EP1763660A1 - Magnetostrictiver sensor und verfahren zum herstellen dieses sensors - Google Patents

Magnetostrictiver sensor und verfahren zum herstellen dieses sensors

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Publication number
EP1763660A1
EP1763660A1 EP05762091A EP05762091A EP1763660A1 EP 1763660 A1 EP1763660 A1 EP 1763660A1 EP 05762091 A EP05762091 A EP 05762091A EP 05762091 A EP05762091 A EP 05762091A EP 1763660 A1 EP1763660 A1 EP 1763660A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor element
sensor
mechanically deformable
magnetization
deformable region
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05762091A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen ZIMMER
Stephan Schmitt
Manfred Rührig
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
Publication of EP1763660A1 publication Critical patent/EP1763660A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/16—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in the magnetic properties of material resulting from the application of stress
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/12—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress

Definitions

  • the present invention relates to magnetostrictive multilayer sensors for detecting a mechanical deformation.
  • Magnetostrictive multilayer systems such as spin valve systems
  • spin valve systems are used today in many different ways.
  • One area of application that has recently become increasingly important is the use of magnetostrictive GMR / TMR resistor structures as pressure sensors.
  • Pressure sensors generally operate on the principle of bending of movable diaphragms or other movable elements by applying pressure, the diaphragm displacement being a measure of the applied pressure.
  • the membranes of the pressure sensors can be realized in silicon technology by means of bulk micromechanics (BMM) or surface micromechanics (SMM).
  • BMM bulk micromechanics
  • SMM surface micromechanics
  • Surface micromechanical pressure sensors measure a membrane deflection induced capacitance change between membrane and substrate versus electrode.
  • the capacity strokes are so small that a considerable effort has to be invested in the signal conditioning, which has an effect in an increased chip area.
  • the increased signal conditioning effort leads to an additional increase in the cost of production, since an additional effort is required to realize the corresponding circuits.
  • the membrane bending is detected via the piezoresistive effect, the elongation of the membrane being assessed, for example, at certain doped regions by means of a strain-induced change in resistance.
  • the so-called gauge factor is one of Quotient dR / R / elongation corresponds, ie a measure of the sensitivity is, for silicon with about 40 only low, resulting in a reduced signal / noise ratio.
  • the approach of GMR / TMR resistor structures promises improved sensitivity, a larger signal / noise ratio and a pressure measurement compared to the piezoresistive effect with increased resolution.
  • a full bridge is usually used, in which the signal in both branches, i. a resistance change is opposite rectified.
  • this is achieved by an equivalent magnetization of the reference layer, which, however, is associated with additional outlay, for example by requiring a meander conductor film. Due to the additional expense, the production of the sensors is also made more expensive, and due to the numerous applications for which the pressure sensors are suitable, it would be desirable to create a sensor with low production costs owing to the strong competition.
  • the object of the present invention is to provide a cost-effective and simple magnetostrictive multilayer sensor for detecting mechanical deformations with improved characteristics.
  • the present invention is based on the finding that it is possible by a simple arrangement of magnetostrictive Mehr ⁇ layer sensor elements for detecting a deformation of a mechanically deformable region, taking into account the transmitted through the elements strain directions and interconnecting the sensor elements, an output signal having improved characteristics to achieve in a simple and cost effective manner.
  • the arrangement of the sensor elements is only due to the deformation occurring at the location of the sensors when using the sensor, in particular a direction of deformation, i. a characteristic of the deformable region at the location of the sensors, as well as the magnetization of the sensor elements determined.
  • a magnetostrictive multilayer sensor element should be understood to mean a sensor element which consists of at least two superimposed magnetic layers and exhibits a magnetostrictive effect, ie a change in the resistance due to positive strain or negative strain (striction).
  • sensor elements may include GMR structures (giant magneto resistance) or TMR structures (tunneling magneto resistance).
  • GMR / TMR elements spin valve structures which consist of two magnetic layers which are separated from one another by a nonmagnetic layer. are separated. The sheet resistance of the structure depends on the relative angle between the magnetization directions of the two magnetic layers.
  • One of the magnetic layers which is referred to as a magnetically hard layer or reference layer, is fixed with respect to the magnetization, ie pinned, while the other magnetic layer, which is referred to as a magnetically soft layer or measuring layer, their magnetization direction by a äuße ⁇ res Magnetic field and / or stress / strain can rotate, which is correlated with a change in the sheet resistance. If both magnetizations are parallel, the sheet resistance is minimal, while in the case of an anti-parallel alignment the sheet resistance is maximal.
  • the resistance is proportional to cos ( ⁇ ), where ⁇ is the angle between both magnetizations.
  • the resistance swing from parallel to antiparallel configuration typically covers about 10% at room temperature for GMR systems and about 50% for TMR systems from the base resistance.
  • the use of these sensor elements for detecting a mechanical deformation requires that at least a partial area of a respective sensor element be arranged in a region of the mechanically deformable area to be detected.
  • the arrangement on the deformable region corresponding to the respective use of the sensor elements is selected, as will be explained in more detail below.
  • the sensor elements can be used as CIP elements (current-in-plane elements), in which the current flows parallel to the layer planes, or as CPP elements (current-perpendicular-to-plane elements), in which the current is perpendicular to the layer plane flows, be formed.
  • CIP elements current-in-plane elements
  • CPP elements current-perpendicular-to-plane elements
  • the magnetizations of the magnetically soft layer or the magnetically hard layer all sensor elements have a common predetermined direction, so that the magnetization of all sensor elements is possible with a single process step.
  • the production costs can be reduced, which turns out to be a particular advantage, in particular with regard to future mass production of such sensors.
  • various arrangements and circuits can be selected depending on the use and other requirements in order to achieve a detector with improved characteristics of the output signal by suitably picking up a detector signal.
  • a first magnetostrictive multilayer sensor element and a second magnetostrictive multilayer sensor element are arranged such that upon generation of a mechanical deformation of the mechanically deformable region, the electrical resistance of the first sensor element remains unchanged while the first magnetostrictive sensor element remains unchanged electrical resistance of the second sensor element changes.
  • the embodiment in which a sensor element is arranged so that there is no change in the resistance with a deformation has the advantage that this can be used as a reference resistor, the same conditions as a measuring resistor, ie the same pressurization and the same üm sculptures su, such as a same temperature, are exposed. As a result, a drift of the detector, for example due to a different temperature or a different mechanical load on the measuring and reference resistors is caused to be compensated in a simple manner without additional circuitry.
  • a half-bridge it is necessary to arrange four individual elements so that two elements increase or decrease their resistance during deformation or pressurization, i. act as measuring resistors, and two resistors remain constant, i. act as reference resistors. Since, in this exemplary embodiment, the sensor elements, which act as reference resistor, do not change the electrical resistance, although this is the result of the measurement loading, i. For example, the elongation of the deformable Be ⁇ rich, are exposed, it can be ensured that the reference resistors are exposed to the same conditions as the measuring resistors. Thus, a half-bridge can be realized in which all four resistors involved experience the same elongation during operation, but only change their relative resistance.
  • the strains occurring during operation represent, in particular for the TMR structures, which may have an Al 2 O 3 tunnel barrier in the range of a few nm, a material load which can lead to a drift in the basic resistance over time.
  • the arrangement described above, in which one or more reference resistances remain constant during an expansion, makes it possible for all the resistors involved, ie measuring resistors and reference resistors, to experience the same elongation during operation, so that long-term drifting of the base resistances due to material fatigue can be intercepted -. NEN.
  • the arrangement described above can be brought about by a specific adjustment of the magnetization of the hard and soft layer, which can be set by way of processing, with respect to the directions of expansion transferred from the membrane to the elements.
  • the magnetization of the magnetically soft layer is parallel to the direction of elongation at the location of the sensor element, since the parallel alignment of the magnetization of the magnetically soft layer parallel to the direction of elongation is energetically most favorable for materials having positive magnetostrictin constants.
  • the magnetization of the soft layer is preferably identically oriented for all individual elements, which automatically results in a described embodiment by the parallel orientation of the magnetically soft and magnetically hard layer with the magnetization process of the hard reference layer, for example by combination with an existing paramagnetic Neel coupling is guaranteed.
  • both magnetizations at the location of the sensors for the measuring resistors are preferably perpendicular or for the reference resistances parallel to the strains at the location of the sensors.
  • the first sensor element and the second sensor element are arranged such that the first sensor element changes its resistance in the opposite direction to the second sensor element when the mechanically deformable region is replaced by an external force - or pressure application is deformed.
  • the sensor elements can be connected in a full bridge, in which, for example, two elements each are arranged in two branches, which change their resistance in opposite directions.
  • the magnetizations of the sensor elements are such that the har ⁇ te layer is magnetized at 45 ° or 135 ° with respect to the Dehnungsrichtun ⁇ gene and the magnetization of the soft layer is oriented perpendicular to the hard layer.
  • the magnetization direction of the magnetically soft layer i. the measuring layer, an angle of 45 ° to the magnetization of the reference layer, i. the magnetically hard layer auf ⁇ has.
  • the magnetization of the hard layer is thereby preferably adjusted so that it is parallel or antiparallel to the direction of elongation, so that the magnetization of the soft layer has an angle of 45 ° with respect to the direction of elongation.
  • the magnetizations of all sensor elements point in the same direction, i. in that all the sensor elements have a magnetization of the magnetically soft layer in a single predetermined direction and show the magnetizations of the magnetically hard layers for the respective sensor elements in a second predetermined direction.
  • the advantage of this exemplary embodiment is that a specific interconnection of four nominally identical resistors to form a bridge, ie a Wheatstone bridge, can achieve all known advantages, for example a compensation of offset drifts, the arrangement being characterized by the arrangement the magnetization of the magnetically hard and soft layer magne ⁇ table is achieved at an angle of 45 °, that a characteristic of the bridge signal over Spa 'n voltage or the pressure is symmetrical to the operating point, that is, a desired linearity of the characteristic curve has.
  • Layer of the first sensor element and the second Sensorele ⁇ element are each set so that they have an angle of 0 °, 45 °, 90 ° or 135 or any intermediate angles between the above values.
  • an angle between the direction of elongation and the magnetization of the magnetically hard layer of the first sensor element and of the second sensor element can each be set such that they have an angle of 0 °, 45 °, 90 °, 135 ° or 180 ° ° or any intermediate angle between the above values.
  • an angle between the direction of elongation and the magnetization of the magnetically soft layer of the first sensor element and of the second sensor element can each be set to an angle of 0 °, 45 °, 90 ° or 135 ° or any intermediate angle between the above values.
  • the design of the sensor elements can take a variety of forms and configurations, depending on the application and design of the mechanically deformable region.
  • the resistors can be designed in the form of circular segments and interconnected accordingly. This has the advantage of a simple
  • the rectified alignment of the reference resistors offers the advantage that the sensor is relatively insensitive to small external magnetic fields, since this would affect the magnetization equally in all bridge elements. Due to the same orientation of the reference layer of all members of the bridge, the influence on the bridge signal is minimized.
  • the resistors are arranged at the locations of a maximum deformation in order to obtain the highest possible sensor signal with a low noise signal. For example, when using the sensor, these locations are arranged as a pressure sensor with a membrane at the edges of the membrane.
  • one or more sensor elements it is also possible for one or more sensor elements to have a distance from a center or a point of symmetry of the mechanically deformable region that is smaller than the distance of one or more other sensor elements.
  • This arrangement of the sensor elements at different distances from a center or a point of symmetry of the mechanically deformable region makes it possible for the sensor elements to have different characteristics with respect to the signals above the force or pressure exerted on the deformable region. This can be used, for example, to increase a working range of the sensor.
  • bridge members can be arranged at different radii of the membrane, which are deflected under different levels, i. have a different Liehe tension at the same pressure. Since the sensor elements located further in the interior experience a lower elongation, they can continue to supply a signal to the signal at high pressures.
