DE102018219448A1

DE102018219448A1 - Magnetfeldsensoreinrichtung, Sensorsystem und Verfahren zum Erfassen einer externen Magnetfeldkomponente

Info

Publication number: DE102018219448A1
Application number: DE102018219448.3A
Authority: DE
Inventors: Michael CURCIC; Nils Felix Kuhlmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-11-14
Filing date: 2018-11-14
Publication date: 2020-05-14

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Magnetfeldsensoreinrichtung (10) umfassend, eine erste Schicht (1), welche ein erstes Material umfasst; eine zweite Schicht (2), welche auf der ersten Schicht (1) in direktem mechanischen Kontakt mit dieser angeordnet ist, und welche ein zweites Material umfasst; eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (8), mittels welcher ein oszillierendes Hilfsmagnetfeld (Hi) mit einer Hilfsfrequenz (fi) an/in der ersten Schicht (1) erzeugbar ist, so dass die Hilfsfrequenz (fi) mit einer ferromagnetischen Resonanzfrequenz der ersten Schicht (1) übereinstimmt, wobei die ferromagnetische Resonanzfrequenz durch ein externes Magnetfeld (H) modifizierbar ist; und eine Spannungsmesseinrichtung (3) mit einer ersten Elektrode (a) und einer zweiten Elektrode (b), welche an einander gegenüberliegenden Bereichen (SF1; SF2) der zweiten Schicht (2) angeordnet sind, und mittels welcher eine elektrische Spannung (U) in der zweiten Schicht (2) messbar ist, welche durch einen Spinstrom (Js) in der zweiten Schicht (2) erzeugbar ist, wobei der Spinstrom (Js) bei ferromagnetischer Resonanz von einem externen Magnetfeld (H) an der ersten Schicht (1) abhängt, und das externe Magnetfeld (H) aus der gemessenen elektrischen Spannung (U) ermittelbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Magnetfeldsensoreinrichtung, ein Sensorsystem und ein Verfahren zum Erfassen einer externen Magnetfeldkomponente.
Stand der Technik
Derzeitig verwendete Messmethoden zur Bestimmung eines Magnetfeldes nutzen beispielsweise eine Hall-Sonde, wobei Leitungselektronen, welche einem Magnetfeld ausgesetzt werden, durch die Lorentzkraft abgelenkt werden und meist in Halbleitern eine Spannung in Querrichtung erzeugen, wobei diese Spannung zum wirkenden Magnetfeld proportional ist. Die Lorentzkraft wird auch in MEMS-basierten Magnetometern genutzt, um mikromechanische Hochgütesysteme zu aktuieren oder mechanische Eigenschaften zu verändern, wie etwa die Steifigkeit des Systems (MEMS-System). Des Weiteren kann zur Magnetfeldmessung eine quasistatische Manipulation der Magnetisierung von magnetischen Materialien durch ein externes Magnetfeld genutzt werden, etwa beim Fluxgate Magnetometer, oder magnetoresistiven Sensoren, welche auf dem anisotropen Magnetwiderstand (AMR), dem Riesenmagnetowiderstand (GMR) und/oder dem magnetischen Tunnelwiderstand (TMR) basieren. Werden magnetostriktive Stoffe benutzt, kann auch die Änderung des mechanischen Elastizitätsmoduls (ΔE-Effekt) zur Bestimmung des Magnetfeldes genutzt werden, wobei typischerweise die Verschiebung einer mechanischen Resonanzfrequenz zu messen ist. Hierbei wird meist der magnetostriktive Stoff mit einem resonanten Magnetfeld angeregt. Es ist möglich, dass dabei eine indirekte Anregung auch elektrisch erfolgt, wobei eine weitere piezoelektrische Schicht zur mechanischen Schwingung angeregt wird, wobei die Schicht sich im Stapelverbund mit der magnetostriktiven Schicht befinden kann. Des Weiteren kann eine Magnetfeldmessung auch quantenmechanische Effekte, wie Flussquantisierung (SQUID-Magnetometer) oder die Zeeman-Aufspaltung (NMR-Magnetometer) nutzen, zumeist im medizinischen und wissenschaftlichen Bereich.
In der WO 2017/135720 A1 wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen eines magnetischen Feldes unter Verwendung des Spin-Hall-Effekts beschrieben. Die Magnetfeldmesseinrichtung umfasst eine Stromanlegeeinrichtung mit einem Leiter, einen Leiter, welcher einen Spinstrom bildet, einem magnetischen Körper zum Injizieren des Spinstroms und eine Einrichtung zum Anlegen eines zweiten Magnetfelds und eine Steuereinheit zum Ableiten einer Hysteresenverschiebung.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine Magnetfeldsensoreinrichtung nach Anspruch 1, ein Sensorsystem nach Anspruch 9 und ein Verfahren zum Erfassen einer externen Magnetfeldkomponente nach Anspruch 10.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine Magnetfeldsensoreinrichtung (Magnetometer) basierend auf der ferromagnetischen Resonanz (FMR) anzugeben, die dabei mittels des inversen Spin-Hall-Effekts ausgelesen wird, sowie ein darauf basierendes Verfahren zur Messung eines externen Magnetfeldes anzugeben. Bei einer Auswertung kann die externe Magnetfeldkomponente aus einer einfachen Messung einer Gleichspannung ermittelt werden, wobei im Vergleich zu einer reinen FMR Messung auf einen Messaufbau mit Hochfrequenztechnik oder weiterer aufwändiger Messaufbauten verzichtet werden kann, wodurch sich auch ein vorteilhaft kleinskaliger und preiswerter Magnetometer ergibt.
