DE102010038287A1

DE102010038287A1 - Magnetfeld-Sensorvorrichtung, entsprechendes Herstellungsverfahren und Magnetfeld-Messverfahren

Info

Publication number: DE102010038287A1
Application number: DE102010038287A
Authority: DE
Inventors: Christian Patak
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-07-22
Filing date: 2010-07-22
Publication date: 2012-01-26
Anticipated expiration: 2030-07-23
Also published as: US8866473B2; DE102010038287B4; US20120019241A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Magnetfeld-Sensorvorrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Die Magnetfeld-Sensorvorrichtung umfasst ein Substrat (1), welches einen Graben (4) aufweist; einen in dem Graben (4) gebildeten ferromagnetischen Nanodraht (3; 3'); einen ersten elektrischen Anschluss (5) zum elektrischen Anschließen eines ersten Endes (E1; E1') des ferromagnetischen Nanodrahtes (3; 3'); einen zweiten elektrischen Anschluss (7; 7') zum elektrischen Anschließen eines zweiten Endes (E2; E2') des ferromagnetischen Nanodrahtes (3; 3'); und eine Magnetfeld-Erfassungseinrichtung (10; 10') zum Erfassen eines Magnetfeldes (B) im Bereich des Nanodrahtes (3; 3').

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Magnetfeld-Sensorvorrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren sowie ein Magnetfeld-Messverfahren Obwohl auf beliebige mikromechanische Bauelemente anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Hintergrund im Hinblick auf mikromechanische Sensorvorrichtungen in Siliziumtechnologie erläutert.
Als Magnetfeld-Sensorvorrichtung sind im Stand der Technik Fluxgates bekannt. Bei Fluxgates werden weichmagnetische Kerne periodisch in entgegengerichtete Sättigung getrieben. Die Kerne sind dabei von zwei gegensinnigen Empfängerspulen umwickelt, so dass in beiden Spulen in Abwesenheit eines Feldes sich die induzierten Spannungen aufheben. Liegt nun ein Magnetfeld an, so erzeugt die vektorielle Komponente in Richtung der Kerne ein resultierendes Signal in den Empfängerspulen, das proportional zum angelegten Feld ist.
Die DE 10 2007 032 299 A1 beschreibt eine derartige Magnetfeld-Sensorvorrichtung mit einem Fluxgate-Sensor bestehend aus einer Erregerspule, einer Induktionsspule und einem magnetischem Kern, wobei der Kern aus einem Schichtstapel aus einander abwechselnd angeordneten weichmagnetischen Schichten und diese pinnenden antiferromagnetischen Schichten besteht.
Im Bereich der magnetischen Datenspeicherung ist ein Verfahren zur direkten Änderung der Magnetisierung eines Nanodrahts durch elektrischen Strom bekannt (Parkin et al, Science 11, Vol. 320, Nr. 5873, Seiten 190–194, April 2008). Gemäß diesem bekannten Verfahren werden verschiedene Bits seriell in einem Nanodraht von einigen 100 nm Breite geschrieben und mittels lokaler Spin-Valves wieder ausgelesen.
Vorteile der Erfindung
Die in Anspruch 1 definierte Magnetfeld-Sensorvorrichtung und das entsprechende Herstellungsverfahren nach Anspruch 12 und das Magnetfeld-Messverfahren nach Anspruch 13 weisen den Vorteil auf, dass sie den Bau einer Magnetfeld-Sensorvorrichtung nach dem Fluxgate-Prinzip in beliebige Richtung, insbesondere in z-Richtung, also senkrecht zur Substratebene, ermöglicht. Vorzugsweise kann ein miniaturisiertes System in Dünnschichttechnologie z. B. auf Siliziumsubstratbasis hergestellt werden.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, magnetische Domänen in einem oder mehreren Nanodrähten durch einen elektrischen Strom zu bewegen. Damit entfällt die üblicherweise notwendige Spule zum Ummagnetisieren des magnetischen Kerns, da dies direkt über den elektrischen Strom geschieht. Das Auslesen kann beispielsweise über ein Spin-Valve, eine Pick-up-Spule oder eine sonstige Magnetfleld-Erfassungseinrichtung in der Nähe des oder der Nanodrähte erfolgen.
