DE102019113815B4

DE102019113815B4 - Magnetsensor

Info

Publication number: DE102019113815B4
Application number: DE102019113815.9A
Authority: DE
Inventors: Kenichi Takano; Yuta Saito; Hiraku Hirabayashi
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2018-10-24
Filing date: 2019-05-23
Publication date: 2021-11-18
Anticipated expiration: 2039-05-24
Also published as: US10983181B2; JP6610746B1; CN111090063A; US20200132786A1; DE102019113815A1; CN111090063B; JP2020067365A

Abstract

Magnetsensor (1), umfassend:eine freie Schicht (24), deren Magnetisierungsrichtung sich als Reaktion auf ein äußeres Magnetfeld ändert;eine gepinnte Schicht (22), deren Magnetisierungsrichtung bezogen auf das äußere Magnetfeld festgelegt ist;eine Abstandsschicht (23), die sich zwischen der gepinnten Schicht (22) und der freien Schicht (24) befindet und die einen Magnetowiderstandseffekt aufweist; undmindestens eine Magnetfolie (25), die auf einer lateralen Seite der freien Schicht (24) angeordnet ist und die ein Vormagnetisierungsfeld an die freie Schicht (24) anlegt,wobei eine Beziehung 0,7≤TC_HM/TC_FL≤0,9 erfüllt ist, wobei TC_HMdie Curie-Temperatur der Magnetfolie in K ist und TC_FLdie Curie-Temperatur der freien Schicht (24) in K ist, undwobei die Magnetfolie (25) eine Schichtdicke zwischen 35 nm und 50 nm aufweist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Magnetsensor und insbesondere einen Magnetsensor, bei dem ein Magnetowiderstandseffekt-Element verwendet wird.
Beschreibung der einschlägigen Technik
Ein Magnetsensor, der ein Magnetowiderstandseffekt-Element umfasst, erfasst ein äußeres Magnetfeld auf der Grundlage einer Widerstandsänderung, die durch einen Magnetowiderstandseffekt bewirkt wird. Der Magnetsensor, bei dem ein Magnetowiderstandseffekt-Element verwendet wird, hat einen höheren Ausgang und eine höhere Empfindlichkeit gegenüber einem Magnetfeld als andere Magnetsensoren und es ist außerdem einfach, seine Größe zu verringern. Ein Magnetsensor hat im Allgemeinen eine Mehrschicht-Folienstruktur, bei der eine freie Schicht, deren Magnetisierungsrichtung sich als Reaktion auf ein äußeres Magnetfeld ändert, eine Abstandsschicht, die einen Magnetowiderstandseffekt aufweist, und eine gepinnte Schicht, deren Magnetisierungsrichtung bezogen auf das äußere Magnetfeld festgelegt ist, in dieser Reihenfolge gestapelt sind. US 2003 / 0 030 949 A1 offenbart einen Magnetsensor mit einer Magnetfolie, die auf der lateralen Seite einer freien Schicht vorgesehen ist. WO 2014/ 208 105 A1 offenbart einen Magnetsensor mit einer Leiterfolie, die ein laterales Vormagnetisierungsfeld an die Oberfläche einer Magnetfolie anlegt.
Eine Magnetfolie, die auf der lateralen Seite einer freien Schicht vorgesehen ist, macht die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht einheitlich. Doch neben der Ausgangskennlinie des Magnetsensors wird auch die magnetische Kennlinie der Magnetfolie durch die Umgebungstemperatur beeinflusst.
Weitere Magnetsensoren sind aus WO 2017/ 151 058 A1 bekannt. Weiterer Stand der Technik wird in folgenden Dokumenten offenbart:

- A. S. Darling: „Cobalt -Platinum alloys a critical review of their constitution and properties", Platinum Metals Rev., 1963, 7, (3), S. 96-104,
- N. Sharma: „Effect of Seedlayer and Junction Geometry on Permanent Magnet Stabilization of Magnetoresistive Heads", IEEE Transactions on Magnetics, 2000, Vol. 36, No. 5
- US 2006 / 0 176 622 A1 ,
- M. Charilaou: „Magnetic properties of ultrathin discontinuous Co/Pt multilayers: Comparison with short-range ordered and isotropic CoPt3 films‟, 2016, Phys. Rev. B, 93, 224408, und
- H. Danan: „New Determinations of the Saturation Magnetization of Nickel and Iron", Journal ofApplied Physics, 1968, 39, 669.

Die vorliegende Erfindung soll einen Magnetsensor bereitstellen, dessen Ausgangskennlinie dank der gesteuerten magnetischen Eigenschaften der Magnetfolie, die auf der lateralen Seite einer freien Schicht vorgesehen ist, weniger empfindlich gegenüber der Umgebungstemperatur ist.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Ein Magnetsensor der vorliegenden Erfindung umfasst: eine freie Schicht, deren Magnetisierungsrichtung sich als Reaktion auf ein äußeres Magnetfeld ändert; eine gepinnte Schicht, deren Magnetisierungsrichtung bezogen auf das äußere Magnetfeld festgelegt ist; eine Abstandsschicht, die sich zwischen der gepinnten Schicht und der freien Schicht befindet und die einen Magnetowiderstandseffekt aufweist; und mindestens eine Magnetfolie, die auf einer lateralen Seite der freien Schicht angeordnet ist und die ein Vormagnetisierungsfeld an die freie Schicht anlegt. Die Beziehung 0,7≤T_{C_HM}/T_{C_FL}≤0,9 ist erfüllt, wobei T_{C_HM} die Curie-Temperatur der Magnetfolie ist und T_C _{_FL} die Curie-Temperatur der freien Schicht ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Magnetsensor bereitgestellt werden, dessen Ausgangskennlinie weniger empfindlich gegenüber der Umgebungstemperatur ist.
Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, die Beispiele der vorliegenden Erfindung veranschaulichen, ersichtlich.
Figurenliste

1 ist ein Schaltbild, das die Ausgestaltung eines Magnetsensors schematisch veranschaulicht;
2A-2B sind Ansichten, die eine Ausgestaltung eines Magnetowiderstandseffekt-Elements schematisch veranschaulichen;
2C ist eine Ansicht, die eine Magnetisierung einer freien Schicht, einer inneren gepinnten Schicht und einer äußeren gepinnten Schicht in einem magnetfeldlosen Zustand schematisch veranschaulicht;
3A-3B sind Konzeptdarstellungen, die einen Ausgang und einen Versatz eines Magnetsensors erläutern;
4A-4B sind Graphen, die Messergebnisse einer Versatzänderung gegen die Umgebungstemperatur darstellen;
5 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen T_{C__HM}/T_{C__FL} und der Versatzänderung darstellt;
6 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Foliendicke der Magnetfolie und M_st_{_HM}/M_st_{__FL} darstellt;
7A-7B sind Graphen, die Parameter erläutern, die die Curie-Temperatur beeinflussen;
8 ist eine Konzeptdarstellung, die die Beziehung zwischen der Curie-Temperatur einer Magnetfolie, der Temperatur der Magnetfolie, bei der ein anisotropes Magnetfeld von ihr Null wird, und der Temperatur der Magnetfolie, bei der eine Koerzitivfeldstärke von ihr Null wird, veranschaulicht; und
9A-9B sind Ansichten, die einen Stromsensor schematisch darstellen, bei dem ein Magnetsensor der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Im Folgenden wird ein Magnetsensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. In der nachfolgenden Erläuterung und in den Zeichnungen ist die X-Richtung die magnetisch empfindliche Richtung des Magnetsensors und entspricht auch sowohl der Magnetisierungsrichtung der gepinnten Schicht als auch der Richtung der kurzen Achse des Magnetowiderstandseffekt-Elements. Die Y-Richtung ist die zur magnetisch empfindlichen Richtung (X-Richtung) des Magnetsensors orthogonale Richtung und entspricht auch sowohl der Magnetisierungsrichtung der freien Schicht im magnetfeldlosen Zustand als auch der Richtung der langen Achse des Magnetowiderstandseffekt-Elements. In der vorliegenden Beschreibung ist unter „magnetfeldlos“ ein Zustand zu verstehen, in dem außer einem Vormagnetisierungsfeld kein Magnetfeld vorliegt. Die Z-Richtung ist eine sowohl zur X-Richtung als auch zur Y-Richtung orthogonale Richtung und entspricht auch der Stapelrichtung der mehrschichtigen Folie des Magnetowiderstandseffekt-Elements. Es ist zu beachten, dass auf die Richtung des Pfeils, der in jeder Zeichnung die X-Richtung angibt, als +X-Richtung Bezug genommen werden kann und dass auf eine Richtung, die der Richtung des Pfeils entgegengesetzt ist, als -X-Richtung Bezug genommen werden kann.
1 zeigt eine schematische Schaltungsanordnung des Magnetsensors. Der Magnetsensor 1 hat vier Magnetowiderstandseffekt-Elemente (im Folgenden als erstes Magnetowiderstandseffekt-Element 11, zweites Magnetowiderstandseffekt-Element 12, drittes Magnetowiderstandseffekt-Element 13 und viertes Magnetowiderstandseffekt-Element 14 bezeichnet) und die Magnetowiderstandseffekt-Elemente 11 bis 14 sind durch eine Brückenschaltung (die Wheatstone-Brücke) miteinander verbunden. Die vier Magnetowiderstandseffekt-Elemente 11 bis 14 sind in zwei Gruppen, das heißt, eine Gruppe aus den Magnetowiderstandseffekt-Elementen 11, 12 und eine Gruppe aus den Magnetowiderstandseffekt-Elementen 13, 14, unterteilt und die Magnetowiderstandseffekt-Elemente 11, 12 und die Magnetowiderstandseffekt-Elemente 13, 14 sind jeweils in Reihe geschaltet. Ein Ende der Gruppe aus der Magnetowiderstandseffekt-Elementengruppe 11, 12 und ein Ende der Gruppe aus der Magnetowiderstandseffekt-Elementengruppe 13, 14 sind mit einer Versorgungsspannung Vcc verbunden und die anderen Enden sind mit Masse (GND) verbunden. Die Mittenspannung V1 zwischen dem ersten Magnetowiderstandseffekt-Element 11 und dem zweiten Magnetowiderstandseffekt-Element 12 sowie die Mittenspannung V2 zwischen dem dritten Magnetowiderstandseffekt-Element 13 und dem vierten Magnetowiderstandseffekt-Element 14 können entnommen werden. Demgemäß können die Mittenspannungen V1, V2 jeweils mit den folgenden Gleichungen erhalten werden, wobei die elektrischen Widerstände der ersten bis vierten Magnetowiderstandseffekt-Elemente 11 bis 14 jeweils R1 bis R4 sind. $V_{1} = \frac{R_{2}}{R_{1} + R_{2}} V_{_{C C}}$
$V_{2} = \frac{R_{3}}{R_{3} + R_{4}} V_{_{C C}}$
