DE102021006484A1

DE102021006484A1 - Magnetsensor

Info

Publication number: DE102021006484A1
Application number: DE102021006484.4A
Authority: DE
Inventors: Hirokazu Takahashi; Kenzo Makino
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2021-01-18
Filing date: 2021-12-30
Publication date: 2022-07-21
Also published as: JP7302612B2; CN114814672A; US20240094315A1; JP2022110404A; US20220229126A1; US11860251B2

Abstract

Ein Magnetsensor weist ein MR-Element auf. Das MR-Element weist eine freie Schicht auf. Die freie Schicht weist eine erste Oberfläche mit einer Form, die in einer Richtung langgestreckt ist, und eine zweite Oberfläche auf, die der ersten Oberfläche gegenüberliegt, und hat eine Dicke, die eine Abmessung in einer Richtung senkrecht zur ersten Oberfläche ist. Die erste Oberfläche weist eine erste Kante und eine zweite Kante auf, die sich an den beiden seitlichen Enden der ersten Oberfläche befinden. In einem gegebenen Querschnitt ist die Dicke an der ersten Kante kleiner als die Dicke an einem vorbestimmten Punkt auf der ersten Oberfläche zwischen der ersten Kante und der zweiten Kante.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Magnetsensor mit einem magnetoresistiven Element.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Magnetsensoren mit magnetoresistiven Elementen sind in den letzten Jahren für verschiedene Anwendungen eingesetzt worden. Zu den bekannten magnetoresistiven Elementen gehören anisotrope magnetoresistive Elemente und magnetoresistive Elemente mit Spin-Ventil. Ein anisotropes magnetoresistives Element umfasst eine magnetische Schicht, die mit magnetischer Anisotropie versehen ist und eine Magnetisierung hat, deren Richtung in Abhängigkeit von der Richtung eines angelegten Magnetfeldes variabel ist. Ein magnetoresistives Element mit Spin-Ventil umfasst eine erste magnetische Schicht (magnetisierte Schicht) mit einer Magnetisierung, deren Richtung fest ist, eine zweite magnetische Schicht (freie Schicht) mit einer Magnetisierung, deren Richtung in Abhängigkeit von der Richtung eines angelegten Magnetfeldes variabel ist, und eine Abstandsschicht, die zwischen der ersten und der zweiten magnetischen Schicht angeordnet ist. Die zweite magnetische Schicht (freie Schicht) des magnetoresistiven Elements mit Spin-Ventil kann manchmal auch eine magnetische Anisotropie aufweisen.
Die magnetische Anisotropie wird häufig mit Hilfe einer magnetischen Formanisotropie gesteuert. Die magnetische Formanisotropie kann eingestellt werden, indem das magnetoresistive Element in eine Form gebracht wird, die in einer Richtung langgestreckt ist.
Ein System mit einem Magnetsensor kann dazu dienen, ein Magnetfeld zu detektieren, das eine Komponente in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche eines Substrats aufweist, indem ein auf dem Substrat vorgesehenes magnetoresistives Element verwendet wird. In einem solchen Fall kann das Magnetfeld, das die Komponente in der Richtung senkrecht zur Oberfläche des Substrats aufweist, durch Bereitstellen eines weichmagnetischen Körpers zur Umwandlung eines Magnetfelds in der Richtung senkrecht zur Oberfläche des Substrats in ein Magnetfeld in der Richtung parallel zur Oberfläche des Substrats oder durch Anordnen des magnetoresistiven Elements auf einer auf dem Substrat gebildeten geneigten Fläche detektiert werden.
US 2008/0169807 A1 offenbart einen ersten und einen zweiten Magnetsensor, die jeweils einen X-Achsen-Sensor, einen Y-Achsen-Sensor und einen Z-Achsen-Sensor umfassen, die auf einem Substrat angeordnet sind. Der erste Magnetsensor weist V-förmige Rillen in einer dicken Schicht auf, die auf seinem Substrat angeordnet ist. Bandartige Abschnitte von riesenmagnetoresistiven Elementen, die den Z-Achsen-Sensor bilden, sind an Stellen mit günstiger Ebenheit in den Zentren der geneigten Oberflächen der Rillen angeordnet. Die bandartigen Abschnitte sind Abschnitte, die die Hauptkörper der riesenmagnetoresistiven Elemente bilden und eine lange, schlanke, bandartige, planare Form haben.
Der zweite Magnetsensor hat V-förmige Rillen, die jeweils eine erste geneigte Fläche und eine zweite geneigte Fläche in dicken Schichten auf dem Substrat aufweisen. Die zweite geneigte Fläche bildet eine untere Hälfte der geneigten Fläche der Rille. Der Winkel, den die zweite geneigte Fläche mit dem Substrat bildet, ist größer als der Winkel, den die erste geneigte Fläche mit dem Substrat bildet. Bandartige Abschnitte von riesenmagnetoresistiven Elementen, die den Z-Achsen-Sensor bilden, sind an Stellen mit günstiger Ebenheit in den Zentren der zweiten geneigten Flächen angeordnet. Die bandartigen Abschnitte haben eine lange, schmale, bandartige, ebene Form.
Wenn ein äußeres Magnetfeld an ein magnetoresistives Element angelegt wird, dreht sich die Richtung des magnetischen Moments in der magnetischen Schicht die eine Magnetisierung aufweist, deren Richtung variabel ist, in Abhängigkeit von der Richtung und Stärke des äußeren Magnetfelds. Infolgedessen dreht sich die Richtung der Magnetisierung der magnetischen Schicht. In diesem Fall entsteht in der magnetischen Schicht aufgrund der an den Rändern der magnetischen Schicht auftretenden magnetischen Ladungen ein entmagnetisierendes Feld in einer Richtung, die der des äußeren Magnetfeldes entgegengesetzt ist. Die Stärke des entmagnetisierenden Feldes ist umso größer, je näher es an den magnetischen Ladungen liegt. Die Stärke des entmagnetisierenden Feldes ist also an den Rändern der magnetischen Schicht hoch. Im Mittelteil der magnetischen Schicht ist die Stärke des entmagnetisierenden Feldes gering.
Nehmen wir nun an, dass eine magnetische Schicht, die durch die Verwendung der magnetischen Formanisotropie eine magnetische Anisotropie erhält, einem äußeren Magnetfeld in einer vorbestimmten Richtung ausgesetzt wird, die die Richtung der leichten Magnetisierungsachse schneidet. In einem solchen Fall ändert sich die Richtung des magnetischen Moments im Mittelteil der magnetischen Schicht anders als in den randnahen Bereichen der magnetischen Schicht wie folgt. Wenn kein äußeres Magnetfeld angelegt wird, ist die Richtung des magnetischen Moments die gleiche wie die Richtung der leichten Magnetisierungsachse. Wenn die Stärke des externen Magnetfelds gering ist, beginnt die Richtung des magnetischen Moments im Mittelteil der magnetischen Schicht, sich in Abhängigkeit von der Richtung des externen Magnetfelds zu drehen. Die Richtung des magnetischen Moments dreht sich jedoch nicht oder kaum in den randnahen Bereichen der magnetischen Schicht.
Wenn die Stärke des externen Magnetfelds bis zu einem gewissen Grad hoch ist, wird die Richtung des magnetischen Moments im Mittelteil der magnetischen Schicht gleich oder im Wesentlichen gleich der Richtung des externen Magnetfelds. Zwischenzeitlich beginnt die Richtung des magnetischen Moments in Teilen der magnetischen Schicht in der Nähe der Ränder auf der Grundlage der Richtung des externen Magnetfelds zu rotieren. Wenn die Stärke des externen Magnetfelds noch höher wird, wird die Richtung des magnetischen Moments in Abschnitten der magnetischen Schicht in der Nähe der Ränder ebenfalls gleich oder im Wesentlichen gleich der Richtung des externen Magnetfelds.
Der Grund dafür, dass sich die Richtung des magnetischen Moments innerhalb der gesamten magnetischen Schicht nicht gleichmäßig ändert, liegt darin, dass die Stärke des entmagnetisierenden Feldes zwischen den Rändern der magnetischen Schicht und dem Mittelteil der magnetischen Schicht unterschiedlich ist. Da sich die Richtung des magnetischen Moments nicht gleichmäßig ändert, ändert sich die Magnetisierung der magnetischen Schicht nichtlinear in Bezug auf eine Änderung der Stärke des externen Magnetfelds. Infolgedessen ändert sich ein vom Magnetsensor erzeugtes Detektionssignal nichtlinear in Bezug auf eine Änderung der Stärke des externen Magnetfelds. Die Nichtlinearität des Detektionssignals tritt mit zunehmender Stärke des äußeren Magnetfelds deutlicher hervor. Je schmaler der Bereich ist, in dem sich das Detektionssignal linear ändert, desto schmaler ist der Bereich der Stärke des vom Magnetsensor tatsächlich erfassbaren Magnetfelds und desto schmaler ist der Bereich des tatsächlich verwendeten Detektionssignals.
Im Hinblick auf die Reduzierung von Fehlern und die Erleichterung der Signalverarbeitung ist ein breiter Bereich wünschenswert, in dem sich das Detektionssignal linear ändert. Um die Nichtlinearität aufgrund von Unterschieden in der Stärke der entmagnetisierenden Felder zu verringern und den Bereich, in dem sich das Detektionssignal linear ändert, zu erweitern, sind Vorrichtungen erforderlich, die die Konzentration von magnetischen Ladungen an den Rändern der magnetischen Schicht verhindern. Solche Vorrichtungen sind jedoch bisher nicht berücksichtigt worden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Magnetsensor bereitzustellen, der die Konzentration von magnetischen Ladungen am Rand einer magnetischen Schicht eines magnetoresistiven Elements reduzieren kann, um einen Bereich zu erweitern, in dem sich ein Detektionssignal linear ändert.
Magnetsensoren nach dem ersten und zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind Magnetsensoren mit einem magnetoresistiven Element, dessen Widerstand sich mit einem äußeren Magnetfeld ändert. Das magnetoresistive Element umfasst eine magnetische Schicht mit einer Magnetisierung, deren Richtung in Abhängigkeit von dem äußeren Magnetfeld variabel ist. Die magnetische Schicht hat eine erste Oberfläche, die in einer Richtung langgestreckt ist, und eine zweite Oberfläche, die der ersten Oberfläche gegenüberliegt und eine Dicke hat, die eine Abmessung in einer Richtung senkrecht zur ersten Oberfläche der magnetischen Schicht ist. Die erste Oberfläche hat eine erste Kante und eine zweite Kante, die sich an beiden seitlichen Enden der ersten Oberfläche befinden.
Bei dem Magnetsensor gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in einem gegebenen Querschnitt, der die magnetische Schicht schneidet und senkrecht zu einer Längsrichtung der ersten Oberfläche verläuft, die Dicke an der ersten Kante kleiner als die Dicke an einem vorbestimmten Punkt auf der ersten Oberfläche zwischen der ersten Kante und der zweiten Kante.
Bei dem Magnetsensor gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann bei dem gegebenen Querschnitt die Dicke an der zweiten Kante größer sein als die Dicke an dem vorbestimmten Punkt. In einem solchen Fall kann die Dicke im gegebenen Querschnitt von der zweiten Kante zur ersten Kante hin abnehmen.
Alternativ kann im gegebenen Querschnitt die Dicke an der zweiten Kante kleiner sein als die Dicke an dem vorbestimmten Punkt. In diesem Fall kann die Dicke in dem gegebenen Querschnitt von dem vorbestimmten Punkt aus in Richtung der ersten Kante und von dem vorbestimmten Punkt aus in Richtung der zweiten Kante abnehmen.
Bei dem Magnetsensor gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist zumindest ein Teil der ersten Oberfläche gegenüber einer Bezugsebene geneigt, so dass ein Neigungswinkel größer als 0 ist, wobei der Neigungswinkel ein Winkel ist, den die erste Oberfläche mit der Bezugsebene bildet. In einem gegebenen Querschnitt, der die magnetische Schicht schneidet und senkrecht zu einer Längsrichtung der ersten Oberfläche verläuft, ist der Neigungswinkel an der ersten Kante größer als der Neigungswinkel an einem vorbestimmten Punkt auf der ersten Oberfläche zwischen der ersten Kante und der zweiten Kante.
Bei dem Magnetsensor gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann im gegebenen Querschnitt der Neigungswinkel an der zweiten Kante kleiner sein als der Neigungswinkel an dem vorgegebenen Punkt. In einem solchen Fall kann der Neigungswinkel im gegebenen Querschnitt von der zweiten Kante zur ersten Kante hin zunehmen. Alternativ kann im gegebenen Querschnitt der Neigungswinkel an der zweiten Kante größer sein als der Neigungswinkel an dem vorbestimmten Punkt. In diesem Fall kann in dem gegebenen Querschnitt der Neigungswinkel in Richtung der ersten Kante von dem vorbestimmten Punkt aus zunehmen und in Richtung der zweiten Kante von dem vorbestimmten Punkt aus zunehmen.
Bei dem Magnetsensor gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die magnetische Schicht eine Dicke aufweisen, die eine Abmessung in einer Richtung senkrecht zur ersten Oberfläche der magnetischen Schicht ist. Die Dicke kann abnehmen, wenn der Neigungswinkel zunimmt.
Die Magnetsensoren gemäß dem ersten und zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung können ferner ein Trägerelement umfassen, das das magnetoresistive Element trägt. Das Trägerelement hat eine gegenüberliegende Oberfläche, die dem magnetoresistiven Element gegenüberliegt. Die gegenüberliegende Oberfläche kann zumindest teilweise relativ zu einer/der Bezugsebene geneigt sein. In einem solchen Fall kann die Dicke an einer gegebenen Position der ersten Oberfläche abnehmen, wenn der Winkel, den die gegenüberliegende Oberfläche mit der Bezugsebene an einer der gegebenen Position am nächsten liegenden Stelle der gegenüberliegenden Oberfläche bildet, zunimmt. Die gegenüberliegende Oberfläche kann einen gekrümmten Abschnitt aufweisen, der nicht parallel zur Bezugsebene verläuft. In diesem Fall kann zumindest ein Teil des magnetoresistiven Elements auf dem gekrümmten Abschnitt angeordnet sein. Zumindest eine der ersten und zweiten Kanten kann oberhalb des gekrümmten Abschnitts angeordnet sein.
Ein Magnetsensor gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Magnetsensor mit einem magnetoresistiven Element, dessen Widerstand sich mit einem externen Magnetfeld ändert, und einem Trägerelement, das das magnetoresistive Element trägt. Das magnetoresistive Element enthält eine magnetische Schicht mit einer Magnetisierung, deren Richtung in Abhängigkeit von dem äußeren Magnetfeld variabel ist. Die magnetische Schicht hat eine erste Oberfläche mit einer Form, die in einer Richtung langgestreckt ist, und eine zweite Oberfläche, die der ersten Oberfläche gegenüberliegt. Die erste Oberfläche hat eine erste Kante und eine zweite Kante, die sich an beiden seitlichen Enden der ersten Oberfläche befinden.
