DE102016209322A1

DE102016209322A1 - Sensorvorrichtung und Verfahren zur Ermittlung einer mechanischen Größe

Info

Publication number: DE102016209322A1
Application number: DE102016209322.3A
Authority: DE
Inventors: Michael CURCIC
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-05-30
Filing date: 2016-05-30
Publication date: 2017-11-30

Abstract

Sensorvorrichtung, umfassend – ein magnetisches Element (12), welches mindestens eine magnetische Schicht (101) umfasst, wobei die magnetischen Eigenschaften der magnetischen Schicht (101) von einer mechanischen Größe abhängen, dadurch gekennzeichnet, dass – die magnetische Schicht (101) eine wirbelförmige Magnetisierungsverteilung mit einem Vortexkern (100) aufweist, wobei die wirbelförmige Magnetisierungsverteilung in einer Schichtebene ausgebildet ist, wobei der Vortexkern (100) senkrecht zur Schichtebene ausgebildet ist, – mindestens eine magnetische Schicht (101) des magnetischen Elements (12) aus einem magnetostriktiven Material ausgebildet ist und dass die Sensorvorrichtung des Weiteren – eine Anregungseinheit (11) zur Anregung der wirbelförmigen Magnetisierungsverteilung zu einer gyrotropen Magnetisierungsbewegung, – eine Detektionseinheit (10) zur Detektion einer Resonanzfrequenz der gyrotropen Magnetisierungsbewegung und – eine Auswerteeinheit (16) zur Bestimmung einer mechanischen Größe aus der Resonanzfrequenz der gyrotropen Magnetisierungsbewegung umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung einer mechanischen Größe.
Stand der Technik
In DE 69315665 T2 wird ein mechanischer Sensor beschrieben, der eine magnetische Schicht mit einer Permeabilität, welche sich in Abhängigkeit einer darin erzeugten Belastung, Deformation, Dehnung oder Spannung verändert, umfasst. Eine Magnetisierung der magnetischen Schicht erfolgt mittels einer Spule mit mindestens zwei Anschlüssen, welche von einem elektrischen Strom durchflossen wird. Eine Impedanz zwischen den Anschlüssen der Spule ändert sich in Abhängigkeit der Induktivität der Spule, welche durch eine Veränderung der Permeabilität der magnetischen Schicht verursacht wird.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht von einer Sensorvorrichtung und einem Verfahren zur Ermittlung einer mechanischen Größe mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche aus.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat den Vorteil, dass sie eine sehr geringe Baugröße aufweist und somit eine sehr hohe laterale Auflösung erreicht werden kann. Zudem zeichnet sich die Sensorvorrichtung durch eine hohe Sensitivität aus, wobei ein gutes Signal-zu-Rausch Verhältnis erzielt wird.
Dies wird erreicht mit einer Sensorvorrichtung, umfassend ein magnetisches Element, welches mindestens eine magnetische Schicht umfasst, wobei die magnetischen Eigenschaften der magnetischen Schicht von einer mechanischen Größe abhängen. Eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die magnetische Schicht eine wirbelförmige Magnetisierungsverteilung mit einem Vortexkern aufweist, wobei die wirbelförmige Magnetisierungsverteilung in einer Schichtebene ausgebildet ist, wobei der Vortexkern senkrecht zur Schichtebene ausgebildet ist. Des Weiteren zeichnet sich eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung dadurch aus, dass mindestens eine magnetische Schicht des magnetischen Elements aus einem magnetostriktiven Material ausgebildet ist. Weiter umfasst eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung eine Anregungseinheit zur Anregung der wirbelförmigen Magnetisierungsverteilung zu einer gyrotropen Magnetisierungsbewegung, eine Detektionseinheit zur Detektion einer Resonanzfrequenz der gyrotropen Magnetisierungsbewegung und eine Auswerteeinheit zur Bestimmung einer mechanischen Größe aus der Resonanzfrequenz der gyrotropen Magnetisierungsbewegung. Die mechanische Größe kann eine mechanische Spannung, Deformation, Dehnung, Zug-, Druckbelastung, etc. umfassen. Eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung ist zur Ermittlung einer mechanischen Größe ausgelegt. Vorteilhafterweise weist eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung eine geringe Leistungsaufnahme auf, da das magnetische Element resonant angeregt wird.
Ein Verfahren zur Ermittlung einer mechanischen Größe mittels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das magnetische Element zu einer resonanten gyrotropen Magnetisierungsbewegung angeregt wird, die resonante gyrotrope Magnetisierungsbewegung detektiert und ihre Resonanzfrequenz bestimmt wird und die Resonanzfrequenz der gyrotropen Magnetisierungsbewegung anhand einer Kennlinie einer mechanischen Größe zugeordnet wird. Ein Vorteil des Verfahrens zur Ermittlung einer mechanischen Größe mittels einer Sensorvorrichtung ist es, dass die mechanische Größe mit einer hohen Genauigkeit bestimmt werden kann, da mittels einer Frequenzmessung sehr genaue Messergebnisse erzielt werden. Des Weiteren zeichnet sich die Sensorvorrichtung durch eine geringe Leistungsaufnahme auf, da die gyrotrope Magnetisierungsbewegung resonant angeregt wird. Dadurch werden vorteilhafterweise die Genauigkeit der Messergebnisse erhöht und Messfehler reduziert und eine Eigenerwärmung der Sensorvorrichtung wird reduziert bzw. vermieden, sodass die Sensorvorrichtung ungekühlt betrieben werden kann.
In einer Ausführungsform umfasst das magnetische Element mehrere nebeneinander angeordnete magnetische Schichten, deren Schichtebenen in einer gemeinsamen Ebene liegen. Ein Vorteil ist, dass dadurch eine sehr dünne, flächig ausgebildete Sensorvorrichtung ermöglicht wird. Des Weiteren können somit vorteilhafterweise die magnetischen Schichten in einem Prozessschritt strukturiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das magnetische Element mehrere aufeinander gestapelte magnetische Schichten, deren Schichtebenen parallel zueinander angeordnet sind. Dadurch ergibt sich vorteilhafterweise ein sehr kompakter Aufbau, sodass die Sensorvorrichtung platzsparend auf einer Fläche angeordnet werden kann.
Mindestens eine der magnetischen Schichten des magnetischen Elements wird in einer Ausführungsform zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode angeordnet. Die Detektionseinheit ist zwischen der mindestens einen magnetischen Schicht und der ersten Elektrode angeordnet. Ein Vorteil ist, dass die Detektionseinheit sehr kompakt auf dem magnetischen Element angeordnet werden kann.
Alternativ oder ergänzend umfasst die Anregungseinheit die erste Elektrode, eine spinpolarisierende Schicht und die zweite Elektrode, wobei die spinpolarisierende Schicht auf der zweiten Elektrode ausgebildet ist und auf der spinpolarisierenden Schicht das magnetische Element angeordnet ist. Je nach Ausführungsform kann auf dem magnetischen Element die erste Elektrode oder die Detektionseinheit angeordnet sein. In letzteren Fall ist dann auf der Detektionseinheit die erste Elektrode angeordnet. Vorteilhafterweise können somit Detektionseinheit und Anregungseinheit kompakt als Stapel realisiert werden. Durch Anlegen eines Gleichstroms an die Anregungseinheit mit dem magnetischen Element wird die wirbelförmige Magnetisierungsverteilung zu einer gyrotropen Magnetisierungsbewegung angeregt.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Detektionseinheit eine Zwischenschicht und eine Referenzschicht auf, wobei die Referenzschicht eine feste Magnetisierung aufweist. Auf das magnetische Element ist die Zwischenschicht aufgebracht und auf der Zwischenschicht ist die Referenzschicht angeordnet. Ein Vorteil ist, dass bei dieser Ausführungsform die Resonanzfrequenz der gyrotropen Bewegung über eine Messung einer Widerstandsänderung ermittelt werden kann. Ein Verfahren zur Ermittlung einer mechanischen Größe sieht vor, dass ein sich ändernder elektrische Widerstand detektiert wird. Dieser dient als Maß für die mechanische Größe. Der Widerstand wird hierbei durch das magnetische Element und die Detektionseinheit gebildet. Resistive Messung lassen sich gegenüber bespielsweise kapazitiven Messungen mit weniger Aufwand realisieren und sind somit vorteilhaft.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Zwischenschicht aus einem nicht leitenden Material ausgebildet. Somit bilden die Detektionseinheit, die die Zwischenschicht und die Referenzschicht umfasst und das magnetische Element zusammen einen magnetischen Tunnelwiderstand (TMR). Alternativ wird die Zwischenschicht in einer Ausführungsform aus einem nichtmagnetischen Material ausgebildet. In diesem Fall bilden die Detektionseinheit, umfassend die Zwischenschicht und die Referenzschicht, und das magnetische Element zusammen einen Riesenmagnetowiderstand (GMR). Beide Ausführungsformen ermöglichen vorteilhafterweise eine Herstellung der Sensorvorrichtung mittels Standard-Prozessen, wie beispielsweise Dünnschicht-Technik.
