DE102009007479B4

DE102009007479B4 - Dünnfilm-Magnetsensor

Info

Publication number: DE102009007479B4
Application number: DE102009007479.1A
Authority: DE
Inventors: Shigenobu KOYAMA
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2008-02-27
Filing date: 2009-01-30
Publication date: 2016-03-31
Anticipated expiration: 2029-01-31
Also published as: JP5151551B2; US20090212770A1; CN101520493A; CN101520493B; JP2009204435A; DE102009007479A1; US7683612B2

Abstract

Dünnfilm-Magnetsensor, aufweisend: einen GMR-Film, der einen Riesenmagnetowiderstandseffekt aufweist; und aus einem weichmagnetischen Material ausgebildete Dünnfilmjoche, die mit beiden Enden des GMR-Films elektrisch verbunden sind; wobei die Dünnfilmjoche einen Bereich mit hoher Empfindlichkeit mit einem Entmagnetisierungsfaktor NL in einer magnetempfindlichen Richtung und einen Bereich mit geringer Empfindlichkeit mit einem Entmagnetisierungsfaktor NH (> NL) in der magnetempfindlichen Richtung aufweisen, und wobei der Bereich mit geringer Empfindlichkeit mit dem Bereich mit hoher Empfindlichkeit elektrisch in Reihe geschaltet ist, gekennzeichnet dadurch das Dünnfilmjoch eine T-Form aufweist und über einen Querbalkenbereich der T-Form mit dem GMR-Film elektrisch verbunden ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dünnfilm-Magnetsensor. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Dünnfilm-Magnetsensor, der zum Erfassen von Drehinformationen, zum Beispiel von Fahrzeugachsen, Drehgebern und Industriegetrieben, zum Erfassen von Positions- und Geschwindigkeitsinformationen, zum Beispiel von Hublagen von Hydraulikzylindern/Pneumatikzylindern und Schlitten von Werkzeugmaschinen, zum Erfassen von Strom betreffenden Informationen, zum Beispiel des Lichtbogenstroms von Industrieschweißrobotern, sowie für einen geometrischen Richtungskompass geeignet ist.
Ein Magnetsensor ist eine elektronische Vorrichtung, die eine erfasste Menge einer elektromagnetischen Kraft wie Strom, elektrische Spannung, elektrische Energie, Magnetfeld oder Magnetfluss, eine erfasste Menge einer dynamischen Größe wie Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Weg, Abstand, mechanische Spannung, Druck, Drehmoment, Temperatur oder Feuchtigkeit, und eine erfasste Menge einer biochemischen Größe mittels eines Magnetfeldes in eine elektrische Spannung umwandelt. Magnetische Sensoren lassen sich, je nach dem Verfahren zur Erfassung des Magnetfeldes, in Hall-Sensoren, AMR(anisotroper Magnetowiderstand)-Sensoren, (GMR)Riesenmagnetowiderstand)-Sensoren und Ähnliches unterteilen.
Von den oben beschriebenen Sensoren zeichnet sich der GMR-Sensor durch die folgenden Vorteile aus:

(1) verglichen mit dem AMR-Sensor weist der GMR-Sensor einen äußerst hohen Maximalwert für den Änderungskoeffizienten eines spezifischen elektrischen Widerstands, d.h., für das MR(Magnetowiderstand)-Verhältnis auf (MR-Verhältnis = ∆ρ/ρ₀(∆ρ = ρ_H – ρ₀, wobei ρ_H ein spezifischer elektrischer Widerstand bei einem äußeren Magnetfeld H und ρ₀ ein spezifischer elektrischer Widerstand bei einem äußeren Magnetfeld von Null ist);
(2) verglichen mit dem Hall-Sensor weist der GMR-Sensor eine geringere Temperaturänderung des Widerstandswerts auf; und
(3) der GMR-Sensor ist zur Mikrominiaturisierung geeignet, da das Material, das einen Riesenmagnetowiderstandseffekt aufweist, ein Dünnfilmmaterial ist. Es ist daher zu erwarten, dass der GMR-Sensor für einen mikromagnetischen Sensor mit hoher Empfindlichkeit verwendet wird, welcher für Computer, elektrische Anlagen, Kraftfahrzeuge, Haushaltsgeräte, tragbare Geräte, usw. verwendet wird.