2A und 2B sind Konzeptdarstellungen, die schematisch die Ausgestaltung der ersten bis vierten Magnetowiderstandseffekt-Elemente 11 bis 14 veranschaulichen. Da die ersten bis vierten Magnetowiderstandseffekt-Elemente 11 bis 14 die gleiche Ausgestaltung haben, wird hier das erste Magnetowiderstandseffekt-Element 11 beschrieben. 2A ist eine schematische perspektivische Ansicht eines ersten Magnetowiderstandseffekt-Elements 11 und 2B ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in 2A. Das erste Magnetowiderstandseffekt-Element 11 weist einen typischen Spin-Ventil-artigen Folienaufbau auf. Das erste Magnetowiderstandseffekt-Element 11 ist aus gestapelten Schichten gebildet, die eine antiferromagnetische Schicht 21, eine gepinnte Schicht 22, eine Abstandsschicht 23 und eine freie Schicht 24 umfassen, die in dieser Reihenfolge gestapelt sind. Die gepinnte Schicht 22 besteht aus einer inneren gepinnten Schicht 22A, einer nichtmagnetischen Zwischenschicht 22B und einer äußeren gepinnten Schicht 22C, wobei sich die innere gepinnte Schicht 22A in Kontakt mit der Abstandsschicht 23 befindet und sich die äußere gepinnte Schicht 22C in Kontakt mit der antiferromagnetischen Schicht 21 befindet. Die gestapelten Schichten werden in der Z-Richtung sandwichartig von einem Paar Elektrodenschichten (nicht dargestellt) eingefasst, damit ein Messstrom in der Z-Richtung von der Elektrodenschicht zu den gestapelten Schichten fließen kann.
Die freie Schicht 24 ist eine magnetische Schicht, deren Magnetisierungsrichtung sich als Reaktion auf ein äußeres Magnetfeld ändert und die beispielsweise aus NiFe ausgebildet sein kann. Die äußere gepinnte Schicht 22C ist eine ferromagnetische Schicht, deren Magnetisierungsrichtung bezogen auf das äußere Magnetfeld durch eine Austauschkopplung mit der antiferromagnetischen Schicht 21 festgelegt ist. Die antiferromagnetische Schicht 21 kann aus PtMn, IrMn, NiMn und dergleichen ausgebildet sein. Die innere gepinnte Schicht 22A ist eine ferromagnetische Schicht, die sandwichartig zwischen der äußeren gepinnten Schicht 22C und der Abstandsschicht 23 angeordnet und über die nichtmagnetische Zwischenschicht 22B, die aus Ru, Rh und dergleichen ausgebildet ist, magnetisch, oder genauer, antiferromagnetisch mit der äußeren gepinnten Schicht 22C gekoppelt ist. Demgemäß sind die Magnetisierungsrichtungen sowohl der inneren gepinnten Schicht 22A als auch der äußeren gepinnten Schicht 22C bezogen auf das äußere Magnetfeld festgelegt, doch sind die Magnetisierungsrichtungen zueinander antiparallel. Die Abstandsschicht 23 ist eine nichtmagnetische Schicht, die sich zwischen der freien Schicht 24 und der inneren gepinnten Schicht 22A befindet und die einen Magnetowiderstandseffekt aufweist. Die Abstandsschicht 23 kann eine nichtmagnetische leitende Schicht, die aus einem nichtmagnetischen Metall wie Cu ausgebildet ist, oder eine Tunnelbarriereschicht sein, die aus einem nichtmagnetischen Isolator wie Al₂O₃ ausgebildet ist. Wenn die Abstandsschicht 23 eine nichtmagnetische leitende Schicht ist, fungiert das erste Magnetowiderstandseffekt-Element 11 als Riesenmagnetowiderstandseffekt- (GMR) -Element, und wenn die Abstandsschicht 23 eine Tunnelbarriereschicht ist, fungiert das erste Magnetowiderstandseffekt-Element 11 als Tunnel-Magnetowiderstandseffekt- (TMR) -Element. Das erste Magnetowiderstandseffekt-Element 11 ist wegen einer höheren MR-Änderungsrate und wegen einer höheren Ausgangsspannung der Brückenschaltung stärker bevorzugt ein TMR-Element. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das erste Magnetowiderstandseffekt-Element 11 ein TMR-Element.
Die gepinnte Schicht 22 kann als eine einzige Schicht ausgebildet sein, indem die innere gepinnte Schicht 22A (oder die äußere gepinnte Schicht 22C) und die nichtmagnetische Zwischenschicht 22B weggelassen werden. Doch kann eine gepinnte Schicht 22, die aus einer synthetischen Struktur besteht, die sich aus einer inneren gepinnten Schicht 22A, einer nichtmagnetischen Zwischenschicht 22B und einer äußeren gepinnten Schicht 22C zusammensetzt, die Magnetisierungsrichtung der inneren gepinnten Schicht 22A stabiler machen als eine gepinnte Schicht 22, die aus einer einschichtigen Struktur besteht. Des Weiteren kann das Magnetfeld, das nach außen austritt, begrenzt werden, weil das Magnetfeld, das von der inneren gepinnten Schicht 22A abgestrahlt wird, von dem Magnetfeld aufgehoben wird, das von der äußeren gepinnten Schicht 22C abgestrahlt wird. Aus diesen Gründen besteht die gepinnte Schicht 22 vorzugsweise aus einer synthetischen Struktur.
