Form und Symmetrie aufweisen.

Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem ebenfalls das Magnetfeld senkrecht zu einer Dehnungsrichtung am Ort des Sensors erzeugt wird, kann ferner vorgesehen sein, daß die Magnetisierung der magnetisch harten Schicht und die Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht bei nicht-angelegtem Magnetfeld nicht parallel sind, d. h. einen Winkel aufweisen, der größer als 0° ist. Vorzugsweise ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine rechtwinklige Anordnung der beiden Magnetisierungen vorgesehen. Die beiden Magnetisierungen werden dabei bezüglich des Magnetfelds bzw. der Dehnungsrichtung derart angeordnet, daß jede der beiden Magnetisierungen einen Winkel aufweist, der größer als 0° und geringer als 90° ist. Vorzugsweise können die beiden Magnetisierungen bei nicht-angelegtem Magnetfeld senkrecht zueinander angeordnet sein, wobei die magnetisch harte Schicht einen Winkel von +45° bzw. –45° bzgl. einer Achse senrecht zur Dehnungsrichtung aufweist.

Diese Konfiguration ermöglicht eine Anordnung von vier Sensorelementen zu einer Vollbrücke, bei der jedes der Sensorelemente als Erfassungs-Sensorelement dient. Beispielsweise können die vier Sensorelemente der Vollbrücke jeweils rechtwinklig an den Seiten einer im wesentlichen quadratisch ausgebildeten Membran angeordnet sein, wobei jedes der Sensorelemente als Erfassungs-Sensorelement dient. Die oben beschriebene Anordnung in einer Vollbrücke ermöglicht eine Signaloptimierung, daß jedes der Sensorelemente einen Beitrag zum Meßsignal liefert, wenn sich die Membran verformt und an jeder der Seiten in der entsprechenden Dehnungsrichtung eine Dehnung erzeugt.

Wie es bereits oben erwähnt wurde, kann durch das Erzeugen eines externen Magnetfelds ein bestimmter Arbeitspunkt oder Arbeitsbereich, der eine besonders hohe Sensitivität oder eine besonders hohe Linearität aufweist, selektiv ausgewählt werden. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem bei einem Abweichen der Linearität oder der Empfindlichkeit von einem vorbestimmten Wert um einen vorbestimmten Betrag ein neues Magnetfeld eingestellt wird, wodurch ein Umschalten auf einen neuen Arbeitspunkt auf einer Kennlinie, die dem angelegten Magnetfeld zugeordnet ist, erfolgt.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist es möglich, durch geeignetes Steuern des externen Magnetfelds einen elektrischen Widerstand auf einem vorbestimmten Wert zu halten, indem eine vorbestimmte Richtung der Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht beibehalten wird, wenn sich die Dehnung verändert. Dies weist den Vorteil auf, daß durch das Nachregeln des Stroms für das äußere Magnetfeld der Strom proportional zu der Meßgröße der Dehnung ist, so daß eine einfache Erfassung erreicht werden kann. Ferner weist dieses Prinzip den Vorteil einer Abhängigkeit von der Dehnung mit reduzierter Nichtlinearität über den gesamten Dehnungsbereich auf. Das externe Magnetfeld könnte entweder wie oben beschrieben durch eine auf dem Substrat integrierte Vorrichtung oder durch eine nicht auf dem Substrat angeordnete Vorrichtung erzeugt werden.

Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß das Sensorsystem beispielsweise auf Spin-Valve-Basis nicht in eine Sättigung gehen kann, da die Polarisation der weichen Schicht nicht gedreht wird. Die Dehnung kann daher theoretisch bis an die plastische Verformungsgrenze getrieben werden, solange das äußere Magnetfeld stark genug zur Kompensation ist.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf einen Sensor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf einen Sensor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf einen Sensor gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4a eine Darstellung der Abhängigkeit eines Kosinus des Winkels zwischen den Magnetisierungen der magnetisch harten und magnetisch weichen Schicht in Abhängigkeit eines angelegten Magnetfelds für mehrere anliegende Dehnungen für ein Einzelelement des in 1 dargestellten Sensors gemäß einer Berechnung der Erfinder;
4b eine Darstellung eines Kurvenverlaufs des Kosinus zwischen den Magnetisierungen der magnetisch harten und magnetisch weichen Schicht in Abhängigkeit einer angelegten Dehnung für mehrere angelegte Magnetfelder gemäß einer Berechnung der Erfinder für ein Einzelelement des in 1 gezeigten Sensors;
5a eine Darstellung eines Kurvenverlaufs des Kosinus des Winkels zwischen den Magnetisierungen der magnetisch harten Schicht und der magnetisch weichen Schicht in Abhängigkeit des angelegten Magnetfelds für mehrere angelegte Dehnungen für ein Einzelelement des Sensors gemäß der 2 gemäß einer Berechnung der Erfinder;
5b eine Darstellung des Verlaufs des Kosinus des Winkels zwischen den Magnetisierungen der magnetisch harten Schicht und der magnetisch weichen Schicht in Abhängig keit einer angelegten Dehnung für mehrere Magnetfelder für ein Einzelelement des in 2 dargestellten Sensors gemäß einer Berechnung der Erfinder;
6a eine Darstellung eines Verlaufs des Kosinus des Winkels zwischen den Magnetisierungen der magnetisch harten Schicht und der magnetisch weichen Schicht in Abhängigkeit eines angelegten Magnetfelds für ein Einzelelement des in 3 dargestellten Sensors gemäß einer Berechnung der Erfinder;
6b eine Darstellung eines Verlaufs des Kosinus des Winkels zwischen den Magnetisierungen der magnetisch harten Schicht und der magnetisch weichen Schicht in Abhängigkeit einer angelegten Dehnung für mehrere Magnetfelder für ein Einzelelement des in 3 dargestellten Sensors gemäß einer Berechnung der Erfinder; und
7 eine Darstellung der Abhängigkeit einer angelegten Dehnung von einem Kompensationsmagnetfeld in einem Resistance-Balance-Modus für ein Einzelelement des in 2 dargestellten Sensors gemäß einer Berechnung der Erfinder.
