DE102006010652A1 - Magnetfeldsensor - Google Patents

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Abstract

Ein Magnetfeldsensor hat eine Mehrzahl parallel übereinander liegende Schichten zur Bildung - einer GMR-Spinventil-Schichtstruktur (SV) mit einer ersten magnetisch eingeprägten Schichtlage (PL1), die eine erste festliegende Magnetisierung aufweist, einer nichtmagnetischen metallischen Zwischenschicht (NM) und einer magnetischen Sensorschicht (FL1), die eine frei drehbare Magnetisierung aufweist, und - einer TMR-Tunnelstruktur (MTJ) mit einer zweiten magnetisch eingeprägten Schichtlage (PL2), die eine zweite festliegende Magnetisierung aufweist, einer Tunnelbarriereschicht (TB) und einer magnetischen Sensorschicht (FL), die eine frei drehbare Magnetisierung aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Magnetfeldsensor zur Messung der Orientierung eines äußeren Magnetfeldes.
  • Magnetoresistive Magnetsensoren beispielsweise auf Basis des magnetischen Tunnelwiderstandes TMR (Tunnelling Magneto Resistance) oder des Riesen-Magnetwiderstandes GMR (Giant Magneto Resistance) Effektes sind hinreichend bekannt und werden zahlreich in Industrie und Sensorik angewendet.
  • Ein TMR-Magnetfeldsensor besteht aus zwei Schichten ferromagnetischen Materials, die durch eine dünne Schicht eines nichtmagnetischen Isolators getrennt sind. Durch den nichtmagnetischen Isolator können Elektronen hindurchtunneln. Durch ein äußeres Magnetfeld wird die Richtung des Spins der magnetischen Lagen unabhängig voneinander beeinflusst. Wenn die magnetischen Schichten gleich ausgerichtet sind, ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron durch die Isolatorschicht hindurchtunnelt größer und damit der elektrische Widerstand kleiner, als bei nicht paralleler Ausrichtung.
  • Ein GMR-Magnetfeldsensor hat zwei Schichten ferromagnetischen Materials, die durch eine nichtmagnetische metallische Zwischenschicht getrennt sind. Bei einem solchen Schichtaufbau aus abwechselnd ferromagnetischen und nichtmagnetischen Schichten ist ein quantenmechanischer Effekt zu beobachten, der sich in einem signifikanten Anstieg des Widerstand der Struktur bemerkbar macht, wenn zwei ferromagnetische Ebenen Elektronen mit gegenläufigem Spin enthalten.
  • GMR- und TMR-Magnetfeldsensoren sind beispielsweise in M. J. Caruso, T. Bratland, C. H. Smith, R. Schneider "A New Perspective on Magnetic Field Sensing", Sensors Expo Procedings, Oktober 1998, 195-213 beschrieben.
  • TMR- und GMR-Magnetfeldsensoren bestehen immer aus einer freien magnetischen Schicht, deren Magnetisierung sich leicht durch ein äußeres, zu detektierendes Feld ausrichten lässt und einer zweiten magnetisch eingeprägten („gepinnten") magnetischen Schicht mit fest orientierter Magnetisierung. Zwischen den beiden ferromagnetischen Schichten befindet sich bei einem GMR-Magnetfeldsensor, der auch Spinventil genannt wird, eine dünne nichtmagnetische Metallschicht und bei einem TMR-Magnetfeldsensor eine Tunnelbarriere. Das Einprägen bzw. "Pinning" der festliegenden Magnetisierung erfolgt üblicherweise durch Austauschkopplung an eine angrenzende antiferromagnetische Schicht.