Mindestens eine Magnetfolie 25 ist auf der lateralen Seite des ersten Magnetowiderstandseffekt-Elements 11 in der Y-Richtung vorgesehen. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist ein Paar von Magnetfolien 25 auf beiden lateralen Seiten des ersten Magnetowiderstandseffekt-Elements 11 in der Y-Richtung vorgesehen. Die Magnetfolien 25 befinden sich auf den lateralen Seiten der freien Schicht 24 und der gepinnten Schicht 22 in der Y-Richtung, doch können sie sich zumindest auf der lateralen Seite der freien Schicht 24 in der Y-Richtung befinden. Isolierfolien (nicht dargestellt), die das Auftreten eines Kurzschlusses zwischen der freien Schicht 24 und der gepinnten Schicht 22 verhindern, sind zwischen der freien Schicht 24 und den Magnetfolien 25 sowie zwischen der gepinnten Schicht 22 und den Magnetfolien 25 vorgesehen. Die Magnetfolien 25 legen ein Vormagnetisierungsfeld an die freie Schicht 24 in der Y-Richtung an, das die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 24 in der Y-Richtung im magnetfeldlosen Zustand ausrichtet. Die Magnetfolien 25 sind größtenteils aus CoPt, FePt oder SmCo ausgebildet und können ferner mindestens ein Element enthalten, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Cr, Ta, B, Ni, Ti, W, V, Mo, Mn, Zr, Nb, Hf, Si, Cu, Ag, AI, Ru und Rh besteht. Hier bedeutet der Ausdruck „größtenteils“, dass der Gesamtatomanteil des Elements 70% oder mehr beträgt.
Wie in 2A dargestellt, hat das erste Magnetowiderstandseffekt-Element 11 eine im Wesentlichen rechteckige Form mit einer langen Achse LA und einer kurzen Achse SA sowie kurze Seiten S, die einem Paar von Magnetfolien 25, in der Z-Richtung betrachtet, gegenüberliegen. Demgemäß haben die freie Schicht 24, die innere gepinnte Schicht 22A und die äußere gepinnte Schicht 22C jeweils eine im Wesentlichen rechteckige Form mit kurzen Seiten S, die dem Paar von Magnetfolien 25 gegenüberliegen.
2C veranschaulicht konzeptuell die Magnetisierung der freien Schicht 24, der inneren gepinnten Schicht 22A und der äußeren gepinnten Schicht 22C im magnetfeldlosen Zustand. Die Pfeile in der Zeichnung zeigen schematisch die Magnetisierungsrichtung jeder Schicht. Die freie Schicht 24 ist im magnetfeldlosen Zustand aufgrund des Vormagnetisierungsfelds von den Magnetfolien 25 im Wesentlichen in der Richtung der langen Achse LA (Y-Richtung) magnetisiert. Die innere gepinnte Schicht 22A und die äußere gepinnte Schicht 22C sind im Wesentlichen in der Richtung der kurzen Achse SA (X-Richtung) magnetisiert und die Magnetisierungsrichtungen sind zueinander antiparallel, wie oben beschrieben. Wenn ein äußeres Magnetfeld in der X-Richtung, also in der magnetisch empfindlichen Richtung, angelegt wird, dreht sich die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 24 im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn in 2C in Übereinstimmung mit der Richtung und der Stärke des äußeren Magnetfelds. Somit ändert sich ein Relativwinkel zwischen der Magnetisierungsrichtung der inneren gepinnten Schicht 22A und der Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 24 und dementsprechend ändert sich ein elektrischer Widerstand gegenüber dem Messstrom. Die innere gepinnte Schicht 22A kann auch als Referenzschicht bezeichnet werden, weil sie eine Referenz des Drehwinkels der Magnetisierungsrichtung für die freie Schicht 24 bereitstellt.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 ist die Magnetisierung der inneren gepinnten Schichten 22A der ersten bis vierten Magnetowiderstandseffekt-Elemente 11 bis 14 in der Richtung der Pfeile in der Zeichnung gerichtet. Wenn ein äußeres Magnetfeld in der +X-Richtung angelegt wird, nehmen demgemäß die elektrischen Widerstände der ersten und dritten Magnetowiderstandseffekt-Elemente 11, 13 ab, während die elektrischen Widerstände der zweiten und vierten Magnetowiderstandseffekt-Elemente 12, 14 zunehmen. Wie in 3A dargestellt, nimmt somit die Mittenspannung V1 zu und nimmt die Mittenspannung V2 ab. Entgegen dem oben Gesagten nimmt die Mittenspannung V1 ab und nimmt die Mittenspannung V2 zu, wenn ein äußeres Magnetfeld in der -X Richtung angelegt wird. Durch die Erfassung der Differenz V1-V2 der Mittenspannungen V1, V2 kann die Empfindlichkeit im Vergleich zur separaten Erfassung der Mittenspannungen V1, V2 verdoppelt werden. Wenn die Mittenspannungen V1, V2 versetzt sind (wenn die Mittenspannungen V1, V2 also längs der Ausgangsachse in 3A verschoben sind), kann ferner der Einfluss des Versatzes durch Erfassen der Differenz eliminiert werden.