Das Trägerelement hat eine gegenüberliegende Oberfläche, die dem magnetoresistiven Element gegenüberliegt. Zumindest ein Teil der gegenüberliegenden Oberfläche ist gegenüber einer Bezugsebene geneigt. Ein Winkel, den die gegenüberliegende Oberfläche mit der Bezugsebene in einem gegebenen Querschnitt bildet, der die magnetische Schicht schneidet und senkrecht zu einer Längsrichtung der ersten Oberfläche angeordnet ist, an einer ersten Position, die eine Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche ist und der ersten Kante am nächsten ist, größer ist als an einer Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche, die einem vorbestimmten Punkt auf der ersten Oberfläche zwischen der ersten Kante und der zweiten Kante am nächsten ist.
Bei dem Magnetsensor gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Winkel an einer zweiten Position, die eine Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche ist, die der zweiten Kante am nächsten liegt, kleiner sein als der Winkel an der Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche, die dem vorbestimmten Punkt am nächsten liegt. In diesem Fall kann sich der Winkel von der zweiten Position aus in Richtung der ersten Position vergrößern. Alternativ kann der Winkel an der zweiten Position größer sein als der Winkel an der Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche, die dem vorbestimmten Punkt am nächsten liegt. In einem solchen Fall kann der Winkel in Richtung der ersten Position von der Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche, die dem vorbestimmten Punkt am nächsten ist, zunehmen und in Richtung der zweiten Position von der Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche, die dem vorbestimmten Punkt am nächsten ist, zunehmen.
Bei dem Magnetsensor gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die magnetische Schicht eine Dicke aufweisen, die eine Abmessung in einer Richtung senkrecht zu der gegenüberliegenden Oberfläche ist. In einem solchen Fall kann die Dicke an einer gegebenen Position auf der ersten Oberfläche abnehmen, wenn der Winkel an einer Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche, die der gegebenen Position am nächsten liegt, zunimmt.
Bei dem Magnetsensor gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die gegenüberliegende Oberfläche einen gekrümmten Abschnitt aufweisen, der nicht parallel zur Bezugsebene verläuft. In einem solchen Fall kann zumindest ein Teil des magnetoresistiven Elements auf dem gekrümmten Abschnitt angeordnet sein. Wenigstens eine der ersten und zweiten Kanten kann oberhalb des gekrümmten Abschnitts angeordnet sein.
Bei dem Magnetsensor gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in dem gegebenen Querschnitt, der die magnetische Schicht schneidet und senkrecht zur Längsrichtung der ersten Oberfläche verläuft, die Dicke an der ersten Kante kleiner als die Dicke an dem vorgegebenen Punkt auf der ersten Oberfläche zwischen der ersten Kante und der zweiten Kante. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Konzentration magnetischer Ladungen an den Rändern der magnetischen Schicht des magnetoresistiven Elements somit reduziert werden, um den Bereich zu erweitern, in dem sich ein von dem Magnetsensor erzeugtes Detektionssignal linear ändert.
Bei dem Magnetsensor gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in dem gegebenen Querschnitt, der die magnetische Schicht schneidet und senkrecht zur Längsrichtung der ersten Oberfläche verläuft, der Neigungswinkel an der ersten Kante größer als der Neigungswinkel an dem vorgegebenen Punkt auf der ersten Oberfläche zwischen der ersten Kante und der zweiten Kante. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann somit die Dicke an der ersten Kante kleiner sein als die Dicke an dem vorbestimmten Punkt auf der ersten Oberfläche zwischen der ersten Kante und der zweiten Kante. Infolgedessen kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Konzentration magnetischer Ladungen an den Rändern der magnetischen Schicht des magnetoresistiven Elements verringert werden, um den Bereich zu erweitern, in dem sich ein von dem Magnetsensor erzeugtes Detektionssignal linear ändert.
Bei dem Magnetsensor nach dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Winkel, den die gegenüberliegende Oberfläche mit der Bezugsebene im gegebenen Querschnitt durch die magnetische Schicht und senkrecht zur Längsrichtung der ersten Oberfläche einschließt, an der ersten Position, d.h. der Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche, die der ersten Kante am nächsten liegt, größer als an der Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche, die dem vorgegebenen Punkt auf der ersten Fläche zwischen der ersten Kante und der zweiten Kante am nächsten liegt. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann somit die Dicke an der ersten Kante geringer sein als die Dicke an dem vorbestimmten Punkt auf der ersten Oberfläche zwischen der ersten Kante und der zweiten Kante. Infolgedessen kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Konzentration der magnetischen Ladungen an den Rändern der magnetischen Schicht des magnetoresistiven Elements reduziert werden, um den Bereich zu erweitern, in dem sich ein von dem Magnetsensor erzeugtes Detektionssignal linear ändert.
Andere und weitere Objekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung ausführlicher dargestellt.
Figurenliste
Die beigefügten Zeichnungen dienen dem weiteren Verständnis der Offenbarung und sind Bestandteil dieser Beschreibung. Die Zeichnungen zeigen beispielhafte Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Technologie zu erklären.

1 ist ein erklärendes Diagramm, das eine schematische Konfiguration eines Magnetsensorsystems einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
2 ist ein Schaltplan, der die Schaltungsanordnung eines Magnetsensors gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
3 ist eine schematische Darstellung, die einen Teil des Magnetsensors gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
4 ist eine Schnittansicht, die einen Teil des Magnetsensors gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
5 ist eine Draufsicht, die einen Teil des Magnetsensors gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
6 ist eine Schnittansicht, die ein magnetoresistives Element der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
7 ist ein erklärendes Diagramm zur Beschreibung einer Form einer freien Schicht der ersten Ausführungsform der Erfindung.
8 ist ein erklärendes Diagramm zur Beschreibung der magnetischen Ladungen auf einem magnetoresistiven Element gemäß einem Vergleichsbeispiel.
9 ist ein erklärendes Diagramm zur Beschreibung der magnetischen Ladungen auf dem magnetoresistiven Element der ersten Ausführungsform der Erfindung.
10 ist ein charakteristisches Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem externen Magnetfeld und einem Detektionssignal der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
11 ist eine Schnittansicht, die ein erstes Modifikationsbeispiel des magnetoresistiven Elements der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
12 ist ein erklärendes Diagramm zur Beschreibung eines zweiten Modifikationsbeispiels des magnetoresistiven Elements der ersten Ausführungsform der Erfindung.
13 ist ein erklärendes Diagramm zur Beschreibung eines dritten Modifikationsbeispiels des magnetoresistiven Elements der ersten Ausführungsform der Erfindung.
14 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 14-14 von 13.
15 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 15-15 von 13.
16 ist eine schematische Darstellung eines Teils eines Magnetsensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
17 ist eine Schnittansicht, die einen Teil des Magnetsensors gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
18 ist ein erklärendes Diagramm zur Beschreibung einer Form einer freien Schicht der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
19 ist eine Schnittansicht, die einen Querschnitt eines Magnetsensors gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
20 ist ein erklärendes Diagramm zur Beschreibung einer Form einer freien Schicht der dritten Ausführungsform der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden einige beispielhafte Ausführungsformen und Modifikationsbeispiele der Technologie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben. Zu beachten ist, dass die folgende Beschreibung auf illustrative Beispiele der Offenbarung gerichtet ist und nicht als Einschränkung der Technologie zu verstehen ist. Faktoren wie z. B. numerische Werte, Formen, Materialien, Komponenten, Positionen der Komponenten und die Art und Weise, wie die Komponenten miteinander verbunden sind, sind nur illustrativ und nicht als Einschränkung der Technologie zu verstehen. Ferner sind Elemente in den folgenden Ausführungsbeispielen, die nicht in einem der allgemeinsten unabhängigen Ansprüche der Offenbarung aufgeführt sind, optional und können je nach Bedarf bereitgestellt werden. Die Zeichnungen sind schematisch und nicht als maßstabsgetreu anzusehen. Gleichartige Elemente werden mit denselben Bezugsnummern bezeichnet, um redundante Beschreibungen zu vermeiden. Zu beachten ist, dass die Beschreibung in der folgenden Reihenfolge erfolgt.
[Erste Ausführungsform]
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben. Eine Skizze eines Magnetsensorsystems mit einem Magnetsensor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zunächst unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Ein Magnetsensorsystem 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst einen Magnetsensor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform und einen Magnetfeldgenerator 5. Der Magnetfeldgenerator 5 erzeugt ein Zielmagnetfeld MF, d.h. ein Magnetfeld, das der Magnetsensor 1 detektieren soll (zu detektierendes Magnetfeld).
Der Magnetfeldgenerator 5 ist um eine Drehachse C drehbar. Der Magnetfeldgenerator 5 umfasst ein Paar Magnete 6A und 6B. Die Magnete 6A und 6B sind an symmetrischen Positionen einer virtuellen Ebene angeordnet, die die Drehachse C im Zentrum enthält. Die Magnete 6A und 6B haben jeweils einen N-Pol und einen S-Pol. Die Magnete 6A und 6B sind so ausgerichtet, dass der N-Pol des Magneten 6A dem S-Pol des Magneten 6B gegenüber liegt. Der Magnetfeldgenerator 5 erzeugt das Zielmagnetfeld MF in der Richtung vom N-Pol des Magneten 6A zum S-Pol des Magneten 6B.
Der Magnetsensor 1 befindet sich an einer Position, an der das Zielmagnetfeld MF an einer vorgegebenen Referenzposition erfasst werden kann. Das Zielmagnetfeld MF an der Referenzposition ist ein Teil der von den jeweiligen Magneten 6A und 6B erzeugten Magnetfelder. Die Referenzposition kann auf der Rotationsachse C liegen. In der folgenden Beschreibung befindet sich die Referenzposition auf der Rotationsachse C. Der Magnetsensor 1 detektiert das vom Magnetfeldgenerator 5 erzeugte Zielmagnetfeld MF und erzeugt einen Detektionswert Vs. Der Detektionswert Vs steht im Zusammenhang mit einer relativen Position, insbesondere einer Drehposition, des Magnetfeldgenerators 5 in Bezug auf den Magnetsensor 1.
Das Magnetsensorsystem 100 kann als Vorrichtung zur Erfassung der Drehposition eines drehbaren, beweglichen Teils in einer Vorrichtung verwendet werden, die das bewegliche Teil enthält. Beispiele für eine solche Vorrichtung sind ein Gelenk eines Industrieroboters. 1 zeigt ein Beispiel, bei dem das Magnetsensorsystem 100 an einem Industrieroboter 200 eingesetzt wird.
Der in 1 dargestellte Industrieroboter 200 umfasst ein bewegliches Teil 201 und eine Trägereinheit 202, die das bewegliche Teil 201 drehbar trägt. Das bewegliche Teil 201 und die Stützeinheit 202 sind an einem Gelenk verbunden. Das bewegliche Teil 201 dreht sich um die Drehachse C. Wenn das Magnetsensorsystem 100 beispielsweise am Gelenk des Industrieroboters 200 angebracht ist, kann der Magnetsensor 1 an der Stützeinheit 202 befestigt werden, und die Magnete 6A und 6B können am beweglichen Teil 201 befestigt werden.
Nun definieren wir die X, Y und Z Richtung wie in 1 gezeigt. Die X, Y und Z Richtungen sind orthogonal zueinander. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Richtung parallel zur Drehachse C (in 1 eine Richtung außerhalb der Zeichenebene) als X Richtung bezeichnet. In 1 ist die Y Richtung als eine Richtung nach rechts und die Z Richtung als eine Richtung nach oben dargestellt. Die zur X, Y und Z Richtung entgegengesetzten Richtungen werden als -X, -Y bzw. -Z Richtung bezeichnet. Der Begriff „oben“ bezieht sich auf Positionen, die in Z Richtung vor einer Referenzposition liegen, und „unten“ bezieht sich auf Positionen, die sich auf einer Seite der Referenzposition befinden, die „oben“ entgegengesetzt ist.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die Richtung des Zielmagnetfeldes MF an der Referenzposition als eine Richtung innerhalb der YZ Ebene ausgedrückt, die die Referenzposition auf der Drehachse C einschließt. Die Richtung des Zielmagnetfeldes MF an der Bezugsposition dreht sich um die Bezugsposition innerhalb der vorgenannten YZ Ebene.
Der Magnetsensor 1 enthält magnetoresistive Elemente (im Folgenden MR-Elemente genannt), deren Widerstände sich mit einem externen Magnetfeld ändern. In der vorliegenden Ausführungsform ändern sich die Widerstände der MR-Elemente mit einer Änderung der Richtung des Zielmagnetfeldes MF. Der Magnetsensor 1 erzeugt Detektionssignale, die den Widerständen der MR-Elemente entsprechen, und erzeugt einen Detektionswert Vs auf der Grundlage der Detektionssignale.
Im Folgenden wird eine Konfiguration des Magnetsensors 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Ein Beispiel für eine Schaltungskonfiguration des Magnetsensors 1 wird zunächst unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. In dem in 2 gezeigten Beispiel umfasst der Magnetensor 1 vier Widerstandsabschnitte 11, 12, 13 und 14, zwei Stromversorgungsknoten V1 und V2, zwei Erdungsknoten G1 und G2 und zwei Signalausgangsknoten E1 und E2.
Die Widerstandsabschnitte 11 bis 14 enthalten jeweils zumindest ein MR-Element 30. Wenn jeder der Widerstandsabschnitte 11 bis 14 eine Mehrzahl von MR-Elementen 30 enthält, kann die Mehrzahl von MR-Elementen 30 in jedem der Widerstandsabschnitte 11 bis 14 in Reihe geschaltet werden.
Der Widerstandsabschnitt 11 ist zwischen dem Stromversorgungsknoten V1 und dem Signalausgangsknoten E1 angeordnet. Der Widerstandsabschnitt 12 ist zwischen dem Signalausgangsknoten E1 und dem Erdungsknoten G1 angeordnet. Der Widerstandsabschnitt 13 ist zwischen dem Stromversorgungsknoten V2 und dem Signalausgangsknoten E2 angeordnet. Der Widerstandsabschnitt 14 ist zwischen dem Signalausgangsknoten E2 und dem Erdungsknoten G2 angeordnet. Die Stromversorgungsknoten V1 und V2 sind so eingerichtet, dass eine Stromversorgungsspannung mit vorbestimmter Größe angelegt wird. Die Erdungsknoten G1 und G2 sind mit der Erde verbunden.
Das Potential des Verbindungspunktes zwischen dem Widerstandsabschnitt 11 und dem Widerstandsabschnitt 12 ändert sich in Abhängigkeit von dem Widerstand des zumindest einen MR-Elements 30 des Widerstandsabschnitts 11 und dem Widerstand des zumindest einen MR-Elements 30 des Widerstandsabschnitts 12. Der Signalausgangsknoten E1 gibt ein dem Potenzial des Verbindungspunktes zwischen dem Widerstandsabschnitt 11 und dem Widerstandsabschnitt 12 entsprechendes Signal als Detektionssignal S1 aus.