Erfindungsgemäß umfasst die Magnetfeldsensoreinrichtung eine erste Schicht, welche ein erstes Material umfasst; eine zweite Schicht, welche auf der ersten Schicht in direktem mechanischen Kontakt mit dieser angeordnet ist, und welche ein zweites Material umfasst; eine Magnetfelderzeugungseinrichtung, mittels welcher ein oszillierendes Hilfsmagnetfeld mit einer Hilfsfrequenz an/in der ersten Schicht erzeugbar ist, so dass die Hilfsfrequenz mit einer ferromagnetischen Resonanzfrequenz der ersten Schicht übereinstimmt, wobei die ferromagnetische Resonanzfrequenz durch ein externes Magnetfeld modifizierbar ist; und eine Spannungsmesseinrichtung mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, welche an einander gegenüberliegenden Bereichen der zweiten Schicht angeordnet sind, und mittels welcher eine elektrische Spannung in der zweiten Schicht messbar ist, welche durch einen Spinstrom in der zweiten Schicht erzeugbar ist, wobei der Spinstrom bei ferromagnetischer Resonanz von einem externen Magnetfeld an der ersten Schicht abhängt, und das externe Magnetfeld aus der gemessenen elektrischen Spannung ermittelbar ist.
Die ferromagnetische Resonanz hängt vorteilhaft nur vom externen Magnetfeld ab. Dadurch entsteht vorteilhaft ein Spinstrom nur dann, wenn das Hilfsmagnetfeld die Resonanzbedingung erfüllt, also eine ferromagnetische Resonanz auftritt.
Das erste und das zweite Material unterscheiden sich vorteilhaft voneinander, wobei das erste Material vorteilhaft ferro- oder ferrimagnetisch sein kann und das zweite Material nichtmagnetisch sein kann.
Zur Messung eines externen Magnetfeldkomponente umfasst die Magnetfeldsensoreinrichtung vorteilhaft zumindest eine oder auch mehrere magnetische Schichten des ersten Materials aus einem ferro- oder ferrimagnetischen Material. Bei einer solchen Vorrichtung kann vorteilhaft ausgenutzt werden, dass durch den inversen Spin-Hall-Effekt eine ferromagnetische Resonanzfrequenz einfach gemessen werden kann, indem eine durch den inversen Spin-Hall-Effekt erzeugte Potentialdifferenz zwischen zwei gegenüberliegenden Positionen eines zweiten Materials, beispielsweise eines nichtmagnetischen metallischen Materials, erzeugt wird. Die Positionen können sich seitlich oder oben und unten an der zweiten Schicht befinden. Dabei befindet sich das mit dem nichtmagnetischen Material in direktem mechanischen Kontakt stehende magnetische Material, insbesondere die erste Schicht, in magnetischer Resonanz mit einem anregenden elektromagnetischen Feld. Durch ein externes Hintergrundmagnetfeld kann die Resonanzfrequenz des ersten Materials, vorteilhaft des ferro- oder ferrimagnetischen Materials, modifiziert werden, wodurch der inverse Spin-Hall-Effekt erst bei einer modifizierten Anregungsfrequenz des anregenden elektromagnetischen Feldes eine messbare Spannung an der zweiten Schicht erzeugen kann. Die erste Schicht umfasst vorteilhaft eine Oberseite und eine Unterseite und liegt vorteilhaft mit der gesamten Fläche der Unterseite auf der zweiten Schicht, in direktem Kontakt mit dieser, auf. Unter ferromagnetischer Resonanz wird ein Spinstrom in der zweiten Schicht erzeugt, was im Material der zweiten Schicht wegen des inversen Spin-Hall Effektes zu einer messbaren Spannung führt.
Der Inverse Spin-hall Effekt sowie zugehörige Konzepte sind in Saitoh et al. „Conversion of spin current into charge current at room temperature: Inverse Spin Hall Effect, Appl. Phys. Lett. 88, 182509 (2006); Tserkovnyak et al., Enhanced Gilbert Damping in Thin Ferromagnetic Films, Phys. Rev. Lett. 88, 117601 (2002); Ando et al., JAP 109, 103913 (2011); A. R. Melnik et al. Nature 511, 449 - 451 (2014); Kittel, Charles, Wiley. ISBN 047141526X (2004) und Dürrenfeld et al., Tunable damping, saturation magnetization, and exchange stiffness of half-Heusler NiMnSb thin films, https://arxiv.org/abs/1510.01894 zu finden.
Die Spannungsmesseinrichtung kann einen Voltmeter und/oder eine Recheneinheit umfassen, beispielsweise eine Computereinrichtung, welche die Potentialdifferenz an den gegenüberliegenden Bereichen der zweiten Schicht messen kann. Des Weiteren ist es auch möglich, dass die Computereinrichtung mit der Magnetfelderzeugungseinrichtung verbunden ist oder diese selbst umfasst, so dass die Computereinrichtung die Hilfsfrequenz vorteilhaft variieren kann, bis eine Potentialdifferenz an den Bereichen mit den Elektroden der zweiten Schicht maximiert wird und als Maximum messbar ist. Die Potentialdifferenz ist vorteilhaft nur dann maximal groß, wenn die Hilfsfrequenz der ferromagnetischen Resonanzfrequenz entspricht. Aus der Verschiebung der Resonanzfrequenz kann somit auf die Feldstärke des externen Magnetfelds rückgeschlossen werden. Nachdem die Hilfsfrequenz solange modifiziert wird, bis eine Spannung an der zweiten Schicht maximal groß wird, kann die verschobene Resonanzfrequenz mit einer Resonanzfrequenz (ferromagnetische) ohne ein externes Magnetfeld an der ersten Schicht zur Referenz verglichen werden. Aus der Veränderung der Hilfsfrequenz kann dann auf die Stärke des externen Magnetfelds geschlossen werden.
