DE69818884T2

DE69818884T2 - Magnetoresistiver Sensor

Info

Publication number: DE69818884T2
Application number: DE69818884T
Authority: DE
Inventors: Yoshito Nagaoka-shi Sasaki; Naoya Nagaoka-shi Hasegawa; Akihiro Nagaoka-shi Makino; Ichiro Furukawa-shi Tokunaga; Seiji Toda-gun Kikuchi
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1997-03-07
Filing date: 1998-02-19
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2018-02-20
Also published as: EP0863406A3; EP0863406A2; KR100300386B1; KR19980079939A; US6191577B1; EP0863406B1; DE69818884D1; JPH10256620A; JP3886589B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf magnetoresistive Sensoren, welche als Positionssensoren, Winkelsensoren usw. verwendet werden.
Bekannte magnetoresistive (MR) Elemente umfassen anisotrope magnetoresistive (AMR) Elemente, welche auf anisotropen magnetoresistiven Phänomenen basieren, und Elemente mit gigantischem magnetoresistiven Effekt (GMR), welche auf spin-abhängigen Streuungsphänomenen von Zustandselektronen basieren. US-Patent Nr. 5 159 513 beschreibt ein Spin-Valve-Element mit starken magnetischen Widerstandseffekten bei einem schwachen externen magnetischen Feld als ein Beispiel für die GMR-Elemente.
Da kontaktfreie Potentiometer und magnetische Sensoren, welche MR-Elemente verwenden, wie z. B. kontaktfreie Winkelsensoren und Positionssensoren, durch Gleichströme oder niederfrequente Ströme arbeiten, ist die Verwendung von Hochpass-Filtern (high pass filter) nicht erlaubt, wenn die Gleichstrom-Offset-Komponente (die Komponente des Widerstands, die sich nicht durch das magnetische Feld verändert) von den Ausgangsspannungen der MR-Elemente entfernt wird. Hierbei ist die Ausgangsspannung des MR-Elements durch die folgende Gleichung repräsentiert: V = (R0 + ΔR)iwobei R₀ die unveränderliche Komponente ist, welche sich nicht durch das magnetische Feld ändert, Δ R die veränderliche Komponente ist, welche sich durch das magnetische Feld ändert, i ein Stromfluss im Element ist, und somit ist die Gleichstrom-Offset-Komponente durch R₀i repräsentiert. Entfernen der Gleichstrom-Offset-Komponente ist für die Signalverarbeitung, wie z. B. Verstärkung, in den folgenden Schaltkreisen erforderlich.
Wie in 6 einer üblichen konventionellen Schaltkreisanordnung gezeigt, sind ein MR-Element 1 und ein weiteres MR-Element 2 in Reihe verbunden, zwei Ausgänge A und C sind an den beiden nicht verbundenen Enden der MR-Elemente 1 und 2 vorgesehen, und ein dazwischen liegender Ausgang B ist zwischen den MR-Elementen 1 und 2 vorgesehen, um den differenziellen Output zwischen den beiden MR-Elementen 1 und 2 abzunehmen. Der Output V₁ = (R₀ + ΔR) i des MR-Elements 1 wird zwischen den Ausgängen A und B gemessen, und der Output V₂ = (R₀ – ΔR) i des MR-Elements 2 wird zwischen den Ausgängen B und C gemessen, und daher ist der differenzielle Output 2ΔRi als veränderliche Komponente gegeben durch 2ΔRi = V₁ – V₂.
Eine weitere konventionelle Anordnung ist in 7 gezeigt. Eine Brückenschaltung umfasst vier MR-Elemente 3, 4, 5 und 6, wobei die MR-Elemente 3 und 5 das gleiche Signal einer Änderung des Widerstands haben, die MR-Elemente 4 und 6 ebenfalls das gleiche Signal einer Änderung des Widerstands haben, und das Signal der MR-Elemente 3 und 5 und das Signal der MR-Elemente 4 und 6 einander entgegengesetzt sind. Ausgänge a, b, c und d sind zwischen den MR-Elementen 3 und 6, zwischen den MR-Elementen 4 und 5, zwischen den MR-Elementen 3 und 4 bzw. zwischen den MR-Elementen 5 und 6 vorgesehen. Eine veränderliche Komponente kann durch die differenzielle Ausgangsspannung (Output) zwischen diesen Ausgängen durch Aufheben der unveränderlichen Komponente erfasst werden.
8 zeigt ein konkretes Beispiel der konventionellen Schaltkreisanordnung, welche in 6 gezeigt ist. In 8 sind zwei rechteckige Anordnungen 7 und 8, welche aus magnetischen Filmen aus einer Nickel-Eisen-Legierung (permalloy) gebildet sind, zueinander rechtwinklig angeordnet, die Ausgänge D und E sind an den Enden der Anordnung 7 bzw. der Anordnung 8 vorgesehen, und ein dazwischen liegender Anschluss F ist am Verbindungspunkt der Anordnungen 7 und 8 vorgesehen. Da der Widerstand jedes der AMR-Elemente 7 und 8 vom Winkel θ zwischen dem Strom i und der Magnetisierung M in Richtung des Pfeils M abhängt, sind die Anordnungen 7 und 8 rechtwinklig zueinander angeordnet. Die Änderungen der Widerstände der AMR-Elemente 7 und 8 zur Magnetisierung M sind durch die folgenden Gleichungen repräsentiert: R1 = R0 – ΔR·sin2(90 – θ), bzw. R2 = R0 – ΔR·sin2θ,
Die veränderliche Komponente ist daher durch die folgende Gleichung (I) festgelegt: R = R1 – R2 = ΔR[sin2θ – sin2(90 – θ)] = –ΔR·cos2θ ... (I)wobei R₁ der Widerstand des AMR-Elements 7 ist, R₂ der Widerstand des AMR-Elements 8 ist, und R₀ die unveränderliche Komponente des Widerstands von jeweils AMR-Element 7 und 8 ist.