Die Detektionseinheit umfasst in einer weiteren Ausführungsform mindestens eine Mikrospule, die auf dem magnetischen Element angeordnet ist. Die Mikrospule kann so auf dem magnetischen Element angeordnet werden, dass sie möglichst einer maximalen magnetischen Flussänderung ausgesetzt ist. Die magnetische Flussänderung entsteht lokal aufgrund der gyrotropen Magnetisierungsbewegung. Ein Vorteil ist, dass hierbei weniger Joulsche Wärme entsteht, da kein Teststrom benötigt wird, um die Messung durchzuführen.
Dadurch wird die Sensitivität und die Genauigkeit der Ermittlung der mechanische Größe erhöht.
In einer weiterführenden Gestaltungsform werden mehrere Mikrospulen auf dem magnetischen Element 12 angeordnet.
In einer Ausführungsform umfasst die Anregungseinheit des magnetischen Elements ein magnetisches Erregerelement, das mindestens eine magnetische Erregerschicht umfasst, die eine wirbelförmige Magnetisierungsverteilung mit einem Erreger-Vortexkern aufweist, welche in einer Erreger-Schichtebene ausgebildet ist, wobei der Erreger-Vortexkern senkrecht zur Erreger-Schichtebene ausgebildet ist. Des Weiteren umfasst die Anregungseinheit in dieser Ausführungsform eine Erreger-Anregungseinheit, die dazu ausgelegt ist das magnetische Erregerelement zu einer gyrotropen Magnetisierungsbewegung anzuregen, sodass durch magnetische Kopplung des Erregerelements und des magnetischen Elements das magnetische Element zu einer gyrotropen Magnetisierungsbewegung angeregt wird. Bei der Anregung des magnetischen Elements zur gyrotropen Magnetisierungsbewegung entsteht somit keine bzw. wenig Joulsche Wärme. Somit kann die Genauigkeit und Sensitivität der Sensorvorrichtung vorteilhafterweise erhöht werden.
Die Ermittlung der Frequenz der resonanten gyrotropen Magnetisierungsbewegung erfolgt in einer Ausführungsform über die Bestimmung einer Spin-Motorische Kraft, die durch die gyrotrope Magnetisierungsbewegung hervorgerufen und mittels eines ersten Kontaktes und eines zweiten Kontaktes auf einer Oberfläche parallel zur Ebene der gyrotropen Magnetisierungsbewegung als Spannung detektiert wird. Die Spinmotorische Kraft ist eine Folge einer Bewegung einer inhomogenen Spinanordnung. Vorteilhaft ist hierbei, dass keine Joulsche Wärme entsteht, da die Messung ohne Anlegen eines Teststroms erfolgen kann. Dadurch werden die Genauigkeit und die Sensitivität der Sensorvorrichtung erhöht.
Alternativ kann die mechanische Größe ermittelt werden, indem eine Änderung eines magnetischen Flusses detektiert wird, die ein Maß für die resonante gyrotrope Magnetisierungsbewegung ist. Hierfür kann insbesondere eine Mikrospule verwendet werden, um die Änderung des magnetischen Flusses zu detektieren. Durch die Änderung des magnetischen Flusses wird eine elektrische Spannung in der Mikrospule induziert. Diese induzierte Spannung bildet ein Detektionssignal. Die Frequenz der induzierten Spannung entspricht der Resonanzfrequenz der gyrotropen Magnetisierungsbewegung.
Sofern die Detektionseinheit zusammen mit dem magnetischen Element einen TMR oder GMR bildet, kann ein sich ändernder elektrische Widerstand detektiert werden, wobei der elektrische Widerstand durch das magnetische Element und die Detektionseinheit gebildet wird. Die Änderung des Widerstands wird als Detektionssignal aufgenommen. Die Frequenz, mit der sich der Widerstand ändert entspricht hierbei der Resonanzfrequenz der gyrotropen Magnetisierungsbewegung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
Es zeigen
1 eine Draufsicht auf eine magnetische Schicht eines magnetischen Elements im Grundzustand, wobei die magnetische Schicht eine wirbelförmige Magnetisierungsverteilung und einen magnetischen Vortexkern aufweist,
2a eine Draufsicht auf eine laterale Anordnung von magnetischen Schichten, die zusammen ein magnetisches Element bilden,
2b einen Querschnitt eines Stapels, umfassend mehrere magnetische Schichten, die zusammen ein magnetisches Element bilden,
3a einen Querschnitt eines magnetischen Elements, das eine laterale Anordnung magnetischer Schichten umfasst, mit Detektionseinheit
3b einen Querschnitt eines magnetischen Elements, das eine gestapelte Anordnung magnetischer Schichten umfasst, mit Detektionseinheit,
4 einen Querschnitt eines magnetischen Elements mit Anregungseinheit,
5 einen Querschnitt eines magnetischen Elements mit Detektionseinheit,
6 einen Querschnitt einer Sensorvorrichtung ohne Auswerteeinheit,
7a eine Draufsicht auf eine magnetische Schicht mit einer Detektionseinheit und einer Auswerteeinheit,
7b eine Draufsicht auf eine magnetische Schicht mit einem ersten Kontakt und einem zweiten Kontakt,
8a eine Draufsicht auf eine magnetische Erregerschicht eines magnetischen Erregerelements im Grundzustand, wobei die magnetische Erregerschicht eine wirbelförmige Magnetisierungsverteilung und einen magnetischen Erreger-Vortexkern aufweist,
8b ein Diagramm, das die Anregung einer gyrotropen Magnetisierungsbewegung eines magnetischen Element mittels eines Erregerelements beschreibt,
9a einen Querschnitt eines magnetischen Elements, das durch eine isolierende Schicht beanstandet auf einer Mikrostreifenleitung angeordnet ist,
9b einen Querschnitt eines magnetischen Elements, das in einer Mikrostreifenleitung angeordnet ist,
9c einen Querschnitt eines magnetischen Element, das durch eine isolierende Schicht beanstandet auf einer Mikrostreifenleitung angeordnet ist und in einer oberen Mikrostreifenleitung angeordnet ist und
10 ein Flussdiagramm, welches eine Ermittlung eines mechanischen Größe zeigt.
