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.