DE10203466A1 - GMR-Sensoranordnung und synthetischer Anti-Ferromagnet dafür - Google Patents
GMR-Sensoranordnung und synthetischer Anti-Ferromagnet dafürInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine GMR- Sensoranordnung mit einer GMR-Schichtung, welche eine ferromagnetische Schicht mit leicht drehbarer Magnetisierungsausrichtung - die free layer -, eine ferromagnetische Schicht mit einer festen magnetischen Ausrichtung - die pinned layer - und eine dazwischen liegende nicht magnetische Zwischenschicht umfaßt, wobei die pinned layer gleichzeitig die erste ferromagnetische Schicht eines synthetischen Anti-Ferromagnets bildet, der weiterhin eine zweite ferromagnetische Schicht und eine dazwischen liegende Zwischenschicht aufweist.
- Magnetische Schichtsysteme mit anti-ferromagnetischer Zwischenschichtkopplung, die auch als synthetische Anti- Ferromagnete (SAF) bezeichnet werden, finden Verwendung in Magnetfeldsensoren, die auf dem Prinzip des sogenannten Riesenmagnetowiderstands (giant magneto resistance - GMR) beruhen.
- In Fig. 1a ist ein bekannter GMR-Sensor 1 der zuvor beschriebenen Art dargestellt, der zur Kontrolle von Drehbewegungen eines Objektes eingesetzt werden kann. Dieser GMR-Sensor umfaßt eine GMR-Schichtung 2 mit einer ferromagnetischen Schicht mit leicht drehbarer Magnetisierungsausrichtung - die free layer 3 -, einer ferromagnetischen Schicht mit einer festen magnetischen Ausrichtung - die pinned layer 4 - und einer dazwischen liegenden nicht magnetischen Zwischenschicht 5. Die pinned layer 4 bildet dabei gleichzeitig die erste ferromagnetische Schicht eines synthetischen Anti-Ferromagneten 6, der weiterhin eine zweite ferromagnetische Schicht 8 und eine zwischen den Schichten 4, 8 angeordnete Zwischenschicht 7 aufweist. Ergänzt wird die Anordnung durch einen natürlichen Anti-Ferromagneten (NAF), der als Substrat 9 dient.
- Ein Permanentmagnet 10, der mit dem sich drehenden Objekt starr verbunden ist, überträgt die Drehbewegung dieses Objekts auf die Magnetisierung Mfree der ferromagnetischen Schicht 3 (free layer) der GMR-Schichtung 3, 4, 5, wobei sich der elektrische Widerstand ändert, wenn sich die Magnetisierung Mfree relativ zur Magnetisierung Mpinned der ferromagnetischen Schicht mit fester magnetischer Ausrichtung (pinned layer) 4 dreht und erzeugt so das in Fig. 1b gezeigte GMR-Signal.
- Bei diesen bekannten GMR-Sensoranordnungen besteht der synthetische Anti-Ferromagnet aus rein metallischen Schichtungen. Dies bringt den Nachteil mit sich, daß über den synthetischen Anti-Ferromagneten ein Nebenschluß, auch Shunting-Effekt genannt, erfolgt, durch welchen das GMR-Signal abgeschwächt wird, weil der Strom durch den SAF nicht zum GMR-Signal beiträgt.
- Aufgabe der Erfindung ist es, eine GMR-Sensoranordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, durch welche Abschwächungen des GMR-Signals vermieden, zumindest aber verringert werden. Des weiteren soll ein synthetischer Anti-Ferromagnet (SAF) für eine solche GMR- Sensoranordnung angegeben werden.
- Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zwischenschicht des synthetischen Anti-Ferromagneten aus einem elektrisch isolierenden bzw. hochohmigen Material besteht. Die Erfindung beruht damit auf der Überlegung, die anti-ferromagnetische Zwischenschichtkopplung in dem SAF durch ein elektrisch isolierendes Material vorzunehmen. Durch die elektrische Isolierung kann der Nachteil eines Shunting-Effekts bei geeigneter Kontaktierung wirksam vermieden werden. Des weiteren erlaubt die isolierende Zwischenschicht die Verwendung von metallischen Substraten oder alternativ die Verwendung von Substraten, die durch einen natürlichen Anti-Ferromagneten (NAF) aus Metall gebildet sind. Dies bringt enorme Vorteile mit sich. In der Vergangenheit hat sich nämlich immer wieder gezeigt, daß Schichtungen sehr hoher Qualität im Sinn eines möglichst ungestörten Kristallgitters nur auf metallischen Substraten erzeugen werden können. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird somit die Voraussetzung für ein ungestörtes Kristallgitter geschaffen, so daß Abschwächungen des GMR-Signals, welche durch Störungen im Kristallgitter bewirkt werden, gering gehalten werden.
- Der Begriff elektrisch isolierend ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung so zu verstehen, daß das Material der Zwischenschicht so hochohmig ist, daß es die in der GMR-Schichtung fließenden, vergleichsweise geringen Ströme nicht durchläßt. Beispielsweise können Halbleitermaterialien wie Silicium für die anti-ferromagnetische Zwischenschichten eingesetzt werden. Es hat sich gezeigt, daß das Silicium-Material die geforderten Isolationseigenschaften bei gleichzeitiger anti-ferromagnetischer Zwischenschichtkopplung bietet. Im Falle von Silicium besitzt die Zwischenschicht vorzugsweise eine Schichtdicke von 0,4 bis 1,5 nm.
- Trotz der guten elektrisch isolierenden Wirkungen des Siliciums ist der Widerstand über die Zwischenschicht endlich und umgekehrt proportional zur Fläche. Daher ist es günstig, die Fläche möglichst klein zu halten. Dies ist auch erwünscht im Sinn einer Miniaturisierung von GMR- Sensoren.
- Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der synthetische Anti-Ferromagnet in Form eines Multischichtsystems mit einer Vielzahl von ferromagnetischen Schichten und dazwischen angeordneten anti-ferromagnetischen Zwischenschichten aus elektrisch isolierendem Material aufgebaut ist. Durch ein solches Multischichtsystem wird die isolierende Wirkung des synthetischen Anti-Ferromagneten weiter verstärkt.
- Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung wird auf die Unteransprüche sowie die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt.
- Fig. 1a eine GMR-Sensoranordnung nach dem Stand der Technik in perspektivischer Ansicht,
- Fig. 1b ein Diagramm, das den Verlauf eines GMR-Signals in Abhängigkeit von dem Winkel der Magnetisierung der free layer gegenüber der Magnetisierung der pinned layer der GMR-Schichtung von der Sensoranordnung gemäß der Fig. 1a zeigt, und
- Fig. 2 eine GMR-Sensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Ansicht.
- In der Fig. 2 ist eine GMR-Sensoranordnung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Diese GMR-Sensoranordnung 1 umfaßt eine GMR-Schichtung 2, die von oben nach unten eine ferromagnetische Schicht mit leicht drehbarer Magnetisierungsausrichtung (free layer) 3, eine Zwischenschicht 5 und eine ferromagnetische Schicht mit einer festen magnetischen Ausrichtung (pinned layer) 4 umfaßt. Die pinned layer bildet dabei gleichzeitig die erste ferromagnetische Schicht eines synthetischen Anti- Ferromagneten (SAF) 6, der weiterhin eine zweite ferromagnetische Schicht 8 und eine zwischen den ferromagnetischen Schichten 4, 8 angeordnete Zwischenschicht 7 aufweist. Die Anordnung aus GMR-Schichtung 2 und SAF 6 ist auf einem Substrat 9 angeordnet, welches aus Metall oder einem metallischen natürlich Anti-Ferromagnet (NAF) besteht.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht die antiferromagnetische Zwischenschicht 7 des SAF 6 aus einem Halbleitermaterial, hier einem Siliciummaterial und besitzt eine Schichtdicke von 0,4 bis 1,5 nm. Dieses Siliciummaterial ist in Bezug auf die Ströme I, welche über die Kontakte 11 an der free layer 3 in der GMR- Sensoranordnung 1 fließen, elektrisch isolierend und bietet gleichzeitig die erforderlichen Eigenschaften einer anti-ferromagnetischen Zwischenschichtkopplung. Die Kopplung kann dabei Werte bis zu etwa 5 mJ/m2 betragen. Angesichts der Tatsache, daß massives Silicium ein Halbleiter ist, ist die nachgewiesene isolierende Wirkung der Si- Zwischenschichten erstaunlich hoch. Es wird auf die Ausbildung von Schottky-Barrieren zurückgeführt.