  • sensor elements of a first bridge can be arranged in regions with a high elongation, while in regions with lower elongation, for example, closer to a point of symmetry, further sensor elements of a second bridge can be arranged, each having smaller elongations. at an equal pressure on the deformable area er ⁇ drive.
  • sensor elements can be connected at different locations of an expansion, for example by serial connection, to form a single overall sensor element which has a widened working range.
  • sensor elements of a single bridge at regions of different elongation. For example, if a sensor element at one ( place with high
  • Another advantage of the above arrangement of Sensor ⁇ elements at locations with different strains is that the additional sensor elements may be used as Testelemehte • in order to check the function of the sensor elements at locations with high elongation.
  • each bridge arrangement with each magnetization of a magnetically hard and magnetically soft layer can additionally be realized at a small distance from the center, so that, in principle, a corresponding realization for each conceivable magnetostrictive sensor arrangement at locations with different strains is possible is.
  • FIG. 1 shows a schematic perspective cross-sectional view of a membrane according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 2a shows a plan view of a sensor according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 2b is a circuit diagram of the sensor shown in Fig. 2a;
  • FIG. 3a shows a schematic plan view of a sensor according to another embodiment of the present invention RPg;
  • FIG. 3b is a circuit diagram of the sensor according to FIG. 3a; FIG.
  • Fig. 4 is a schematic cross-sectional view of a sensor. according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 5 is a schematic cross-sectional view of a sensor according to another embodiment of the present invention
  • 6a shows a schematic plan view of a sensor according to a further exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 6b shows a schematic plan view of the sensor according to FIG. 6a during a pressurization
  • FIG. 7 shows a schematic plan view of a sensor according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 1a shows the principal mode of operation of a pressure sensor according to the present invention.
  • a thin membrane 102 is formed as a mechanically deformable region, wherein the membrane has either a thinned integral component of the substrate 100, for example an oxide layer, nitride layer or derglei ⁇ Chen, wherein the substrate exposed from the back by etching was, or an afterthought
  • the substrate may comprise a semiconductor substrate, for example a silicon chip.
  • the membrane 102 is acted upon by a front side with a force or a pressure, this leads to a deflection of the membrane.
  • the voltage curve results in such a way that in the region of the membrane edges, in of FIG. Ib are designated by reference numeral A, tensile stresses occur on the upper side, while compressive stresses occur in the center of the membrane, which is designated by reference symbol B.
  • reference symbol A tensile stresses occur on the upper side
  • compressive stresses occur in the center of the membrane
  • the maximum of the stress occurs at the membrane edges A, so that it is expedient and obvious for a sensor, for example a pressure sensor, to use the strain-sensitive components whose signal is to be used to measure the pressure in the region largest elongation, ie to place on the edge of the membrane, as indicated in Fig. Ic.
  • the stress distribution of a membrane generally depends on the shape of the same, but in the case of the abovementioned membrane, a stress distribution is achieved which is approximately radial, that is to say in the case of the above-mentioned membrane. perpendicular to the edges of the membrane.
  • FIG. 2a now shows an embodiment of the present invention in which four sensor elements 104a, 104b, 104c, and 104d are respectively attached to the edge of the membrane 102, i. are arranged at the Or ⁇ a largest strain.
  • the sensor elements 104a-d are configured as magnetostrictive multilayer sensor elements, and may comprise, for example, GMR or TMR sensor elements which have a spin valve arrangement with a magnetically hard layer and a magnetically soft layer.
  • the sensor elements are elongated, wherein a longitudinal axis of the sensor elements are each parallel to the sides of the substantially square membrane 102.
  • the magnetizations are such that the magnetically hard layer is aligned parallel to the longitudinal axis of the sensor elements 104b and 104d, which act as measuring resistors, as will be explained in more detail below.
  • the orientation of the magnetizations can be achieved by an annealing process under a magnetic field, in principle any angle can be set in the plane.
  • the magnetically soft layer of the individual sensor elements 104a-d has a magnetic anisotropy aligned parallel to the direction of magnetization of the hard layer, which is e.g. can be adjusted by the growth conditions.
  • the sensor elements 104a-d can have magnetostrictive materials with either a positive magnetostriction constant or a negative magnetostriction constant.
  • the anisotropy generated by the expansion is identical to the intrinsic anisotropy, so that any rotation of the polarization of the magnetically soft layer from the initial position would be energetically unfavorable. Therefore, the magnetizations of the magnetically soft layer of the sensor elements 104a and 104c remain in their original orientation, so that they show no strain dependence.
  • by generating the magnetizations of the magnetically soft layer of the sensor elements 104a and 104c acting as reference resistors it is possible for them to be exposed to the same strains as the sensor elements 104b and 104d, without however, to experience a change in the electrical resistance.
  • FIG. 2b shows an interconnection of the sensor elements 104a-d shown in FIG. 2a.
  • the sensor elements are connected to form a Wheatstone bridge, wherein a measuring resistor and a reference resistor are arranged in each branch of the bridge.
  • the measuring resistors and the reference resistors in the two branches are in each case arranged opposite, so that the measuring resistor of the first branch, ie for example the sensor element 104b and the reference resistor of the second branch, ie, for example, the sensor element 104c with a first voltage node are connected while the reference resistor 104a of the first branch and the measuring resistor 104d of the second branch are connected to a • second voltage node.
  • a voltage is tapped, which supplies an output signal which points to the pressure responsible for the deformation of the membrane or the force acting on the membrane 102.
  • the connection to a half bridge, as shown in FIG. 2b, thus provides an offset and driftless output voltage, due to the perpendicular orientation of the magnetically soft layer the sensor elements 104b and 104d a maximum sensor signal of these sensor elements is achieved.
  • this exemplary embodiment has the particular advantage that both the magnetizations of the magnetically soft layer and the magnetizations of the magnetically hard layer are the same for all sensor elements 104a-d, so that in a production a simple magnetization in a single magnetization step is possible.
  • a maximum output signal is obtained by the vertical arrangement of the magnetically soft layer relative to the direction of elongation.
  • the exemplary embodiment illustrated in FIG. 3 a differs from the embodiment illustrated in FIG. 2 a in that the magnetizations of the magnetically soft layer and the magnetically hard layer are not parallel for each of the sensor elements, but rather an angle not equal to 0 °.
  • the magnetizations of the magnetically hard and magnetically soft layer 106 and 108 are perpendicular to each other.
  • Layer of the sensor elements 104a and 104d in this case have an angle of 135 ° with respect to the expansion direction 110, while the magnetizations 106 of the magnetically hard layer of the sensor elements 104b and 104c have an angle of 45 ° relative to the expansion direction 110. Furthermore, due to the perpendicular orientation of the magnetization of the magnetically hard layer and the magnetically soft layer, the magnetizations 108 of the magnetically soft layer of the sensor elements 104a and 104b have an angle of 135 ° with respect to the expansion direction 110, while the magnetizations are magnetically soft Layer of the sensor elements 104c and 104d have an angle of 45 ° with respect to the direction of elongation 110.
  • the particular advantage of this embodiment results from the fact that a full bridge circuit is made possible, wherein all sensor elements have both a magnetization of the magnetically hard layer and a magnetization of the magnetically soft layer in each case in a predetermined direction.
  • the magnetization of the magnetically hard layer can be generated for all sensor elements in a single step, and the magnetization of the magnetically soft layer for all sensor elements can likewise be produced in a single method step.
  • the arrangement of the magnetizations of the magnetically soft and the magnetically hard layer perpendicular zu ⁇ each has the further advantage that due to the cosinusoidal dependence at 90 °, a high slope is achieved, so that the change in resistance due. a rotation of the magnetization of the magnetically soft layer is high.
  • FIG. 3b shows an interconnection of the sensor shown in FIG. 3a to form a full bridge.
  • two resistors 104a and 104b are arranged with opposite change of the electrical resistance
  • two sensor elements 104d and 104c with opposite change of the electrical resistance ange ⁇ are arranged.
  • the sensor lines are each arranged opposite one another, so that the sensor elements 104b are connected to a first voltage node with increasing resistance of the first branch and the sensor element 104c with decreasing resistance of the second branch, while the sensor element 104a of the first Branching with decreasing resistance and the sensor element 104d of the second branch with increasing resistance to a second voltage node are connected.
  • a sensor signal is generated by picking up a voltage signal between the sensor elements of the respective branches.
  • Fig. 4 shows a structure of a magnetostrictive pressure sensor in BMM silicon technology
  • Fig. 5 shows a schematic structure of a magnetostrictive pressure sensor in SMM technology.
  • the substrate 100 is exposed from the rear side so that the aus ⁇ deflectable membrane 102 is formed in a predetermined region which is defined by the recess exposed on the back.
  • the membrane 102 comprises a thin layer 114 of semiconductor material of the substrate, on which a further thin insulating layer 116 is formed.
  • the sensor elements 104 i. the GMR / TMR resistance structures are formed, which are arranged in the region of maximum elongation.
  • a further passivation layer 118 is deposited, which protects the sensor elements 104 from environmental influences.
  • a sacrificial layer 120 is formed on the substrate 100, which is deposited in a predetermined manner.
  • the region defining the region of the membrane has a recess.
  • the sacrificial layer may for example be formed of silicon oxide, and have a thickness of about 0.5 microns.
  • a membrane layer 122 is formed at the edges thereof, which extends over the recess of the sacrificial layer 120, so that a cavity 124 is formed between the membrane layer 122 and the substrate 100.
  • the recess of the sacrificial layer, which forms the cavity can be produced by a local selective etching of the sacrificial layer.
  • the membrane layer 122 may be formed, for example, from a polycrystalline silicon and have a thickness of about 0.5 to 1 micron.
  • a thin insulating layer 126 is applied to the membrane, with the GMR / TMR structures 104 placed in the region of greatest elongation.
  • an inner metal oxide layer 128 is applied to the sacrificial layer 120, on which in turn a chipassassization layer 130 is formed.
  • the intermetallic oxide layer 128 and the chip passivation layer 130 are etched away over the sensor membrane 122 to ensure sufficient movement of the membrane.
  • the sensor is coated with a passivation layer 132, which extends over the entire surface over the entire structure.
  • FIGS. 6a and 6b a further embodiment of a full-bridge circuit will now be explained, in which, unlike the embodiment shown in FIGS. 3a and 3b, the magnetizations of the magnetically hard layer and the magnetizations of the magnetically soft layer are the same respective sensor elements 104a-d are not perpendicular to each other. More specifically, in this embodiment, the magnetizations of the magnetically hard layer and the magnetically soft layer have an angle of 45 °, which has the advantage that the resulting characteristic of the signal above the voltage or the pressure is linear and symmetrical with respect to Working point is.
  • FIG. 6 a as in FIG. 3 a, the magnetization of the reflection is shown. reference layer 106 as thick arrows.
  • the axis of easy magnetization or light direction in the measuring layer as double arrows, which corresponds to the publicationss ⁇ sign 108 in Fig. 3a. All other designations 101-104 are shown in FIG.
  • FIG. 3 a shows the sensor for the case without a deformation of the membrane 102, wherein it can be seen that the magnetizations of the magnetically hard layer and the magnetically soft layer have an angle of 45 °.
  • all magnetizations of the magnetically soft layer and of the magnetically hard layer are generated in the same direction, which results in the already explained advantages of a simplified manufacture of the sensor due to generation can achieve a magnetization for all Sen ⁇ sorieri. As already described above, this is achieved such that the magnetically hard layer, i. the reference layer is magnetized such that the magnetization of all sensor elements in the same
  • a pinned individual layer a magnetization of all sensor elements in the same direction.
  • a pinned individual layer a magnetization of all sensor elements in the same direction.
  • the achievement of a magnetization of all sensor elements in the same direction can be achieved very simply by applying a sufficiently large external magnetic field, which can be done, for example, at an elevated temperature.
  • the stress distribution shown in FIG. 6b now results in a radial manner, ie the expansion directions are perpendicular to the sides of the square-shaped membrane 102.