Ausführungsformen der Erfindung
Eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung umfasst ein magnetisches Element 12, welches mindestens eine magnetische Schicht 101, 101', 101'', 101''' umfasst. Die magnetische Schicht 101, 101', 101'', 101''' weist eine wirbelförmige Magnetisierungsverteilung mit einem Vortexkern 100 auf, eine sogenannte Vortexstruktur, wobei die wirbelförmige Magnetisierungsverteilung in einer Schichtebene der magnetischen Schicht 101, 101', 101'', 101''' ausgebildet ist. Der Vortexkern 100 ist senkrecht zur Schichtebene ausgebildet. Beispiele magnetischer Schichten, die eine Vortexstruktur aufweisen sind unter anderem dünne, ferromagnetische quadratische Plättchen, dreieckige Plättchen und scheibenförmige Plättchen, die jeweils Abmessungen im Mikrometerbereich und kleiner aufweisen. In einem Grundzustand der Vortexstruktur ist die wirbelförmige Magnetisierungsverteilung in der Ebene des Plättchens ausgebildet. Die wirbelförmige Magnetisierungsverteilung tritt im Zentrum der Vortexstruktur aus der Ebene des Plättchens heraus. Dieser Bereich, in dem die wirbelförmige Magnetisierungsverteilung aus der Ebene des Plättchens heraustritt, weist beispielsweise einen Durchmesser von 5–10 nm auf und bildet den Vortexkern 100 der magnetischen Schicht 101, 101', 101'', 101'''. Die Vortexstruktur weist eine bestimmte Anregungsmode auf, bei der sich die wirbelförmige Magnetisierungsverteilung und der Vortexkern 100 um ihre Grundzustandsposition bewegen. Wird die magnetische Schicht mit dieser bestimmten Anregungsmode angeregt, so führt die Vortexstruktur eine gyrotrope Magnetisierungsbewegung aus. Umfasst das magnetische Element 12 mehrere magnetische Schichten 101, 101', 101'', 101''', so können die magnetischen Schichten 101, 101', 101'', 101''' durch magnetische Kopplung mittels bestimmter Anregungsmoden zu einer gemeinsamen gyrotropen Magnetisierungsbewegung angeregt werden. Die gyrotrope Magnetisierungsbewegung umfasst hierbei mehrere Moden. Die Moden beschreiben die gekoppelte, resonante gyrotropen Magnetisierungsbewegung der magnetischen Schichten 101, 101', 101'', 101'''. Die Moden können mehrere verschiedene Frequenzen umfassen, mit denen die magnetischen Schichten 101, 101', 101'', 101''' gemeinsam gyrieren. Diese Frequenzen entsprechen Resonanzfrequenzen des magnetischen Elements 12. Eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung basiert auf dem Prinzip, dass mindestens eine dieser Resonanzfrequenzen ermittelt wird und daraus eine mechanische Größe bestimmt wird.
Mindestens eine magnetische Schicht 101, 101', 101'', 101''' des magnetischen Elements 12 einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung ist aus einem magnetostriktiven Material ausgebildet. Magnetostriktive Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass durch Anlegen eines magnetischen Feldes sich das magnetostriktive Material verspannt und seine Abmessungen ändert. Ebenso ändern sich durch Veränderung der Abmessung des magnetostriktiven Materials durch eine mechanische Größe, wobei die mechanische Größe beispielsweise eine Deformation, eine Dehnung, eine Zug- oder Druckbelastung, etc. sein kann, die Anteile einer magnetoelastischen Energie im magnetostriktiven Material, was zu einer Änderung einer effektiven magnetischen Anisotropie des magnetostriktiven Materials und damit zu einer Änderung der Resonanzfrequenz der gyrotropen Magnetisierungsbewegung des magnetischen Elements 12 führt. Die Änderung der Resonanzfrequenz der gyrotropen Magnetisierungsbewegung ist somit ein Maß für die mechanische Größe.
1 zeigt ein Auführungsbeispiel einer magnetische Schicht 101 im Grundzustand. Die magnetische Schicht 101 wird in der 1 durch ein quadratisches Plättchen gebildet. Alternativ kann die magnetische Schicht 101 auch als kreisförmiges oder dreieckiges Plättchen ausgebildet werden. Eine Schichtebene der magnetischen Schicht 101 ist durch eine Ebene parallel zur x–y-Ebene gegeben. In der Schichtebene weist die magnetische Schicht 101 in 1 eine wirbelförmige Magnetisierungsverteilung auf. Die wirbelförmige Magnetisierungsverteilung ist in 1 durch die Pfeile in der Schichtebene angedeutet. Im Zentrum der magnetischen Schicht 101 weist ein Vortexkern 100 parallel zur z-Achse senkrecht zur Schichtebene aus der Schichtebene heraus. In einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform zeigt die wirbelförmige Magnetisierungsverteilung im Uhrzeigersinn, der Vortexkern 100 zeigt, wie auch in 1, parallel zur z-Achse senkrecht zur Schichtebene aus der Schichtebene heraus. Die beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der magnetischen Schicht 101 unterscheiden sich in der Chiralität. Die Wahl der Abmessungen der magnetischen Schicht 101 bedingt, ob sich eine Vortexstruktur, wie sie beispielsweise in 1 gezeigt ist, ausbildet. Typische Abmessungen des quadratischen Plättchens, das die magnetische Schicht 101 mit Vortexstruktur bildet, liegen im Bereich von von 500 nm × 500 nm bis 6 μm × 6 μm. Eine Dicke des quadratischen Plättchens ist durch die Abmessung des quadratischen Plättchens in 1 entlang der z-Richtung gegeben. Typische Dicken liegen im Bereich von 50 nm bis 150 nm. Ab einer Dicke von 10 nm und sehr kleinen quadratischen Plättchen von ca. 200 nm × 200 nm kann sich ebenfalls eine Vortexstruktur ausbilden. Die Frequenz der gyrotropen Magnetisierungsbewegung hängt unter anderem von den Abmessungen der magnetischen Schichten 101 ab. Für niederfrequente Anregungen kann beispielsweise die Verwendung von quadratischen Plättchen mit Abmessungen im Bereich von 6 μm × 6 μm mit einer Dicke von etwa 50 nm vorteilhaft sein.
In 2a und 2b sind jeweils verschiedene Ausführungsbeispiele des magnetischen Elements 12 dargestellt. In 2a ist eine Draufsicht auf eine erste magnetische Schicht 101', eine zweite magnetische Schicht 101'' und eine dritte magnetische Schicht 101''', die zusammen das magnetische Element 12 bilden, gezeigt. Die drei magnetischen Schichten 101', 101'', 101''' sind in einer gemeinsamen, zur x–y-Ebene parallelen Ebene in x-Richtung nebeneinander angeordnet. Die drei magnetischen Schichten 101', 101'', 101''' können in einem Ausführungsbeispiel eine analoge Vortexstruktur wird die magnetische Schicht 101 aus 1 aufweisen. Die drei magnetischen Schichten 101', 101'', 101''' bilden zusammen das magnetische Element 12. Alternativ können sie auch andere Vortexstrukturen oder untereinander verschiedene Vortexstrukturen aufweisen. Die Vortexkerne der drei magnetischen Schichten 101', 101'', 101''' sind in 2a nicht dargestellt. Sie stehen senkrecht auf den jeweiligen Schichtebenen der drei magnetischen Schichten 101', 101'', 101''', die in diesem Ausführungsbeispiel in einer parallelen Ebene zur x–y-Ebene liegen.
In einem alternativen, hier nicht gezeigten Ausführungsbeispiel werden mehrere magnetische Schichten 101, 101', 101'', 101''' so angeordnet, dass die Schichtebenen der magnetischen Schichten 101, 101', 101'', 101''' in einer Ebene, beispielsweise der x–y-Ebene liegen und die magnetischen Schichten 101, 101', 101'', 101''' in Form einer Matrix (Array) angeordnet sind. So umfasst beispielsweise ein 2 × 2 Array vier magnetische Schichten 101, 101', 101'', 101'''.