In einem Sensor mit der in 8 gezeigten Schaltkreisanordnung dreht sich die Magnetisierung M des AMR-Elements beispielsweise in die Richtung, in welcher θ ansteigt, während die Magnetisierung M des AMR-Elements 8 in die Richtung dreht, in welcher θ abnimmt, wenn die Magnetisierungsrichtungen der AMR-Elemente 7 und 8 gleichzeitig gedreht werden durch Drehen eines in der Nähe der Elemente vorgesehenen Magneten. Die Ausgangsphasen der AMR-Elemente 7 und 8 sind deshalb antiparallel zueinander.
Falls Spin-value-Elemente starke magnetoresistive Effekte bei schwachem externen Magnetfeld zwischen GMR-Elementen anstatt der AMR-Elemente 7 und 8 verwendet werden, kann erwartet werden, dass ein hoher Output erreicht werden kann auf Grund einer größeren veränderlichen Komponente des magnetischen Widerstands, und somit kann ein Sensor mit hoher Empfindlichkeit hergestellt werden; da jedoch die veränderliche Komponente in den Spin-Valve-Elementen nicht vom Winkel θ zwischen der Magnetisierung M und dem Strom abhängt, können Spin-Valve-Elemente nicht in der in 8 gezeigten Schaltkreisanordnung verwendet werden.
Das oben erwähnte US-Patent Nr. 5 159 513 beschreibt einen magnetoresistiven Sensor als Beispiel für magnetische Sensoren, welche Spin-Valve-Elemente verwenden. Wie in 9 gezeigt, hat der magnetoresistive Sensor 10 eine Schichtstruktur, welche aus einer freien ferromagnetischen Schicht 12, einer nicht-magnetischen Schicht 13, einer festgelegten ferromagnetischen Schicht 14 und einer antiferromagnetischen Schicht 15 aufgebaut ist, welche auf einem nicht-magnetischen Substrat 11 abgelagert sind. Der Vektor 16 der Magnetisierung der festgelegten ferromagnetischen Schicht 14 ist durch magnetische Austauschkopplung mit der antiferromagnetischen Schicht 15 fixiert, und der Vektor 17 der Magnetisierung der freien ferromagnetischen Schicht 12 ist senkrecht zum Vektor 16 der Magnetisierung der festgelegten ferromagnetischen Schicht 14. Der Vektor 17 der Magnetisierung der freien ferromagnetischen Schicht 12 ist jedoch nicht festgelegt und dreht daher durch ein externes magnetisches Feld.
Wenn ein magnetisches Feld h an eine solche Anordnung angelegt wird, dreht sich der Magnetisierungsvektor 17 der freien ferromagnetischen Schicht 12, wie mit den unterbrochenen Pfeilen in 9 gezeigt, in Reaktion auf den Vektor des magnetischen Felds h. Der Winkel zwischen den Magnetisierungsvektoren der freien ferromagnetischen Schicht 12 und der festgelegten ferromagnetischen Schicht 14 ändert sich daher, und folglich ändert sich die veränderliche Komponente des magnetischen Widerstands. Das magnetische Feld kann daher durch eine Änderung des Widerstands detektiert werden. Der Widerstand ist abhängig vom Winkel ϕ zwischen den Magnetisierungsvektoren der festgelegten ferromagnetischen Schicht 14 und der freien ferromagnetischen Schicht 12. Das heißt, der Widerstand hat ein Minimum bei ϕ = 0° und hat ein Maximum bei ϕ = 180°.
Der Erfinder hat gefunden, dass magnetische Sensoren Signale mit umgekehrter Phase ausgeben, wenn ein Paar von magnetischen Sensoren auf einem Substrat vorgesehen ist, so dass die festgelegten ferromagnetischen Schichten 14 entgegengesetzte (antiparallele) Magnetisierungsvektoren haben, auch wenn die Magnetisierungsvektoren der freien und der festgelegten ferromagneti schen Schicht sich in die gleiche Richtung drehen, und somit kann ein kontaktfreies Potentiometer, wie z. B. ein Winkelsensor oder ein Positionssensor durch Verwendung von Spin-Valve-Elementen hergestellt werden.
In bekannten Spin-Valve-Elementen sind die Magnetisierungsvektoren der festgelegten ferromagnetischen Schichten 14 jedoch durch eine unidirektionale Anisotropie auf Grund der antiferromagnetischen Schichten 15 festgelegt. Daher müssen die Magnetisierungsvektoren der festgelegten ferromagnetischen Schichten 14 bestimmt werden durch Ablagern oder Wärmebehandeln der Schichten in einem magnetischen Feld. Im Ergebnis ist es im wesentlichen unmöglich, festgelegte ferromagnetischen Schichten mit unterschiedlichen Magnetisierungsvektoren in den beiden magnetischen Sensoren auf dem Substrat bereitzustellen.
