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Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zum Messen einer mechanischen Verformung eines Körpers. Die Messvorrichtung umfasst wenigstens ein Spin-Valve-Sensorelement zum Messen einer mechanischen Spannung (Zug oder Druck), welche durch die Verformung des Körpers in dem Spin-Valve-Sensorelement hervorgerufen werden kann. Die Erfindung betrifft auch ein entsprechendes Messverfahren zum Messen der mechanischen Verformung des Körpers mittels wenigstens eines Spin-Valve-Sensorelements.
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Ein Spin-Valve-Sensorelement der genannten Art ist aus der
DE 102 14 946 B4 bekannt. Anhand von
1 ist im Folgenden ein prinzipieller Aufbau eines solchen Sensorelements erläutert. Das gezeigte Spin-Valve-Sensorelement umfasst ein Schichtsystem
10 aus zwei magnetischen Schichten
12,
14, zwischen denen sich eine Entkoppelungsschicht
16 befindet. Eine der magnetischen Schichten, die sogenannte harte Schicht (Englisch: hard layer) oder Referenzschicht
12, weist eine feste Magnetisierung auf, deren Ausrichtung
18 in Bezug auf die Geometrie des Sensorelements fest ist, so dass sie sich im bestimmungsgemäßen Betrieb des Sensorelements nicht signifikant verändert. Bei der zweiten magnetischen Schicht
14 ist dagegen eine Ausrichtung
22 einer Magnetisierung in der Schichtebene frei um eine senkrecht zu der Schichtebene verlaufende Hochachse
20 rotierbar. Diese Schicht wird deshalb als freie Schicht
14 (Englisch: free layer) bezeichnet. Durch die Entkoppelungsschicht
16 sind die freie Schicht
14 und die Referenzschicht
12 magnetisch weitestgehend voneinander entkoppelt.
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Die Entkoppelungsschicht 16 kann dabei aus einem elektrisch leitenden Material oder einem elektrischen Isolator bestehen. Falls die Entkopplungsschicht 16 elektrisch leitend ist, lässt sich mittels des Schichtsystems 10 der GMR-Effekt (GMR – Giant Magnetoresistance, Riesenmagnetowiderstand) hervorrufen: Falls ein äußeres magnetisches Feld die freie Schicht 14 durchdringt und hierbei die Richtung 22 der Magnetisierung der freien Schicht 14 gegen die Ausrichtung 18 der Referenzschicht 12 verdreht, ist dies als Änderung eines elektrischen Widerstands in der Entkoppelungsschicht 16 messbar.
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Handelt es sich dagegen bei dem Material der Entkopplungsschicht 16 um einen elektrischen Isolator, lässt sich der TMR-Effekt (TMR – Tunnel Magnetoresistance, magnetischer Tunnelwiderstand) hervorrufen. Im Unterschied zum GMR-Effekt wird hier durch das äußere Magnetfeld ein elektrischer Tunnelwiderstand des Schichtsystems 10 verändert, wie er zwischen der freien Schicht 14 und der Referenzschicht 12 durch die Entkopplungsschicht 16 hindurch gemessen werden kann.
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In der oben genannten Druckschrift weist das Spin-Valve-Sensorelement eine freie Schicht auf, die ein magnetostriktives Material umfasst. Die Richtung der Magnetisierung des magnetostriktiven Materials wird hier durch inverse Magnetostriktion verändert. Ein solches Sensorelement ist hier als magnetostriktives Spin-Valve-Sensorelement bezeichnet. Bei diesem ist die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht von einer Verformung der freien Schicht abhängig, wie sie durch eine mechanische Spannung in der freien Schicht verursacht werden kann. Somit ist also der elektrische Widerstand (Riesenmagnetowiderstand bzw. Tunnelwiderstand) nicht nur durch ein äußeres Magnetfeld, sondern auch durch Verformen der freien Schicht veränderbar. Durch Befestigen eines solchen Spin-Valve-Sensorelements auf einen Körper kann somit eine Verformung dieses Körpers als eine Änderung des elektrischen Widerstands des Spin-Valve-Sensorelments erfasst werden. Ein Grad der Verformung kann dann anhand einer Kennlinie ermittelt werden, durch welche ein Zusammenhang zwischen einem Grad der Verformung und eine dadurch hervorgerufene Änderung des elektrischen Widerstands des Spin-Valve-Sensorelements beschrieben ist.
