DE10214946A1

DE10214946A1 - TMR-Sensor

Info

Publication number: DE10214946A1
Application number: DE10214946A
Authority: DE
Inventors: Eckhard Quandt; Markus Loehndorf; Alfred Ludwig; Manfred Ruehrig; Joachim Wecker
Original assignee: Siemens AG; Stiftung Caesar Center of Advanced European Studies and Research
Current assignee: Stiftung Caesar Center of Advanced European Studies and Research
Priority date: 2002-04-04
Filing date: 2002-04-04
Publication date: 2003-10-30
Anticipated expiration: 2022-04-05
Also published as: DE10214946B4; US7234360B2; US20040050172A1

Abstract

Sensor zur Messung mechanischer Längenänderung, insbesondere Druck- und/oder Spannungssensor, aufweisend ein Sandwich-System mit zwei flachen übereinanderliegenden Elektroden, die durch ein Tunnelelement (Tunnelbarriere), insbesondere durch eine Oxydbarriere, getrennt sind, wobei ein Stromfluß zwischen den Elektroden durch die Tunnelbarriere hindurch stattfindet, wobei die eine Elektrode von einer dehnungsempfindlichen magnetostriktiven Schicht 3 gebildet ist, in der die Beiträge der durch mechanische Spannung induzierter Anisotropien größer als die intrinsischen Anisotropien sind, und wobei sich bei Dehnung relative Widerstandsänderungen (DELTAR/R) des Systems über 10% bei Raumtemperatur einstellen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung mechanischer Längenänderung, insbesondere einen Druck- und/oder Spannungssensor, aufweisend ein Sandwich-System mit zwei flachen übereinanderliegenden Elektroden, die durch ein Tunnelelement (Tunnelbarriere), insbesondere durch eine Oxydbarriere mit Tunnelmagnetowiderstand (TMR), getrennt sind.

Magnetoresistive Sensoren basierend auf dem Prinzip des Riesenmagnetowiderstandseffektes (GMR) (P. Grünberg, R. Schreiber, Y. Pang, M. B. Brodsky, H. Sowers: Phys. Rev. Lett. 57, 2442 (1986) "Layered Magnetic Structures: Evidence for antiferromagnetic coupling of Fe-layers across Cr-interlayers) werden beispielsweise als Drehwinkelsensor oder als Lesekopf in Festplattenlaufwerken eingesetzt. Hierfür wird jedoch meist nur die sehr hohe Magnetfeldsensitivität verwendet. Außerdem gibt es Bemühungen, sogenannte TMR-Elemente (Tunnelmagnetoresistive) als nicht-flüchtige Magnetspeichermedien (MRAM, magnetic random access memory) zu verwenden. Im folgenden sollen die zugrunde liegenden Prinzipien kurz dargestellt werden. Ein herkömmlicher, nicht spannungssensitiver GMR-Sensor ist folgendermaßen aufgebaut:
Im einfachsten Fall werden zwei magnetische Schichten, z. B. aus Kobalt, durch eine nichtmagnetische Schicht, z. B. aus Kupfer, getrennt. Die magnetischen Schichten koppeln bei der richtigen Zwischenschichtdicke antiferromagnetisch, solange das äußere Magnetfeld null ist. Wird ein externes Magnetfeld angelegt, kommt es zur Drehung der Magnetisierungsrichtung der magnetisch weicheren Lage. In der Sättigung koppeln die beiden magnetischen Lagen parallel. Zwischen diesen beiden Zuständen existiert ein Unterschied im elektrischen Widerstand.

Diese relative Widerstandsänderung - verursacht durch eine Winkeländerung der Magnetisierungsrichtungen - wird durch die Beziehung

beschrieben, wobei

die maximale relative Widerstandsänderung für ein vorgegebenes Schichtsystem und α den Winkel zwischen den beiden Magnetisierungsrichtungen der beiden magnetischen Lagen bezeichnet.