Bei bekannten Technologien zur Herstellung von magnetischen Sensoren wurden daher zwei Spin-Valve-Elemente mit voneinander umgekehrten Phasen auf unterschiedlichen Wafern gebildet, und diese beiden Spin-Valve-Elemente mit umgekehrter Phase wurden nebeneinander angeordnet. Ein derartiges Herstellverfahren verursacht hohe Material- und Produktionskosten. Außerdem werden diese beiden Spin-Valve-Elemente geringfügig unterschiedliche Widerstände auf Grund von unterschiedlichen Wafern haben. Diese unterschiedlichen Widerstände verbieten die Verwendung von Spin-Valve-Elementen in der Brückenanordnung, welche in 7 gezeigt ist.
Eine vorgeschlagene Anordnung umfasst Abschirmen eines MR-Elements 2 oder 1 in dem in 6 gezeigten Schaltkreis oder der MR-Elemente 3 und 5 (oder 4 und 6) in dem in 7 gezeigten Schaltkreis von dem externen Magnetfeld mit einem magnetischen Film, daher wirken diese Elemente lediglich als Widerstände. Obwohl so eine Anordnung die Gleichstrom-Offset-Komponenten entfernen kann, wird der Output auf die Hälfte verringert.
In einem durchführbaren Herstellungsverfahren von Spin-Valve-Elementen wird eine leitende Anordnung zur Erzeugung eines magnetischen Felds während der Wärmebehandlung geformt, und die Vektoren der festgelegten ferro magnetischen Schichten werden gesteuert durch Wärmebehandeln der Spin-Valve-Elemente durch Leiten eines elektrischen Stroms in der leitenden Anordnung. Dieses Verfahren benötigt jedoch einen fotolithographischen Schritt zum Bilden der leitenden Anordnung, und verursacht daher hohe Herstellungskosten.
Weitere Details in Bezug auf konventionelle magnetoresistive Sensoren können in DE-A-44 27 495 gefunden werden.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen hoch sensitiven magnetoresistiven Sensor bereitzustellen, der gebildet ist aus einem mehrschichtigen magnetoresistiven Element mit einer hoch veränderlichen Komponente des Widerstands mit einem schwachen externen Magnetfeld.
Entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein GMR-Effekt magnetoresistiver Sensor bereitgestellt, aufweisend: mindestens zwei mehrschichtige magnetoresistive Filme nebeneinander auf einem Substrat angeordnet, wobei jeder mehrschichtige magnetoresistive Film eine festgelegte ferromagnetische Schicht und eine freie ferromagnetische Schicht aufweist, getrennt von einer nicht-magnetischen Schicht mit einer Dicke zwischen 2 × 10^–9 m (20 Å) und 4 × 10^–9 m (40 Å), wobei der Magnetisierungsvektor der freien ferromagnetischen Schicht sich frei umkehren kann in Abhängigkeit eines externen magnetischen Feldes und die Magnetisierung der festgelegten ferromagnetischen Schicht sich nicht frei umkehren kann in Abhängigkeit eines externen magnetischen Feldes; gekennzeichnet durch eine hartmagnetische Schicht, welche unter nur einem eines Paars von benachbarten mehrschichtigen magnetoresistiven Filmen vorgesehen ist; und einen auf dem Substrat gebildeten Leiter, welcher benachbarte mehrschichtige magnetoresistive Filme in Reihe verbindet; wobei ein Leitungsanschluss (H) mit dem Leiter verbunden ist und zwischen den freien ferromagnetischen Schichten angeordnet ist; wobei die Magnetisierungsvektoren der festgelegten ferromagnetischen Schichten in benachbarten mehrschichtigen magnetoresistiven Filmen im wesentlichen zueinander antiparallel sind; nach einer ersten Magnetisierung mit einem magnetischen Feld, welches stärker ist als die Koerzitivkraft der hartmagnetischen Schicht, und einer zweiten Magnetisierung mit einem magnetischen Feld, welches stärker ist als die Koerzitivkraft der festgelegten ferromagnetischen Schicht des nicht mit der hartmagnetischen Schicht ausgestatteten mehrschichtigen magnetoresistiven Films und schwächer als die Koerzitivkraft der hartmagnetischen Schicht und wobei die Koerzitivkraft der festgelegten ferromagnetischen Schicht des mit der hartmagnetischen Schicht ausgestatteten, mehrschichtigen, magnetoresistiven Films stärker ist als die Koerzitivkraft der festgelegten ferromagnetischen Schicht des benachbarten, nicht mit der hartmagnetischen Schicht ausgestatteten, mehrschichtigen, magnetoresistiven Films.
Vorzugsweise weist die festgelegte ferromagnetische Schicht das gleiche ferromagnetische Material wie die freie ferromagnetische Schicht auf.
Vorzugsweise kann die ferromagnetische Schicht in Kontakt mit einer Koerzitivkraft-verstärkenden Schicht, welche α-Fe₂O₃ aufweist, in Kontakt kommen.