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Problematisch bei einer Messung der Verformung eines Körpers mit einem derartigen magnetostriktiven Spin-Valve-Sensorelement ist dabei, dass sich der Grad der Verformung oftmals nicht eindeutig ermitteln lässt, da zum einen eine Hysterese des magnetischen Materials der freien Schicht und zum anderen intrinsische magnetische Anisotropien in der freien Schicht (Formanisotropien, Kristallanisotropien, Oberflächenanisotropieen und dergl.) bei einer gegebenen mechanische Verformung der freien Schicht zu einem von mehreren möglichen, unterschiedlichen elektrischen Widerstandswerten des Spin-Valve-Sensorelements führen können. Insbesondere bei Waagen sind daher heutzutage noch Dehnungsmessstreifen (DMS) als Sensorelemente bevorzugt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zum Messen einer mechanischen Verformung eines Körpers eine Messvorrichtung bereitzustellen, die eine möglichst lineare Kennlinie aufweist. Die Messvorrichtung soll insbesondere in einer Waage verwendet werden können.
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Die Aufgabe wird durch eine Messvorrichtung gemäß Anspruch 1, eine Waage gemäß Anspruch 13 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.
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Die erfindungsgemäße Messvorrichtung weist mindestens ein magnetostriktives Spin-Valve-Sensorelement auf. Bei diesem ist durch eine magnetische Formanisotropie der freien Schicht eine Formanisotropieachse festgelegt und hierdurch die Richtung der Magnetisierung in einem mechanisch spannungsfreien Zustand der freien Schicht zu einem ersten Anteil durch die Formanisotropieachse vorgegeben. Des Weiteren weist die erfindungsgemäße Messvorrichtung eine magnetische Ausrichteinrichtung zum Ausrichten der Magnetisierung der freien Schicht in eine Pinning-Richtung auf. Hierdurch ist die Magnetisierung der freien Schicht im mechanisch spannungsfreien Zustand zu einem zweiten Anteil durch die Ausrichteinrichtung vorgegeben, d.h. es überlagern sich der Einfluss der Formanisotropie und derjenige der Ausrichteinrichtung. Die Pinning-Richtung ist dabei in einem Winkel zur Formanisotropieachse angeordnet, so dass die Magnetisierung der freien Schicht im spannungsfreien Zustand derselben in eine Richtung weist, die von einer Verlaufsrichtung der Formanisotropieachse verschiedenen ist. Der erste Anteil ist dabei selbstverständlich größer als der zweite Anteil, d.h. der Einfluss der Formanisotropie überwiegt. So bleibt die Magnetisierung der freien Schicht durch eine Verformung der freien Schicht rotierbar. Der Winkel zwischen der Pinning-Richtung und der Formanisotropieachse ist bevorzugt betragsmäßig kleiner 40°. Er liegt insbesondere in einem Intervall von 10° bis 20°.
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Die erfindungsgemäße Messvorrichtung weist den Vorteil auf, dass sich bei einer mechanischen Verformung der freien Schicht eine eindeutige Drehrichtung der Magnetisierung der freien Schicht ergibt. Mit anderen Worten kann der elektrische Widerstand des Sensorelements nicht zufällig entweder größer oder kleiner werden, wenn die freie Schicht verformt wird. Anders als bei einer symmetrischen Ausrichtung der Magnetisierung entlang der Formanisotropieachse können sich durch die anfängliche Auslenkung der Magnetisierung nicht zwei energetisch gleichwertige Drehlagen der Magnetisierung ergeben, von denen die Magnetisierung dann eine zufällig einnimmt. Die anfängliche Auslenkung der Magnetisierung der freien Schicht trägt somit in erheblichem Maße zur Liniearisierung der Kennlinie des Spin-Valve-Sensorelements bei.
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Die Ausrichteinrichtung kann beispielsweise durch einen oder mehrere Dauermagneten realisiert werden, die in einer Umgebung des Spin-Valve-Sensorelements angeordnet sind, so dass das stationäre Magnetfeld der Dauermagneten die freie Schicht durchdringt.
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Bevorzugt weist die Ausrichteinrichtung aber eine Pinning-Schicht auf, welche eine antiferromagnetische Schichtanordnung umfasst und die auf der freien Schicht angeordnet ist.
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Dann ergibt sich der Vorteil, dass die Pinning-Schicht der Ausrichteinrichtung im Rahmen einer Herstellung einer integrierten Schaltung (IC – integrated circuit) als Backendprozess auf die freie Schicht aufgebracht werden kann. Somit lässt sich die gesamte Messvorrichtung beispielsweise auf eine CMOS-Schaltung eines IC aufbringen. Es wird dann keine zusätzliche Chipfläche benötigt. Ein weiterer Vorteil einer Pinning-Schicht besteht darin, dass sie eine unidirektionale Anisotropie in die freie Schicht einprägt und somit die Magnetisierung der freien Schicht auch im mechanisch spannungsfreien Zustand stets in dieselbe vorbestimmte Richtung weist.