  • Ab einer Schwellenfeldstärke ist die Magnetisierung der freien magnetischen Sensorschicht entlang des äußeren Magnetfeldes H ausgerichtet. Bei einer Drehung des äußeren Magnetfeldes H verändert sich somit die Orientierung der freidrehbaren Magnetisierung der magnetischen Sensorschicht relativ zu festliegenden Orientierung der magnetisch eingeprägten Schicht. Die relative Änderung der Orientierung der freidrehbaren Magnetisierung der Sensorschicht und der festliegenden Magnetisierung der eingeprägten Schicht bewirkt eine Änderung des Magnetowiderstandes der Sensorzelle. Diese Magnetowiderstandsänderung kann über elektrische Kontakte und eine einfache Widerstandsmessung ausgelesen werden.
  • Bei einem GMR-Magnetfeldsensor wird üblicherweise der so genannte Current-In-Plane (CIP) Widerstand parallel zu den Schichten gemessen. Dabei werden zwei lateral getrennte Anschlusskontakte z. B. von oben auf die Spinventil-Schichtstruktur aufgebracht, die die Messung des Widerstandes erlauben.
  • Bei einem TMR-Magnetfeldsensor mit TMR-Tunnelstruktur wird üblicherweise der Current-perpendicular-to-plane (CPP) Widerstand senkrecht zu den Schichten der Tunnelstruktur gemessen. Dafür wird die geschichtete Tunnelstruktur mit einem oberen und einem unteren Anschlusskontakt versehen.
  • Derartige magnetische Multilagen-Magnetfeldsensoren werden üblicherweise durch Sputtern auf einem Trägersubstrat hergestellt.
  • Die relative Änderung des Magnetowiderstandes eines solchen herkömmlichen GMR- oder TMR-Magnetfeldsensors bei Umkehr der Magnetisierungsrichtung der magnetischen Sensorschicht mit frei drehbarer Magnetisierung kann bis zu 200 oder mehr betragen und ermöglicht dadurch eine empfindliche Messung externer Magnetfelder.
  • Die relative Änderung des Magnetowiderstandsignals hängt stark von der relativen Orientierung der freidrehbaren Magnetisierung der magnetischen Sensorschicht und der festliegenden Magnetisierung der magnetisch eingeprägten Schichtlage ab.
  • In B. Dieny, V.S. Sperious, S.S.P. Parkin, B.A. Gurney, D.R. Wilhoit und D. Mauri, "Giant magnetoresistance in soft feromagnetic multilayers", Phys. Rev. B 43, 1297-1300 (1991) und in H. Jaffrès D. Lacour, F. Nguyen Van Dau, J. Briatico, F. Petroff und A. Vaurés, "Angular dependence of the tunnel magnetoresistance in transition-metal-based junctions", Phys. Rev. B 64, 064427 (2001) ist beschrieben, dass sowohl der GMR-Magentfeldsensor, als auch der TMR-Magnetfeldsensor eine Kosinus-Winkelabhängigkeit zwischen der relativen Orientierung der frei drehbaren Magnetisierung und der Festlegung der Magnetisierung zeigen. Eine empfindliche Detektion des äußeren Magnetfeldes durch einen einzelnen Magnetfeldsensor ist also nur für einen begrenzten Winkelbereich bei fast senkrechter Orientierung der frei drehbaren Magnetisierung und festliegender Magnetisierung möglich. Liegen die frei drehbare und festliegende Magnetisierung und damit das externe Feld parallel zueinander, ist die relative Signaländerung bei Winkeländerungen sehr klein. Um eine volle Vektordetektion in einem Raumbereich von 360° der Feldrichtung durchführen zu können, müssen also immer zwei senkrecht zueinander orientierte, unabhängige Magnetfeldsensoren gleichzeitig betrieben werden. Für viele Anwendungen in der Mikrosensorik wird dadurch der Magnetfeldsensor zu groß.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen verbesserten Magnetfeldsensor zu schaffen, der in Form einer kompakten Schichtstruktur eine Vektordetektion eines äußeren Magnetfeldes in einem Winkelbereich von 360° ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird mit dem Magnetfeldsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Der Magnetfeldsensor besteht aus einer Mehrzahl parallel übereinander liegender Schichten zur Bildung
    • – einer GMR-Spinventil-Schichtstruktur mit einer ersten magnetisch eingeprägten Schichtlage, die eine erste festliegende Magnetisierung aufweist, einer nichtmagnetischen metallischen Zwischenschicht und einer magnetischen Zwischensicht, die eine freidrehbare Magnetisierung aufweist, und
    • – einer TMR-Tunnelstruktur mit einer zweiten magnetisch eingeprägten Schichtlage, die eine zweite festliegende Magnetisierung aufweist, einer Tunnelbarriereschicht, und einer magnetischen Sensorschicht, die eine freidrehbare Magnetisierung aufweist.