In 2b ist eine weitere Möglichkeit zur Anordnung der magnetischen Schichten 101', 101'', 101''' dargestellt. In 2b ist die erste magnetische Schicht 101' auf der zweiten magnetischen Schicht 101'' angeordnet. Die zweite magnetische Schicht 101'' ist auf der dritten magnetischen Schicht 101''' angeordnet. Die Schichtebenen der drei magnetischen Schichten 101', 101'', 101''', die in diesem Ausführungsbeispiel das magnetische Element 12 bilden, sind somit parallel zueinander. Die erste Schichtebene des ersten magnetischen Elements 101' ist in einer ersten Ebene parallel zur x–y-Ebene angeordnet, die zweite Schichtebene des zweiten magnetischen Elements 101'' ist in einer zweiten Ebene parallel zur x–y-Ebene angeordnet und die dritte Schichtebene des dritten magnetischen Elements 101''' ist in einer dritten Ebene parallel zur x–y-Ebene angeordnet.. Die drei magnetischen Schichten 101', 101'', 101''' bilden zusammen das magnetische Element 12.
Kombinationen der Anordnungen der magnetischen Schichten 101', 101'', 101''' aus 2a und 2b sind ebenfalls möglich.
3a und 3b zeigen jeweils das magnetische Element 12 mit einer Detektionseinheit 10. 3a zeigt das magnetische Element 12 aus 2a, wobei auf der zweiten magnetischen Schicht 101'' die Detektionseinheit 10 angeordnet ist. Auf der Detektionseinheit 10 ist eine erste Elektrode 102' angeordnet. Auf der von der Detektionseinheit 10 abgewandten Seite der zweiten magnetischen Schicht 101'' ist eine zweite Elektrode 102'' angeordnet. An die Elektroden kann eine elektrische Spannung angelegt werden oder eine elektrische Stromquelle angeschlossen werden, sodass die Detektionseinheit 10 und die zweite magnetische Schicht 101'' von einem Strom durchflossen werden. In einer nicht gezeigten Variante dieses Ausführungsbeispiels erstrecken sich die Elektroden 102', 102'' und die Detektionseinheit 10 zumindest teilweise über mehrere magnetische Schichten 101, 101', 101'', 101''', die zusammen das magnetische Element 12 bilden. 3b zeigt das magnetische Element aus 2b mit der Detektionseinheit 10. Die Detektionseinheit 10 ist auf der von der zweiten magnetischen Schicht 101'' abgewandten Seite der ersten magnetischen Schicht 101' angeordnet. Auf der Detektionseinheit 10 ist auf der von der ersten magnetischen Schicht 101' abgewandten Seite die erste Elektrode 102' angeordnet. Die zweite Elektrode 102'' ist auf der von der zweiten magnetischen Schicht abgewandten Seite der dritten magnetischen Schicht 101''' angeordnet.
In einer Variante der in 3a und 3b gezeigten Ausführungsbeispiele, wird die Detektionseinheit 10 analog zu der in 5 gezeigten Detektionseinheit 10 ausgebildet.
4 zeigt einen Querschnitt eines magnetischen Elements 12 mit einer Anregungseinheit 11. Die Anregungseinheit 11 umfasst eine erste Elektrode 102', eine zweite Elektrode 102'' und eine spinpolarisierende Schicht 103. Auf der ersten Elektrode 102' ist das magnetische Element 12 angeordnet. Auf dem magnetischen Element 12 ist die spinpolarisierende Schicht 103 angeordnet. Auf der spinpolarisierenden Schicht 103 ist die zweite Elektrode 102'' angeordnet. Zum Anregen der resonanten gyrotropen Magnetisierungsbewegung des magnetischen Elements 12 wird ein Gleichstrom von der zweiten Elektrode 102'' zur ersten Elektrode 102' angelegt. Elektronen fließen somit von der zweiten Elektrode 102'' zur ersten Elektrode 102'. Die Elektronen passieren die spinpolarisierende Schicht 103. Die spinpolarisierende Schicht 103 weist unterschiedliche elektrische Leitfähigkeiten für verschiedene Spinausrichtungen der Elektronen auf. Insbesondere dominiert die elektrische Leitfähigkeit einer spezifischen Spinausrichtung der Elektronen. Elektronen, die eine von der spezifischen Spinausrichtung abweichende Spinausrichtung haben werden reflektiert. Im Idealfall werden nur Elektronen mit der spezifischen Spinausrichtung von der spinpolarisierenden Schicht 103 transmittiert. Der Gleichstrom trifft somit als spinpolarisierter Strom auf das magnetische Element 12. Die Anregung einer gyrotropen Magnetisierungsbewegung mittels eines spinpolarisierten Gleichstroms ist beispielsweise aus „Magnetic vortex oscillator driven by dc-polarized current" (Pribiag et al., Nature Phys. 3 (2007)) bekannt.
In einem Ausführungsbeispiel wird das magnetische Element 12 in 4 durch drei magnetische Schichten 101', 101'', 101''', wie sie in 2a dargestellt sind, gebildet. Mindestens eine der magnetischen Schichten 101', 101'', 101''' ist zwischen der spinpolarisierenden Schicht 103 und der ersten Elektrode 102' angeordnet. Alternativ kann das magnetische Element auch eine gestapelte Anordnung magnetischer Schichten 101, 101', 101'', 101''' umfassen, wie sie beispielsweise in 2b dargestellt ist. Die gestapelte Anordnung wird in diesem Fall zwischen der ersten Elektrode 102' und der spinpolarisierenden Schicht 103 angeordnet.
Je nachdem, aus welchen Materialien die Schichten 12, 103 in 4 ausgeführt sind, wird zwischen der spinpolarisierenden Schicht 103 und dem magnetischen Element 12 zusätzlich eine elektrisch leitfähige Schicht aufgebracht, die als Haftvermittler oder zur magnetischen Entkopplung des magnetischen Elements 12 und der spinpolarisierenden Schicht 103 wirkt. Diese elektrisch leitfähige Schicht ist in 4 nicht dargestellt.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Detektionseinheit 10. Die Detektionseinheit 10 umfasst eine Zwischenschicht 104 und eine Referenzschicht 105. Die Referenzschicht 105 weist eine feste Magnetisierung auf. In einem Ausführungsbeispiel ist die Referenzschicht 105 aus Eisen-Kobalt (FeCo) ausgeführt. Die Referenzschicht 105 weist vorzugsweise nur eine magnetische Domäne auf, wobei die magnetische Domäne eine feste Magnetisierungsrichtung aufweist. Eine Eigenschaft der festen Magnetisierung ist, dass die Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht 105 durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes oder durch andere Umwelteinflüsse kaum bzw. gar nicht verändert wird. Die feste Magnetisierung weist daher nahezu unabhängig von der Umgebungsbedingung eine unveränderte Magnetisierungsrichtung auf. Zur Aufrechterhaltung und Unterstützung der festen Magnetisierung kann auf die Referenzschicht 105 ein Antiferromagnet aufgebracht werden (in 5 nicht dargestellt). Dieser kann beispielsweise aus Iridium-Mangan (IrMn) ausgebildet sein. Die Zwischenschicht 104 ist auf dem magnetischen Element 12 angeordnet. Auf die Zwischenschicht 104 ist die Referenzschicht 105 aufgebracht. Das magnetische Element 12 und die Referenzschicht 105 sind somit durch die Zwischenschicht 104 beabstandet. Eine Dicke der Zwischenschicht 104 bestimmt somit den Abstand zwischen der Referenzschicht 105 und dem magnetischen Element. Das magnetische Element 12 kann beispielsweise wie in 2a oder 2b ausgestaltet sein. Im Fall von 2a ist mindestens eine der magnetischen Schichten 101', 101'', 101''' mit der Zwischenschicht 104 verbunden.
In einer Variante der in 5 gezeigten Detektionseinheit 10 ist die Zwischenschicht 104 aus einem nichtleitenden Material ausgebildet. Als Material für die Zwischenschicht 104 können beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Magnesiumoxid (MgO) verwendet werden. Die Zwischenschicht 104 und die Referenzschicht 105 bilden somit zusammen mit dem magnetischen Element 12 einen magnetischen Tunnelwiderstand (TMR). Die Detektionseinheit 10 bildet hierbei zusammen mit dem magnetischen Element 12 einen elektrischen Widerstand. Ein solcher TMR kann beispielsweise in Dünnschichttechnik gefertigt werden. Die Detektionseinheit 10 mit dem magnetischen Element 12 wird zwischen der ersten Elektrode 102' und der zweiten Elektrode 102'' angeordnet, wie dies beispielsweise in 3a und 3b dargestellt ist. Dadurch ist es möglich eine elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom an den Stapel anzulegen, sodass beispielsweise der elektrische Widerstand des TMR gemessen werden kann.