Die Magnetfelderzeugungseinrichtung kann in unmittelbarer Nähe zur ersten und/oder zweiten Schicht angeordnet sein, einen stromdurchflossenen Leiter und/oder eine Mikrowellenstrahlungsquelle umfassen, welche das nötige Hilfsmagnetfeld erzeugen kann.
Da es sich bei der Messmethode um eine resonante Anregung handelt, erfolgt vorteilhaft eine äußerst geringe Leistungsaufnahme der Magnetfeldsensoreinrichtung durch die anliegenden Magnetfelder oder Mikrowellenstrahlung an der ersten Schicht. Da die Hilfsfrequenz mit einer hohen Genauigkeit an die Resonanzfrequenz anpassbar ist, weist die Magnetfeldsensoreinrichtung vorteilhaft auch eine sehr hohe Sensitivität und Genauigkeit der Messung des externen Magnetfeldes und ein geringes Rauschen auf. Mittels der Spannungsmesseinrichtung kann folglich aus einer einfachen Messung einer Gleichspannung auf das externe Magnetfeld rückgeschlossen werden, wobei keine aufwändige Hochfrequenztechnik nötig ist, welche etwa bei einer direkten Messung der Ferromagnetischen Resonanz zum Einsatz kommt, um dort die Absorption oder Transmission der hochfrequenten Antwort zu messen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Magnetfeldsensoreinrichtung ist eine erste Länge der ersten Schicht größer als eine erste Breite der ersten Schicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Magnetfeldsensoreinrichtung umfasst das erste Material ein ferromagnetisches oder ferrimagnetisches Material mit einer magnetischen Dämpfung von höchstens 0.1, vorzugsweise Permalloy, CoFeB, Y₃Fe₅O₁₂, NiMnSb oder eine Heusler-Legierung, oder ein ferrimagnetisches Material.
Derartige Materialien, wie Legierungen aus Nickel-Eisen (Permalloy, Ni80Fe20), Kobalt-Eisen-Bor (CoFeB), Yttrium-Eisen-Granat (YIG, Y₃Fe₅O₁₂) oder Heusler-Legierungen (z.B. NiMnSb)) umfassen vorteilhaft eine möglichst geringe magnetische Dämpfung. Es ist jedoch auch möglich andere Materialien als Alternative oder Zusatz zu den bereits genannten Materialien zu verwenden, vorteilhaft ferro- oder ferrimagnetisch mit möglichst geringer magnetischer Dämpfung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Magnetfeldsensoreinrichtung umfasst diese eine Magnetisierungseinrichtung, mittels welcher eine Grundmagnetisierung der ersten Schicht ausrichtbar ist, wobei die Magnetisierungseinrichtung eine Spule oder einen Permanentmagneten umfasst.
Die Ausrichtung der Grundmagnetisierung (der Hintergrundmagnetisierung in der ersten Schicht) kann durch den Permanentmagnet erfolgen, welcher optional mit einem zusätzlichen Antiferromagneten festgehalten werden kann.
Die Grundmagnetisierung in dem ersten Material (ferro- oder ferrimagnetisches Material) ist vorteilhaft durch ein von außen angelegtes Magnetfeld beeinflussbar und gemäß diesem ausrichtbar. Die Magnetisierung der ersten Schicht kann dadurch in eine Vorzugsrichtung ausgerichtet werden, und als Grundmagnetisierung bezeichnet werden. Beim Einsatz einer Spule kann hierbei vorteilhaft eine hohe Robustheit gegenüber eines Fremdfeldes, etwa aus der Umgebung, erzielt werden. Dabei kann vorteilhaft eine höhere Fremdfeldrobustheit im Vergleich zu einer TMR-Anordnung (Tunnelwiderstand) erzielt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Magnetfeldsensoreinrichtung umfasst die erste Schicht eine Dicke von 5 nm - 200 nm.
Die Dicke der ersten Schicht ist vorteilhaft groß genug, damit vorteilhaft eine einzige magnetische Domäne vorliegt.