Außerdem gibt es Schichtaufbauten, bei denen durch eine größere Dicke der Zwischenlage keine Kopplung zwischen den magnetischen Lagen besteht. Die untere Lage besteht aus einer hartmagnetischen Schicht mit einer uniaxialen Anisotropie, die antiparallel zur Orientierung der weichmagnetischen Schicht ausgerichtet ist. Dies wird in der Regel durch eine an einen künstlichen Antiferromagneten gekoppelte magnetische Schicht als untere Lage und eine weichmagnetische Schicht als obere Lage, die durch ein äußeres Magnetfeld gedreht werden kann, erreicht. Im Fall GMR werden sogenannte "Spin-valves" eingesetzt. Für diese Strukturen sind relative Widerstandänderung von ΔR/R 3% bis max. 5% bei Raumtemperatur gemessen worden. Wesentliche höhere Werte lassen sich für Multilagensysteme erzielen.

TMR Strukturen zeigen prinzipiell ein ähnliches Verhalten wie GMR-Bauelemente. Sie sind dadurch gekennzeichnet, dass die beiden magnetischen Elektroden statt durch eine metallische, nichtmagnetische Zwischenschicht durch ein dünne Oxidbarriere getrennt sind. Der Tunnelstrom über die Barriere hängt von der Ausrichtung der Magnetisierungen in den Elektroden ab, solange Spin-Flipp Streuung vermieden wird.

Isotrope Ferromagnete haben eine magnetoelastische Energiedichte für die gilt

wobei λ_s die Sättigungsmagnetostriktion und σ die äußere mechanische Spannung ist. Diese Energiedichte beschreibt die Wechselwirkung der magnetischen Momente mit inneren oder äußeren mechanischen Spannungen. Dabei wird mit θ der Winkel zwischen der Spannungsachse und der Magnetisierungsrichtung bezeichnet.

Für positiv magnetostriktive Materialien unter Zugspannungen bedeutet dies, dass sich die Momente in Richtung der Spannungsachse orientieren. Druckspannungen bewirken eine Orientierung senkrecht zur Spannungsachse. Für negativ magnetostriktive Materialien ist das Verhalten umgekehrt.

Das Verhältnis der magnetoelastischen Energie E_me zur Gesamtenergie E_tot wird durch den magnetomechanischen Kopplungskoeffizienten k₃₃ ausgedrückt. Dieser ist wie folgt definiert:

k₃₃ = E_me/E_tot

Die Dehnungsempfindlichkeiten

GF = (ΔR/R)/Δε (gauge factor)

bzw. die Verstärkungsfaktoren für auf Metallen basierenden Dehnungsmessstreifen liegen zwischen 2-4. Die für auf dotierten Silizium basierenden, sog. piezoresistiven, Sensoren liegen zwischen 80-180.

Es sind bereits eine Reihe von magnetoresistiven Sensoren unter Verwendung magnetostriktiver Materialien bekannt: So beschreibt die US 5,168,760 eine magnetische Viellagenschicht mit periodischer Abfolge von zwei verschiedenen Lagen, wobei eine der Lagen ferromagnetisch, die andere nicht ferromagnetisch ist. Die ferromagnetischen Lagen koppeln jeweils antiparallel. Durch Anlegen eines kleinen magnetischen Feldes wird die antiferromagnetische Kopplung der Lagenmomente leicht in Richtung einer ferromagnetischen Kopplung verändert. Werden jetzt magnetostriktive Schichten als ferromagnetische Lagen verwendet, so kann durch eine äußere mechanische Spannung eine weitere Drehung der magnetischen Momente hin zu einer ferromagnetischen Kopplung erfolgen, wodurch sich eine große Widerstandsänderung ergibt.

Außerdem ist ein zweielementiger Sensor auf der Basis des GMR-Effektes bekannt, um den Einfluss von mechanischer Spannung und magnetischem Feld auf das Sensorsignal zu trennen. Dabei wird in beiden Sensorelementen eine hartmagnetische Lage mit festgelegter Magnetisierungsrichtung, sowie - jeweils durch eine nichtmagnetische Lage getrennt - zwei weichmagnetische Schichten verwendet. Diese weichmagnetischen Schichten werden einem entgegengesetzt orientierten magnetischen Biasfeld der gleichen Stärke ausgesetzt. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, aus der Auswertung des Summen- und des Differenzsignals die oben genannte Trennung der Sensorsignale zu erreichen.

