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Der
Widerstandswert von Sensoren, die auf Magnetoresistenz (MR; magnetoresistance)
basieren, wie z. B. von Giant-Magnetoresistenz-(GMR-; giant magnetoresistance)
oder Tunnel-Magnetoresistenz-(TMR-; tunnel magnetoresistance) Sensoren, variiert,
wenn ein externes Magnetfeld an das Sensorbauelement angelegt ist.
Magnetoresistenzwinkelsensoren werden verbreitet bei berührungsfreien Winkelpositionssensoren
in rauen Umgebungen eingesetzt, wie in Automobilen oder der Industrie.
Im Allgemeinen sind diese Sensoren relativ unempfindlich gegenüber Verschleiß und Verschmutzung.
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Magnetoresistenz-„Spin-Ventil”-Sensoren haben üblicherweise
zwei Magnetschichten, die durch eine nichtmagnetische Schicht getrennt
sind. Eine der zwei Magnetschichten ist festgelegt, so dass sie
eine feste Ausrichtung in einer Referenzrichtung hat, während die
andere Schicht eine freie Schicht ist, die ihre Ausrichtung ansprechend
auf ein externes Magnetfeld ändert.
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GMR-Winkelsensoren
verwenden z. B. Brückenkonfigurationen
mit einem Widerstand, der seinen Widerstandswert reduziert, und
einem anderen, der seinen Widerstandswert erhöht, wenn eine bestimmte physische
Größe angelegt
ist. Für GMR-Spin-Ventil-Sensoren kann dies
erreicht werden durch Verwenden von GMR-Sensorwiderständen für die Schenkel
der Brücke,
die in zwei unterschiedlichen Referenzmagnetisierungsrichtungen magnetisiert
sind. Um die Referenzmagnetisierungsrichtung festzulegen, wird die
Struktur erwärmt,
ein externes Magnetfeld wird angelegt, dann wird die Struktur abgekühlt, um
die Magnetisierungsrichtung festzulegen.
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Für monolithisch
integrierte Sensoren, die mehrere Magnetisierungsrichtungen benötigen, muss
dieser Prozess für
jede Magnetisierungsrichtung wiederholt werden. Um ein Überschreiben
der vorangehend festgelegten Magnetisierungen zu verhindern, wird üblicherweise
ein lokalisierter Magnetisierungsprozess angewendet, wie z. B. durch
ein lokales Erwärmen
(z. B. durch monolithisch integrierte Erwärmungsstreifen oder einen Laserspot)
innerhalb eines externen Magnetfeldes und dann Abkühlen, um
die Magnetisierungsrichtung festzulegen. Dieser Prozess muss für jede Magnetisierungsrichtung
ausgeführt
werden, was die Komplexität
und Kosten des Herstellungsprozesses erhöht.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Sensorsystem und
ein Verfahren zum Herstellen eines magnetoresistiven Sensorsystems
mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche.
Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Ausführungsbeispiele
eines Sensorsystems und eines Herstellungsverfahrens sind offenbart.
Bei einigen Ausführungsbeispielen
umfasst ein Sensorsystem einen ersten, magnetoresistiven Sensorwiderstand,
der eine festgelegte Magnetschicht mit einer festen Orientierung
in einer Referenzmagnetisierungsrichtung umfasst. Der erste Sensorwiderstand ist
derart konfiguriert, dass sich sein Widerstandswert ansprechend
auf einen Winkel ändert,
der zwischen der Referenzmagnetisierungsrichtung und einem Magnetfeld
definiert ist. Eine Mehrzahl von zweiten, magnetoresistiven Sensorwiderständen sind konfiguriert,
um ein Differenzsignal zu liefern. Jeder der zweiten Sensorwiderstände umfasst
eine festgelegte Magnetschicht mit einer festen Orientierung in der
Referenzmagnetisierungsrichtung.
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Bei
anderen Ausführungsbeispielen
umfasst ein Sensorsystem einen ersten, magnetoresistiven Sensorwiderstand
mit einer Längsachse,
orientiert um 90° +
einem Winkel Φ,
wobei Φ < 90° relativ
zu einer Referenzmagnetisierungsachse ist. Ein zweiter, magnetoresistiver
Sensorwiderstand weist eine Längenachse
auf, die orientiert ist um 90° – Φ relativ
zu der Referenzmagnetisierungsachse.
