DE19843349A1 - Magnetoresistives Sensorelement, insbesondere Winkelsensorelement - Google Patents
Magnetoresistives Sensorelement, insbesondere WinkelsensorelementInfo
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Abstract
Magnetoresistives Sensorelement, insbesondere Winkelsensorelement, mit einer ersten, magnetischen Schicht (1), deren Magnetisierungsrichtung eine Referenzrichtung darstellt, einer auf der ersten Schicht (1) ausgebildeten zweiten, nichtmagnetischen Schicht (2) und einer dritten, auf der zweiten Schicht ausgebildeten magnetischen Schicht (3), deren Magnetisierungsrichtung durch ein äußeres Magnetfeld beeinflußbar ist, wobei die dritte Schicht (3) wenigstens teilweise in Form von einzelnen Segmenten (3a) ausgebildet ist.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein magnetoresistives
Sensorelement, insbesondere ein Winkelsensorelement, nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Sensoren, insbesondere Winkelsensoren, die auf der
Grundlage des magnetoresistiven Effektes arbeiten, sind
bekannt. Hierbei wird der elektrische Widerstand von
Sensorelementen in Abhängigkeit von der Richtung eines
äußeren Magnetfeldes gemessen. Es sind beispielsweise
Systeme beschrieben worden, bei welchen sogenannte
GMR-Sensorelemente (engl. Giant-Magneto-Resistance),
insbesondere unter Verwendung von selbstabilisierenden
magnetischen Schichten, eingesetzt werden (van den Berg et.
al., GMR angle detector with an artificial
antiferromagnetic subsystem, Journal of Magnetism and
Magnetic Materials 165 (1997) 524-528). Hierbei wird eine
erste dünne, sogenannte Referenzschicht dadurch erzeugt,
daß zwischen zwei entgegengesetzt magnetisierten Lagen
(beispielsweise aus Co) eine antiferromagnetische
Kopplungsschicht (beispielsweise aus Cu oder Ru)
eingebracht wird. Die magnetische Stabilität der
Referenzschicht ist durch diesen Mehrschicht-Aufbau
gegenüber einzelnen Co-Schichten um etwa eine Größenordnung
erhöht. Die Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht
hängt (im Idealfall) nicht von der Richtung des äußeren (zu
messenden) Magnetfeldes ab.
Die Referenzschicht ist mit einer dünnen nicht-magnetischen
Schicht abgedeckt, auf der wiederum eine dünne
weichmagnetische Schicht, die sogenannte Detektionsschicht,
ausgebildet ist. Die Detektionsschicht richtet ihre
Magnetisierung (wiederum im Idealfall), auch bei
betragsmäßig kleinen Feldern, in Richtung eines äußeren
Magnetfeldes aus. Aus der Theorie des GMR-Effektes ist
bekannt, daß ein Sensorsignal einer Funktion R(α) = R0 +
ΔR.sin(α) folgt, wobei R0 ein Offsetwiderstand, ΔR ein
Signalhub des Sensors und α der zu messende Winkel zwischen
einer ausgezeichneten Sensorrichtung (insbesondere der
Referenzrichtung) und der Richtung des äußeren Magnetfeldes
ist.
Als nachteilig bei derartigen Systemen erweist sich, daß es
aufgrund verschiedener magnetischer Wechselwirkungen bzw.
Effekte zu Ungenauigkeiten bzw. Fehlern bei der
Winkelbestimmung kommen kann. Winkelfehler werden im
wesentlichen durch zwei Faktoren verursacht. Zum einen wird
die magnetische Referenz von dem zu messenden Magnetfeld
beeinflußt und bleibt nicht starr in der ausgezeichneten
Richtung, zum anderen folgt die Magnetisierungsrichtung der
Detektionsschicht nicht fehler- bzw. verzögerungsfrei der
Richtung des äußeren Magnetfeldes.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines
magnetoresistiven Sensorelements bzw. Sensors, mit dem
auftretende Winkelfehler vermieden oder wenigstens
verringert werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein magnetoresistives
Sensorelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Erfindungsgemäß ist nun ein Sensorelement geschaffen, bei
dem die Magnetisierungsrichtung der Detektionsschicht einem
äußeren Magnetfeld, insbesondere auch bei betragsmäßig
kleinem äußeren Magnetfeld, wesentlich leichter und genauer
bzw. verzögerungsfreier folgen kann als dies bei
herkömmlichen Sensorelementen möglich war. Die hierdurch
erzielbare Verbesserung der Genauigkeit des Sensorelements
ist mit geringem technischen Aufwand (beispielsweise
Strukturierung der Detektionsschicht durch bekannte
chemische Verfahren) erreichbar.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Sensorelements sind Gegenstand der Unteransprüche.