Das Potential des Verbindungspunktes zwischen dem Widerstandsabschnitt 13 und dem Widerstandsabschnitt 14 ändert sich in Abhängigkeit von dem Widerstand des zumindest einen MR-Elements 30 des Widerstandsabschnitts 13 und dem Widerstand des zumindest einen MR-Elements 30 des Widerstandsabschnitts 14. Der Signalausgangsknoten E2 gibt ein dem Potential des Verbindungspunktes zwischen dem Widerstandsabschnitt 13 und dem Widerstandsabschnitt 14 entsprechendes Signal als Detektionssignal S2 aus.
Der Magnetsensor 1 enthält ferner eine Detektionswert-Erzeugungsschaltung 21, die den Detektionswert Vs auf der Grundlage der Detektionssignale S1 und S2 erzeugt. Die Detektionswert-Erzeugungsschaltung 21 umfasst beispielsweise eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder einen Mikrocomputer.
Nachfolgend wird der Aufbau des Magnetsensors 1 näher beschrieben, wobei das Hauptaugenmerk auf einem MR-Element 30 liegt. 3 ist eine schematische Darstellung, die einen Teil des Magnetsensors 1 zeigt. 4 ist eine Querschnittsansicht, die einen Teil des Magnetsensors 1 zeigt. 4 zeigt einen Querschnitt parallel zur YZ Ebene, der das MR-Element 30 schneidet. 5 ist eine Draufsicht, die einen Teil des Magnetsensors 1 zeigt.
Der Magnetsensor 1 umfasst ferner ein Trägerelement 60. Das Trägerelement 60 trägt alle MR-Elemente 30, die in den Widerstandsabschnitten 11 bis 14 enthalten sind. Wie in den 3 und 4 gezeigt, umfasst das Trägerelement 60 eine gegenüberliegende Oberfläche 60a, die zumindest teilweise den MR-Elementen 30 gegenüberliegt, und eine Bodenfläche 60b, die der gegenüberliegenden Oberfläche 60a gegenüberliegt. Die gegenüberliegende Oberfläche 60a befindet sich an einem Ende des Trägerelements 60 in Z Richtung. Die Bodenfläche 60b befindet sich an einem Ende des Trägerelements 60 in der -Z Richtung. Die Bodenfläche 60b ist parallel zur XY-Ebene. Die Bodenfläche 60b entspricht der Bezugsebene im Rahmen der vorliegenden Erfindung. Der Magnetsensor 1 kann beispielsweise so hergestellt werden, dass die Bodenfläche 60b oder eine der Bodenfläche 60b entsprechende Oberfläche horizontal ausgerichtet ist. Beispielsweise kann der Magnetsensor 1 auf der Grundlage der Richtung oder Neigung der Bodenfläche 60b oder der der Bodenfläche 60b entsprechenden Oberfläche installiert werden. Die Bodenfläche 60b kann somit als Bezugsebene zumindest bei der Herstellung oder dem Einbau des Magnetsensors 1 dienen.
Zumindest ein Teil der gegenüberliegenden Oberfläche 60a des Trägerelements 60 ist relativ zur Bezugsebene, d.h. der Bodenfläche 60b, geneigt. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst die gegenüberliegende Oberfläche 60a einen flachen Abschnitt 60a1 parallel zur Bodenfläche 60b und zumindest einen gekrümmten Abschnitt 60a2 nicht parallel zur Bodenfläche 60b. Wie in 4 gezeigt, ist der gekrümmte Abschnitt 60a2 eine konvexe Fläche, die in einer Richtung weg von der Bodenfläche 60b vorsteht. Der gekrümmte Abschnitt 60a2 hat eine gekrümmte Form (Bogenform), die so gekrümmt ist, dass sie in einem gegebenen Querschnitt parallel zur YZ Ebene in einer von der Bodenfläche 60b wegführenden Richtung (Z Richtung) vorsteht. In einem gegebenen Querschnitt parallel zur YZ Ebene ist der Abstand von der Bodenfläche 60b zu dem gekrümmten Abschnitt 60a2 in der Mitte des gekrümmten Abschnitts 60a2 in einer Richtung parallel zur Y Richtung maximal (im Folgenden einfach als Mitte des gekrümmten Abschnitts 60a2 bezeichnet).
Der gekrümmte Abschnitt 60a2 erstreckt sich entlang der X Richtung. Wie in 3 gezeigt, ist die Gesamtform des gekrümmten Abschnitts 60a2 eine halbzylindrische gekrümmte Oberfläche, die durch Bewegen der in 4 gezeigten gekrümmten Form (Bogenform) entlang der X Richtung gebildet wird.
Zumindest ein Teil des MR-Elements 30 ist auf dem gekrümmten Abschnitt 60a2 angeordnet. Ein Abschnitt des gekrümmten Abschnitts 60a2 von einer Kante am Ende des gekrümmten Abschnitts 60a2 in -Y Richtung bis zur Mitte des gekrümmten Abschnitts 60a2 wird als erste geneigte Oberfläche bezeichnet und mit dem Referenzsymbol SL1 gekennzeichnet. Ein Abschnitt des gekrümmten Abschnitts 60a2 von einer Kante am Ende des gekrümmten Abschnitts 60a2 in Y Richtung bis zur Mitte des gekrümmten Abschnitts 60a2 wird als zweite geneigte Oberfläche bezeichnet und mit dem Bezugssymbol SL2 bezeichnet. In 3 ist die Grenze zwischen der ersten geneigten Oberfläche SL1 und der zweiten geneigten Oberfläche SL2 durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Sowohl die erste als auch die zweite geneigte Oberfläche SL1 und SL2 sind gegenüber der Bezugsebene, d. h. der Bodenfläche 60b, geneigt. In der vorliegenden Ausführungsform ist das gesamte MR-Element 30 auf der ersten geneigten Oberfläche SL1 oder der zweiten geneigten Oberfläche SL2 angeordnet. Die 3 und 4 zeigen, wie das MR-Element 30 auf der ersten geneigten Oberfläche SL1 angeordnet ist.
Das MR-Element 30 hat eine in X Richtung langgestreckte Form. Im Folgenden wird die seitliche Richtung des MR-Elements 30 als die Breitenrichtung des MR-Elements 30 oder einfach als die Breitenrichtung bezeichnet. Das MR-Element 30 kann eine ebene Form haben (in Z Richtung gesehen), wie ein Rechteck, einschließlich eines Abschnitts mit konstanter Breite, der unabhängig von der Position in X Richtung eine konstante oder im Wesentlichen konstante Breite in Breitenrichtung hat. Das MR-Element 30 kann eine ebene Form haben, die keinen Abschnitt mit konstanter Breite enthält, wie eine Ellipse. Beispiele für die ebene Form des MR-Elements 30 mit einem Abschnitt konstanter Breite umfassen eine rechteckige Form, bei der beide Längsenden gerade sind, eine ovale Form, bei der beide Längsenden halbkreisförmig sind, und eine Form, bei der beide Längsenden polygonal sind. 3 zeigt ein Beispiel, bei dem das MR-Element 30 eine rechteckige, ebene Form hat. In einem zweiten Modifikationsbeispiel, das später beschrieben wird, weist das MR-Element 30 eine ovale ebene Form auf. Das MR-Element 30 hat eine Breite, die eine Abmessung in der Richtung parallel zur Y Richtung ist. Diese Abmessung des MR-Elements 30 in der Breitenrichtung ist konstant oder im Wesentlichen konstant, unabhängig von der Position in der X Richtung.
Das Trägerelement 60 umfasst ein Substrat 61 und eine Isolierschicht 62, die auf dem Substrat 61 angeordnet sind. Das Substrat 61 ist ein Halbleitersubstrat, das aus einem Halbleiter wie beispielsweise Si gefertigt ist. Das Substrat 61 hat eine obere Fläche, die sich an einem Ende des Substrats 61 in der Z Richtung befindet, und eine untere Fläche, die sich an einem Ende des Substrats 61 in der -Z Richtung befindet. Die Bodenfläche 60b des Trägerelements 60 wird von der unteren Fläche des Substrats 61 gebildet. Das Substrat 61 hat eine konstante Dicke (Abmessung in Z Richtung).
Die Isolierschicht 62 ist beispielsweise aus einem isolierenden Material wie SiO₂ gefertigt. Die Isolierschicht 62 weist eine obere Fläche auf, die sich an einem Ende in Z-Richtung befindet. Die gegenüberliegende Oberfläche 60a des Trägerelements 60 wird von der oberen Fläche der Isolierschicht 62 gebildet. Die Isolierschicht 62 hat eine solche Querschnittsform, dass der gekrümmte Oberflächenabschnitt 60a2 auf der gegenüberliegenden Oberfläche 60a ausgebildet ist.
Insbesondere hat die Isolierschicht 62 eine Querschnittsform, die sich in einem gegebenen Querschnitt parallel zur YZ Ebene in Z Richtung ausbeult.
Der Magnetsensor 1 umfasst ferner eine untere Elektrode 41, eine obere Elektrode 42 und Isolierschichten 63, 64 und 65. In 3 sind die untere Elektrode 41, die obere Elektrode 42 und die Isolierschichten 63 bis 65 nicht dargestellt. In 5 sind die Isolierschichten 63 bis 65 weggelassen.
Die untere Elektrode 41 ist auf der gegenüberliegenden Oberfläche 60a des Trägerelements 60 (der oberen Fläche der Isolierschicht 62) angeordnet. Die Isolierschicht 63 ist auf der gegenüberliegenden Oberfläche 60a des Trägerelements 60 um die untere Elektrode 41 herum angeordnet. Das MR-Element 30 ist auf der unteren Elektrode 41 angeordnet. Die Isolierschicht 64 ist auf der unteren Elektrode 41 und der Isolierschicht 63, die das MR-Element 30 umgibt angeordnet. Die obere Elektrode 42 ist auf dem MR-Element 30 und der Isolierschicht 64 angeordnet. Die Isolierschicht 65 ist auf der Isolierschicht 64 um die obere Elektrode 42 angeordnet.
Der Magnetsensor 1 weist ferner eine nicht dargestellte Isolierschicht auf, die die obere Elektrode 42 und die Isolierschicht 65 bedeckt. Die untere Elektrode 41 und die obere Elektrode 42 sind beispielsweise aus einem leitfähigen Material wie Cu gefertigt. Die Isolierschichten 63 bis 65 und die nicht gezeigte Isolierschicht sind beispielsweise aus einem isolierenden Material wie SiO₂ gefertigt.
Das Substrat 61 und die Teile des Magnetsensors 1, die auf dem Substrat 61 gestapelt sind, werden zusammen als Detektionseinheit bezeichnet. In 4 ist die Detektionseinheit dargestellt. Die in 2 gezeigte Schaltung zur Erzeugung von Detektionswerten 21 kann in die Detektionseinheit integriert oder von ihr getrennt sein.
Die Konfiguration des MR-Elements 30 wird nun unter Bezugnahme auf 6 im Detail beschrieben. Insbesondere ist das MR-Element 30 in der vorliegenden Ausführungsform ein Spin-Ventil-MR-Element mit einer CPP-Struktur (Englisch für „current perpendicular-to-plane“, d.h. Strom senkrecht zur Ebene). Wie in 6 gezeigt umfasst das MR-Element 30 eine magnetisierte Schicht 32, die eine Magnetisierung mit fester Richtung aufweist, eine freie Schicht 34 mit einer Magnetisierung, deren Richtung in Abhängigkeit von der Richtung eines externen Magnetfeldes variabel ist, und eine Abstandsschicht 33, die zwischen der magnetisierten Schicht 32 und der freien Schicht 34 angeordnet ist. Das MR-Element 30 kann ein magnetoresistives Tunnelelement (TMR Element) oder ein riesenmagnetoresistives Element (GMR Element) sein. Bei dem TMR Element ist die Abstandsschicht 33 eine Tunnelsperrschicht. Beim GMR Element ist die Abstandsschicht 33 eine nichtmagnetische leitfähige Schicht. Der Widerstand des MR-Elements 30 ändert sich mit dem Winkel, den die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 34 mit der Magnetisierungsrichtung der magnetisierten Schicht 32 bildet. Der Widerstand ist minimiert, wenn der Winkel 0° beträgt. Der Widerstand ist maximiert, wenn der Winkel 180° beträgt.
Die magnetisierte Schicht 32, die Abstandsschicht 33 und die freie Schicht 34 sind in dieser Reihenfolge von der unteren Elektrode 41 in Richtung der oberen Elektrode 42 gestapelt. Das MR-Element 30 umfasst ferner eine Unterschicht 31, die zwischen der magnetisierten Schicht 32 und der unteren Elektrode 41 angeordnet ist, und eine Deckschicht 35, die zwischen der freien Schicht 34 und der oberen Elektrode 42 angeordnet ist. Die Anordnung der magnetisierten Schicht 32, der Abstandsschicht 33 und der freien Schicht 34 in dem MR-Element 30 kann vertikal umgekehrt sein als in 6 dargestellt.
Die Richtung der Magnetisierung der magnetisierten Schicht 32 ist vorzugsweise orthogonal zur Längsrichtung des MR-Elements 30. In der vorliegenden Ausführungsform ist das MR-Element 30 auf der ersten geneigten Oberfläche SL1 oder der zweiten geneigten Oberfläche SL2 angeordnet, die gegenüber der Bodenfläche 60b geneigt ist. Die Richtung der Magnetisierung der magnetisierten Schicht 32 ist somit auch relativ zur Bodenfläche 60b geneigt.
Der Einfachheit halber wird in der vorliegenden Ausführungsform die Richtung der Magnetisierung der auf der ersten geneigten Oberfläche SL1 befindlichen magnetisierten Schicht 32 als U Richtung oder als -U Richtung bezeichnet. Die U Richtung ist eine Richtung, die von der Y Richtung in Richtung der Z Richtung um einen vorbestimmten Winkel gedreht ist. Die -U Richtung ist die zur U Richtung entgegengesetzte Richtung. Der Einfachheit halber wird in der vorliegenden Ausführungsform die Richtung der Magnetisierung der magnetisierten Schicht 32, die auf der zweiten geneigten Oberfläche SL2 angeordnet ist, als V Richtung oder als -V Richtung bezeichnet. Die V Richtung ist eine Richtung, die von der Y Richtung in Richtung der -Z Richtung um einen vorbestimmten Winkel gedreht ist. Die -V Richtung ist die zur V Richtung entgegengesetzte Richtung.