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Die
beiliegenden Zeichnungen sind umfasst, um ein weiteres Verständnis der
vorliegenden Erfindung zu geben und sind in diese Beschreibung eingelagert
und bilden einen Teil derselben. Die Zeichnungen stellen die Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung dar und dienen zusammen mit der Beschreibung
dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erklären. Andere Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung und viele der vorgesehenen Vorteile der
vorlegenden Erfindung sind ohne weiteres ersichtlich, wenn sie durch
Bezugnahme auf die nachfolgende, detaillierte Beschreibung besser
verständlich
werden. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise
maßstabsgetreu
relativ zueinander. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende, ähnliche
Teile.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 konzeptionell
ein Ausführungsbeispiel eines
Sensorsystems zum Messen einer Winkelposition;
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2 konzeptionell
ein Beispiel eines magnetoresistiven (MR-)Sensorwiderstands;
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3 einen Prozess zum Festlegen einer Referenzmagnetisierungsrichtung
für einen
MR-Sensorwiderstand;
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4 ein Ausführungsbeispiel eines MR-Sensorsystems,
das einen rechteckigen Magneten verwendet;
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5 ein Ausführungsbeispiel eines MR-Sensorsystems,
das einen Ringmagneten verwendet;
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6 ein
Beispiel von Signalen, die durch ein System gemäß 4 oder 5 ausgegeben werden;
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7 ein
anderes Ausführungsbeispiel
eines MR-Sensorsystems;
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8 das
System aus 7 mit gedrehten Referenzmagnetisierungsrichtungen;
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9 ein
Beispiel von Signalen, die durch Systeme gemäß 7 und 8 ausgegeben
werden;
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10 Differenzausgangssignale
gemäß dem System
gemäß 8;
und
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11 konzeptionell
ein Ausführungsbeispiel
eines MR-Widerstandsstapels.
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In
der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung wird Bezug auf die
beiliegenden Zeichnungen genommen, die einen Teil hiervon bilden
und in denen auf darstellende Weise spezifische Ausführungsbeispiele
gezeigt sind, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. Diesbezüglich wird
eine Richtungsterminologie wie z. B. „oben”, „unten”, „vorne”, „hinten”, „Vorder”-, „Hinter”- etc. Bezug nehmend auf die
Orientierung bzw. Ausrichtung der Figur(en) verwendet, die beschrieben
wird (werden). Da Komponenten von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
in einer Reihe von unterschiedlichen Orientierungen positioniert
sein können,
wird die Richtungsterminologie zu Zwecken der Darstellung verwendet
und ist auf keine Weise einschränkend.
Es wird darauf hingewiesen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet werden
können
und strukturelle oder logische Änderungen
ausgeführt
werden können,
ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Die nachfolgende, detaillierte Beschreibung soll daher nicht in
einem einschränkenden
Sinn genommen werden, und der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung
ist durch die beiliegenden Ansprüche
definiert.
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1 stellt
ein Ausführungsbeispiel
eines Sensorsystems 100 zum Messen einer Winkelposition
dar. Das System 100 umfasst einen Sensor 112, der
aus einer Mehrzahl von Magnetoresistenz-(z. B. GMR-)Sensorwiderständen besteht.
Ein bewegbarer Magnet 110 ist benachbart zu dem Sensor 112 positioniert.
Der Magnet 110 kann z. B. an einer drehbaren Welle befestigt
sein. Der Magnet 110 richtet ein Magnetfeld ein, so dass,
wenn sich der Magnet 110 dreht, das sich bewegende Magnetfeld
verursacht, dass der Widerstandswert der Sensorwiderstände des
Sensors 112 variiert. Der sich ändernde Widerstandswert wird
verwendet, um die Winkelposition des Magneten 110 zu bestimmen,
und somit die Position der Welle oder eines anderen sich drehenden Bauelements,
an das der Magnet angebracht ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
wird die Ausgabe des Sensors 112 zu einem Prozessor 114 geliefert,
der programmiert ist, um die Winkelposition des drehbaren Magneten 110 basierend
auf den variierenden Widerstandswerten zu bestimmen.