In einer weiteren Variante der in 5 dargestellten Detektionseinheit 10 ist die Zwischenschicht 104 aus einem nichtmagnetischen Material ausgeführt. Die Zwischenschicht 104 kann beispielsweise aus Chrom (Cr) ausgebildet sein. Die Zwischenschicht 104 und die Referenzschicht 105 bilden somit zusammen mit dem magnetischen Element 12 einen Riesenmagnetowiderstand (GMR). Die Detektionseinheit 10 und das magnetische Element 12 bilden zusammen einen elektrischen Widerstand. Ebenso wie der TMR lässt sich auch der GMR in Dünnschichttechnik fertigen. Zur Kontaktierung des GMR werden zwei Elektroden 102', 102'' an zwei gegenüberliegenden Seiten des GMR-Stapels angeordnet. Vorzugsweise werden die Elektroden 102', 102'' (in 5 nicht dargestellt) an den beiden Seitenflächen des GMR-Stapels angeordnet, die parallel zur x–z-Ebene verlaufen. Die Elektroden 102', 102'' erstrecken sich somit von dem magnetischen Element 12, über die Zwischenschicht 104 bis zur Referenzschicht 105. Alternativ ist eine Anordnung der Elektroden 102', 102'', wie sie in 3a und 3b dargestellt ist, möglich. Durch beide Varianten zur Anordnung der Elektroden 102', 102'' ist es möglich eine elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom an den Stapel anzulegen, sodass beispielsweise der elektrische Widerstand des GMR gemessen werden kann.
Umfasst das magnetische Element 12 mehrere magnetische Schichten 101, 101', 101'', 101''', wie dies beispielshaft in 2a gezeigt ist, so genügt es sowohl beim TMR als auch beim GMR, wenn die Zwischenschicht 104 und die Referenzschicht 105 auf mindestens einer der magnetischen Schichten 101, 101', 101'', 101''' angeordnet sind.
Die in 5 gezeigte Detektionseinheit 10 ermöglicht eine Detektion der gyrotropen Magnetisierungsbewegung des magnetischen Elements 12. Beim TMR ist zwischen dem magnetischen Element 12 und der Referenzschicht 105 ein Isolator als Zwischenschicht 104 angeordnet. Die Zwischenschicht 104 wirkt somit als Tunnelbarriere. Ob und wie viele Elektronen die Zwischenschicht 104 passieren können, hängt davon ab, wie das magnetische Element 12 und die Referenzschicht 105 relativ zueinander magnetisiert sind. Im Allgemeinen gilt, dass eine Tunnelwahrscheinlichkeit für die Elektronen, das heißt die Wahrscheinlichkeit die Tunnelbarriere zu passieren, höher ist, wenn die Spins rechts und links der Tunnelbarriere parallel zueinander ausgerichtet sind. Eine geringere Tunnelwahrscheinlichkeit ergibt sich für den Fall, dass die Spins links und rechts der Barriere antiparallel zueinander ausgerichtet sind. Für die vorstehend beschriebenen unterschiedlichen relativen Spinkonfigurationen ergeben sich somit verschiedene Werte für den elektrischen Widerstand, der durch die Detektionseinheit 10 und das magnetische Element 12 in 5 gebildet wird. Da die Referenzschicht eine feste Magnetisierung aufweist, entsprechen Änderungen des elektrischen Widerstands einer Änderung der Magnetisierung des magnetischen Elements 12. Ist die wirbelförmige Magnetisierungsverteilung der mindestens einen magnetischen Schicht 101 des magnetischen Elements 12 zu einer gyrotropen Magnetisierungsbewegung angeregt, so oszilliert die Magnetisierung in der Schichtebene. Das heißt die Anzahl Spins, die parallel zu den Spins in der Referenzschicht 105 ausgerichtet sind, oszilliert mit der gyrotropen Magnetisierungsbewegung. Dies führt zu einer Oszillation des elektrischen Widerstands, der durch die Detektionseinheit 10 und das magnetische Element 12 in 5 gebildet werden. Die Frequenz dieser Änderung des elektrischen Widerstandes stimmt mit der Resonanzfrequenz der gyrotropen Magnetisierungsbewegung überein. Beim GMR ist die Zwischenschicht 104 in 5 aus einem nichtmagnetischen Material ausgeführt. Im Allgemeinen beschreibt der GMR-Effekt, dass der elektrische Widerstand, der durch zwei magnetische Schichten 12, 105 gebildet wird, die durch eine nichtmagnetische Schicht 104 separiert sind, von der relativen Orientierung der Magnetisierungen der zwei magnetischen Schichten 12, 105 abhängt. Das heißt im vorliegenden Ausführungsbeispiel, dass der elektrische Widerstand höher ist, wenn die Magnetisierungen des magnetischen Elements 12 und der Referenzschicht 105 entgegengesetzt orientiert sind, als wenn die Magnetisierungen des magnetischen Elements 12 und der Referenzschicht 105 parallel ausgerichtet sind. Wird das magnetische Element 12 nun zu einer gyrotropen Magnetisierungsbewegung, so kommt es, wie im Zusammenhang mit dem TMR erläutert, zu einem sich periodisch ändernden elektrischen Widerstand. Die Frequenz mit der sich der elektrische Widerstand ändert, entspricht der Resonanzfrequenz der gyrotropen Magnetisierungsbewegung. Sowohl in der Variante mit dem TMR als auch mit dem GMR wird die Resonanzfrequenz der gyrotropen Magnetisierungsbewegung mittels der Detektion der Änderung des elektrischen Widerstands ermittelt.
6 zeigt einen Querschnitt eines magnetischen Elements 12 mit der Anregungseinheit 11 aus 4 und der Detektionseinheit 10 aus 5. Auf der ersten Elektrode 102' ist die Referenzschicht 105 angeordnet. Die Zwischenschicht 104, die zusammen mit der Referenzschicht 105 die Detektionseinheit 10 bildet, ist auf die Referenzschicht aufgebracht. Auf der von der Referenzschicht 105 abgewandten Seite der Zwischenschicht 104 ist das magnetische Element 12 bzw. mindestens eine magnetische Schicht 101, 101', 101'', 101''' des magnetischen Elements 12 angeordnet. Darauf ist die spinpolarisierende Schicht 103 angeordnet, auf welcher die zweite Elektrode 102'' angeordnet ist. Die Anregungseinheit 11 umfasst die spinpolarisierende Schicht 103, die erste Elektrode 102' und zweite Elektrode 102''. Detektionseinheit 10 und Anregungseinheit 11 sind somit platzsparend in einem Stapel angeordnet. Die Elektroden 102', 102'' werden zur Anregung der gyrotropen Magnetisierungsbewegung an eine Gleichstromquelle angeschlossen, wie dies vorstehend im Zusammenhang mit 4 beschrieben wurde. Die Elektroden 102', 102'' können auch zur Detektion der Änderung des elektrischen Widerstands, der durch das magnetische Element bzw. mindestens eine magnetische Schicht 101, 101', 101'', 101''' des magnetischen Elements 12 und die Detektionseinheit 1 gebildet wird, verwendet werden. Der spinpolarisierte Gleichstrom, der zur Anregung der gyrotropen Magnetisierungsbewegung dient, kann zur Bestimmung des veränderlichen elektrischen Widerstands eingesetzt werden. Durchfließt der spinpolarisierte Gleichstrom das magnetische Element 12 und die Detektionseinheit 10, so kann durch Messung der dort abfallenden elektrischen Spannung der elektrische Widerstand ermittelt werden. Die elektrische Spannung und die elektrische Stromstärke sind über den elektrischen Widerstand verknüpft. Somit kann aus der bekannten elektrischen Stromstärke des spinpolarisierten Gleichstroms und der gemessenen elektrischen Spannung der elektrische Widerstand zu jedem Zeitpunkt ermittelt werden.