Der magnetoresistive Sensor weist vorzugsweise eine drehbare Achse auf, welche mit einem Magneten ausgestattet ist, und eine Mehrzahl von mehrschichtigen magnetoresistiven Filmen, welche parallel in Nähe des Magneten angeordnet sind.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun lediglich als Beispiel in Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben:
1A und 1B sind eine Schnittansicht bzw. eine Draufsicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen GMR-Sensors;
2 ist eine schematische Ansicht, welche die Magnetisierung eines GMR-Elements im Herstellungsverfahren des in 1 gezeigten GMR-Sensors zeigt;
3 ist eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen GMR-Sensors;
4 ist eine schematische Ansicht eines Winkelsensors, welcher mit dem erfindungsgemäßen GMR-Sensor bereitgestellt wird;
5 ist eine Kurve der Output-Eigenschaften des in 4 gezeigten Winkelsensors;
6 ist ein Schaltbild eines ersten Beispiels eines Sensors, welcher konventionelle AMR-Elemente verwendet;
7 ist ein Schaltbild eines zweiten Beispiels eines Sensors, welcher konventionelle AMR-Elemente verwendet;
8 ist eine Draufsicht eines Beispiels eines Winkelsensors, mit dem in 6 gezeigten Schaltkreis; und
9 ist eine Ansicht einer isometrischen Anordnung einer konventionellen Spin-Valve-Anordnung.
Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun in Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen GMR-Sensors 20. Der GMR-Sensor 20 ist mit einem magnetoresistiven Element 35 ausgestattet, welches gebildet wird durch Ablagern einer rechteckigen Festlegungsschicht 31, welche aus einem antiferromagnetischen oder hartmagnetischen Material gebildet ist, einer festgelegten ferromagnetischen Schicht 32, einer nichtmagnetischen Schicht 33 und einer freien ferromagnetischen Schicht 34 auf einem Einkristall- oder polykristallinen Substrat 30 in dieser Reihenfolge. Der GMR-Sensor 20 ist ebenfalls ausgestattet mit einem mehrschichtigen magnetoresistiven Element 41 neben dem magnetoresistiven Element 35. Das mehrschichtige magnetoresistive Element wird gebildet durch Ablagern einer rechteckigen hartmagnetischen Schicht 36, einer rechteckigen Festlegungsschicht 37, welche aus einem antiferromagnetischen oder hartmagnetischen Material gebildet ist, einer festgelegten ferromagnetischen Schicht 38, einer nicht-magnetischen Schicht 39 und einer freien ferromagnetischen Schicht 40 auf dem Substrat 30 in dieser Reihenfolge. Ein Anschluss G ist an einem Ende des Leiters 43 vorgesehen, und Anschluss I ist am anderen Ende des Leiters 43 vorgesehen. Außerdem ist der Leiter 43 mit dem Anschluss H ausgestattet.
Die festgelegte ferromagnetische Schicht 32 des magnetoresistiven Elements 35 hat z. B. einen nach links gerichteten Magnetisierungsvektor, wie durch den Pfeil J in 1B gezeigt, wohingegen die festgelegte ferromagnetische Schicht 38 des magnetoresistiven Elements 41 einen Magnetisierungsvektor in die entgegengesetzte Richtung hat, d. h. nach rechts, wie durch den Pfeil K gezeigt. Die Magnetisierungsvektoren dieser beiden festgelegten ferromagnetischen Schichten müssen nicht immer zwingend in exakt entgegengesetzte Richtungen sein, und mehrere Grad Abweichung von den exakt entgegengesetzten Richtungen können in der vorliegenden Erfindung erlaubt sein.
Bevorzugte Materialien für das Substrat 30 umfassen Silicon mit einer diamantartigen Struktur, Magnesiumoxid mit einer kochsalzartigen Struktur, MgAl₂O₄ mit einer Spinell-artigen Struktur, Gadolinium-Granat mit einer Granat-artigen Struktur und hexagonaler Saphir (α-Al₂O₃) und α-Fe₂O₃, welche eine Corund-Struktur haben. Ein Glassubstrat kann anstatt dieser Substrate verwendet werden.
Die Festlegungsschicht 31 ist vorgesehen, um eine magnetische Austauschkopplung mit der festgelegten ferromagnetischen Schicht 32 zu erzeugen und somit die Koerzitivkraft der festgelegten ferromagnetischen Schicht 32 zu verstärken. Die Festlegungsschicht 31 ist aus α-Fe₂O₃ als antiferromagnetisches Material (Koerzitivkraft-verstärkende Schicht) gebildet oder aus hartmagnetischem Material, wie z. B. aus einer Co-Pt-Legierung, Co-Cr-Pt-Legierung, Co-Cr-Ta-Legierung, oder aus Co.
Beispiele von Materialien, welche die ferromagnetischen Schichten 32, 34, 38 und 40 bilden, umfassen Ni-Fe-Legierungen, Co-Fe-Legierungen, Ni-Co-Legierungen, metallisches Co und Ni-Fe-Co-Legierungen. Ferromagnetische Schichten 32 und 38 können aus Co sein, und ferromagnetische Schichten 34 und 40 können aus Ni-Fe-Legierungen sein. Alternativ können die ferromagnetischen Schichten eine doppelschichtige Struktur haben, welche aus einer Co-Schicht und einer Ni-Fe-Legierungsschicht gebildet ist. Wenn eine solche doppelschichtige Struktur verwendet wird, können dünne Co-Schichten auf den Seiten der nicht-magnetischen Schichten 33 und 39 vorgesehen sein.