Weiterhin ist folgender Ansatz bekannt: Ein Sensor besteht aus einer gepinnten magnetischen Lage, einer nichtmagnetischen Lage und einer freien magnetostriktiven Schicht in einem Aufbau, der den hochmagnetoresistiven Effekt zeigt. Ausgenutzt wird, daß sich durch die Magnetostriktion die Permeabilität der freien magnetischen Lage ändert. Wird nun ein geeignetes magnetisches Biasfeld angelegt, so ergibt sich eine starke Änderung des elektrischen Widerstands auf Grund der mechanischen Spannung.

Die US 5,856,617 beschreibt den Einsatz einer GMR-Schichtstruktur zur Messung der Auslenkung eines AFM (atomic force microscope) Biegebalkens. Dabei hat die magnetisch freie Schicht des Schichtaufbaus eine nichtverschwindende Magnetostriktion. Das Dokument zeigt einen GMR-Schichtaufbau mit einer magnetostriktiven Schichtstruktur bestehend aus einem Trilayer aus Ni-Fe, Ni und Co sowie den Anwendungen als AFM-Sensor.

In einer weiteren Veröffentlichung wurde der Einfluss von amorphen CoFeNiSiB Schichten als magnetisch weiche Schicht in TMR-Elementen untersucht. Es handelt sich hierbei aber um eine nicht-magnetostriktive Legierung. Im Rahmen dieser Untersuchungen wurden TMR-Effekte von 12% beobachtet.

Aufgabe der Erfindung ist es nunmehr, einen Sensor für den Einsatz insbesondere im Bereich der präzisen Bestimmung mechanischer Größen zu schaffen. Ein solcher mechanischer Sensor sollte außerdem im Vergleich zu bekannten Dehnmessstreifen oder magnetoelastischen Sensoren einen möglichst miniaturisierten Aufbau ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch einen Sensor nach Anspruch 1 gelöst.

Der Grundgedanke dieses neuartigen Sensors liegt in einer besonderen Kombination von dünnen Schichten, die einen Tunnelmagnetowiderstandseffekt (TMR) zeigen, mit Schichten, die einen magnetoelastischen Effekt aufweisen. Das im vorgeschlagenen Sensor eingesetzte magnetoelastische Material hat vorteilhafter Weise einen möglichst hohen magnetomechanischen Kopplungskoeffizienten k₃₃, da dieser gleichbedeutend mit einer hohen Empfindlichkeit ist. Magnetoelastische Sensoren auf der Basis von amorphen Bändern oder dünnen Schichten erreichen Empfindlichkeiten von bis zu 2 × 10⁵.

Ein wesentlicher Vorteil ist die hohe Ortsauflösung des neuen Sensors. Gegenüber konkurrierenden Technologien, etwa Schichtverbunden mit Piezo- Effekt oder die oben genannten Prinzipien, zeichnen sich TMR-Strukturen durch ihre kleinen lateralen Abmessungen aus. Sie könnten damit Anwendungen ermöglichen, bei denen Sensorarrays eingesetzt werden müssen, die mit konkurrierenden Technologien nicht realisierbar sind, z. B. in der Biosensorik oder in der Datenspeicherung mit AFM-Spitzenarrays.

In diesem Sensor werden erfindungsgemäß einzelne magnetische Lagen der herkömmlichen TMR-Schichtsysteme durch spezielle Schichten mit magnetostriktiven Eigenschaften ersetzt. Notwendig ist dabei der Einsatz von hochmagnetostriktiven Materialien, die ebenfalls eine hohe Spinpolarisation aufweisen und somit neben einer hohen Dehnungsempfindlichkeit auch genügend hohe ΔR/R Werte von ca. 20-50% ermöglichen. Dabei haben sich CoFe-haltige Legierungen als hervorragend geeignet erwiesen. Somit wird die Messung mechanischer Größen ermöglicht, indem durch eine magneto-elastisch induzierte Änderung der Ausrichtung der magnetischen Momente in den Lagen, eine relative Widerstandsänderung im TMR-System erfolgt. Die Dehnungsempfindlichkeit sollte gegenüber den von herkömmlichen Metallen bzw. Dehnungsmessstreifen und den von Sensoren auf Halbleiterbasis durch unseren Ansatz übertroffen werden. Es zeigt sich, dass für typische Widerstandänderungen von TMR-Elementen und typischen Dehnungsbereichen für die Ummagnetisierung von magnetostriktiven Schichten bereits wesentlich höhere Empfindlichkeiten bzw. Verstärkungsfaktoren erzielt werden können. Dabei bestätigen experimentelle Untersuchungen die theoretischen Abschätzungen.

