DE10319319A1

DE10319319A1 - Sensoreinrichtung mit magnetostriktivem Kraftsensor

Info

Publication number: DE10319319A1
Application number: DE10319319A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr. Rührig; Alfred Dr. Ludwig; Eckhardt Dr. Quandt; Markus Dr. Löhndorf
Original assignee: Infineon Technologies AG; Stiftung Caesar Center of Advanced European Studies and Research
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2003-04-29
Filing date: 2003-04-29
Publication date: 2005-01-27
Also published as: US20040216534A1; US6988414B2

Abstract

Die Sensoreinrichtung zur Detektion einer Kraft (sigma¶z¶) enthält ein TMR-Kraftsensorelement (2) mit einer magnetischen Detektionsschicht (6) aus einem Material mit einem Magnetostriktionskoeffizienten lambda >= DOLLAR I1 eine magnetisch härtere Referenzschicht (4) und eine zwischen diesen Schichten befindliche Tunnelbarrierenschicht (5). In der Detektionsschicht (6) ist eine Ausgangsmagnetisierung (M2) eingestellt, die gegenüber der in die Kraftrichtung weisenden Magnetisierung (M1) der Referenzschicht (4) einen Winkel phi von ungleich 0 DEG einschließt und so unter Einwirkung der Kraft (sigma¶z¶) aus ihrer Ausgangslage (1A) gedreht wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sensoreinrichtung mit einem magnetostriktiven Kraftsensor.

Aus dem Buch „Sensors", Vol. 5 (Magnetic Sensors), VCR-Verlagsgesellschaft, Weinheim (DE), 1989, Seiten 145 bis 147 sind verschiedene Sensoreinrichtungen zu entnehmen, bei denen der magnetostriktive Effekt mit anderen physikalischen Effekten kombiniert ist. So ist z.B. ein Kraftsensor offenbart, der den magnetoresistiven Effekt und den Hall-Effekt ausnutzt. Hierzu wird in magnetoresistiven Teilen mittels eines konstanten Stromes ein magnetischer Fluss erzeugt, der unter Kraftwirkung zu einer entsprechenden Flussänderung führt. Diese Flussänderung wird mit einem Hall-Element detektiert. Darüber hinaus ist in dem vorstehend erwähnten Buch auch eine Sensoreinrichtung beschrieben, mit der ein magnetostriktiver Streifen mit einem piezoelektrischen Wandler verbunden ist. Der magnetostriktive Streifen wird von einem zu messenden DC-Feld magnetisiert. Die damit verbundene Längenänderung des Streifens wird mittels des piezoelektrischen Wandlers in ein elektrisches Messsignal umgewandelt.

Aus der JP 11-251658 A ist ein Magnetowiderstandselement zu entnehmen, bei dem eine Zugkraft auf einen elektrisch leitenden Oxidfilm dadurch ausgeübt wird, dass dieser über eine dünne Isolationsschicht auf einem Substrat aus einem magnetostriktiven Material angeordnet ist und das Substrat einem Magnetfeld ausgesetzt wird.

Mit der nicht-vorveröffentlichten DE-Patentanmeldung 102 14 946.1 vom 04.04.2002 wird ein TMR-Sensor zur Messung mechanischer Längenänderungen, insbesondere ein Druck- und/oder Spannungssensor vorgeschlagen, der ein Sandwich-System mit zwei flachen übereinanderliegenden Elektroden aus magnetischem Material umfasst. Diese Elektroden sind durch eine Tunnelbarriere insbesondere aus oxidischem Material getrennt, wobei ein Stromfluss zwischen den Elektroden durch die Tunnelbarriere hindurch erfolgt. Die eine der Elektroden soll dabei von einer dehnungsempfindlichen, magnetostriktiven Detektionsschicht gebildet sein, in der die Beiträge der durch mechanische Spannung induzierten Anisotropien größer als die der intrinsischen Anisotropien sind, wobei sich bei Dehnung relative Widerstandsänderungen ΔR/R des Systems von über 10 % bei Raumtemperatur einstellen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sensoreinrichtung mit einem magnetostriktiven Kraftsensor bzw. Spannungssensor anzugeben, bei der ein speziell ausgebildeter TMR-Sensor verwendet wird, der mittels bekannter Verfahren in Schichttechnik, insbesondere Dünnfilmtechnik, herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Dementsprechend enthält die Sensoreinrichtung zur Detektion einer in eine vorgegebene Kraftrichtung wirkenden Kraft ein tunnel-magnetoresistives Sensorelement als ein Kraftsensorelement, das ein Dünnschichtensystem mit wenigstens folgenden Teilen aufweist, nämlich