Es ist besonders bevorzugt, daß die Segmente wenigstens
teilweise kreisförmig oder ellipsenförmig ausgebildet sind.
Mit einer derartigen Formgebung erhält man eine besonders
verzögerungsfreie bzw. genaue Ausrichtung der
Magnetisierungsrichtung der Detektionsschicht bezüglich
eines äußeren Magnetfeldes.
Zweckmäßigerweise weist das Sensorelement eine längliche
bzw. langgestreckte Form auf. Durch diese Ausbildung wird
eine weitgehende Unabhängigkeit der Referenzmagnetisierung
von dem äußeren Magnetfeld erreicht. Durch die
langgestreckte Form bzw. die Anisotropie des Sensorelements
(seine Länge sollte wesentlich größer als seine Breite
sein) ist insbesondere eine günstige Wirkung auf die
Selbststabilisierung einer als künstlicher Antiferromagnet
ausgebildeten Referenzschicht erzielbar.
Als besonders vorteilhaft wird angesehen, die
Sensorelemente mäanderförmig auszubilden. Hierdurch sind
auf geringem Raum sehr lange Sensorstrukturen realisierbar.
Zweckmäßigerweise ist die erste Schicht eine
hartmagnetische Schicht. Derartige Schichten sind preiswert
realisierbar und gewährleisten eine gute magnetische
Stabilität der Referenzschicht.
Die dritte Schicht ist zweckmäßigerweise als
weichmagnetische Schicht ausgebildet. Derartige Schichten
sind in einfacher und preiswerter Weise in einer Vielzahl
verschiedener Formen realisierbar. Als bevorzugtes Beispiel
für weichmagnetische Werkstoffe seien Ni-Fe Legierungen
genannt.
Es ist bevorzugt, daß die erste Schicht aus einer
Schichtanordnung mit einer selbststabilisierenden Kopplung
(künstlicher Antiferromagnet) besteht. Derartige Schichten
weisen eine besonders hohe magnetische Stabilität auf,
ferner wirkt sich eine längliche Formgebung des
Sensorelement auf die magnetische Stabilität derartiger
Schichtanordnungen besonders günstig aus.
Es ist ebenfalls bevorzugt, daß die erste Schicht eine
künstlich gepinnte bzw. vorgespannte Magnetisierung
aufweist. Eine derartige Magnetisierung ist beispielsweise
mittels eines in Wirkverbindung mit der ersten Schicht
stehenden stromdurchflossenen Leiters zur Stabilisierung
ihrer Magnetisierungsrichtung erzielbar.
Es ist bevorzugt, daß die erste und dritte Schicht unter
Verwendung von GMR-Werkstoffen hergestellt sind.
Die Erfindung wird nun anhand einer bevorzugten
Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung im einzelnen erläutert. In dieser zeigt
Fig. 1 eine schematische Draufsicht einer bevorzugten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Sensorelements, und
Fig. 2 das Sensorelement der Fig. 1 schematisch in
einer Seitenansicht.
Das in Fig. 1 dargestellte Sensorelement weist eine erste,
magnetische bzw. magnetisierte Schicht 1 auf, welche eine
Referenzschicht darstellt. Der innere Aufbau dieser ersten
Schicht ist nicht im einzelnen dargestellt. Es ist
bevorzugt, daß die erste Schicht 1 als künstlicher
Antiferromagnet ausgebildet ist, d. h. zwischen zwei dünnen
magnetischen Lagen mit (im Grundzustand) antiparallel
ausgerichteten Magnetisierungen ist eine als
antiferromagnetische Kopplungsschicht wirkende, dünne
metallische Zwischenschicht ausgebildet. Bezüglich der
magnetischen Rahmenbedingungen, die zur Schaffung eines
selbststabilierenden künstlichen Antiferromagneten
notwendig sind, wird auf den bereits erwähnten Artikel von
van den Berg et. al. verwiesen.