Die TMR-Sensoren bieten zusätzlich die Möglichkeit einer bedeutenden Verbesserung im Hinblick auf die Baugröße und damit Ortsauflösung von mechanischen Spannungssensoren, da TMR-Elemente mit Abmessungen von wenigen 100 Nanometern hergestellt werden können. Zur Kompensation von Störungen wie z. B. durch externe Magnetfelder oder Temperaturänderungen ist ein spezieller viellagiger Aufbau bzw. eine Brückenschaltung der Sensoren vorteilhaft.

Das Anwendungsfeld derartiger Sensoren liegt insbesondere im Bereich der präzisen Bestimmung mechanischer Größen. Aufgrund der durch die Dünnschichttechnologie erreichten kompakten Struktur der Sensoren können auch an Bauelementen bzw. Strukturen mit Abmessungen im Mikrometerbereich Messungen durchgeführt werden. Die Verwendung der erfindungsgemäßen TMR- Sensoren kann eine bedeutende Verbesserung im Hinblick auf Empfindlichkeit, Baugröße und damit Ortsauflösung des mechanischen Spannungssensor ergeben. Mindestens in einem Leistungsmerkmal (Empfindlichkeit oder Baugröße) weist der neue Sensor eine erhebliche Verbesserung im Vergleich zu den bestehenden Technologien auf.