In der Konfiguration zur Erzeugung gigantisch magnetoresistiver Effekte, in welcher die nicht-magnetische Schicht 33 (oder 39) zwischen den ferromagnetischen Schichten 32 und 34 (oder 38 und 40) gebildet ist, wird ein höherer magnetoresistiver Effekt dadurch erreicht, dass die ferromagnetischen Schichten 32 und 34 (oder 38 und 40) aus dem gleichen Material anstatt aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind, weil andere Faktoren ausser Spin-abhängiger Streuung von leitenden Elektronen nicht auftreten werden. Das heißt, ein höherer Spin-abhängiger Streueffekt und somit ein höherer MR-Effekt werden erreicht durch eine Grenzfläche zwischen Co und Cu anstatt zwischen Ni-Fe und Co. Dementsprechend ist es bevorzugt, dass die ferromagnetische Schicht 34 (bzw. 40) mit einer Co-Schicht mit einer festgelegten Dicke auf der Seite der nicht-magnetischen Schicht 33 (bzw. 39) ersetzt wird, wenn die ferromagnetische Schicht 32 (bzw. 38) aus Co ist. Anstatt der Co-Schicht kann die ferromagnetische Schicht 34 (bzw. 40) eine Gradientenschicht sein, welche eine ansteigende Menge von Co in Richtung der Seite der nicht-magnetischen Schicht 33 (bzw. 39) enthält.
Die nicht-magnetischen Schichten 33 und 39 sind aus einem leitenden nichtmagnetischen Material, wie z. B. Cu, Cr, Au oder Ag, und haben eine Dicke von 20 × 10^–10 bis 40 × 10^–10 m (20 Å). Wenn die Dicke der nicht-magnetischen Schichten 33 und 39 kleiner ist als 20 × 10^–10 (20 Å), wird eine unerwünschte magnetische Kopplung zwischen der ferromagnetischen Schicht 32 (bzw. 38) und der ferromagnetischen Schicht 34 (bzw. 40) leicht stattfinden. Wenn andererseits die Dicke der nicht-magnetischen Schichten 33 und 39 größer als 40 × 10^–10 m (40 Å) ist, wird die Effizienz der an der Grenzfläche zwischen der nichtmagnetischen Schicht 33 (bzw. 39) und der ferromagnetischen Schichten 32 und 34 (bzw. 38 und 40) gestreuten Leitungselektronen abnehmen und wird ebenfalls abnehmen durch Nebenschlusseffekte der elektrischen Ströme, was zu einer unerwünschten Verringerung des magnetoresistiven Effekts führt.
Die hartmagnetische Schicht 36 ist vorzugsweise aus einem hartmagnetischen Material, wie z. B. einer Co-Pt-Legierung, einer Co-Cr-Pt-Legierung oder einer Co-Cr-Ta-Legierung. Unter diesen Materialien hat eine Co₉₂Pt₈-Legierung mit einer Dicke von 5 nm eine Koerzitivkraft von 470 × 10³/4π A/m (470 Oe), eine Co₇₈Pt₂₂-Legierung mit einer dicke von 40 nm hat eine Koerzitivkraft von 1200 × 10³/4π A/m (1200 Oe), eine Co₇₅Cr₁₈Pt₇-Legierung mit einer Dicke von 20 nm hat eine Koerzitivkraft von 90 × 103/4π A/m (900 Oe) und eine Co₈₆Cr₁₂Ta₂-Legierung mit einer Dicke von 10 nm hat eine Koerzitivkraft von 840 × 103/4π A/m (840 Oe).
Wenn die Koerzitivkraft der ferromagnetischen Schicht 32 des magnetoresistiven Elements H_C1, ist, die der festgelegten ferromagnetischen Schicht 38 des magnetoresistiven Elements 41 H_C2 ist und die der hartmagnetischen Schicht 36 H_C3 ist, muss die Bedingung H_C1 < H_C2 < H_C3 erfüllt sein. Ferner ist es bevorzugt, dass H_C1 ≥ 100 × 103/4π A/m (100 Oe) und H_C3 – H_C1 ≥ 50 × 103/4π A/m (50 Oe).
In der in 1 gezeigten Anordnung kann eine Schutzschicht zum Bedecken der mehrschichtigen magnetoresistiven Elemente 35 und 41 vorgesehen sein. Die mehrschichtigen magnetoresistiven Elemente 35 und 41 können auf einer Schutzschicht oder einer nivellierenden Schicht vorgesehen sein, welche auf dem Substrat 30 gebildet ist.
In einer weiteren mehrschichtigen Anordnung des magnetoresistiven Elements können eine weitere nicht-magnetische Schicht, eine weitere festgelegte ferromagnetische Schicht und eine weitere Festlegungsschicht auf der oben erwähnten mehrschichtigen Anordnung gebildet werden, die aufgebaut ist aus der Festlegungsschicht, der festgelegten ferromagnetischen Schicht, der nichtmagnetischen Schicht und der freien ferromagnetischen Schicht.