Unter Bezugnahme auf die 1 bis 7 werden im folgenden bevorzugte Ausführungsbeispiele erläutert, wobei gleichartige Elemente in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
Als ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 1 ein Sensor 100 erklärt. Der Sensor 100 weist ein Substrat 100a mit einem Biegebalken 110 auf, der beispielsweise bei einer Beschleunigung aufgrund der auf den Biegebalken 110 wirkenden Trägheitskraft eine Verformung, d. h. eine Dehnung bzw. eine mechanische Spannung, erfährt. Der Biegebalken bzw. Cantilever 110 ist mit einem massiv ausgebildeten Bereich 112 des Substrats verbunden, so daß bei dem Auftreten einer Beschleunigung lediglich der bewegliche Biegebalken verbogen wird. Im Bereich der größten Dehnung des beweglichen Biegebalkens 110, d. h. in der Nähe der Verbindung zwischen dem Biegebalken 110 und dem massiven Körper 112, sind Sensorelemente 114 auf dem Biegebalken aufgebracht. Zum Erfassen der Dehnung des Biegebalkens können die Sensorelemente in Serie verschaltet werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Sensorelemente 114 GMR-Widerstandsstrukturen, die eine Erfassung der Dehnung aufgrund einer Veränderung der Magnetisierungsrichtung der magnetisch weichen Schicht bezüglich der Magnetisierungsrichtung der magnetisch harten Schicht erfassen können. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die magnetisch harte Schicht und die magnetisch weiche Schicht so polarisiert, daß die Dehnung senkrecht zu beiden Richtungen steht. Aufgrund der Dehnung wird die Magnetisierung der weichen Schicht in Richtung der Dehnung gedreht, wobei der Widerstand der Sensorelemente 114 steigt. Obwohl bei diesem Ausführungsbeispiel die Magnetisierungen der magnetisch weichen Schicht und der magnetisch harten Schicht derart polarisiert sind, daß dieselben ohne angelegtes Magnetfeld bzw. ohne anliegende Dehnung parallel zueinander sind, können bei anderen Ausführungsbeispielen die Magnetisierungen der beiden Schichten auch einen Winkel größer als 0° aufweisen.
In 1 ist die Magnetisierung der magnetisch harten Schicht durch einen kleinen dickeren Pfeil mit dem Bezugszeichen 116 dargestellt, während die Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht mit einem längeren dünneren Pfeil mit dem Bezugszeichen 118 dargestellt ist.
Erfindungsgemäß wird zum Beeinflussen des Verhaltens der Sensorelemente ein Magnetfeld 120 erzeugt, was bei diesem Ausführungsbeispiel mittels einer Leiterstruktur 122 erfolgt, die sich über die Sensorelemente 114 erstreckt. Genauer gesagt weist die Leiterstruktur eine mäanderförmige Form auf, so daß die Abschnitte der Leiterstruktur 122 über den jeweiligen Sensorelementen von einem elektrischen Strom in der gleichen Richtung durchflossen werden, so daß in jedem Sensorelement ein Magnetfeld mit vorzugsweise gleicher Stärke und gleicher Richtung erzeugt wird. Wie es in 1 zu erkennen ist, ist die Leiterstruktur 122 derart ausgebildet, daß der elektrische Strom in der Leiterstruktur 122 derart fließt, daß ein Magnetfeld erzeugbar ist, das in der Ebene der Sensorelemente 114 parallel bzw. antiparallel zu den Magnetisierungen der magnetisch harten bzw. magnetisch weichen Schicht, bezogen auf den Fall, daß keine Dehnung in dem verformbaren Bereich erzeugt ist. Dies bedeutet, daß bei diesem Ausführungsbeispiel die Richtung des durch die Leiterstruktur 122 erzeugten Magnetfelds stets senkrecht zu der Dehnungsrichtung 124 ist, die in dem Biegebalken 110 erzeugbar ist.