Doch wegen der Änderung der ersten bis vierten Magnetowiderstandseffekt-Elemente 11 bis 14 haben die Gleichungen 1 und 2 keine strenge Gültigkeit und treten einige Fehler auf. Wie in 3B dargestellt, die eine vergrößerte Ansicht von Teil A in 3A ist, tritt daher ein Versatz bei der Differenz V1-V2 auf. Der Versatz ist eine Abweichung der Differenz V1-V2 vom Nullpunkt im magnetfeldlosen Zustand. Der Versatz beeinflusst die Genauigkeit, mit der ein äußeres Magnetfeld gemessen wird.
Die Größenordnung des Versatzes ändert sich in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur des Magnetowiderstandseffekt-Elements. Beispielsweise nimmt der elektrische Widerstand im Falle eines TMR-Elements ab, wenn die Temperatur hoch ist. Ferner nimmt im Falle eines TMR-Elements der Ausgang ab, weil die MR-Änderungsrate abnimmt, wenn die Temperatur hoch ist. Diese Temperatureigenschaften beeinflussen die Größenordnung des Versatzes. Da der Magnetsensor 1 ferner in einem weiten Temperaturbereich von ungefähr -50 bis 150°C eingesetzt wird, neigt der Versatz dazu, in einem weiteren Bereich zu variieren. Doch ist es schwierig, die Umgebungstemperatur zu steuern, und daher ist es erwünscht, dass der Versatz im Wesentlichen gegenüber der Umgebungstemperatur weniger empfindlich ist.
Bei dem Magnetsensor 1, der die Magnetfolie 25 umfasst, hängt ferner die Temperaturabhängigkeit des Versatzes von der Curie-Temperatur (einer Temperatur, bei der die ferromagnetische Eigenschaft verschwindet) der Magnetfolie 25 ab. Um diesem Problem zu begegnen, erfüllt der hier beschriebene Magnetsensor 1 die Beziehung 0,7≤TC_{_HM}/T_{C_FL}≤1,05, bevorzugter 0,7≤T_{C_HM}/T_{C_FL}≤0,9, wobei Tc HM die Curie-Temperatur der Magnetfolie 25 ist und T_{C_FL} die Curie-Temperatur der freien Schicht 24 ist, wobei nur Magnetsensoren die 0,7≤T_{C_HM}/T_{C_FL}≤0,9 erfüllen Gegenstand der Ansprüche sind. Nachstehend wird ein Beispiel beschrieben.
Eine Vielzahl von Magnetsensoren 1 mit der in 1 dargestellten Blockschaltung und dem in 2A und 2B dargestellten Folienaufbau wurden hergestellt. Jedes der ersten bis vierten Magnetowiderstandseffekt-Elemente 11 bis 14 wurde mit einer rechteckigen Form mit einer langen Achse LA von 3,5 µm und einer kurzen Achse SA von 0,5 µm, aus der Z-Richtung betrachtet, ausgebildet. Die freie Schicht 24 wurde aus einer CoFe-Schicht (Schichtdicke 2 nm)/einer NiFe-Schicht (Schichtdicke 6 nm) ausgebildet, die innere gepinnte Schicht 22A wurde aus einer CoFe-Schicht (Schichtdicke 1,8 nm) ausgebildet, die äußere gepinnte Schicht 22C wurde aus einer CoFe-Schicht (Schichtdicke 1,7 nm) ausgebildet, die antiferromagnetische Schicht 21 wurde aus einer IrMn-Schicht (Schichtdicke 10 nm) ausgebildet und die Magnetfolien 25 wurden aus CoPt-Schichten (Schichtdicke 35 nm oder 50 nm) ausgebildet. Die CoFe-Schicht/NiFe-Schicht der freien Schicht 24 ist so zu verstehen, dass die CoFe-Schicht zuerst aufgebracht wird, das heißt, dass die CoFe-Schicht in Kontakt mit der Abstandsschicht 23 ist. Die Abstandsschicht 23 wurde aus MgO ausgebildet und die nichtmagnetische Zwischenschicht 22B wurde aus Ru ausgebildet. Die Curie-Temperatur der Magnetfolien 25 wurde in einem Bereich von 450K bis 900K verändert und eine Änderung des Versatzes im Verhältnis zu einer Änderung der Umgebungstemperatur wurde gemessen. Die Curie-Temperatur wurde durch Ändern eines Atomanteils von Pt eingestellt, wie in 7A dargestellt.
4A zeigt eine Messung der Versatzänderung bei Magnetfolien 25 mit einer Schichtdicke von 35 nm und 4B zeigt eine Messung der Versatzänderung bei Magnetfolien 25 mit einer Schichtdicke von 50 nm. Die vertikale Achse zeigt die Versatzänderung. Die Versatzänderung ist durch den Versatz bei 50°C normiert. Das heißt, dass die Versatzänderung eine Abweichung vom Versatz bei 50°C ist. Mit Bezug auf 4A und 4B nimmt die Versatzänderung im Verhältnis zur Umgebungstemperatur monoton zu, wenn die Curie-Temperatur der Magnetfolien 25 niedrig ist, und die Versatzänderung nimmt im Verhältnis zur Umgebungstemperatur monoton ab, wenn die Curie-Temperatur hoch ist. Die Versatzänderung im Verhältnis zur Umgebungstemperatur ist bei T_C= 750K minimiert. Der Versatz zeigt eine erhebliche Änderung, wenn die Umgebungstemperatur 150°C überschreitet. Das liegt daran, dass die antiferromagnetische Schicht 21 eine niedrige Sperrtemperatur hat und dadurch das koppelnde Magnetfeld zwischen der antiferromagnetischen Schicht 21 und der äußeren gepinnten Schicht 22C reduziert wird, wenn die Umgebungstemperatur 150°C überschreitet.