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Bei
typischen, bekannten Sensoren sind die Sensorwiderstände bei
zwei Brücken
konfiguriert, eine mit einer Magnetisierung in einer x-Richtung
und eine mit einer Magnetisierung in einer y-Richtung. Die x-Brücke liefert
ein Signal proportional zu dem Kosinus des Winkels zwischen der
Richtung des Magnetfeldes des Magneten 110 und einer Referenzmagnetisierungsrichtung,
und der y-Sensor liefert ein Sinussignal proportional zu demselben
Winkel. Unter Verwendung beider Signale ist die Winkelmessung eindeutig.
Ferner werden die Sensorwiderstände,
die diagonal in jeder Brücke
positioniert sind, in Gegenrichtung magnetisiert, um eine maximale
Empfindlichkeit zu erreichen. Somit benötigen bekannte Sensoren üblicherweise
vier unterschiedliche Magnetisierungsrichtungen.
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2 stellt
ein Beispiel eines MR-Sensorwiderstands 200 dar, der in
dem Sensor 112 umfasst ist. Jeder der Sensorwiderstände 200 des
Sensors 112 weist eine festgelegte (bzw. gepinnte; pinned) Magnetschicht 202 auf,
die eine feste Orientierung in einer Referenzmagnetisierungsrichtung 204 aufweist.
Eine nichtmagnetische Abstandhalterschicht 206 trennt eine
freie Magnetschicht 208 und die festgelegte Schicht 202. 3 stellt einen Prozess zum Festlegen der
Referenzmagnetisierungsrichtung 204 dar. Bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
umfasst die festgelegte Schicht 202 eine antiferromagnetische Schicht 210 und
eine ferromagnetische Schicht 212. Bei einigen Ausführungsbeispielen
umfasst die festgelegte Schicht 202 ferner eine Abstandhalterschicht
und eine Referenzschicht. In 3a gibt
es keine spezifische Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht 212.
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Im
Allgemeinen sind die Sensorwiderstandsstrukturen auf einem gemeinsamen
Substrat gebildet und die Magnetisierung wird erreicht durch Anlegen eines
externen Magnetfeldes in der gewünschten Richtung,
Erwärmen
des Sensorelements, um in dieser Richtung magnetisiert zu werden,
und Abkühlen desselben.
In 3b wird Wärme
auf die Struktur ausgeübt
und ein Magnetfeld ist in der Referenzrichtung 204 angelegt.
Bei einigen Ausführungsbeispielen
ist die antiferromagnetische Schicht 210 aus Platinmangan
(PtMn) gebildet und wird z. B. auf eine Temperatur zwischen ungefähr 300–400°C erwärmt. In 3c ist
die Struktur derart abgekühlt,
dass die Austauschvorspannung die Oberfläche der antiferromagnetischen
Schicht 212 ausrichtet, was zu dem Festlegen der ferromagnetischen
Schicht 212 in der Referenzrichtung 204 führt, wie
in 3d dargestellt ist.
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Für Sensorsysteme,
die unterschiedliche Magnetisierungsrichtungen für die individuellen Sensorwiderstände benötigen, ist
ein separater Erwärmungsprozess
zum Festlegen jeder Magnetisierungsrichtung erforderlich. Ferner
müssen
die Elemente ohne Erwärmungselemente
magnetisiert werden, die vorangehend magnetisiert wurden, da dies die
Magnetisierungsrichtung überschreiben
würde. Daher
wird die Magnetisierungsrichtung üblicherweise unter Verwendung
einer lokalen Erwärmung
in Kombination mit einem lokalen/globalen Magnetfeld eingestellt.
Gemäß Aspekten
der vorliegenden Offenbarung sind Ausführungsbeispiele offenbart,
die einen einzelnen Erwärmungsprozess
benötigen,
um die Referenzmagnetisierungsrichtung für alle Sensorwiderstände auf
einem gemeinsamen Substrat eines MR-Sensorsystems einzustellen.