Wie es bereits oben erklärt wurde, ändert sich durch die Dehnung des Biegebalkens die Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht dahingehend, daß sich dieselbe abhängig von der Stärke der angelegten Dehnung in Richtung der Dehnungsrichtung dreht, für den Fall, dass die weichmagnetische Schicht aus Material mit positiver Magnetostriktionskonstante besteht.
Erfindungsgemäß wird durch das Erzeugen des Magnetfelds das Verhalten der Sensorelemente 114 beeinflußt. Genauer gesagt kann durch das Erzeugen des Magnetfelds die Drehung der Magnetisierung der weichen Schicht beeinflußt werden, so daß sich ein Verhalten der Sensorelemente 114 ergibt, das sowohl von der anliegenden Dehnung als auch von dem anliegenden Magnetfeld abhängig ist.
Eine Darstellung der Abhängigkeit des Winkels zwischen den Magnetisierungen der magnetisch weichen Schicht und der magnetisch harten Schicht als Funktion des angelegten Magnetfelds ist in 4a für ein einzelnes Sensorelement gezeigt. Die in 4a gezeigten Darstellungen stellen qualitative Simulationen dar, die von den Erfindern durchgeführt wurden.
4a zeigt den Kosinus des Winkels zwischen der magnetisch harten und magnetisch weichen Schicht als Funktion der anliegenden Magnetfeldstärke für jeweils verschiedene Dehnungswerte. Mit Bezugszeichen 400 ist der Verlauf dargestellt, der sich bei einer nicht-angelegten Dehnung ergibt. Wie es zu erkennen ist, sind deutliche Hysterese-Effekte vorhanden, wobei die Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht im wesentlichen ohne Übergang von einer parallelen Einstellung bezüglich der Magnetisierung der magnetisch harten Schicht in eine antiparallele Einstellung umschlägt und umgekehrt. Dabei ist bei einem nicht-angelegten Magnetfeld (H = 0) die Richtung der beiden Magnetisierungen entweder parallel zueinander oder antiparallel. Wie es nun zu erkennen ist, verändert sich der oben beschriebene Verlauf, wenn an dem Biegebalken eine Dehnung vorliegt. Die mit dem Bezugszeichen 402, 404 und 406 bezeichneten Kurvenverläufe entsprechen jeweils einer ansteigenden Dehnung. Im Unterschied zu dem Verlauf 400 weisen die Kurvenverläufe 402, 404 und 406 keine Hysterese-Effekte auf und zeigen ferner über einen weiten Bereich einen linearen Anstieg.
4b zeigt für das gleiche Widerstandssensorelement den Verlauf des Winkels der Magnetisierungen als Funktion der Dehnung. Der Kurvenverlauf 408 beschreibt dabei einen Verlauf ohne anliegende Dehnung, während die Verläufe 410, 412, 414, 416 und 418 jeweils einem zunehmenden Wert der magnetischen Feldstärke entsprechen. Je nach Richtung des angelegten Magnetfelds, d. h. parallel zu der Magnetisierung der magnetisch harten Schicht oder antiparallel zu der Magnetisierung der magnetisch harten Schicht, stellt sich die Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht in einem Winkel zwischen 0° und 90° oder in einem Bereich zwischen 90° und 180° ein. Mit zunehmender Magnetfeldstärke verschieben sich die Verläufe zu höheren Dehnungswerten. Wie es nachfolgend erklärt wird, können die durch das Erzeugen des Magnetfelds hervorgerufenen Veränderungen der Abhängigkeit des Winkels von der Dehnung vorteilhaft ausgenutzt werden, um einen Arbeitspunkt oder einen Arbeitsbereich auszuwählen, so daß eine erhöhte Linearität, eine erhöhte Sensorempfindlichkeit sowie eine wesentlich verbes serte Reproduzierbarkeit erreicht werden kann.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 2 dargestellt. 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Sensor, der beispielsweise zur Druckmessung eingesetzt werden kann. Der Sensor 200 umfaßt ein Substrat 200a, auf dem ein als Membran 202 ausgebildeter mechanisch verformbarer Bereich gebildet ist.
Im Bereich der maximalen Dehnung, d. h. am Rand der quadratisch ausgebildeten Membran 202, sind streifenförmige Sensorelemente 204a, b, c, d angeordnet, wobei jeweils zwei Sensorelemente in einer ersten Richtung, d.h. einer „vertikaler Ausrichtung", und zwei Sensorelemente in einer zu der ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung, d.h. einer „horizontaler" Ausrichtung, aufgebracht sind. Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß sich die Begriffe vertikal und horizontal lediglich auf die Darstellung in den Figuren bezieht und sich daher nicht auf die bei einer Verwendung des Sensors vorliegende tatsächliche Ausrichtung der Sensorelemente bezieht.