  • the magnetization will preferably rotate in the direction of the tensile stress, ie the angle between the magnetization of the magnetically soft layer and the direction of expansion ⁇ will decrease.
  • the easy direction of the measuring layer and the magnetization of the reference layer are arranged at 45 ° to each other, which has the advantage that both at Switzerlandspannng and compressive stress a rotation of the easy axis in the measuring layer opposite the reference magnetization gets.
  • the case under tensile stress perpendicular to the resistive elements is shown in Fig. 6b.
  • the magnetization of the measuring layer follows the tensile stress (positive magnetostriction) and turns from the 45 ° direction in, for example, 20 ° in the elements 104b and 104d or 70 ° in the elements 104a and 104c.
  • the resistance decreases in the elements 104a and 104c, since there is a higher parallel alignment between the measuring layer and the reference layer, and increases in the elements 104d and 104b, since here a less parallel alignment between the measuring layer and the reference layer is present.
  • reverse behavior results when a compressive stress acts perpendicular to the elements, which can be equated with an analog tensile stress along the elements.
  • the easy axis of magnetization of the measuring layer rotates along the tensile stress and the effect reverses. Using 45 ° as the starting point, it is possible to rotate the magnetization by 45 ° in one direction or the other under pressure and tension.
  • additional resistors may be placed in locations having a different amount of compressive stress.
  • FIG. 7 shows an embodiment in which additional sensor elements 134a-d are arranged radially symmetrically to the center further inward on the membrane 102.
  • the inner sensor elements 134a-d like the outer sensor elements 104a-d, are switched to form a bridge, wherein the inner bridge is designed such that, even after saturation of the outer bridge elements, they continue to contribute to the signal at high pressures.
  • 7 shows such a state in which the magnetizations of the magnetically soft layer of the sensor elements 104a-d are already due to the high pressure applied to the membrane 102 are set parallel to the expansion direction, so that the sensor elements 104a-d are already in saturation be ⁇ .
  • the sensor elements 134a-d are not yet saturated due to their arrangement closer to the center, ie at locations of a lower mechanical deformation, which can be seen in FIG. 7 in that the magnetizations 108 are the magnetically soft one Layer of the sensor elements 134a-d are not yet parallel to the direction of elongation, ie have an angle not equal to zero.
  • sensor elements that have a positive magnetostriction
  • further embodiments of the present invention may also include sensor elements having negative magnetostriction, wherein a correspondingly altered magnetization of the magnetically hard layer and magnetic wei ⁇ chen Layer with respect to the direction of expansion or arrangement of the measuring and reference resistors to choose.
  • the sensors described in the exemplary embodiments may be modified such that a negative strain, ie a magnetostriction, occurs at the locations of the sensor elements. Therefore, the sensor elements can be arranged both at locations with positive elongation and at locations with negative elongation.
  • the preferred embodiments describe an application of the sensor as a pressure sensor, wherein the mechanically deformable region is a membrane.
  • the present invention is not limited to such sensors, and may for example also include an application for detecting accelerations, for example by connecting an acceleration or test mass with thin webs to the substrate.
  • the sensor elements described in the exemplary embodiments are identical, ie they have a uniform layer structure, the same materials and a similar shape and thus have the same magnetostriction coefficient.
  • implementations are also conceivable in which different sensor elements are used with regard to the above features.

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Abstract

Ein Sensor umfasst ein Substrat (100), in dem ein mechanisch verformbarer Bereich (102) gebildet ist. Ein erstes magnetostriktives Mehrschicht-Sensorelement (104a) und ein zweites magnetostriktives Mehrschicht-Sensorelement (104b) sind in dem mechanisch verformbaren Bereich gebildet, wobei das erste magnetostriktive Mehrschicht-Sensorelement (104a) und das zweite magnetostriktive Mehrschicht-Sensorelement (104b) miteinander verschaltet sind und derart ausgebildet sind, dass bei einem Erzeugen einer mechanischen Verformung des mechanisch verformbaren Bereichs (102) sich der elektrische Widerstand des ersten magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelements (104a) gegenläufig zu dem elektrischen Widerstand des zweiten magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelements (104b) ändert oder der elektrische Widerstand des ersten magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelements (104a) unverändert bleibt.

Description

Beschreibung
Sensor und Verfahren zum Herstellen eines Sensors
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf magnetostriktive Mehrschicht-Sensoren zum Erfassen einer mechanischen Verfor¬ mung.
Magnetostriktive Mehrschichtsystem, wie beispielsweise Spin- Valve-Systeme, werden heutzutage in vielfältiger Weise ver¬ wendet. Ein Anwendungsgebiet, das in jüngster Zeit zunehmend Bedeutung gewonnen hat, umfaßt die Verwendung von magneto- striktiven GMR/TMR-Widerstandsstrukturen als Drucksensoren.
Drucksensoren arbeiten generell nach dem Prinzip der Verbie¬ gung von beweglichen Membranen oder anderen beweglichen Ele¬ menten durch Druckeinwirkung, wobei die Membranauslenkung ein Maß für den angelegten Druck darstellt. Die Membrane der Drucksensoren können dabei in der Siliziumtechnologie mittels Bulk-Mikromechanik (BMM) oder in Oberflächenmikromechanik (SMM) realisiert werden. Drucksensoren in Oberflächenmikrome¬ chanik messen z.B.eine durch die Membranauslenkung induzierte Änderung der Kapazität zwischen Membran und Substrat gegen Elektrode. Dabei sind die Kapazitätshübe jedoch so klein, dass ein erheblicher Aufwand in die Signalaufbereitung inve¬ stiert werden muss, was sich in einer erhöhten Chipfläche auswirkt. Ferner führt der erhöhte Signalaufbereitungsaufwand zu einer zusätzlichen Verteuerung der Herstellung, da zur Realisierung der entsprechenden Schaltungen ein zusätzlicher Aufwand erforderlich ist.
Bei Drucksensoren in BMM-Technologie wird die Membranverbie¬ gung über den piezoresistiven Effekt detektiert, wobei die Dehnung der Membran z.B. an bestimmten dotierten Bereichen über eine Dehnungs-induzierte Widerstandsänderung beurteilt wird. Allerdings ist der sogenannte Gauge-Faktor, der einer Quotienten dR/R/Dehnung entspricht, d.h. ein Maß für die Sen- sitivität ist, für Silizium mit etwa 40 nur gering, wodurch sich ein reduziertes Signal/Rausch-Verhältnis ergibt.
Aufgrund ihres höheren Gauge-Faktors, der bis zu etwa 600 für eine TMR-Struktur betragen kann, verspricht der Ansatz von GMR/TMR-Widerstandsstrukturen im Vergleich zum piezoresisti- ven Effekt eine verbesserte Empfindlichkeit, ein größeres Si¬ gnal/Rauschverhältnis sowie eine Druckmessung mit erhöhter Auflösung.
Bei vielen Anwendungen ist es jedoch erforderlich, zwei oder mehrere derartige Sensorelemente zu einer Brückenanordnung, beispielsweise einer Wheatstone' sehen Brücke zu verschalten , um ein Signal zu erhalten, das auf die erzeugte Dehnung bzw. den angelegten Druck hinweist.
Zur Realisierung einer Sensorbrücke wird in der Regel eine Vollbrücke verwendet, bei der in beiden Ästen jeweils das Si- gnal, d.h. eine Widerstandsänderung, entgegengesetzt gleich¬ gerichtet ist. In der Regel wird dies durch ein gegengleiches Aufmagnetisieren der Referenzschicht erreicht, was jedoch mit zusätzlichem Aufwand verbunden ist, beispielsweise indem eine Mäander-Leiterbahnfolie erforderlich ist. Durch den zusätzli- chen Aufwand wird ebenso die Herstellung der Sensoren verteu¬ ert, wobei es aufgrund der zahlreichen Anwendungen, für die die Drucksensoren geeignet sind, aufgrund der starken Konkur¬ renz wünschenswert wäre, einen Sensor mit geringen Herstel¬ lungskosten zu schaffen.
Allgemeine Grundlagen von Mehrschicht-Sensoren finden sich in den Druckschriften Löhndorf et al „ Highly sensitive strain senonsors on magnetic tunneling junetions", Appl. Phys. Lett., VoI 81, pp 313-315, Löhndorf et. al. Strain sensors based on magnetostrictiveGMR/TMR struetures", IEEE Trans. Magn, VoI 28, pp.2826-2828, September 2002, Ludwig et al, "Adapting GMR sensors for integrated devices", Sensors and Actuators A, 106, pp. 15-18, 2003.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen kostengünstigen und einfachen magnetostriktiven Mehrschicht- Sensor zum Erfassen von mechanischen Verformungen mit verbes¬ serten Charakteristika zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen Sensor gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 20 gelöst.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass es durch eine einfache Anordnung von magnetostriktiven Mehr¬ schicht-Sensorelementen zur Erfassung einer Verformung eines mechanisch verformbaren Bereichs unter Berücksichtigung der durch auf die Elemente übertragenen Dehnungsrichtungen und ein Verschalten der Sensorelemente möglich ist, ein Ausgangs¬ signal, das verbesserte Charakteristika aufweist, auf eine einfache und kostengünstige Weise zu erreichen. Die Anordnung der Sensorelemente wird dabei lediglich aufgrund der an dem Ort der Sensoren bei einer Verwendung des Sensors auftreten¬ den Verformung, insbesondere einer Richtung der Verformung, d.h. einer Charakteristik des verformbaren Bereichs an dem Ort der Sensoren, sowie der Magnetisierung der Sensorelemente bestimmt.
Generell soll unter einem magnetostriktiven Mehrschicht- Sensorelement ein Sensorelement verstanden werden, das aus zumindest zwei übereinander angeordneten magnetischen Schich- ten besteht und einen magnetostriktiven Effekt, d.h. eine Än¬ derung des Widerstands durch positive Dehnung oder negative Dehnung (Striktion) zeigt. Beispielsweise können derartige Sensorelemente GMR-Strukturen (giant magneto resistance) oder TMR-Strukturen (tunneling magneto resistance) umfassen. Ins- besondere eignen sich als GMR/TMR-Elemente sogenannte Spin- Valve-Strukturen, die aus zwei magnetischen Schichten beste¬ hen, die durch eine nicht-magnetische Schicht voneinander ge- trennt sind. Der Schichtwiderstand der Struktur hängt dabei vom relativen Winkel zwischen den Magnetisierungsrichtungen der beiden magnetischen Schichten ab. Eine der magnetischen Schichten, die als magnetisch harte Schicht oder Referenz- schicht bezeichnet wird, ist hinsichtlich der Magnetisierung festgelegt, d.h. gepinned, während die andere magnetische Schicht, die als magnetisch weiche Schicht bzw. Messschicht bezeichnet wird, ihre Magnetisierungsrichtung durch ein äuße¬ res Magnetfeld und/oder Stress/Dehnung drehen kann, was mit einer Änderung des Schichtwiderstands korreliert ist. Stehen beide Magnetisierungen parallel, so ist der Schichtwiderstand minimal, während bei einer antiparallelen Ausrichtung der Schichtwiderstand maximal ist. Der Widerstand verhält sich proportional zu cos (Φ), wobei Φ der Winkel zwischen beiden Magnetisierungen ist. Der Widerstandshub von paralleler zu antiparalleler Konfiguration bedeckt typischerweise bei Raum¬ temperatur für GMR-Systeme etwa 10 % und bei TMR-Systemen et¬ wa 50 % vom Grundwiderstand.
Die Verwendung dieser Sensorelemente zur Erfassung einer me¬ chanischen Verformung erfordert, dass zumindest ein Teilbe¬ reich eines jeweiligen Sensorelements in einem Bereich des zu erfassenden mechanisch verformbaren Bereichs angeordnet ist. Erfindungsgemäß wird dabei die Anordnung auf dem verformbaren Bereich entsprechend der jeweiligen Verwendung der Sensorele¬ mente, beispielsweise, ob die Sensorelemente in einer Voll¬ brücke oder einer Halbbrücke angeordnet sein sollen, gewählt, wie es nachfolgend noch näher ausgeführt wird.