Stichversuche haben gezeigt, daß es möglich ist, nach der Abscheidung der Barriere das Vakuum zu brechen und in einer anderen Prozesskammer die Gegenelektrode aufzubringen, ohne daß ein hoher Signalverlust eintritt. Für die Bestimmung des Tunnelstroms sind beim TMR-Sensor photolithographische Strukturierungsschritte zur Herstellung der unteren elektrischen Kontakte notwendig. Für TMR-Strukturen sind relative Widerstandänderungen ΔR/R von mehr als 40% beobachtet worden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit der Herstellung von TMR-Elementen mit Abmessungen im sub-µm Bereich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Fig. 1 bis 3 näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 die Schichtfolge eines Sensors,
Fig. 2 Abhängigkeiten des Widerstandes vom angelegten Magnetfeld und
Fig. 3 den Einfluss einer angelegten Druckspannung auf ein magnetisches Tunnelelement der Größe 20 µm × 20 µm mit magnetostriktiver amorpher (Fe₉₀Co₁₀)₇₈Si₁₂B₁₀ Schicht.
In Fig. 1 ist ein Magnetoelastischer TMR-Sensor zur Messung mechanischer Größen in Explosionszeichnung gezeigt. Dieser weist eine magnetisch harte Schicht 1 auf, die durch eine Tunnelbarriere 2 von einer magnetostriktiven Schicht 3, insbesondere einer CoFe-haltigen Legierung, getrennt ist. Durch Anlegen einer äußeren mechanischen Spannung (Pfeil σ) ändert sich die Richtung der Magnetisierung (Pfeil A) auf die oben beschriebene Weise und damit der Widerstand des vom Strom I durchflossenen Systems. Im folgenden werden experimentelle Untersuchungen solcher Sensoren mit weichmagnetischen Schichten aus CoFe und amorphen (FeCo)SiB-Legierungen dargestellt.
Die magnetischen Tunnelelemente werden mittels eines Sputterprozesses hergestellt. Die magnetisch gepinnte Schicht besteht in allen Proben aus einer 8 nm Ir₂₃Mn₇₇ anti-ferromagnetischen (AF) Schicht und einer 2.5 nm dicken Co-Fe Schicht. Als Tunnelbarriere wird eine 1.5 nm dicke Aluminiumschicht abgeschieden und durch Plasmaoxidation oxidiert. Magnetostriktive Fe₅₀Co₅₀ und amorphe (Fe₉₀Co₁₀)₇₈Si₁₂B₁₀ Legierungen mit einer nominalen Dicke von 6 nm werden als freie Schichten verwendet.
Der Sputterprozeß für die magnetischen Tunnelemente mit der magnetostriktiven Fe₅₀Co₅₀ weichmagnetischen Lage sowie für die magnetischen Tunnelelemente mit der (Fe₉₀Co₁₀)₇₈Si₁₂B₁₀ weichmagnetischen Schicht wurde durchgeführt indem sie nach der Oxidierung der Aluminiumschicht aus dem Vakuum entnommen wurde. Der darauf folgende Sputterprozeß der magnetostriktiven, weichmagnetischen Schicht wurde vier Tage später in einem anderen Sputterverfahren durchgeführt.
Um den Einfluss der angewandten mechanischen Spannung auf magnetische Tunnelelemente und TMR basierende Dehnungssensoren zu untersuchen, wurde eine Biegevorrichtung konstruiert, die magnetfeldabhängige Widerstands- Messungen bis zu 1,8 Tesla und gleichzeitig die homogene Dehnung der Proben ermöglicht. Eine homogene Dehnung der magnetischen Tunnelelemente erhält man unter Anwendung der sogenannten Vier-Punkte-Biegemethode. Die Dehnung wird durch die Verschiebung eines sogenannten Schiebers induziert, welcher zwei Keramikstäbe von insbesondere 3 mm Durchmesser enthält. Diese sind 6 mm entfernt angeordnet, mittig zwischen zwei fest angeordneten Auflagern (3 mm dia.; 18 mm apart).
Die Fig. 2a zeigt den Einfluss einer angelegten Zugspannung auf ein magnetisches Tunnelelement der Größe 20 µm × 20 µm, das mit einer magnetostriktiven Co₅₀Fe₅₀ (von 6 nm Stärke) als weichmagnetischen Schicht hergestellt worden ist. Die in Fig. 2a dargestellte "minor loop" Messung wird in der Parallelkonfiguration (angewandte Zugspannung parallel zu der leichten magnetischen Richtung des magnetischen Tunnelelements und zu dem angewandten Magnetfeld) durchgeführt. Die schwarze gestrichelte Kurve (Widerstand gegen angewandtes Magnetfeld) stellt die Messung im ungedehnten Zustand des magnetischen Tunnelelements dar, während die dunkelgraue and die hellgraue Kurve jeweils Messungen mit 0.33‰ beziehungsweise 0.66‰ Dehnung darstellen. Der Tunnel-Magnetowiderstand liegt bei 20% und ist beinahe konstant für alle drei Messungen. Das Umschaltverhalten der magnetostriktiven Fe₅₀Co₅₀ weichmagnetischen Schicht zeigt eine Nullpunktverschiebung von 1.5 kA/m (19 Oe) von dem Nullfeld aufgrund der Neel-Kopplung zwischen den ferromagnetischen Schichten (B. D. Schrag et al., Appl. Phys. Lett., vol. 77, pp. 2373, Oct. 2000 "Neel" orange peel "coupling in magnetic tunneling junction devices"). Das Verhalten zeigt einen steileren Anstieg; eine Erhöhung der Koerzitivfeldstärke und einen leichten Anstieg des Tunnelmagnetowiderstandes.