Die Sensorelemente können beispielsweise GMR/TMR-Widerstände umfassen. Ein vertikales und horizontales Sensorelement, d. h. die Sensorelemente 204a und 204b bzw. 204c und 204d sind jeweils zu einer Halbbrücke verschaltet, wobei die vertikal angeordneten Sensorelemente 204b und 204d als Meß-Sensorelemente dienen, während die horizontal angeordneten Sensorelemente 204a und 209c in den jeweiligen Halbbrücken als Referenzsensorelemente dienen. Die Magnetisierungen in jedem der Sensorelemente sind derart, daß die magnetisch harte Schicht eine Magnetisierung 206 aufweist, die parallel zur Längsachse der Meßsensorelemente ist.
Durch das Anlegen eines äußeren Drucks auf die Membran 202 werden die Sensorelemente senkrecht zu ihrer Längsachse in einer Dehnungsrichtung 208 gedehnt. Dies führt bei den Sensorelementen im Falle von Materialien für die weichmagnetische Schicht mit posi tiver Magnetostriktionskonstante aus energetischen Gründen zu einem Drehen der Polarisation der weichen Schicht aus der parallelen Lage heraus. Dahingegen ergibt sich bei den Referenzsensorelementen ebenfalls aus energetischen Gründen keine Änderung der weichen Polarisation 210. Die in 2 dargestellte Anordnung stellt eine Halbbrücke dar, die es ermöglicht, ein Offset- und Driftreduziertes Ausgangssignal zu erreichen.
Der Sensor 200 umfaßt ferner auf dem Substrat integrierte Stromleiterstrukturen 212 und 214, die jeweils einer der Halbbrücken zugeordnet sind. Die Stromleiter, die auf den passivierten GMR/TMR-Strukturen aufgebracht sind, ermöglichen, daß ein Magnetfeld 216 parallel zur Dehnungsrichtung 208 erzeugt werden kann.
5a zeigt Berechnungen der Erfinder, die eine Auswirkung auf den Kosinus (Φ) als Funktion des Magnetfelds und der Dehnung zeigen. Die Bezugszeichen 502, 504, 506 und 508 bezeichnen jeweils Kurvenverläufe mit zunehmender Dehnung. Dabei ist zu erkennen, daß mit zunehmender Dehnung eine geringere Magnetfeldstärke erforderlich ist, um einen vorbestimmten Winkel zwischen 0° und 90° zu erreichen. Dies ergibt sich aufgrund der Tatsache, daß bei diesem Ausführungsbeispiel die Dehnungsrichtung und das erzeugte Magnetfeld parallel zueinander sind, so daß durch den Effekt der Dehnung eine Drehung der magnetisch weichen Schicht in eine Richtung bewirkt wird, die einer Drehrichtung entspricht, die auch beim Erzeugen eines Magnetfelds erreicht wird.
5b zeigt den Winkel der beiden Magnetisierungen als Funktion der Dehnung für verschiedene Magnetfelder. Wie es in 5b zu erkennen ist, wird durch das Anlegen des Magnetfelds ein Kurvenverlauf zu höheren Dehnungswerten verschoben, so daß durch ein jeweiliges Auswählen einer bestimmten Kennlinie selbst für hohe Dehnungswerte ein annähernd linearer Verlauf erreicht werden kann. Insbesondere weist der in der 5b dargestellte Verlauf verglichen mit dem in der 4b dargestellten Verlauf wesentlich größer Bereiche mit annähernd konstanter Linearität und er höhter Empfindlichkeit auf, so daß sich die Anordnung gemäß der 2 besonders gut für die Erfassung von mechanischen Verformungen eignet.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß der 2 dadurch unterscheidet, daß die Sensorelemente zu einer Vollbrücke verschaltet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind für jedes der Sensorelemente 204a – 204d die Magnetisierungsrichtung der magnetisch harten Schicht 206 und die Magnetisierungsrichtung 210 der weichen Schicht jeweils senkrecht zueinander angeordnet. Die Magnetisierungsrichtungen 206 und 210 sind ferner unter einem Winkel von 45° relativ zu der Dehnungsrichtung 208 ausgerichtet, wobei die Dehnungsrichtung entsprechend zu dem Ausführungsbeispiel gemäß der 2 parallel zu der Richtung des erzeugten Magnetfelds 216 ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ändern bei einer Druckbeaufschlagung sowohl die vertikalen Sensorelemente 204b und 204d als auch die horizontalen Sensorelemente 204a und 204c gegenläufig ihren Widerstand, da sich die Polarisationen der magnetisch weichen Schichten in den horizontal angeordneten Sensorelementen 204a und 204c im Uhrzeigersinn, d. h. in Richtung der Magnetisierung der magnetisch harten magnetischen Schicht, drehen, während sich die Magnetisierungen der magnetisch weichen Schichten der Sensorelemente 204b und 204d, die vertikal angeordnet sind, durch die beaufschlagte Dehnung in eine Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn, d. h, von der Richtung der magnetisch harten Schicht weg, drehen, wie es in 3 durch Pfeile dargestellt ist.