Der Grund, weshalb wir der Meinung sind, dass sich die Versatzänderung in Abhängigkeit von der Curie-Temperatur der Magnetfolien 25 ändert, ist der Folgende. Im Allgemeinen nimmt die Empfindlichkeit eines Magnetsensors 1 mit einem TMR-Element ab, wenn die Umgebungstemperatur ansteigt. Andererseits ändert sich das Vormagnetisierungsfeld von Magnetfolien 25 in Abhängigkeit von der Beziehung zwischen der Curie-Temperatur und der Umgebungstemperatur. Wenn die Curie-Temperatur niedrig ist, nimmt das Vormagnetisierungsfeld von Magnetfolien 25 tendenziell mit steigender Umgebungstemperatur ab. Dies schwächt die Kraft, die die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 24 bindet (das heißt, dass sich die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 24 leicht dreht), und erhöht hierdurch die Empfindlichkeit. Dies ist ein Faktor, der die Versatzänderung im Verhältnis zur Umgebungstemperatur erhöht. Wenn die Curie-Temperatur hoch ist, ist die Abnahme des Vormagnetisierungsfelds in diesem Temperaturbereich gering. Somit nimmt die Empfindlichkeit der freien Schicht 24 mit steigender Temperatur ab. Aus diesem Grund wird die Trenddarstellung von 4A und 4B erhalten. Wenn diese Faktoren ausgewogen sind, ist die Versatzänderung überdies minimiert.
Bei einem Magnetsensor 1, bei dem ein Magnetowiderstandseffekt-Element mit Magnetfolien 25 verwendet wird, beträgt die maximale Ausgangsspannung ungefähr 400 mV. Wenn die temperaturbedingte Versatzänderung auf höchstens 1% begrenzt wird, ist der Einfluss des Versatzes in der tatsächlichen Praxis kein großes Problem.
Demgemäß ist es erwünscht, dass die Versatzänderung auf einen Bereich von ungefähr ±4 mV begrenzt ist. Wie oben beschrieben, nimmt die Versatzänderung monoton zu oder ab. Daher ist ein Zielwert einer Versatzänderung pro Temperatureinheit auf ungefähr 0,04 mV/°C eingestellt. Ein Bereich von T_{C_HM}/T_{C_FL} (Verhältnis der Curie-Temperatur T_{C_HM} von Magnetfolien 25 zur Curie-Temperatur T_{C_FL} einer freien Schicht 24), bei dem die Versatzänderung innerhalb von ungefähr 0,04 mV/°C liegt, wurde im Umgebungstemperaturbereich von -50 bis 150°C erhalten. Das Ergebnis ist in 5 dargestellt. Das Ergebnis für Magnetfolien 25 mit einer Schichtdicke von 20 nm, die nicht Gegenstand der Ansprüche sind, ist ebenfalls in 5 dargestellt. Wenn die Schichtdicke der Magnetfolien 25 20 nm oder 35 nm beträgt, liegt die Versatzänderung innerhalb des Zielbereichs in dem Bereich von 0,5≤T_{C_HM}/T_{C_FL}≤1,05 und ist die Versatzänderung im Bereich von 0,7≤T_CHM/T_CFL≤0,9 minimiert, wobei nur Magnetsensoren, die 0,7≤T_CHM/T_CFL≤0,9 erfüllen und bei denen die Magnetfolie eine Schichtdicke zwischen 35 nm und 50 nm aufweist, Gegenstand der Ansprüche sind. Wenn die Schichtdicke der Magnetfolien 25 50 nm beträgt, liegt die Versatzänderung innerhalb des Zielbereichs in dem Bereich von 0,7≤T_CHM/T_{C_FL}≤1,05 und ist die Versatzänderung im Bereich von 0,8≤T_C _{_HM}/T_{C_FL}≤1,05 minimiert, wobei nur Magnetsensoren, die 0,7≤T_CHM/T_CFL≤0,9 erfüllen und bei denen die Magnetfolie eine Schichtdicke zwischen 35 nm und 50 nm aufweist, Gegenstand der Ansprüche sind.