  • Durch die Kombination eines GMR-Magnetfeldsensors und eines TMR-Magnetfeldsensors in eine einzige Schichtstruktur ist ein kompakter Aufbau des Magnetfeldsensors möglich, mit dem eine Messung in einem Winkelbereich von 360° erfolgen kann, da sich die GMR- und TMR-Signale ergänzen.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die erste festliegenden Magnetisierung der ersten magnetischen Schichtlage in einem Winkel in Bereich von 60° bis 120° zur Orientierung der festliegenden Magnetisierung der zweiten magnetisch eingeprägten Schichtlage steht. Somit sind die Orientierungen der festliegenden Magnetisierungen der ersten magnetisch eingeprägten Schichtlage und zweiten magnetisch eingeprägten Schichtlage annährend senkrecht zu einander orientiert, dass heißt unter Berücksichtigung der üblichen Toleranzen in einem Winkelbereich von 60° bis 120°, bevorzugt in einem Winkelbereich von etwa 90° (+/- einer üblichen Toleranz).
  • Durch die senkrechte Orientierung der festliegenden Magnetisierungen der ersten und zweiten magnetischen eingeprägten Schichtlage wird erreicht, dass die Kosinus-Abhängigkeit der von der GMR-Spinventil-Schichtstruktur und von der TMR-Tunnelstruktur hervorgerufenen Sensorsignale um 90° phasenverschoben zueinander sind. Eine parallele Messung des Signals der GMR-Spinventil-Schichtstruktur und der TMR-Tunnelstruktur erlaubt damit eine genaue Detektion der Orientierung der frei drehbaren Magnetisierung der magnetischen Sensorschicht über den vollen ebenen Winkelbereich von 360°, da immer mindestens eine der Spinventil-Schichtstruktur oder Tunnelstruktur empfindlich genug ist.
  • Die magnetische Sensorschicht sollte im Bereich zwischen der ersten und zweiten magnetisch eingeprägten Schichtlage und in einem Bereich zwischen der nichtmagnetischen metallischen Zwischenschicht und der Tunnelbarrierenschicht angeordnet sein.
  • Die Orientierung der ersten und zweiten festliegenden Magnetisierung der ersten und zweiten eingeprägten Schichtlage ist vorzugsweise parallel zur an eine benachbarte Schicht angrenzenden Oberfläche der Schichtlage ausgerichtet. Die erste und zweite festliegende Magnetisierung der ersten und zweiten magnetischen eingeprägten Schichtlage ist damit in der Ebene der Lagen des Magnetfeldsensors annähernd senkrecht zueinander orientiert. Zur Auswertung der Sensorsignale sind vorzugsweise Anschlusskontakte an der GMR-Spinventil-Schichtstruktur und der TMR-Tunnelstruktur zur Erfassung des elektrischen Widerstandes parallel zu den Schichten (CIP) und des elektrischen Widerstandes senkrecht zu den Schichten (CPP) vorgesehen. Damit ist eine getrennte Messung des CIP- und CPP-Widerstandes parallel zueinander möglich. Die CIP-Messung erlaubt beispielsweise die Messung des Signals der GMR-Spinventil-Schichtstruktur, während die CPP-Widerstandsmessung im Wesentlichen den Widerstand der TMR-Tunnelstruktur wiedergibt, da der Widerstand der restlichen Multischicht einschließlich der GMR-Spinventil-Schichtstruktur diesbezüglich vernachlässigbar gering ist.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn mindestens eine antiferromagnetische Schichtlage angrenzend an die erste magnetisch eingeprägte Schichtlage und/oder angrenzend an die zweite magnetisch eingeprägte Schichtlage vorgesehen ist. Durch eine solche antiferromagnetische Schichtlage, auf die Anschlusskontakte aufgesetzt werden können, wird eine Austauschkopplung ermöglicht, um die Orientierung der Magnetisierung der ersten und zweiten magnetisch eingeprägten Schichtlage senkrecht auszurichten.