Folgende Materialien weisen bekanntermaßen den GMR-Effekt auf: ein künstliches Gitter, das aus einem mehrschichtigen Film ausgebildet ist, der eine ferromagnetische Schicht wie etwa Permalloy, usw. aufweist und eine nicht-magnetische Schicht wie etwa Cu, Ag, Au, usw. aufweist, oder das aus einem mehrschichtigen Film, der aus einer vierschichtigen Struktur besteht (einem sogenannten „Spinventil“), ausgebildet ist, die eine antiferromagnetische Schicht, eine ferromagnetische Schicht (eine fixierte Schicht), eine nicht-magnetische Schicht und eine ferromagnetische Schicht (eine freie Schicht) aufweist; ein nanogranulares Material auf Basis von Metall-Metall, das ein nanoskaliges feinteiliges Material aufweist, welches aus einem ferromagnetischen Metall wie etwa Permalloy, usw. ausgebildet ist, und eine Korngrenzenphase aufweist, die aus einem nicht-magnetischen Metall wie etwa Cu, Ag, Au, usw. ausgebildet ist; ein Tunnelübergangsfilm, der mittels des spinabhängigen Tunneleffekts einen MR(Magnetowiderstand)-Effekt erzeugt; und ein nanogranulares Material auf Metall-Isolator-Basis, das ein aus einer ferromagnetischen Metalllegierung ausgebildetes nanoskaliges feines Teilchen aufweist und eine aus einem nicht magnetischen und isolierenden Material ausgebildete Korngrenzenphase aufweist.
Von diesen Materialien zeichnet sich der typischerweise durch das Spinventil gebildete mehrschichtige Film durch eine hohe Empfindlichkeit in einem schwachen Magnetfeld aus. Allerdings ist zur Herstellung des mehrschichtigen Films eine sehr präzise Laminierung der aus verschiedenen Materialien ausgebildeten Dünnfilme notwendig, was dazu führt, dass die Stabilität und der Ertrag gering sind und der Reduktion der Herstellungskosten Grenzen gesetzt sind. Mehrschichtige Filme dieses Typs werden daher ausschließlich für hochwertige Vorrichtungen, wie etwa ein Magnetkopf für eine Festplatte, verwendet, und gelten als schwer anwendbar für einen Magnetsensor, der sich im preislichen Wettbewerb mit einem AMR-Sensor oder einem Hall-Sensor, deren Stückpreis niedrig ist, befindet. Da tendenziell eine Diffusion zwischen mehrschichtigen Filmen auftreten und der GMR-Effekt eingebüßt werden kann, liegt ein wesentlicher Nachteil von mehrschichtigen Filmen weiterhin in ihrer geringen Wärmebeständigkeit.
Nanogranulare Materialien lassen sich dagegen im Allgemeinen einfach herstellen und weisen eine gute Reproduzierbarkeit auf. Somit lassen sich durch die Verwendung von nanogranularen Materialien für Magnetsensoren die Kosten für die Magnetsensoren verringern. Dabei ergeben sich insbesondere die folgenden Vorteile:

(1) nanogranulare Materialien auf Metall-Isolator-Basis weisen ein hohes MR-Verhältnis auf, das bei Raumtemperatur und einer optimierten Zusammensetzung mehr als 10% beträgt;
(2) da der spezifische elektrische Widerstand ρ außerordentlich hoch ist, lässt sich durch nanogranulare Materialien auf Metall-Isolator-Basis gleichzeitig eine Mikrominiaturisierung und ein geringer Energieverbrauch des Magnetsensors erzielen; und
(3) im Gegensatz zum Spinventil-Film, der einen antiferromagnetischen Film mit geringer Wärmebeständigkeit enthält, sind nanogranulare Materialien auf Metall-Isolator-Basis auch bei hohen Temperaturen verwendbar. Allerdings besteht bei nanogranularen Materialien auf Metall-Isolator-Basis das Problem, dass die Magnetfeldempfindlichkeit in einem schwachen Magnetfeld äußerst gering ist.