Die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des betreffenden Gegenstandes der Erfindung.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1a, b schematische Darstellungen zur Erläuterung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetfeld-Sensorvorrichtung, und zwar 1a im Querschnitt A-A' und 1b in oberer Draufsicht; und
2a, b schematische Darstellungen zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetfeld-Sensorvorrichtung, und zwar 2a im Querschnitt A-A' und 2b in oberer Draufsicht.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen dieselben bzw. funktionsgleiche Elemente.
1a, b sind schematische Darstellungen zur Erläuterung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetfeld-Sensorvorrichtung, und zwar 1a im Querschnitt A-A' und 1b in oberer Draufsicht.
In 1a, b bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Siliziumsubstrat. In Siliziumsubstrat 1 vorgesehen sind vergrabene Leiterbahnen l1, l2, welche zu einem an der Oberseite O befindlichen ersten elektrischen Anschluss 5 führen.
Weiterhin ist im Siliziumsubstrat 1 ein Graben 4 beispielsweise durch einen bekannten Trenchätzprozess vorgesehen worden. An der Oberseite O des Siliziumsubstrats 1 befindet sich weiterhin oberhalb des Grabens 4 ein Sockel 2, in den sich der Graben 4 fortsetzt.
Beispielsweise durch ein Sputterprozess oder ein galvanisches Abscheidungsverfahren ist in den Graben 4 ein Nanodraht 3 aus nanokristallinem oder amorphem Ni-Fe gebildet, welcher typischerweise einen Durchmesser von 10 bis einigen 100 nm aufweist.
Der Nanodraht 3 verläuft ausgehend von seinem ersten Ende E1, welches sich in elektrischem Kontakt mit der vergrabenen Leiterbahn I1 befindet, senkrecht, also in z-Richtung, durch das Substrat 1 und erstreckt sich bis zu seinem zweiten Ende E2, welches an der Oberseite O' des Sockels 2 liegt. In elektrischer Verbindung mit dem Nanodraht 3 ist ein zweiter elektrischer Anschluss 7 auf der Oberseite O' des Sockels 2 gebildet.
Umgeben ist der Sockel 2 von einer planaren Pick-up-Spule 10 in Dünnschichttechnologie, welche einen dritten elektrischen Anschluss 9, angeschlossen über eine Leiterbahn 13 und einen vierten elektrischen Anschluss 11, angeschlossen über eine Leiterbahn 14 auf der Oberseite O des Siliziumsubstrats 1 aufweist. Die Pick-up-Spule 10 dient als Magnetfeld-Erfassungseinrichtung und ist zu diesem Zweck an den elektrischen Anschlüssen 9 und 11 mit einer Induktionsspannungs-Messeinrichtung UE elektrisch verbunden.
Eine Stromerzeugungseinrichtung IG liefert einen hochfrequenten, gepulsten Strom, welcher den Nanodraht 3 periodisch ummagnetisiert. Die von der Stromerzeugungseinrichtung IG eingeprägten Wechselströme weisen üblicherweise eine Amplitude vor im Milliamperebereich auf.
Dabei bewegt sich eine Domänenwand senkrecht durch den Nanodraht 3, weil die verstärkte Streuung der Elektronen an der Domänenwand zu einer Kraft auf die Wand führt. Durch ein zu messendes externes Magnetfeld wird diese Wandbewegung gehemmt oder verstärkt, beispielsweise über eine Veränderung der Domänenwandsprungweite pro Puls oder der nötigen Pulsstärke bis Einsetzen der Ummagnetisierung, so dass sich aus den in der Pick-up-Spule 10 induzierten zeitveränderlichen Magnetfeld B das externe Magnetfeld bestimmen lässt, nachdem beispielsweise zuvor eine Kalibrierung ohne externes Magnetfeld durchgeführt worden ist.
Um das Signal-/Rauschverhältnis zu erhöhen, kann es zweckmäßig sein, eine größere Anzahl parallel in z-Richtung durch das Substrat verlaufender Nanodrähte zur Magnetfelderfassung zu verwenden.