Ein gleichbleibender Strom wird zu den magnetoresistiven Elementen 35 und 41 in der in 1 gezeigten Anordnung geleitet. Die Koerzitivkräfte der festge legten ferromagnetischen Schichten 32 und 38 werden vergrößert durch magnetische Austauschkopplung mit den Festlegungsschichten 31 und 37, und somit sind die Magnetisierungsvektoren der festgelegten ferromagnetischen Schichten 32 und 38 festgelegt, wohingegen die Magnetisierungsvektoren der freien ferromagnetischen Schicht 34 und 40 sich ohne Einschränkung drehen. Folglich ergibt sich eine Differenz der Koerzitivkräfte zwischen den ferromagnetischen Schichten 32 und 34 (bzw. 38 und 40), und somit findet ein gigantischer magnetoresistiver Effekt statt. Das heißt, wenn eine externe Magnetisierung auf die freien ferromagnetischen Schichten 34 und 40 in Richtung des Pfeils M in 1B wirkt, rotieren die Magnetisierungsvektoren der ferromagnetischen Schichten 34 und 40 ohne Schwierigkeiten, und die Widerstände der ferromagnetischen Schichten 34 und 40 ändern sich mit der Rotation. Ferner sind die Vektoren der festgelegten ferromagnetischen Schichten 32 und 38 zueinander antiparallel, so dass die Magnetisierungsvektoren der freien ferromagnetischen Schichten 34 und 40 sich drehen. Folglich ändert sich der Widerstand der freien ferromagnetischen Schichten 34 und 40 in Reaktion auf die Drehung der Magnetisierung.
Wenn eine externe Magnetisierung H mit einem Winkel θ wie in 1B gezeigt wirkt, gilt die oben genannte Gleichung I: R = R1 – R2 = ΔR[sin2θ – sin2(90 – θ)] = –ΔR·cos2θ ... (I)
Als Ergebnis wird eine Änderung des Widerstands in Abhängigkeit des Winkels θ erhalten. Der Winkel der Magnetisierung H kann durch eine derartige Änderung des Widerstands erfasst werden. Da die mehrschichtige Anordnung des in 1 gezeigten GMR-Sensors eine bemerkenswert größere veränderliche Komponente als jene von konventionellen AMR-Elementen hat, wird eine größere Veränderung des Widerstands erhalten, was zu einer hoch sensitiven Erfassung des Winkels der Magnetisierung H führt.
Eine typische konventionelle Anordnung, welche aus einem Fe-Ni AMR-Material gebildet ist, hat einen magnetoresistiven Effekt von ca. 3%, wohingegen die erfindungsgemäße mehrschichtige Anordnung, welche gebildet ist aus der zwischen den ferromagnetischen Schichten aus Ni-Fe-Legierung angeordneten nicht-magnetischen Schicht und aus α-Fe₂O₃ festgelegten Schichten 31 und 37, einen magnetoresistiven Effekt von ca. 6% hat. Bei Verwendung von ferromagnetischen Schichten aus Cobalt-Legierung anstatt der ferromagnetischen Schichten aus Nickel-Eisen-Legierung vergrößert sich der magnetoresistive Effekt auf ca. 12%. Dementsprechend hat die erfindungsgemäße mehrschichtige Anordnung eine beträchtlich hohe Veränderung des Widerstands im Vergleich zu konventionellen Anordnungen, und ein hoch sensitiver Sensor kann erhalten werden.
Wenn die festlegenden Schichten 31 und 37 aus antiferromagnetischem α-Fe₂O₃ gebildet sind, welches eine höhere Korrosionsfestigkeit als FeMn als konventionelles festlegendes antiferromagnetisches Material hat, eine hohe Neel-Temperatur (677°C) und eine hohe Blockiertemperatur (320°C), ist der magnetoresistive Sensor unempfindlich gegenüber Veränderungen in der Temperatur. Im Gegensatz dazu hat die FeMn-Legierung eine Blockiertemperatur von ca. 150°C, und eine NiO-Legierung hat eine Blockiertemperatur von ca. 250°C. Diese Legierungen sind bezüglich ihrer Temperaturfestigkeit deutlich schlechter als α-Fe₂O₃. Die Verwendung von α-Fe₂O₃ als Material des magnetoresistiven Elements bewirkt eine große Veränderung im Widerstand und einen reduzierten Hysterese-Verlust.
Der in 1 gezeigte GMR-Sensor 20 kann hergestellt werden durch Ablagern der oben genannten Schichten durch jegliches Ablagerungsverfahren, wie z. B. ein Sputterverfahren, auf das Substrat 30 und Entfernen der unnötigen Bereiche jeder Schicht durch ein fotolithographisches Musterbildungsverfahren. Anschließend wird ein Magnetfeld, welches stärker ist als die Koerzitivkraft der hartmagnetischen Schicht 36, an das gesamte Substrat angelegt, um alle Elemente zu magnetisieren, so dass die Magnetisierungsvektoren entlang dem Pfeil K in 1B liegen. Nach Magnetisierung aller Elemente wird ein magnetisches Feld, welches schwächer ist als die Koerzitivkraft der hartmagnetischen Schicht 36 und stärker als die Koerzitivkraft der festgelegten ferromagnetischen Schicht des magnetoresistiven Elements 35, an das gesamte Substrat angelegt, um das magnetoresistive Element 35 zu magnetisieren, so dass der Magneti sierungsvektor entlang dem Pfeil J in 1B liegt. Der Magnetisierungsvektor des magnetoresistiven Elements 41 in Richtung des Pfeils K wird während solch eines Magnetisierungsprozesses erhalten, weil das angelegte Magnetfeld kleiner ist als die Koerzitivkraft der hartmagnetischen Schicht 36. Folglich können die Vektoren der festgelegten ferromagnetischen Schichten 32 und 38 in den magnetoresistiven Elementen 35 und 41 zueinander exakt antiparallel sein.