Um die Sensitivität der Magnetfeldsensoreinrichtung auf einer bestimmten Achse, also in eine bestimmte Richtung, zu verbessern, kann die Magnetfeldsensoreinrichtung, vorteilhaft die erste Schicht, eine Formasymmetrie hinsichtlich Länge und Breite umfassen. Die längere Größe, etwa die erste Länge, wird zur Verbesserung der Messung der externen Magnetfeldkomponente, vorteilhaft parallel zur Richtung dieses statischen Magnetfeldes (beispielsweise x-Richtung), oder zumindest der zu messenden Komponente des Magnetfeldes, ausgerichtet. Das zu messende Magnetfeld umfasst hierbei einen Anteil eines externen Magnetfeldes und eines Grundmagnetisierungsfeldes (entspricht dem Bias- Feld). Die Messung der Komponente in einer weiteren Richtung (beispielsweise y-Richtung), kann dann durch ein orthogonales Platzieren einer weiteren Magnetfeldsensoreinrichtung mit dessen ersten Länge parallel zu dieser Richtung erfolgen, wobei die zweite Anordnung entlang einer anderen Komponente (y-Richtung) des zu messenden Magnetfeldes ausrichtbar ist, vorteilhaft gleichzeitig zur ersten Anordnung. Eine Erweiterung für eine dritte Richtung (beispielsweise aus der Ebene der ersten Schicht heraus) kann vorteilhaft durch eine Anordnung von Flusskonzentratoren erfolgen, wie dies beispielsweise in der US 2016/320459 gezeigt ist, wobei ein senkrechter Anteil des Magnetfeldes in die Ebene der ersten Schicht umgeleitet werden kann. Das laterale Aspektverhältnis zwischen erster Länge und erster Breite kann vorteilhaft viel größer als 1 sein. Ein solches Aspektverhältnis kann zusätzlich auch die zweite Schicht aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Magnetfeldsensoreinrichtung umfasst das zweite Material einen positiven Spin-Hall Winkel, vorzugsweise Platin (Pt), Bismutselenid (Bi₂Se₃), Iridium (Ir) oder Wolfram (W).
Solche Materialien umfassen vorteilhaft einen großen Spin-Hall Winkel, wobei vorteilhaft auch andere Stoffe mit einem großen Spin-Hall Winkel anwendbar sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Magnetfeldsensoreinrichtung umfasst die Magnetfelderzeugungseinrichtung einen Isolator und eine stromdurchfließbare elektrische Leitereinrichtung, auf welcher die erste Schicht mit der darauf angeordneten zweiten Schicht angeordnet ist, wobei der Isolator zwischen der Leitereinrichtung und der ersten Schicht angeordnet ist.
Die stromdurchfließbare elektrische Leitereinrichtung wird von einem extern an die Magnetfeldsensoreinrichtung angelegten elektrischen Strom durchflossen, wobei ein oszillierendes Hilfsmagnetfeld erzeugt wird, welches vorteilhaft die erste Schicht durchsetzt. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass die Anordnung von erster und zweiter Schicht auf der elektrischen Leitereinrichtung vertauscht ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Magnetfeldsensoreinrichtung umfasst die stromdurchfließbare elektrische Leitereinrichtung einen mit der ersten Schicht koplanaren Wellenleiter.
Der koplanare Wellenleiter oder die stromdurchfließbare elektrische Leitereinrichtung weist vorteilhaft die erste Breite der ersten und/oder zweiten Schicht auf, kann jedoch auch breiter oder schmäler ausgeformt sein als die erste oder zweite Schicht. Es ist auch möglich, dass die erste Schicht, die zweite Schicht und der koplanare Wellenleiter, oder die stromdurchfließbare elektrische Leitereinrichtung jeweils alle die gleiche (erste) Breite umfassen und vorteilhaft einen kompakten Schichtenstapel bilden.
Erfindungsgemäß umfasst das Sensorsystem eine Mehrzahl erfindungsgemäßer Magnetfeldsensoreinrichtungen, welche mit jeweils der ersten Länge orthogonal zueinander angeordnet sind.
Durch die Mehrzahl der Magnetfeldsensoreinrichtungen können vorteilhaft mehrere Komponenten des externen Magnetfeldes gemessen werden, wenn für jeweils eine (orthogonale) Magnetfeldkomponente eine Magnetfeldsensoreinrichtung ausgerichtet ist.
Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Erfassen einer externen Magnetfeldkomponente ein Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoreinrichtung; ein Anordnen der ersten Schicht in einem externen Magnetfeld; ein Erzeugen eines oszillierenden Hilfsmagnetfelds an oder in der ersten Schicht mittels der Magnetfelderzeugungseinrichtung mit einer Hilfsfrequenz, wobei die Hilfsfrequenz des oszillierenden Hilfsmagnetfelds an die ferromagnetische Resonanzfrequenz der ersten Schicht angeglichen wird; ein Messen einer elektrischen Spannung in der zweiten Schicht mittels der Spannungsmesseinrichtung; und ein Ermitteln der externen Magnetfeldkomponente basierend auf der gemessenen elektrischen Spannung.
Das Verfahren zeichnet sich vorteilhaft durch die in Verbindung mit der Magnetfeldsensoreinrichtung genannten Merkmale und deren Vorteile aus und umgekehrt. Vorteilhaft wird an der zweiten Schicht eine Gleichspannung gemessen.
Das Erzeugen eines oszillierenden Hilfsmagnetfelds an oder in der ersten Schicht mittels der Magnetfelderzeugungseinrichtung mit einer Hilfsfrequenz und das nachfolgende Messen der elektrischen Spannung in der zweiten Schicht erfolgt vorteilhaft in einer sich wiederholden Schleife bis die gemessene Spannung in der zweiten Schicht maximal wird, da dann vorteilhaft die Resonanzbedingung erfüllt ist. Alternativ dazu ist es auch möglich, eine Lorentzkurve an gemessene Punkte der Spannung (aus inversem Spin-Hall-Effekt) zu jeweiliger Hilfsfrequenz zu fitten. Aus diesen gefitteten Werten kann eine Hilfsfrequenz für ein Maximum der Spannung ermittelt werden, also eine Hilfsfrequenz ,bei welcher die Resonanzbedingung erfüllt ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens erfolgt vor oder nach dem Anordnen der ersten Schicht im externen Magnetfeld ein Ausrichten einer Grundmagnetisierung der ersten Schicht durch eine Magnetisierungseinrichtung, wobei die Grundmagnetisierung in der ersten Schicht entlang oder entgegen einer zu messenden Richtung des externen Magnetfeldes ausgerichtet wird.
