DE19649265A1

DE19649265A1 - GMR-Sensor mit neuartiger Wheatstonebrücke

Info

Publication number: DE19649265A1
Application number: DE1996149265
Authority: DE
Inventors: Roland Dipl Phys Dr Mattheis; Torsten Dipl Phys Straser
Original assignee: Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV
Current assignee: Institut fur Photonische Technologien Ev 0 De
Priority date: 1996-11-28
Filing date: 1996-11-28
Publication date: 1998-06-04
Anticipated expiration: 2016-11-29
Also published as: DE19649265C2

Description

Die Erfindung betrifft einen GMR-Sensor mit neuartiger Wheatstonebrücke unter Verwendung von Giant Magnetowiderstands materialien (GMR), die bezüglich ihres magnetoresistiven Effektes isotrope Eigenschaften und einen sehr großen magnetoresistiven Effekt aufweisen. Solche Sensoren werden bevorzugt zur Messung kleiner magnetischer Felder verwendet und als berührungslos messende Winkeldetektoren eingesetzt.

Zur betrags- und richtungsmäßigen Messung von Magnetfeldern werden nach dem Stand der Technik magnetoresistive Streifenleiter eingesetzt, die anisotrop bzgl. ihrer magnetoresistiven Eigenschaften und i.a. als Wheatstonebrücke verschaltet sind (vgl. z. B. DD 256 628, DE 43 17 512). Die dabei zum Einsatz gelangenden magnetoresistiven Streifenleiter weisen bzgl. eines äußeren Magnetfeldes anisotrope Widerstandsänderungen auf, was für den Verwendungszweck z. B. als Drehwinkelgeber eine wünschenswerte Eigenschaft ist. Solche Streifenleiter, z. B. auf der Basis von Permalloy, zeigen jedoch nur maximale Widerstandsänderungen von ca. 2-3%, weswegen ein relativ hoher elektronischer und herstellungsmäßiger Aufwand betrieben werden muß.

Des weiteren sind auch Materialien bzw. Bauformen mit einem sogenannten Giant Magnetowiderstand bekannt geworden (vgl. z. B. S.P.P. Parkin et al., Oscillatory magnetic exchange coupling through thin copper layers, Phys. Rev. Lett., Vol. 66, S. 2152ff., 1991 und R. von Helmolt et al., Giant Negative Magnetoresistance in Perovskitelike La_2/3Ba_1/3MnO_x Ferromagnetic Films, Phys. Rev. Lett., Vol. 71, No. 14, S. 2331ff., 1993). Diese Klasse von Materialien bzw. Bauformen weisen magnetoresistive Widerstandseffekte auf, die die üblicherweise verwendeter magnetoresistiver Materialien um eine bis mehrere Größenordnungen übersteigen. Der Nachteil dieser Materialien für den angestrebten Verwendungszweck besteht jedoch darin, daß sie keinen anisotropen Widerstandseffekt aufweisen.

Magnetoresistive Sensoren werden in bekannter Weise in Form von Wheatstonebrücken ausgebildet, um Umwelteinflüsse wie Temperaturänderungen auf das Meßsignal zu minimieren oder total zu unterdrücken. Der Aufbau derartiger Wheatstonebrücken setzt voraus, daß sich benachbarte Brückenzweige einer Halbbrücke bei Einwirkung eines äußeren magnetischen Feldes bzgl. der magnetoresistiven Widerstandsänderung entgegengesetzt verhalten. Dies ist bei Verwendung von anisotropen magnetischen Materialien, wie bei dem in klassischen MR-Sensoren verwendeten Permalloy (Ni₈₁Fe₁₉) vergleichsweise einfach realisierbar, indem durch zueinander senkrechte Ausrichtung von zwei MR-Streifenleitern innerhalb einer Halbbrücke oder durch die Verwendung von Barberpolen die Richtung des in dem magnetoresistiven Brückenzweigen fließenden Stromes unterschiedlich eingeprägt ist. Im Falle von isotropen Widerstandssystemen, wie z. B. Systemen mit Giant Magnetowiderstandseffekt, führen die bisher verwendeten Lösungsansätze jedoch zu keiner befriedigenden Lösung. Ein möglicher Lösungsansatz wurde für Drehwinkelsensoren für antiferromagnetisch gekoppelte Viellagenschichten oder Schichtsysteme mit einem kolossalen Magnetowiderstandseffekt bspw. in DE 195 32 674 C1 aufgezeigt. Dort wird durch eine geeignet geformte Geometrie von weichmagnetischen, als magnetische Sammler wirksamen Antennengeometrien eine Änderung der auf benachbarte Brückenzweige wirkenden Magnetfelder erreicht. Dieser Lösungsansatz bewirkt zwar den gewünschten Effekt, jedoch ist er mit zusätzlichen Strukturen und diffizilen Strukturierungsprozessen verbunden und nur für eine Drehwinkelmessung geeignet.