Die Sensorelemente können als CIP-Elemente (Current-In-Plane- Elemente) , bei denen der Strom parallel zu den Schichtebenen fließt, oder als CPP-Elemente (Current-Perpendicular-To- Plane-Elemente) , bei denen der Strom senkrecht zu der Schichtebene fließt, ausgebildet sein.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Magnetisierungen der magnetisch weichen Schicht oder der magnetisch harten Schicht aller Sensorelemente eine gemeinsame vorbestimmte Richtung aufweisen, so dass die Magnetisierung aller Sensorelemente mit einem einzigen Verfahrensschritt möglich ist. Dadurch können die Herstellungskosten verringert werden, was sich insbesondere hinsichtlich einer zukünftig zu erwartenden Mas¬ senfertigung derartiger Sensoren als besonderer Vorteil her¬ ausstellt. Besonders vorteilhaft ist es, für sämtliche Sen¬ sorelemente eine gleiche Magnetisierung vorzusehen, d.h. dass sämtliche Sensorelemente eine Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht in eine einzige vorbestimmte Richtung aufwei¬ sen und die Magnetisierungen der magnetisch harten Schichten für die jeweiligen Sensorelemente in eine zweite vorbestimmte Richtung zeigen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können je nach Verwendung und sonstiger Erfordernisse verschiedene Anordnungen und Ver¬ schaltungen gewählt werden, um durch geeignetes Abgreifen ei¬ nes Detektorsignals einen Detektor mit verbesserten Charakte¬ ristika des Ausgangssignals zu erreichen.
Genauer gesagt, wird bei einem Ausführungsbeispiel ein erstes magnetostriktives Mehrschicht-Sensorelement und ein zweites magnetostriktives Mehrschicht-Sensorelement derart angeord¬ net, dass bei einem Erzeugen einer mechanischen Verformung des mechanisch verformbaren Bereichs der elektrische Wider¬ stand des ersten Sensorelements unverändert bleibt, während sich der elektrische Widerstand des zweiten Sensorelements ändert. Das Ausführungsbeispiel, bei dem ein Sensorelement angeordnet ist, so dass sich keine Änderung des Widerstands mit einer Verformung ergibt, weist den Vorteil auf, dass die¬ ser als Referenzwiderstand eingesetzt werden kann, der den gleichen Bedingungen wie ein Meßwiderstand, d.h. denselben Druckbeaufschlagungen und denselben ümgebungsbedingungen, wie beispielsweise einer gleichen Temperatur, ausgesetzt sind. Dadurch kann eine Drift des Detektors, die beispielsweise durch eine unterschiedliche Temperatur oder eine unterschied¬ liche mechanische Belastung der Mess- und Referenzwiderstände hervorgerufen wird, auf einfache Weise ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand kompensiert werden.
Beispielsweise ist es zur Realisierung einer Halbbrücke er- forderlich, vier Einzelelemente so anzuordnen, dass zwei Ele¬ mente bei einer Verformung bzw. Druckbeaufschlagung ihren Wi¬ derstand erhöhen oder erniedrigen, d.h. als Messwiderstände wirken, und zwei Widerstände konstant bleiben, d.h. als Refe¬ renzwiderstände wirken. Da bei diesem Ausführungsbeispiel die Sensorelemente, die als Referenzwiderstand wirken, den elek¬ trischen Widerstand nicht ändern, obwohl diese der Messbela¬ stung, d.h. beispielsweise der Dehnung des verformbaren Be¬ reichs, ausgesetzt sind, kann bewirkt werden, dass die Refe¬ renzwiderstände den gleichen Bedingungen wie die Messwider- stände ausgesetzt sind. Somit kann eine Halbbrücke realisiert werden, bei der alle vier beteiligten Widerstände im Betrieb die gleiche Dehnung erfahren, wobei jedoch lediglich zwei ih¬ ren Widerstand verändern.
Die im Betrieb auftretenden Dehnungen stellen insbesondere für die TMR-Strukturen, die eine Al2O3-Tunnelbarriere im Be¬ reich von einigen nm aufweisen können, eine Materialbelastung dar, die mit der Zeit zu einer Drift im Grundwiderstand füh¬ ren kann. Durch die oben beschriebene Anordnung, bei der ein oder mehrere Referenzwiderstände bei einer Dehnung konstant bleiben, wird ermöglicht, dass alle beteiligten Widerstände, d.h. Messwiderstände und Referenzwiderstände, im Betrieb die gleiche Dehnung erfahren, so dass Langzeitdriften der Grund¬ widerstände aufgrund Materialermüdung abgefangen werden kön- . nen.
Die oben beschriebene Anordnung kann durch eine bestimmte, über die Prozessierung einstellbare Ausrichtung der Magneti¬ sierungen der harten und weichen Schicht bezüglich der von der Membran auf die Elemente übertragenen Dehnungsrichtungen bewirkt werden. Zum Erreichen eines Sensorelements, bei dem sich keine Änderung des Widerstands ergibt, ist es erforder- lieh, dass die Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht parallel zu der Dehnungsrichtung an dem Ort des Sensorele¬ ments ist, da die parallele Ausrichtung der Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht parallel zu der Dehnungsrich- tung energetisch am günstigsten ist für Materialien mit posi¬ tiver Magnetostriktinskonstanten.
Die Magnetisierung der weichen Schicht ist vorzugsweise bei allen Einzelelementen identisch orientiert, was bei einem be- schriebenen Ausführungsbeispiel durch die parallele Ausrich¬ tung der magnetisch weichen und magnetisch harten Schicht mit dem Magnetisierungsprozess der harten Referenzschicht z.B. durch Kombination mit einer vorhandenen paramagnetischen Neel-Kopplung automatisch gewährleistet ist. Bei diesem be- vorzugten Ausführungsbeispiel mit parallelen Magnetisierungen der magnetisch harten und weichen Schicht für alle Sensorele¬ mente sind beide Magnetisierungen am Ort der Sensoren für die Messwiderstände vorzugsweise senkrecht bzw. für die Referenz¬ widerstände parallel zu den Dehnungsrichtungen am Ort der Sensoren. Dies wirkt sich insbesondere bei einer rechtwinkli¬ gen, vorzugsweise quadratischen, Ausbildung des mechanisch verformbaren Bereichs vorteilhaft aus, da durch einfache An¬ ordnung an den Seiten des mechanisch verformbaren Bereichs der oben genannte Vorteil einer gleichzeitigen Magnetisierung aller Sensorelemente, d.h. der Meß- als auch der Referenz- Sensorelemente möglich ist, wobei die Magnetisierung der ma¬ gnetisch weichen Schicht der Meßwiderstände senkrecht zu der Dehnungsrichtung steht, sofern die Meßwiderstände und die Re¬ ferenzwiderstände an benachbarten Seiten, d.h. senkrechten Kanten, angeordnet sind. Durch die zueinander parallele ma¬ gnetische Ausrichtung der weichen und harten Schicht in Kom¬ bination mit einer bezüglich den Dehnungsrichtungen senkrech¬ ten Konfiguration für die Messwiderstände und einer paralle¬ len Konfiguration für die Referenzwiderstände wird ein für eine Halbbrücke maximal möglicher Signalhub ermöglicht, wobei keine lokal unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen der harten und weichen Schicht benötigt werden. Ausgenützt wird bei dieser Anordnung die Abhängigkeit der Verformung, die be¬ wirkt, dass die Dehnungsrichtungen an den Kanten des recht¬ winkligen verformbaren Bereichs senkrecht zu den Kanten sind.
Daher kann bei diesem Ausführungsbeispiel im Vergleich zu ei¬ ner senkrechten Orientierung der magnetisch weichen und har¬ ten Schicht, wie es beispielweise bei einer Vollbrücke erfor¬ derlich ist, eine Ersparnis eines abschließenden Magnetisie¬ rungsschrittes zur eindeutigen Ausrichtung der magnetisch weichen Sensorschicht erreicht werden. Alle Einzelelemente können in einem Schritt auf Waferebene magnetisiert werden, was sich vorteilhaft auf die Prozessführung sowie die Pro¬ zesskosten auswirkt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er¬ findung werden das erste Sensorelement und das zweite Sensor¬ element derart angeordnet, dass das erste Sensorelement sei¬ nen Widerstand gegenläufig zu dem zweiten Sensorelement än¬ dert, wenn der mechanisch verformbare Bereich durch eine äu- ßere Kraft- oder Druckanwendung verformt wird.
Dies ermöglicht, dass die Sensorelemente in einer Vollbrücke verschaltet werden können, bei der beispielsweise in zwei Zweigen jeweils zwei Elemente angeordnet sind, die ihren Wi- derstand gegenläufig verändern. Durch ein Abgreifen eines
Spannungssignals zwischen den zwei sich gegenläufig ändernden Sensorelemente innerhalb eines Zweigs ist es möglich, ein Sensorsignal mit hoher Empfindlichkeit bereitzustellen.
Bei einem Ausführungsbeispiel eines Spin-Valve-Sensors sind die Magnetisierungen der Sensorelemente derart, dass die har¬ te Schicht unter 45° bzw. 135° bezüglich den Dehnungsrichtun¬ gen magnetisiert ist und die Magnetisierung der weichen Schicht senkrecht zur harten Schicht orientiert ist. Dadurch ergibt sich wiederum eine kostengünstige Herstellung, da alle Einzelelemente in einem Schritt auf Waferebene magne- tisiert werden können, was sich vorteilhaft auf die Prozess¬ führung und die Prozesskosten auswirkt.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, dass die Ma- gnetisierungsrichtung der magnetisch weichen Schicht, d.h. der Meßschicht, einen Winkel von 45° zu der Magnetisierung der Referenzschicht, d.h. der magnetisch harten Schicht, auf¬ weist. Die Magnetisierung der harten Schicht wird dabei vor¬ zugsweise so eingestellt, dass sie parallel oder antiparallel zu der Dehnungsrichtung ist, so dass die Magnetisierung der weichen Schicht einen Winkel von 45° bezüglich der Dehnungs¬ richtung aufweist.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist es ferner möglich, dass die Magnetisierungen aller Sensorelemente in die gleiche Richtung zeigt, d.h. dass sämtliche Sensorelemente eine Ma¬ gnetisierung der magnetisch weichen Schicht in eine einzige vorbestimmte Richtung aufweisen und die Magnetisierungen der magnetisch harten Schichten für die jeweiligen Sensorelemente in eine zweite vorbestimmte Richtung zeigen.
Der Vorteil dieses Ausführungsbeispiels liegt darin, dass ei¬ ne gezielte Verschaltung von vier nominell gleichen Wider¬ ständen zu einer Brücke, d.h. einer Wheatstone' sehen Brücke alle bekannten Vorteile, beispielsweise eine Kompensation von Offsetdriften, erreicht werden können, wobei durch die Anord¬ nung der Magnetisierungen der magnetisch harten und magne¬ tisch weichen Schicht unter einem Winkel von 45° erreicht wird, dass eine Kennlinie des Brückensignals über der Spa'n- nung bzw. dem Druck symmetrisch zum Arbeitspunkt ist, d.h. eine gewünschte Linearität der Kennlinie aufweist.
Generell kann, ohne mechanische Verformung des mechanisch verformbaren Bereichs, die Magnetisierung der magnetisch har- ten Schicht und die Magnetisierung der magnetisch weichen
Schicht des ersten Sensorelements und des zweiten Sensorele¬ ments jeweils so eingestellt sind, das sie einen Winkel von 0 °, 45°, 90° oder 135 oder beliebige Zwischenwinkel zwischen den obigen Werten umfassen.
Ebenso kann ein Winkel zwischen der Dehnungsrichtung und der Magnetisierung der magnetisch harten Schicht des ersten Sen¬ sorelements und des zweiten Sensorelements jeweils so einge¬ stellt sein, das sie einen Winkel von 0 °, 45°, 90°, 135° o- der 180° oder beliebige Zwischenwinkel zwischen den obigen Werten umfassen.