In der JP H11087804 A wird beschrieben, dass zur Lösung des Problems weichmagnetische Dünnfilme an beiden Enden eines GMR(Riesenmagnetowiderstand)-Dünnfilms angeordnet werden, was die Magnetfeldempfindlichkeit des GMR(Riesenmagnetowiderstand)-Dünnfilms erhöht. Weiterhin wird in diesem Patentdokument auch beschrieben, dass ein Verfahren zur Herstellung eines Dünnfilm-Magnetsensors die Ausbildung eines Permalloy-Dünnfilms (eines weichmagnetischen Films) von 2 µm Dicke auf einem Substrat, die Ausbildung einer Lücke von etwa 9 µm Breite im Permalloy-Dünnfilm mittels einer Ionenstrahlätzvorrichtung und die Laminierung eines nanogranularen GMR-Films, der eine Zusammensetzung aus Co_38.6Y_41.0O_47.4 aufweist, in der Lücke aufweist.
Weiterhin wird JP H11274599 A beschrieben, dass eine Dicke eines GMR(Riesenmagnetowiderstand)-Dünnfilms derart hergestellt wird, dass sie kleiner als die oder gleich der Dicke eines weichmagnetischen Dünnfilms ist, um eine Magnetfeldempfindlichkeit in der magnetoresistiven Dünnfilmvorrichtung, bei der die weichmagnetischen Dünnfilme an beiden Enden des GMR(Riesenmagnetowiderstand)-Dünnfilms angeordnet sind, weiter zu erhöhen.
Ein weichmagnetisches Material, das eine hohe Sättigungsmagnetisierung und eine hohe magnetische Permeabilität aufweist, weist eine äußerst hohe Magnetfeldempfindlichkeit auf und zeigt eine äußerst starke Magnetisierung in einem relativ schwachen äußeren Magnetfeld. Werden Dünnfilmjoche, die aus einem weichmagnetischen Material ausgebildet sind, den beiden Enden eines GMR-Films angenähert, so wird das äußere Magnetfeld dementsprechend durch das Dünnfilmjoch verstärkt, und es wirkt ein starkes Magnetfeld, welches 100 bis 10000 Mal so stark wie das äußere Magnetfeld ist, auf den GMR-Film ein. Infolgedessen lässt sich die Magnetfeldempfindlichkeit des GMR-Films erheblich erhöhen.
Weiterhin hängt die Stärke des im GMR-Film erzeugten Magnetfeldes auch von der Form des Dünnfilmjochs ab. Je langgestreckter die Form des Dünnfilmjochs ist, desto stärker ist ein im GMR-Film erzeugtes Magnetfeld. Der Grund dafür besteht darin, dass durch die Herstellung des Dünnfilmjochs in einer langgestreckten Form das Entmagnetisierungsfeld in der magnetempfindlichen Richtung verringert wird. Unter „magnetempfindlicher Richtung“ versteht man eine Richtung, in der das äußere Magnetfeld angelegt wird, wenn die Magnetfeldempfindlichkeit des GMR-Films am höchsten ist.
Im Allgemeinen ist der Magnetsensor als eine Brücke oder Halbbrücke ausgebildet, wobei orthogonal Erfassungsvorrichtungen angeordnet sind. Weiterhin wird üblicherweise ein Magnetsensor ausgewählt, durch den sich lineare Ausgabeeigenschaften innerhalb eines Bereichs der Verwendung von Magnetfeldern erhalten lassen. Da die maximale Ausgabe des den GMR-Film verwendenden Magnetsensors in Abhängigkeit von der physikalischen Eigenschaft des Materials des GMR-Films bestimmt wird, wird die Empfindlichkeit der Magnetfelderfassung durch die magnetische Formanisotropie (Entmagnetisierungsfeld) des Dünnfilmjochs bestimmt. Im Falle der Verwendung in einem weiten Magnetfeldbereich verschlechtert sich die Magnetfeldauflösung somit entsprechend. Da ein Sensor mit guter Magnetfeldauflösung andererseits durch ein schwaches Magnetfeld gesättigt wird, kann er nur im Bereich eines sehr kleinen Magnetfeldes verwendet werden.
Bei der Messung der magnetischen Eigenschaften eines magnetischen Materials möchte man zum Beispiel eine grobe Messung der Region eines starken Magnetfeldes, in dem die Magnetisierung gesättigt ist, vornehmen, während man die nähere Umgebung einer Koerzitivkraft, in der sich die Magnetisierung abrupt ändert, präzise messen möchte. In diesem Fall müssen zwei Magnetsensortypen für die Messung des magnetischen Feldes verwendet werden, nämlich für den Einsatz in einem starken Magnetfeld und einem schwachen Magnetfeld in Kombination. Die Verwendung der zwei Sensortypen ist jedoch unvorteilhaft, da dadurch zweimal oder mehr als zweimal soviel Installationsraum benötigt wird, was die Messung eines Magnetfelds in einer sehr kleinen Region erschwert. Auch unter dem Kostenaspekt ist sie unvorteilhaft.
US 2003/ 0 042 902 A1 offenbart einen Dünnfilm-Magnetsensor, der die technischen Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 aufweist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Dünnfilm-Magnetsensor bereitzustellen, der einen GMR-Film verwendet, der zur simultanen Messung eines starken Magnetfeldes und eines schwachen Magnetfeldes mit einer geeigneten Auflösung ausgebildet ist.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird zur Lösung des oben genannten Problems ein Dünnfilm-Magnetsensor bereitgestellt, der aufweist:
einen GMR-Film, der einen Riesenmagnetowiderstandseffekt aufweist; und