Nach Außen kann die erste Schicht daher als eine Einzeldomäne mit einer durch die Magnetisierungseinrichtung (Bias-Feld) ausgerichteten Grundmagnetisierung wirken.
Die Ausrichtung erfolgt vorzugsweise entlang der ersten Länge der ersten Schicht. Durch eine solche Ausrichtung in der Vorzugsrichtung, welche mit der zu messenden Magnetfeldkomponente übereinstimmt, kann die Sensitivität der Magnetfeldsensoreinrichtung vorteilhaft verbessert werden. Das gesamte statische zu messende Magnetfeld kann vorteilhaft als ein überlagertes Feld aus dem Feld zur Grundmagnetisierung mit dem externen Magnetfeld betrachtet werden. Um letztlich das externe Magnetfeld (Magnetfeldkomponente) bestimmen zu können, kann die Magnetfeldsensoreinrichtung zuvor in einem wohldefinierten Aufbau mit durchstimmbaren Magnetfeld kalibriert werden. Die dort gemessenen Abhängigkeiten (etwa von physikalischen Parametern) können als Referenz dienen. Kalibriermessungen sind weitestgehend bekannt, weshalb hier auf eine genaue Ausführung verzichtet wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird die erste Schicht mit einer ersten Länge entlang einer zu messenden Richtung der externen Magnetfeldkomponente ausgerichtet, wobei die erste Länge größer ist als eine erste Breite der ersten Schicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens erfolgt das Ermitteln der externen Magnetfeldkomponente mittels einer Relation zwischen Magnetisierung, Resonanzfrequenz der ersten Schicht und externem Magnetfeld, wobei von der Frequenz des oszillierenden Hilfsmagnetfelds auf die externe Magnetfeldkomponente rückgeschlossen wird und/oder ein Rückschluss über eine Kalibrierungsmessung erfolgt.
Für die Effizienz der Magnetfeldsensoreinrichtung ist die Spin-Bahn-Kopplung im Material der zweiten Schicht ausschlaggebend. Die Wahl von Materialien mit einem großen Spin-Hall Winkel wird vorteilhaft bevorzugt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird die Hilfsfrequenz verändert, bis eine maximale Spannung gemessen werden kann.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer ersten und einer zweiten Schicht der Magnetfeldsensoreinrichtung in einem externen Magnetfeld gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung einer Magnetfeldsensoreinrichtung in einem externen Magnetfeld gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Draufsicht auf eine erste erfindungsgemäße Schicht, welche entlang der zu ermittelnden Komponenten eines Magnetfeldes gerichtet ist; und
4 eine schematische Blockdarstellung von Verfahrensschritten des Verfahrens gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten und einer zweiten Schicht der Magnetfeldsensoreinrichtung in einem externen Magnetfeld gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Die Magnetfeldsensoreinrichtung 10 umfasst, eine erste Schicht 1, welche ein erstes Material umfasst, eine zweite Schicht 2; eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 8, mittels welcher ein oszillierendes Hilfsmagnetfeld Hi mit einer Hilfsfrequenz fi an/in der ersten Schicht 1 erzeugbar ist, so dass die Hilfsfrequenz fi mit einer ferromagnetischen Resonanzfrequenz der ersten Schicht 1 übereinstimmt, wobei die ferromagnetische Resonanzfrequenz durch ein externes Magnetfeld H modifizierbar ist; und eine Spannungsmesseinrichtung 3 mit einer ersten Elektrode a und einer zweiten Elektrode b, welche an einander gegenüberliegenden Bereichen SF1 und SF2 (unteres Bild) der zweiten Schicht 2 angeordnet sind, und mittels welcher eine elektrische Spannung U in der zweiten Schicht 2 messbar ist, welche durch einen Spinstrom Js in der zweiten Schicht 2 erzeugbar ist, wobei der Spinstrom Js bei ferromagnetischer Resonanz von einem externen Magnetfeld H an der ersten Schicht 1 abhängt, und das externe Magnetfeld H aus der gemessenen elektrischen Spannung U ermittelbar ist. Hierbei ist die Hilfsfrequenz variierbar bis ein Maximum der Spannung messbar ist.