  • Selbstverständlich können zur weiteren Optimierung der magnetoresistiven und magnetischen Eigenschaften der Multischicht zur Felddetektion in an sich bekannter Weise weitere magnetische und nichtmagnetische Schichten in die magnetische Multischicht eingebaut werden.
  • Vorteilhaft ist es hier beispielsweise, eine erste magnetische Sensorschicht für die GMR-Spinventil-Schichtstruktur und eine zweite magnetische Sensorschicht für die TMR-Tunnelstruktur vorzusehen, wobei angrenzend an die erste und zweite Sensorschicht eine antiferromagnetisch koppelnde Kopplungsschicht angeordnet ist. Auf diese Weise wird die magnetische Sensorschicht mit freidrehbarer Magnetisierung als synthetische antiferromagnetische (SyAF) frei drehbare Sensorschicht ausgelegt, die aus zwei an einer antiferromagnetisch koppelnden Kopplungsschicht getrennte ferromagnetische Schichten besteht. Eine solche SyAF-Sensorschicht führt zu einer Reduzierung des magnetischen Streufeldes und einer Erhöhung der Sensorfähigkeit.
  • Alternativ hierzu kann für die GMR-Spinventil-Schichtstruktur und die TMR-Tunnelstruktur auch eine einzige gemeinsame magnetische Sensorschicht mit frei drehbarer Magnetisierung vorgesehen sein, die dann die Grenzlage zwischen GMR-Spinventil-Schichtstruktur und TMR-Tunnelstruktur bildet.
  • Auch die magnetisch eingeprägten Schichtlagen können ganz oder teilweise als synthetische Antiferromagneten ausgelegt werden, um das magnetische Streufeld zu kompensieren und so die Sensorempfindlichkeit auf äußere Felder zu erhöhen. Hierzu können die erste und/oder zweite magnetisch eingeprägte Schichtlage mindestens eine antiferromagnetisch koppelnde Kopplungsschicht haben.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 – Skizze einer herkömmlichen GMR-Spinventil-Schichtstruktur in Querschnittsansicht;
  • 2 – Skizze einer herkömmlichen TMR-Tunnelstruktur in Querschnittsansicht;
  • 3a) und 3b) – Skizze der Kosinus-Abhängigkeit der Magnetowiderstandssignale der herkömmlichen GMR- und TMR-Magnetfeldsensoren von dem Winkel der Orientierung der frei drehbaren Magnetisierung der magnetischen Sensorschicht und der festliegenden Magnetisierung der magnetisch eingeprägten Schichtlage;
  • 4 – Skizze einer ersten Ausführungsform des Magnetfeldsensors mit kombinierten GMR-Spinventil-Schichtstruktur und TMR-Tunnelstruktur und senkrechter Orientierung der festliegenden Magnetisierungen der magnetisch eingeprägten Schichtlagen in der Ebene;
  • 5 – Skizze des Magnetfeldsensors aus 4 mit Darstellung der Ermittlung des CIP-Widerstandes und CPP-Widerstandes;
  • 6 – Skizze einer zweiten Ausführungsform des Magnetfeldsensors in Querschnittsansicht mit kombinierter GMR-Spinventil-Schichtstruktur und TMR-Tunnelstruktur und senkrechter Orientierung der festliegenden Magnetisierungen der magnetisch eingeprägten Schichtlagen in der Ebene zueinander.