– eine Detektionsschicht aus einem magnetischen Material mit einem Magnetostriktionskoeffizienten λ, für den gilt: λ ≥ |5·10^–6|, vorzugsweise λ ≥ |1·10^–5|,
– eine vergleichsweise magnetisch härtere Referenzschicht oder ein entsprechendes Referenzschichtsystem,
– eine zwischen diesen Schichten befindliche Zwischenschicht aus isolierendem Material als eine Tunnelbarriere und
– elektrische Anschlüsse an der Referenzschicht bzw. dem Referenzschichtsystem und an der Detektionsschicht,

wobei in der Detektionsschicht eine Ausgangsmagnetisierung eingestellt ist, die gegenüber der zumindest annähernd in die Kraftrichtung weisenden Magnetisierung der Referenzschicht bzw. des Referenzschichtsystems einen Winkel φ von ungleich 0° einschließt, so dass die Magnetisierung der Detektionsschicht unter Einwirkung der Kraft aus ihrer Ausgangslage gedreht wird.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass an sich bekannte tunnel-magnetoresistive (TMR-)Sensorelemente als Kraft- oder mechanische Spannungssensoren dann konkret einsetzbar werden, wenn für ihre mindestens eine Detektionsschicht ein besonderes, im Allgemeinen verhältnismäßig weichmagnetisches Material mit einer hinreichend großen Magnetostriktionskonstanten und für ihre magnetischen Schichten bestimmte Ausgangslagen der Magnetisierungen gewählt werden. Dementsprechend ist bei der Sensoreinrichtung nach der Erfindung vorgesehen, dass sich der Tunnelstrom ihres TMR-Kraftsensorelements zwischen zwei magnetischen Schichten über eine nicht-magnetische, isolierende Tunnelbarrierenschicht als Funktion der von außen angelegten mechanischen Spannung, die in Form von Zug-, Druck- oder Biegespannung vorliegen kann, ändert.

Bekannte TMR-Sensorelemente werden bisher zur Messung der Magnetisierungsrichtung einer Detektionsschicht verwendet. Hierbei wird ausgenutzt, dass die Magnetisierungsrichtung der Detektionsschicht durch äußere Felder beeinflusst werden kann, wodurch eine Messung der Richtung bzw. Stärke dieser äußeren Felder ermöglicht wird. Verwendet man nun gemäß der Erfindung statt üblicherweise einer weichmagnetischen Detektionsschicht eine solche Schicht mit einer verhältnismäßig hohen Magnetostriktion, so wird prinzipiell die Möglichkeit geschaffen, die Magnetisierung dieser Detektionsschicht und damit den Widerstand eines derartigen Sensorelementes durch eine äußere mechanische Spannung zu ändern. Hiermit ergibt sich ein Messverfahren zur Bestimmung entsprechender äußerer mechanischer Spannungen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

So kann ein Winkel φ mit einem Betragswert – d.h. mit einem positiven oder negativen Wert – von zumindest annähernd 90° gewählt werden. Entsprechende Kraftsensorelemente sind dann je nach Vorzeichen der Magnetostriktionskonstanten als Spannungssensor oder Drucksensor verwendbar.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn man einen Winkel φ mit einem Betragswert von unter 90°, zweckmäßigerweise zwischen 75° und 15° und vorzugsweise von zumindest annähernd 45° (+/–5°), wählt (unter Ausschluss des Wertes φ = 0°). Dann sind nämlich mit den Sensorelementen sowohl Spannungs- als auch Druckkräfte detektierbar.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Sensoreinrichtung weist das Dünnschichtensystem ihres TMR-Kraftsensorelements zu beiden Seiten der Referenzschicht oder des Referenzschichtsystems jeweils eine durch eine Tunnelbarrierenschicht getrennte Detektionsschicht auf. Das Referenzschichtsystem kann dabei mit zwei magnetischen Schichten und einer dazwischen liegenden nicht-magnetischen Zwischenschicht ausgebildet sein, wobei die Magnetisierungen in den magnetischen Schichten antiparallel zueinander ausgerichtet sind. Entsprechende Kraftsensorelemente zeichnen sich durch eine geringe Kopplung zwischen den Detektionsschichten und dem Referenzschichtsystem bei gleichzeitig ausgeprägtem Signal aus.

