DE102006028698B3

DE102006028698B3 - OMR-Sensor und Anordnung aus solchen Sensoren

Info

Publication number: DE102006028698B3
Application number: DE200610028698
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr. Rührig
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-06-22
Filing date: 2006-06-22
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2026-06-23
Also published as: WO2007147760A3; WO2007147760A2

Abstract

Aus Schichtsystemen mit wenigstens einer Polymerschicht gebildete Magnetsensoren sind bekannt. Bei einem solchen Schichtsystem ändert sich der elektrische Widerstand in Abhängigkeit vom Magnetfeld. Dabei sind im Allgemeinen nicht lineare Kennlinien vorhanden, die glockenförmig verlaufen können. Gemäß der Erfindung ist auf oder unter der wenigstens einen Polymerschicht ein zusätzliches magnetisches Schichtsystem angeordnet, das aufgrund seines Streufeldes eine magnetische Vorspannung der Kennlinie des Polymer-Magnetsensors bewirkt. Mit einer Anordnung aus mehereren derartigen Magnetsensoren kann eine Brückenschaltung zum Einsatz für eine praktische Messung gebildet werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen OMR-Sensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf eine Anordnung aus mehreren derartigen Sensoren.
Magnet(MR)-Sensoren sind in zeitgemäßer Technologie aus Schichtsystemen mit metallischen und nichtmetallischen Schichten aufgebaut. In der Veröffentlichung 'Journal of Physics 6 (2004) 185' wird ein Schichtsystem vorgeschlagen, das aus Polymeren – wie es analog auch für OLED-Anwendungen bekannt ist – besteht. Ein solches Schichtsystem ändert seinen elektrischen Widerstand in Abhängigkeit vom angelegten Magnetfeld. Diesbezügliche Sensoren werden als OMR-(Organic Magneto Resonance)-Sensoren bezeichnet.
In verschiedenen Veröffentlichungen wird über Widerstandsänderungen von mehr als 10 % berichtet, womit man in den Bereich von so genannten GMR-Spin-Valves kommt bzw. diesen sogar noch überschreitet. Weiterhin ist ein ähnlicher Signalverlauf bekannt (Baibich et al. in 'Physical Review Letters 61 (1988), 2472'), wie er auch von GMR-Multilayer-Schichtsystemen bekannt ist. Ein solcher Signalverlauf verläuft insbesondere glockenförmig, worauf weiter unten noch im Einzelnen eingegangen wird.
Letzteres bedeutet für die Praxis, dass die Empfindlichkeit letzterer Magnetsensoren bei kleinen magnetischen Feldern (d.h. nahe dem Null-Feld) vergleichsweise gering ist.
Aus der US 6 703 132 B1 ist ein magnetoresistives Sensorelement und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Elementes bekannt, bei dem das Element aus wenigstens einer Kunststoffschicht besteht und somit ein OMR-Sensor gebildet wird. In der US 2002/0154455 A1 wird dagegen eine Anordnung be schrieben, welche einen GMR(Giant Magneto Resistance)-Sensor enthält, der im Wesentlichen aus metallischen Schichten aufgebaut ist. Hier wird unter anderem das Hystereseverhalten eines solchen Sensors beschrieben.
Ausgehend von letzterem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen OMR-Sensor oben genannter Art zu schaffen, der eine maximale Messempfindlichkeit aufweist.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch einen OMR-Sensor gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Eine Anordnung aus mehreren derartigen Sensoren ist Gegenstand des Patentanspruches 10. Weiterbildungen des erfindungsgemäßen OMR-Sensors bzw. der zugehörigen Anordnung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, auf oder unter die Polymerschicht des OMR-Sensors ein zusätzliches magnetisches Schichtsystem aufzubringen. Dieses Schichtsystem, das ein so genanntes Biasfeld erzeugt, bewirkt aufgrund seines Streufeldes eine magnetische Vorspannung der Kennlinie des Polymer-Magnetsensoreffektes. Es kann somit erreicht werden, dass das Sensor-Signal linearisiert wird und dass damit der Sensor auf eine maximale Empfindlichkeit ausgelegt wird.
Vorteilhafterweise kann das zusätzliche magnetische Schichtsystem segmentiert sein. Daneben ist es möglich, dass die magnetischen Schichten durch zusätzliche Schichten magnetisch vorgespannt sind. Dies kann durch natürliche Antiferromagneten erreicht werden, die durch direkte Austauschkopplung an die magnetischen Schichten angekoppelt sind.
Im Rahmen der Erfindung kann die magnetische Vorspannung in unterschiedlichen Bereichen in unterschiedliche Richtung zeigen. Dies ist beispielsweise durch Abscheidung im Magnetfeld oder durch nachträgliche lokale Aufmagnetisiserung realisierbar. Möglich ist auch ein Aufdrucken von Magnetschichten.
Die erfindungsgemäßen Sensoren lassen sich einfach herstellen. Sie können flexibel sein und damit neue Anwendungsgebiete erschließen. Dabei können insbesondere die gedruckten Schichten Strukturen aus dauermagnetischen Partikeln darstellen, die durch bekannte Drucktechnologien aufgebracht werden und anschließend in entsprechend günstiger Weise aufmagnetisiert werden. Diese magnetischen Strukturen können gleichermaßen Elektroden für die Sensorstrukturen bilden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen
1 ein Diagramm mit der Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes R vom angelegten Magnetfeld H bei einem aus organischen Materialien aufgebauten Magnetfeldsensor (sog. OMR-Sensor),