Weiterhin sind Schichtsysteme mit einem sogenannten Spin-Valve-Effekt bekannt, die vorzugsweise zur Detektion kleiner Felder oder auch zur Winkeldetektion verwendet werden (vgl. z. B. DE 43 01 704 A1) Diesen Schichtsystemen ist gemeinsam, daß sie aus magnetischen Einzelschichten bestehen, bei denen idealerweise eine Sensorschicht magnetisch leicht drehbar und eine Biasschicht magnetisch unbeweglich ist. Diese Schichten können bislang nur als einzelne magnetoresistive Streifensensoren betrieben werden, womit zwar vergleichsweise hohe Signale erhaltbar sind, jedoch auch alle weiteren Störeinflüsse, wie Temperaturschwankungen, das Meßsignal beeinflussen.

Vorliegender Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine magnetoresistive Wheatstonebrückenschaltung anzugeben, die eine Verwendung von Spin-Valve-Schichtsystemen für die einzelnen Brückenelemente ermöglicht.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Das Wesen der Erfindung besteht in einer neuartigen Anordnung der einzelnen Brückenelemente innerhalb einer Wheatstonebrücke zueinander, wobei die gesamte, wenigstens eine Wheatstonebrücke umfassende Anordnung einen einheitlichen magnetischen Formierungsprozeß zwecks Aufprägung definierter Magnetisierungsrichtungen innerhalb der Biasschichten der einzelnen Brückenelemente erfahren hat.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und schematischer Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1a den Aufbau eines Spin-Valve-Schichtsystems mit einer hartmagnetischen Biasschicht, gebildet durch eine antiferromagnetische Schicht sowie eine ferromagne tische Schicht, und einer weichmagnetischen Sensor schicht,

Fig. 1b den Aufbau eines Spin-Valve-Schichtsystems mit einem künstlichen Antiferromagneten als hartmagne tischer Biasschicht und einer weichmagnetischen Sensorschicht,

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau einer Wheatstone-Vollbrücke mit vier Brückenzweigen, die je aus einem Spin-Valve-Schicht system nach Fig. 1a oder Fig. 1b gebildet sind, wobei die Pfeile in den Brückenelementen die Magnetisierung der jeweiligen Biasschicht anzeigen,

Fig. 3 zeigt eine mögliche Variante zum Einprägen der gewünschten Magnetisierungsrichtungen in den Biasschichten der einzelnen Brückenelemente,

Fig. 4 eine mögliche Feldverteilung zur Formierung der unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen der Bias schichten, aufgeprägt durch eine Anordnung nach Fig. 3 und

Fig. 5 eine Anordnung von zwei zueinander senkrecht ausgerichteten Wheatstonebrücken nach Fig. 2.

