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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Magnetsensoranordnung,
insbesondere zur Sensierung der Bewegung von linear oder rotatorisch
bewegten Teilen in der Automobiltechnik, nach den gattungsgemäßen Merkmalen
des Hauptanspruchs.
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Es ist an sich üblich, dass sogenannte GMR-Sensoren
als magnetfeldempfindliche Bauelemente (GMR= Giant Magneto Resistance),
beispielsweise als relativ robuste Sensoren bei der Drehwinkelerfassung
in Kraftfahrzeugen, angewendet werden. Diese GMR-Sensoren bestehen
aus gekoppelten Multilagen mit mindestens einer weichmagnetischen
Detektionsschicht, deren relative Widerstandsänderungen als Funktion des äußeren Magnetfeldes
eine Kennlinie aufweisen, die um ein Nullfeld herumläuft. Die
Kennlinie verläuft
beispielsweise annähernd
dreiecksförmig
und bei einem relativ schwachen externen Magnetfeld relativ flach,
so dass diese Sensoren oft bei schwachen Magnetfeldern nicht empfindlich
genug sind. Zum Beispiel sind solche GMR-Sensoren in der Publikation „Magneto-Resistive
and Inductive Sensors" der Fa. Semelab plc, Prelim 6/98 beschrieben.
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Es ist darüber hinaus auch aus der
DE 199 49 714 A1 bekannt,
dass solche Sensoren als sogenannte Spin-Valve-Schichtsysteme aufgebaut werden. Hierbei
wird die weichmagnetische Detektionsschicht durch eine nichtmagnetische
Zwischenschicht von einer magnetisch härteren Schicht getrennt. Die
nichtmagnetische Zwischenschicht weist dabei eine derartige Schichtdicke
auf, dass nur eine geringe magnetische Kopplung zwischen den beiden magnetischen
Schichten über
die nichtmagnetische Zwischenschicht erfolgt. Hiermit wird erreicht,
dass die Richtung der Magnetisierung der weichmagnetischen Detektionsschicht
schon sehr kleinen externen Magnetfeldern folgt. Die Richtung der
Magnetisierung der hartmagnetischen Schicht wird dabei durch eine
sogenannte Pinning-Schicht ausgerichtet und festgehalten, wobei
die Pinning-Schicht als sog. Antiferromagent ausgebildet ist.
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Es ist oft notwendig, dass der Arbeitspunkt bei
der Erfassung des Sensorsignals, insbesondere für den Einsatz z.B. in der Automobiltechnik,
durch unterschiedlich erzeugte magnetische Hilfsfelder im Schichtaufbau
verschoben wird. Beispielsweise sind solche Felderzeugungen durch
separat im Bereich der magnetoresistiven Schichten montierte mikroskopische
Hartmagnete sowie der Einsatz von stromdurchflossenen Feldspulen
hinlänglich
bekannte Möglichkeiten.
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In der nicht vorveröffentlichten
DE 101 28 135.8 ist zum
Beispiel ein Konzept beschrieben, in dem eine hartmagnetische Schicht
in der Nähe,
d.h. insbesondere auf und/oder unter einem magnetoresistiven Schichtstapel,
deponiert wird. Diese hartmagnetische Schicht koppelt dann vorwiegend
durch ihr Streufeld an die magnetosessstiven Schichten und erzeugt
dabei ein sogenanntes Bias- Magnetfeld,
das als Magnetfeld-Offset wirkt, so dass auch bei einer nur schwachen
Variation eines dem internen Magnetfeld überlagerten externen Magnetfeld
eine gut messbare und relativ große Veränderung des eigentlichen Messwertes,
der als Widerstandsänderung
in der Schichtanordnung detektiert wird, erreichbar ist.
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Weiterhin ist aus der
DE 199 83 808 T1 eine magnetoresistive
Schichtanordnung bekannt, bei der zwei magnetoresistive Schichten
durch eine nichtmagnetische Zwischenschicht als Distanzhalter getrennt sind.