Die erste Schicht 1 und die zweite Schicht 2 der Magnetfeldsensoreinrichtung 10 bilden vorteilhaft eine Doppellage (oberes Bild der 1). Die Magnetfeldsensoreinrichtung 10 kann vorteilhaft auch mehr als eine erste und zweite Schicht (ferromagnetische oder ferrimagnetische und/oder mehr als eine nichtmagnetische Schicht) umfassen, jedoch sind vorteilhaft zumindest eine erste und eine zweite Schicht (ferro- oder ferrimagnetische und eine nichtmagnetische Schicht) miteinander in direktem Kontakt angeordnet. In ferromagnetischer Resonanz präzediert die Magnetisierung M in der ersten Schicht 1 mit einer vom externen Magnetfeld H abhängigen Resonanzfrequenz (Detaildarstellung im unteren Bild der 1). Mittels der Magnetfelderzeugungseinrichtung 8 (wie in 2 gezeigt) und einem durch diese erzeugtem oszillierenden Hilfsmagnetfeld Hi mit einer Hilfsfrequenz fi kann ein magnetischer Dämpfungseffekt des Materials der ersten Schicht 1 kompensiert werden, und verhindert werden, dass sich die Magnetisierung M parallel zur Grundmagnetisierung M0 ausrichtet, wodurch die Präzession aufrechterhalten werden kann. Mit anderen Worten erhält das oszillierende Hilfsmagnetfeld Hi eine Komponente senkrecht zur Grundmagnetisierung M0 aufrecht und erhält dadurch die Präzession. Das Hilfsmagnetfeld Hi erstreckt sich vorteilhaft elliptisch um die Magnetfelderzeugungseinrichtung 8 herum, und durchdringt vorteilhaft auch eine Ebene innerhalb der ersten Schicht, beispielsweise senkrecht zur ersten Länge (so auch in der 2 gezeigt). Durch die Präzession der Magnetisierung M wird in ferromagnetischer Resonanz der Spinstrom Js erzeugt, welcher von der Grenzfläche zwischen der ersten Schicht 1 und der zweiten Schicht 2 in die zweite Schicht 2 fließt. Da das Material der zweiten Schicht 2 vorteilhaft elektrisch leitfähig, jedoch beispielsweise nichtmagnetisch ist, wird durch den inversen Spin-Hall-Effekt eine Gleichspannung U an den Seitenflächen der zweiten Schicht 2, insbesondere an der ersten Seitenfläche SF1 und an der zweiten Seitenfläche SF2 erzeugt, wie im unteren Bild gezeigt.. Die Spannungsabgriffe sind vorteilhaft senkrecht zur Diffusionsrichtung des Spinstroms und gleichzeitig senkrecht zur Spinpolarisation (also in guter Näherung entlang der statischen Magnetisierung) angeordnet. Alternativ ist jedoch auch möglich, auch in beliebigen Kombinationen oben oder unten auf der zweiten Schicht 2 zu kontaktieren.
Dazu wird ein Fluss von Ladungsträgern durch den Spinstrom Js erzeugt und es erfolgt eine Ladungstrennung in der zweiten Schicht 2, welche in einem elektrischen Feld E_ishe in der zweiten Schicht 2 resultiert. Die Spannungsmesseinrichtung 3 umfasst vorteilhaft eine Voltmetereinrichtung und eine erste Elektrode a und eine zweite Elektrode b, wobei die erste Elektrode a an der ersten Position SF1 und die zweite Elektrode b an der zweiten Position SF2 angelegt ist, welche sich auf der zweiten Schicht an gegenüberliegenden Seiten befinden können. Die erste Schicht 1 kann ein ferromagnetisches oder ferrimagnetisches Material umfassen, beispielsweise Permalloy (Ni₈₁Fe₁₉) und die zweite Schicht 2 kann ein nichtmagnetisches metallisches Material umfassen, beispielsweise Platin (Pt). E_ishe bezeichnet hierbei das elektrische Feld aufgrund des inversen Spin-Hall-Effekts und σ bezeichnet die Spin-Polarisation. Folglich ist es hierbei möglich, mit einem solchen Aufbau die ferromagnetische Resonanz mittels des inversen Spin-Hall-Effekts zu detektieren.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Magnetfeldsensoreinrichtung in einem externen Magnetfeld gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Das an der ersten Schicht 1 angelegte Magnetfeld H1 setzt sich aus dem Magnetfeld zur Grundmagnetisierung H0 (Bias-Feld) und dem externen und zu messenden Magnetfeld H zusammen, wobei das externe Magnetfeld das Hilfsmagnetfeld umfassen kann. Die erste Schicht 1 umfasst beispielsweise eine Asymmetrie in der Form, und ist insbesondere größer in der Länge als in der Breite. Die erste Schicht 1 ist auf oder unter einer Magnetfelderzeugungseinrichtung 8, beispielsweise einem koplanaren Wellenleiter angeordnet, welcher als mit einem Strom i durchflossene elektrische Leitereinrichtung 9 (koplanar) ausgeformt sein kann. Durch diese Leitereinrichtung 9 wird ein oszillierendes Hilfsmagnetfeld Hi mit Hilfe eines oszillierenden Stroms i erzeugt. Das Hilfsmagnetfeld Hi kann vorteilhaft eine variable Frequenz fi haben. Zwischen der ersten Schicht 1 und der Leitereinrichtung 9 kann ein Isolator 2a angeordnet sein. Auf der dem Isolator 2a abgewandten Seite der ersten Schicht 1 kann die zweite Schicht 2 angeordnet sein, an deren lateralen Seitenflächen die erste Elektrode a und die zweite Elektrode b der Spannungsmesseinrichtung 3 angeordnet sein können. Die erste und zweite Elektrode sind vorteilhaft mit elektrischen Leitungen mit einem Voltmeter verbunden, an welchem die Gleichspannung U der zweiten Schicht 2 gemessen werden kann. Die erste Schicht 1 kann vorteilhaft mit ihrer längeren Seite (erste Länge) in Richtung der zu messenden Magnetfeldkomponente ausgerichtet sein, wobei sich die lateralen Seitenflächen ebenfalls in dieser Richtung erstrecken. Die erste Schicht 1, die zweite Schicht 2 und der Isolator 2a können in einer Draufsicht vorteilhaft zum Ausformen einer kompakten Magnetfeldsensoreinrichtung 10 die gleichen Ausmaße, also die gleiche (erste) Breite und (erste) Länge, umfassen. Die Leitereinrichtung 9 kann vorteilhaft eine Cu-Leitung (Kupfer) umfassen. Die Magnetfeldsensoreinrichtung 10 kann vorteilhaft in Sensoren benutzt werden, die eine Magnetfeldänderung nutzen um weitere Größen zu bestimmen, etwa magnetische Lenkwinkelsensoren.