Ferner kann, ohne mechanische Verformung des mechanisch ver¬ formbaren Bereichs, ein Winkel zwischen der Dehnungsrichtung und der Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht des er- sten Sensorelements und des zweiten Sensorelements jeweils so eingestellt sind, das sie einen Winkel von 0 °, 45°, 90° oder 135° oder beliebige Zwischenwinkel zwischen den obigen Werten umfassen.
Die Ausgestaltung der Sensorelemente kann eine Vielzahl von Formen und Ausgestaltungen annehmen, je nach Anwendung und Ausgestaltung des mechanisch verformbaren Bereichs. Bei¬ spielsweise können bei kreisförmigen Membranen die Widerstän¬ de in Form von Kreissegmenten ausgestaltet und entsprechend verschaltet werden. Dies weist den Vorteil einer einfachen
Herstellung und einer optimalen Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Fläche der Membran auf.
Außerdem bietet die gleichgerichtete Ausrichtung der Refe'- renzwiderstände den Vorteil, dass der Sensor relativ unemp¬ findlich gegen kleine äußere Magnetfelder ist, da diese die Magnetisierung in allen Brückengliedern gleichermaßen beein¬ flussen würde. Auf Grund der gleichen Ausrichtung der Refe¬ renzschicht aller Glieder der Brücke wird der Einfluss auf das Brückensignal minimiert. Vorzugsweise werden die Widerstände an den Orten einer maxi¬ malen Verformung angeordnet, um ein möglichst hohes Sensorsi¬ gnal mit einem geringen Rauschsignal zu erhalten. Beispiels¬ weise sind diese Orte bei der Verwendung des Sensors als ein Drucksensor mit einer Membran an den Rändern der Membran an¬ geordnet.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist es ferner möglich, dass ein oder mehrere Sensorelemente einen Abstand von einem Zentrum oder einem Symmetriepunkt des mechanisch verformbaren Be¬ reichs aufweisen, der geringer ist als der Abstand eines oder mehrerer anderer Sensorelemente.
Diese Anordnung der Sensorelemente in unterschiedlichen Ab- ständen von einem Zentrum oder einem Symmetriepunkt des me¬ chanisch verformbaren Bereichs ermöglicht, dass die Sensor¬ elemente unterschiedliche Kennlinien bezüglich der Signale über der auf den verformbaren Bereich ausgeübten Kraft bzw. Druck aufweisen. Dies kann beispielsweise verwendet werden, um einen Arbeitsbereich des Sensors zu vergrößern.
Bei einem Ausführungsbeispiel können Brückenglieder an ver¬ schiedenen Radien der Membran angeordnet werden, die unter¬ schiedlich stark durchgebogen werden, d.h. eine unterschied- liehe Zugspannung bei gleichem Druck aufweisen. Da die weiter innen liegenden Sensorelemente eine geringere Dehnung erfah¬ ren, können dieselben bei großen Drücken weiterhin einen Bei¬ trag zum Signal liefern.
Dabei ergeben sich vielfältige Möglichkeiten, um einen Sensor mit verbessertem Arbeitsbereich zu realisieren.
Beispielsweise können in Bereichen mit einer hohen Dehnung Sensorelemente einer ersten Brücke angeordnet werden, während in Bereichen mit geringerer Dehnung, beispielsweise näher zu einem Symmetriepunkt, weitere Sensorelemente einer zweiten Brücke angeordnet sein können, die jeweils geringere Dehnun- gen bei einem gleichen Druck auf den verformbaren Bereich er¬ fahren.
Darüber hinaus können jedoch Sensorelemente an unterschiedli- chen Orten einer Dehnung beispielsweise durch serielles Ver¬ schalten zu einem einzigen Gesamt-Sensorelement verschaltet werden, das einen verbreiterten Arbeitsbereich aufweist. Ebenso ist es denkbar, die Sensorelemente einer einzigen Brü¬ cke an Bereichen unterschiedlicher Dehnung anzuordnen. Sind beispielsweise ein Sensorelement an einem( Ort mit hoher
Dehnung und ein Sensorelement an einem Ort mit geringer Deh¬ nung in einem Brückenzweig verschaltet, so erfährt bei gerin¬ gen Drücken lediglich das Sensorelement an dem Ort mit hoher Dehnung eine Widerstandsänderung während das Sensorelement dem Ort mit geringer Dehnung nur eine sehr geringe Wider¬ standsänderung erfährt und somit quasi als ein Referenzele¬ ment wirkt. Bei mittleren Drücken ändern beide Sensorelemente ihren Widerstand, wobei mit zunehmendem Druck das eine Sen¬ sorelement an dem Ort mit hoher Dehnung in Sättigung geht, so dass bei hohen Drücken aufgrund der Sättigung das Sensorele¬ ment an dem Ort mit hoher Dehnung -keine Widerstandsänderung erfährt und somit quasi als Referenzwiderstand wirkt. Durch geeignete Anordnung ist es somit möglich, die Ausgangskennli¬ nie zu modifizieren, um beispielsweise Nichtlinearitäten aus- zugleichen.
Ein weiterer Vorteil der oben genannten Anordnung von Sensor¬ elementen an Orten mit unterschiedlichen Dehnungen besteht darin, dass die zusätzlichen Sensorelemente als Testelemehte • verwendet werden können, um die Funktion der Sensorelemente an den Orten mit hoher Dehnung zu überprüfen.
Die Anordnung von Sensorelementen an Orten mit unterschiedli¬ chen Dehnungen kann sowohl für die oben beschriebene HaIb- brücke als auch die Vollbrücke realisiert werden. Generell kann die Anordnung an Orten mit unterschiedlicher Dehnung für jeden beliebigen Typ von magnetostriktiven Sensorelementen durchgeführt werden. Beispielsweise kann jede Brückenanord¬ nung mit jeder Magnetisierung einer magnetisch harten und ma¬ gnetisch weichen Schicht zusätzlich in einem geringen Abstand zu dem Zentrum realisiert werden, so dass prinzipiell für je- de denkbare magnetostriktive Sensoranordnung eine entspre¬ chende Realisierung an Orten mit unterschiedlichen Dehnungen möglich ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Querschnittdarstel¬ lung einer Membran gemäß einem Ausführungsbeispiel der vor- liegenden Erfindung;
Fig. 2a eine Draufsicht auf einen Sensor gemäß einem Ausfüh¬ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2b ein Schaltungsdiagramm des in Fig. 2a dargestellten Sensors;
Fig. 3a eine schematische Draufsicht auf einen Sensor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin- düng;
Fig. 3b ein Schaltungsdiagramm des Sensors gemäß Fig. 3a;
Fig. 4 eine schematische Querschnittdarstellung eines Sensors. gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 eine schematische Querschnittdarstellung eines Sensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; Fig. 6a eine schematische Draufsicht auf einen Sensor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin¬ dung;
Fig. 6b eine schematische Draufsicht auf den Sensor gemäß Fig. 6a bei einer Druckbeaufschlagung; und
Fig. 7 eine schematische Draufsicht auf einen Sensor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin- düng.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 7 werden im Folgenden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Gleichartige Elemente der verschiedenen Aus- führungsbeispiele sind in den jeweiligen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Fig. Ia zeigt die prinzipielle Wirkungsweise eines Drucksen¬ sors gemäß der vorliegenden Erfindung. In einem Substrat 100 ist eine dünn ausgebildete Membran 102 als ein mechanisch verformbarer Bereich ausgebildet, wobei die Membran entweder einen gedünnten integralen Bestandteil des Substrats 100, beispielsweise eine Oxidschicht, Nitridschicht oder derglei¬ chen, aufweist, wobei das Substrat von der Rückseite durch Ätzen freigelegt wurde, oder eine nachträglich aufgebrachte
Schicht sein kann, die beispielsweise Siliziumoxid, Silizium¬ nitrid oder Poly-Silizium umfasst. Die Freilegung der Membran kann auch von der Vorderseite erfolgen, wobei Verfahren zu den oben beschriebenen Prozessen bekannt sind und an dieser Stelle daher nicht näher erläutert werden. Das Substrat kann ein Halbleitersubstrat, beispielsweise einen Siliziumchip, umfassen.
Wird die Membran 102 beispielsweise von einer Vorderseite mit einer Kraft bzw. einem Druck beaufschlagt, führt dies zu ei¬ ner Durchbiegung der Membran. Der Spannungsverlauf ergibt sich dabei derart, dass im Bereich der Membranränder, die in der Fig. Ib mit Bezugszeichen A bezeichnet sind, auf der O- berseite Zugspannungen auftreten, während im Zentrum der Membran, das mit Bezugszeichen B bezeichnet ist, Druckspan¬ nungen auftreten. Auf der Unterseite der Membran treten ent- sprechende Spannungen mit umgekehrten Vorzeichen auf. Das Ma¬ ximum der Spannung tritt an den Membranrändern A auf, so dass es zweckmäßig und naheliegend ist, für einen Sensor, bei¬ spielsweise einen Drucksensor, die dehnungsempfindlichen Bau¬ elemente, deren Signal zur Messung des Drucks benutzt werden soll, in dem Bereich größter Dehnung, d.h. an den Rand der Membran zu platzieren, wie es in Fig. Ic angedeutet ist.
Die Spannungsverteilung einer Membran hängt generell von der Form derselben ab, wobei jedoch bei der oben genannten Mem- bran eine Spannungsverteilung erreicht wird, die annähernd radial verläuft, d.h. senkrecht zu den Rändern der Membran ist.
Fig. 2a zeigt nunmehr ein Ausführungsbeispiel der vorliegen- den Erfindung, bei dem vier Sensorelemente 104a, 104b, 104c und 104d jeweils an dem Rand der Membran 102, d.h. an den Or¬ ten einer größten Dehnung angeordnet sind. Die Sensorelemente 104a-d sind als magnetostriktive Mehrschicht-Sensorelemente ausgebildet, und können beispielsweise GMR oder TMR- Sensorelemente umfassen, die eine Spin-Valve-Anordnung mit einer magnetisch harten Schicht und einer magnetisch weichen Schicht aufweisen. Die Sensorelemente sind länglich ausgebil¬ det, wobei eine Längsachse der Sensorelemente jeweils paral¬ lel zu den Seiten der im Wesentlichen quadratisch ausgebilde- ten Membran 102 sind.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Magnetisierungen der¬ art, dass die magnetisch harte Schicht parallel zu der Längs¬ achse der Sensorelemente 104b und 104d ausgerichtet ist, die als Messwiderstände wirken, wie es nachfolgend näher erläu¬ tert wird. Die Ausrichtung der Magnetisierungen kann durch einen Temperprozess unter einem Magnetfeld erreicht werden, wobei prinzipiell beliebige Winkel in der Ebene eingestellt werden können.
Die magnetisch weiche Schicht der einzelnen Sensorelemente 104a-d weist eine magnetische Anisotropie auf, die parallel zu der Magnetisierungsrichtung der harten Schicht ausgerich¬ tet ist, was z.B. durch die Wachstumsbedingungen eingestellt werden kann.
Beim Ausüben eines äußeren Drucks werden die Streifen senk¬ recht zu ihrer Längsachse in eine Dehnungsrichtung 110 ge¬ dehnt. Die Sensorelemente 104a-d können magnetostriktive Ma¬ terialien mit entweder positiver Magnetostriktionskonstante oder negativer Magnetostriktionskonstante aufweisen.