Die Richtungen X, U und V sind in dargestellt. Der Einfachheit halber sind in 2 die U Richtung und die V Richtung durch denselben Pfeil gekennzeichnet. In 2 zeigen die gefüllten Pfeile die Richtungen der Magnetisierungen der magnetisierten Schichten 32 der MR-Elemente 30 an, die in den jeweiligen Widerstandsabschnitten 11 bis 14 enthalten sind. Der Magnetsensor 1 kann so konfiguriert sein, dass die Richtungen der Magnetisierungen der magnetisierten Schichten 32 der MR-Elemente 30 in den Widerstandsabschnitten 11 und 14 die U Richtung sind und die Richtungen der Magnetisierungen der magnetisierten Schichten 32 der MR-Elemente 30 in den Widerstandsabschnitten 12 und 13 die -U Richtung sind. Alternativ kann der Magnetsensor 1 so konfiguriert sein, dass die Richtungen der Magnetisierungen der magnetisierten Schichten 32 der MR-Elemente 30 in den Widerstandsabschnitten 11 und 14 die V Richtung sind und die Richtungen der Magnetisierungen der magnetisierten Schichten 32 der MR-Elemente 30 in den Widerstandsabschnitten 12 und 13 die -V Richtung sind.
Alternativ dazu kann der Magnetsensor 1 einen ersten Schaltungsteil und einen zweiten Schaltungsteil umfassen, die jeweils die Widerstandsabschnitte 11 bis 14 umfassen. Der erste Schaltungsteil kann so eingerichtet sein, dass die Richtungen der Magnetisierungen der magnetisierten Schichten 32 der MR-Elemente 30 in den Widerstandsabschnitten 11 und 14 die U Richtung sind, und die Richtungen der Magnetisierungen der magnetisierten Schichten 32 der MR-Elemente 30 in den Widerstandsabschnitten 12 und 13 die -U Richtung sind. Der zweite Schaltungsteil kann so konfiguriert sein, dass die Richtungen der Magnetisierungen der magnetisierten Schichten 32 der MR-Elemente 30 in den Widerstandsabschnitten 11 und 14 die V Richtung sind und die Richtungen der Magnetisierungen der magnetisierten Schichten 32 der MR-Elemente 30 in den Widerstandsabschnitten 12 und 13 die -V Richtung sind.
Die freie Schicht 34 entspricht einer magnetischen Schicht im Sinne der vorliegenden Erfindung. Die freie Schicht 34 weist eine magnetische Formanisotropie auf, wo die Richtung der leichten Magnetisierungsachse die Richtung der Magnetisierung der magnetisierten Schicht 32 schneidet. In der vorliegenden Ausführungsform ist das MR-Element 30 so strukturiert, dass es in X Richtung eine langgestreckte Form aufweist. Dies verleiht der freien Schicht 34 eine magnetische Formanisotropie, bei der die Richtung der leichten Magnetisierungsachse parallel zur X-Richtung verläuft.
Bisher wurde die Konfiguration des Magnetsensors 1 beschrieben, wobei der Schwerpunkt auf einem MR-Element 30 lag. In der vorliegenden Ausführungsform umfassen die Widerstandsabschnitte 11 bis 14 jeweils zumindest ein MR-Element 30. Der Magnetsensor 1 umfasst somit eine Vielzahl von MR-Elementen 30, eine Vielzahl von unteren Elektroden 41 und eine Vielzahl von oberen Elektroden 42. Wie in 5 gezeigt, hat jede der unteren Elektroden 41 eine langgestreckte, schlanke Form. Das MR-Element 30 ist an der Oberseite der unteren Elektrode 41 in der Nähe eines Endes in Längsrichtung aufgebracht. Jede obere Elektrode 42 hat eine langgestreckte, schlanke Form und ist über zwei unteren Elektroden 41 angeordnet, um zwei benachbarte MR-Elemente 30 elektrisch zu verbinden.
Die Anzahl der gekrümmten Abschnitte 60a2 der gegenüberliegenden Oberfläche 60a des Trägerelements 60 kann eine oder mehr als eine sein. Wenn die Anzahl der gekrümmten Abschnitte 60a2 eins ist, ist die Mehrzahl der MR-Elemente 30 auf dem einen gekrümmten Abschnitt 60a2 angeordnet. In einem solchen Fall kann die Mehrzahl der MR-Elemente 30 entweder auf einer der ersten und zweiten geneigten Oberflächen SL1 und SL2 oder sowohl auf der ersten als auch auf der zweiten geneigten Oberfläche SL1 und SL2 angeordnet sein.
Wenn die Anzahl der gekrümmten Abschnitte 60a2 mehr als eins beträgt, kann ein oder eine Mehrzahl von MR-Elementen 30 auf einem gekrümmten Abschnitt 60a2 angeordnet sein. In einem solchen Fall kann die Mehrzahl der gekrümmten Abschnitte 60a2 entlang einer Richtung angeordnet sein. Alternativ kann die Mehrzahl der gekrümmten Abschnitte 60a2 in einer Mehrzahl von Reihen angeordnet sein, d. h. mehr als ein gekrümmter Abschnitt 60a2 in X und Y Richtung.
Im Folgenden wird das MR-Element 30 unter Bezugnahme auf die und näher beschrieben. 7 ist ein erklärendes Diagramm zur Beschreibung der Form der freien Schicht 34. 7 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des in 4 gezeigten Querschnitts. In 7 sind die Unterschicht 31 und die Deckschicht 35 des MR-Elements 30 weggelassen.
Wie in den 6 und 7 gezeigt, umfasst die freie Schicht 34 eine erste Oberfläche 34a, eine zweite Oberfläche 34b, die der ersten Oberfläche 34a gegenüberliegt, und eine äußere Umfangsfläche, die die erste Oberfläche 34a und die zweite Oberfläche 34b verbindet. Die erste Oberfläche 34a ist weiter von der gegenüberliegenden Oberfläche 60a des Trägerelements 60 entfernt als die zweite Oberfläche 34b. Die erste Oberfläche 34a ist in Kontakt mit der Deckschicht 35. Die zweite Oberfläche 34b ist in Kontakt mit der Abstandsschicht 33.
In der vorliegenden Ausführungsform ist das MR-Element 30 so gestaltet, dass es in X Richtung langgestreckt ist. Die erste und die zweite Oberfläche 34a und 34b haben also jeweils eine in X Richtung langgestreckte Form. Die erste Oberfläche 34a hat eine erste Kante Ed1 und eine zweite Kante Ed2, die sich an den beiden seitlichen Enden der ersten Oberfläche 34a befinden. Zumindest eine der ersten und zweiten Kanten Ed1 und Ed2 ist oberhalb des gekrümmten Abschnitts 60a2 der gegenüberliegenden Oberfläche 60a des Trägerelements 60 angeordnet. Zumindest ein Teil der ersten Oberfläche 34a ist somit relativ zur Bezugsebene, d. h. der Bodenfläche 60b des Trägerelements 60, geneigt. Der Winkel, den die erste Oberfläche 34a mit der Bodenfläche 60b des Trägerelements 60 bildet, wird hier als Neigungswinkel bezeichnet und mit dem Symbol θ gekennzeichnet. Der Neigungswinkel θ ist 0°oder größer und nicht größer als 90°. Zumindest ein Teil der ersten Oberfläche 34a ist relativ zu der Bodenfläche 60b des Trägerelements 60 geneigt, so dass der Neigungswinkel θ größer als 0°ist.
Die Form der freien Schicht 34 kann sich in der Nähe der äußeren Umfangsfläche diskontinuierlich und stark verändern. Um den Neigungswinkel θ genau zu definieren, werden in der vorliegenden Ausführungsform die beiden seitlichen Enden des Abschnitts der ersten Oberfläche 34a, der keine diskontinuierlichen und sich stark verändernden Bereiche enthält, der Einfachheit halber als erste und zweite Kante Ed1 und Ed2 bezeichnet. Die erste Kante Ed1 und die zweite Kante Ed2 können innerhalb der ersten Oberfläche 34a angeordnet sein, innerhalb der Grenze zwischen der ersten Oberfläche 34a und der äußeren Umfangsfläche. Wenn sich die Form der freien Schicht 34 nicht diskontinuierlich ändert, fallen die erste Kante Ed1 und die zweite Kante Ed2 auf die Grenze zwischen der ersten Oberfläche 34a und der äußeren Umfangsfläche.
In der vorliegenden Ausführungsform sind sowohl die erste als auch die zweite Kante Ed1 und Ed2 oberhalb der ersten geneigten Oberfläche SL1 des gekrümmten Abschnitts 60a2 angeordnet, oder sowohl die erste als auch die zweite Kante Ed1 und Ed2 sind oberhalb der zweiten geneigten Oberfläche SL2 des gekrümmten Abschnitts 60a2 angeordnet. Die gesamte erste Oberfläche 34a ist somit gegenüber der Bezugsebene, d. h. der Bodenfläche 60b des Trägerelements 60, geneigt. Der Abstand von der Bodenfläche 60b des Trägerelements 60 zur ersten Kante Ed1 ist kleiner als der Abstand von der Bodenfläche 60b des Trägerelements 60 zur zweiten Kante Ed2.
7 zeigt einen Querschnitt, der die freie Schicht 34 schneidet und senkrecht zur Längsrichtung der ersten Oberfläche 34a verläuft (Richtung parallel zur X Richtung). Ein solcher Querschnitt wird im Folgenden mit dem Symbol S bezeichnet. Der Querschnitt S ist auch ein Querschnitt parallel zur YZ Ebene. Der Neigungswinkel θ an der ersten Kante Ed1 wird als Neigungswinkel θ1 bezeichnet. Der Neigungswinkel θ an der zweiten Kante Ed2 wird als Neigungswinkel Θ2 bezeichnet. Der Neigungswinkel θ an einem vorbestimmten Punkt P auf der ersten Oberfläche 34a zwischen der ersten Kante Ed1 und der zweiten Kante Ed2 wird mit dem Symbol θp bezeichnet.
In einem gegebenen Querschnitt S ist der Neigungswinkel θ1 an der ersten Kante Ed1 größer als der Neigungswinkel θp an dem vorbestimmten Punkt P. In dem gegebenen Querschnitt S ist der Neigungswinkel θ2 an der zweiten Kante Ed2 kleiner als der Neigungswinkel θp. Wie in 7 gezeigt, nimmt in dem gegebenen Querschnitt S der Neigungswinkel θ in Richtung der ersten Kante Ed1 von der zweiten Kante Ed2 aus zu. In 7 bezieht sich der vorbestimmte Punkt P auf den Mittelpunkt zwischen der ersten und der zweiten Kante Ed1 und Ed2 auf der ersten Oberfläche 34a im gegebenen Querschnitt S.
Der Neigungswinkel θ an einer gegebenen Position auf der ersten Oberfläche 34a ändert sich in Abhängigkeit von dem Winkel, den die gegenüberliegende Oberfläche 60a des Trägerelements 60 mit der Bezugsebene, d.h. der Bodenfläche 60b des Trägerelements 60, bildet (im Folgenden als Neigungswinkel der gegenüberliegenden Oberfläche 60a bezeichnet). Insbesondere ist der Neigungswinkel θ an einer gegebenen Position auf der ersten Oberfläche 34a im Wesentlichen gleich dem Neigungswinkel der gegenüberliegenden Oberfläche 60a an der Stelle der gegenüberliegenden Oberfläche 60a, die der gegebenen Position am nächsten liegt. Der Neigungswinkel θ nimmt also zu, wenn der Neigungswinkel der gegenüberliegenden Oberfläche 60a zunimmt.
Die freie Schicht 34 hat eine Dicke T, die eine Abmessung in einer Richtung senkrecht zur ersten Oberfläche 34a ist. Die Dicke T kann auch als der Abstand zwischen der ersten und zweiten Oberfläche 34a und 34b in der Richtung senkrecht zur ersten Oberfläche 34a bezeichnet werden. Die Dicke T an der ersten Kante Ed1 wird als Dicke T1 bezeichnet. Die Dicke T an der zweiten Kante Ed2 wird als Dicke T2 bezeichnet. Die Dicke T an dem vorbestimmten Punkt P wird als Dicke Tp bezeichnet. Der Einfachheit halber wird eine imaginäre Oberfläche angenommen, indem die zweite Oberfläche 34b entlang des gekrümmten Abschnitts 60a2 verlängert wird, und die Dicke T2 ist definiert als der Abstand zwischen der ersten Oberfläche 34a und der imaginären Oberfläche in der Richtung senkrecht zur ersten Oberfläche 34a.
In einem gegebenen Querschnitt S ist die Dicke T1 an der ersten Kante Ed1 kleiner als die Dicke Tp an dem vorbestimmten Punkt P. In dem gegebenen Querschnitt S ist die Dicke T2 an der zweiten Kante Ed2 größer als die Dicke Tp. Wie in 7 gezeigt, nimmt die Dicke T im gegebenen Querschnitt S von der zweiten Kante Ed2 zur ersten Kante Ed1 hin ab.
Die Dicke T an einer gegebenen Position auf der ersten Oberfläche 34a ändert sich in Abhängigkeit vom Neigungswinkel der gegenüberliegenden Oberfläche 60a. Insbesondere nimmt die Dicke T an einer gegebenen Position auf der ersten Oberfläche 34a ab, wenn der Neigungswinkel der gegenüberliegenden Oberfläche 60a an der Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche 60a, die der gegebenen Position am nächsten liegt, zunimmt.
Aus der Beziehung zwischen dem Neigungswinkel θ und dem Neigungswinkel der gegenüberliegenden Oberfläche 60a und der Beziehung zwischen der Dicke T und dem Neigungswinkel der gegenüberliegenden Oberfläche 60a ergibt sich, dass die Dicke T mit zunehmendem Neigungswinkel θ abnimmt.
In der vorliegenden Ausführungsform ist das gesamte MR-Element 30 auf der ersten geneigten Oberfläche SL1 oder der zweiten geneigten Oberfläche SL2 angeordnet. Der Winkel, den die erste geneigte Oberfläche SL1 oder die zweite geneigte Oberfläche SL2 mit der Bodenfläche 60b des Trägerelements 60 bildet, wird im Folgenden als Neigungswinkel mit dem Symbol ϕ bezeichnet. Wie in 7 gezeigt, vergrößert sich der Neigungswinkel θ an einer gegebenen Position auf der ersten Oberfläche 34a in dem Maße, wie sich der Neigungswinkel ϕ an der Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche 60a, die der gegebenen Position am nächsten liegt, vergrößert. Wie in 7 gezeigt, nimmt die Dicke T an einer bestimmten Stelle der ersten Oberfläche 34a ab, wenn der Neigungswinkel ϕ an der Stelle der gegenüberliegenden Oberfläche 60a, die der bestimmten Stelle am nächsten liegt, zunimmt. In 7 ist der Neigungswinkel ϕ an einer Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche 60a, die der ersten Kante Ed1 am nächsten liegt, mit dem Symbol ϕ 1 gekennzeichnet. Der Neigungswinkel ϕ an einer Stelle der gegenüberliegenden Oberfläche 60a, die der zweiten Kante Ed2 am nächsten liegt, ist mit dem Symbol ϕ2 gekennzeichnet. Der Neigungswinkel ϕ an einer Stelle der gegenüberliegenden Oberfläche 60a, die dem vorbestimmten Punkt P am nächsten liegt, wird durch das Symbol ϕp gekennzeichnet.