  • Die 1 lässt eine Prinzipskizze eines GMR-Magnetfeldsensors im Querschnitt erkennen. Dieser besteht aus einer Mehrlagenstruktur mit einer magnetischen Sensorschicht FL, die eine frei drehbare Magnetisierung aufweist, einer magnetisch eingeprägten Schichtlage PL mit fest (unveränderbar) orientierter Magnetisierung und einer dünnen nicht magnetischen Metallschicht MN. Die frei drehbare Magnetisierung der Sensorschicht FL lässt sich durch ein äußeres, zu detektierendes Magnetfeld H leicht ausrichten. Die drei Lagen aus Sensorschicht FL, nichtmagnetischer metallischer Zwischenschicht MN und magnetisch eingeprägter Schichtlage PL wird auch Spinventil SV genannt.
  • Das Einprägen bzw. "Pinning" der festliegenden Magnetisierung der magnetisch eingeprägten Schichtlage PL erfolgt üblicherweise durch Austauschkopplung an einer angrenzenden antiferromagnetischen Schicht AF.
  • Die Lagen der GMR-Spinventil-Schichtstruktur werden üblicherweise durch Sputtern auf einem Trägersubstrat S hergestellt. Mit Hilfe von zwei lateral getrennten Kontakten TC1 und TC2, die z. B. von oben angrenzend an die magnetische Sensorschicht FL angebracht sind, wird bei der GMR-Magnetfeldsensor üblicherweise der so genannte Current-In-Plane (CIP) Widerstand gemessen, d. h. der Widerstand parallel zu den Schichten.
  • Die 2 lässt eine Prinzipskizze eines TMR-Magnetfeldsensors in Querschnittsansicht erkennen. Der Aufbau ist ähnlich zu dem GMR-Magnetfeldsensor aus 1. Anstelle der dünnen nichtmagnetischen Metallschicht NM ist jedoch eine Tunnelbarriereschicht TB zwischen der magnetisch eingeprägten Schichtlage PL und der magnetischen Sensorschicht FL vorgesehen.
  • Bei einem TMR-Magnetfeldsensor wird üblicherweise der Current-perpendicular-to-plane (CPP) Widerstand senkrecht zu den Schichten der TMR-Tunnelstruktur gemessen. Hierfür ist ein oberer Kontakt TC angrenzend an die magnetische Sensorschicht FL und ein unterer Kontakt BC angrenzend an die antiferromagnetische Schicht AF vorgesehen.
  • Das Prinzip der GMR- und TMR-Magnetfeldsensoren wird weiter mit Hilfe der Diagramme in 3a) und b) erläutert. Ab einer Schwellenfeldstärke HMin ist die frei ausrichtbare Magnetisierung der magnetischen Sensorschicht FL immer entlang des äußeren Magnetfeldes H ausgerichtet. Bei einer Drehung des äußeren Magnetfeldes H verändert sich somit die Orientierung der frei veränderbaren Magnetisierung MF der magnetischen Sensorschicht FL relativ zur Orientierung der festliegenden Magnetisierung MP der magnetisch eingeprägten Schichtlage PL. Die relative Änderung der Orientierung der frei drehbaren Magnetisierung MF und festliegenden Magnetisierung MP bewirkt eine Änderung ΔR des Magnetowiderstandes der Sensorzelle. Diese Magnetowiderstandsänderung wird über die elektrischen Kontakte TC1 und TC2 sowie TC, BC mit einer einfachen Widerstandsmessung ausgelesen. Die relativen Änderungen des Magnetowiderstandsignals ΔR haben jeweils eine Kosinus-Abhängigkeit vom Winkel der Orientierung der frei drehbaren Magnetisierung MF und der festliegenden Magnetisierung MP. Bei einem relativen Winkel Φ0 von ungefähr 90° ist eine empfindliche Detektion der Orientierung des äußeren Magnetfeldes H1 durch einen GMR- oder TMR-Magnetfeldsensor möglich. Liegen jedoch, wie in der 3b) skizziert ist, die Orientierung der frei drehbaren Magnetisierung MF und die Orientierung der festliegenden Magnetisierung MP und damit auch das externe Magnetfeld H2 parallel, dass heißt ist der relative Winkel Φ wesentlich kleiner als 90°, dann ist die relative Signaländerung bei Winkeländerungen sehr klein.