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4 stellt ein Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems 300 dar,
das eine Mehrzahl von MR-Sensorwiderständen verwendet, die in derselben Referenzrichtung
magnetisiert sind. Das Sensorsystem 300 umfasst einen ersten
MR-Sensorwiderstand 301, der eine festgelegte magnetische
Schicht mit einer festen Orientierung in einer Referenzmagnetisierungsrichtung 204 aufweist,
wie oben beschrieben ist. Der erste Sensorwiderstand 301 ist
benachbart zu einem drehbaren Magneten 110 in einem homogenen
Abschnitt des Magnetfeldes positioniert, das durch den Magneten 110 eingerichtet
ist. Anders ausgedrückt
ist der erste Sensorwiderstand 301 an einem Ort positioniert,
wo die Magnetfeldlinien 312 relativ gerade sind und sich
in derselben Richtung erstrecken.
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In
dieser Position ändert
sich der Widerstandswert des ersten Sensorwiderstands 301 ansprechend
auf das Magnetfeld, das durch den Magneten 110 eingerichtet
wird. Der Widerstandswert variiert zwischen einem Minimum und einem
Maximum, abhängig
von dem Winkel zwischen der Referenzmagnetisierungsrichtung 204 und
dem Magnetfeld, gemäß einer
Sinusfunktion.
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Die
Gruppe aus zweiten Sensorwiderständen 302 ist
konfiguriert, um ein Differenzsignal zu liefern. Jeder der zweiten
Sensorwiderstände 302 weist auch
eine festgelegte Magnetschicht mit einer festen Orientierung in
derselben Referenzrichtung 204 auf. Somit kann die Referenzmagnetisierung
aller Widerstände 301, 301 unter
Verwendung eines einzelnen Erwärmungsprozesses
eingestellt werden.
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Die
zweiten Widerstände 302 sind
in einer Region 314 des Magnetfeldes positioniert, die
inhomogen ist. Die Orte dieser Widerstände sind auf eine Weise ausgewählt, dass
die Differenz Minima und Maxima an Winkelpositionen aufweist, die
90° phasenverschoben
gegenüber
dem Sinus des einzelnen, ersten Widerstands 301 sind. Im
Allgemeinen folgt der Widerstandswert der zweiten Widerstände 302 keiner
Sinusfunktion, beide Signale zusammen liefern jedoch eindeutige
Informationen über
den Winkel zwischen der Achse des Magneten 110 und der Magnetisierungsrichtung 204 der
Widerstände 301, 302.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel,
das in 4 dargestellt ist, ist der
erste Sensorwiderstand 301 unter der Drehachse des Magneten 110 positioniert.
Die zweiten Sensorwiderstände
umfassen vier Widerstände 302a, 302b, 302c, 302d,
die im Allgemeinen den ersten Sensorwiderstand 301 umgeben
und in einem inhomogenen Abschnitt des Magnetfeldes positioniert
sind – dem
Abschnitt unter dem Streumagnetfeld 314, wo die Magnetfeldlinien
gekrümmt
sind.
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Im
Allgemeinen verringert für
einen MR-Sensor ein Magnetfeld in der Richtung der Referenzmagnetisierung
den Widerstandswert des MR-Sensorwiderstands und ein Feld in der
entgegengesetzten Richtung erhöht
denselben. In 4a ist die lange Achse des Magneten 110 senkrecht
zu der Referenzrichtung 204 orientiert. In dieser Position
sind die magnetischen Streufeldlinien 314 im Allgemeinen
entgegengesetzt zu der Referenzrichtung 204 für den ersten
und den dritten Sensorwiderstand 302a und 302c orientiert
und erhöhen
daher den Widerstandswert dieser Sensorwiderstände. Für den zweiten und den vierten
Sensorwiderstand 302b und 302d sind die Streufeldlinien 314 im
Allgemeinen in derselben. Richtung orientiert wie die Referenzrichtung 204 und somit
ist der Widerstandswert verringert.
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In 4b hat
sich der Magnet 110 90° gedreht,
derart, dass er parallel zu der Referenzrichtung 204 der
Sensorwiderstände 301, 302 orientiert
ist. In dieser Position sind die magnetischen Streufeldlinien 314 im
Allgemeinen in der Referenzrichtung 204 orientiert, wodurch
somit der Widerstandswert aller zweiten Sensorwiderstände 302a, 302b, 302c, 302d verringert
wird. 4c stellt das System 300 mit
dem Magnet 110 bei ungefähr einem 45°-Winkel relativ zu der Referenzrichtung 204 dar.