Der Winkel ϕ in einem gegebenen Querschnitt S ist an der Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche 60a, die der ersten Kante Ed1 am nächsten ist, größer als an der Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche 60a, die dem vorbestimmten Punkt P am nächsten ist. Mit anderen Worten ist der Winkel ϕ1 größer als der Winkel ϕp. Der Winkel ϕ2 ist kleiner als der Winkel ϕp. Wie in 7 gezeigt, vergrößert sich der Winkel ϕ in dem gegebenen Querschnitt S in Richtung der Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche 60a, die der ersten Kante Ed1 am nächsten ist, von der Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche 60a, die der zweiten Kante Ed2 am nächsten ist.
Es werden nun Beispiele für die Dicke T und den Neigungswinkel ϕ beschrieben. Die folgende Beschreibung wird anhand eines Falles gegeben, in dem zum Beispiel ein TMR-Element als MR-Element 30 eines Praxisbeispiels auf der ersten geneigten Oberfläche SL1 ausgebildet wurde. In diesem Beispiel wurde das TMR-Element unter Verwendung einer Magnetron-Sputter-Vorrichtung gebildet, und die Dicke T der freien Schicht 34 des MR-Elements 30 (TMR-Element) wurde unter einem Transmissions-Elektronenmikroskop im Querschnitt (TEM im Querschnitt) gemessen. Bei dem MR-Element 30 (TMR-Element) des Praxisbeispiels betrug der Abstand von der ersten Kante Ed1 zur zweiten Kante Ed2 in einem Querschnitt parallel zur YZ Ebene 1,3 µm.
Im Praxisbeispiel betrug die Dicke T1 an der ersten Kante Ed1 9,0 nm. Der Neigungswinkel ϕ1 an der der ersten Kante Ed1 nächstgelegenen Position der gegenüberliegenden Oberfläche 60a betrug 39,1 °.
Im Praxisbeispiel betrug die Dicke T2 an der zweiten Kante Ed2 10,9 nm.
Der Neigungswinkel ϕ an der der zweiten Kante Ed2 nächstgelegenen Position der gegenüberliegenden Fläche 60a betrug 25,2°.
Bei der tatsächlichen Herstellung des MR-Elements 30 kann die erste Oberfläche 34a der freien Schicht 34 eine so hohe Oberflächenrauigkeit aufweisen, dass die Auswirkungen auf verschiedene Parameter nicht vernachlässigbar sind. In einem solchen Fall können zur Verringerung von Messfehlern die Neigungswinkel θ einschließlich der Neigungswinkel θ1,θ2 und θp auf folgende Weise gemessen werden. Zunächst werden Durchschnittslinien (Geraden) der Querschnittskurve der ersten Oberfläche 34a in der Nähe der jeweiligen Messpunkte der Neigungswinkel θ bestimmt. Dann werden die Winkel gemessen, die die Durchschnittslinien mit der Bodenfläche 60b des Trägerelements 60 als Neigungswinkel θ an den Messpunkten bilden, indem die Durchschnittslinien als Tangenten an die erste Fläche 34a an den Messpunkten angenommen werden. Die Durchschnittslinien haben wünschenswerterweise eine solche Länge, dass die Durchschnittslinien die Querschnittskurve mehrmals schneiden. Im Falle des MR-Elements 30 (TMR-Element) gemäß dem Praxisbeispiel können die Durchschnittslinien beispielsweise eine Länge im Bereich von 10 bis 100 nm aufweisen. Ein solches Winkelmessverfahren kann in der vorliegenden Ausführungsform als spezifische Definition der Neigungswinkel θ verwendet werden.
Zur Verringerung von Messfehlern können die Dicken T an den Messpunkten gemessen werden, indem die Richtungen senkrecht zu den vorgenannten Durchschnittslinien als die Richtungen senkrecht zur ersten Oberfläche 34a angenommen werden. Wenn die gegenüberliegende Oberfläche 60a einschließlich des gekrümmten Abschnitts 60a2 eine geringere Oberflächenrauigkeit als die der ersten Oberfläche 34a aufweist, können die Dicken T an den Messpunkten auch gemessen werden, indem die Richtungen senkrecht zur gegenüberliegenden Oberfläche 60a an den Positionen auf der gegenüberliegenden Oberfläche 60a, die den Messpunkten am nächsten liegen, als die Richtungen senkrecht zur ersten Oberfläche 34a angenommen werden. Jede der vorgenannten Methoden zur Messung der Dicke T kann als spezifische Definition der Dicke T in der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden.
Als nächstes werden die Funktionsweise und die Auswirkungen des Magnetsensors 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform ist in einem gegebenen Querschnitt S die Dicke T1 an der ersten Kante Ed1 kleiner als die Dicke Tp an dem vorbestimmten Punkt P. Darüber hinaus ist in der vorliegenden Ausführungsform die Dicke T2 an der zweiten Kante Ed2 größer als die Dicke Tp in dem gegebenen Querschnitt S. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann die Konzentration der magnetischen Ladungen an und in der Nähe der ersten Kante Ed1 der freien Schicht 34 somit reduziert werden.
In der vorliegenden Ausführungsform ist in einem gegebenen Querschnitt S der Neigungswinkel θ1 an der ersten Kante Ed1 größer als der Neigungswinkel θp an dem vorbestimmten Punkt P. Darüber hinaus ist in dem gegebenen Querschnitt S der Neigungswinkel Θ2 an der zweiten Kante Ed2 kleiner als der Neigungswinkel θp an dem vorbestimmten Punkt P. Der Neigungswinkel θist im Wesentlichen derselbe wie der Neigungswinkel der gegenüberliegenden Oberfläche 60a und kann durch Ändern der Position des MR-Elements 30 und/oder des Neigungswinkels der gegenüberliegenden Oberfläche 60a selbst gesteuert werden.
Wie oben beschrieben, nimmt die Dicke T mit zunehmendem Neigungswinkel der gegenüberliegenden Oberfläche 60a ab. Eine solche Beziehung zwischen der Dicke T und dem Neigungswinkel der gegenüberliegenden Oberfläche 60a kann durch die Bildung des MR-Elements 30 unter Verwendung einer sogenannten nicht-konformen Filmbildungsvorrichtung, wie z. B. einer Magnetron-Sputtervorrichtung, erreicht werden. Die Neigungswinkel θ können durch den Neigungswinkel der gegenüberliegenden Oberfläche 60a und die Anordnung des MR-Elements 30 gesteuert werden. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann die Dicke T durch Steuerung der Neigungswinkel θ wie oben beschrieben gesteuert werden.
Der Effekt der Verringerung der Konzentration magnetischer Ladungen wird im Folgenden durch den Vergleich mit einem MR-Element 230 gemäß einem Vergleichsbeispiel detailliert beschrieben. Das MR-Element 230 des Vergleichsbeispiels wird zunächst unter Bezugnahme auf 8 beschrieben. 8 ist eine erläuternde Darstellung zur Beschreibung der magnetischen Ladungen auf dem MR-Element 230 des Vergleichsbeispiels. 8 zeigt einen Querschnitt, der dem Querschnitt S entspricht. Das MR-Element 230 des Vergleichsbeispiels umfasst wie das MR-Element 30 der vorliegenden Ausführungsform eine magnetisierte Schicht 232, eine Abstandsschicht 233, eine freie Schicht 234 und eine nicht dargestellte Unter- und Deckschicht.
Das MR-Element 230 des Vergleichsbeispiels ist auf einer ebenen Fläche parallel zur Bezugsebene (Bodenfläche 60b des Trägerelements 60) angeordnet. Wie das MR-Element 30 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist das MR-Element 230 in einer Form strukturiert, die in X Richtung langgestreckt ist. Dies verleiht der freien Schicht 234 eine magnetische Formanisotropie, bei der die Richtung der leichten Magnetisierungsachse parallel zur X Richtung verläuft.
Die freie Schicht 234 umfasst eine erste Fläche 234a, die sich an einem Ende in Z-Richtung befindet, eine zweite Fläche 234b, die der ersten Fläche 234a gegenüberliegt, und eine äußere Umfangsfläche, die die erste Fläche 234a und die zweite Fläche 234b verbindet. Sowohl die erste als auch die zweite Fläche 234a und 234b sind ebene Flächen parallel zur Bezugsebene. Die erste und die zweite Fläche 234a und 234b haben jeweils eine in X Richtung langgestreckte Form. Die erste Fläche 234a hat eine erste Kante Ed11 und eine zweite Kante Ed12, die sich an beiden Enden in seitlicher Richtung der ersten Fläche 234a befinden, d.h. in einer Richtung parallel zur Y Richtung. Insbesondere ist im Vergleichsbeispiel die erste Kante Ed11 eine Kante, die am Ende der ersten Fläche 234a in der -Y Richtung angeordnet ist. Die zweite Kante Ed12 ist eine Kante, die am Ende der ersten Fläche 234a in Y Richtung angeordnet ist.
Wird ein externes Magnetfeld an das MR-Element 230 angelegt, dreht sich die Richtung des magnetischen Moments innerhalb der freien Schicht 234 in Abhängigkeit von der Richtung und Stärke des externen Magnetfeldes. Infolgedessen dreht sich die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht 234. Dabei treten magnetische Ladungen an der äußeren Umfangsfläche der freien Schicht 234 auf.
Nehmen wir nun an, dass ein externes Magnetfeld in Y Richtung an das MR-Element 230 angelegt wird. Wenn das externe Magnetfeld in Y Richtung angelegt wird, konzentrieren sich positive magnetische Ladungen an einem Teil der äußeren Umfangsfläche der freien Schicht 234 in der Nähe der zweiten Kante Ed12, und negative magnetische Ladungen konzentrieren sich an einem Teil der äußeren Umfangsfläche der freien Schicht 234 in der Nähe der ersten Kante Ed11. In 8 stellen die Symbole „+“ positive magnetische Ladungen und die Symbole „-“ negative magnetische Ladungen dar. Aufgrund dieser magnetischen Ladungen entsteht in der freien Schicht 234 ein entmagnetisierendes Feld in der -Y Richtung. Die Stärke des entmagnetisierenden Feldes ist umso größer, je näher es an den magnetischen Ladungen liegt. Die Stärke des entmagnetisierenden Feldes in den Teilen der freien Schicht 234 in der Nähe der ersten und zweiten Kante Ed11 und Ed12 ist daher hoch. Die Stärke des entmagnetisierenden Feldes im Mittelteil der freien Schicht 234 ist gering.
Wenn kein externes Magnetfeld angelegt wird, sind die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht 234 und die Richtung des magnetischen Moments in der freien Schicht 234 parallel zur X Richtung. Wenn die Stärke des externen Magnetfelds gering ist, beginnt die Richtung des magnetischen Moments im Mittelteil der freien Schicht 234 in Richtung der Y-Richtung zu rotieren. Andererseits dreht sich die Richtung des magnetischen Moments in den Teilen der freien Schicht 234 in der Nähe der ersten und zweiten Kanten Ed11 und Ed12 nicht oder kaum.
Wenn die Stärke des äußeren Magnetfeldes bis zu einem gewissen Grad hoch wird, wird die Richtung des magnetischen Moments im Mittelteil der freien Schicht 234 gleich oder im Wesentlichen gleich der Y-Richtung. In der Zwischenzeit beginnt die Richtung des magnetischen Moments in den Abschnitten der freien Schicht 234 in der Nähe der ersten und zweiten Kanten Ed11 und Ed12 in Richtung der Y-Richtung zu rotieren. Wenn die Stärke des externen Magnetfelds noch höher wird, wird die Richtung des magnetischen Moments in den Abschnitten der freien Schicht 234 in der Nähe der ersten und zweiten Kanten Ed11 und Ed12 ebenfalls gleich oder im Wesentlichen gleich der Y Richtung.
Wie oben beschrieben, ändert sich bei dem MR-Element 230 des Vergleichsbeispiels die Richtung des magnetischen Moments in der gesamten freien Schicht 234 aufgrund des entmagnetisierenden Feldes nicht gleichmäßig. Infolgedessen ändert sich die Magnetisierung der freien Schicht 234 nichtlinear in Bezug auf eine Änderung der Stärke des externen Magnetfelds. Folglich ändert sich ein Detektionssignal, das von einem Magnetsensor mit dem MR-Element 230 des Vergleichsbeispiels erzeugt wird, nichtlinear in Bezug auf eine Änderung der Stärke des externen Magnetfelds.
Als nächstes werden die magnetischen Ladungen auf dem MR-Element 30 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. 9 ist ein erklärendes Diagramm zur Beschreibung der magnetischen Ladungen auf dem MR-Element 30. 9 zeigt einen Querschnitt, der dem Querschnitt S entspricht. In 9 stellen die Symbole „+“ positive magnetische Ladungen und die Symbole „-“ negative magnetische Ladungen dar.
Bei dem MR-Element 30 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Dicke T1 an der ersten Kante Ed1 kleiner als die Dicke T2 an der zweiten Kante Ed2. Nehmen wir nun an, dass ein externes Magnetfeld in Y Richtung an das MR-Element 30 angelegt wird. In einem solchen Fall konzentrieren sich positive magnetische Ladungen an einem Teil der äußeren Umfangsfläche der freien Schicht 34 in der Nähe der zweiten Kante Ed2 wie im Vergleichsbeispiel. Im Gegensatz dazu konzentrieren sich negative magnetische Ladungen nicht an einem Teil der äußeren Umfangsfläche der freien Schicht 34 in der Nähe der ersten Kante Ed1, sondern sind gleichmäßig über die erste Oberfläche 34a verteilt. Dadurch verringert sich die Differenz zwischen der Stärke des entmagnetisierenden Feldes in dem Teil der freien Schicht 34 nahe der ersten Kante Ed1 und der Stärke des entmagnetisierenden Feldes im Mittelteil der freien Schicht 34. Wenn die Differenz abnimmt, dreht sich die Richtung des magnetischen Moments in dem Teil der freien Schicht 34 in der Nähe der ersten Kante Ed1 in ähnlicher Weise wie die des magnetischen Moments im Mittelteil der freien Schicht 34. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann somit verhindert werden, dass sich die Magnetisierung der freien Schicht 34 nichtlinear in Bezug auf eine Änderung der Stärke des externen Magnetfelds ändert. Infolgedessen kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Bereich, in dem sich das vom Magnetsensor 1 erzeugte Detektionssignal linear ändert, erweitert werden.