Insbesondere unter Linearisierungsgesichtspunkten wird vorteilhaft eine Sensoreinrichtung mit mehreren TMR-Kraftsensorelementen in einer Brückenschaltung vorgesehen.

Die Detektionsschicht des Dünnschichtensystems kann einen Mehrdomänenzustand aufweisen. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn eine Detektionsschicht des Dünnschichtensystems ihres TMR-Kraftsensorelements mit einem wenigstens näherungs weisen Eindomänenzustand, beispielsweise durch eine schwache ferromagnetische Néel-Kopplung der Detektionsschicht an die Referenzschicht, ausgebildet wird. Dann lässt sich nämlich auf verhältnismäßig einfache Weise eine Sensoreinrichtung herstellen, die für mechanische Spannungen beiderlei Vorzeichens sensitiv ist.

Im Allgemeinen wird die Ausgangslage der Magnetisierung der mindestens einen Detektionsschicht durch eine Einprägung der sogenannten leichten Achse bzw. Richtung der Magnetisierung in der Detektionsschicht bestimmt. In an sich bekannter Weise ist es jedoch auch möglich, eine Ausgangslage der Magnetisierung der Detektionsschicht durch eine magnetische Vorspannung der Detektionsschicht festzulegen, die von der Richtung der leichten Achse abweicht.