7a zeigt eine Draufsicht auf eine magnetische Schicht 101 und eine Detektionseinheit 10, die auf der magnetischen Schicht 101 angeordnet ist. Die in 7a dargestellte magnetische Schicht 101 kann Teil eines magnetischen Elements 12 sein, wie es beispielsweise in 2a oder 2b dargestellt ist. Alternativ wird ein magnetisches Element 12, das nur eine magnetische Schicht 101 umfasst, verwendet. 7a zeigt eine alternative oder ergänzende Detektionseinheit 10 zu den vorstehend beschriebenen Detektionseinheiten 10 in 5 und 6. Auf der magnetischen Schicht 101 mit der wirbelförmigen Magnetisierungsverteilung und dem Vortexkern 100 ist eine Mikrospule 106 angeordnet. Die Mikrospule 106 ist parallel zur Schichtebene angeordnet. Die Mikrospule 106 umschließt hierbei einen Bereich auf der magnetischen Schicht 101. Dieser Bereich ist derart gewählt, dass sich nach Anregung der gyrotropen Magnetisierungsbewegung der magnetische Fluss in diesem Bereich zeitlich ändert. Durch die Änderung des magnetischen Flusses wird eine elektrische Spannung in der Mikrospule 106 induziert. Solange die zeitliche Änderung des magnetischen Flusses andauert wird eine entsprechende elektrische Spannung induziert. Da die gyrotrope Magnetisierungsbewegung eine periodische Bewegung ist, ändert sich der magnetische Fluss periodisch. Daher ist auch die induzierte Spannung ein periodisches Signal. Die Frequenz der induzierten Spannung stimmt folglich mit der Resonanzfrequenz der gyrotropen Magnetisierungsbewegung überein. Die Detektionseinheit 10, die die Mikrospule 106 umfasst, ist mit einer Auswerteeinheit 16 verbunden. In der Auswerteeinheit 16 wird die Änderung der Resonanzfrequenz der gyrotropen Magnetisierungsbewegung in Bezug zu der mechanischen Größe gesetzt. Eine genauere Beschreibung der Auswerteeinheit 16 erfolgt in Zusammenhang mit 10. Die Mikrospule 106 kann als Dünnfilmspule ausgeführt sein.
In einer bevorzugten Variante ist die Mikrospule derart angeordnet, dass sie einer maximalen magnetischen Flussänderung ausgesetzt ist.
In einer weiteren nicht gezeigten Variante umfasst das magnetische Element 12 mehrere magnetische Schichten 101, 101', 101'', 101'''. Hierbei sind auf mehreren der magnetischen Schichten 101, 101', 101'', 101''' Mikrospulen angeordnet, wie dies in 7a für eine magnetische Schicht 101 gezeigt ist.
7b zeigt eine Draufsicht auf die magnetische Schicht 101 mit einer alternativen oder ergänzenden Detektionseinheit 10. Die dargestellte magnetische Schicht 101 kann Teil eines magnetischen Elements 12 sein, welches mehrere magnetische Schichten 101, 101', 101'', 101''' umfasst. Ein erster elektrischer Kontakt 108' und ein zweiter elektrischer Kontakt 108'' sind auf der magnetischen Schicht 101 angeordnet. Das magnetische Element 12 bzw. die magnetische Schicht 101 kann auf einen Isolator aufgebracht werden, der wiederum auf einer von einem Wechselstrom durchflossenen Elektrode angeordnet ist (hier nicht dargestellt). Wird die magnetische Schicht 101 zu einer gyrotropen Magnetisierungsbewegung angeregt, so wird eine elektrische Spannung zwischen dem ersten elektrischen Kontakt 108' und dem zweiten elektrischen Kontakt 108'' gemessen, denn durch die sich zeitlich ändernde Magnetisierung wird eine elektrische Spannung in den Kontakten 108', 108'' induziert. Dies entspricht der Messung einer Spin-Motorischen Kraft, die durch die gyrotrope Magnetisierungsbewegung hervorgerufen wird. Im Allgemeinen wird die Spin-Motorische Kraft durch Bewegung inhomogener Spinanordnungen hervorgerufen. Die induzierte Spannung ist ein periodisches Signal, da die gyrotrope Magnetisierungsbewegung eine periodische Bewegung ist. Die Frequenz der induzierten Spannung ist somit ein Maß für die Resonanzfrequenz der gyrotropen Magnetisierungsbewegung. Ein Aufbau zur Messung der Spin-Motorischen Kraft findet sich in „Spin-motive force due to gyrating magnetic vortex" (Tanabe et al., Nature Communications (2012)).
Eine alternative Anregungseinheit 11 zur Anregung der gyrotropen Magnetisierungsbewegung ist in dem Diagramm 8b dargestellt. Die Anregungseinheit 11 umfasst ein magnetisches Erregerelement 13 und eine Erreger-Anregungseinheit 14. Das magnetische Erregerelement 13 ist in 8a gezeigt. Es umfasst mindestens eine magnetische Erregerschicht 201. Wie im Zusammenhang mit dem magnetischen Element 12 beschrieben, können auch die magnetischen Erregerschichten 201 analog zu 2a und 2b beispielsweise gestapelt oder nebeneinander angeordnet werden. Die magnetische Erregerschicht 201 ist in diesem Ausführungsbeispiel als ein quadratisches Plättchen ausgebildet. Eine Erreger-Schichtebene der magnetischen Erregerschicht 201 ist durch eine Ebene parallel zur x–y-Ebene gegeben. In der Erreger-Schichtebene weist die magnetische Erregerschicht 201 eine wirbelförmige Magnetisierungsverteilung auf. Die wirbelförmige Magnetisierungsverteilung ist durch die Pfeile in der Erreger-Schichtebene angedeutet. Im Zentrum der magnetischen Erregerschicht 201 weist ein Erreger-Vortexkern 200 parallel zur z-Achse senkrecht zur Erreger-Schichtebene aus der Erreger-Schichtebene heraus. Die Wahl der Abmessungen der magnetischen Erregerschicht 201 bedingt, ob sich eine Vortexstruktur, wie sie beispielsweise in 8a gezeigt ist, ausbildet. Typische Abmessungen des quadratischen Plättchens, das die magnetische Erregerschicht 201 mit Vortexstruktur bildet, sind von 500 nm × 500 nm bis 6 μm × 6 μm. Eine Dicke des quadratischen Plättchens ist durch die Abmessung des quadratischen Plättchens in 8a entlang der z-Richtung gegeben. Typische Dicken liegen im Bereich von 50 nm bis 150 nm. Ab einer Dicke von 10 nm und sehr kleinen quadratischen Plättchen von ca. 200 nm × 200 nm kann sich ebenfalls eine Vortexstruktur ausbilden. Das in 8b gezeigte Diagramm zeigt die Anregungseinheit 11, die mittels einer magnetischen Kopplung das magnetische Element 12 zu einer gyrotropen Magnetisierungsbewegung anregt. Die Erreger-Anregungseinheit 14 regt das magnetische Erregerelement 13 zu einer gyrotropen Magnetisierungsbewegung an. Die magnetischen Streufelder des magnetischen Erregerelements 13 und des magnetischen Elements 12 koppeln 15, sodass das magnetische Erregerelement 13 und das magnetische Element 12 eine gemeinsame, gekoppelte gyrotrope Magnetisierungsbewegung ausführen. Die gyrotrope Magnetisierungsbewegung wird am magnetischen Element 12 bzw. mindestens einer magnetischen Schicht 101 des magnetischen Elements 12 detektiert. Hierzu kann eine der vorstehend beschriebenen Detektionseinheiten 10 verwendet werden. Es wird die Resonanzfrequenz der gyrotropen Magnetisierungsbewegung am magnetischen Element 12 gemessen. Wirkt eine mechanische Größe, wie beispielsweise eine mechanische Spannung, Deformation, Dehnung, Zug-, Druckbelastung, etc., die mittels der im Diagramm beschriebenen Sensorvorrichtung bestimmt werden soll, so führt dies zu einer Änderung der Resonanzfrequenz der gyrotropen Magnetisierungsbewegung. Diese Änderung wird mittels der Detektionseinheit 10 ermittelt und in der Auswerteeinheit 16 der mechanischen Größe zugeordnet. Es erfolgt eine Ausgabe 17 der gemessenen mechanischen Größe.