Doch wenn die Schichtdicke der Magnetfolien 25 groß ist, nimmt der Ausgang des Magnetkopfs 1 ab, weil das Vormagnetisierungsfeld ansteigt und hierdurch die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 24 weniger dazu neigt, sich zu drehen. Demgegenüber können Magnetfolien 25 mit einer geringen Schichtdicke die freie Schicht 24 nicht zu einer einzigen magnetischen Domäne magnetisieren. M_St_{_HM}/M_st_{_FL}, bei dem es sich um ein Verhältnis eines Produkts M_st_{_HM} aus der Sättigungsmagnetisierung und der Dicke der Magnetfolie 25 (Ms ist die gesättigte Magnetisierung der Magnetfolie 25 und t ist die Schichtdicke der Magnetfolie 25) zu einem Produkt M_St_{_FL} aus der Sättigungsmagnetisierung und der Dicke der freien Schicht 24 (Ms ist die gesättigte Magnetisierung der freien Schicht 24 und t ist die Schichtdicke der freien Schicht 24) handelt, beträgt vorzugsweise zwei oder mehr oder vier oder weniger. Das Produkt aus der Sättigungsmagnetisierung und der Dicke der freien Schicht 24 des Beispiels beträgt 7,8A (0,78emu/cm²). Somit beträgt ein bevorzugtes Produkt aus der Sättigungsmagnetisierung und der Dicke der Magnetfolie 25 15,6 bis 31,2A(1,56 bis 3,12emu/cm²), was umgerechnet in eine Schichtdicke 26 bis 52 nm entspricht. Es ist zu beachten, dass es, wie in 6 dargestellt, eine proportionale Beziehung zwischen der Schichtdicke t_{_HM} der Magnetfolie 25 und M_St_{__HM}/M_st_{__FL} gibt.
Demgemäß ist es vorzuziehen, dass T_{C_HM}/T_{C_FL} 0,7≤T_{C__HM}/T_{C__FL}≤1,05 erfüllt, wenn eine bevorzugte Schichtdicke von Magnet 25 in Betracht gezogen wird, wobei nur Magnetsensoren, die 0,7≤T_{C_HM}/T_{C_FL}≤0,9 erfüllen, Gegenstand der Ansprüche sind.
Die Curie-Temperatur T_{C_HM} der Magnetfolie 25 kann leicht eingestellt werden, indem ihre Zusammensetzung geändert wird, wie oben mit Bezug auf 7A beschrieben wurde. Die Curie-Temperatur T_{C_HM} der Magnetfolie 25 kann auch eingestellt werden, indem der mittlere Korndurchmesser von magnetischen Körnern geändert wird, wie in 7B dargestellt. In 7B stellt die horizontale Achse den mittleren Korndurchmesser von magnetischen Körnern, die die Magnetfolie 25 bilden, in der Z-Richtung betrachtet, dar und die vertikale Achse stellt die Curie-Temperatur dar. Die Magnetfolie ist aus Co50Pt50 ausgebildet und die Curie-Temperatur variiert zwischen 420K und 830K in dem Bereich des mittleren Korndurchmessers von 10 nm oder mehr und 50 nm oder weniger. Da die Curie-Temperatur T_{C_FL} der freien Schicht 24 normalerweise in einem Bereich von 650K bis 900K liegt, kann die Beziehung 0,7≤T_CHM/T_{C_FL}≤1,05 leicht erfüllt werden, wenn der mittlere Korndurchmesser 10 nm oder mehr und 50 nm oder weniger beträgt, wobei nur Magnetsensoren, die 0,7≤T_{C_HM}/T_{C_FL}≤0,9 erfüllen, Gegenstand der Ansprüche sind.
Des Weiteren gibt es konzeptuell eine in 8 dargestellte Beziehung zwischen der Magnetisierung, dem anisotropen Magnetfeld und der Koerzitivfeldstärke der Magnetfolie 25 und der Umgebungstemperatur. Die Magnetisierung und das anisotrope Magnetfeld der Magnetfolie 25 nehmen mit ansteigender Temperatur im Wesentlichen längs identischer Wege ab und nehmen bei ungefähr der gleichen Temperatur den Wert Null an. Das heißt, dass die Temperatur T_{HK=0_HM} der Magnetfolie 25, bei der das anisotrope Magnetfeld Null wird, der Curie-Temperatur T_{C_HM} der Magnetfolie 25 entspricht. Die Koerzitivfeldstärke der Magnetfolie 25 nimmt ebenfalls im Wesentlichen längs desselben Wegs wie die Magnetisierung und das anisotrope Magnetfeld ab, wenn die Temperatur ansteigt, doch nimmt sie bei einer Temperatur T_{HC=0_HM} den Wert Null an, die ein wenig niedriger ist als die Curie-Temperatur T_{C_HM} und die Temperatur T_{HK=0_HM}, bei der das anisotrope Magnetfeld Null wird. Doch die Temperatur T_{HC=0_HM}, bei der die Koerzitivfeldstärke den Wert Null annimmt, korreliert mit T_{C_HM} und T_{HK=0_HM}. Demgemäß kann man sagen, dass die Beziehung 0,7≤T_HK=0 _{_HM}/T_{C_FL}≤1,05 zwischen der Curie-Temperatur Tc _{_FL} der freien Schicht 24 und der Temperatur T_{HK=0_HM} der Magnetfolie 25, bei der das anisotrope Magnetfeld Null wird, besteht und dass die Beziehung 0,7≤T_{HC=0_HM}/T_{C_FL}≤1,05 zwischen der Curie-Temperatur T_{C_FL} der freien Schicht 24 und der Temperatur T_{HC=0_HM} der Magnetfolien 25, bei der die Koerzitivfeldstärke den Wert Null annimmt, besteht, wobei nur Magnetsensoren, die 0,7≤T_{C_HM}/T_{C_FL}≤0,9 erfüllen, Gegenstand der Ansprüche sind.