6a zeigt den Effekt auf das Drehverhalten der weichen Polarisation in Abhängigkeit von einem Magnetfeld gemäß Berechnungen der Erfinder. Hierbei ist zu erkennen, daß sich mit zunehmender Dehnung die zum Auslenken der Magnetisierung der weichen Schicht aus der vorbestimmten Richtung erforderliche Magnetfeldstärke, d. h. eine Koerzitivkraft, zunimmt.
6b zeigt für das Einzelelement des in 3 gezeigten Ausführungsbeispiels den Verlauf des Kosinus des Winkels in Abhängigkeit der Dehnung für verschiedene Feldstärken. Dabei ist eine Asymmetrie zwischen den Kurven mit positiven Magnetfeldern und Kurven mit negativen Magnetfeldern zu beobachten. Genauer gesagt wird durch das Anlegen eines Magnetfelds in positiver Richtung eine stärkere Drehung erreicht als durch das Anlegen derselben Magnetfeldstärke in die negative Richtung, was sich in einem unterschiedlichen Winkel der Magnetisierungen der magnetisch harten und magnetisch weichen Schicht zeigt.
Im folgenden sollen anhand der in 5b gezeigten Halbbrückencharakteristik einige bevorzugte Möglichkeiten zur Beeinflussung des Verhaltens des Sensorelements erläutert werden.
Unter Anwendung der oben aufgezeigten Zusammenhänge kann beispielsweise eine Ausweitung des Arbeitsbereichs erreicht werden, wie es nachfolgend erklärt wird. Wird das GMR/TMR-Sensorelement durch ein Magnetfeld vorgespannt, so kann unter Dehnung der lineare Bereich zwischen den Punkten A und B durchfahren werden. Würde die Kennlinie über den Punkt B hinaus durchfahren, wäre dies mit einer Reduktion der Empfindlichkeit sowie der Linearität verbunden. Durch das erfindungsgemäße Vorsehen einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds auf dem Substrat kann nunmehr erreicht werden, daß ein Übergang von einer ersten Kennlinie auf eine zweite Kennlinie initiiert werden kann. Unter Bezugnahme auf 5b kann beispielsweise die Kennlinie 512 von dem Punkt A zu dem Punkt B durchfahren werden und daraufhin ein Übergang auf den Punkt C der Kennlinie 516 initiiert werden. Unter weiterer fortgeführter Dehnung kann dabei eine gleichbleibende hohe Empfindlichkeit und Linearität bis zum Erreichen des Punkts D auf der Kennlinie 516 erreicht werden. Dann folgt ein Übergang auf eine weitere Kennlinie usw. Die Umschaltpunkte als Funktion des GMR/TMR-Sensorelements und des Magnetfelds können in einer Sensorkalibrierung beispielsweise als eine Referenzkurve gewonnen und beispielsweise in einem Nachschlagverzeichnis (Look-up-Table) hinterlegt werden. Dadurch kann eine gleichbleibend hohe Empfindlichkeit und Linearität über einen gesamten Anwendungsbereich erreicht werden.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, das als Resistance-Balance-Prinzip bezeichnet wird, wird unabhängig von der Dehnung ein vorbestimmter Winkel zwischen der magnetisch harten Schicht und der magnetisch weichen Schicht beibehalten, so daß der GMR/TMR-Widerstand konstantgehalten wird. Dazu wird das Bias-Magnetfeld kontinuierlich variiert, so daß die durch die Dehnung verursachte Drehung der Polarisation der weichen Schicht mit einem Magnetfeld kompensiert wird. Die parallel zur x-Achse verlaufende gestrichelte Linie mit Bezugszeichen 520 in 5b soll beispielhaft veranschaulichen, wie durch ein Wechseln zwischen den verschiedenen vom Magnetfeld abhängigen Kennlinien der Widerstand des Sensorelements konstantgehalten werden kann, beispielsweise wie in 5b gezeigt auf einem Wert, bei dem der Kosinus des Winkels 0,3 beträgt. Dabei wird das Ausgangssignal gemessen und durch Nachregeln des Stroms für das äußere Magnetfeld konstantgehalten, so daß ein Strom als zur Dehnung proportionalen Meßgröße erfaßt wird. Mit anderen Worten gesagt, liefern bei diesem Ausführungsbeispiel die Sensorelemente lediglich ein Signal, das zum Nachregeln des Magnetfeldstroms verwendet wird, während das Meßsignal aus dem Wert des Magnetfeldstroms abgeleitet wird. Das Resistance-Balance-Prinzip hat den Vorteil einer streng linearen Abhängigkeit von der Dehnung über den gesamten Dehnungsbereich.
7 zeigt eine Berechnung der Abhängigkeit der Dehnung von einer Magnetfeldstärke für den oben beschriebenen Resistance-Balance-Modus. Wie es zu erkennen ist, ergibt sich eine streng lineare Abhängigkeit über den gesamten Bereich einer Dehnung. Dadurch läßt sich ohne aufwendige Signalverarbeitung ein über den gesamten Arbeitsbereich lineares Ausgangssignal mit hoher Empfindlichkeit erreichen. Aufgrund dessen, daß die Polarisation der weichen Schicht nicht gedreht wird, kann das Spin-Valve-System nicht in Sättigung gehen, solange das äußere Magnetfeld stark genug zur Kompensation ist. Theoretisch kann somit die Dehnung bis an die plastische Verformungsgrenze des mechanisch verformbaren Bereichs getrieben werden.