Für den
ersten und dritten Sensorwiderstand 302a, 302c der
zweiten Widerstandsgruppe haben die magnetischen Streufeldlinien 314 eine
vernachlässigbare
Wirkung auf den Widerstandswert dieser Sensorwiderstände 302a, 302c,
da sich die Streufeldlinien 314 in beiden Richtungen erstrecken.
In der Region des zweiten und vierten Sensorwiderstands 302b, 302d erstrecken sich
die Feldlinien 314 im Allgemeinen in derselben Richtung
wie die Referenzrichtung 204 und verringern somit den Widerstandswert
des zweiten und vierten Sensorwiderstands 302b, 302d.
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5 stellt ein Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems 300 dar,
wo ein Ringmagnet 111 verwendet wird anstelle des rechteckigen
Magneten 110, der in 4 dargestellt
ist. In 5a sind die homogenen Feldlinien 312,
die durch den Ringmagneten 111 eingerichtet sind, senkrecht
zu der Referenzrichtung 204 orientiert. Entsprechend sind
die magnetischen Streufeldlinien 114 für den ersten und dritten Sensorwiderstand 302a und 302c im
Allgemeinen entgegengesetzt zu der Referenzrichtung 204 orientiert
und erhöhen
daher den Widerstandswert dieser Sensorwiderstände. Für den zweiten und vierten Sensorwiderstand 302b, 302d sind
die Streufeldlinien im Allgemeinen in derselben Richtung orientiert
wie die Referenzrichtung 204 und somit wird der Widerstandswert
verringert.
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In 5b ist
der Ringmagnet 111 90° gedreht,
derart, dass die Feldlinien 312 parallel zu der Referenzrichtung 204 der
Sensorwiderstände 301, 302 sind.
In dieser Position sind die magnetischen Streufeldlinien 314 im
Allgemeinen in der Referenzrichtung 204 orientiert, wodurch
der Widerstandswert aller zweiten Sensorwiderstände 302a, 302b, 302c, 302d verringert
wird.
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6 stellt
ein Beispiel von Signalen von den Sensorwiderständen 301, 302 dar.
Wie oben angegeben wurde, gibt der erste Sensorwiderstand 301 ein
sinusförmiges
Signal 320 ansprechend auf den sich drehenden Magneten
aus. Die zweiten Sensorwiderstände 302 sind
konfiguriert, um Differenzsignale zu liefern, wobei die Kurve 322 der
zweiten Widerstände 302a, 302b, 302c, 302d zum
Beispiel berechnet wird durch Kombinieren der Widerstandswerte gemäß (302a–302b)
+ (302c–302d).
Die Funktionen (302d–302b)
und (302a–302c)
sollten immer 0 sein, was zur Einstellung der Magnetposition und
zum Selbsttesten einer Fehlausrichtung oder einer asymmetrischen
Beschädigung
der Sensoren verwendet werden kann.
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Bei
einigen Ausführungsbeispielen
wird der Winkel unter Verwendung einer Nachschlagtabelle bestimmt,
die die Signale des ersten und zweiten Widerstands 301, 302 mit
Winkelpositionen korreliert. Bei anderen Ausführungsbeispielen wird der Arkustangens
des Quotienten beider Signale berechnet. Die Differenz der zweiten
Sensorwiderstandsgruppe 302 ist keine exakte Kosinusfunktion.
Stattdessen ist das Ergebnis ein gestörter Winkel und ist linearisiert. Bei
einigen Ausführungsbeispielen
wird der Arkussinus des ersten Sensorwiderstands 301 berechnet und
korrekte Region auf der Winkelachse wird basierend auf dem Vorzeichen
des Differenzsignals von den zweiten Widerständen 302 identifiziert.
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7 stellt
ein anderes Ausführungsbeispiel eines
Sensorsystems 400 dar. Dieses Ausführungsbeispiel verwendet die
Formanisotropie in schmalen MR-Streifenstrukturen (z. B. weniger
als 5 μm
Breite). Das Sensorsystem umfasst einen ersten und zweiten MR-Sensorwiderstand 401, 402.
Der erste und der zweite Sensorwiderstand 401, 402 weisen
jeweils eine festgelegte Referenzmagnetisierungsrichtung auf, die
z. B. mit einem Erwärmungsprozess
eingestellt wird, der oben beschrieben ist. Wie bei den vorangehend
offenbarten Ausführungsbeispielen
wird die Referenzmagnetisierungsrichtung des ersten und zweiten
Sensorwiderstands 401, 402 unter Verwendung eines
einzelnen Erwärmungsprozesses
festgelegt.