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Die Pinning-Schicht umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform der Messvorrichtung ein natürliches antiferromagnetisches Material. Hierbei ist das Ausrichten der Magnetisierung der freien Schicht in die Pinning-Richtung dann durch einen Exchange-Bias-Effekt bewirkt. Die antiferromagnetische Schichtanordnung der Ausrichteinrichtung ist dann in vorteilhafter Weise mit einer einzigen zusätzlichen Schicht realisierbar.
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Im Zusammenhang mit einer Pinning-Schicht, die ein natürliches antiferromagnetisches Material umfasst, ergibt sich eine vorteilhafte Weiterbildung der Messvorrichtung, wenn durch das antiferromagnetische Material eine Verringerung einer Hysterese des magnetostriktiven Materials der freien Schicht bewirkt ist. Hier hat sich beispielsweise Iridiummangan (IrMn) als geeignet erwiesen. Durch das Pinnen an IrMn wird ein fast idealer Eindomänenzustand in der freien Schicht erreicht, wodurch bei einer Ummagnetisierung derselben Rotationsprozesse stark bevorzugt werden.
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Im Zusammenhang mit der Referenzschicht des wenigstens einen Spin-Valve-Sensorelements weist diese bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Messvorrichtung eine Magnetisierung auf, die fest in eine Referenzrichtung ausgerichtet ist, die quer, insbesondere senkrecht, zu der Richtung angeordnet ist, in welche die Magnetisierung der freien Schicht im mechanisch spannungsfreien Zustand weist. Diese Art der Ausrichtung der Magnetisierung der Referenzschicht ist im Folgenden als gekreuzte Anisotropie bezeichnet. Durch sie ergibt sich der Vorteil, dass das Spin-Valve-Sensorelement im spannungsfreien Zustand der freien Schicht einen Arbeitspunkt in einem linear verlaufenden Abschnitt der Kennlinie einnimmt, an dem sich zudem eine besonders hohe Sensitivität des Sensorelements in Bezug auf eine mechanische Verformung ergibt.
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Eine zwischen der freien Schicht und der Referenzschicht befindliche Entkoppelungsschicht des Sensorelements kann bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung selbstverständlich aus einem Material sein, welches in dem Sensorelement entweder einen GMR-Effekt oder einen TMR-Effekt hervorruft.
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In Bezug auf die geometrische Ausgestaltung des wenigstens einen Spin-Valve-Sensorelements ergibt sich ein Vorteil, wenn dieses streifenförmig ausgestaltet ist und hierbei die Formanisotropieachse eine Längsachse der Streifenform bildet. Dann lassen sich ein Einfluss der Formanisotropie einerseits und einer Pinning-Schicht andererseits durch ein experimentell einfach zu ermittelndes Verhältnis der Breite und der Dicke der Pinning-Schicht vorgeben. Zugleich ist es hierbei möglich, eine Temperaturabhängigkeit der Kennlinie des Sensorelements auf die gleiche Weise zu minimieren.
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Um mittels der erfindungsgemäßen Messvorrichtung eine in einem Körper entlang einer Messachse wirkende mechanische Spannung zu messen, ist das wenigstens eine Spin-Valve-Sensorelement an dem Körper bevorzugt derart angeordnet, dass die Pinning-Richtung der Ausrichteinrichtung oder eine Verlaufsrichtung der Formanisotropieachse parallel zur Messachse ausgerichtet ist. Im Zusammenhang mit einer gekreuzten Anisotropie und/oder einer streifenförmigen Ausgestaltung des wenigstens einen Sensorelements hat sich dies als vorteilhaft erwiesen, um bereits bei einer geringen Verformung der freien Schicht eine verhältnismäßig große Widerstandsänderung zu bewirken. Ein streifenförmiges Sensorelement ermöglicht es hierbei, eine Sensitivität der Messvorrichtung bei gegebener Chipfläche zu maximieren, indem es im wesentlichen längs der Richtung einer zu erwartenden Längenänderung eines Körpers angeordnet wird.