Zusätzlich zu den obigen Verfahren zum Einstellen eines Arbeitspunkts bzw. eines Arbeitsbereichs kann durch das erfindungsgemäße Anlegen eines Magnetfelds auch ein in dem Sensorelement vorhandener Offset ausgeglichen werden. Dazu wird das Magnetfeld bei den oben beschriebenen Verfahren zusätzlich abhängig von dem vorliegenden Offset eingestellt. Entsprechend kann auch eine zeitliche Drift, beispielsweise durch Temperaturänderungen oder anderer Parameter, die eine Drift hervorrufen können, durch das erfindungsgemäße Erzeugen eines Magnetfelds ausgeglichen werden.
Obwohl das oben beschriebene Einstellen der Arbeitsbereiche bzw. das Betreiben in einem Resistance-Balance-Modus für eine auf dem Substrat integrierte Vorrichtung zum Erzeugen des Magnetfelds beschrieben ist, können diese Funktionsweisen auch durch ein Erzeugen eines Kompensationsmagnetfelds erreicht werden, das durch eine Vorrichtung erzeugt wird, die nicht auf dem Substrat integriert ist.

100: Sensor
100a: Substrat
110: Biegebalken
112: massiver Bereich
114: Sensorelement
116: Magnetisierung
118: Magnetisierung
120: Magnetfeld
122: Leiterstruktur
124: Dehnungsrichtung
200: Sensor
200a: Substrat
202: Membran
204a-d: Sensorelement
206: Magnetisierung
208: Dehnungsrichtung
210: Magnetisierung
212: Leiterstruktur
214: Leiterstruktur
216: Magnetfeld
400: Kurvenverlauf
402: Kurvenverlauf
404: Kurvenverlauf
406: Kurvenverlauf
408: Kurvenverlauf
410: Kurvenverlauf
502: Kurvenverlauf
504: Kurvenverlauf
506: Kurvenverlauf
508: Kurvenverlauf
510: Kurvenverlauf
512: Kurvenverlauf
514: Kurvenverlauf
516: Kurvenverlauf
518: Kurvenverlauf

Claims

Sensor (100, 200) mit folgenden Merkmalen: einem Substrat (100a, 200a) mit einem mechanisch verformbaren Bereich (110; 202); einem magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelement (114; 204a, b, c, d) zum Erfassen einer mechanischen Verformung des mechanisch verformbaren Bereichs (110; 202), wobei das Mehrschicht-Sensorelement (114; 204a, b, c, d) eine Sensorschicht aufweist, die aus einem Material mit positiver oder negativer Magnetostriktionskonstante besteht; und einer auf dem Substrat angeordneten Vorrichtung (122; 212, 214) zum Erzeugen eines steuerbaren Magnetfelds, durch das ein Verhalten des Sensorelements beeinflußt wird.
Sensor gemäß Anspruch 1, bei dem das Mehrschicht-Sensorelement (114; 204a, b, c, d) ein magnetisches Schichtsystem aufweist, das mindestens zwei magnetische Schichten und eine nichtmagnetische Schicht aufweist, wobei das magnetische Schichtsystem ausgebildet ist, so dass sich die Magnetisierungsrichtungen von mindestens zwei benachbarten magnetischen Schichten zueinander unter Dehnung ändern.
Sensor gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das magnetostriktive Mehrschicht-Sensorelement (114; 204a, b, c, d) ein GMR-Sensorelement oder ein TMR-Sensorelement ist.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das magnetostriktive Mehrschicht-Sensorelement (114; 204a, b, c, d) ein magnetostriktives Spin-Valve-Sensorelement ist.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Vorrichtung (122; 212, 214) zum Erzeugen eines steuerbaren Magnetfelds in dem Substrat (100a; 200a) integriert ist.
Sensor gemäß Anspruch 5, bei dem die Vorrichtung zum Erzeugen eines steuerbaren Magnetfelds eine Leiterstruktur (122; 212, 214) umfaßt.
Sensor gemäß Anspruch 6, bei dem die Leiterstruktur (122; 212, 214) einen geraden länglichen Bereich umfaßt, der sich über das magnetostriktive Mehrschicht-Sensorelement (114; 204a, b, c, d) erstreckt.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der mechanisch verformbare Bereich (110; 202) ein Biegebalken (110) oder eine Membran (202) ist.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das magnetostriktive Mehrschicht-Sensorelement (114; 204a, b, c, d) als ein Spin-Valve-Sensorelement ausgebildet ist und die Vorrichtung zum Erzeugen eines steuerbaren Magnetfelds ausgebildet ist, um eine Magnetisierungsrichtung einer magnetisch weichen Schicht des Spin-Valve-Sensorelements (114; 204a, b, c, d) zu drehen, wodurch ein elektrischer Widerstand des Spin-Valve-Sensorelements beeinflußt wird.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das magnetostriktive Mehrschicht-Sensorelement (114; 204a, b, c, d) und die Vorrichtung (122; 212, 214) zum Erzeugen eines steuerbaren Magnetfelds derart angeordnet sind, daß das Magnetfeld eine Komponente in der Dehnungsrichtung des mechanisch verformbaren Bereichs an dem Ort des magnetostriktive Mehrschicht-Sensorelement (114; 204a, b, c, d) aufweist.