Als nächstes wird ein Ergebnis eines Experiments zur Untersuchung der Linearität des Detektionssignals beschrieben. Für das Experiment wurden ein Magnetsensor des Praxisbeispiels und ein Magnetsensor des Vergleichsbeispiels hergestellt. Der Magnetsensor des Praxisbeispiels und der Magnetsensor des Vergleichsbeispiels haben jeweils im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie der Magnetsensor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Der Magnetsensor des Praxisbeispiels enthält als MR-Elemente 30 (TMR-Elemente) die MR-Elemente 30 gemäß dem vorangegangenen Praxisbeispiel. Der Magnetsensor des Vergleichsbeispiels enthält die MR-Elemente 230 gemäß dem Vergleichsbeispiel anstatt der MR-Elemente 30. Die MR-Elemente 230 gemäß dem Vergleichsbeispiel sind TMR-Elemente, die auf einer ebenen Fläche parallel zur Bezugsebene (Bodenfläche 60b des Trägerelements 60) nach dem gleichen Verfahren wie bei den MR-Elementen 30 gemäß dem Praxisbeispiel ausgebildet sind.
In dem Experiment wurden Änderungen in einem Detektionssignal (Signal, das dem Detektionssignal S1 oder S2 entspricht), das von jedem der Magnetsensoren des Praxisbeispiels und des Vergleichsbeispiels erzeugt wurde, untersucht, während die Stärke des externen Magnetfeldes in Y Richtung, das an die Magnetsensoren angelegt wird, geändert wurde.
zeigt die Ergebnisse des Experiments. Hier wird die Stärke des externen Magnetfelds, das an die Magnetsensoren angelegt wird, durch H ausgedrückt, und die Stärke der magnetischen Anisotropie-Felder in den freien Schichten 34 und 234 durch Hk. Die horizontale Achse von gibt H/Hk an. Die vertikale Achse von 10 zeigt die normierten Signale an, die durch Normierung der Detektionssignale auf einen Maximalwert von 1 erhalten werden. In 10 stellt die mit dem Bezugszeichen 81 bezeichnete Kurve das normierte Signal des Magnetsensors gemäß dem Praxisbeispiels dar. Die mit dem Bezugszeichen 82 bezeichnete Kurve stellt das normierte Signal des Magnetsensors gemäß dem Vergleichsbeispiel dar.
Wie in 10 gezeigt, ändert sich das normierte Signal des Magnetsensors (Bezugszeichen 82) gemäß dem Vergleichsbeispiel linear in dem Bereich, in dem H/Hk 0 bis 0,7 beträgt. Das normierte Signal des Magnetsensors (Bezugszeichen 81) gemäß dem Praxisbeispiel ändert sich linear in dem Bereich, in dem H/Hk 0 bis 0,8 beträgt. Wie aus 10 ersichtlich ist, kann der Bereich, in dem sich die vom Magnetsensor 1 erzeugten Detektionssignale linear ändern, gemäß der vorliegenden Ausführungsform erweitert werden.
Wie in 8 gezeigt, sind die Endflächen des MR-Elements 230 in der -Y -Richtung und der Y Richtung des Vergleichsbeispiels jeweils relativ zur XY Ebene geneigt. Um die Konzentration magnetischer Ladungen an den Abschnitten der äußeren Umfangsfläche der freien Schicht 234 in der Nähe der ersten und zweiten Kante Ed11 und Ed12 im MR-Element 230 des Vergleichsbeispiels zu verringern, können die vorgenannten Endflächen stärker gekippt werden. Der Effekt einer stärkeren Neigung der Endflächen wie oben beschrieben ist jedoch begrenzt, da das MR-Element typischerweise eine geringe Dicke aufweist.
Außerdem verursacht das MR-Element 230 des Vergleichsbeispiels die folgenden Probleme, wenn die Neigung der Endflächen erhöht wird. Insbesondere vergrößern sich mit zunehmender Neigung der Endflächen die Bereiche, die in Z Richtung gesehen nicht von der Deckschicht bedeckt sind, und das MR-Element 230 kann anfälliger für Korrosion und Oxidation werden. Die freie Schicht 234 ist manchmal aus einem mehrschichtigen Film, die eine Mehrzahl von Schichten umfasst, gefertigt. In einem solchen Fall verringert die oben beschriebene Erhöhung der Neigung der Endflächen die Bereiche der Schichten des geschichteten Films, die näher an der Deckschicht liegen, und kann die Eigenschaften der freien Schicht 234 an den Rändern verändern. Wenn bei der Bildung einer Vielzahl von MR-Elementen 230 die Neigung der Endflächen bei unveränderter Form der Lackmaske erhöht wird, vergrößert sich außerdem die Breite des geneigten Teils jedes MR-Elements 230. Infolgedessen verringert sich der Abstand zwischen den beiden benachbarten MR-Elementen 230. Der Abstand zwischen den beiden benachbarten MR-Elementen 230 muss vergrößert werden, um das Risiko zu verringern, dass die beiden benachbarten MR-Elemente 230 elektrisch miteinander verbunden sind. Eine Vergrößerung des Abstands zwischen den beiden benachbarten MR-Elementen 230 verringert jedoch die Integrationsdichte der Mehrzahl von MR-Elementen 230 und führt zu einer Verringerung des S/N-Verhältnisses.
Im Gegensatz dazu kann bei der vorliegenden Ausführungsform die Konzentration der magnetischen Ladungen an dem Abschnitt der äußeren Umfangsfläche der freien Schicht 34 in der Nähe der ersten Kante Ed1 verringert werden, ohne die Neigung der Endflächen des MR-Elements 30 in der -Y Richtung und der Y Richtung wie oben beschrieben zu erhöhen. Mit anderen Worten kann die Konzentration der magnetischen Ladungen gemäß der vorliegenden Ausführungsform reduziert werden, während das Auftreten der Probleme aufgrund der erhöhten Neigung der Endflächen des MR-Elements 30 verhindert wird.
Darüber hinaus kann in der vorliegenden Ausführungsform die Konzentration der magnetischen Ladungen leicht reduziert werden, indem das MR-Element 30 so geformt wird, dass zumindest ein Teil des MR-Elements 30 auf dem gekrümmten Abschnitt 60a2 der gegenüberliegenden Oberfläche 60a angeordnet ist.
In der vorliegenden Ausführungsform wurde der Fall behandelt, dass das MR-Element 30 auf dem gekrümmten Abschnitt 60a2 angeordnet ist. Das MR-Element 30 kann jedoch auch auf dem folgenden geneigten Abschnitt angeordnet sein. Der geneigte Abschnitt umfasst eine Vielzahl von ebenen Flächen. Von der Vielzahl der ebenen Flächen wird diejenige, die der Bodenfläche 60b des Trägerelements 60 am nächsten liegt, als erste ebene Fläche bezeichnet. Die ebene Fläche, die am weitesten von der Bodenfläche 60b des Trägerelements 60 entfernt ist, wird als zweite ebene Fläche bezeichnet. Das MR-Element 30 ist zwischen der ersten ebenen Fläche und der zweiten ebenen Fläche angeordnet. Der Winkel, den die erste ebene Fläche mit der Bodenfläche 60b des Trägerelements 60 bildet, ist größer als die Winkel, die die jeweiligen ebenen Flächen, die nicht die erste ebene Fläche sind, mit der Bodenfläche 60b des Trägerelements 60 bilden. Der Winkel, den die zweite ebene Fläche mit der Bodenfläche 60b des Trägerelements 60 bildet, ist kleiner als die Winkel, die die jeweiligen ebenen Flächen, die nicht die zweite ebene Fläche sind, mit der Bodenfläche 60b des Trägerelements 60 bilden.
In der vorliegenden Ausführungsform wurde der Fall behandelt, dass das gesamte MR-Element 30 auf der ersten geneigten Oberfläche SL1 oder der zweiten geneigten Oberfläche SL2 des gekrümmten Abschnitts 60a2 angeordnet ist. Wie jedoch in einer zweiten Ausführungsform beschrieben wird, kann das MR-Element 30 über der ersten geneigten Oberfläche SL1 und der zweiten geneigten Oberfläche SL2 angeordnet sein.
In der vorliegenden Ausführungsform wurde auch der Fall behandelt, dass sowohl die erste als auch die zweite Kante Ed1 und Ed2 oberhalb der ersten geneigten Oberfläche SL1 oder sowohl die erste als auch die zweite Kante Ed1 und Ed2 oberhalb der zweiten geneigten Oberfläche SL2 angeordnet sind. Wenn jedoch eine der ersten und zweiten Kanten Ed1 und Ed2 über der ersten geneigten Oberfläche SL1 oder der zweiten geneigten Oberfläche SL2 angeordnet ist, kann die andere über dem flachen Abschnitt 60a1 oder über der Grenze zwischen der ersten und zweiten geneigten Oberfläche SL1 und SL2 angeordnet sein.
[Modifikationsbeispiele]
Nachfolgend werden Modifikationsbeispiele der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Zunächst wird ein erstes Modifikationsbeispiel des MR-Elements 30 unter Bezugnahme auf 11 beschrieben. In dem ersten Modifikationsbeispiel ist das MR-Element 30 ein anisotropes magnetoresistives (AMR) Element. Im ersten Modifikationsbeispiel enthält das MR-Element 30 eine magnetische Schicht 36 mit magnetischer Anisotropie anstelle der in 6 gezeigten magnetisierten Schicht 32, der Abstandsschicht 33 und der freien Schicht 34. Die magnetische Schicht 36 hat eine Magnetisierung, deren Richtung in Abhängigkeit von der Richtung des äußeren Magnetfeldes variabel ist. Wie oben beschrieben, ist das MR-Element 30 so strukturiert, dass es in X Richtung eine langgestreckte Form aufweist. Dies verleiht der magnetischen Schicht 36 eine magnetische Formanisotropie, bei der die Richtung der leichten Magnetisierungsachse parallel zur X Richtung verläuft.
Die magnetische Schicht 36 hat eine erste Oberfläche 36a mit einer in X Richtung langgestreckten Form, eine zweite Oberfläche 36b, die der ersten Oberfläche 36a gegenüberliegt, und eine äußere Umfangsfläche, die die erste Oberfläche 36a und die zweite Oberfläche 36b verbindet. Die Beschreibung der Form des MR-Elements 30 unter Bezugnahme auf die 6 und 7 gilt auch für das erste Ausführungsbeispiel. Die Beschreibung der Form des MR-Elements 30 gilt für die Form des ersten Modifikationsbeispiels, wobei die freie Schicht 34, die erste Oberfläche 34a und die zweite Oberfläche 34b in der Beschreibung durch die magnetische Schicht 36, die erste Oberfläche 36a und die zweite Oberfläche 36b ersetzt werden.
Als nächstes wird ein zweites Modifikationsbeispiel des MR-Elements 30 mit Bezug auf 12 beschrieben. In dem zweiten Modifikationsbeispiel hat das MR-Element 30 eine ovale, ebene Form. Das MR-Element 30 umfasst einen Abschnitt mit konstanter Breite 30B, einen ersten Breitenänderungsabschnitt 30A und einen zweiten Breitenänderungsabschnitt 30C. Der erste Breitenänderungsabschnitt 30A befindet sich in der -X Richtung vor dem Abschnitt mit konstanter Breite 30B. Der zweite Breitenänderungsabschnitt 30C befindet sich in X Richtung vor dem Abschnitt mit konstanter Breite 30B. In 12 ist die Grenze zwischen dem Abschnitt mit konstanter Breite 30B und dem ersten Breitenänderungsabschnitt 30A und die Grenze zwischen dem Abschnitt mit konstanter Breite 30B und dem zweiten Breitenänderungsabschnitt 30C durch gestrichelte Linien dargestellt.
Der Abschnitt mit konstanter Breite 30B hat eine konstante Breite (Abmessung in der Richtung parallel zur Y Richtung) unabhängig von der Position in der X Richtung. Die Breite des ersten Breitenänderungsabschnitts 30A nimmt mit zunehmendem Abstand von dem Abschnitt mit konstanter Breite 30B ab. Die Breite des zweiten Breitenänderungsabschnitts 30C nimmt mit zunehmendem Abstand von dem Abschnitt mit konstanter Breite 30B ab.
Die ersten und zweiten Breitenänderungsabschnitte 30A und 30C sind beispielsweise zur Steuerung der magnetischen Domänenstruktur der freien Schicht 34 vorgesehen. In den ersten und zweiten Breitenänderungsabschnitten 30A und 30C nimmt die Differenz zwischen der Dicke T2 an der zweiten Kante Ed2 und der Dicke T1 an der ersten Kante Ed1 mit zunehmendem Abstand von dem Abschnitt konstanter Breite 30B ab. Dies verringert den Effekt der Verringerung der Konzentration von magnetischen Ladungen an dem Abschnitt des MR-Elements 30 nahe dem Ende in der -X Richtung und dem Abschnitt des MR-Elements 30 nahe dem Ende in der X Richtung. Der Unterschied zwischen den Dicken T2 und T1 in den anderen Abschnitten ist jedoch ausreichend groß, wodurch der Effekt der Verringerung der Konzentration der magnetischen Ladungen erzielt werden kann.
Als Nächstes wird ein drittes Modifikationsbeispiel des MR-Elements 30 unter Bezugnahme auf die bis beschrieben. Das in den 13 bis 15 gezeigte MR-Element 30 ist ein CIP MR-Element (Englisch für „current-in-plane“, d.h. Strom in der Ebene). 13 ist ein erklärendes Diagramm zur Beschreibung des dritten Modifikationsbeispiels des MR-Elements 30. 14 ist eine Querschnittsansicht, die einen Querschnitt an der durch die Linie 14-14 in 13 angegebenen Stelle zeigt. 15 ist eine Querschnittsansicht, die einen Querschnitt an der durch die Linie 15-15 in 13 angegebenen Stelle zeigt. Der Einfachheit halber zeigen die 14 und 15 nur das MR-Element 30 und das Trägerelement 60.
Das MR-Element 30 umfasst eine geschichtete Folie, die die Unterschicht 31, die magnetisierte Schicht 32, die Abstandsschicht 33, die freie Schicht 34 und die Deckschicht 35 umfasst (siehe ). Diese geschichtete Folie wird mit der Referenznummer 30M bezeichnet. Im dritten Modifikationsbeispiel ist die Abmessung der geschichteten Folie 30M in einer Richtung parallel zur X Richtung größer als die des gekrümmten Abschnitts 60a2 der gegenüberliegenden Oberfläche 60a des Trägerelements 60 in der Richtung parallel zur X Richtung. Ein Teil der geschichteten Folie 30M ist auf dem gekrümmten Abschnitt 60a2 angeordnet. Ein weiterer Teil der geschichteten Folie 30M ist auf dem flachen Abschnitt 60a1 der gegenüberliegenden Oberfläche 60a vor dem gekrümmten Abschnitt 60a2 in der -X Richtung angeordnet. Ein weiterer Teil der geschichteten Folie 30M ist auf dem flachen Abschnitt 60a1 der gegenüberliegenden Oberfläche 60a vor dem gekrümmten Abschnitt 60a2 in der X Richtung angeordnet. Der Teil der geschichteten Folie 30M, der auf dem gekrümmten Abschnitt 60a2 angeordnet ist, wird im Folgenden als ein gekrümmter Oberflächenteil 30M1 bezeichnet. Die Abschnitte der geschichteten Folie 30M, die auf dem flachen Abschnitt 60a1 angeordnet sind, werden als flacher Oberflächenteil 30M2 bezeichnet.