Der oben beschriebene Magnetsensor 1 kann beispielsweise in einem Stromsensor verwendet werden. 9A zeigt eine schematische Schnittansicht eines Stromsensors 101 mit dem Magnetsensor 1. 9B ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in 9A. Magnetsensor 1 ist in der Nähe der Stromleitung 102 eingebaut und bewirkt eine Magnetowiderstandsänderung als Reaktion auf eine Änderung des angelegten Signalmagnetfelds Bs. Der Stromsensor 101 weist erste und zweite weichmagnetische Körper 103, 104, die Mittel zum Einstellen der magnetischen Feldstärke sind, und eine solenoidartige Rückkopplungsspule 105 auf, die nahe dem Magnetsensor 1 vorgesehen ist. Die Rückkopplungsspule 105 erzeugt das Löschmagnetfeld Bc, das das Signalmagnetfeld Bs aufhebt. Die Rückkopplungsspule 105 ist spiralförmig um den Magnetsensor 1 und den zweiten weichmagnetischen Körper 104 gewunden. Der Strom i fließt in der Stromleitung 102 in der von vorne nach hinten verlaufenden Richtung in der Zeichnung (y-Richtung) in 9A und von links nach rechts in 9B. Der Strom i induziert im Uhrzeigersinn das äußere Magnetfeld Bo in 9A. Das äußere Magnetfeld Bo wird durch den ersten weichmagnetischen Körper 103 abgeschwächt, dann durch den zweiten weichmagnetischen Körper 104 verstärkt und dann nach links an den Magnetsensor 1 als Signalmagnetfeld Bs angelegt. Der Magnetsensor 1 gibt ein Spannungssignal aus, das dem Signalmagnetfeld Bs entspricht, und das Spannungssignal wird in die Rückkopplungsspule 105 eingegeben. Der Rückkopplungsstrom Fi fließt in der Rückkopplungsspule 105 und der Rückkopplungsstrom Fi erzeugt das Löschmagnetfeld Bc, das das Signalmagnetfeld Bs aufhebt. Das Signalmagnetfeld Bs und das Löschmagnetfeld Bc haben den gleichen Absolutwert und sind in entgegengesetzte Richtungen gerichtet. Daher wird das Signalmagnetfeld Bs vom Löschmagnetfeld Bc aufgehoben und ein Magnetfeld, das an den Magnetsensor 1 angelegt ist, ist im Wesentlichen Null. Der Rückkopplungsstrom Fi wird von einem Widerstand (nicht dargestellt) in eine Spannung umgewandelt und als eine Spannung ausgegeben. Die Spannung ist proportional zu dem Rückkopplungsstrom Fi, dem Löschmagnetfeld Bc und dem Signalmagnetfeld Bs. Demgemäß kann ein Strom, der in der Stromleitung 102 fließt, anhand der Spannung erhalten werden.

Claims

Magnetsensor (1), umfassend: eine freie Schicht (24), deren Magnetisierungsrichtung sich als Reaktion auf ein äußeres Magnetfeld ändert; eine gepinnte Schicht (22), deren Magnetisierungsrichtung bezogen auf das äußere Magnetfeld festgelegt ist; eine Abstandsschicht (23), die sich zwischen der gepinnten Schicht (22) und der freien Schicht (24) befindet und die einen Magnetowiderstandseffekt aufweist; und mindestens eine Magnetfolie (25), die auf einer lateralen Seite der freien Schicht (24) angeordnet ist und die ein Vormagnetisierungsfeld an die freie Schicht (24) anlegt, wobei eine Beziehung 0,7≤T_{C_HM}/T_{C_FL}≤0,9 erfüllt ist, wobei T_{C_HM} die Curie-Temperatur der Magnetfolie in K ist und T_{C_FL} die Curie-Temperatur der freien Schicht (24) in K ist, und wobei die Magnetfolie (25) eine Schichtdicke zwischen 35 nm und 50 nm aufweist.
Magnetsensor (1) nach Anspruch 1, wobei die Magnetfolie (25) größtenteils aus CoPt, FePt oder SmCo ausgebildet ist.
Magnetsensor (1) nach Anspruch 2, wobei die Magnetfolie (25) ferner eines oder mehrere Elemente enthält, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Cr, Ta, B, Ni, Ti, W, V, Mo, Mn, Zr, Nb, Hf, Si, Cu, Ag, AI, Ru und Rh besteht.
Magnetsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein mittlerer Korndurchmesser von magnetischen Körnern, die die Magnetfolie bilden, aus einer Richtung betrachtet, in der die freie Schicht (24), die Abstandsschicht (23) und die äußere gepinnte Schicht (22) gestapelt sind, 10 nm oder mehr und 50 nm oder weniger beträgt.
Magnetsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die mindestens eine Magnetfolie (25) ein Paar von Magnetfolien (25) ist, das sich auf beiden lateralen Seiten der freien Schicht (24) befindet, und die freie Schicht (24) eine rechteckige Form mit kurzen Seiten aufweist, die dem Paar von Magnetfolien (25), aus einer Richtung betrachtet, in der die freie Schicht (24), die Abstandsschicht (23) und die gepinnte Schicht (22) gestapelt sind, gegenüberliegen.
Magnetsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Verhältnis eines Produkts aus einer gesättigten Magnetisierung und einer Schichtdicke der Magnetfolie (25) zu einem Produkt aus einer gesättigten Magnetisierung und einer Schichtdicke der freien Schicht (24) zwei oder mehr und vier oder weniger beträgt.