3 zeigt einen weiteren GMR-Sensor. Dem GMR-Sensor 50 fehlt die hartmagnetische Schicht 36 des oben erwähnten GMR-Sensors 20. Um die Magnetisierungsvektoren der festgelegten ferromagnetischen Schichten 31 und 37 in einer solchen Anordnung exakt umzukehren, wie in 2 gezeigt, wird die festgelegte ferromagnetische Schicht 37 aus einem hartmagnetischen Material oder α-Fe₂O₃ gebildet, und ein magnetisches Feld wird von der Rückseite des Substrats 30 aus angelegt, unter Verwendung eines Magnetkopfes 45 mit einer Lücke G, welche dieselbe Breite W des magnetoresistiven Elements 35 hat, so dass die festgelegte ferromagnetische Schicht 32 des magnetoresistiven Elements 35 in Richtung des Pfeils J in 1B magnetisiert wird. Anschließend wird die festgelegte ferromagnetische Schicht 38 des magnetoresistiven Elements 41 in Richtung des Pfeils K unter Verwendung des gleichen magnetischen Kopfes 45 magnetisiert. Andere Strukturen des GMR-Sensors 50 sind die gleichen wie jene des GMR-Sensors 20.
4 zeigt einen Winkelsensor mit dem in 1 oder 3 gezeigten GMR-Sensor 20 bzw. 50. Der Winkelsensor 60 ist mit einem Gehäuse 61 ausgestattet. Ein drehbarer Schaft 64 ist vertikal vorgesehen, so dass er durch die obere Wand des Gehäuses 61 hindurch reicht, und ein scheibenförmiger Magnet 62 ist am unteren Ende des Schafts 64 befestigt. Eine Platte 63 ist am unteren Bereich des Gehäuses 61 vorgesehen, und der GMR-Sensor 20 bzw. 50 ist auf der Platte 63 unterhalb des Magneten 62 befestigt. Der Magnetisierungsvektor, welcher auf den GMR-Sensor 20 bzw. 50 durch den Magneten 62 wirkt, ändert sich mit Drehung des Schafts 64, was zu einer Änderung des Widerstands führt. Folglich kann der Drehwinkel des Schafts 64 an Hand der Änderung des Widerstands erfasst werden. 5 ist eine Kurve, welche die Änderung des Magnetisierungsvektors mit dem Drehwinkel des Schafts im Winkelsensor 60 dar stellt. Die Änderung des Magnetisierungsvektors hat eine sinusförmige Kurve, wie in 5 gezeigt.
Wie bereits beschrieben, sind in der vorliegenden Erfindung eine Mehrzahl von mehrschichtigen magnetoresistiven Filmen parallel angeordnet, und die Magnetisierungsvektoren der festgelegten ferromagnetischen Schichten dieser mehrschichtigen magnetoresistigen Filme sind im wesentlichen antiparallel zueinander. Wenn sich das externe Magnetfeld rotiert, ändern sich die Widerstände der mehrschichtigen magnetoresistiven Filme mit entgegengesetzten Magnetisierungsrichtungen in entgegengesetzten Phasen. Daher kann eine Änderung der Richtung des externen Magnetfelds als Differenz zwischen diesen Widerständen erfasst werden. Da jeder mehrschichtige magnetoresistive Film eine Kombination aus einer festgelegten ferromagnetischen Schicht und einer freien ferromagnetischen Schicht aufweist, zeigt der erfindungsgemäße magnetoresistive Sensor eine große Widerstandsveränderung in Abhängigkeit einer Änderung des Vektors des externen Magnetfelds und hat somit eine hohe Sensitivität gegenüber der Änderung des Vektors des externen Magnetfelds.
Wenn zwei mehrschichtige magnetoresistive Filme angeordnet werden und wenn eine hartmagnetische Schicht unterhalb einer der beiden mehrschichtigen magnetoresistiven Filme angeordnet wird, kann der Magnetisierungsvektor der hartmagnetischen Schicht den Magnetisierungsvektor der festgelegten ferromagnetischen Schicht steuern. Folglich können die Magnetisierungsvektoren der beiden mehrschichtigen magnetischen Filme leicht so ausgelegt werden, dass sie antiparallel zueinander sind.
Wenn die festgelegte ferromagnetische Schicht aus einem hartmagnetischen Material ist, kann der Vektor der festgelegten ferromagnetischen Schicht durch Magnetisierung in eine entsprechende Richtung gesteuert werden. Somit kann die Magnetisierungsrichtung der festgelegten elektromagnetischen Schichten des mehrschichtigen magnetoresistiven Films, welche parallel angeordnet sind, leicht antiparallel ausgerichtet werden.