Die Fig. 2b zeigt die Messung eines ähnlichen magnetischen Tunnelelements in der sogenannten parallelen Konfiguration, diesmal jedoch unter Druckspannung. Zu beobachten ist eine Abnahme der Steigung und eine engere Hysterese der magnetostriktiven weichmagnetischen Schicht. Diese Veränderungen sind auf eine spannungsinduzierte Änderung der Anisotropie der weichmagnetischen Schicht zurückzuführen. Für die maximal mögliche Änderung der Magnetisierungsrichtung der weichmagnetischen Schicht von 90° aufgrund der angelegten Spannung wird eine 50%ige Veränderung des anfänglichen Tunnel- Magnetowiderstandes erwartet. Eine Analyse der Daten zeigte diese 50%ige Veränderung des Tunnel-Magnetowiderstandes ebenfalls (17% to 8%) bei einer relativen Dehnungsänderung Δε von 1,1‰.
Dabei sind amorphe magnetostrictive Fe-basierende Legierungen wegen ihrer hohen Dehnungsempfindlichkeit geeignete Materialien für die erfindungsgemäßen Dehnungssensoren. Deshalb wurde (Fe₉₀Co₁₀)₇₈Si₁₂B₁₀ als Material zur Entwicklung dieses hochsensiblen Tunnel-Magnetowiderstand-Dehnungssensors gewählt.
Eine typische Messung eines magnetischen Tunnelelements der Größe 20 µm × 20 µm mit einer amorphen magnetostriktiven (Fe₉₀Co₁₀)₇₈Si₁₂B₁₀ weichmagnetischen Schicht ist in Fig. 3 dargestellt. Die schwarze gestrichelte Kurve (Widerstand gegen angelegtes Magnetfeld) zeigt den ungespannten Zustand des magnetischen Tunnelelements, wobei die dunkelgraue und die hellgraue Kurve bei 0,33‰ beziehungsweise 0,55‰ Dehnung gemessen werden. Der Tunnelmagnetowiderstand liegt bei 33% und ist bei allen drei Kurven nahezu konstant. Dabei ist eine 50%ige Veränderung des anfänglichen Tunnelmagnetowiderstandes (von 30% auf 15%) bei einer Δε von 0,55‰ festzustellen. Der Verstärkungsfaktor liegt bei 300 für das amorphe (Fe₉₀Co₁₀)₇₈Si₁₂B₁₀ magnetische Tunnelelement. Für TMR-Sensoren mit magnetostriktiven Fe₅₀Co₅₀ Schichten (2.5 nm), die komplett in Vakuum hergestellt worden sind, wurden Tunnelmagnetowiderstände von 48% gemessen. Für die Verstärkungsfaktoren ergaben sich Werte von 450-600.
Die Herausforderung, einen hochempfindlichen magnetostriktiven Sensor auszulegen, liegt in der notwendigen gleichzeitigen Optimierung einer Vielzahl von Eigenschaften. So werden benötigt ein hoher magnetoresistiven Effekt, ein hoher magnetomechanischer Kopplungskoeffizient für die Sensorschicht, eine Referenzschicht mit einer niedrigen Magnetostriktion oder mit einer Magnetostriktion entgegengesetzten Vorzeichens und eine Tunnelbarriere, die nicht durch mechanischen Spannungen degradiert. Es konnte gezeigt werden, dass eine übliche TMR Sensorstruktur, wie sie etwa für Winkelsensoren verwendet würde, zwar ein Signal von ca. 20% zeigt, aber nicht auf mechanische Spannungen reagiert. Auch ist die GMR-Struktur (Ni₈₄Fe₁₆/Cu/Co/FeMn) nicht direkt auf TMR-Strukturen übertragbar, da sie wegen zu niedriger Spinpolarisation ein zu geringes Signal zeigen würde und duch die verwendete NiFe-Legierung nur eine niedrige Magnetistriktion hat. In den Ausführungsbeispielen ist es gelungen, diese teilweise konträren Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen, durch kristalline oder amorphe Co-Legierungen mit hoher Spinpolarisation und hoher Magnetostriktion und/oder durch die Wahl von Exchange-Bias Systemen, bei denen die gepinnten Schichten nicht oder nur wenig auf äußere Spannungen reagieren.
Als Beispiele sind Sensoren mit magnetostriktionsfreier Referenzschicht und magnetostriktiver Messschicht zu nennen, bei denen die Referenzschicht ein unterschiedliches Vorzeichen der Magnetostriktion der Messschicht aufweist und bei denen Referenz- und/oder Messschicht aus mehreren, ferromagnetisch koppelnden Schichten bestehen. Dabei kann die Messschicht aus magnetostriktiven kristallinen oder auch amorphen Fe- und Co-haltigen Legierungen bestehen. Auch Schichten mit höchst-magnetostriktiven Materialien wie Seltenerdmaterialien (TERFENOL (Tb,Dy)Fe₂) sowie Kombinationen z. B. der Art CoFe/(Tb,Dy)Fe₂ sind denkbar. Als Ausführungsbeispiele seien folgende Schichtstapel genannt:
Ta5/Cu30/Ru5/IrMn8/CoFe2.5/Al₂O₃/CoFe2.5/Ta10
Ta5/Cu30/Ni6/Al₂O₃/CoFe6/Ta10
Ta5/Cu30/Ni6/CoFe1/Al₂O₃/CoFe6/Ta10
Ta5/Cu30/Ru5/IrMn8/CoFe2.5/Al₂O₃/FeCoSiB6/Ta10
Ta5/Cu30/Ru5/IrMn8/CoFe2.5/Al₂O₃/((Tb,Dy))Fe6/Ta10
Ta5/Cu30/Ni6/CoFe1/Al₂O₃/CoFe1/((Tb,Dy))Fe5/Ta10
Dabei sind alle Zahlen im Schichtstapel Dicken in nm. Außerdem ist CoFe = Co₅₀Fe₅₀; FeCoSiB = (Fe₉₀Co₁₀)₇₈Si₁₂B₁₀; und die Dicke von Al₂O₃ ist 2 nm.