Obwohl die Induktionsspannungs-Erfassungseinrichtung UE und die Stromerzeugungsvorrichtung IG bei dem Beispiel nach 1 außerhalb des Siliziumsubstrats 1 vorgesehen sind, können diese gegebenenfalls auch in Siliziumsubstrat 1 zusätzlich integriert sein.
2a, b sind schematische Darstellungen zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetfeld-Sensorvorrichtung, und zwar 2a im Querschnitt A-A' und 2b in oberer Draufsicht.
Bei der Ausführungsform gemäß 2a, b sind die vergrabenen Leiterbahnen L1, L2 und der auf der Oberseite O vorgesehene erste elektrische Anschluss 5 identisch wie bei der obigen Ausführungsform.
Im Unterschied dazu jedoch ist bei dieser zweiten Ausführungsform ein Nanodraht 3' vorgesehen, welcher an der Oberseite O2' eines modifizierten, d. h. flacheren und breiteren, Sockels 2' eine derartige Biegung T aufweist, dass ein in der Nähe des zweiten Endes E2' des Nanodrahts 3' befindlicher Bereich 33' im Wesentlichen parallel zur Oberseite O des Siliziumsubstrats 1 verläuft. Der Nanodraht 3' nimmt somit eine umgekehrte L-Form an. Im modifizierten Sockel 2' unterhalb des Bereichs 33' vorgesehen ist ein Spin-Valve 10', welches über Leiterbahnen I3', I4' mit einem entsprechenden elektrischen Anschluss 9' und 11' verbunden ist. Im Bereich 33' auf der Oberseite des Nanodrahts 3' vorgesehen ist bei dieser Ausführungsform der zweite elektrische Anschluss 7'.
Wie bei der ersten Ausführungsform ist eine Stromerzeugungseinrichtung IG mit den elektrischen Anschlüssen 5' und 7' verbunden, um den Wechselstrom zum Ummagnetisieren des Nanodrahts 3' zu liefern.
Die elektrischen Anschlüsse 9' und 11' sind mit einer Widerstands-Erfassungseinrichtung RE verbunden, welche den sich unter dem Einfluss des zeitveränderlichen Magnetfelds B veränderlichen elektrischen Widerstand des Spin-Valves misst, wodurch sich ein vorhandenes externes Magnetfeld bestimmen lässt, wie oben bereits beschrieben.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Obwohl bei den obigen Ausführungsformen der Nanodraht durch Sputtern oder eine galvanische Abscheidung gebildet wurde, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, und es können auch andere Abscheidungsverfahren, wie zum Beispiel Dampfphasen-Abscheidungsverfahren angewendet werden. Als Beispiel für ein verhältnismäßig leicht ummagnetisierbares ferromagnetisches Material wurde eine Ni-Fe-Legierung in nanokristallinem und amorphem Zustand angeführt. Es sind jedoch auch andere ferromagnetische Materialien je nach Einsatzgebiet anwendbar.
Obwohl bei den beiden obigen Ausführungsformen der Nanodraht im Substrat in senkrechter Orientierung, also in z-Richtung, vorgesehen ist, ist die Erfindung darauf nicht beschränkt, und es können auch schräge oder waagrechte Nanodrähte in derartigen Magnetfeld-Sensoreinrichtungen vorgesehen werden.
Obwohl bei den obigen Ausführungsformen der Nanodraht eine homogene Zusammensetzung aus Ni-Fe aufweist, ist es ebenfalls möglich durch variierende Abscheidungsprozesse einen Nanodraht vorzusehen, der in Längsrichtung eine Multilagenstruktur aus verschiedenen Materialien aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007032299 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Parkin et al, Science 11, Vol. 320, Nr. 5873, Seiten 190–194, April 2008 [0004]

Claims

Magnetfeld-Sensorvorrichtung mit: einem Substrat (1), welches einen Graben (4) aufweist; einem in dem Graben (4) gebildeten ferromagnetischen Nanodraht (3; 3'); einem ersten elektrischen Anschluss (5) zum elektrischen Anschließen eines ersten Endes (E1; E1') des ferromagnetischen Nanodrahtes (3; 3'); einem zweiten elektrischen Anschluss (7; 7') zum elektrischen Anschließen eines zweiten Endes (E2; E2') des ferromagnetischen Nanodrahtes (3; 3'); und einer Magnetfeld-Erfassungseinrichtung (10; 10') zum Erfassen eines Magnetfeldes (B) im Bereich des Nanodrahtes (3; 3').