Im Falle eines magnetostriktiven Materials mit positiver Ma¬ gnetostriktionskonstante wird mit zunehmender Dehnung in Deh¬ nungsrichtung eine wachsende magnetische Anisotropie erzeugt. Dies führt bei den als Messwiderständen wirkenden Sensorele- menten 104b und 104d aus energetischen Gründen zu einem Dre¬ hen der Polarisation der magnetisch weichen Schicht, wie es in Fig. 2a durch Pfeile mit dem Bezugszeichen 112 angedeutet ist. Dadurch wird bei den Sensorelementen 104b und 104d der Widerstand erhöht, da die Magnetisierung 108 der magnetisch weichen Schicht von der parallelen Ausrichtung mit der Magne¬ tisierung 106 der magnetisch harten Schicht weggedreht wird, d.h. die Magnetisierungen werden antiparalleler. Bei den als Referenzwiderstände wirkenden Sensorelemente 104a und 104c ist die durch die Dehnung generierte Anisotropie identisch mit der intrinsischen Anisotropie, so dass jede Drehung der Polarisation der magnetisch weichen Schicht aus der Ur¬ sprungslage energetisch ungünstig wäre. Daher verbleiben die Magnetisierungen der magnetisch weichen Schicht der Sensor¬ elemente 104a und 104c in ihrer ursprünglichen Ausrichtung, so dass dieselben keine Dehnungsabhängigkeit zeigen. Mit anderen Worten gesagt, kann bei diesem Ausführungsbei¬ spiel durch das Erzeugen der Magnetisierungen der magnetisch weichen Schicht der als Referenzwiderstände wirkenden Sensor¬ elemente 104a und 104c bewirkt werden, dass dieselben den gleichen Dehnungen wie die Sensorelemente 104b und 104d aus¬ gesetzt sind, ohne jedoch eine Änderung des elektrischen Wi¬ derstands zu erfahren. Dadurch wird eine mit zunehmender Le¬ bensdauer des Sensors bewirkte Veränderung der Charakteristik der Sensorelemente aufgrund einer häufigen Dehnung und Zusam- menziehung sowohl in den Referenzwiderständen 104a und 104c als auch in den Messwiderständen 104b und 104d erzeugt. So¬ wohl die Referenzwiderstände als auch die Messwiderstände weisen somit eine gleiche langzeitliche Drift auf, so dass beispielsweise auf aufwendige Driftkompensationsschaltungen verzichtet werden kann und ein kostengünstiger Sensor mit ho¬ her Empfindlichkeit realisiert werden kann.
Fig. 2b zeigt eine Verschaltung der in Fig. 2a gezeigten Sen¬ sorelemente 104a-d. Die Sensorelemente sind zu einer Wheat- stone' sehen Brücke verschaltet, wobei in jedem Zweig der Brü¬ cke jeweils ein Messwiderstand und ein Referenzwiderstand angeordnet sind. Dabei sind die Messwiderstände und die Refe¬ renzwiderstände in den beiden Zweigen jeweils entgegengesetzt angeordnet, so dass der Messwiderstand des ersten Zweigs, d.h. beispielsweise das Sensorelement 104b und der Referenz¬ widerstand des zweiten Zweigs, d.h. beispielsweise das Sen¬ sorelement 104c mit einem ersten Spannungsknoten verbunden sind, während der Referenzwiderstand 104a des ersten Zweigs und der Messwiderstand 104d des zweiten Zweigs mit einem • zweiten Spannungsknoten verbunden sind. Zwischen den jeweili¬ gen Sensorelementen eines Zweigs wird eine Spannung abgegrif¬ fen, die ein Ausgangssignal liefert, das auf den für die Ver¬ formung der Membran verantwortlichen Druck bzw. die auf die Membran 102 wirkende Kraft hinweist. Die Verschaltung zu ei- ner Halbbrücke, wie es in Fig. 2b gezeigt ist, liefert somit eine offset- und driftarme Ausgangsspannung, wobei aufgrund der senkrechten Ausrichtung der magnetisch weichen Schicht der Sensorelemente 104b und 104d ein maximales Sensorsignal dieser Sensorelemente erreicht wird.
Wie es bereits oben erklärt wurde, weist dieses Ausführungs- beispiel den besonderen Vorteil auf, dass sowohl die Magneti¬ sierungen der magnetisch weichen Schicht als auch die Magne¬ tisierungen der magnetisch harten Schicht für alle Sensorele¬ mente 104a-d gleich sind, so dass bei einer Herstellung eine einfache Magnetisierung in einem einzigen Magnetisierungs- schritt möglich ist. Dabei wird, wie oben erklärt, ein maxi¬ males Ausgangssignal durch die senkrechte Anordnung der ma¬ gnetisch weichen Schicht zu der Dehnungsrichtung erhalten.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3a wird nunmehr ein weiteres Aus- führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erläutert.
Das in der Fig. 3a dargestellte Ausführungsbeispiel unter¬ scheidet sich von dem in Fig. 2a dargestellten Ausführungs¬ beispiel dahin gehend, dass die Magnetisierungen der magne- tisch weichen Schicht und der magnetisch harten Schicht für jedes der Sensorelemente nicht parallel sind, sondern einen Winkel ungleich 0° aufweisen. Bei dem in Fig. 3a gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Magnetisierungen der magnetisch harten und magnetisch weichen Schicht 106 und 108 senkrecht zueinander. Die Magnetisierungen der magnetisch harten
Schicht der Sensorelemente 104a und 104d weisen dabei einen Winkel von 135° bezüglich der Dehnungsrichtung 110 auf, wäh¬ rend die Magnetisierungen 106 der magnetisch harten Schicht der Sensorelemente 104b und 104c einen Winkel von 45° bez.üg- lieh der Dehnungsrichtung 110 aufweisen. Ferner weisen auf¬ grund der senkrechten Ausrichtung der Magnetisierung der ma¬ gnetisch harten Schicht und der magnetisch weichen Schicht die Magnetisierungen 108 der magnetisch weichen Schicht der Sensorelemente 104a und 104b einen Winkel von 135° bezüglich der Dehnungsrichtung 110 auf, während die Magnetisierungen der magnetisch weichen Schicht der Sensorelemente 104c und 104d einen Winkel von 45° bezüglich der Dehnungsrichtung 110 aufweisen.
Aufgrund der oben genannten Anordnung, wird nunmehr im Falle von magnetostriktiven Materialien mit positiver Magnetostrik- tionskonstante in Dehnungsrichtung eine mit zunehmender Deh¬ nung wachsende magnetische Anisotropie generiert, die dazu führt, dass aus energetischen Gründen die Polarisation der weichen Schicht der Sensorelemente 104a und 104c zunehmend paralleler wird, und dadurch eine Widerstandserniedrigung er¬ fahren, während die Magnetisierungen der Sensorelemente 104b und 104d aufgrund des erzeugten Drucks zunehmend antiparalle¬ ler werden und dadurch eine Widerstandserhöhung erfahren.
Der besondere Vorteil dieses Ausführungsbeispiels ergibt sich dadurch, dass eine Vollbrückenschaltung ermöglicht ist, wobei sämtliche Sensorelemente sowohl eine Magnetisierung der ma¬ gnetisch harten Schicht als auch eine Magnetisierung der ma¬ gnetisch weichen Schicht in jeweils eine vorbestimmte Rich- tung aufweisen. Dadurch kann bei einem Herstellungsprozess die Magnetisierung der magnetisch harten Schicht für alle Sensorelemente in einem einzigen Schritt erzeugt werden, und die Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht für alle Sensorelemente ebenfalls in einem einzigen Verfahrensschritt erzeugt werden. Die Anordnung der Magnetisierungen der magne¬ tisch weichen und der magnetisch harten Schicht senkrecht zu¬ einander weist dabei ferner den Vorteil auf, dass aufgrund der kosinusförmigen Abhängigkeit bei 90° eine hohe Steigung erreicht wird, so dass die Änderung des Widerstands aufgrund . einer Drehung der Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht hoch ist.
Fig. 3b zeigt eine Verschaltung des in Fig. 3a gezeigten Sen¬ sors zu einer Vollbrücke. In einem ersten Zweig sind jeweils zwei Widerstände 104a und 104b mit entgegengesetzter Änderung des elektrischen Widerstands angeordnet, während in einem zweiten Zweig ebenfalls zwei Sensorelemente 104d und 104c mit entgegengesetzter Änderung des elektrischen Widerstands ange¬ ordnet sind. In den jeweiligen Zweigen sind die Sensoreleinen- te jeweils entgegengesetzt angeordnet, so dass das Sensorele¬ mente 104b mit zunehmenden Widerstand des ersten Zweigs und das Sensorelement 104c mit abnehmenden Widerstand des zweiten Zweigs jeweils mit einem ersten Spannungsknoten verbunden sind, während das Sensorelement 104a des ersten Zweigs mit abnehmenden Widerstand und das Sensorelement 104d des zweiten Zweigs mit zunehmenden Widerstand mit einem zweiten Span- nungsknoten verbunden sind. Entsprechend zu dem unter Fig. 2b gezeigten Schaltungsaufbau wird durch ein Abgreifen eines Spannungssignals zwischen den Sensorelementen der jeweiligen Zweige ein Sensorsignal erzeugt.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 4 und 5 werden im Folgenden Ausführungsbeispiele einer Realisierung der in den Figuren gezeigten Sensoren erklärt. Genauer gesagt zeigt die Fig. 4 einen Aufbau eines magnetostriktiven Drucksensors in BMM- Siliziumtechnologie, während die Fig. 5 einen schematischen Aufbau eines magnetostriktiven Drucksensors in SMM- Technologie zeigt.
Gemäß der Fig. 4 ist das Substrat 100 von der Rückseite frei¬ gelegt, so dass in einem vorbestimmten Bereich, der durch die rückseitig freigelegte Ausnehmung definiert wird, die aus¬ lenkbare Membran 102 gebildet ist. Wie es in Fig. 4 zu erken¬ nen ist, umfasst die Membran 102 eine dünne Schicht 114 aus Halbleitermaterial des Substrats, auf der eine weitere dünne Isolationsschicht 116 gebildet ist. Auf der Isolationsschicht sind die Sensorelemente 104, d.h. die GMR/TMR-Widerstands- strukturen gebildet, die im Bereich einer maximalen Dehnung angeordnet sind. Auf der Isolationsschicht 116 ist eine wei¬ tere Passivierungsschicht 118 abgeschieden, die die Sensor¬ elemente 104 vor Umwelteinflüssen schützt.
Bei dem in Fig. 5 gezeigten SMM-Aufbau ist auf dem Substrat 100 eine Opferschicht 120 gebildet, die in einem vorbestimm- ten Bereich, der den Bereich der Membran definiert, eine Aus¬ nehmung aufweist. Die Opferschicht kann beispielsweise aus Siliziumoxid gebildet sein, und eine Dicke von etwa 0,5 μm aufweisen. Auf der Opferschicht 120 ist an den Rändern der- selben eine Membranschicht 122 gebildet, die sich über die Ausnehmung der Opferschicht 120 erstreckt, so dass zwischen der Membranschicht 122 und dem Substrat 100 ein Hohlraum 124 gebildet ist. Die Ausnehmung der Opferschicht, die den Hohl¬ raum bildet, kann durch eine lokale selektive Ätzung der Op- ferschicht erzeugt werden. Die Membranschicht 122 kann bei¬ spielsweise aus einem polykristallinen Silizium gebildet sein und eine Dicke von etwa 0,5 bis 1 μm aufweisen. Auf der Mem¬ bran wird eine dünne Isolationsschicht 126 aufgebracht, wobei die GMR/TMR-Strukturen 104 im Bereich der stärksten Dehnung plaziert werden. Ferner ist auf der Opferschicht 120 eine In- termetalloxidschicht 128 aufgebracht, auf der wiederum eine Chippassivierungsschicht 130 gebildet ist. Die Intermetall- oxidschicht 128 und die Chippassivierungsschicht 130 sind über der Sensormembran 122 weggeätzt, um eine ausreichende Bewegung der Membran zu gewährleisten. Zum Schutz der Sensor¬ elemente 104 wird der Sensor mit einer Passivierungsschicht 132 beschichtet, die sich ganzflächig über den gesamten Auf¬ bau erstreckt.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 6a und 6b soll im Folgenden ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vollbrückenschaltung erklärt werden, bei der im Gegensatz zu dem in den Figuren 3a und 3b gezeigten Ausführungsbeispiel die Magnetisierungen der magnetisch harten Schicht und die Magnetisierungen der magne- tisch weichen Schicht für die jeweiligen Sensorelemente 104a- d nicht senkrecht aufeinander sind. Genauer gesagt, weisen bei diesem Ausführungsbeispiel die Magnetisierungen der ma¬ gnetisch harten Schicht und der magnetisch weichen Schicht einen Winkel von 45° auf, was den Vorteil ergibt, dass die sich ergebende Kennlinie des Signals über der Spannung bzw. dem Druck linear und symmetrisch zum Arbeitspunkt ist. In Fig. 6a sieht man, wie in Fig. 3a, die Magnetisierung der Re- ferenzschicht 106 als dicke Pfeile. Außerdem sieht man die Achse der leichten Magnetisierung bzw. leichte Richtung in der Meßschicht als Doppelpfeile, was in Fig. 3a dem Bezugs¬ zeichen 108 entspricht. Alle weiteren Bezeichnungen 101-104 sind aus Fig. 3 zu entnehmen.