aus einem weichmagnetischen Material ausgebildete Dünnfilmjoche, die mit beiden Enden des GMR-Films elektrisch verbunden sind;
wobei die Dünnfilmjoche einen Bereich mit hoher Empfindlichkeit mit einem Entmagnetisierungsfaktor N_L in einer magnetempfindlichen Richtung und einen Bereich mit geringer Empfindlichkeit mit einem Entmagnetisierungsfaktor N_H (> N_L) in der magnetempfindlichen Richtung aufweisen, und wobei der Bereich mit geringer Empfindlichkeit mit dem Bereich mit hoher Empfindlichkeit elektrisch in Reihe geschaltet ist, und
wobei das Dünnfilmjoch eine T-Form aufweist und über einen Querbalkenbereich der T-Form mit dem GMR-Film elektrisch verbunden ist.
Sind der Bereich mit hoher Empfindlichkeit und der Bereich mit geringer Empfindlichkeit an den Dünnfilmjochen angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet, so fließt bei Einwirkung eines schwachen Magnetfeldes der Magnetfluss ausschließlich in den Bereich mit hoher Empfindlichkeit. Da der Entmagnetisierungsfaktor N_L im Bereich mit hoher Empfindlichkeit relativ klein ist, wird die Magnetisierung durch ein kleines Magnetfeld H gesättigt. Dadurch können die magnetischen Eigenschaften in der Region eines schwachen Magnetfeldes sehr präzise gemessen werden.
Wirkt dagegen ein starkes Magnetfeld, so fließt der Magnetfluss auch zum Bereich mit geringer Empfindlichkeit. Da der Entmagnetisierungsfaktor N_H in der Region mit geringer Empfindlichkeit relativ groß ist, verringert sich zudem der Gradient des Magnetowiderstands MR relativ zum Magnetfeld H, und ein größeres Magnetfeld H ist zur Sättigung der Magnetisierung notwendig. Dadurch kann die Region eines starken Magnetfeldes über einen weiten Bereich gemessen werden.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
1A zeigt einen Dünnfilm-Magnetsensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Draufsicht, während 1B einen Sensor mit geringer Empfindlichkeit in Draufsicht zeigt, und 1C einen Sensor mit hoher Empfindlichkeit in Draufsicht zeigt.
2 zeigt ein Diagramm, das die magnetoresistiven Eigenschaften eines in 1A dargestellten Dünnfilm-Magnetsensors darstellt.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Nachfolgend soll die vorliegende Erfindung insbesondere anhand einer Ausführungsform beschrieben werden.
(1. Dünnfilm-Magnetsensor)
Der Dünnfilm-Magnetsensor gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen GMR-Film, der einen Riesenmagnetowiderstandseffekt aufweist, und aus einem weichmagnetischen Material ausgebildete Dünnfilmjoche auf, die mit beiden Enden des GMR-Films elektrisch verbunden sind.
(1.1 GMR-Film)
Der GMR-Film wird verwendet, um die Änderung eines äußeren Magnetfeldes als eine Änderung eines elektrischen Widerstands R zu erfassen, und um dementsprechend diese Änderung als eine Spannungsänderung zu erfassen, wobei der GMR-Film aus einem Material ausgebildet ist, das einen Riesenmagnetowiderstands(GMR)-Effekt aufweist. Zur Erfassung der Änderung des äußeren Magnetfeldes bei einer hohen Empfindlichkeit ist der absolute Wert des MR-Verhältnisses des GMR-Films vorteilhafterweise größer. Insbesondere beträgt der absolute Wert des MR-Verhältnisses des GMR-Films vorzugsweise 5% oder mehr, besonders bevorzugt 10% oder mehr.
Da der GMR-Film direkt mit dem Dünnfilmjoch elektrisch verbunden ist, wird weiterhin ein GMR-Film verwendet, der einen spezifischen elektrischen Widerstand ρ aufweist, der höher als der spezifische elektrische Widerstand des Dünnfilmjochs ist. Generell ist es unvorteilhaft, wenn der spezifische elektrische Widerstand ρ des GMR-Films außerordentlich niedrig ist, da dann ein elektrischer Kurzschluss zwischen den Dünnfilmjochen ausgelöst wird. Ist der spezifische elektrische Widerstand ρ des GMR-Films dagegen außerordentlich hoch, verstärken sich Geräusche, und es ist schwer, die Änderung des äußeren Magnetfeldes als eine Änderung der Spannung zu erfassen. Insbesondere beträgt der spezifische elektrische Widerstand ρ des GMR-Films vorzugsweise 10³ µΩ oder mehr und 10¹² µΩ oder weniger, besonders bevorzugt 10⁴ µΩ oder mehr und 10¹¹ µΩ oder weniger.
Unter den verschiedenen Materialien, die die oben genannten Bedingungen erfüllen, ist nanogranulares Material auf Metall-Isolator-Basis besonders geeignet. Nanogranulares Material auf Metall-Isolator-Basis weist zum einen ein hohes MR-Verhältnis und einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand ρ auf, zum anderen schwankt das MR-Verhältnis bei leichten Schwankungen in der Zusammensetzung nicht sehr. Das ist insofern vorteilhaft, als dadurch ein Dünnfilm, der stabile magnetische Eigenschaften aufweist, gut reproduzierbar und kostengünstig hergestellt werden kann.
Das nachfolgend genannte nanogranulare Material auf Metall-Isolator-Basis kann für den GMR-Film verwendet werden:

(1) eine nanogranulare Oxidlegierung wie eine nanogranulare Co-Y₂O₃-Legierung, eine nanogranulare Co-Al₂O₃-Legierung, eine nanogranulare Co-Sm₂O₃-Legierung, eine nanogranulare Co-Dy₂O₃-Legierung und eine nanogranulare FeCo-Y₂O₃-Legierung; und
(2) eine nanogranulare Fluoridlegierung, wie Fe-MgF₂, FeCo-MgF₂, Fe-CaF₂ und FeCo-AlF₃.

Form und Größe des GMR-Films unterliegen keinen besonderen Beschränkungen und sind derart festgelegt, dass die bezweckte Magnetfeldempfindlichkeit erzielt wird. Generell ist der Widerstandswert proportional zur Länge des GMR-Films und umgekehrt proportional zu seiner Schnittfläche. Somit lässt sich der elektrische Widerstand R des GMR-Films erhöhen, indem die Dicke verringert wird, indem die Länge verlängert wird oder indem die seitliche Breite verkleinert wird. Durch die Erhöhung des elektrischen Widerstands R lässt sich der Energieverbrauch der Vorrichtung reduzieren. Wenn der elektrische Widerstand R des GMR-Films außerordentlich hoch ist, kann allerdings manchmal eine Impedanzfehlanpassung in Bezug auf einen Verstärker auftreten.
(1.2 Dünnfilmjoch)
Dünnfilmjoche liegen sich durch eine Lücke getrennt gegenüber, wobei ein GMR-Film mit den Dünnfilmjochen in der Lücke oder nahe der Lücke elektrisch verbunden ist.
Unter „nahe der Lücke“ versteht man hier eine Region, auf die ein erheblich verstärktes Magnetfeld, das am oberen Ende der Dünnfilmjoche erzeugt wird, einwirkt. Da das zwischen den Dünnfilmjochen erzeugte Magnetfeld in der Lücke am größten ist, wird der GMR-Film besonders bevorzugt in der Lücke angeordnet. Ist das Magnetfeld, das auf den GMR-Film wirkt, unter dem Aspekt der praktischen Verwendung groß genug, so kann sich der GMR-Film allerdings auch vollständig oder teilweise außerhalb der Lücke befinden (zum Beispiel auf der Seite der Oberseite des Dünnfilmjochs oder auf der Seite der Unterseite des Dünnfilmjochs).
Das Dünnfilmjoch wird zur Erhöhung der Magnetfeldempfindlichkeit des GMR-Films verwendet und ist aus einem weichmagnetischen Material ausgebildet. Zum Erhalt einer hohen Magnetfeldempfindlichkeit für das schwache Magnetfeld wird vorzugsweise ein Material für das Dünnfilmjoch verwendet, das eine hohe magnetische Permeabilität µ und/oder eine hohe Sättigungsmagnetisierung Ms aufweist. Insbesondere beträgt die magnetische Permeabilität µ vorzugsweise 100 oder mehr, besonders bevorzugt 1000 oder mehr. Weiterhin beträgt die Sättigungsmagnetisierung Ms vorzugsweise 5 (k Gauß) oder mehr, besonders bevorzugt 10 (k Gauß) oder mehr.
Als Material für das Dünnfilmjoch eignen sich Permalloy (40 bis 90% Ni-Fe-Legierung), Sendust (Fe₇₄Si₉Al₁₇) („Sendust“ ist eine Marke), HARDPERM (Fe₁₂Ni₈₂Nb₆) („HARDPERM“ ist eine Marke), eine amorphe Co₈₈Nb₆Zr₆-Legierung, eine amorphe (Co₉₄Fe₆)₇₀Si₁₅B₁₅-Legierung, FINEMET (Fe_75.6Si_13.2B_8.5Nb_1.9Cu_0.8) („FINEMET“ ist eine Marke), Nano-Max (Fe₈₃HF₆C₁₁), („Nano-Max“ ist eine Marke), eine Fe₈₅Zr₁₀B₅-Legierung, eine Fe₉₃Si₃N₄-Legierung, eine Fe₇₁B₁₁N₁₈-Legierung, eine nanogranulare Fe_71.3Nd_9.6O_19.1-Legierung, eine nanogranulare Co₇₀Al₁₀O₂₀-Legierung, eine Co₆₅Fe₅Al₁₀O₂₀-Legierung, usw.
Das Dünnfilmjoch bewirkt eine Verstärkung des äußeren Magnetfeldes und eine Erhöhung der Magnetfeldempfindlichkeit des GMR-Films. Die verstärkende Wirkung lässt sich zum einen durch das Material und zum anderen durch eine Optimierung der Größe des Dünnfilmjochs erhöhen.
Bei Optimierung der Größe des Dünnfilmjochs und Anordnung des Bereichs mit hoher Empfindlichkeit und des Bereichs mit geringer Empfindlichkeit am Dünnfilmjoch lässt sich ein Magnetsensor erhalten, der zur präzisen Messung der Region eines schwachen Magnetfeldes und zur groben, aber über einen weiten Bereich erfolgenden Messung der Region eines starken Magnetfeldes ausgebildet ist.
Unter dem „Bereich mit hoher Empfindlichkeit“ versteht man hier eine Region, in der der Entmagnetisierungsfaktor N_L in der magnetempfindlichen Richtung kleiner als derjenige des Bereichs mit geringer Empfindlichkeit ist. Generell lässt sich der Entmagnetisierungsfaktor verringern, indem die Länge in der parallel zur magnetempfindlichen Richtung verlaufenden Richtung größer als die Länge in der senkrecht zur magnetempfindlichen Richtung verlaufenden Richtung ist. Zur Ausbildung des Bereichs mit hoher Empfindlichkeit kann es daher ausreichen, dass sich in einem Bereich des Dünnfilmjochs ein in Längsrichtung langgestreckter Bereich befindet, der sich in die magnetempfindliche Richtung erstreckt. Es können ein oder mehrere in Längsrichtung langgestreckte Bereiche angeordnet sein. Durch die Optimierung der Form, der Anzahl, usw. des in Längsrichtung langgestreckten Bereichs lässt sich die Empfindlichkeit in der Region eines schwachen Magnetfeldes steuern.
Unter dem „Bereich mit geringer Empfindlichkeit“ versteht man eine Region, in der der Entmagnetisierungsfaktor N_H in der magnetempfindlichen Richtung größer als derjenige des Bereichs mit hoher Empfindlichkeit ist (N_H > N_L). Es kann ausreichen, dass der Bereich mit geringer Empfindlichkeit mit dem Bereich mit hoher Empfindlichkeit elektrisch in Reihe geschaltet ist. Wird ein seitlich langgestreckter Bereich, der sich in der Richtung erstreckt, die die magnetempfindliche Richtung schneidet, an einem Bereich des in Längsrichtung langgestreckten Bereichs, welcher den Bereich mit hoher Empfindlichkeit bildet, ausgebildet, so fungiert der seitlich langgestreckte Bereich als der Bereich mit geringer Empfindlichkeit. Vorzugsweise ist der seitlich langgestreckte Bereich in der senkrecht zur magnetempfindlichen Richtung verlaufenden Richtung ausgebildet. Es können ein oder mehrere seitlich langgestreckte Bereiche angeordnet sein. Durch die Optimierung der Form, der Anzahl, usw. des seitlich langgestreckten Bereichs lässt sich die Empfindlichkeit in der Region eines starken Magnetfeldes steuern.