Bevorzugte Materialien mit hinreichend hohem Wert der Magnetostriktion sind Co- und/oder Fe- und/oder Ni-haltig, wobei selbstverständlich weitere Komponenten hinzulegiert sein können. Vorzugsweise kann dabei das Material ein amorphes Gefüge besitzen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Ansprüchen hervor, auf deren Gegenstand nachfolgend eingegangen ist. Dabei wird auf die Zeichnung Bezug genommen, an Hand derer besonders bevorzugte Ausführungsformen der Sensoreinrichtung nach der Erfindung erläutert sind. Es zeigen jeweils schematisch
deren 1 den prinzipiellen Aufbau eines TMR-Kraftsensorelements für eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung,
deren 2 in Teilfiguren a) und b) die Krafteinwirkung auf ein solches TMR-Sensorelement bei paralleler bzw. antiparalleler Magnetisierung seiner magnetischen Schichten,
deren 3 in Teilfiguren a) und b) die Krafteinwirkung auf ein entsprechendes TMR-Sensorelementes, jedoch bei zueinander senkrechter Magnetisierung seiner magnetischen Schichten,
deren 4 in Teilfiguren a) und b) die Krafteinwirkung bei einen speziellen Winkel φ einschließenden Magnetisierungsrichtungen der magnetischen Schichten,
deren 5 in Teilfiguren a) und b) die Änderung eines Mehrdomänenzustandes in einer Detektionsschicht des in 3 angenommenen Sensorelementes unter Krafteinwirkung,
deren 6 5 entsprechende Verhältnisse, jedoch bei anderer Ausrichtung der Domänen,
deren 7 6 entsprechende Verhältnisse bei einem Eindomänenzustand in der Detektionsschicht
sowie deren 8 einen weiteren Aufbau eines Kraftsensorelements einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung.
Dabei sind in den Figuren sich entsprechende Teile jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer vertikal auseinander gezogenen Schrägansicht eine Ausführungsform eines als Kraftsensorelement dienenden TMR-Sensorelementes 2 für eine Sensoreinrichtung nach der Erfindung. Die Sensoreinrichtung kann dabei eines oder mehrere solcher Kraftsensorelemente aufweisen. Das in Dünnschichttechnik zu erstellende Sensorelement 2 umfasst ein Mehrschichtensystem 3, das in seiner Grundform eine magnetische Referenzschicht 4, eine nicht-magnetische, isolierende Zwischenschicht 5 sowie eine weitere magnetische Schicht 6 als eine Detektionsschicht enthält. Das Sensorelement hat somit einen für TMR-Sensorelemente typischen Aufbau (vgl. z.B. „Journal of Applied Physics", Vol. 79, No. 8, 15.04.1996, Seiten 4724 bis 4729). In der Referenzschicht 4 ist eine Magnetisierung M1 fest eingeprägt, während eine (Ausgangs) Magnetisierung M2 in der Detektionsschicht 6 bei vorgegebener Vorzugsrichtung der Magnetisierung (= Lage der sogenannten „leichten Richtung" der Magnetisierung) unter einem Winkel φ gegenüber der Magnetisierung M1 ausgerichtet ist. Dabei sei die Ausrichtung der Magnetisierung M1 als Bezugsgröße für die Winkel gewählt. Die Referenzschicht 4 ist vergleichsweise magnetisch härter als die Detektionsschicht 6. Entsprechende Sensorelemente vom sogenannten „Hart-Weich-Typ" (ihrer magnetischen Schichten) werden auch „Spin Valves" genannt. Ihre Referenzschicht kann in an sich bekannter Weise auch durch ein Schichtsystem ersetzt sein, das z.B. einen künstlichen Antiferromagneten darstellt (vgl. WO 94/15223 A).
Gemäß der Erfindung sollen mit der magnetischen Detektionsschicht 6 mechanische Spannungen zu detektieren sein, die in einer vorgegebenen Kraftrichtung mit φ = 0° wirken. Hierzu ist es als ein magnetostriktiver Teil eines TMR-Kraftsensorelements 2 ausgebildet, der bei fehlender Krafteinwirkung eine vorbestimmte Ausgangslage seiner Magnetisierung M2 (= Ausgangsmagnetisierung bei vorgegebener Ausrichtung der leichten Achse 1A) zeigt. Die Schicht 6 besteht deshalb aus einem der bekannten magnetostriktiven Materialien, wobei deren Magnetostriktionskoeffizient λ einen betragsmäßigen Wert von mindestens |5·10^–6|, insbesondere von mindestens |1·10^–5|, aufweisen soll.