Weiterhin liegt zwischen den zwei magnetoresistive Lagen neben dem
Distanzhalter ein Hartmagnet, der hier als strukturierter Block
am Rand der magnetoresistiven Struktur ausgeführt ist. Hierbei fließen zwei
gegensätzlich
gepolte Biasströme
durch die zwei einzelnen Elemente, wobei aus diesen Strömen ein
Differenzsignal gebildet wird. Die hartmagnetischen Pole, die hierdurch
gebildet werden, sind dabei senkrecht zu dem Schichtstapel aufmagnetisiert.
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Bei einer Weiterbildung einer Magnetsensoranordnung
der eingangs angegebenen Art wird von mindestens einer magnetfeldempfindlichen
Sensorschicht ausgegangen, die in einem integrierten Mehrschichtsystem
angeordnet ist, deren elektrischer Widerstand in Abhängigkeit
von einem äußeren Magnetfeld
veränderbar
ist. Bei mindestens einer weichmagnetischen Detektionsschicht und
mindestens einer hartmagnetischen Schicht zur Erzeugung eines Hilfsmagnetfeldes
ist außerdem
mindestens eine nichtmagnetischen Zwischenschicht vorhanden über die
die mindestens eine weichmagnetische Detektionsschicht an die mindestens
eine hartmagnetische Schicht austauschgekoppelt ist.
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Kern der Erfindung ist somit im wesentlichen die
Integration einer oder mehrerer hartmagnetischer sogenannter Bias-Schichten
in ein eingangs erwähntes
GMR-Sensor Multilagen- oder Multischichtsystem und eine Zwischenschicht-Austauschkopplung zwischen
der hartmagnetischen Schicht und den benachbarten weichmagnetischen
Schichten. Dabei kann die hartmagnetische Schicht auch eine oder mehrere
antiparallel austauschgekoppelte weichmagnetische Schichten ersetzen
oder wird innerhalb dieser austauschgekoppelten weichmagnetischen Schicht
deponiert.
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Es kann beispielsweise ein Multilagensystem,
mit einer bis zu ca. zwanzig Bilagen, mit einer uniformen Stromrichtung
verwendet werden, wobei auch ein differenzielles Brückensignal
durch eine entsprechende Mikrostrukturierung bzw. eine elektronische
Verschaltung erzeugbar ist.
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Mit der vorgeschlagenen Integration
der hartmagnetischen Bias-Schicht zur Einstellung des Arbeitspunktes
in die Multilagen von GMR-Sensoren ergibt sich ein hohes Rationalisierungspotential
aus der Möglichkeit,
den Präparations-
und Mikrostrukturprozess von bekannten GMR-Sensoren Systemen zu übernehmen.
Durch die erfindungsgemäße Konzeption
mit den sehr dünnen
Schichten ergeben sich niedrige Materialkosten und verbesserte magnetische
Eigenschaften der verwendeten hartmagnetischen Schichten. Probleme,
die durch einen elektrischen Kurzschluss durch den Hartmagneten
oder einen starken Feldabfall über
die magnetoresistive Schicht bzw. die Verwendung von dicken teure
Hartmagneten, wie bei den bekannten Bias- Konzepten, auftreten,
werden vermieden. Somit kann der Arbeitspunkt des Multischicht-Sensors
auf einfache Weise durch das Streufeld der hartmagnetischen Schichten
eingestellt werden. Zudem erhöht
sich im allgemeinen die Koerzitivität des Hartmagneten insbesondere
bei dünnen
Schichten.