Fig. βa zeigt den Sensor für den Fall ohne einer Verformung der Membran 102, wobei zu erkennen ist, dass die Magnetisie¬ rungen der magnetisch harten Schicht und der magnetisch wei- chen Schicht einen Winkel von 45° aufweisen. Entsprechend zu dem unter Bezugnahme auf Fig. 3a gezeigten Ausführungsbei¬ spiel sind sowohl sämtliche Magnetisierungen der magnetisch weichen Schicht als auch der magnetisch harten Schicht in der selben Richtung erzeugt, wodurch sich die bereits oben er- klärten Vorteile einer vereinfachten Herstellung des Sensors aufgrund einer Erzeugung einer Magnetisierung für alle Sen¬ sorelemente erreichen lässt. Wie es bereits oben beschrieben wurde, wird dies derart erreicht, dass die magnetisch harte Schicht, d.h. die Referenzschicht derart magnetisiert wird, dass die Magnetisierung aller Sensorelemente in die gleiche
Richtung zeigt. Hierzu können unterschiedliche Verfahren ver¬ wendet werden, beispielsweise ein AAF-gepinnter AAF (AAF = Artificial Anti Ferromagnet = Künstlicher Anti-Ferromagnet) oder eine gepinnte Einzelschicht. Das Erreichen einer Magne- tisierung aller Sensorelemente in die gleiche Richtung kann sehr einfach dadurch erreicht werden, dass ein genügend gro¬ ßes äußeres Magnetfeld angelegt wird, was beispielsweise bei einer erhöhten Temperatur erfolgen kann. Ferner ist es erfor¬ derlich, dass die Vorzugsrichtung in der Messschicht unter einem Winkel zu der Referenzschichtmagnetisierung steht, wo¬ bei ein Winkel 45° aufgrund der oben genannten Vorteile vor¬ zuziehen ist.
Bei einer Einwirkung einer Kraft auf die Membran 102 ergibt sich nun die in Fig. 6b gezeigte Spannungsverteilung in ra¬ dialer Weise, d.h. die Dehnungsrichtungen stehen senkrecht zu den Seiten der quadratisch ausgebildeten Membran 102. Wählt man für die Messschicht ein positives Vorzeichen der Magneto¬ striktion, so wird sich die Magnetisierung vorzugsweise in Richtung der Zugspannung drehen, d.h. der Winkel zwischen der Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht und der Deh- nungsrichtung σ nimmt ab. Dadurch verändert sich der Winkel zwischen der Referenzschichtmagnetisierung und der Magneti¬ sierung der Messschicht entsprechend um den Winkel α = | <po~ σ|, wobei cp0 der Winkel ohne Verformung der Membran ist. Da der Widerstand in magnetoresistiven Widerstandselementen vom Winkel zwischen der Magnetisierung der Referenzschicht und der Messschicht abhängt, ändert sich entsprechend der Wert R jedes einzelnen Widerstands um einen Betrag ΔR. Durch eine gezielte Verschaltung entsprechend zu dem unter Fig. 3b ge¬ zeigten Ausführungsbeispiel zu einer Brücke ergeben sich alle bekannten Vorteile, beispielsweise eine Kompensation der Tem¬ peraturdrift, wobei durch die Anordnung der Widerstände das volle magnetische Signal zur Verfügung steht.
Es läßt sich somit zusammenfassen, daß bei diesem besonderen Ausführungsbeispiel die leichte Richtung der Meßschicht und die Magnetisierung der Referenzschicht unter 45° zueinander angeordnet sind, was den Vorteil hat, dass man sowohl bei Zugspannng als auch bei Druckspannung eine Verdrehung der leichten Achse in der Meßschicht gegenüber der Referenz- Magnetisierung bekommt. Der Fall unter Zugspannung senkrecht zu den Widerstandselementen ist in Fig. 6 b gezeigt. Die Ma¬ gnetisierung der Meßschicht folgt der Zugspannung (positive Magnetostriktion) und dreht sich aus der 45° Richtung in bei¬ spielsweise 20° in den Elementen 104b und 104d bzw. 70° in den Elementen 104a und 104c. Das heißt, der Widerstand nimmt in den Elementen 104a und 104c ab, da hier eine höhere paral¬ lele Ausrichtung zwischen Meßschicht und der Referenzschicht vorliegt, und erhöht sich in den Elementen 104d und 104b, da hier eine weniger parallele Ausrichtung zwischen Meßschicht und der Referenzschicht vorliegt. Entsprechend umgekehrtes Verhalten ergibt sich, wenn eine Druckspannung senkrecht zu den Elementen wirkt, was mit einer analogen Zugspannung entlang der Elemente gleichgesetzt wer¬ den kann. Wieder dreht sich die leichte Achse der Magnetisie- rung der Meßschicht entlang der Zugspannung und der Effekt dreht sich um. Wenn man 45° als Ausgangspunkt wählt, ist es möglich, unter Druck und unter Zug jeweils die Magnetisierung jeweils um 45° in die ein oder die andere Richtung drehen. Da der maximale Hub, bzw. Winkeldrehung, der oder die unter durch Spannungen erreicht werden kann, 90° beträgt, hat man in dem Fall der 45° Ausrichtung einen symmetrischen Arbeits¬ bereich für Zug und Druck. Alle Winkel ungleich 45° würden den Arbeitsbereich eingrenzen, da die Widerstände sich nicht mehr gegengleich ändern würden, was zu einem nicht-linearen Brückensignal führen würde. Im Extremfall, z.B. 0°, wären die beiden Elemente 104b und 104d nicht mehr empfindlich auf die angelegte Zugspannung. Aus der Vollbrücke wird nur noch eine Halbbrücke, mit nur der halben Empfindlichkeit. Alle Winkel zwischen 0 und 45° ermöglichen zwar eine Vollbrücke, jedoch weist, wie bereits oben beschrieben wurde, nur die Anordnung mit 45° einen symmetrischen Arbeitspunkt auf.
Zur Verbesserung einer Sensorlinearität können zusätzliche Widerstände an Orten angebracht werden, die einen unter- schiedlichen Betrag an Druckspannungen aufweisen.
Diesbezüglich zeigt beispielsweise die Fig. 7 eine Ausfüh¬ rung, bei der zusätzliche Sensorelemente 134a-d radialsymme¬ trisch zum Zentrum weiter innen auf der Membran 102 ange-^ bracht sind. Die inneren Sensorelemente 134a-d sind ebenso wie die äußeren Sensorelemente 104a-d zu einer Brücke ver¬ schaltet, wobei die innere Brücke so ausgelegt ist, dass sie auch nach Sättigung der äußeren Brückenelemente bei großen Drücken weiterhin einen Beitrag zum Signal liefern. Fig. 7 zeigt einen derartigen Zustand, bei dem die Magnetisierungen der magnetisch weichen Schicht der Sensorelemente 104a-d auf¬ grund des hohen an der Membran 102 anliegenden Drucks bereits parallel zu der Dehnungsrichtung eingestellt sind, so dass sich die Sensorelemente 104a-d bereits in der Sättigung be¬ finden. Dahin gehend sind die Sensorelemente 134a-d aufgrund ihrer Anordnung näher zu dem Zentrum, d.h. an Orten einer ge- ringeren mechanischen Verformung, noch nicht gesättigt, was in Fig. 7 aufgrund dessen zu erkennen ist, dass die Magneti¬ sierungen 108 der magnetisch weichen Schicht der Sensorele¬ mente 134a-d noch nicht parallel zu der Dehnungsrichtung sind, d.h. einen Winkel ungleich 0 aufweisen.
Obwohl die vorliegenden Ausführungsbeispiele mit Sensorele¬ menten beschrieben wurden, die eine positive Magnetostriktion aufweisen, können weitere Ausführungsbeispiele der vorliegen¬ den Erfindung ebenso Sensorelemente mit negativer Magneto- striktion umfassen, wobei eine entsprechend geänderte Magne¬ tisierung der magnetisch harten Schicht und magnetisch wei¬ chen Schicht bezüglich der Dehnungsrichtung bzw. Anordnung der Meß- und Referenzwiderstände zu wählen ist.
Die Funktionsweise des Sensors mit negativer Magnetostrikti- onskonstante bleibt jedoch unbeeinträchtigt. Bei einer Voll¬ brücke vertauschen sich nur die Widerstandsänderungen von zwei Brückenwiderständen, d.h. der Widerstand, der bei posi¬ tiven Materialien größer wird, wird bei negativen Materialien kleiner und umgekehrt. Bei der Halbbrücke wird aus dem Refe¬ renzwiderstand ein Meßwiderstand und umgekehrt. An den Rich¬ tungen der Magnetisierungen ändert sich prinzipiell nichts.
Ferner können bei anderen Ausführungsbeispielen die in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Sensoren dahingehend mo¬ difiziert werden, dass an den Orten der Sensorelemente eine negativen Dehnung, d.h. eine Magnetostriktion, auftritt. Da¬ her können die Sensorelemente sowohl an Orten mit positiver Dehnung als auch an Orten mit negativer Dehnung angeordnet werden. Ferner beschreiben die bevorzugten Ausführungsbeispiele eine Anwendung des Sensors als Drucksensor, wobei der mechanisch verformbare Bereich eine Membran ist. Die vorliegende Erfin¬ dung ist jedoch nicht auf derartige Sensoren beschränkt, und kann beispielsweise auch eine Anwendung zur Erfassung von Be¬ schleunigungen umfassen, beispielsweise indem eine Beschleu- nigungs- oder Testmasse mit dünnen Stegen mit dem Substrat verbunden ist.
Vorzugsweise sind die in den Ausführungsbeispielen beschrie¬ benen Sensorelemente gleichartig, d.h. sie weisen einen glei¬ chen Schichtaufbau, gleiche Materialien und eine gleiche Form und somit einen gleichen Magnetostriktionskoeffizienten auf. Es sind jedoch ebenfalls Realisierungen denkbar, bei denen hinsichtlich der obigen Merkmale unterschiedliche Sensorele¬ mente verwendet werden.
Bezugszeichenliste
100 Substrat
102 Membran
104a-d Sensorelemente
106 Magnetisierung
108 Magnetisierung
110 Dehnungsrichtung
112 Drehrichtung
114 Schicht
116 Schicht
118 Passivierungsschicht
120 Operschicht
122 Membranschicht
124 Hohlraum
126 Isolationsschicht
128 Intermetalloxidschicht
130 Chippassivierungsschicht
132 Passivierungsschicht
134a-d Sensorelemente

Claims

Patentansprüche
1. Sensor mit folgenden Merkmalen:
einem Substrat (100) ;
einem in dem Substrat gebildeten mechanisch verformbaren Be¬ reich (102); und
einem ersten magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelement (104a) und einem zweiten magnetostriktiven Mehrschicht- Sensorelement (104b) , die jeweils zumindest teilweise in dem mechanisch verformbaren Bereich angeordnet sind, wobei das erste magnetostriktive Mehrschicht-Sensorelement (104a) und das zweite magnetostriktive Mehrschicht-Sensorelement (104b) miteinander verschaltet sind und derart ausgebildet sind, dass bei einem Erzeugen einer mechanischen Verformung des me¬ chanisch verformbaren Bereichs (102) sich der elektrische Wi¬ derstand des ersten magnetostriktiven Mehrschicht- Sensorelements (104a) gegenläufig zu dem elektrischen Wider¬ stand des zweiten magnetostriktiven Mehrschicht- Sensorelements (104b) ändert oder der elektrische Widerstand des ersten magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelements (104a) unverändert bleibt.