Für eine Realisierung der magnetostriktiven Schicht eines erfindungsgemäßen TMR-Kraftsensorelements sind vorteilhaft Co-, Fe- und/oder Ni-haltige Magnetschichten zu verwenden, die einen hohen Magnetostriktionskoeffizienten λ aufweisen. Charakteristisch für viele Materialien ist die Abhängigkeit des Magnetostriktionskoeffizienten von der Zusammensetzung (z.B. in Atom-% gemessen) und auch von der Schichtdicke. So ist z.B. für Co₁₀₀ das λ negativ, während für Co₉₅Fe₅ eine nahezu Magnetostriktionsfreiheit beobachtet wird. Demgegenüber weist Co₅₀Fe₅₀ ein positives Maximum in der Magnetostriktion auf.
Hier ist jedoch die Schichtdicke d entscheidend für die absolute Größe des Magnetostriktionskoeffizienten λ. Zur Theorie der Magnetostriktion in amorphen und polykristallinen Materialien sei auf „Journal of Magnetism and Magnetic Materials", Vol. 69 (1987), Seiten 79 bis 98 verwiesen. Ausführungen zur Magnetostriktion von amorphen Selten-Erd-Fe-Legierungen bzw. Co-Ni-Legierungen gehen auch aus dem genannten Journal, Vol. 79 (1989), Seiten 358 bis 364 und Vol. 61 (1986), Seiten 390 bis 394 hervor. Weitere magnetostriktive Materialien sind dem genannten Journal, Vol. 9 (1978), Seiten 191 bis 199 zu entnehmen.
Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass sich die Magnetisierung M1 in der Referenzschicht 4 praktisch nicht mit mechanischen Spannungen ändert. Dies kann in bekannter Weise technisch auf verschiedenem Wege gelöst werden, wie z.B. durch besondere austauschgekoppelte Schichten, eine kleine Magnetostriktion oder eine große Koerzitiv-Feldstärke. Der Widerstand über einem TMR-Sensorelement 2 ist dann maximal, wenn sich die Magnetisierung M2 in der Detektionsschicht 6 von parallel zur Referenzschicht 4 (kleiner Widerstand; vgl. Teilfigur 2b) auf antiparallel (großer Widerstand; vgl. Teilfigur 2a) gedreht hat. Jedoch sind diese beiden Zustände der Detektionsschicht 6 für die Magnetostriktion energetisch gleichwertig, da es sich dabei um einen Effekt handelt, der quadratisch von der Magnetisierung abhängt. D.h., in diesem Falle ist für die beiden Ausgangslagen der Magnetisierung M2 unter einer Krafteinwirkung auf die Detektionsschicht 6 in Richtung der Magnetisierung M1 der Referenzschicht 4, z.B. unter einer entsprechenden Zugspannung σ_z, nur der gleiche Messwert an dem TMR-Schichtensystem abzugreifen. In der Figur wie auch in den nachfolgenden 3, 4 und 8 mit entsprechender Darstellung wurde auf eine Veranschaulichung der zwischen den magnetischen Schichten befindlichen Tunnelbarrierenschicht 5 des TMR-Schichtensystems verzichtet.
Nach der Erfindung besteht nun eine Möglichkeit einer Abhilfe bzgl. des vorgenannten Problems darin, dass in der Detektionsschicht 6 eine Ausgangslage der Magnetisierung M2 eingestellt wird, die nicht parallel zur Richtung der Magnetisierung M1 der Referenzschicht 4, sondern gemäß der für 3 angenommenen Ausführungsform senkrecht zu der Richtung der Magnetisierung M1 mit φ = 90° verläuft. Dabei sei für das Beispiel angenommen, dass die Detektionsschicht 6 eine positive Magnetostriktionskonstante λ besitzt. In diesem Falle wird sich nun durch eine eingebrachte Zugspannung σ_z, die zumindest annähernd in die Richtung der Magnetisierung M1 der Referenzschicht 4 wirkt, die Magnetisierung M2 der Detektionsschicht 6 aus der ursprünglich senkrechten, beispielsweise in Richtung der leichten Achse 1A unter dem Winkel φ weisenden Richtung hin in die Richtung der Zugspannung σ_z drehen, um so die äußeren Spannungen abzubauen und in einen energetisch günstigeren Zustand zu gelangen. Der entsprechende Drehwinkel ist mit δ₁ bezeichnet. Diese relative Änderung der Magnetisierungsrichtung führt jedoch theoretisch nicht zu einer Änderung des Widerstandes an dem TMR-Sensorelement, da es in erster Näherung energetisch gleichwertig ist, ob sich die Magnetisierung M2 in Richtung auf eine parallele (vgl. Teilfigur 3a) oder antiparallele (vgl. Teilfigur 3b) Ausrichtung bezüglich der Magnetisierung M1 um den Drehwinkel δ₁ bzw. um einen Drehwinkel δ_z dreht. Der Messwiderstand würde also näherungsweise unverändert bleiben. In der Praxis wird jedoch wegen einer im Allgemeinen vorhandenen gewissen Kopplung der magnetischen Schichten 4 und 6 über die Tunnelbarrierenschicht 5 die eine oder die andere Richtung (gemäß Teilfigur 3a oder 3b) bevorzugt werden. Dies führt im Prinzip zu einem messbaren Signal; doch weist ein derartiges Sensorelement die Beschränkung auf, dass es auf Spannungen nur eines Vorzeichens – unter den gemachten Annahmen nur positiver Spannungen (= Zugspannungen σ_z) – empfindlich ist. Druckspannungen würden nicht zu einer Drehung der Magnetisierung und damit nicht zu einem messbaren Signal führen. D.h. entsprechende Sensorelemente können nur als Kraftsensoren für Zugspannungen eingesetzt werden.