Sensor gemäß Anspruch 10, bei dem das magnetostriktive Mehrschicht-Sensorelement (114; 204a, b, c, d) und die Vorrichtung zum Erzeugen eines steuerbaren Magnetfelds angeordnet sind, so daß das erzeugte Magnetfeld und die Dehnungsrichtung des me chanisch verformbaren Bereichs am Ort des magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelements (114; 204a, b, c, d) parallel zueinander sind.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das magnetostriktive Mehrschicht-Sensorelement (114; 204a, b, c, d) und die Vorrichtung zum Erzeugen eines steuerbaren Magnetfelds derart angeordnet sind, daß das erzeugte Magnetfeld senkrecht zu der Dehnungsrichtung des mechanisch verformbaren Bereichs an dem Ort des magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelements (114; 204a, b, c, d) ist.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem das magnetostriktive Mehrschicht-Sensorelement (114; 204a, b, c, d) als ein Spin-Valve-Sensorelement ausgebildet ist, wobei eine Magnetisierung einer magnetisch harten Schicht des Spin-Valve-Sensorelements und eine Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht des Spin-Valve-Sensorelements ohne angelegtes Magnetfeld und ohne mechanische Verformung des mechanisch verformbaren Bereichs parallel oder antiparallel zueinander sind.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem das magnetostriktive Mehrschicht-Sensorelement (114; 204a, b, c, d) als ein Spin-Valve-Sensorelement ausgebildet ist, wobei eine Magnetisierung der magnetisch harten Schicht und eine Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht des Spin-Valve-Sensorelements ohne angelegtes Magnetfeld und ohne mechanische Verformung des mechanisch verformbaren Bereichs einen Winkel aufweist, der zwischen 0° und 180° liegt.
Sensor gemäß Anspruch 14, bei dem das Spin-Valve-Sensorelement ausgebildet ist, so daß die Magnetisierung der magnetisch harten Schicht und die Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht ohne angelegtes Magnetfeld und ohne mechanische Verformung des mechanisch verformbaren Bereichs senkrecht zueinander sind.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem das magnetostriktive Mehrschicht-Sensorelement (114; 204a, b, c, d) als ein Spin-Valve-Sensorelement ausgebildet ist, das derart angeordnet ist, daß eine Magnetisierung der magnetisch harten Schicht parallel zu einer Dehnung des mechanisch verformbaren Bereichs an dem Ort des Spin-Valve-Sensorelements ist.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem das magnetostriktive Mehrschicht-Sensorelement (114; 204a, b, c, d) als ein Spin-Valve-Sensorelement ausgebildet ist, das derart angeordnet ist, daß eine Magnetisierung der magnetisch harten Schicht und eine Dehnungsrichtung des mechanisch verformbaren Bereichs an dem Ort des Spin-Valve-Sensorelements einen Winkel von ± 45° oder ± 135° aufweist.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem zusätzlich zu dem einen magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelement (114; 204a, b, c, d) ein weiteres magnetostriktives Mehrschicht-Sensorelement (114; 204a, b, c, d) angeordnet ist.
Sensor gemäß Anspruch 18, bei dem das eine magnetostriktive Mehrschicht-Sensorelement (114; 204a, b, c, d) und das weitere magnetostriktive Mehrschicht-Sensorelement (114; 204a, b, c, d) zu einer Halbbrücke verschaltet sind, wobei das weitere magnetostriktive Mehrschicht-Sensorelement (114; 204a, b, c, d) derart angeordnet ist, daß eine Dehnung des mechanisch verformbaren Bereichs an dem Ort des weiteren magnetorestriktiven Mehrschicht-Sensorelements (114; 204a, b, c, d) die Magnetisierungsrichtung der weichmagnetischen Schicht nicht beeinflußt.
Sensor gemäß Anspruch 18, bei dem das weitere magnetostriktive Spin-Valve-Sensorelement derart angeordnet ist, daß eine Magnetisierung der magnetisch harten Schicht senkrecht zu einer Dehnungsrichtung des mechanisch verformbaren Bereichs an dem Ort des weiteren magnetostriktiven Spin-Valve-Sensorelements ist.