Fig. 1a zeigt ein Siliziumsubstrat 1, welches bspw. durch thermische Oxidation mit einer SiO₂-Schicht 2 versehen ist. Auf dieses Substrat ist eine antiferromagnetische Schicht 3 aufgebracht, die bspw. aus FeMn oder CoO oder NiO oder einer Mischung aus NiO und CoO bestehen kann. Darauf befindet sich eine weichmagnetische Schicht 4, die durch die antiferromagnetische Schicht 3 gepinnt wird. Die Kombination dieses Doppelschichtsystems 3 und 4 wirkt wie eine hartmagnetische Schicht. Ebenso kann diese hartmagnetische Schichtpaket durch einen künstlichen Antiferromagneten 7 gebildet sein, wie in Fig. 1b schematisch angedeutet, welcher die Funktionen der Schichten 3 und 4 in sich vereinigt. Diesem Schichtpaket folgt weiterhin eine nichtmagnetische, elektrisch leitfähige Zwischenschicht 5 mit einer Dicke von 2 bis 5 nm, welche z. B. aus Kupfer besteht. Auf der Schicht 5 ist schließlich die eigentliche Sensorschicht 6, bestehend aus einem weichmagnetischen Material, wie z. B. Ni₈₁Fe₁₉, aufgebracht. Aus diesem beschriebenen, ganzflächig auf das Substrat aufgebrachten Schichtpaket sind in einem anschließenden Strukturierungsprozeß, der nicht Gegenstand der Erfindung ist, einzelne Brückenelemente für eine danach auszubildende Wheatstonebrücke in geeigneter Weise herausstrukturiert, so daß die Fig. 1a und 1b als seitlicher Schnitt durch ein einzelnes Brückenelement angesehen werden können.

Äußere, zu registrierende magnetische Felder, die in der Schichtebene liegen, sollen die Richtung der Magnetisierung der Sensorschicht 6 leicht ändern können, die Richtung der Magnetisierung der an die nichtmagnetische leitfähige Schicht 5 angrenzenden Schicht 4; 7 jedoch unverändert lassen. Der elektrische Widerstand ist dann bestimmt durch den Winkel, den die Richtung der Magnetisierung der Sensorschicht 6 mit der Richtung der Magnetisierung der an die nichtmagnetische leitfähige Schicht angrenzenden Schicht 4; 7 bildet.

Fig. 2 zeigt eine prinzipielle Anordnung der in Fig. 1a oder 1b dargestellten Widerstandselemente und deren Verschaltung zu einer Wheatstonevollbrücke 10. Dabei zeigen die innerhalb der Brückenelemente dargestellten Pfeile die Richtung der Magnetisierung der Biasschicht 4; 7 an, wie sie gemäß der Erfindung den zu einer Wheatstonevollbrücke gehörigen einzelnen Brückenelementen 11, 12, 13, 14 aufgeprägt ist. Die dünner ausgeführten Pfeile deuten die Richtung der einem äußeren Feld H folgenden Magnetisierung in der Sensorschicht 6 an. Die einzelnen Brückenelemente 10, 11, 12, 14 sind als Streifenleiter ausgeführt, denen im Rahmen der Erfindung beliebige Strukturen, bspw. mäandrierte Strukturen, gegeben sein können. Wesentlich ist lediglich die magnetische Ausrichtung der Biasschichten 4; 7 innerhalb der Streifenleiter. Streifenleiter, denen eine parallele Magnetisierung gegeben ist, sollen bevorzugt räumlich eng zueinander benachbart angeordnet sein. Fig. 2 zeigt dabei die grundsätzliche Anordnung der einzelnen Brückenelemente innerhalb einer Wheatstonebrücke 10, bei der für die einzelnen Wheatstonebrückenelemente 11, 12, 13, 14 Dünnschichtstreifenleiter bestehend aus einem Spin-Valve-Schichtsystem eingesetzt sind, wobei die je eine Halbbrücke bildenden Brückenelemente, im Beispiel sind dies die Brückenelemente 11 und 12, 13 und 14, in solcher Weise miteinander elektrisch verschaltet und angeordnet sind, daß das erste Brückenelement 11 der ersten Halbbrücke 11, 12 mit dem zweiten Brückenelement 14 der zweiten Halbbrücke 13, 14 benachbart zu einer Achse X-X dem ersten Brückenelement 13 der zweiten Halbbrücke 13, 14 und dem zweiten Brückenelement 12 der ersten Halbbrücke 11, 12 gegenübersteht und den auf je einer Halbseite h1, h2 zusammengefaßten Brückenelementen [11 und 14 auf der Halbseite h1, 12 und 13 auf der zweiten Halbseite h2] jeweils eine parallele Magnetisierung aufgeprägt ist, wie es durch innerhalb der Brückenelemente angebrachte dicke Pfeile dargestellt ist, wobei die Magnetisierung der Brückenelemente 11 und 14, 12 und 13 sich gegenüberstehender Halbseiten h1, h2 zueinander antiparallel festgelegt ist. Ein äußeres magnetisches Feld H, dessen Richtung durch einen dicken Pfeil neben der Wheatstonebrücke 10 angedeutet ist, bewirkt eine einheitliche Verdrehung der Magnetisierung innerhalb der Sensorschicht 6 der einzelnen Brückenelemente 11, 12, 13, 14, wie es dünne, den Brückenelementen zugeordnete Pfeile andeuten. Die Spannungs versorgung der Wheatstonebrücke 10 mit einer Spannung U erfolgt zwischen den Kontaktstellen 121 und 122, der Brückenabgriff zwischen den Kontaktstellen 111 und 112.