Umgekehrt besteht die Möglichkeit, durch ein Detektionsschicht-Material mit negativer Magnetostriktionskonstanten λ ein TMR-Kraftsensorelement mit der vorstehend beschriebenen Ausgangslage der Magnetisierung M2 auszubilden, das auf Druckkräfte empfindlich ist. D.h., beiden Typen von Sensorelementen ist gemeinsam, dass sie jeweils nur mechanische Spannungen eines Vorzeichens, d.h. entweder nur Zugspannungen oder nur Druckspannungen, detektieren können.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform einer Sensoreinrichtung mit einem erfindungsgemäßen TMR-Kraftsensorelement ist in 4 angedeutet. Bei diesem Sensorelement ist in dessen Detektionsschicht 6 eine Ausgangslage der Magnetisierung M2 unter einem Winkel φ eingestellt, der weder senkrecht noch parallel zur Magnetisierung M1 der Referenzschicht 4 liegt. Die Ausgangslage kann dabei, wie für die dargestellte Ausführungsform angenommen, wiederum mit der Richtung der leichten Achse 1A übereinstimmen. Zur Einstellung einer davon abweichenden Ausgangslage lässt sich eine sogenannte magnetische Vorspannung der Magnetisierung vorsehen. Eine solche Vorspannung kann insbesondere über eine gewisse magnetische Kopplung an die Referenzschicht 4 erzeugt sein. Eine andere Möglichkeit wäre z.B. eine Vorspannung durch ein externes Magnetfeld, das beispielsweise durch eine zusätzliche stromdurchflossene Leiterbahn hervorgerufen wird. D.h., bei der dargestellten Ausführungsform soll der Betragswert des Winkel |φ| zwischen 0° und 90° (unter Ausklammerung dieser Grenzwerte) liegen. Vorzugsweise wird ein Winkelbetrag |φ| zwischen 15° und 75°, insbesondere von zumindest annähernd 45° (+/–5° ) vorgesehen. In einem solchen Fall führt sowohl eine positive als auch eine negative mechanische Spannung σ_z bzw. σ_d zu einer Änderung der Magnetisierungsrichtung (Teilfiguren 4a bzw. 4b) mit einer Drehung der Magnetisierung M2 aus der Ausgangslage (unter dem Winkel φ) um einen Drehwinkel δ₁ bzw. um einen Drehwinkel δ₂. Diese Änderungen gehen mit einem verringerten bzw. erhöhten Tunnelwiderstand einher.
Abweichend von dem für 4 angenommenen Fall einer positiven (Zug)-Spannung σ_z (Teilfigur 4a) bzw. einer negativen (Druck)-Spannung σ_d (Teilfigur 4b) bei gleichzeitig positiver Magnetostriktionskonstanten λ ergeben sich entsprechende Verhältnisse auch für ein λ < 0 mit umgekehrtem Vorzeichen für die Spannungen und die Widerstandsänderung.
Im Normalfall ist die Detektionsschicht 6 mehrdomänig (vgl. 5). Dies führt im Fall senkrechter Anisotropien gemäß der Ausführungsform nach 3 mit Domänen, die in Richtung φ und –(90° + φ) magnetisiert sind, zu einer Drehung der Magnetisierungen m_i in den einzelnen Domänen 7_i und damit zu einer Widerstandsänderung des TMR-Sensors (vgl. Teilfigur 5a). Doch auch ein derartiges Sensorelement ist wiederum (wie im Fall gemäß 3) nur für ein Vorzeichen der mechanischen Spannung empfindlich. D.h., für den Fall mechanischer Spannungen mit umgekehrtem Vorzeichen, das wären hier Druckspannungen σ_d (vgl. Teilfigur 5b), ergibt sich kein Messsignal.
Auch hier führt eine Ausgangslage der Magnetisierung M2 in der Detektionsschicht 6 analog zu 4 zu einer Verbesserung. In diesem der 6 zugrunde gelegten Fall (mit der Magnetisierung M1 als Bezugsgröße für die Drehung der Magnetisierung M2 bzw. m_i der Domänen 7_i ) ist zwar das Sensorelement für beide Vorzeichen der mechanischen Spannungen empfindlich (vgl. Teilfiguren 6a und 6b); doch ist seine Empfindlichkeit nicht maximal und auf Grund von notwendigen Domänenwandverschiebungen auch verhältnismäßig stark hysteresebehaftet.