(2. Spezifisches Beispiel)
1A stellt ein spezifisches Beispiel eines Dünnfilm-Magnetsensors gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Gemäß 1A weist ein Dünnfilm-Magnetsensor 10 einen GMR-Film 12, der einen Riesenmagnetowiderstandseffekt aufweist, und aus einem weichmagnetischen Material ausgebildete Dünnfilmjoche 14, 14 auf, die mit beiden Enden des GMR-Films 12 elektrisch verbunden sind. Jedes der Dünnfilmjoche 14, 14 weist eine T-Form auf und ist über den Querbalkenbereich der T-Form mit dem GMR-Film 12 elektrisch verbunden. Die Gesamtlänge L₁ jedes der Dünnfilmjoche 14, 14, die Breite W₁ des Längsbalkenbereichs, die Länge L₂ des Querbalkenbereichs sowie die Breite W₂ des Querbalkenbereichs können dem Zweck entsprechend optional ausgewählt werden. Durch eine Optimierung ihrer Größe lassen sich die Empfindlichkeit in der Region eines schwachen Magnetfeldes sowie die Empfindlichkeit in der Region eines starken Magnetfeldes steuern.
Es kann davon ausgegangen werden, dass der in 1A dargestellte Dünnfilm-Magnetsensor 10 den in 1B dargestellten Sensor 10a mit geringer Empfindlichkeit und den in 1C dargestellten Sensor 10b mit hoher Empfindlichkeit aufweist, wobei der Sensor 10a mit geringer Empfindlichkeit und der Sensor 10b mit hoher Empfindlichkeit miteinander elektrisch in Reihe geschaltet sind.
Da beim Sensor 10b mit hoher Empfindlichkeit jedes der mit beiden Enden des GMR-Films 12b elektrisch verbundenen Dünnfilmjoche 14b, 14b eine relativ zur Breite W₁ größere Länge L₁ aufweist, weist es also einen relativ kleinen Entmagnetisierungsfaktor N_L auf. Infolgedessen übt jedes der Dünnfilmjoche 14b, 14b eine erhebliche Verstärkungswirkung auf das äußere Magnetfeld aus, und die Magnetisierung wird durch ein kleineres äußeres Magnetfeld gesättigt.
Da beim Sensor 10a mit geringer Empfindlichkeit jedes der mit beiden Enden des GMR-Films 12a elektrisch verbundenen Dünnfilmjoche 14a, 14a dagegen eine relativ zur Breite W₂ kleinere Länge L₂ aufweist, weist es einen relativ großen Entmagnetisierungsfaktor N_H auf. Infolgedessen übt jedes der Dünnfilmjoche 14a, 14a eine geringere Verstärkungswirkung auf das äußere Magnetfeld aus, und es ist ein größeres äußeres Magnetfeld zur Sättigung der Magnetisierung notwendig.
Wirkt ein schwaches Magnetfeld auf den Dünnfilm-Magnetsensor 10, bei dem der Sensor 10a mit geringer Empfindlichkeit und der Sensor 10b mit hoher Empfindlichkeit miteinander elektrisch in Reihe geschaltet sind, ein, so wirkt ein äußeres Magnetfeld, das nur durch den Längsbalkenbereich (in Längsrichtung langgestreckter Bereich) der Dünnfilmjoche 14, 14 verstärkt wird, ausschließlich auf den GMR-Film 12 ein. Das heißt, dass bei dem Dünnfilm-Magnetsensor 10 ausschließlich der Sensor 10b mit hoher Empfindlichkeit als Sensor fungiert. Dadurch kann die Region eines schwachen Magnetfeldes sehr präzise gemessen werden.
Wirkt dagegen ein starkes Magnetfeld auf den Dünnfilm-Magnetsensor 10 ein, so wirkt ein äußeres Magnetfeld, das nicht nur durch den Längsbalkenbereich, sondern auch durch den Querbalkenbereich (seitlich langgestreckter Bereich) der Dünnfilmjoche 14, 14 verstärkt wird, auf den GMR-Film 12 ein. Das heißt, dass bei dem Dünnfilmsensor 10 nicht nur der Sensor 10b mit hoher Empfindlichkeit, sondern auch der Sensor 10a mit geringer Empfindlichkeit als Sensor fungiert. Dadurch kann die Region eines starken Magnetfeldes über einen weiten Bereich gemessen werden.
Obwohl bei dem in 1A dargestellten Dünnfilm-Magnetsensor 10 jedes der Dünnfilmjoche 14, 14 eine T-Form aufweist, lässt sich eine im Wesentlichen identische Wirkung auch durch eine L-Form erzielen, bei der sich der Längsbalkenbereich auf jeder Seite befindet. Weiterhin lässt sich durch die Anordnung von zwei oder mehr Längsbalkenbereichen ein Dünnfilm-Magnetsensor erhalten, der eine Empfindlichkeit entsprechend der Größe des Längsbalkenbereichs aufweist.
Weiterhin können, obwohl der in 1A dargestellte Dünnfilm-Magnetsensor 10 einzeln verwendet werden kann, auch mehrere Dünnfilm-Magnetsensoren 10 elektrisch verbunden und verwendet werden.
Beispielsweise können zwei Dünnfilm-Magnetsensoren 10 in Reihe geschaltet und derart angeordnet werden, dass sich die magnetempfindlichen Achsen der zwei Dünnfilmsensoren 10 schneiden (Halbbrücke). In dieser Gestaltung lässt sich das äußere Magnetfeld durch die Messung des Sternpunktpotentials erfassen, ohne dass die Schwankung eines temperaturbedingten Bezugspotentials Auswirkungen zeigt.
Weiterhin lässt sich durch die Verwendung von beispielsweise vier Dünnfilm-Magnetsensoren 10 eine Brückenschaltung aufbauen (Vollbrücke). Ist die Brückenschaltung aufgebaut, lässt sich auf der Grundlage einer Differenz des Sternpunktpotentials die Ausgabe im Vergleich zu einem Fall, in dem zwei Dünnfilm-Magnetsensoren 10 verwendet werden, verdoppeln.
(3. Herstellungsverfahren des Dünnfilm-Magnetsensors)
Ein Dünnfilm-Magnetsensor gemäß der vorliegenden Erfindung lässt sich durch die Laminierung einzelner Dünnfilme in einer vorbestimmten Reihenfolge mittels Photolithographietechnik erhalten.
Dabei können bekannte Verfahren wie verschiedene Arten der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD), wie zum Beispiel Sputtern, Vakuumdampfabscheidung, usw., Beschichtung, chemische Gasphasenabscheidung (CVD), usw. als Verfahren zur Ausbildung der einzelnen Dünnfilme eingesetzt werden.
Weiterhin lässt sich ein Dünnfilm, der eine vorbestimmte Form aufweist, folgendermaßen herstellen:

(1) durch ein Verfahren zur Ausbildung eines eine vorbestimmte Zusammensetzung aufweisenden Dünnfilms auf der gesamten Oberfläche eines Substrats, wobei ein nicht benötigter Bereich des Dünnfilms entsprechend einer vorbestimmten Formstruktur durch Ätzen (zum Beispiel durch Ar-Ionenstrahlätzen, nasschemisches Ätzen, reaktives Ätzen, usw.) entfernt wird, oder
(2) durch ein Verfahren zur Ausbildung einer eine vorbestimmte Formstruktur aufweisenden Maske auf der Substratoberfläche mittels Fotolack oder Ähnlichem, wobei ein eine vorbestimmte Zusammensetzung aufweisender Dünnfilm auf der gesamten Oberfläche der Maske ausgebildet wird und die Maske dann entfernt wird.

(4. Betrieb des Dünnfilm-Magnetsensors)
Werden ein Bereich mit hoher Empfindlichkeit und ein Bereich mit geringer Empfindlichkeit an den Dünnfilmjochen bereitgestellt und werden diese elektrisch miteinander in Reihe geschaltet, so fließt der Magnetfluss bei Einwirkung eines schwachen Magnetfeldes ausschließlich in den Bereich mit hoher Empfindlichkeit. Da der Entmagnetisierungsfaktor N_L im Bereich mit hoher Empfindlichkeit relativ gesehen kleiner ist, wird die Magnetisierung durch ein schwaches Magnetfeld H gesättigt. Dadurch können die magnetischen Eigenschaften in der Region eines schwachen Magnetfeldes sehr präzise gemessen werden.
Wirkt dagegen ein starkes Magnetfeld, fließt der Magnetfluss auch in den Bereich mit geringer Empfindlichkeit. Da der Entmagnetisierungsfaktor N_H im Bereich mit geringer Empfindlichkeit relativ gesehen größer ist, verringert sich zudem der Gradient des Magnetowiderstands MR relativ zum Magnetfeld H, und ein stärkeres Magnetfeld H ist zur Sättigung der Magnetisierung notwendig. Dadurch kann die Region eines starken Magnetfeldes über einen weiten Bereich gemessen werden.
[Beispiel]
(Beispiel 1)
Ein in 1 dargestellter Dünnfilm-Magnetsensor 10 wurde hergestellt, und es wurden seine magnetoresistiven Eigenschaften bewertet. Für den GMR-Film 12 wurde eine nanogranulare FeCo-MgF₂-Legierung verwendet, während für die Dünnfilmjoche 14, 14 eine amorphe (Co₉₄Fe₆)₇₀Si₁₅B₁₅-Legierung verwendet wurde.
Weiterhin entspricht die Größe der einzelnen Bereiche der Dünnfilmjoche 14, 14 der nachfolgenden Beschreibung:
Gesamtlänge L₁ der Dünnfilmjoche 14, 14 × Breite W₁ des Längsbalkenbereichs: 150 µm × 20 µm;
Länge L₂ des Querbalkenbereichs × Breite W₂ des Querbalkenbereichs: 20 µm × 150 µm
In 2 sind die magnetoresistiven Eigenschaften des erhaltenen Dünnfilm-Magnetsensors dargestellt. Aus 4 geht hervor, dass der Gradient für die Region eines schwachen Magnetfeldes |H| ≤ 10(Oe) groß und der Gradient für die Region eines starken Magnetfeldes |H| > 10(Oe) klein ist. Das zeigt, dass das Magnetfeld für die Region eines schwachen Magnetfeldes sehr präzise gemessen werden kann und für die Region eines starken Magnetfeldes grob, dafür aber über einen weiten Bereich gemessen werden kann.
[Gewerbliche Anwendbarkeit]
Der Dünnfilm-Magnetsensor gemäß der vorliegenden Erfindung lässt sich zum Erfassen von Drehinformationen, zum Beispiel von Fahrzeugachsen, Drehgebern und Industriegetrieben, zum Erfassen von Positions- und Geschwindigkeitsinformationen, zum Beispiel von Hublagen von Hydraulikzylindern/Pneumatikzylindern und Schlitten von Werkzeugmaschinen, zum Erfassen von Strom betreffenden Informationen, zum Beispiel des Lichtbogenstroms von Industrieschweißrobotern, sowie für einen geomagnetischen Richtungskompass verwenden.
Obwohl die magnetoresistive Vorrichtung, die den GMR-Film und die an beiden Enden des GMR-Films angeordneten Dünnfilmjoche aufweist, besonders als Magnetsensor geeignet ist, ist die Anwendung der magnetoresistiven Vorrichtung nicht darauf beschränkt, sondern die Vorrichtung ist auch als Magnetspeicher, Magnetkopf, usw. verwendbar.