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Durch die mit dem erfindungsgemäßen Aufbau
mögliche
Nähe des
Hartmagneten zu den benachbarten weichmagnetischen Schichten und
das entsprechend hohe Hilfs- oder Biasfeld am Ort der weichmagnetischen
Schichten, welches bei einem isolierten Aufbau zwischen Hartmagnet
und Weichmagnet wegen des Feldabfalls nicht erreichbar ist, kann
die hartmagnetische Schicht jeweils sehr dünn ausgeführt sein. Somit kann bei der
vorgeschlagenen Integration des Hartmagneten in das GMR-Sensorelement
der Abstand zwischen dem Hartmagneten und den Weichmagneten minimiert
werden, was eine homogene Magnetisierung der weichmagnetischen Lagen
zur Folge hat.
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Der erfindungsgemäße Aufbau ist außerdem extrem
Störfeldfest.
Die ober- und unterhalb des Hartmagneten liegenden magnetoresistive
Schichten werden über
ihre dem Hartmagneten am nächsten liegenden
nichtmagnetischen Zwischenschichten dabei antiferromagnetisch gekoppelt.
Somit ist der resultierende magnetoresistive Effekt die Summe der magnetoresistive
Effekt der einzelnen Schichten oder einzelner Schichtpakete.
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Es ist in der Regel auch keine vom
ursprünglichen
GMR-Sensorelement
abweichende Mikrostrukturierung notwendig. Die Anzahl der hartmagnetischen
Zwischenschichten ist in einem Multilagen- oder Multischichtelement
frei wählbar,
mit der Nebenbedingung der antiparallelen Ausrichtung der Magnetisierung
benachbarter Schichten, und damit ist die Stärke des Biasfeldes und die
Homogenität
variierbar.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform
sind in vorteilhafter Weise jeweils zwei weichmagnetische Schichten über eine
zwischenliegende nichtmagnetische Zwischenschicht mittels einer
Zwischenschichtaustauschkopplung an eine Seite einer hartmagnetischen
Schicht gekoppelt, wobei die austauschgekoppelte hartmagnetische
Schicht zwischen zwei weichmagnetischen Schichten angeordnet ist.
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Alternativ können auch jeweils zwei weichmagnetische
Schichten über
eine zwischenliegende nichtmagnetische Zwischenschicht mittels einer
Zwischenschichtaustauschkopplung beidseitig an eine hartmagnetische
Schicht gekoppelt werden, wobei die austauschgekoppelte hartmagnetische
Schicht zwischen zwei weichmagnetischen Schichten angeordnet ist.
Hierbei kann auch die hartmagnetische Schicht eine oder mehrere
austauschgekoppelte weichmagnetische Schichten ersetzen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
werden anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Prinzipansicht eines ersten Ausführungsbeispiels
eines Schnitts durch einen Multilagenaufbau eines GMR-Sensors mit
zwischenschichtaustauschgekoppelten hart- und weichmagnetischen
Schichten,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel,
das in Abwandlung zur 1 zwei
weichmagnetische Schichten aufweist und
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3 ein
drittes Ausführungsbeispiel
mit einem gegenüber
der 2 geänderten
Schichtaufbau.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist
eine Prinzipansicht eines GMR-Magnetfeldsensors 1,
der in einem Multilagen- oder Multischichtaufbau hergestellt ist,
gezeigt. Für die
eigentliche Sensierung einer in der Beschreibungseinleitung erwähnten Magnetfeldsensierung sind
weichmagnetische Detektionsschichten 2, 3 und 4 vorhanden.
Mit den anderen, weiter unten noch erläuterten Schichten ist dieser
Multilagenaufbau zwischen einer Deckschicht 5, z.B. aus
Tantal (Ta) und einer Pufferschicht 6 auf einem Halbleitersubstrat 7 aufgebracht.
Beim Substrat-Material kann es sich hier um einen an sich bekannten
Silizium-Wafer handeln, wobei die Erfindung sich aber prinzipiell
auch mit anderen Halbleitersubstratmaterialien, wie z.B. sogenannten
III-V-Halbleiter, SiC, Al2O3 oder dergleichen realisieren lässt.