Aus diesem Grunde wird bevorzugt ein eindomäniger Zustand der Detektionsschicht 6 gemäß 7 vorgesehen. In diesem Fall erfolgt nämlich die Magnetisierungsänderung in der Detekti onsschicht 6 (bzw. der Eindomäne) auf Grund äußerer Spannungen σ_z allein über Drehprozesse, die idealerweise hysteresefrei sind. Außerdem ist bei der Ausgangslage der Magnetisierung M2 der Detektionsschicht 6 unter einem Winkel φ zu der angedeuteten Magnetisierung M1 der Referenzschicht 4 das Sensorelement für beide Vorzeichen der Spannung empfindlich (vgl. die Teilfiguren 7a und 7b). Auch für diesen Fall ist die Magnetisierung M1 der Referenzschicht in Richtung der Kraftwirkung ausgerichtet.
Einen Eindomänenzustand gemäß 7 kann man bevorzugt durch Ausnutzung der typischerweise in derartigen Dünnschichtensystemen vorhandenen ferromagnetischen (Néel-)Kopplung erreichen.
Auch hier ist es wie in den anderen vorstehend dargestellten Fällen selbstverständlich möglich, die Ausgangslage der Magnetisierung M2 unter einem Winkel –φ einzustellen.
Sieht man gemäß 8 für ein TMR-Kraftsensorelement 10 ein Dünnschichtensystem 11 vor, bei dem sich auf beiden Seiten (oben und unten) einer Referenzschicht jeweils eine durch eine Tunnelbarrierenschicht 5a bzw. 5b getrennte Detektionsschicht 6a bzw. 6b befindet, kann man die Ausgangslage der Magnetisierung M2a bzw. M2b in den beiden Detektionsschichten jeweils in Richtung von φ bzw. –(90°+ φ) der leichten Achse einstellen. Verwendet man zusätzlich noch als Referenzschicht ein Referenzschichtsystem 12 in Form eines künstlichen Antiferromagneten (vgl. WO 94/15223 A), so wird sich idealerweise in den beiden Detektionsschichten 6a und 6b eine Magnetisierungsrichtung von φ bzw. 180° + φ [= –(90°+ φ)] ergeben, wenn φ = 0° die Richtung der Magnetisierung M1a der ersten ferromagnetischen Einzelschicht 12a des künstlichen Antiferromagneten und φ = 180° die Richtung der Magnetisierung M1b der zweiten ferromagnetischen , durch eine Kopplungsschicht 13 aus nicht-magnetischem Material antiferromagnetisch gekop pelten Einzelschicht 12b des künstlichen Antiferromagneten sind.
Außerdem können durch ein Verschalten von TMR-Kraftsensorelementen auf einer Vorder- und Rückseite einer Referenzschicht Brücken erzeugt werden, mit der sich das Signal eines Einzelelementes linearisieren lässt. Eine Besonderheit des TMR-Effekts ist es nämlich, dass dieser Effekt eine Cosinus (cos)-Abhängigkeit vom Zwischenwinkel aufweist; d.h., es ergibt sich dort die größte Änderung, die näherungsweise linear ist, wo die Magnetisierung der Detektionsschicht unter einem Winkel von ±90° zur Referenzschicht steht. Wie vorstehend erläutert, ist jedoch in diesen Orientierungen die Winkeländerung auf Grund der Magnetostriktion minimal bzw. nur für ein Vorzeichen der Spannung empfindlich. Stellt man nun einen Winkel zwischen 0° und ±90° in der Detektionsschicht ein, so erhält man zwar eine Empfindlichkeit für die beiden Vorzeichen der Spannung; jedoch verschlechtert sich die Linearität. Durch Verschaltung von mehreren TMR-Sensorelementen zu einer Brücke ist in an sich bekannter Weise eine Linearisierung des Gesamtsignals möglich.
Generell lässt sich die Empfindlichkeit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung unter Verwendung jedes anhand der 3 bis 8 angedeuteten Typs von TMR-Kraftsensorelementen dadurch verbessern, dass mehrere solcher Sensorelemente zu einer Brücke verschaltet werden. Dabei kann die Änderung des Sensorsignals in einem Zweig der Brücke auf Grund von äußeren mechanischen Spannungen durch einen von außen eingeprägten Strom kompensiert werden. Es wird dann ein sogenannter Nullpunktabgleich vorgenommen. Außerdem lässt sich durch Variation eines eingeprägten Stroms und des von ihm erzeugten Magnetfeldes die Magnetisierung M2 der Detektionsschicht wieder in den ursprünglichen Zustand (= Ausgangslage) drehen. Der dazu notwendige Strom ist in erster Näherung proportional zur Winkeländerung und damit direkt mit der Größe der zu messenden Spannung korreliert.
Selbstverständlich funktioniert eine Sensoreinrichtung nach der Erfindung analog zu den dargestellten Ausführungsbeispielen, wenn die Magnetostriktionskonstante ihrer mindestens einen Detektionsschicht ihres TMR-Kraftsensorelements ein negatives Vorzeichen besitzt.