Um die nach Fig. 2 angedeuteten antiparallelen Magnetisierungen der einzelnen Brückenelemente zu erzeugen, bedarf es für relativ kleine Flächen, die von einer Wheatstonebrücke eingenommen werden, welche in der Größenordnung von i.a. 1-4 mm² liegen, lokaler hoher und in ihrer Richtung antiparalleler Magnetfelder. Dazu wird zumindest eine nach Fig. 2 ausgebildete Wheatstonebrücke 10, zur Formierung der Magnetisierung innerhalb der Biasschicht(en) in das Feld zweier sich mit gleichnamigen Polen dicht benachbart gegenüberstehender magnetischer oder magnetisierbarer Körper 8 eingebracht, wie es in Fig. 3 schematisch angedeutet ist. Dabei kann beispielsweise eine Magnetanordnung, bestehend aus NdFeB-Hartmagneten Verwendung finden. Besitzen diese Magnete bspw. eine Breite von 8 mm, eine Höhe von 10 mm und eine in Richtung senkrecht zur Zeichenebene beliebige Ausdehnung, sind bei einer Beabstandung d von ca. 1 mm, in Bereichen von 2-3 mm Feldstärken von ≧1 T erreichbar. Der mit wenigstens einer Wheatstonebrücke versehene Chip muß dann so aufgebaut sein, daß sich zwischen den magnetfeldempfindlichen Brückenelementen, mit Bezug auf die Fig. 2 sind dies in Fig. 3 die Brückenelemente 11, 13, hinter denen sich die nicht dargestellten Brückenelemente 14, 12 befinden, ein Abstand von ca. 4 mm verbleibt, in dem bspw. die erforderlichen Leitbahnen zur Verschaltung der Wheatstonebrücke verlegt sein können. Bevorzugt sind natürlich auf dem Chip eine Vielzahl von Wheatstonebrücken hintereinander und in Streifen nebeneinander angeordnet, so daß für jeweils einen Streifen eine Formierung mit einer Anordnung nach Fig. 3 vorgenommen werden kann.

In Fig. 4 ist die Feldverteilung dargestellt, wie sie sich nach Fig. 3 ergibt. Die im Spalt d markierten fetten Pfeile geben die Richtung des auf den Chip wirkenden Feldes an, wenn es in der Mitte des Spaltes angeordnet wird. Dazu sind schematisch in Fig. 4 die Komponente des Magnetfeldes parallel zum Spalt am Ort der Mitte des Spaltes angegeben. Setzt man eine Mindestfeldstärke von H_min für die Formierung an, so muß der Chip im Spalt so angeordnet werden, daß sich die feldempfindlichen Teile der Wheatstonebrücke in den Bereichen 9a und 9b befinden.