Magnetfeld-Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, welche weiterhin aufweist: eine Stromerzeugungseinrichtung (IG), welche mit dem ersten elektrischen Anschluss (5) und mit dem zweiten elektrischen Anschluss (7; 7') verbunden ist, zum Erzeugen eines Wechselstroms zum Ummagnetisieren des Nanodrahtes (3; 3').
Magnetfeld-Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Magnetfeld-Erfassungseinrichtung (10; 10') eine Pick-up-Spule (10) aufweist.
Magnetfeld-Sensorvorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Nanodraht (3; 3') bis in einen oberhalb der Oberseite (O) des Substrats (1) gebildeten Sockel (2; 2') geführt ist und die Pick-up-Spule auf der Oberseite (O) um den Sockel (2; 2') geführt ist.
Magnetfeld-Sensorvorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Nanodraht (3; 3') im wesentlichen senkrecht bis in den Sockel (2; 2') geführt ist und die Pick-up-Spule (10) eine auf der Oberseite (O) aufgebrachte Planarspule ist.
Magnetfeld-Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Magnetfeld-Erfassungseinrichtung (10; 10') ein Spin-Valve (10') aufweist.
Magnetfeld-Sensorvorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Nanodraht (3; 3') bis in einen oberhalb der Oberseite (O) des Substrats (1) gebildeten Sockel (2; 2') geführt ist und das Spin-Valve in dem Sockel (2; 2') vorgesehen ist.
Magnetfeld-Sensorvorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Nanodraht (3; 3') im wesentlichen senkrecht bis in den Sockel (2; 2') geführt ist und eine derartige Biegung (T) oberhalb der Oberseite (O) aufweist, dass ein in der Nähe des zweiten Endes (E2') befindlicher Bereich (33') des Nanodrahtes (3; 3') im wesentlichen parallel zur Oberseite (O) verläuft.
Magnetfeld-Sensorvorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Spin-Valve in dem Sockel (2; 2') unterhalb des Bereiches (33') vorgesehen ist.
Magnetfeld-Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Nanodraht (3; 3') aus nanokristallinem oder amorphem Ni-Fe besteht.
Magnetfeld-Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste elektrische Anschluss (5) über ein oder mehrere vergrabene Leiterbahnen (l1, l2) mit dem ersten Endes (E1; E1') des ferromagnetischen Nanodrahtes (3; 3') verbunden ist.
Herstellungsverfahren zum Herstellen einer Magnetfeld-Sensorvorrichtung mit den Schritten: Bereitstellen von einem Substrat (1), welches einen Graben (4) aufweist; Bilden eines ferromagnetischen Nanodrahts (3; 3') in dem Graben (4) durch ein oder mehrere Abscheidungsprozesse; Bilden eines ersten elektrischen Anschlusses (5) und einer oder mehrerer vergrabener Leiterbahnen (l1, l2) zum elektrischen Anschließen eines ersten Endes (E1; E1') des ferromagnetischen Nanodrahtes (3; 3'); Bilden eines zweiten elektrischen Anschlusses (7; 7') zum elektrischen Anschließen eines zweiten Endes (E2; E2') des ferromagnetischen Nanodrahtes (3; 3'); und Bilden einer Magnetfeld-Erfassungseinrichtung (10; 10') zum Erfassen eines Magnetfeldes (B) im Bereich des Nanodrahtes (3; 3').
Magnetfeld-Messverfahren mit den Schritten: Anlegen eines Wechselstroms an einen in einem Grabens (4) eines Substrats (1) gebildeten Nanodraht zum Ummagnetisieren des Nanodrahtes (3; 3'); und gleichzeitiges Erfassen eines zeitveränderlichen Magnetfeldes (B) im Bereich des Nanodrahtes (3; 3').