  • Die 4 lässt eine Prinzipskizze einer ersten Ausführungsform eines ersten Magnetfeldsensors in Querschnittsansicht erkennen. Hierbei ist eine GMR-Spinventil-Schichtstruktur SV mit einer TMR-Tunnelstruktur MTJ kombiniert. Die GMR-Spinventil-Schichtstruktur SV ist vergleichbar zu dem GMR-Magnetfeldsensor aus 1 aufgebaut und hat eine erste magnetisch eingeprägte Schichtlage PL1 mit erster festliegender Magnetisierung, eine nichtmagnetische metallische Zwischenschicht NM und eine daran angrenzende magnetische Sensorschicht FL. Die Orientierung der festliegenden Magnetisierung erfolgt in der Ebene der Schichtlage PL1.
  • Weiterhin ist eine TMR-Tunnelstruktur MTJ auf in der 2 skizzierten Weise durch die magnetische Sensorschicht FL, eine Tunnelbarriereschicht TB und eine zweite magnetisch eingeprägte Schichtlage PL2 mit zweiter festliegender Magnetisierung gebildet. Die Orientierung der zweiten festliegenden Magnetisierung der zweiten magnetisch eingeprägten Schichtlage PL2 erfolgt ebenfalls in der Ebene der zweiten magnetischen eingeprägten Schichtlage PL2.
  • Die Orientierung der Magnetisierungen der ersten und zweiten magnetisch eingeprägten Schichtlagen PL1 und PL2 sind in der Ebene senkrecht zueinander ausgerichtet. Die senkrechte Ausrichtung der Magnetisierungen der ersten und zweiten magnetisch eingeprägten Schichtlagen PL1 und PL2 erfolgt durch Austauschkopplung an zwei angrenzende antiferromagnetische Schichten AF1 und AF2. Die unterschiedliche Orientierung der beiden antiferromagnetischen Schichten AF1, AF2 kann z. B. während des Wachstums der antiferromagnetischen Schichten AF1 und AF2 durch Anlegen eines externen Magnetfeldes in unterschiedlicher Richtung erfolgen.
  • Die Ausrichtung der Orientierung der Magnetisierungen ist durch die Pfeilspitzen, Pfeilenden und Pfeile gekennzeichnet. Der gestrichelte Pfeil der gemeinsamen Sensorschicht FL weist daraufhin, dass die Orientierung der Magnetisierung frei veränderbar ist.
  • Zur Messung der Sensorsignale sind zwei lateral getrennte Anschlusskontakte TC1 und TC2 angrenzend an die erste antiferromagnetische Schichtlage AF1 angeordnet, um den CIP-Widerstand zu messen. Über einen der beiden oberen Anschlusskontakte TC1 und TC2 und einen unteren Anschlusskontakt BC1 anschließend an die zweite antiferromagnetische Schichtlage AF2 kann der CPP-Widerstand gemessen werden. Der CIP-Widerstand und CPP-Widerstand entlang der beiden Strompfade werden dann von zwei unterschiedlichen Effekten dominiert, nämlich einerseits durch den GMR-Effekt für den CIP-Widerstand und den TMR-Effekt für den CPP-Widerstand.
  • Die 5 lässt eine Skizze des Magnetfeldsensors aus 4 in perspektivischer Ansicht mit Strompfaden durch die Multischichtstruktur des Magnetfeldsensors zur Bestimmung des CIP-Widerstands RCIP und CPP-Widerstands RCPP erkennen.