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Um eine Druckspannung zu messen, ist in der freien Schicht bevorzugt ein Material mit einer positiven Magnetostriktion vorgesehen, zum Messen einer Zugspannung dagegen eines mit einer negativen Magnetostriktion. Eine positive Magnetostriktion meint hierbei, dass die Magnetisierung bei Zugspannung zunimmt. Bei einer negativen Magnetrestriktion wird sie dagegen durch Zugspannung verringert.
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Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung mit einer besonders hohen Messempfindlichkeit ergibt sich, wenn die Messvorrichtung vier Spin-Valve-Sensorelemente aufweist, die gemäß einer der beschriebenen Ausführungsformen der bereits beschriebenen erfindungsgemäßen Messvorrichtung ausgestaltet sind und die zu einer Wheatstoneschen Messbrücke verschaltet sind. Hierdurch wird eine genauere, von Temperaturschwankungen und Fremdfeldern in nur geringem Maß beeinflusste Messung erreicht.
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Dabei ist dann insbesondere vorgesehen, dass die Spin-Valve-Sensorelemente streifenförmig ausgebildet und paarweise V-förmig angeordnet sind. Die Formanisotropieachsen der Spin-Valve-Sensorelemente schließen dabei jeweils mit der erwähnten Messachse einen Winkel ein, dessen Betrag größer als 0°, insbesondere größer als 5°, und kleiner als 40°, insbesondere kleiner als 30°, ist und hierbei bevorzugt in einem Intervall von 10° bis einschließlich 20° liegt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass bei allen Sensorelementen die Magnetisierungen der Referenzschichten in dieselbe Richtung weisen können. Genauso können die Magnetisierungen der Pinning-Schichten ebenfalls in eine gemeinsame Richtung weisen. Die Magnetisierungen der Referenzschichten einerseits und die Magnetisierungen der Pinning-Schichten andererseits können somit bei der Herstellung der Sensorelemente für alle Sensorelemente jeweils in demselben Arbeitsschritt eingeprägt werden. Die Messbrücke lässt sich damit besonders kostengünstig herstellen. Das Ausrichten der Magnetisierungen der Referenzschicht bzw. der Pinning-Schicht ist dabei mit aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren möglich.
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Ein besonders kompakter Aufbau der Messvorrichtung ergibt sich, wenn die Spin-Valve-Sensorelemente zusätzlich paarweise parallel angeordnet sind.
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Als ganz besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Vorrichtung zusätzlich eine magnetische Felderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines magnetischen Feldes mit einer einstellbaren Feldstärke aufweist, also beispielsweise eine Spule. Hierbei ist dann vorgesehen, mittels einer Regeleinrichtung einen elektrischen Widerstand des wenigstens einen Spin-Valve-Sensorelements zu ermitteln und die Feldstärke in Abhängigkeit von dem ermittelten Widerstand einzustellen. Diese Messanordnung (mit der Felderzeugungseinrichtung plus Regeleinrichtung) stellt eine unabhängige Erfindung dar, die auch im Zusammenhang mit einem oder mehreren herkömmlichen Spin-Valve-Sensorelementen bzw. magnetostriktiven Spin-Valve-Sensorelementen sowie einer Brückenschaltung aus solchen Sensorelementen realisiert werden kann.
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Mittels der Felderzeugungseinrichtung und der Regeleinrichtung lässt das folgende erfindungsgemäße Verfahren durchführen. Wenn eine Ausrichtung einer Magnetisierung in der freien Schicht des wenigstens einen Spin-Valve-Sensorelements durch eine mechanische Verformung verändert wird, ändert sich hierdurch auch in der beschriebenen Weise durch den GMR-Effekt bzw. den TMR-Effekt der elektrische Widerstand des wenigstens einen Spin-Valve-Sensorelements. Hierdurch wird mittels des wenigstens einen Spin-Valve-Sensorelements eine elektrische Größe, wie z.B. eine elektrische Spannung oder ein Strom, eingestellt. Durch die Regeleinrichtung wird nun ein Wert für die elektrische Größe ermittelt und dieser Wert mit einem Referenzwert verglichen. In Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs wird dann durch die Regeleinrichtung ein magnetisches Feld in der freien Schicht mittels der Felderzeugungseinrichtung erzeugt und hierdurch die durch die Verformung bewirkte Veränderung der Ausrichtung der Magnetisierung der freien Schicht kompensiert. Der notwendige Kompensationsstrom ist dabei ein Maß für die in der freien Schicht wirkende mechanische Spannung. Insgesamt lässt sich hierbei der lineare Messbereich der Sensorelemente signifikant vergrößern. Dadurch kann eine sehr hohe Empfindlichkeit bei sehr großem linearen Messbereich erreicht werden. Zudem wird ein Einfluss einer Hysterese des magnetischen Materials der freien Schicht verringert.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die magnetische Felderzeugungsvorrichtung eine spiralförmige, flache Spule aufweist, die an dem wenigstens einen Spin-Valve-Sensorelement angeordnet ist. So lässt sich die Messvorrichtung besonders flach ausgestalten.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Waage zum Messen eines Gewichts eines Objekts. Die erfindungsgemäße Waage weist wenigstens eine Messvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung auf.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Das zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Schichtsystems eines Spin-Valve-Sensorelements gemäß dem Stand der Technik,
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2 eine schematische Darstellung einer perspektivischen Ansicht eines Schichtsystems eines magnetostriktiven Spin-Valve-Sensorelements, welches in einer Messschaltung gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung eingebaut ist,
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3 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf das Sensorelement von 2,
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4 eine schematische Darstellung einer Schnittansicht des Sensorelements von 2,
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5 eine Brückenschaltung der Messvorrichtung, in welche das Sensorelement eingebaut ist, und
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6. eine Brückenschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung.