Claims

Sensoreinrichtung zur Detektion einer in eine vorgegebene Kraftrichtung wirkenden Kraft (σ_z, σ_d) mit einem tunnelmagnetoresistiven Sensorelement als ein Kraftsensorelement (2, 10), das ein Dünnschichtensystem (3, 11) mit wenigstens folgenden Teilen aufweist, nämlich – eine Detektionsschicht (6; 6a, 6b) aus einem magnetischen Material mit einem Magnetostriktionskoeffizienten λ, für den gilt: λ ≥ |5·10^–6|, – eine vergleichsweise magnetisch härtere Referenzschicht (4; 4a, 4b) oder ein entsprechendes Referenzschichtsystem (12), – eine zwischen diesen Schichten befindliche Zwischenschicht (5; 5a, 5b) aus isolierendem Material als eine Tunnelbarriere und – elektrische Anschlüsse an der Referenzschicht bzw. dem Referenzschichtsystem und an der Detektionsschicht, wobei in der Detektionsschicht (6; 6a, 6b) eine Ausgangsmagnetisierung (M2; M2a, M2b) eingestellt ist, die gegenüber der zumindest annähernd in die Kraftrichtung weisenden Magnetisierung (M1; M1a, M1b) der Referenzschicht (4; 4a, 4b) bzw. des Referenzschichtsystems (12) einen Winkel φ von ungleich 0° einschließt, so dass die Magnetisierung (M2; M2a, M2b) der Detektionsschicht (6; 6a, 6b) unter Einwirkung der Kraft (σ_z, σ_d) aus ihrer Ausgangslage gedreht wird.
Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Detektionsschicht (6; 6a, 6b) aus einem magnetischen Material mit einem Magnetostriktionskoeffizienten λ, für den gilt: λ ≥ |1·10^–5|.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Winkel φ mit einem Betragswert von zumindest annähernd 90°.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Winkel φ mit einem Betragswert von unter 90°.
Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Winkel φ mit einem Betragswert zwischen 75° und 15°.
Einrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Winkel φ mit einem Betragswert von zumindest annähernd 45°.
Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Dünnschichtensystem (11) ihres TMR-Kraftsensorelements (10), das zu beiden Seiten der Referenzschicht oder des Referenzschichtsystems (12) jeweils eine durch eine Tunnelbarrierenschicht (5a, 5b) beabstandete Detektionsschicht (6a, 6b) aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein Referenzschichtsystem (12) mit zwei magnetischen Schichten (12a, 12b) und einer dazwischen liegenden nichtmagnetischen Zwischenschicht (13), wobei die Magnetisierungen (M1a, M1b) in den magnetischen Schichten (12a, 12b) antiparallel zueinander ausgerichtet sind.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere TMR-Kraftsensorelemente in einer Brückenschaltung.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Detek tionsschicht (6) des Dünnschichtensystems ihres TMR-Kraftsensorelements mit einem Mehrdomänenzustand.
Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Detektionsschicht (6) des Dünnschichtensystems ihres TMR-Kraftsensorelements mit einem wenigstens näherungsweisen Eindomänenzustand.
Einrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine ferromagnetische Néel-Kopplung der Detektionsschicht an die Referenzschicht bzw. das Referenzschichtsystem.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine magnetische Vorspannung der Detektionsschicht ihres TMR-Kraftsensorelements.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine Co- und/oder Fe- und/oder Ni-haltige Detektionsschicht (6; 6a, 6b).
Einrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Detektionsschicht mit einem amorphen Gefüge ihres Materials.