Im dritten Modifikationsbeispiel enthält das MR-Element 30 außerdem eine nichtmagnetische Metallschicht 30N. Wie in den 13 und 15 gezeigt, bedeckt die nichtmagnetische Metallschicht 30N die flachen Oberflächenteile 30M2. Wie in den 13 und 15 gezeigt, bedeckt die nichtmagnetische Metallschicht 30N nicht den größten Teil des gekrümmten Oberflächenteils 30M1.
Die flachen Oberflächenteile 30M2 sind im Wesentlichen die gleichen wie das MR-Element 230 des in 8 gezeigten Vergleichsbeispiels. Diese Teile bieten daher nicht die Wirkung der Verringerung der Konzentration von magnetischen Ladungen. Dagegen bewirkt der gekrümmte Oberflächenteil 30M1 eine Verringerung der Konzentration der magnetischen Ladungen. Im dritten Modifikationsbeispiel sind die flachen Oberflächenteile 30M2 mit der nichtmagnetischen Metallschicht 30N bedeckt, wodurch nur ein Signal, das dem Widerstand des gekrümmten Oberflächenteils 30M1 entspricht, von dem MR-Element 30 erfasst werden kann. Mit anderen Worten, im dritten Modifikationsbeispiel kann nur der gekrümmte Oberflächenteil 30M1 im Wesentlichen als das MR-Element 30 funktionieren. Auf diese Weise kann der Effekt der Verringerung der Konzentration von magnetischen Ladungen erzielt werden.
Im dritten Modifikationsbeispiel kann die nichtmagnetische Metallschicht 30N weggelassen werden, wenn die flachen Oberflächenteile 30M2 im Vergleich zu den gekrümmten Oberflächenteilen 30M1 ausreichend klein sind.
[Zweite Ausführungsform]
Eine zweite Ausführungsform der Erfindung wird nun beschrieben. Zunächst wird eine Konfiguration eines Magnetsensors gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit Bezug auf die 16 und 17 beschrieben. 16 ist eine schematische Darstellung, die einen Teil des Magnetsensors gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. 17 ist eine Querschnittsansicht, die einen Teil des Magnetsensors gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
Ein Magnetsensor 101 gemäß der vorliegenden Ausführungsform hat die gleiche Konfiguration wie der Magnetsensor 1 gemäß der ersten Ausführungsform, mit Ausnahme der MR-Elemente. Der Magnetsensor 101 gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst MR-Elemente 130 anstelle der MR-Elemente 30 gemäß der ersten Ausführungsform. 17 zeigt einen Querschnitt parallel zur YZ Ebene, der ein MR-Element 130 durchschneidet.
Das MR-Element 130 ist auf dem gekrümmten Abschnitt 60a2 der gegenüberliegenden Oberfläche 60a des Trägerelements 60 angeordnet. Insbesondere ist das MR-Element 130 in der vorliegenden Ausführungsform quer über die erste geneigte Oberfläche SL1 und die zweite geneigte Oberfläche SL2 angeordnet. Das MR-Element 130 hat eine Form, die in X Richtung langgestreckt ist. Das MR-Element 130 hat eine rechteckige, ebene Form.
Das MR-Element 130 kann ein Spin-Ventil-MR-Element oder ein AMR-Element sein. Im Folgenden wird der Fall beschrieben, dass das MR-Element 130 ein Spin-Ventil-MR-Element ist. Wie das in 6 gezeigte MR-Element 30 gemäß der ersten Ausführungsform umfasst das MR-Element 130 eine Unterschicht 31, eine magnetisierte Schicht 32, eine Abstandsschicht 33, eine freie Schicht 34 und eine Deckschicht 35. Der Einfachheit halber wird in der vorliegenden Ausführungsform die Richtung der Magnetisierung der magnetisierten Schicht 32 als Y Richtung oder -Y Richtung bezeichnet. Die freie Schicht 34 weist eine magnetische Formanisotropie auf, bei der die Richtung der leichten Magnetisierungsachse parallel zur X Richtung verläuft.
Im Folgenden wird das MR-Element 130 unter Bezugnahme auf näher beschrieben. 18 ist ein erklärendes Diagramm zur Beschreibung der Form der freien Schicht 34. 18 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des in 17 gezeigten Querschnitts. In 18 sind die Unterschicht 31 und die Deckschicht 35 des MR-Elements 130 weggelassen.
Wie in der ersten Ausführungsform beschrieben, hat die freie Schicht 34 eine erste Oberfläche 34a, eine zweite Oberfläche 34b und eine äußere Umfangsfläche. Die erste Oberfläche 34a hat eine erste Kante Ed1 und eine zweite Kante Ed2, die sich an beiden seitlichen Enden der ersten Oberfläche 34a befinden. In der vorliegenden Ausführungsform befindet sich die erste Kante Ed1 an der ersten geneigten Oberfläche SL1 des gekrümmten Abschnitts 60a2. Die zweite Kante Ed2 befindet sich auf der zweiten geneigten Oberfläche SL2 des gekrümmten Abschnitts 60a2. Der Abstand von der Bodenfläche 60b des Trägerelements 60 zur ersten Kante Ed1 und der Abstand von der Bodenfläche 60b des Trägerelements 60 zur zweiten Kante Ed2 können gleich oder unterschiedlich sein.
In einem gegebenen Querschnitt S, der die freie Schicht 34 schneidet und senkrecht zur Längsrichtung der ersten Oberfläche 34a (Richtung parallel zur X Richtung) verläuft, sind sowohl der Neigungswinkel θ1 an der ersten Kante Ed1 als auch der Neigungswinkel Θ2 an der zweiten Kante Ed2 größer als der Neigungswinkel θp an einem vorbestimmten Punkt P. In der vorliegenden Ausführungsform bezieht sich der vorbestimmte Punkt P auf einen Punkt auf der ersten Oberfläche 34a, an dem der Neigungswinkel θ am kleinsten ist. Insbesondere ist in der vorliegenden Ausführungsform der Neigungswinkel θ am vorbestimmten Punkt P gleich 0. Im gegebenen Querschnitt S nimmt der Neigungswinkel θ vom vorbestimmten Punkt P zur ersten Kante Ed1 hin zu und vom vorbestimmten Punkt P zur zweiten Kante Ed2 hin zu.
In dem gegebenen Querschnitt S sind sowohl die Dicke T1 an der ersten Kante Ed1 als auch die Dicke T2 an der zweiten Kante Ed2 kleiner als die Dicke Tp an dem vorbestimmten Punkt P. In dem gegebenen Querschnitt S nimmt die Dicke T von dem vorbestimmten Punkt P in Richtung der ersten Kante Ed1 und von dem vorbestimmten Punkt P in Richtung der zweiten Kante Ed2 ab.
Wie bei der ersten Ausführungsform wird ein Winkel, den die gegenüberliegende Fläche 60a mit der Bezugsebene (Bodenfläche 60b des Trägerelements 60) in einem gegebenen Querschnitt S bildet, mit dem Symbol Φ bezeichnet. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Winkel Φ an der Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche 60a, die der zweiten Kante Ed2 am nächsten ist, größer als der Winkel Φ an der Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche 60a, die dem vorbestimmten Punkt P am nächsten ist. Der Winkel Φ nimmt von der Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche 60a, die dem vorbestimmten Punkt P am nächsten ist, in Richtung der Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche 60a, die der ersten Kante Ed1 am nächsten ist, zu und nimmt von der Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche 60a, die dem vorbestimmten Punkt P am nächsten ist, in Richtung der Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche 60a, die der zweiten Kante Ed2 am nächsten ist, zu.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Dicke T2 an der zweiten Kante Ed2 geringer als bei der ersten Ausführungsform, bei der sich die zweite Kante Ed2 in der Nähe der Oberseite des gekrümmten Abschnitts 60a2 befindet. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann dadurch die Konzentration magnetischer Ladungen an dem Abschnitt der äußeren Umfangsfläche der freien Schicht 34 in der Nähe der zweiten Kante Ed2 verringert werden. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann die Magnetisierung der freien Schicht 34 somit effektiver daran gehindert werden, sich nichtlinear in Bezug auf eine Änderung der Stärke des externen Magnetfelds zu ändern. Infolgedessen kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Bereich, in dem sich die vom Magnetsensor 101 erzeugten Detektionssignale linear ändern, erweitert werden.
Der Aufbau, die Funktionsweise und die Auswirkungen der vorliegenden Ausführungsform sind ansonsten die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.
[Dritte Ausführungsform]
Eine dritte Ausführungsform der Erfindung wird nun beschrieben. Zunächst wird eine Konfiguration eines Magnetsensors gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf 19 beschrieben. 19 ist eine Querschnittsansicht, die einen Teil des Magnetsensors gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
Eine Konfiguration des Magnetsensors 301 gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von der des Magnetsensors 1 gemäß der ersten Ausführungsform in folgender Hinsicht. Der Magnetsensor 301 gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst MR-Elemente 330 anstelle der MR-Elemente 30 gemäß der ersten Ausführungsform. 19 zeigt einen Querschnitt parallel zur YZ Ebene, der ein MR-Element 330 durchschneidet.
Die gegenüberliegende Oberfläche 60a des Trägerelements 60 enthält zumindest einen gekrümmten Abschnitt 60a3, der nicht parallel zur Bodenfläche 60b des Trägerelements 60 verläuft, anstelle des gekrümmten Abschnitts 60a2 gemäß der ersten Ausführungsform. Wie in 19 gezeigt, ist der gekrümmte Abschnitt 60a3 eine konkave Fläche, die in Richtung der Bodenfläche 60b zurückgesetzt ist. Der gekrümmte Abschnitt 60a3 hat eine gekrümmte Form (Bogenform), die so gekrümmt ist, dass sie in einem gegebenen Querschnitt parallel zur YZ Ebene in Richtung der Bodenfläche 60b (-Z-Richtung) vertieft ist. In dem gegebenen Querschnitt parallel zur YZ Ebene ist der Abstand von der Bodenfläche 60b zu dem gekrümmten Abschnitt 60a3 im Zentrum des gekrümmten Abschnitts 60a3 in einer Richtung parallel zur Y Richtung am kleinsten (im Folgenden einfach als Zentrum des gekrümmten Abschnitts 60a3 bezeichnet).
Der zumindest eine gekrümmte Abschnitt 60a3 erstreckt sich entlang der X Richtung. Die Gesamtform des zumindest einen gekrümmten Abschnitts 60a3 ist eine halbzylindrische Oberfläche, die durch Verschieben der in 19 gezeigten gekrümmten Form entlang der X Richtung gebildet wird. Die Isolierschicht 62 des Trägerelements 60 hat eine solche Querschnittsform, dass der gekrümmte Abschnitt 60a3 in der gegenüberliegenden Oberfläche 60a ausgebildet ist. Insbesondere hat die Isolierschicht 62 eine in -Z Richtung vertiefte Querschnittsform in einem gegebenen Querschnitt parallel zur YZ Ebene.
Ein Abschnitt des gekrümmten Abschnitts 60a3 von einer Kante am Ende des gekrümmten Abschnitts 60a3 in Y Richtung bis zur Mitte des gekrümmten Abschnitts 60a3 wird als eine erste geneigte Oberfläche bezeichnet und mit dem Bezugszeichen SL11 gekennzeichnet. Ein Abschnitt des gekrümmten Abschnitts 60a3 von einer Kante am Ende des gekrümmten Abschnitts 60a3 in -Y-Richtung bis zur Mitte des gekrümmten Abschnitts 60a3 wird als zweite geneigte Oberfläche bezeichnet und mit dem Bezugszeichen SL12 bezeichnet. Sowohl die erste als auch die zweite geneigte Oberfläche SL11 und SL12 sind gegenüber der Bezugsebene, d. h. der Bodenfläche 60b, geneigt. In der vorliegenden Ausführungsform ist das gesamte MR-Element 330 auf der ersten geneigten Oberfläche SL11 oder der zweiten geneigten Oberfläche SL12 angeordnet. 19 zeigt, wie das MR-Element 30 auf der ersten geneigten Oberfläche SL11 angeordnet ist.
Das MR-Element 330 hat eine in X Richtung langgestreckte Form. Das MR-Element 330 hat eine rechteckige, ebene Form.
Das MR-Element 330 kann ein Spin-Ventil-MR-Element oder ein AMR-Element sein. Im Folgenden wird der Fall beschrieben, dass das MR-Element 330 ein Spin-Ventil-MR-Element ist. Wie das in 6 gezeigte MR-Element 30 gemäß der ersten Ausführungsform umfasst das MR-Element 330 eine Unterschicht 31, eine magnetisierte Schicht 32, eine Abstandsschicht 33, eine freie Schicht 34 und eine Deckschicht 35. Die freie Schicht 34 weist eine magnetische Formanisotropie auf, bei der die Richtung der leichten Magnetisierungsachse parallel zur X Richtung angeordnet ist.
Im Folgenden wird das MR-Element 330 unter Bezugnahme auf näher beschrieben. 20 ist ein erklärendes Diagramm zur Beschreibung der Form der freien Schicht 34. 20 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des in 19 gezeigten Querschnitts. In 20 sind die Unterschicht 31 und die Deckschicht 35 des MR-Elements 330 weggelassen.
Wie in der ersten Ausführungsform beschrieben, hat die freie Schicht 34 eine erste Oberfläche 34a, eine zweite Oberfläche 34b und eine äußere Umfangsfläche. Die erste Oberfläche 34a hat eine erste Kante Ed1 und eine zweite Kante Ed2, die sich an beiden seitlichen Enden der ersten Oberfläche 34a befinden. In der vorliegenden Ausführungsform befinden sich sowohl die erste als auch die zweite Kante Ed1 und Ed2 oberhalb der ersten geneigten Oberfläche SL11 des gekrümmten Abschnitts 60a3 oder sowohl die erste als auch die zweite Kante Ed1 und Ed2 befinden sich oberhalb der zweiten geneigten Oberfläche SL12 des gekrümmten Abschnitts 60a3. Der Abstand von der Bodenfläche 60b des Trägerelements 60 zur ersten Kante Ed1 ist größer als der Abstand von der Bodenfläche 60b des Trägerelements 60 zur zweiten Kante Ed2.