2 einen schematisch dargestellten OMR-Sensor auf der Basis von Polymerschichten mit einer darauf liegenden Bias-Schicht,
3 schematisch eine OMR-Sensorbrücke mit darauf befindlichen Bias-Schichten und unterschiedlicher Magnetisierung und
4 eine OMR-Sensorbrücke gemäß 3 mit weiteren Bias-Schichten.
Im Diagramm der 1 ist auf der Ordinate der elektrische Widerstand R eines bekannten Magnetsensors (OMR-Sensor) und ist auf der Abszisse das angelegte Feld H aufgetragen. Es ergibt sich in bekannter Weise als funktionale Abhängigkeit R = f(H) eine Glockenkurve, deren Graph mit 11 bezeichnet ist. Bei einem Feld H = 0 ist der Wert des elektrischen Widerstandes R maximal, wobei im Bereich des Maximums die Steigung der Kurve Null ist d.h. die Empfindlichkeit dR/dH ist ebenfalls Null. Ähnlich gering ist die Empfindlichkeit bei sehr großen Feldern bei absolut geringen Werten des elektrischen Widerstandes. Der Graph 11 definiert somit eine Kennlinie für die Messempfindlichkeit des Magnetsensors.
Im Punkt der maximalen Steigung der Kennlinie 11 ist demzufolge die Messempfindlichkeit des Magnetsensors maximal. Durch Anlegen eines Bias-Feldes mit Wert H_Bias bei an diesem Punkt zugehörigem Magnetfeldbereich lässt sich die Kennlinie 11 linearisieren.
In 2 ist der neue Magnetsensor insgesamt mit 20 bezeichnet. Der Aufbau des Magnetsensors 20 beinhaltet einen an anderer Stelle im Einzelnen vorbeschriebenen OMR-Sensor 21 mit einem Polymerschichtaufbau, wobei in 2 (und den weiteren Figuren) das Schichtsystem nicht im Einzelnen dargestellt ist. Hierzu wird insbesondere auf eine nicht vorveröf fentlichte ältere deutsche Patentanmeldung der Anmelderin (AZ 10 2006 019 482.9 mit der Bezeichnung 'Anordnung mit magnetoresistivem Effekt sowie Verwendung davon') verwiesen.
In 2 ist auf dem Polymerschichtaufbau 21 ein zusätzliches magnetisches Schichtsystem 22 aufgebracht, das die zur Linearisierung der Kennlinie 11 notwendige Bias-Magnetisierung bewirkt. Das Schichtsystem 22 ist segmentiert, wobei in der 2 die Teilschichten 22', 22'' und 22''' erkennbar sind. Dargestellt sind jeweils mit einzelnen Pfeilen die Richtungen der einzelnen Bias-Magnetisierungen.
Das segmentierte Magnetsystem 22 lässt sich beispielsweise durch Photolithographie oder aber auch durch mechanische Deformation erzeugen. Wesentlich ist dabei, dass die Teilschichten der einzelnen Segmente 22', 22'', 22''' genau geometrisch definiert sind. Da die Teilschichten aus magnetischem und insbesondere leitfähigem Material bestehen, können einzelne Teilschichten als Elektroden für den Magnetsensor verwendet werden.
Bildet man die Bias-Magnetschicht 22 gemäß 2 mit Segmenten 22', 22'', 22''' aus, erhöht sich gegenüber einer zusammenhängenden Magnetschicht deutlich das Streufeld. Durch die Größe (Länge) der Segmente 22', 22'' und 22''' lässt sich das wirksame Streufeld vorgeben.
OMR-Sensoren mit derartig magnetisierten Segmenten lassen sich einzeln oder in Kombination zu Wheatson'schen Brücken verschalten. In 3 besteht eine solche OMR-Sensorbrücke 30 aus vier einzelnen OMR-Sensoren 31, 33, 35, 37 mit jeweils unterschiedlicher Richtung des Magnetfeldes. Auf den einzelnen Magnetsensoren 31, 33, 35 und 37 sind jeweils einzelne Bias-Schichten 32, 34, 36 und 38 aufgebracht, die wiederum wie in 2 segmentiert sein können.
Wesentlich ist für die OMR-Sensorbrücke gemäß 3, dass die Magnetisierungsrichtungen des Polymerschichtaufbaus und der darauf befindlichen weiteren Schichtsysteme jeweils unterschiedlich sind. Es ergeben sich somit die vier in 3 dargestellten Konstellationen.
Statt der oben bereits erwähnten lokalen Vormagnetisierung durch hartmagnetische Materialien können die magnetischen Bias-Schichten 32, 34, 36, 38 zur Erzielung des gleichen Zweckes durch weitere Schichten 42, 44, 46, 48 magnetisch vorgespannt sein. Dafür eignen sich beispielsweise natürliche Antiferromagneten. In diesem Fall kann die direkte Austauschkopplung zwischen aufeinander liegenden Schichten ausgenutzt werden. Eine solche Ausbildung einer weiter verbesserten OMR-Brücke 40 ist in 4 dargestellt.
Die Vorspannung in unterschiedlichen Bereichen der Schichten kann auch beispielsweise durch eine Abscheidung von magnetischen Teilen im Magnetfeld erzeugt werden.
Weitere Möglichkeiten für die Realisierung des in den 2 bis 4 dargestellten Aufbaus des neuen Magnetfeldsensors bestehen darin, magnetische Schichten zu drucken. Hierfür werden dauermagnetische Partikel, beispielsweise aus Barium-Ferrit (Ba·6Fe₂O₃) verwendet. Diese Materialien eignen sich zur Anwendung durch Drucktechnik zwecks Aufbringung auf die Polymerschicht, wobei die Materialien wie oben beschrieben großflächig oder segmentiert aufgebracht werden und nachträglich aufmagnetisiert werden können.
Insgesamt ergibt sich nunmehr ein beachtlicher technischer Fortschritt dadurch, dass die vorstehend anhand der einzelnen Beispiele beschriebenen Sensoren mit verbesserter Empfindlichkeit gleichermaßen einfach und damit kostengünstig herstellbar sind. Die somit geschaffenen Magnetsensoren sind biegsam und können durch ihre Flexibilität neue Anwendungsgebiete erschließen.