Die Richtung der durch die erste Schicht 1 geschaffenen
Referenzmagnetisierung ist in Fig. 1 und Fig. 2 durch
einen Pfeil 5 dargestellt. Die zu messende Richtung eines
äußeren Magnetfeldes ist durch den gestrichelten Pfeil 6
dargestellt.
Auf die erste Schicht 1 ist eine dünne, unmagnetische
zweite Schicht 2 aufgebracht, auf welcher wiederum eine
magnetische dritte Schicht 3 (Detektionsschicht)
ausgebildet ist.
Das Schichtsystem mit den Schichten 1, 2, 3 wird
vorteilhafterweise in der schematisch dargestellten
langgezogenen (oder auch einer mäandrierten) Form
hergestellt, wobei zunächst auch die dritte Schicht 3
unstrukturiert, d. h. entsprechend den Schichten 1, 2
ausgebildet ist. Anschließend wird die dritte Schicht 3
beispielsweise mittels chemischer Verfahren (z. B.
Ätzverfahren) in Form der dargestellten Ellipsen 3a oder in
Form von Kreisen selektiv strukturiert. Eine derartige
Strukturierung erweist sich für die Sensorfunktion als sehr
günstig, da hierdurch die Magnetisierungsrichtung auch
betragsmäßig kleinen äußeren Magnetfeldern verhältnismäßig
leicht folgen kann. Die (der Richtung 6 des äußeren
Magnetfeldes entsprechende) Magnetisierung ist mittels
Pfeilen 7 für die jeweiligen Ellipsen 3a dargestellt.
Bei Anlegen einer Spannung an die jeweiligen Enden 10, 11
des Sensorelements ergibt sich, in Abhängigkeit von einem
anliegenden äußeren Magnetfeld, ein charakteristischer
Widerstandswert des Sensorelements, aus welchem der Winkel
der Magnetisierungsrichtung des äußeren Feldes bestimmbar
ist.
Die erfindungsgemäßen Sensorelemente können in an sich
bekannter Weise beispielsweise zu Brückenschaltungen
verschaltet werden. Mit Sensoren, die derartige
Brückenschaltungen verwenden, sind Winkelmessungen in
besonders einfacher und zuverlässiger Weise möglich.
Claims (9)
1. Magnetoresistives Sensorelement, insbesondere
Winkelsensorelement, mit einer ersten, magnetischen Schicht
(1), deren Magnetisierungsrichtung eine Referenzrichtung
darstellt, einer auf der ersten Schicht (1) ausgebildeten
zweiten, nicht-magnetischen Schicht (2), und einer dritten,
auf der zweiten Schicht ausgebildeten magnetischen Schicht
(3), deren Magnetisierungsrichtung durch ein äußeres
Magnetfeld beeinflußbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die dritte Schicht (3) wenigstens teilweise in Form von
einzelnen Segmenten (3a) ausgebildet ist.
2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Segmente (3a) wenigstens teilweise kreisförmig oder
ellipsenförmig ausgebildet sind.
3. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß es eine längliche Form aufweist.
4. Sensorelement nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß es mäanderförmig ausgebildet
ist.
5. Sensorelement nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (1) eine
hartmagnetische Schicht ist.
6. Sensorelement nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Schicht (3) eine
weichmagnetische Schicht ist.
7. Sensorelement nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (1) aus einer
Schichtanordnung mit einer selbststabilisierenden Kopplung
besteht.
8. Sensorelement nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (1) eine
künstlich gepinnte Magnetisierung aufweist.
9. Sensorelement nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder die dritte
Schicht (1, 3) unter Verwendung von GMR-Werkstoffen
hergestellt ist bzw. sind.
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