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Die Beispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar.
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In 2 ist ein Sensorelement 24 gezeigt, das ein magnetostriktives Spin-Valve-Sensorelement darstellt. Von einem Schichtsystem des Sensorelements 24 sind in 2 eine Referenzschicht 26, eine Entkopplungsschicht 28, eine freie Schicht 30 und eine Pinning-Schicht 32 dargestellt. Das Sensorelement 24 ist entlang seiner Gesamtdicke T im Verhältnis zu seiner Breite b sowie im Verhältnis zu seiner Länge l überproportional vergrößert dargestellt. Insgesamt weist das Sensorelement 24 eine Streifenform auf, die sich mit ihrer größten Ausdehnung in Richtung der Länge l entlang einer Längsachse 34 erstreckt.
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Durch Ziehen oder Drücken des Sensorelements 24 entlang der Längsachse 34 kann eine Magnetisierung der freien Schicht 30 bezüglich einer fest ausgerichteten Magnetisierung der Referenzschicht 26 um eine Hochachse 36 verdreht werden. Hierdurch ändert sich ein elektrischer Widerstand, der zwischen Enden der Entkopplungsschicht 28 in Richtung der Längsachse 34 gemessen werden kann.
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Die Ausrichtungen der Magnetisierungen der einzelnen magnetischen Schichten 26, 30 ist im Folgenden anhand von 3 erläutert, in welcher eine Draufsicht auf das Sensorelement 24 aus einer Blickrichtung 38 gezeigt ist.
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In der freien Schicht 30 überlagern sich ein Einfluss einer Formanisotropie der freien Schicht 30 und ein durch die Pinning-Schicht 32 induzierter Exchange-Bias. Eine Formanisotropieachse der freien Schicht 30 entspricht der Längsachse 34. Durch die Formanisotropie allein ergeben sich zwei Vorzugrichtungen 38, 40, in welche eine Magnetisierung 42 der freien Schicht 30 weisen könnte, wenn auf das Sensorelement 24 keine mechanische Spannung wirkt. Der Exchange-Bias der Pinning-Schicht 32 bewirkt in der freien Schicht 30 eine unidirektionale Anisotropie in eine Pinning-Richtung 44. Die Pinning-Richtung 44 schließt mit der Formanisotropieachse, d.h. hier der Längsachse 34, einen Winkel 46 ein, dessen Betrag hier in einem Intervall von 10° bis 20° liegt. Durch die Überlagerung des Einflusses der Formanisotropie und des Pinnings weist die Magnetisierung 42 der freien Schicht 30 insgesamt in eine Richtung zwischen die Längsachse 34 und die Pinning-Richtung 44. Die Richtung, in welche die Magnetisierung 42 weist, ist in 3 und in den weiteren Figuren durch das Pfeilsymbol angedeutet.
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Eine Magnetisierung 48 der Referenzschicht 26 ist hier senkrecht zur Richtung der Magnetisierung 42 der freien Schicht 30 ausgerichtet, zumindest jedoch in einem Winkel zwischen 75° und 105°.
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Anhand von 4 ist im Folgenden ein beispielhafter Aufbau des Schichtsystems des Sensorelements 24 beschrieben. In 4 ist dazu eine Schnittansicht entlang der in 2 gezeigten Schnittlinie dargestellt. In 4 ist dabei zu den einzelnen Teilschichten das Material, aus welchem die jeweilige Teilschicht gebildet ist, sowie eine jeweilige Schichtdicke (in Nanometern nm) angegeben.