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Bei
bekannten MR-Sensoren ist die Referenzmagnetisierungsrichtung üblicherweise
senkrecht zu der Streifenlängsachse.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
weisen die Sensorwiderstände 401, 402 jeweils
eine Längsachse 410 auf. Der
erste Sensorwiderstand 401 weist seine Längsachse 410 orientiert
um 90° +
einen Winkel Φ,
wobei Φ < 90°, relativ
zu der Achse der Referenzmagnetisierungsrichtung 204 auf.
Der zweite Sensorwiderstand 402 weist seine Längsachse 410 orientiert
um 90° – Φ relativ
zu der Referenzmagnetisierungsachse 204 auf. Bei einigen
Ausführungsbeispielen
ist Φ zwischen
5° und 85°. Bei einigen
Ausführungsbeispielen
ist der Wert des Winkels Φ aufgrund
von Herstellungstoleranzen etc. nicht genau derselbe für den ersten
und den zweiten Widerstand 401, 402. Elektrisch/magnetisch
macht ein kleiner Unterschied (z. B. +/–4°) zwischen dem Winkel Φ bei dem
ersten und dem zweiten Widerstand keinen wesentlichen Unterschied.
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Eine
Asymmetrie zwischen dem ersten und dem zweiten Sensorwiderstand 401, 402 wird
somit eingebracht. Unter Annahme derselben anfänglichen Referenzmagnetisierungsrich tung
(oder Achse) 204 zwingt die Formanisotropie die Referenzmagnetisierung
für einen
der Sensorwiderstände
in eine Richtung und die entgegengesetzte Richtung für den anderen
Sensorwiderstand. Wenn der Sensor 400 in die Nähe oder über die
Temperatur erwärmt
wird, die erforderlich ist, um die Referenzmagnetisierungsrichtung
festzulegen, oder die „Sperrtemperatur” (ungefähr 300–400°C für PtMn als
den natürlichen
Antiferromagnet), ist die Referenzmagnetisierung fast frei, um entlang
ihres Anisotropie-Kraft-Gradienten
gedreht zu werden – in
entgegengesetzten Richtungen für
den ersten und den zweiten Sensorwiderstand 401, 402,
wie in 8 dargestellt ist.
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Nach
dem Abkühlen
wird die neue Orientierung der Referenzmagnetisierungen 204a, 204b festgelegt.
Als ein Ergebnis werden zwei Sensorwiderstände gebildet, die zumindest
Komponenten aufweisen, die auf antiparallele Weise zueinander ausgerichtet
sind. Daher wird durch eine Kombination der zwei Widerstände in einer
Wheatstone-Brückenkonfiguration
ein Differenzausgangssignal erhalten.
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9 ist
ein Diagramm, das Experimentdaten mit einer ersten und zweiten Kurve 421, 422 darstellt,
und die Ausgangssignale der Sensorwiderstände eines nichtoptimierten
MR-Sensors mit einem
ersten und zweiten Sensorwiderstand mit einem Neigungswinkel von
+/–45° zeigt. Die
Kurven 421, 422 sind für einen Großteil des Bereichs von Magnetfeldwinkeln
angepasst. Nach dem Ausüben
von 375°C für eine Stunde
sind die gedrehten Referenzmagnetisierungsrichtungen des ersten
und zweiten Sensorwiderstands festgelegt, wie bei dem Ausführungsbeispiel,
das in 8 dargestellt ist. Folglich wird ein Winkel von
ungefähr
35° zwischen
den Referenzmagnetisierungsrichtungen des ersten und zweiten Sensorwiderstands
erhalten, was zu einer Abweichung zwischen den Kurven 431, 432 führt, die
verwendet werden kann, um ein Differenzausgangssignal zu liefern,
das verwendet wird, um die Winkelposition des Drehmagneten zu identifizieren.