Wenn die Koerzitivkraft-verstärkende Schicht oder festlegende Schicht der festgelegten ferromagnetischen Schicht aus α-Fe₂O₃ ist, kann der magnetoresistive Sensor eine große Änderung im Widerstand und eine verringerte Hysterese erreichen. Somit hat dieser Sensor eine hohe Sensitivität.
Wenn eine Mehrzahl von mehrschichtigen magnetoresistiven Filmen, die jeweils eine festgelegte ferromagnetische Schicht und eine freie magnetische Schicht umfassen, auf einem Substrat vorgesehen sind, wenn eine hartmagnetische Schicht mit einer Koerzitivkraft, die stärker ist als die Koerzitivkraft der festgelegten ferromagnetischen Schicht, unterhalb einer der mehrschichtigen magnetoresistiven Filme vorgesehen ist, und wenn jeder der mehrschichtigen magnetoresistiven Filme magnetisiert wird, während die Intensität und Richtung der Magnetisierung graduell verändert wird, können die Vektoren der festgelegten ferromagnetischen Schichten zueinander antiparallel angeordnet werden.
Wenn die festgelegte ferromagnetische Schicht aus einem hartmagnetischen Material ist oder in Kontakt mit einer Koerzitivkraft-verstärkten Schicht aus α-Fe₂O₃ ist, können die Vektoren der einzelnen festgelegten ferromagnetischen Schichten ohne Einschränkung gesteuert werden durch unabhängiges Magnetisieren dieser festgelegten ferromagnetischen Schichten. Somit können die Magnetisierungsvektoren der festgelegten ferromagnetischen Schichten zueinander antiparallel angeordnet werden.

Claims

GMR-Effekt-magnetoresistiver Sensor aufweisend: mindestens zwei mehrschichtige magnetoresistive Filme (35, 41) nebeneinander auf einem Substrat (30) angeordnet, wobei jeder mehrschichtige magnetoresistive Film eine festgelegte ferromagnetische Schicht (32, 38) und eine freie ferromagnetische Schicht (34, 40) aufweist, getrennt von einer nichtmagnetischen Schicht (33, 39) mit einer Dicke zwischen 2 × 10^–9 m (20 Å) und 4 × 10^–9 m (40 Å), wobei der Magnetisierungsvektor der freien ferromagnetischen Schicht sich frei umkehren kann in Abhängigkeit eines externen magnetischen Feldes und die Magnetisierung der festgelegten ferromagnetischen Schicht sich nicht frei umkehren kann in Abhängigkeit eines externen magnetischen Feldes; gekennzeichnet durch eine hartmagnetische Schicht (36), welche unter nur einer eines Paars von benachbarten mehrschichtigen magnetoresistiven Filmen vorgesehen ist; und einen auf dem Substrat gebildeten Leiter (43), welcher benachbarte mehrschichtige magnetoresistive Filme in Reihe verbindet; wobei ein Leitungsanschluss (H) mit dem Leiter verbunden ist und zwischen den freien ferromagnetischen Schichten angeordnet ist; wobei die Magnetisierungsvektoren der festgelegten ferromagnetischen Schichten in benachbarten mehrschichtigen magnetoresistiven Filmen im Wesentlichen antiparallel zueinander nach einer ersten Magnetisierung mit einem magnetischen Feld sind, welches stärker ist als die Koerzitivkraft der hartmagnetischen Schicht, und einer zweiten Magnetisierung mit einem magnetischen Feld, welches stärker ist als die Koerzitivkraft der festgelegten ferromagnetischen Schicht des nicht mit der hartmagnetischen Schicht ausgestatteten magnetoresistiven Films und schwächer als die Koerzitivkraft der hartmagnetischen Schicht; und wobei die Koerzitivkraft der festgelegten ferromagnetischen Schicht des mit der hartmagnetischen Schicht ausgestatteten, mehrschichtigen, magnetoresistiven Films stärker ist als die Koerzitivkraft der festgelegten ferromagnetischen Schicht des benachbarten, nicht mit der hartmagnetischen Schicht, ausgestatteten, mehrschichtigen magnetoresistiven Films.
GMR-Effekt-magnetoresistiver Sensor gemäß Anspruch 1, wobei die mindestens zwei mehrschichtigen magnetoresistiven Filme eine im Wesentlichen rechteckige Form haben und parallel zu dem Substrat angeordnet sind.
GMR-Effekt-magnetoresistiver Sensor gemäß Anspruch 2, aufweisend eine drehbare Achse (64), welche mit einem Magnet (62) ausgestattet ist, in der Nähe der mehrschichtigen magnetoresistiven Filme, wobei die Achse im Wesentlichen senkrecht zu den mehrschichtigen magnetoresistiven Filmen ausgerichtet ist.
Magnetoresistiver Sensor gemäß einer der Ansprüche 1 bis 3, wobei die festgelegte ferromagnetische Schicht das gleiche ferromagnetische Material aufweist wie die freie ferromagnetische Schicht.
Magnetoresistiver Sensor gemäß einer der Ansprüche 1 bis 4, wobei die festgelegte ferromagnetische Schicht in Kontakt kommt mit einer Koerzitivkraft-verstärkenden Schicht, welche α-Fe₂O₃ aufweist.