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Die Referenzschicht 26 besteht aus insgesamt vier Teilschichten. Hierbei ist durch den natürlichen Antiferromagneten IrMn und die beiden Teilschichten aus dem Ferromagneten CoFe, die über eine Teilschicht aus Ru gekoppelt sind, insgesamt eine ebenfalls als Pinning bezeichnete feste Ausrichtung der Magnetisierung 48 der Referenzschicht 26 bewirkt. Die Teilschichten der Referenzschicht 26 wirken hierbei als künstlicher Antiferromagnet.
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Die das eigentliche Spin-Valve-Sensorelement bildenden Schichten 26 bis 32 sind durch eine Keimschicht 50 einerseits und ein Passivierungsschicht 52 andererseits eingefasst.
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Durch die gewählten Schichtdicken, insbesondere ein Schichtdicke t der freien Schicht 30, ist bei einer Länge l von 2 mm und einer Breite b von 1,5 µm (Mikrometer) zum einen bewirkt, dass die Formanisotropie der freien Schicht 30 deutlich größer als die durch die Pinning-Schicht 32 in die freie Schicht 30 eingeprägte, in die Pinning-Richtung 44 weisende Bias-Exchange-Feldstärke ist. Zum anderen stellt die Schichtdicke t der freien Schicht 30 ein Optimum bezüglich einer Temperaturunabhängigkeit derjenigen Kennlinie des Sensorelements 24 dar, die eine Widerstandsänderung in Abhängigkeit von einer entlang der Pinning-Richtung 44 wirkenden mechanischen Spannung beschreibt.
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Die Anisotropiefeldstärke in der freien Schicht 30 setzt sich hauptsächlich aus zwei Bestandteilen zusammen, die Formanisotoropie und das Pinning. Die Formanisotropie ist bei langen Sensorstreifen unter anderem stark von der Breite b und der Dicke t der freien Schicht 30 abhängig. Der zweite Anteil, der auf das Pinning an den natürlichen Antiferromagneten zurückzuführen ist, ist unter anderem stark von der Dicke t der freien Schicht abhängig. Dieser Anteil ist auch als Exchange-Bias-Feld bekannt. Die sich insgesamt in der freien Schicht 30 durch die Überlagerung der Anisotropien ergebende Feldstärke H kann dabei gemäß der folgenden Gleichung ermittelt werden: H = A·t/b + B/t, wobei A ein Koeffizient zur Charakterisierung der Formanisotropie und B ein Koeffizient zur Charakterisierung des Pinnings ist. Die beiden Koeffizienten können in einfachen Experimenten für unterschiedliche Materialien ermittelt werden.
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In 5 ist eine Brückenschaltung 54 gezeigt, die aus dem Sensorelement 24 und drei weiteren Sensorelementen 56, 58, 60 gebildet ist. Die Sensorelemente 56, 58, 60 sind in der gleichen Weise ausgestaltet wie das Sensorelement 24.
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Eine Spannungsquelle 62 der Brückenschaltung 54 erzeugt eine elektrische Betriebsspannung U0, durch welche jeweils ein Strom durch zwei Brückenzweige 64, 66 getrieben wird, in denen jeweils zwei der Sensorelemente 24, 56, 58, 60 als elektrische Widerstände wirken. Die Sensorelemente 24, 56, 58, 60 sind dazu mit ihrer jeweiligen Entkopplungsschicht an Leiterbahnen der Brückenschaltung 54 angeschlossen. Zwischen Verbindungsanschlüssen 68, 70 fällt eine elektrische Brückenspannung Ub ab.
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Mit der Brückenschaltung 54 wird eine mechanische Spannung entlang einer Messachse 72 an einer Oberfläche 74 eines Körpers gemessen. Dazu sind die vier Sensorelemente 24, 56, 58, 60 an der Oberfläche 74 des Körpers befestigt. Sie können z.B. auf die Oberfläche geklebt sein. Das Sensorelement 24 ist dabei auf der Oberfläche 74 der Art ausgerichtet, dass die Pinning-Richtung 44 der Pinning-Schicht 32 parallel zur Messachse 72 ausgerichtet ist. Mit anderen Worten ist das Sensorelement 24 gegen die Richtung der zu messenden mechanischen Spannung um einen Winkel 76 verkippt. Der Winkel 76 kann hier beispielsweise einen Wert von 10° bis 20° aufweisen. Im spannungsfreien Zustand des Körpers beträgt die Brückenspannung Ub nahezu 0V.