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Unter
Annahme einer Wheatstone-Brückenkonfiguration
mit dem ersten und zweiten Widerstand 401, 402 wird
ein Differenzausgangssignal durch ein Drehmagnetfeld erzeugt, wie
in 10 dargestellt ist. Ein solches Signal kann verwendet
werden, um einen Sensor zum Erfassen einer Magnetfeldrichtung innerhalb
eines eingeschränkten
Winkelbereichs (weniger als 180° bei
einigen Ausführungsbeispielen) und
mit niedrigen Genauigkeitsanforderungen zu implementieren. Ferner
kann die Magnetfeldstärke
erfasst werden, die z. B. geeignet zur Verwendung als Näherungsschalter
ist.
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11 stellt
schematisch einen MR-Widerstandsstapel 440 dar, der zur
Verwendung bei dem Ausführungsbeispiel
geeignet ist, das in 8 und 9 dargestellt
ist. Er weist eine antiferromagnetische Schicht 442 auf,
die eine natürliche
antiferromagnetische Schicht 444 umfasst, die z. B. aus
IrMn oder PtMn gebildet ist. Eine ferromagnetische Schicht oder
eine festgelegte Schicht 446 ist über dem natürlichen Antiferromagneten 444 positioniert und
hat laut Prozess eine sehr stabile Magnetisierungsrichtung. Eine
nichtmagnetische Abstandhalterschicht 448 trennt die ferromagnetische
Schicht 446 von einer antiferromagnetisch gekoppelten Referenzschicht 450.
Die antiferromagnetische Kopplung wird verwaltet durch die Dicke
der Abstandhalterschicht 448. Die ferromagnetische Schicht 446 und die
Referenzschicht 450 bilden zusammen einen künstlichen
Antiferromagneten 442, der die Stabilität gegen externe Magnetfelder
verbessert. Eine andere Abstandhalterschicht 452 trennt
die Referenzschicht 450 von einer freien Schicht 454.
Die Abweichung der Magnetisierungswinkel zwischen der freien Schicht 454 und
Referenzschicht 450 liefert den Spin-Ventil-Effekt.
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Für Näherungsschalterimplementierungen ist
eine bestimmte Kopplung zwischen der freien Schicht 454 und
der Referenzschicht 450 (entweder ferromagnetisch oder
antiferromagnetisch) notwendig, um eine Rückstellkraft für die Magnetisierung
der freien Schicht zu liefern. Eine solche Kopplungskraft kann eingestellt
werden durch die Dicke der nichtmagnetischen Abstandhalterschicht 452.
Bei einigen Ausführungsbeispielen
hat die Referenzschicht 450 eine Dicke zwischen ungefähr 0,5 nm
und 10 nm und die festgelegte Schicht 446 hat eine Dicke
zwischen ungefähr
0,5 nm und 10 nm.
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Die
offenbarten Ausführungsbeispiele
ermöglichen
die Bildung eines MR-Sensorsystems unter Verwendung eines Einzelerwärmungsprozesses, wie
z. B. dem, der in Verbindung mit 3 offenbart und
beschrieben ist, um die Referenzrichtung einer Mehrzahl von Sensorwiderstandsstrukturen
festzulegen. Im Allgemeinen ist die Mehrzahl der magnetoresistiven
Sensorwiderstandsstrukturen auf einem Substrat gebildet, das konfiguriert
ist, wie z. B. bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen offenbart
ist. Die Widerstandsstrukturen werden erwärmt (ungefähr 300–400°C für PtMn) und ein Magnetfeld
wird in einer Referenzrichtung angelegt. Ein Ofen oder ein thermischer
Schnellhärtprozess
wird bei einigen Ausführungsbeispielen
zur Wärmeanwendung
verwendet. Die Struktur wird dann abgekühlt, um die Referenzmagnetisierungsrichtung
für jede
der Sensorwiderstandsstrukturen zu befestigen. Somit können mit
einem einzelnen Erwärmungsprozess
Widerstandsstrukturen konfiguriert werden, um ein Differenzsignal
auszugeben, das ansprechend auf ein externes Magnetfeld variiert.
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Obwohl
spezifische Ausführungsbeispiele hierin
dargestellt und beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet
erkennen, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder gleichwertigen
Implementierungen für
die spezifischen, gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele
eingesetzt werden kann, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden
Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung soll jegliche Anpassungen
oder Abänderungen
der spezifischen Ausführungsbeispiele
abdecken, die hierin erörtert
werden. Daher ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nur durch
die Ansprüche
und deren Entsprechungen eingeschränkt ist.