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Beim Ausführungsbeispiel nach der 1 ist eine hartmagnetische
Schicht 8, z.B. CoCrPt, CoSm, CoCr, CoCrTa, CoPt, FePt,
usw., in den GMR-Multilagenaufbau als sog. Hard-Biasschicht integriert.
Dabei sind jeweils zwei benachbarte weichmagnetische Schichten 2 mittels
einer nichtmagnetischen Zwischenschicht 9 an den Hartmagneten 8 austauschgekoppelt.
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Aus 2 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen GMR-Sensors
zu entnehmen, bei dem über
eine weitere nichtmagnetische Zwischenschicht 10 eine weitere
weichmagnetische Schicht 11 austauschgekoppelt ist, die
dann ihrerseits durch den integrierten Hartmagneten 8 magnetisch
gepinnt ist.
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Möglich
ist auch ein Konzept nach 3,
bei dem auf der einen, hier unteren Seite des Hartmagneten 8 und
auf der anderen Seite der Weichmagnete 2, 3 jeweils
an die benachbarte Schicht zwischenschicht-austauschgekoppelt ist.
Diese Zwischenschicht-Austauschkopplung wird über die Dicke der nichtmagnetischen
Zwischenschichten 9, 10 in der Weise eingestellt,
dass die jeweils benachbarten weichmagnetischen Schichten 3, 11 magnetisch
antiparallel gekoppelt sind.
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Die Kopplungen der Schichten des
Magnetfeldsensors 1 bewirken den eingangs beschriebenen GMR-Effekt.
Zusätzlich
ergibt sich im Rahmen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele
der Erfindung ein Streufeld des Hartmagneten 8, das die übrigen weichmagnetischen
Schichten ferromagnetisch ankoppelt und so eine Vorzugsrichtung
in das Sensorelement 1 induziert. Beim Anlegen eines äußeren Feldes
addiert sich dann das Streufeld des Hartmagneten 8 oder
in der anderen Richtung subtrahiert sich das Feld des Hartmagneten 8 zu
dem angelegten Feld. Dadurch wird, wie in der Beschreibungseinleitung
beschrieben, die Verschiebung der Sensorkennlinie in eine durch
die Magnetisierung des Hartmagneten 8 vorgegebenen Richtung
bewirkt.
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Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen tritt
somit keine oder nur eine geringe Verringerung des elektrischen
Widerstandes des Gesamtsystems des Sensors 1 bezüglich einer
bekannten Konfiguration eines Sensors ohne einen Hartmagnet auf.
Bei alternativen Konzepten, bei denen ein Hartmagnet als obere oder
untere Schicht ausgeführt
ist muss dann die Schichtdicke entsprechend hoch gewählt werden,
um ein ausreichendes Streufeld zu erzeugen, das alle weichmagnetischen
Schichten entsprechend magnetisiert.
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Die hartmagnetische Schicht nach
den Ausführungsbeispielen
ist nahe an den weichmagnetischen Schichten ausgeführt, was
eine homogene Magnetisierung der weichmagnetischen Schichten zur
Folge hat. Das Einfügen
der hartmagnetischen Schicht 8 in eine weichmagnetische
härtet
dabei jeweils die vorher weichmagnetische Schicht, d.h. erhöht deren
Koerzitivität.
Eine hohe Koerzitivität,
wie sie vor allem bei den hier beschriebenen dünnen Schichten auftritt, verhindert
somit ein Umschalten des Biasfeldes auch bei entsprechend hohen
Störfeldern.
Zudem verstärkt,
bei direkter magnetischer Austauschkopplung von aufeinander deponierten Hart-
und Weichmagneten, die jeweils weichmagnetische Schicht das resultierende
Streufeld. Das bekannte Herstellungsverfahren von Sensorelementen jeglicher
Ausführung
kann ohne wesentliche Änderungen
bei der Prozessierung beibehalten werden.