Claims

Dünnfilm-Magnetsensor, aufweisend: einen GMR-Film, der einen Riesenmagnetowiderstandseffekt aufweist; und aus einem weichmagnetischen Material ausgebildete Dünnfilmjoche, die mit beiden Enden des GMR-Films elektrisch verbunden sind; wobei die Dünnfilmjoche einen Bereich mit hoher Empfindlichkeit mit einem Entmagnetisierungsfaktor N_L in einer magnetempfindlichen Richtung und einen Bereich mit geringer Empfindlichkeit mit einem Entmagnetisierungsfaktor N_H (> N_L) in der magnetempfindlichen Richtung aufweisen, und wobei der Bereich mit geringer Empfindlichkeit mit dem Bereich mit hoher Empfindlichkeit elektrisch in Reihe geschaltet ist, gekennzeichnet dadurch das Dünnfilmjoch eine T-Form aufweist und über einen Querbalkenbereich der T-Form mit dem GMR-Film elektrisch verbunden ist.
Dünnfilm-Magnetsensor nach Anspruch 1, wobei der Bereich mit hoher Empfindlichkeit einen oder mehrere in Längsrichtung langgestreckte Bereiche aufweist, die sich in die magnetempfindliche Richtung erstrecken; und wobei der Bereich mit geringer Empfindlichkeit einen oder mehrere seitlich langgestreckte Bereiche aufweist, die sich vom in Längsrichtung langgestreckten Bereich ausgehend in eine Richtung erstrecken, die die magnetempfindliche Richtung schneidet.
Dünnfilm-Magnetsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der GMR-Film aus einem nanogranularen Material auf Metall-Isolator-Basis ausgebildet ist.