3 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine erste erfindungsgemäße Schicht, welche entlang einer zu ermittelnden Komponente eines Magnetfeldes gerichtet ist.
Die Magnetfeldsensoreinrichtung mit der ersten Schicht 1 kann mit der ersten Länge L1, welche größer sein kann als die erste Breite B1 in einem statischen zu messenden Magnetfeld H1 parallel zu deren zu messender Komponente ausgerichtet werden. So wird etwa zum Messen der x-Komponente die erste Länge L1 entlang der x-Richtung des Magnetfelds gedreht, mit anderen Worten es wird angenommen, dass das gesamte statische Magnetfeld eine x-Komponente sowohl des Grundmagnetisierungsfeldes H0 (Bias-Feld) als auch des externen Feldes H umfasst. Im linken Bild der 3 ist eine Magnetisierungseinrichtung ME gezeigt, welche eine Spule umfasst, und welche eine Grundmagnetisierung in der ersten Schicht 1 entlang der ersten Länge L1 erzeugt. Die Spule kann an eine externe Energiequelle angeschlossen sein und vor der Messung und Ausrichtung oder permanent währenddessen ein magnetisches Feld zur Grundmagnetisierung erzeugen. Die Magnetisierungseinrichtung ME könnte hierbei auch anders orientiert sein, und eine andere Richtung der Grundmagnetisierung erzeugen. Zum Messen der y-Richtung (rechtes Bild) kann dann eine weitere Magnetfeldsensoreinrichtung bereitgestellt werden und deren erste Schicht 1 entlang der y-Richtung positioniert. Die weitere Magnetfeldsensoreinrichtung umfasst eine vorteilhaft identische Anordnung von Leitereinrichtung, erster und zweiter Schicht sowie Magnetisierungseinrichtung ME mit Elektroden zum Messen, wobei diese zweite Anordnung zeitgleich mit deren erster Länge L1 in Richtung einer anderen Komponente, vorzugsweise orthogonal, des zu messenden Magnetfelds ausgerichtet werden kann. Die beiden, oder auch mehrere, Magnetfeldsensoreinrichtungen bilden vorteilhaft ein Sensorsystem.
Mit anderen Worten können alternativ zur Methode des Drehens einer einzelnen Magnetfeldsensoreinrichtung entlang von Komponenten eines externen Magnetfelds auch zwei Magnetfeldsensoreinrichtungen oder mehrere orthogonal zueinander verwendet werden.
Die Figuren sind teilweise der bereits zitierten Literatur entnommen.
4 zeigt eine schematische Blockdarstellung von Verfahrensschritten des Verfahrens gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Es erfolgt bei dem Verfahren zum Erfassen einer externen Magnetfeldkomponente ein Bereitstellen S1 einer erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoreinrichtung; ein Anordnen S2 der ersten Schicht in einem externen Magnetfeld; ein Erzeugen S3 eines oszillierenden Hilfsmagnetfelds an oder in der ersten Schicht mittels der Magnetfelderzeugungseinrichtung mit einer Hilfsfrequenz, wobei die Hilfsfrequenz des oszillierenden Hilfsmagnetfelds an die ferromagnetische Resonanzfrequenz der ersten Schicht angeglichen wird; ein Messen S4 einer elektrischen Spannung in der zweiten Schicht mittels der Spannungsmesseinrichtung; und ein Ermitteln S5 der externen Magnetfeldkomponente basierend auf der gemessenen elektrischen Spannung.
Vorteilhaft wird im Verfahrensschritt S3 die Hilfsfrequenz verändert, bis ein Maximum der Spannung im Verfahrensschritt S4 bestimmt wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2017/135720 A1 [0003]
US 2016320459 [0022]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Saitoh et al. „Conversion of spin current into charge current at room temperature: Inverse Spin Hall Effect, Appl. Phys. Lett. 88, 182509 (2006) [0010]
Tserkovnyak et al., Enhanced Gilbert Damping in Thin Ferromagnetic Films, Phys. Rev. Lett. 88, 117601 (2002) [0010]
Ando et al., JAP 109, 103913 (2011) [0010]
A. R. Melnik et al. Nature 511, 449 - 451 (2014) [0010]
Kittel, Charles, Wiley. ISBN 047141526X (2004) [0010]
Dürrenfeld et al., Tunable damping, saturation magnetization, and exchange stiffness of half-Heusler NiMnSb thin films, https://arxiv.org/abs/1510.01894 zu finden [0010]

Claims

Magnetfeldsensoreinrichtung (10) umfassend, eine erste Schicht (1), welche ein erstes Material umfasst; eine zweite Schicht (2), welche auf der ersten Schicht (1) in direktem mechanischen Kontakt mit dieser angeordnet ist, und welche ein zweites Material umfasst; eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (8), mittels welcher ein oszillierendes Hilfsmagnetfeld (Hi) mit einer Hilfsfrequenz (fi) an/in der ersten Schicht (1) erzeugbar ist, so dass die Hilfsfrequenz (fi) mit einer ferromagnetischen Resonanzfrequenz der ersten Schicht (1) übereinstimmt, wobei die ferromagnetische Resonanzfrequenz durch ein externes Magnetfeld (H) modifizierbar ist; und eine Spannungsmesseinrichtung (3) mit einer ersten Elektrode (a) und einer zweiten Elektrode (b), welche an einander gegenüberliegenden Bereichen (SF1; SF2) der zweiten Schicht (2) angeordnet sind, und mittels welcher eine elektrische Spannung (U) in der zweiten Schicht (2) messbar ist, welche durch einen Spinstrom (Js) in der zweiten Schicht (2) erzeugbar ist, wobei der Spinstrom (Js) bei ferromagnetischer Resonanz von einem externen Magnetfeld (H) an der ersten Schicht (1) abhängt, und das externe Magnetfeld (H) aus der gemessenen elektrischen Spannung (U) ermittelbar ist.