Die Beziehung zwischen dem Neigungswinkel θ1 an der ersten Kante Ed1, dem Neigungswinkel Θ2 an der zweiten Kante Ed2 und dem Neigungswinkel θp an dem vorbestimmten Punkt P in einem gegebenen Querschnitt S, der die freie Schicht 34 schneidet und senkrecht zur Längsrichtung der ersten Oberfläche 34a (Richtung parallel zur X Richtung) verläuft, ist die gleiche wie bei der ersten Ausführungsform. Die Beziehung zwischen der Dicke T1 an der ersten Kante Ed1, der Dicke T2 an der zweiten Kante Ed2 und der Dicke Tp an dem vorbestimmten Punkt P in dem gegebenen Querschnitt S ist ebenfalls die gleiche wie bei der ersten Ausführungsform. Der Einfachheit halber wird eine imaginäre Oberfläche angenommen, indem sich die zweite Oberfläche 34b entlang des gekrümmten Abschnitts 60a3 erstreckt, und die Dicke T1 ist definiert als der Abstand zwischen der ersten Oberfläche 34a und der imaginären Oberfläche in der Richtung senkrecht zur ersten Oberfläche 34a.
Wie das MR-Element 130 gemäß der zweiten Ausführungsform kann das MR-Element 330 quer über der ersten geneigten Oberfläche SL11 und der zweiten geneigten Oberfläche SL12 angeordnet sein. Der Aufbau, die Funktionsweise und die Auswirkungen der vorliegenden Ausführungsform sind ansonsten die gleichen wie bei der ersten oder zweiten Ausführungsform.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorgenannten Ausführungsformen beschränkt, und es können verschiedene Modifikationen daran vorgenommen werden. Zum Beispiel sind die Anzahl und Anordnung der MR-Elemente und die Anzahl und Anordnung der gekrümmten Abschnitte nicht auf die in den Ausführungsbeispielen beschriebenen beschränkt und können frei gewählt werden, solange die in den Ansprüchen dargelegten Anforderungen erfüllt sind.
Die MR-Elemente gemäß der vorliegenden Erfindung können auf einer ebenen Fläche parallel zur Bezugsebene angeordnet sein, solange die Bedingung erfüllt ist, dass die Dicke T1 an der ersten Kante Ed1 kleiner ist als die Dicke Tp an einem vorgegebenen Punkt P in einem gegebenen Querschnitt S. Das MR-Element, das die freie Schicht 34 mit einer solchen Dicke T enthält, kann beispielsweise durch eine sogenannte Keilabscheidung realisiert werden, die eine schräge Schichtdicke bilden kann.
Offensichtlich sind verschiedene Modifikationsbeispiele und Variationen der vorliegenden Erfindung im Lichte der obigen Lehren möglich. So ist es zu verstehen, dass im Rahmen der beigefügten Ansprüche und Äquivalente davon, die Erfindung in anderen Ausführungsformen als in den vorstehenden Ausführungsformen ausgeführt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2008/0169807 A1 [0005]

Claims

Magnetsensor (1; 101; 301) mit einem magnetoresistiven Element (30; 130; 330), dessen Widerstand sich mit einem äußeren Magnetfeld ändert, wobei: das magnetoresistive Element (30; 130; 330) eine magnetische Schicht (34) mit einer Magnetisierung aufweist, deren Richtung in Abhängigkeit von dem äußeren Magnetfeld variabel ist; die magnetische Schicht (34) eine erste Oberfläche (34a) mit einer Form, die in einer Richtung langgestreckt ist, und eine zweite Oberfläche (34b) aufweist, die der ersten Oberfläche (34a) gegenüberliegt, und eine Dicke aufweist, die eine Abmessung in einer Richtung senkrecht zur ersten Oberfläche (34a) der magnetischen Schicht (34) ist; die erste Oberfläche (34a) eine erste Kante (Ed1) und eine zweite Kante (Ed2) aufweist, die an beiden seitlichen Enden der ersten Oberfläche (34a) angeordnet sind; und in einem gegebenen Querschnitt, der die magnetische Schicht (34) schneidet und senkrecht zu einer Längsrichtung der ersten Oberfläche (34a) verläuft, die Dicke (T1) an der ersten Kante (Ed1) kleiner ist als die Dicke (Tp) an einem vorbestimmten Punkt (P) auf der ersten Oberfläche (34a) zwischen der ersten Kante (Ed1) und der zweiten Kante (Ed2).
Magnetsensor (1; 301) nach Anspruch 1, wobei in dem gegebenen Querschnitt die Dicke (T2) an der zweiten Kante (Ed2) größer ist als die Dicke (Tp) an dem vorbestimmten Punkt (P).
Magnetsensor (1; 301) nach Anspruch 2, wobei in dem gegebenen Querschnitt die Dicke von der zweiten Kante (Ed2) zur ersten Kante (Ed1) hin abnimmt.
Magnetsensor (101) nach Anspruch 1, wobei in dem gegebenen Querschnitt die Dicke (T2) an der zweiten Kante (Ed2) kleiner ist als die Dicke (Tp) an dem vorbestimmten Punkt (P).
Magnetsensor (101) nach Anspruch 4, wobei in dem gegebenen Querschnitt die Dicke in Richtung der ersten Kante (Ed1) von dem vorbestimmten Punkt (P) aus abnimmt und in Richtung der zweiten Kante (Ed2) von dem vorbestimmten Punkt (P) aus abnimmt.
Magnetsensor (1; 101; 301) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend ein Trägerelement (60), das das magnetoresistive Element (30; 130; 330) trägt, wobei: das Trägerelement (60) eine dem magnetoresistiven Element (30; 130; 330) gegenüberliegende Oberfläche (60a) aufweist; die gegenüberliegende Oberfläche (60a) zumindest teilweise relativ zu einer Bezugsebene (60b) geneigt ist; und die Dicke an einer gegebenen Position auf der ersten Oberfläche (34a) abnimmt, wenn der Winkel zunimmt, den die gegenüberliegende Oberfläche (60a) mit der Bezugsebene (60b) an einer Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche (60a) bildet, die der gegebenen Position am nächsten liegt.
Der Magnetsensor (1; 101; 301) nach Anspruch 6, wobei: die gegenüberliegende Oberfläche (60a) einen gekrümmten Abschnitt (60a2, 60a3) aufweist, der nicht parallel zur Bezugsebene (60b) verläuft; und zumindest ein Teil des magnetoresistiven Elements (30; 130; 330) auf dem gekrümmten Abschnitt (60a2, 60a3) angeordnet ist.
Magnetsensor (1; 101; 301) nach Anspruch 7, wobei zumindest eine der ersten und zweiten Kanten (Ed1, Ed2) oberhalb des gekrümmten Abschnitts (60a2, 60a3) angeordnet ist.
Magnetsensor (1; 101; 301) mit einem magnetoresistiven Element (30; 130; 330), dessen Widerstand sich mit einem äußeren Magnetfeld ändert, wobei: das magnetoresistive Element (30; 130; 330) eine magnetische Schicht (34) mit einer Magnetisierung aufweist, deren Richtung in Abhängigkeit von dem äußeren Magnetfeld variabel ist; die magnetische Schicht (34) eine erste Oberfläche (34a) mit einer Form, die in einer Richtung langgestreckt ist, und eine zweite Oberfläche (34b) aufweist, die der ersten Oberfläche (34a) gegenüberliegt; die erste Oberfläche (34a) eine erste Kante (Ed1) und eine zweite Kante (Ed2) aufweist, die an beiden seitlichen Enden der ersten Oberfläche (34a) angeordnet sind; zumindest ein Teil der ersten Oberfläche (34a) relativ zu einer Bezugsebene (60b) geneigt ist, so dass ein Neigungswinkel größer als 0 ist, wobei der Neigungswinkel ein Winkel ist, den die erste Oberfläche (34a) mit der Bezugsebene (60b) bildet; und in einem gegebenen Querschnitt, der die magnetische Schicht (34) schneidet und senkrecht zu einer Längsrichtung der ersten Oberfläche (34a) verläuft, der Neigungswinkel (θ1) an der ersten Kante (Ed1) größer ist als der Neigungswinkel (θp) an einem vorbestimmten Punkt (P) auf der ersten Oberfläche (34a) zwischen der ersten Kante (Ed1) und der zweiten Kante (Ed2).
Magnetsensor (1; 301) nach Anspruch 9, wobei in dem gegebenen Querschnitt der Neigungswinkel (θ2) an der zweiten Kante (Ed2) kleiner ist als der Neigungswinkel (θp) an dem vorbestimmten Punkt (P).
Magnetsensor (1; 301) nach Anspruch 10, wobei in dem gegebenen Querschnitt der Neigungswinkel von der zweiten Kante (Ed2) zur ersten Kante (Ed1) hin zunimmt.
Magnetsensor (101) nach Anspruch 9, wobei in dem gegebenen Querschnitt der Neigungswinkel (θ2) an der zweiten Kante (Ed2) größer ist als der Neigungswinkel (θp) an dem vorbestimmten Punkt (P).
Magnetsensor (101) nach Anspruch 12, wobei in dem gegebenen Querschnitt der Neigungswinkel in Richtung der ersten Kante (Ed1) von dem vorbestimmten Punkt (P) aus zunimmt und in Richtung der zweiten Kante (Ed2) von dem vorbestimmten Punkt (P) aus zunimmt.
Magnetsensor (1; 101; 301) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei: die magnetische Schicht (34) eine Dicke aufweist, die eine Abmessung in einer Richtung senkrecht zu der ersten Oberfläche (34a) der magnetischen Schicht (34) ist; und die Dicke mit zunehmendem Neigungswinkel abnimmt.
Magnetsensor (1; 101; 301) nach Anspruch 14, ferner umfassend ein Trägerelement (60), das das magnetoresistive Element (30; 130; 330) trägt, wobei: das Trägerelement (60) eine dem magnetoresistiven Element (30; 130; 330) gegenüberliegende Oberfläche (60a) aufweist; die gegenüberliegende Oberfläche (60a) zumindest teilweise relativ zu einer Bezugsebene (60b) geneigt ist; und die Dicke an einer gegebenen Position auf der ersten Oberfläche (34a) abnimmt, wenn der Winkel zunimmt, den die gegenüberliegende Oberfläche (60a) mit der Bezugsebene (60b) an einer Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche (60a) bildet, die der gegebenen Position am nächsten liegt.
Magnetsensor (1; 101; 301) nach Anspruch 15, wobei: die gegenüberliegende Oberfläche (60a) einen gekrümmten Abschnitt (60a2, 60a3) aufweist, der nicht parallel zur Bezugsebene (60b) verläuft; und zumindest ein Teil des magnetoresistiven Elements (30; 130; 330) auf dem gekrümmten Abschnitt (60a2, 60a3) angeordnet ist.
Magnetsensor (1; 101; 301) nach Anspruch 16, wobei zumindest eine der ersten und zweiten Kanten (Ed1, Ed2) oberhalb des gekrümmten Abschnitts (60a2, 60a3) angeordnet ist.
Magnetsensor (1; 101; 301) mit einem magnetoresistiven Element (30; 130; 330), dessen Widerstand sich mit einem externen Magnetfeld ändert, und einem Trägerelement (60), das das magnetoresistive Element (30; 130; 330) trägt, wobei: das magnetoresistive Element (30; 130; 330) eine magnetische Schicht (34) mit einer Magnetisierung aufweist, deren Richtung in Abhängigkeit von dem äußeren Magnetfeld variabel ist; die magnetische Schicht (34) eine erste Oberfläche (34a) mit einer Form, die in einer Richtung langgestreckt ist, und eine zweite Oberfläche (34b) aufweist, die der ersten Oberfläche (34a) gegenüberliegt; die erste Oberfläche (34a) eine erste Kante (Ed1) und eine zweite Kante (Ed2) aufweist, die an beiden seitlichen Enden der ersten Oberfläche (34a) angeordnet sind; das Trägerelement (60) eine dem magnetoresistiven Element (30; 130; 330) gegenüberliegende Oberfläche (60a) aufweist; zumindest ein Teil der gegenüberliegenden Oberfläche (60a) relativ zu einer Bezugsebene (60b) geneigt ist; und ein Winkel, den die gegenüberliegende Oberfläche (60a) mit der Bezugsebene (60b) in einem gegebenen Querschnitt bildet, der die magnetische Schicht (34) schneidet und senkrecht zu einer Längsrichtung der ersten Oberfläche (34a) angeordnet ist, an einer ersten Position, die eine Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche (60a) ist und der ersten Kante (Ed1) am nächsten ist, größer ist als an einer Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche (60a), die einem vorbestimmten Punkt (P) auf der ersten Oberfläche (34a) zwischen der ersten Kante (Ed1) und der zweiten Kante (Ed2) am nächsten ist.
Magnetsensor (1; 301) nach Anspruch 18, wobei der Winkel (ϕ2) an einer zweiten Position, die eine Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche (60a) ist, die der zweiten Kante (Ed2) am nächsten ist, kleiner ist als der Winkel (ϕp) an der Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche (60a), die dem vorbestimmten Punkt (P) am nächsten ist.
Magnetsensor (1; 301) nach Anspruch 19, wobei der Winkel von der zweiten Position aus in Richtung der ersten Position zunimmt.
Magnetsensor (101) nach Anspruch 18, wobei der Winkel (ϕ2) an einer zweiten Position, die eine Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche (60a) ist, die der zweiten Kante (Ed2) am nächsten ist, größer ist als der Winkel (ϕp) an der Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche (60a), die dem vorbestimmten Punkt (P) am nächsten ist.
Magnetsensor (101) nach Anspruch 21, wobei der Winkel von der Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche (60a), die dem vorbestimmten Punkt (P) am nächsten ist, in Richtung der ersten Position zunimmt und von der Position auf der gegenüberliegenden Oberfläche (60a), die dem vorbestimmten Punkt (P) am nächsten ist, in Richtung der zweiten Position zunimmt.
Magnetsensor (1; 101; 301) nach einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei: die magnetische Schicht (34) eine Dicke aufweist, die eine Abmessung in einer Richtung senkrecht zur gegenüberliegenden Oberfläche (60a) ist; und die Dicke an einer bestimmten Stelle der ersten Oberfläche (34a) abnimmt, wenn der Winkel an einer Stelle der gegenüberliegenden Oberfläche (60a), die der bestimmten Stelle am nächsten liegt, zunimmt.
Magnetsensor (1; 101; 301) nach einem der Ansprüche 18 bis 23, wobei: die gegenüberliegende Oberfläche (60a) einen gekrümmten Abschnitt (60a2, 60a3) aufweist, der nicht parallel zur Bezugsebene (60b) verläuft; und zumindest ein Teil des magnetoresistiven Elements (30; 130; 330) auf dem gekrümmten Abschnitt (60a2, 60a3) angeordnet ist.
Magnetsensor (1; 101; 301) nach Anspruch 24, wobei zumindest eine der ersten und zweiten Kanten (Ed1, Ed2) oberhalb des gekrümmten Abschnitts (60a2, 60a3) angeordnet ist.