Optional kann das magnetische Erregerelement 13 mindestens eine magnetische Erregerschicht 201 aus einem magnetostriktiven Material umfassen.
Die Erreger-Anregungseinheit 14 kann analog zu der in 4 gezeigten Anregungseinheit 11 aufgebaut sein. Auf dem magnetischen Erregerelement 13 bzw. auf mindestens einer magnetischen Erregerschicht 201 ist eine spinpolarisierende Schicht 103 angeordnet. Auf der spinpolarisierenden ist die zweite Elektrode 102'' angeordnet. Auf dem magnetischen Erregerelement 13 ist auf der von der spinpolarisierenden Schicht 103 abgewandten Seite die erste Elektrode 102' angeordnet. Die spinpolarisierende Schicht 103, die erste Elektrode 102' und die zweite Elektrode 102'' bilden zusammen die Erreger-Anregungseinheit 14.
In einem Ausführungsbeispiel sind das magnetische Erregerelement 13 und das magnetische Element 12 aus 8b baugleich.
9a, 9b und 9c zeigen weitere mögliche Anregungseinheiten 11, die dazu ausgelegt sind die gyrotrope Magnetisierungsbewegung anzuregen. Wird das magnetische Element 12 direkt angeregt, so wird die Anregungseinheit 11 am magnetischen Element angeordnet. Erfolgt die Anregung des magnetischen Elements 12 indirekt über ein magnetisches Erregerelement 13, so wird die Anregungseinheit 11 am magnetischen Erregerelement 13 angeordnet. Um dies anzudeuten, ist in den Zeichnungen das Element, welches die wirbelförmige Magnetisierungsverteilung aufweist, mit zwei Bezugszeichen versehen.
9a zeigt einen Querschnitt des magnetischen Elements 12 bzw. eines magnetischen Erregerelements 13, welches auf einer Isolationsschicht 109 angeordnet ist, sodass das magnetische Element 12 bzw. das magnetische Erregerelement 13 elektrisch von einer darunterliegenden Mikrostreifenleitung 110 isoliert ist. Die Isolationsschicht 109 beabstandet das magnetische Element 12 bzw. das magnetische Erregerelement 13 von der Mikrostreifenleitung 110. Die Mikrostreifenleitung 110 bildet zusammen mit der Isolationsschicht 109 die Anregungseinheit 11 bzw. die Erreger-Anregungseinheit 14. Zur Anregung der gyrotropen Magnetisierungsbewegung wird die Mikrostreifenleitung 110 an eine Wechselstromquelle angeschlossen. Die Frequenz des Wechselstroms wird so eingestellt, dass sie der Resonanzfrequenz der gyrotropen Magnetisierungsbewegung entspricht. Dadurch erzeugt die Mikrostreifenleitung 110 ein magnetisches Wechselfeld, dessen Frequenz mit der Resonanzfrequenz der gyrotropen Magnetisierungsbewegung übereinstimmt. Die Feldlinien des magnetischen Wechselfeldes verlaufen elliptisch um die Mikrostreifenleitung 110. Das magnetische Element 12 bzw. das magnetische Erregerelement 13 ist somit in dem magnetischen Wechselfeld angeordnet. Das magnetische Wechselfeld regt die gyrotropen Magnetisierungsbewegung an, wenn die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes mit der Resonanzfrequenz der gyrotropen Magnetisierungsbewegung übereinstimmt. Im Fall, dass wie vorstehend beschrieben mehrere Moden der gyrotropen Magnetisierungsbewegung möglich sind, kann die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes so gewählt werden, dass sie mit einer der Moden übereinstimmt.
9b zeigt einen Querschnitt des magnetischen Elements 12 bzw. des magnetischen Erregerelements 13, welches in die Mikrostreifenleitung 110 eingebracht ist. Durchfließt ein Wechselstrom die Mikrostreifenleitung 110 beispielsweise entlang der y-Richtung, wobei die Frequenz des Wechselstroms der Resonanzfrequenz oder einer der Moden der gyrotropen Magnetisierungsbewegung entspricht, so wird das magnetische Element 12 bzw. das magnetische Erregerelement 13 entlang der Schichtebene durchflossen. In der Schichtebene ist die wirbelförmige Magnetisierungsverteilung ausgebildet. Somit treffen Elektronen beim Eintritt in das magnetische Element 12 bzw. das magnetische Erregerelement 13 auf Spins, die entlang einer Vorzugsrichtung orientiert sind. Elektronen, deren Spins ebenfalls entlang dieser Vorzugsrichtung orientiert sind, werden daher vom magnetischen Element 12 bzw. magnetischen Erregerelement 13 transmittiert. Unterschiedliche Spinausrichtungen weisen somit verschiedene Leitfähigkeiten im magnetischen Element 12 bzw. magnetischen Erregerelement 13 auf. Folglich wird das Zentrum des magnetischen Elements 12 bzw. des magnetischen Erregerelements 13 von einem spinpolarisierten Wechselstrom durchflossen. Dadurch wird die gyrotrope Magnetisierungsbewegung angeregt. Der zugrundeliegende Effekt ist der sogenannte „Spin-Transfer-Torque”.
In 9c zeigt einen Aufbau zur homodynen Detektion mittels anisotropem magnetoresistivem Effekt (AMR-Effekt). Der Aufbau in 9c entspricht der Anordnung aus 9a, wobei auf der Isolationsschicht 109 zusätzlich eine obere Mikrostreifenleitung 110' angeordnet ist, in die das magnetische Element 12 bzw.
das magnetische Erregerelement 13 eingebracht ist. Die obere Mikrostreifenleitung 110' ist mit dem magnetischen Element 12 bzw. dem magnetischen Erregerelement 13 kontaktiert. Die Mikrostreifenleitung 110 wird von einem ersten Wechselstrom 107' mit einer ersten Frequenz entlang der y-Richtung durchflossen. Die obere Mikrostreifenleitung 110' wird von einem zweiten Wechselstrom 107'' mit einer zweiten Frequenz entlang der y-Richtung durchflossen. Die zweite Frequenz wird so eingestellt, dass sie dem Doppelten der ersten Frequenz entspricht. Sind die Richtungen des zweiten Stroms 107'' und der Magnetisierung des magnetischen Elements 12 bzw. des magnetischen Erregerelements 13 senkrecht zueinander, so ist der elektrische Widerstand minimal. Sind die beiden Richtungen parallel zueinander ist der elektrische Widerstand maximal. Wenn die erste Frequenz so eingestellt ist, dass sie der Resonanzfrequenz der gyrotropen Magnetisierungsbewegung entspricht, so wird die gyrotrope Magnetisierungsbewegung angeregt, wodurch der elektrische Widerstand des magnetischen Elements 12 bzw. des magnetischen Erregerelements 13 aufgrund des AMR-Effekts um einen festen Widerstandswert mit dem Doppelten der Resonanzfrequenz der gyrotropen Magnetisierungsbewegung oszilliert. Die entstehende Gleichspannung, die über dem oszillierenden elektrischen Widerstand abfällt ist proportional zum Radius der Bewegung des Vortexkerns 100 bzw. des Erreger-Vortexkerns 200.