Claims

OMR-Sensor, umfassend ein Schichtsystem mit wenigstens einer Polymerschicht, wobei das Schichtsystem seinen Widerstand in Abhängigkeit vom angelegten Magnetfeld ändert und wobei die Änderung des Widerstandes über dem Magnetfeld entsprechend einer nichtlinearen Kennlinie, insbesondere glockenförmig, verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass auf oder unter der wenigstens einen Polymerschicht (21; 31, 33, 35, 37) ein zusätzliches magnetisches Schichtsystem (22; 22', 22'', 22'''; 32, 34, 36, 38; 42, 44, 46, 48) angeordnet ist, das eine magnetische Vorspannung (H_Bias) der Kennlinie (11) bewirkt.
OMR-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche magnetische Schichtsystem (22; 22', 22'', 22''') segmentiert ist.
OMR-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Schichtsystem aus wenigstens einer ersten magnetischen Schicht (21; 31, 33, 35, 37) besteht und dass wenigstens eine weitere Schicht (22; 22', 22'', 22'''; 32, 34, 36, 38), welche das Schichtsystem mit der ersten Schicht (21; 31, 33, 35, 37) magnetisch vorspannt, vorhanden ist.
OMR-Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Schicht (22; 22', 22'' , 22'''; 32, 34, 36, 38) aus hartmagnetischem Material besteht.
OMR-Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Schichten (32, 34, 36, 38; 42, 44, 46, 48) natürliche Antiferromagneten sind.
OMR-Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Vorspannung durch Abscheidung im Magnetfeld erzeugt sind.
OMR-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen magnetischen Schichten (22; 22', 22'' , 22'''; 32, 34, 36, 38; 42, 44, 46, 48) drucktechnisch aufgebracht werden und dauermagnetischen Partikel enthalten.
OMR-Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dauermagnetischen Partikel aus hartmagnetischem Ferrit bestehen.
OMR-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen magnetischen Schichtsysteme (22; 22', 22'', 22'''; 32, 34, 36, 38; 42, 44, 46, 48) gleichermaßen Elektroden für die Sensorstrukturen bilden.
Anordnung von OMR-Sensoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren mit zusätzlichem Schichtsystem (31, 32; 33, 34; 35, 36; 37, 38; 42, 44, 46, 48) untereinander elektrisch verbunden sind, wobei die magnetische Vorspannungen der Sensoren mit Schichtsystems (31, 32; 33, 34; 35, 36; 37, 38; 42, 44, 46, 48) in mindestens zwei der verschalteten Sensoren (31, 32; 33, 34; 35, 36; 37, 38; 42, 44, 46, 48) in unterschiedliche Richtung zeigen.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (31, 32; 33, 34; 35, 36; 37, 38; 42, 44, 46, 48) untereinander elektrisch nach Art einer Brückenschaltung verbunden sind.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Schichtsysteme (32, 34, 36, 38; 42, 44, 46, 48) der die Brückenschaltung bildenden Sensoren natürliche Antiferromagneten bilden.