Ebenso ist eine Ausbildung der Polschuhe als stabförmige Magneten, wie in Fig. 5 in Kreisform dargestellt, möglich und dann vorteilhaft, wenn eine flächige Verteilung des Formierungsfeldes gewünscht wird, was bspw. zur gleichzeitigen Formierung zweier zueinander senkrecht angeordneter Wheatstonebrücken 10 und 10' erforderlich sein kann.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnungen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Bezugszeichenliste

1

Substrat

2

SiO₂

-Schicht

3

antiferromagnetische Schicht

4

ferromagnetische Schicht, gepinnt an

3

5

leitfähige nichtmagnetische Schicht

6

Weichmagnetische Schicht

7

Künstlicher Antiferromagnet

8

Permanentmagnet

10,

10

' Wheatstonebrücke

11

,

12

,

13,

14

Brückenelemente der Wheatstonebrücke

10

111,

112

Abgriff der Wheatstonebrücke

121,

122

Potentialversorgung der Wheatstonebrücke

9

a,

9

b Lage der magnetfeldempfindlichen Bereiche des Chips
d Spaltbreite.

Claims

1. GMR-Sensor mit neuartiger Wheatstonebrücke, dadurch gekennzeichnet, daß für die einzelnen Wheatstonebrückenelemente (11, 12, 13, 14) Dünnschichtstreifenleiter, bestehend aus einem Spin-Valve-Schichtsystem, eingesetzt sind, wobei die je eine Halbbrücke bildenden Brückenelemente (11 und 12; 13 und 14) in solcher Weise miteinander elektrisch verschaltet und angeordnet sind, daß das erste Brückenelement (11) der ersten Halbbrücke (11, 12) mit dem zweiten Brückenelement (14) der zweiten Halbbrücke (13, 14) benachbart zu einer Achse (X-X) dem ersten Brückenelement (13) der zweiten Halbbrücke (13, 14) und dem zweiten Brückenelement (12) der ersten Halbbrücke (11, 12) gegenübersteht und den auf je einer Halbseite (h1; h2) zusammengefaßten Brückenelementen (11 und 14; 12 und 13) jeweils eine parallele Magnetisierung aufgeprägt ist, wobei die Magnetisierung der Brückenelemente (11 und 14; 12 und 13) sich gegenüberstehender Halbseiten (h1, h2) zueinander antiparallel festgelegt ist.

2. GMR-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß genannte Brückenelemente (11, 14) und (13, 12) bezüglich der Achse (X-X) einander spiegelsymmetrisch gegenüberstehend angeordnet sind.

3. GMR-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenelemente (11, 14 und 12, 13), welche eine parallele Magnetisierung aufweisen, räumlich eng benachbart zueinander angeordnet sind.

4. GMR-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Brückenelementen (11 und 14; 13 und 12) in den Funktionsschichten (4; 7) aufgeprägte Magnetisierung durch zwei sich mit gleichnamigen Polen gegenüberstehende magnetisierte oder magnetisierbare Körper (8), die durch einen schmalen Spalt (d) zueinander beabstandet sind, in den die zu magnetisierenden Brückenelemente (11 bis 14) einbringbar sind, erzeugt ist.

5. GMR-Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisierten oder magnetisierbaren Körper (8) derart dimensioniert sind, daß von dem von ihnen ausgehenden magnetischen Feld wenigstens eine Wheatstonevollbrücke (10), bestehend aus zwei Halbbrücken (11, 14 und 12, 13), erfaßt ist.

6. GMR-Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei zueinander senkrecht stehende Wheatstonebrücken (10, 10') von einem Magnetfeld zweier stabförmiger Magneten (8) erfaßbar sind.