  • Der Widerstand der Multischichtstruktur im CPP-Strompfad, der von dem unteren Anschlusskontakt BC1 durch die Mehrlagenstruktur einschließlich der GMR-Spinnventil-Schichtstruktur SV und TMR-Tunnelstruktur MTJ zum ersten Anschlusskontakt TC1 führt, wird im Wesentlichen durch den Widerstand der Tunnelbarriere TB der TMR-Tunnelstruktur MTJ beeinflusst. Dieser Widerstand hat eine Größenordnung im Kilo-Ohm-Bereich. Der Widerstand der restlichen sehr dünnen metallischen Multischicht liegt im Milli-Ohm-Bereich und kann demgegenüber vernachlässigt werden. Durch den CPP-Strompfad fließt zur Messung des CPP-Widerstands RCPP der Strom ICPP bei Anlegen einer konstanten Spannung UCPP, so dass aus der Spannung UCPP und dem Strom ICPP der CPP-Widerstand RCPP berechnet werden kann (RCPP = UCPP/ICPP).
  • Der Widerstand im CIP-Strompfad, der von dem zweiten Anschlusskontakt TC2 durch die GMR-Spinventil-Schichtstruktur SV zum ersten Anschlusskontakt TC1 führt und durch den ein Strom ICIP bei Anlegen einer Messspannung UCIP fließt, ist im Wesentlichen durch die GMR-Spinventil-Schichtstruktur SV bestimmt. Der hohe Widerstand der Tunnelbarriere TB ist dabei durch den niedrigen In-Plane-Zellwiderstand in der Größenordnung von einigen Ohm vollständig kurz geschlossen, so dass der Strom ICIP nur durch die obere GMR-Spinventil-Schichtstruktur SV fließt. Die CIP-Messung erlaubt damit die Messung des GMR-Sensorsignals des oberen GMR-Spinventil-Sensors.
  • Beide Sensorsignale RCIP bzw. ΔRCIP und RCPP bzw. ΔRCPP haben eine Kosinus-Abhängigkeit vom Winkel der Orientierung der frei drehbaren Magnetisierung der magnetischen Sensorschicht FL relativ zur Orientierung der festliegenden Magnetisierung der ersten bzw. zweiten magnetisch eingeprägten Schichtlage PL1, PL2. Da die Orientierung der Magnetisierung der ersten und zweiten Schichtlage PL1, PL2 senkrecht zueinander angeordnet ist, ist die Kosinus-Abhängigkeit der beiden Sen sorsignale RCIP und RCPP um 90° zueinander phasenverschoben. Die parallele Messung des CIP- und CPP-Signals ermöglicht damit eine genaue Detektion der Orientierung der frei drehbaren Magnetisierung der magnetischen Sensorschicht FL über den vollen ebenen Winkelbereich von 360°. Auf diese Weise ist eine Vektordetektion des externen Magnetfeldes H über den vollen Winkelbereich mit hoher Präzision durch eine einzelne, kompakte Sensorzelle möglich.
  • Die in den 4 und 5 dargestellte Schichtlage des Magnetfeldsensors kann optional auch umgekehrt werden. Dabei müssen jedoch an der unten liegenden Seite der GMR-Spinventil-Schichtstruktur SV der magnetischen Multischicht zwei lateral getrennte Anschlusskontakte TC1, TC2 vorliegen um so die getrennte Messung des CIP- und CPP-Widerstandes zu ermöglichen.
  • Die 6 zeigt eine zweite Ausführungsform des Magnetfeldsensors, die sich von der ersten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass die gemeinsame magnetische Sensorschicht FL der ersten Ausführungsform in eine erste magnetische Sensorschicht FM1 für die GMR-Spinventil-Schichtstruktur SV und eine zweite magnetische Sensorschicht FM2 für die TMR-Tunnelstruktur MTJ aufgeteilt ist. Zwischen der ersten und zweiten magnetischen Sensorschicht FM1, FM2 ist eine antiferromagnetische koppelnde Kopplungsschicht CL angeordnet, so dass eine synthetische antiferromagnetische Sensorschicht SyAF mit frei drehbarer Magnetisierung der beiden ferromagnetischen Schichten FM1, FM2 gebildet wird. Durch eine solche SyAF-Sensorschicht wird das magnetische Streufeld des Sensors reduziert und so die Sensorempfindlichkeiten erhöht.