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Im Folgenden sei angenommen, dass eine Zugspannung in dem Körper wirkt. Hierdurch dehnt sich dann auch die Oberfläche 74 entlang der Messachse 74. Dies dehnt auch das Sensorelement 24, und insbesondere dessen freie Schicht 30. Durch inverse Magnetostriktion ändert sich deshalb die Ausrichtung der Magnetisierung 42 in der Freienschicht 30. Die Magnetisierung 42 rotiert in dem Beispiel um die Hochachse 36 in eine Rotationsrichtung 78. Hierdurch vergrößert sich der elektrische Widerstand des Sensorelements 24, der in der Brückenschaltung 54 wirkt.
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Das Sensorelement 24 und das entsprechende Sensorelement 60 des Brückenzweigs 66 sind V-förmig zueinander angeordnet, d.h. ihre jeweiligen Längsachsen 34, 80 sind in einem spitzen Winkel zueinander angeordnet. Genauso sind Längsachsen 82, 84 des Sensorelements 56 des Brückenzweigs 64 und des entsprechenden Sensorelements 58 des Brückenzweigs 66 in einem spitzen Winkel zueinander angeordnet. Die Längsachsen 80, 82, 84 sind zugleich Formanisotropieachsen der Sensorelemente 56, 58 bzw. 60. Die Pinning-Schichten aller Sensorelemente 24, 56, 58, 60 wirken dabei in eine gemeinsame Pinning-Richtung, d.h. die Pinning-Richtung 44 auf die jeweiligen freien Schichten der Sensorelemente 24, 56, 58, 60 durch Pinning ein. Auch die Magnetisierungen 48 der Referenzschichten der Sensorelemente 24, 56, 58, 60 weisen alle in eine gemeinsame Richtung.
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Durch die V-förmige Anordnung der Sensorelemente 24 und 60 und die dabei parallele Ausrichtung des Pinnings in die Pinning-Richtung 44 ergeben sich in den Sensorelementen 42 und 60 und spiegelsymmetrische Verhältnisse. Während sich also in dem Beispiel durch die Zugspannung die Magnetisierung 42 der Freienschicht 30 in die Rotationsrichtung 78 dreht, rotiert eine Magnetisierung 86 der freien Schicht des Sensorelements 60 entgegengesetzt in eine Rotationsrichtung 88. Der elektrische Widerstand des Sensorelements 60 verringert sich somit. Bei den Sensorelementen 56, 58 herrschen gerade die umgekehrten Verhältnisse, d.h. ein Widerstand des Sensorelements 56 verringert sich durch die sich durch die Zugspannung ergebende Verdrehung einer Magnetisierung 90 der freien Schicht in die Rotationsrichtung 88 und entsprechend eine entgegengesetzte Verdrehung einer Magnetisierung 92 der freien Schicht in die Rotationsrichtung 78. Durch die Widerstandsänderungen wird insgesamt der Wert der Brückenspannung Ub verändert.
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Da sowohl die Pinning-Schichten in die gemeinsame Pinning-Richtung 44 als auch die Magnetisierungen 48 der Referenzschichten in eine jeweilige gemeinsame Richtung weisen, konnten die Sensorelemente bei ihrer Herstellung alle zugleich magnetisiert werden.
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In 6 ist eine weitere Brückenschaltung 94 gezeigt, in welche durch eine Spannungsquelle 96 mit einer Betriebsspannung U0 ein Strom eingeprägt wird. Eine zwischen Anschlüssen 98, 100 abgreifbare Brückenspannung Ub wird mittels einer Vergleichseinheit 102, beispielsweise einem Operationsverstärker, überwacht.