Claims (13)
1. GMR-Sensoranordnung mit einer GMR-Schichtung (2),
welche eine ferromagnetische Schicht mit leicht
drehbarer Magnetisierungsausrichtung - die free
layer (3) -, eine ferromagnetische Schicht mit einer
festen magnetischen Ausrichtung - die pinned layer
(4) - und eine dazwischen liegende nicht magnetische
Zwischenschicht (5) umfaßt, wobei die pinned layer
(4) gleichzeitig die erste ferromagnetische Schicht
eines synthetischen Anti-Ferromagnets (6) bildet,
der weiterhin eine zweite ferromagnetische Schicht
(8) und eine dazwischen liegende Zwischenschicht (7)
aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zwischenschicht (7) des synthetischen Anti-Ferromagnets (6)
aus einem elektrisch isolierenden bzw. hochohmigen
Material besteht.
2. GMR-Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (7) aus einem
Halbleitermaterial besteht.
3. GMR-Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (7) aus Silizium
besteht.
4. GMR-Sensoranordnung nach einem der vorherigen
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zwischenschicht (7) eine Schichtdicke von 0,4 bis 1,5 nm
(4-15 Å) besitzt.
5. GMR-Sensoranordnung nach einem der vorherigen
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
synthetische Anti-Ferromagnet (5) in Form eines
Multischichtsystems mit einer Vielzahl von
ferromagnetischen Schichten und dazwischen angeordneten
Zwischenschichten aus elektrisch isolierendem bzw.
hochohmigem Material aufgebaut ist.
6. GMR-Sensoranordnung nach einem der vorherigen
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
synthetische Anti-Ferromagnet (6) auf einem metallischen
Substrat (9) vorgesehen ist.
7. GMR-Sensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das Substrat (9) durch einen
natürlichen Anti-Ferromagneten (NAF) gebildet wird.
8. Synthetischer Anti-Ferromagnet (SAF) mit einer
ersten ferromagnetischen Schicht (4), einer zweiten
ferromagnetischen Schicht (8) und einer dazwischen
angeordneten Zwischenschicht (7), dadurch
gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (7) aus einem
elektrisch isolierenden bzw. hochohmigen Material
besteht.
9. Synthetischer Anti-Ferromagnet nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (7)
aus einem Halbleitermaterial besteht.
10. Synthetischer Anti-Ferromagnet nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (7)
aus Si besteht.
11. Synthetischer Anti-Ferromagnet nach einem der
Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zwischenschicht eine Schichtdicke von 0,4 bis 1,5 nm
besitzt.
12. Synthetischer Anti-Ferromagnet nach einem der
Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß
wenigstens eine ferromagnetische Schicht (4, 8) aus Fe
besteht.
13. Synthetischer Anti-Ferromagnet nach einem der
Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß er in
Form eines Multischichtsystems mit einer Vielzahl
von ferromagnetischen Schichten und dazwischen
angeordneten Zwischenschichten aus einem elektrisch
isolierendem bzw. hochohmigem Material aufgebaut ist.
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K.-M.H. Lenssen et al.: "Robust giant magneto- resistance sensors" in "Eurosensor XIII" - "The 13·th· European Cpnference on Solid-State Trans- ducers", September 12-15, 1999, The Hague, The Netherlands, 15B1 - Magnetic-Field Sensors, pp. 589-596 * |
Also Published As
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