Die Sensorvorrichtung umfasst das magnetische Element 12, die Anregungseinheit 11, die Detektionseinheit 10 und die Auswerteinheit 16. 10 zeigt ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zur Ermittlung einer mechanischen Größe zeigt. Das Messprinzip der Sensorvorrichtung beruht darauf, dass die magnetischen Eigenschaften des magnetischen Elements 12 von der mechanischen Größe abhängen. Die Resonanzfrequenz der gyrotropen Magnetisierungsbewegung hängt von den magnetischen Eigenschaften ab und ist somit ein Maß für die magnetischen Eigenschaften, die ihrerseits ein Maß für die mechanische Größe sind. Mittels der Anregungseinheit 11 wird das magnetische Element 12 zu einer gyrotropen Magnetisierungsbewegung angeregt. Die gyrotrope Magnetisierungsbewegung wird mittels der Detektionseinheit 10 detektiert. Die Detektionseinheit gibt ein Detektionssignal an die Auswerteeinheit 16 aus. Das Detektionssignal kann beispielsweise ein oszillierender Widerstand, eine induzierte Spannung, etc. sein. Das Detektionssignal stellt ein Maß für die Resonanzfrequenz der gyrotropen Magnetisierungsbewegung dar. In der Auswerteeinheit 16 wird die Resonanzfrequenz der gyrotropen Magnetisierungsbewegung der mechanischen Größe beispielsweise unter Verwendung einer Kennlinie 16' zugeordnet. Der Zusammenhang zwischen der Resonanzfrequenz und der mechanischen Größe wird in einer Kalibriermessung ermittelt und in der Auswerteeinheit 16 als Kennlinie 16' hinterlegt. Somit erfolgt eine Ausgabe 17 der mechanischen Größe.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69315665 T2 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Magnetic vortex oscillator driven by dc-polarized current” (Pribiag et al., Nature Phys. 3 (2007) [0047]
„Spin-motive force due to gyrating magnetic vortex” (Tanabe et al., Nature Communications (2012) [0059]

Claims

Sensorvorrichtung, umfassend – ein magnetisches Element (12), welches mindestens eine magnetische Schicht (101, 101', 101'', 101''') umfasst, wobei die magnetischen Eigenschaften der magnetischen Schicht (101, 101', 101'', 101''') von einer mechanischen Größe abhängen, dadurch gekennzeichnet, dass – die magnetische Schicht (101, 101', 101'', 101''') eine wirbelförmige Magnetisierungsverteilung mit einem Vortexkern (100) aufweist, wobei die wirbelförmige Magnetisierungsverteilung in einer Schichtebene ausgebildet ist, wobei der Vortexkern (100) senkrecht zur Schichtebene ausgebildet ist, – mindestens eine magnetische Schicht (101, 101', 101'', 101''') des magnetischen Elements (12) aus einem magnetostriktiven Material ausgebildet ist und dass die Sensorvorrichtung des Weiteren – eine Anregungseinheit (11) zur Anregung der wirbelförmigen Magnetisierungsverteilung zu einer gyrotropen Magnetisierungsbewegung, – eine Detektionseinheit (10) zur Detektion einer Resonanzfrequenz der gyrotropen Magnetisierungsbewegung und – eine Auswerteeinheit (16) zur Bestimmung einer mechanischen Größe aus der Resonanzfrequenz der gyrotropen Magnetisierungsbewegung umfasst.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Element (12) mehrere nebeneinander angeordnete magnetische Schichten (101, 101', 101'', 101''') umfasst, deren Schichtebenen in einer gemeinsamen Ebene liegen.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Element (12) mehrere aufeinander gestapelte magnetische Schichten (101, 101', 101'', 101''') umfasst, deren Schichtebenen parallel zueinander angeordnet sind.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der magnetischen Schichten (101, 101', 101'', 101''') des magnetischen Elements zwischen einer ersten Elektrode (102') und einer zweiten Elektrode (102'') angeordnet ist und die Detektionseinheit (10) zwischen der mindestens einen magnetischen Schicht (101, 101', 101'', 101''') und der ersten Elektrode angeordnet ist.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungseinheit (11) eine erste Elektrode (102'), eine spinpolarisierende Schicht (103) und eine zweite Elektrode (102'') umfasst, wobei – die spinpolarisierende Schicht (103) auf der zweiten Elektrode (102'') ausgebildet ist, – auf der spinpolarisierenden Schicht (103) das magnetische Element (12) angeordnet ist und – auf dem magnetischen Element (12) die erste Elektrode (102') angeordnet ist oder auf dem magnetischen Element (12) die Detektionseinheit (10) angeordnet ist, wobei auf der Detektionseinheit (10) die erste Elektrode (102') angeordnet ist.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit (10) eine Zwischenschicht (104) und eine Referenzschicht (105), die eine feste Magnetisierung aufweist, umfasst, wobei – auf das magnetische Element (12) die Zwischenschicht (104) aufgebracht ist und – auf der Zwischenschicht (104) die Referenzschicht (105) angeordnet ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (104) aus einem nicht leitenden Material ausgebildet ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (104) aus einem nicht magnetischen Material ausgebildet ist.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit (10) mindestens eine Mikrospule (106) umfasst, die auf dem magnetischen Element (12) angeordnet ist.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungseinheit (11) des magnetischen Elements (12) – ein magnetisches Erregerelement (13) umfasst, das mindestens eine magnetische Erregerschicht (201) umfasst, die eine wirbelförmige Magnetisierungsverteilung mit einem Erreger-Vortexkern (202) aufweist, welche in einer Erreger-Schichtebene ausgebildet ist, wobei der Erreger-Vortexkern (202) senkrecht zur Erreger-Schichtebene ausgebildet ist und – eine Erreger-Anregungseinheit (14) umfasst, die dazu ausgelegt ist das magnetische Erregerelement (13) zu einer gyrotropen Magnetisierungsbewegung anzuregen, sodass durch magnetische Kopplung des magnetischen Erregerelements (13) und des magnetischen Elements (12) das magnetische Element (12) zu einer gyrotropen Magnetisierungsbewegung angeregt wird.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Erreger-Anregungseinheit (14) eine dritte Elektrode (111'), eine spinpolarisierende Erreger-Schicht und eine vierte Elektrode umfasst, wobei – die spinpolarisierende Erreger-Schicht (203) auf der vierten Elektrode (111'') ausgebildet ist, – auf der spinpolarisierenden Erreger-Schicht (203) das magnetische Erregerelement (13) angeordnet ist und – auf dem magnetischen Erregerelement (13) die dritte Elektrode (111') angeordnet ist.
Verfahren zur Ermittlung einer mechanischen Größe mittels einer Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das magnetische Element (12) zu einer resonanten gyrotropen Magnetisierungsbewegung angeregt wird, – die resonante gyrotrope Magnetisierungsbewegung detektiert und ihre Resonanzfrequenz bestimmt wird und – die Resonanzfrequenz der gyrotropen Magnetisierungsbewegung anhand einer Kennlinie einer mechanischen Größe zugeordnet wird.
Verfahren zur Ermittlung einer mechanischen Größe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Frequenz der resonanten gyrotropen Magnetisierungsbewegung eine Spin-Motorische Kraft bestimmt wird, die durch die gyrotrope Magnetisierungsbewegung hervorgerufen und mittels eines ersten Kontaktes (108') und eines zweiten Kontaktes (108'') auf einer Oberfläche parallel zur Ebene der gyrotropen Magnetisierungsbewegung als Spannung detektiert wird.
Verfahren zur Ermittlung einer mechanischen Größe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung eines magnetischen Flusses detektiert wird, die ein Maß für die resonante gyrotrope Magnetisierungsbewegung ist.
Verfahren zur Ermittlung einer mechanischen Größe nach Anspruch 12 mittels einer Sensorvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein sich ändernder elektrische Widerstand detektiert wird, wobei der elektrische Widerstand durch das magnetische Element (12) und die Detektionseinheit (10) gebildet wird.