Sensor gemäß Anspruch 18, bei dem das weitere magnetostriktive Spin-Valve-Sensorelement derart angeordnet ist, daß ein Winkel zwischen einer Magnetisierung der magnetisch harten Schicht und einer Dehnungsrichtung des mechanisch verformbaren Bereichs an dem Ort des weiteren magnetostriktiven Spin-Valve-Sensorelements einen Wert von ± 45° aufweist.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21, bei dem die Vorrichtung zum Erzeugen eines steuerbaren Magnetfelds mit einer Steuereinrichtung verbunden ist.
Sensor gemäß Anspruch 22, bei dem die Steuereinrichtung ausgebildet ist, um bei einem Unterschreiten oder Überschreiten eines vorbestimmten Werts einer Linearität oder einer Empfindlichkeit der Ausgangskennlinie des Sensorelements um einen vorbestimmten Betrag die Vorrichtung zum Erzeugen eines steuerbaren Magnetfelds zu steuern, so daß durch dieselbe ein Magnetfeld erzeugt wird, das sich von einem bisherigen Magnetfeld unterscheidet.
Sensor gemäß Anspruch 22, bei dem die Steuereinrichtung ausgebildet ist, um einen Widerstandswert des Sensorelements unabhängig von einer Verformung des mechanisch verformbaren Bereichs konstant zu halten.
Verfahren zum Erfassen einer Verformung eines auf einem Substrat angeordneten mechanisch verformbaren Bereichs mittels eines magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelements (114; 204a, b, c, d) mit folgenden Schritten: Einstellen eines Arbeitspunkts des magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelements (114; 204a, b, c, d) durch Anlegen eines Magnetfelds; und Erfassen eines Werts, der auf die mechanischen Verformung des me chanisch verformbaren Bereichs an dem Ort des magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelements (114; 204a, b, c, d) hinweist.
Verfahren gemäß Anspruch 25, bei dem der Schritt des Einstellens eines Arbeitspunkts in Abhängigkeit einer Linearität der Kennlinie des magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelements (114; 204a, b, c, d) erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 26, bei dem der Schritt des Einstellens eines Arbeitspunkts folgende Schritte umfaßt: Bestimmen einer Linearität der Kennlinie des magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelements (114; 204a, b, c, d) an einem eingestellten Arbeitspunkt; Vergleichen der Linearität der Kennlinie mit einem vorbestimmten Wert; Erzeugen eines neuen Magnetfelds, das sich von dem bisherigen Magnetfeld unterscheidet, wenn sich die Linearität der Kennlinie an dem bisherigen Arbeitspunkt von einem vorbestimmten Wert um einen vorbestimmten Betrag unterscheidet.
Verfahren gemäß Anspruch 27, bei dem der Schritt des Bestimmens einer Linearität mittels einer oder mehreren Referenzkennlinien des magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelements (114; 204a, b, c, d) erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 25, bei dem der Schritt des Einstellens eines Arbeitspunkts in Abhängigkeit einer Empfindlichkeit des Sensorelements erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 29, bei dem der Schritt des Einstellens eines Arbeitspunkts folgende Schritte umfaßt: Bestimmen einer Empfindlichkeit des magnetostriktiven Mehr schicht-Sensorelements (114; 204a, b, c, d) an einem eingestellten Arbeitspunkt; Vergleichen der Empfindlichkeit mit einem vorbestimmten Wert; und Erzeugen eines neuen Magnetfelds, das sich von dem bisherigen Magnetfeld unterscheidet, wenn sich die Empfindlichkeit an dem bisherigen Arbeitspunkt von einem vorbestimmten Wert um einen vorbestimmten Betrag unterscheidet.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 25 bis 30, bei dem das Magnetfeld in Abhängigkeit eines oder mehrerer Parameter eingestellt wird, die eine Drift des magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelements (114; 204a, b, c, d) verursachen.
Verfahren gemäß Anspruch 25, bei dem der Arbeitspunkt derart eingestellt wird, daß ein elektrischer Widerstand des magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelements (114; 204a, b, c, d) unabhängig von einer Verformung des mechanisch verformbaren Bereichs konstant gehalten wird.
Verfahren gemäß Anspruch 32, bei dem das magnetostriktive Mehrschicht-Sensorelement (114; 204a, b, c, d) als ein Spin-Valve-Sensorelement ausgebildet ist, wobei der elektrische Widerstand des Spin-Valve-Sensorelement durch ein Halten der Richtung der magnetisch weichen Schicht auf einem vorbestimmten Wert erreicht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 32 oder 33, bei dem der Schritt des Erfassens eines Werts einer mechanischen Verformung ein Erfassen eines Werts umfaßt, der auf einen Wert des erzeugten Magnetfelds hinweist.
Verfahren gemäß Anspruch 34, bei dem der erfaßte Wert ein Wert des elektrischen Stroms ist, der das Magnetfeld erzeugt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 25 bis 35, bei dem im Schritt des Einstellens eines Arbeitspunkts das Magnetfeld abhängig von einem Offset-Wert des Mehrschicht-Sensorelements (114; 209a, b, c, d) erzeugt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 25 bis 36, bei dem das Magnetfeld von einer auf dem Substrat integrierten Vorrichtung erzeugt wird.