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Sensorelemente 104 der Brückenschaltung sind auf einer Oberfläche 106 eines Körpers befestigt. Bei den Sensorelementen handelt es sich jeweils um ein magnetostriktives Spin-Valve-Sensorelement mit einer Pinning-Schicht. Die Sensorelemente 104 sind dabei streifenförmig ausgebildet. Sie sind mit ihren Längsachsen bezüglich einer Messachse 108 einer zu messenden mechanischen Spannung verkippt angeordnet. Die jeweils zu einem Brückenzweig 110, 112 gehörigen Sensorelemente sind dabei V-förmig angeordnet. Sensorelemente, bei denen sich die gleiche Widerstandsänderung bei einer gegebenen Verformung des Körpers ergibt, sind parallel zueinander angeordnet. Pinning-Schichten der Sensorelemente 104 weisen eine gemeinsame Pinning-Richtung 44’ auf, die in eine Verlaufsrichtung der Messachse 108 weist. Magnetisierungen 48’ von Referenzschichten der Sensorelemente 104 sind ebenfalls in eine gemeinsame Richtung senkrecht zu Richtungen von Magnetisierungen 114 der freien Schichten der Sensorelemente 104 ausgerichtet, in welche diese im spannungsfreien Zustand der freien Schichten weisen. Die Magnetisierungen 114 weisen dabei in eine Richtung zwischen einer Verlaufrichtung der jeweiligen Längsachse des Sensorelements 104 und die Pinning-Richtung 44'. Durch Verformen des Körpers werden durch inverse Magnetostriktion die Magnetisierungen 114 der freien Schichten aus der Ruhelage hier in Rotationsrichtungen 116 rotiert. Hierdurch ändert sich ein jeweiliger elektrischer Widerstand der Sensorelemente 116, wodurch insgesamt die Brückenspannung Ub verändert wird.
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Die Sensorelemente 104 sind durch eine elektrisch isolierende Schicht, z.B. eine Kunststofffolie, abgedeckt. Auf dieser ist eine Flachspule 118 befestigt. Wird von der Vergleichseinheit 102 erkannt, dass die Brückenspannung Ub einen von Null verschiedenen Wert aufweist, so treibt die Vergleichseinheit 102 einen Kompensationsstrom I durch die Flachspule 118. Ein hierdurch in einer Umgebung der Flachspule 118 erzeugtes magnetisches Feld durchdringt die Sensorelemente 104 und wirkt der durch die inverse Magnetostriktion bewirkten Rotation der Magnetisierungen 114 entgegen. Die Vergleichseinheit 102 und die Flachspule 118 bilden insgesamt eine Regeleinheit, durch welche die Brückenspannung Ub auf einen Wert von hier 0 V geregelt wird.
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Der Kompensationsstrom I ist hier auch durch einen Widerstand 120 geführt. Eine über dem Widerstand 120 messbare Spannung Ua wird von einer (nicht dargestellten) Anzeigeeinheit erfasst. Die Spannung Ua ist ein Maß für die entlang der Messachse 108 wirkende mechanische Spannung. Durch die Anzeigeeinheit wird in Abhängigkeit von der Spannung Ua ein Messwert auf einem (nicht dargestellten) Display angezeigt. Die in 6 gezeigte Messanordnung kann beispielsweise in einer Waage eingebaut sein. Durch die Anzeigeeinheit kann dann entsprechend ein Gewicht eines Objekts angezeigt werden, durch dessen Gewicht der Körper verformt wird.
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Anstelle des Widerstands 120 kann auch vorgesehen sein, mehrere Widerstände bereitzustellen, zwischen denen zum Erweitern des Messbereichs umgeschaltet werden kann. Zudem ist es bei der Regelungseinheit in einfacher Weise möglich, eine in an sich bekannter Weise ausgestaltete Temperaturkompensationsschaltung vorzusehen. Anstelle der hier beschriebenen Closed-Loop-Regelung kann auch eine Open-Loop-Regelung verwendet werden.
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Insgesamt ist durch die Beispiele gezeigt, wie durch die erfindungsgemäße Messvorrichtung Folgendes erreicht wird: Zur Messung einer Zug- bzw. Druckspannung können nun GMR- und TMR-Sensoren mit gekreuzter Anisotropie und linearisierter Kennlinie bereitgestellt werden. Eine stets eindeutige Ausrichtung der Magnetisierung in der freien Schicht ist durch Verkippen der Sensorstreifen gegen die Richtung der Achse der mechanischen Spannung erreicht, wenn dabei die Magnetisierung der Referenzschicht und das durch den Exchange-Bias bewirkte Pinning in die Pinning-Richtung nicht mitverkippt wird. Durch Verwendung einer Kompensationsspule ist die Nutzung eines statischen Brückenausgangssignals ohne starke Hysterese und ohne externes Stützfeld möglich. Bei den beschriebenen Brückenlayouts ist es zudem möglich, alle Sensorstreifen gemeinsam magnetisch auf einem Wafer zu konditionieren. Mittels der Regelung der beschriebenen Regeleinheit lässt sich so insgesamt ein rauscharmes, von externen Einflüssen weitestgehend befreites Messsignal bereitstellen, welches in hohem Maße linear mit der zu messenden mechanischen Spannung verknüpft ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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