Claims (12)

  1. Magnetfeldsensor, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl parallel übereinander liegender Schichten zur Bildung – einer GMR-Spinventil-Schichtstruktur (SV) mit einer ersten magnetisch eingeprägten Schichtlage (PL1), die eine erste festliegende Magnetisierung aufweist, einer nichtmagnetischen metallischen Zwischenschicht (NM) und einer magnetischen Sensorschicht (FL), die eine freidrehbare Magnetisierung aufweist, und – einer TMR-Tunnelstruktur (MTJ) mit einer zweiten magnetisch eingeprägten Schichtlage (PL2), die eine zweite festliegende Magnetisierung aufweist, einer Tunnelbarrierenschicht (TB), und einer magnetischen Sensorschicht (FL), die eine frei drehbare Magnetisierung aufweist.
  2. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierung der ersten festliegenden Magnetisierung der ersten magnetisch eingeprägten Schichtlage (PL1) in einem Winkel im Bereich von 60° bis 120° zur Orientierung der zweiten festliegenden Magnetisierung der zweiten magnetisch eingeprägten Schichtlage (PL2) steht.
  3. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine magnetische Sensorschicht (FL) in einem Bereich zwischen der ersten und zweiten magnetisch eingeprägten Schichtlage (PL1, PL2) und in einem Bereich zwischen der nichtmagnetischen metallischen Zwischenschicht und der Tunnelbarrierenschicht (TB) angeordnet ist.
  4. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierungen der ersten und zweiten festliegenden Magnetisierung der ersten und zweiten magnetisch eingeprägten Schichtlage (PL1, PL2) parallel zur an eine benachbarte Schichtgrenze angrenzenden Oberfläche der jeweiligen Schichtlage (PL1, PL2) ausgerichtet sind.
  5. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierung der ersten festliegenden Magnetisierung der ersten magnetisch eingeprägten Schichtlage (PL1) in einem Winkel von 90° zur Orientierung der zweiten festliegenden Magnetisierung der zweiten magnetisch eingeprägten Schichtlage (PL2) steht.
  6. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch Anschlusskontakte an der GMR-Spinventil-Schichtstruktur (SV) und der TMR-Tunnelstruktur (MTJ) zur Erfassung des elektrischen Widerstandes (RCIP) parallel zu den Schichten und des elektrischen Widerstandes (RCPP) senkrecht zu den Schichten.
  7. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch mindestens eine antiferromagnetische Schichtlage (AF1, AF2) angrenzend an die erste eingeprägte Schichtlage (PL1) und/oder angrenzend an die zweite magnetisch eingeprägte Schichtlage (PL2).
  8. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtmagnetische metallische Zwischenschicht (NM) unmittelbar angrenzend an die erste magnetisch eingeprägte Schichtlage (PL1) angeordnet ist.
  9. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunnelbarriereschicht (TB) unmittelbar angrenzend an die zweite magnetisch eingeprägte Schichtlage (PL2) angeordnet ist.
  10. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine gemeinsame magnetische Sensorschicht (FL) für die GMR-Spinventil-Schichtstruktur (SV) und TMR-Tunnelstruktur (MTJ) vorgesehen ist.
  11. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste magnetische Sensorschicht (FL1) für die GMR-Spinventil-Schichtstruktur (SV) und eine zweite magnetische Sensorschicht (FL2) für die TMR-Tunnelstruktur (MTJ) vorgesehen ist und angrenzend an die erste und zweite magnetische Sensorschicht (FL1, FL2) eine antiferromagnetisch koppelnde Kopplungsschicht (CL) angeordnet ist.
  12. Magnetfeldsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite magnetisch eingeprägte Schichtlage (PL1, PL2) mindestens eine antiferromagnetische koppelnde Kopplungsschicht hat.
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