Claims

1. Sensor zur Messung mechanischer Längenänderung, insbesondere Druck- und/oder Spannungssensor, aufweisend ein Sandwich-System mit zwei flachen übereinanderliegenden Elektroden, die durch ein Tunnelelement (Tunnelbarriere), insbesondere durch eine Oxydbarriere, getrennt sind, wobei ein Stromfluß zwischen den Elektroden durch die Tunnelbariere hindurch stattfindet, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Elektrode von einer dehnungsempfindlichen magnetostriktiven Schicht (3) gebildet ist, in der die Beiträge der durch mechanische Spannung induzierter Anisotropien größer als die intrinsischen Anisotropien sind, wobei sich bei Dehnung relative Widerstandsänderungen (ΔR/R) des Systems über 10% bei Raumtemperatur einstellen.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode eine magnetische Schicht oder ein Schichtsystem als Referenz aufweist, in der die Beiträge der durch mechanische Spannung induzierter Anisotropien kleiner als die intrinsischen Anisotropien sind.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich Widerstandsänderungen (ΔR/R) zwischen von 20-50% einstellen.

4. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetostriktive Schicht (3) von einem weichmagnetischen Material mit hoher Spinpolarisation gebildet wird.

5. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetostriktive Schicht (3) eine CoFe-haltige Legierung aufweist.

6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die CoFe-haltige Legierung eine Stärke von weniger als 5 nm aufweist und auf einer Lage antiferromagnetischem Material aufgebracht ist.

7. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die intrinsische Anisotropie der Referenzschicht derart eingestellt ist, daß die Schicht durch direkte Austauschkopplung an eine Schicht aus einem natürlichen Antiferromagneten gekoppelt wird, wodurch sich in der Referenzschicht eine unidirektionale Anisotropie einstellt.

8. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sandwich mit den drei aufeinanderliegenden Schichten von weiteren Lagen zur Kompensation von Störungen bedeckt ist.

9. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Tunnelelement in einem Sputterprozeß hergestellt ist und eine Dicke von weniger als 50 nm insbesondere weniger als 20 nm aufweist.

10. Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Tunnelelement eine durch Plasmaoxidation oxidierte Schicht Aluminium Oxyd einer Dicke von weniger als 5 nm, insbesondere von 1.5 nm, ist.

11. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten des Sandwich etwa rechteckig sind und eine Kantenlänge von jeweils weniger als 100 Mikrometer aufweisen.

12. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (1) eine magnetisch harte Schicht, insbesondere mit uniaxialer Anisotropie, ist.

13. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetorestriktive Schicht zusammengesetzt ist aus mehreren Einzelschichten.