Magnetfeldsensoreinrichtung (10) nach Anspruch 1, bei welcher eine erste Länge (L1) der ersten Schicht (1) größer ist als eine erste Breite (B1) der ersten Schicht (1).
Magnetfeldsensoreinrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei der das erste Material ein ferromagnetisches oder ferrimagnetisches Material mit einer magnetischen Dämpfung von höchstens 0.1 umfasst, vorzugsweise Permalloy, CoFeB, Y₃Fe₅O₁₂, NiMnSb oder eine Heusler-Legierung, oder ein ferrimagnetisches Material umfasst.
Magnetfeldsensoreinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welche eine Magnetisierungseinrichtung (ME) umfasst, mittels welcher eine Grundmagnetisierung (M0) der ersten Schicht (1) ausrichtbar ist, wobei die Magnetisierungseinrichtung (ME) eine Spule oder einen Permanentmagneten umfasst.
Magnetfeldsensoreinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher die erste Schicht (1) eine Dicke von 5 nm - 200 nm umfasst.
Magnetfeldsensoreinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das zweite Material einen positiven Spin-Hall-Winkel umfasst, vorzugsweise Pt, Bi₂Se₃, Ir oder W umfasst.
Magnetfeldsensoreinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher die Magnetfelderzeugungseinrichtung (8) einen Isolator (2a) und eine stromdurchfließbare elektrische Leitereinrichtung (9) umfasst, auf welcher die erste Schicht (1) mit der darauf angeordneten zweiten Schicht (2) angeordnet ist, wobei der Isolator (2a) zwischen der Leitereinrichtung (9) und der ersten Schicht (1) angeordnet ist.
Magnetfeldsensoreinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, soweit rückbezogen auf Anspruch 2, bei welcher die stromdurchfließbare elektrische Leitereinrichtung (9) einen mit der ersten Schicht (1) koplanaren Wellenleiter umfasst.
Sensorsystem (15), umfassend mehrere Magnetfeldsensoreinrichtungen (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, soweit rückbezogen auf Anspruch 2, wobei die Magnetfeldsensoreinrichtungen (10) mit jeweils der ersten Länge (L1) orthogonal zueinander angeordnet sind.
Verfahren zum Erfassen einer externen Magnetfeldkomponente (H) umfassend die Schritte: S1) Bereitstellen einer Magnetfeldsensoreinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8; S2) Anordnen der ersten Schicht (1) in einem externen Magnetfeld (H); S3) Erzeugen eines oszillierenden Hilfsmagnetfelds (Hi) an oder in der ersten Schicht (1) mittels der Magnetfelderzeugungseinrichtung (8) mit einer Hilfsfrequenz (fi), wobei die Hilfsfrequenz (fi) des oszillierenden Hilfsmagnetfelds (Hi) an die ferromagnetische Resonanzfrequenz der ersten Schicht (1) angeglichen wird; S4) Messen einer elektrischen Spannung (U) in der zweiten Schicht (2) mittels der Spannungsmesseinrichtung (3); und S5) Ermitteln des externen Magnetfeldkomponente (H) basierend auf der gemessenen elektrischen Spannung (U).
Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem vor oder nach dem Verfahrensschritt S2 ein Ausrichten einer Grundmagnetisierung (M0) der ersten Schicht (1) durch eine Magnetisierungseinrichtung (ME) erfolgt, wobei die Grundmagnetisierung (M0) in der ersten Schicht (1) entlang oder entgegen einer zu messenden Richtung des externen Magnetfeldes (H) ausgerichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei welchem die erste Schicht (1) mit einer ersten Länge (L1) entlang einer zu messenden Richtung der externen Magnetfeldkomponente (H) ausgerichtet wird, wobei die erste Länge (L1) größer ist als eine erste Breite (B1) der ersten Schicht (1).
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei welchem im Verfahrensschritt S5 mittels einer Relation zwischen Magnetisierung, Resonanzfrequenz der ersten Schicht (1) und externem Magnetfeld, von der Frequenz des oszillierenden Hilfsmagnetfelds (Hi) auf die externe Magnetfeldkomponente (H) rückgeschlossen wird und/oder ein Rückschluss über eine Kalibrierungsmessung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei welchem im Verfahrensschritt S3 die Hilfsfrequenz (fi) verändert wird, bis ein Maximum der Spannung (U) im Verfahrensschritt S4 bestimmt wird.