2. Sensor gemäß Anspruch 1, bei dem das erste und zweite magnetostriktive Mehrschicht-Sensorelement ein Spin-Valve- Sensorelement ist.
3. Sensor gemäß Anspruch 2, bei dem eine Magnetisierung der magnetisch harten Schicht des ersten Sensorelements (104a) und des zweiten Sensorelements (104b) eine gleiche Richtung aufweist.
4. Sensor gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem eine Magnetisie¬ rung der magnetisch weichen Schicht des ersten Sensorelements (104a) und des zweiten Sensorelements (104b) ohne eine mecha- nische Verformung des mechanisch verformbaren Bereichs in die gleiche Richtung weist.
5. Sensorelement gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht ohne mecha¬ nische Verformung des mechanisch verformbaren Bereichs und eine Dehnungsrichtung, die sich jeweils bei einer an dem me¬ chanisch verformbaren Bereich anliegenden Kraft am Ort des ersten und des zweiten Sensorelements (104a) ergeben würde, für das erste und zweite Sensorelement jeweils einen Winkel von 45°, 90° oder 135° aufweisen.
6. Sensorelement gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem ein Winkel zwischen der Magnetisierung (108) der magnetisch weichen Schicht des ersten Sensorelements (104a) ohne eine mechanische Verformung des mechanisch verformbaren Bereichs (102) und einer Dehnungsrichtung, die sich am Ort des ersten Sensorelements (104a) bei einer an dem mechanisch verformba¬ ren Bereich anliegenden Kraft ergeben würde, einen Wert von 0° oder 180° aufweist.
7. Sensorelement gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem, ohne mechanische Verformung des mechanisch verformbaren Bereichs, die Magnetisierung (106) der magnetischen harten Schicht und die Magnetisierung (108) der magnetisch weichen Schicht jeweils des ersten Sensorelements (104a) und des zweiten Sensorelements (104b) so eingestellt sind, das sie einen Winkel von 45°, 90° oder 135° aufweisen.
8. Sensorelement gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, bei' dem' die Magnetisierung der magnetisch harten Schicht und eine
Dehnungsrichtung, die sich bei einer an dem mechanisch verformbaren Bereich anliegenden Kraft am Ort des ersten und des zweiten Sensorelements (104a) ergeben würde, jeweils für das erste und zweite Sensorelement einen Winkel von 0°, 45°, 90°, 135° oder 180° aufweisen.
9. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das erste Sensorelement (104a) und das zweite Sensorelement (104b) einen positiven Magnetostriktionskoeffizienten aufwei¬ sen.
10. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das erste Sensorelement (104a) und das zweite Sensorelement (104b) einen negativen Magnetostriktionskoeffizienten aufwei¬ sen.
11. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der mechanisch verformbare Bereich (102) einen Symmetriepunkt aufweist, wobei das erste Sensorelement (104a) und das zweite Sensorelement (104b) einen gleichen Abstand von dem Symmet- riepunkt aufweisen.
12. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der mechanisch verformbare Bereich (102) eckig oder rund ausge¬ bildet ist, wobei das erste Sensorelement (104a) entlang ei¬ nes ersten Abschnitts des mechanisch verformbaren Bereichs (102) angeordnet ist und das zweite Sensorelement (104b) ent¬ lang eines zu dem ersten Abschnitt benachbarten Abschnitts des mechanisch verformbaren Bereichs (102) angeordnet ist.
13. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem das erste Sensorelement (104a) und das zweite Sensorelement
(104b) Sensorelemente eines Zweigs einer Brückenschaltung sind.
14. Sensor gemäß Anspruchl3, bei dem ein drittes Sensorele- • ment (104c), das dem ersten Sensorelement (104a) entspricht, und ein viertes Sensorelement (104d) , das dem zweiten Sensor¬ element (104b) entspricht, in einem weiteren Zweig der Brücke miteinander verschaltet sind.
15. Sensor gemäß einem der Ansprüche 13 oder 14, bei dem sich die Widerstände der Sensorelemente innerhalb eines Brü- ckenzweiges unter mechanischer Spannung unterschiedlich än¬ dern.
16. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem ein weiteres Sensorelement (134a-d) an einem Ort in dem mecha¬ nisch verformbaren Bereich angeordnet ist, der bei einer an dem mechanisch verformbaren Bereich anliegenden Kraft eine Verformung aufweist, die sich von einer Verformung an dem Ort des ersten Sensorelements (104a) oder des zweiten Sensorele- ments (104b) unterscheidet.
17. Sensor gemäß Anspruch 16, bei dem der mechanisch ver¬ formbare Bereich (102) einen Symmetriepunkt aufweist, wobei das weitere Sensorelement (134a-d) einen ersten Abstand zu dem Symmetriepunkt aufweist, während das erste und zweite Sensorelement jeweils einen Abstand zu dem Symmetriepunkt aufweisen, der sich von dem ersten Abstand unterscheidet.
18. Sensor gemäß Anspruch 16 oder 17, bei dem eine Mehrzahl von weiteren Sensorelementen in dem mechanisch verformbaren
Bereich (102) angeordnet ist, wobei die Mehrzahl von weiteren Sensorelementen (134a-d) an Orten angeordnet sind, die bei einer Druckbeaufschlagung des mechanisch verformbaren Be¬ reichs (102) eine Verformung aufweisen, die sich von einer Verformung an dem Ort des ersten Sensorelements (104a) und des zweiten Sensorelements (104b) unterscheiden.
19. Sensor gemäß Anspruch 18, bei dem die Mehrzahl von wei¬ teren Sensorelementen (134a-d) zu einer Brücke verschaltet sind.
20. Verfahren zum Herstellen eines Sensors mit folgenden Schritten:
Erzeugen eines mechanisch verformbaren Bereichs (102) in ei¬ nem Substrat (100); Erzeugen eines ersten magnetostriktiven Mehrschicht- Sensorelements (104a) und eines zweiten magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelements (104b) jeweils zumindest teilweise in dem mechanisch verformbaren Bereich, wobei dieselben der- art ausgebildet sind, dass sich bei einem Erzeugen einer me¬ chanischen Verformung des mechanisch verformbaren Bereichs (102) der elektrische Widerstand des ersten magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelements (104a) gegenläufig zu dem elektri¬ schen Widerstand des zweiten magnetostriktiven Mehrschicht- Sensorelements (104b) ändert oder der elektrische Widerstand des ersten magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelements (104a) unverändert bleibt; und
Verschalten des ersten magnetostriktiven Mehrschicht- Sensorelements (104a) und des zweiten mangnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelements (104b) .
21. Verfahren gemäß Anspruch 20, bei dem der Schritt des Er¬ zeugens eines ersten und zweiten magnetostriktiven Sensorele- ments ein Erzeugen eines ersten und zweiten Spin-Valve- Sensorelements umfasst.
22. Verfahren gemäß Anspruch 21, bei dem der Schritt des Er¬ zeugens des ersten und zweiten Sensorelements ein Ausrichten der Magnetisierung (106) der magnetisch harten Schicht des ersten Sensorelements (104a) und des zweiten Sensorelements (104b) in eine gleiche Richtung und/oder ein Ausrichten der Magnetisierung (106) der magnetisch harten Schicht des ersten Sensorelements (104a) und des zweiten Sensorelements (104b) in eine gleiche Richtung umfasst.
23. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 oder 22, bei dem der Schritt des Erzeugens des ersten und zweiten Sensorele¬ ments ein Ausrichten umfaßt, so dass die Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht ohne mechanische Verformung des mechanisch verformbaren Bereichs und eine Dehnungsrichtung, die sich jeweils bei einer an dem mechanisch verformbaren Be- reich anliegenden Kraft am Ort des ersten und des zweiten Sensorelements (104a) ergeben würde, für das erste und zweite Sensorelement jeweils einen Winkel von 45°, 90° oder 135° aufweisen.
24. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 22, bei dem der Schritt des Erzeugens des ersten und zweiten Sensorele¬ ments ein Ausrichten umfaßt, so dass ein Winkel zwischen der Magnetisierung (108) der magnetisch weichen Schicht des ers- ten Sensorelements (104a) ohne eine mechanische Verformung des mechanisch verformbaren Bereichs (102) und einer Deh¬ nungsrichtung, die sich am Ort des ersten Sensorelements (104a) bei einer an dem mechanisch verformbaren Bereich an¬ liegenden Kraft ergeben würde, einen Wert von 0° oder 180° aufweist.
25. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 24, bei dem der Schritt des Erzeugens des ersten und zweiten Sensorele¬ ments ein Ausrichten umfaßt, so dass, ohne mechanische Ver- formung des mechanisch verformbaren Bereichs, die Magnetisie¬ rung (106) der magnetischen harten Schicht und die Magneti¬ sierung (108) der magnetisch weichen Schicht jeweils des ers¬ ten Sensorelements (104a) und des zweiten Sensorelements (104b) so eingestellt sind, das sie einen Winkel von 45°, 90 oder 135° aufweisen.
26. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 24, bei dem die Magnetisierung der magnetisch harten Schicht und eine Dehnungsrichtung, die sich bei einer an dem mechanisch ver- formbaren Bereich anliegenden Kraft am Ort des ersten und des zweiten Sensorelements (104a) ergeben würde, jeweils für das erste und zweite Sensorelement einen Winkel von 0°, 45°, 90°, 135° oder 180° aufweisen.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004032484B3 (de) 2004-07-05 2005-11-24 Infineon Technologies Ag Sensor und Verfahren zum Herstellen eines Sensors
DE102005009390B3 (de) * 2005-03-01 2006-10-26 Infineon Technologies Ag Kraftsensor, Verfahren zur Ermittlung einer auf einen Kraftsensor wirkenden Kraft mittels eines Mehrschichtsystems aus magnetischen Schichten
WO2006119261A2 (en) * 2005-05-02 2006-11-09 Knobloch, Charles, Saron Magnetically biased magnetopropant
US7750627B2 (en) * 2006-10-24 2010-07-06 Headway Technologies, Inc. Magnetic film sensor having a magnetic film for generating a magnetostriction and a depressed insulating layer
ES2689717T3 (es) * 2007-08-20 2018-11-15 Lifecare As Aparato y método para medir la presión osmótica aumentada en una cavidad de referencia
FR2937783B1 (fr) * 2008-10-24 2011-06-10 Inst Nat Polytech Grenoble Procede et dispositif d'actionnement magnetique
FR2946775A1 (fr) * 2009-06-15 2010-12-17 St Microelectronics Rousset Dispositif de detection d'amincissement du substrat d'une puce de circuit integre
EP2600164A4 (de) * 2010-07-30 2016-03-30 Mitsubishi Electric Corp Magnetsensorvorrichtung
JP5867235B2 (ja) * 2011-05-16 2016-02-24 三菱電機株式会社 磁気センサ装置
KR101531088B1 (ko) * 2013-05-30 2015-07-06 삼성전기주식회사 관성센서
JP6113581B2 (ja) 2013-06-12 2017-04-12 株式会社東芝 圧力センサ、音響マイク、血圧センサ及びタッチパネル
JP6223761B2 (ja) 2013-09-20 2017-11-01 株式会社東芝 歪検知素子、圧力センサ、マイクロフォン、血圧センサおよびタッチパネル
JP6211866B2 (ja) 2013-09-20 2017-10-11 株式会社東芝 圧力センサ、マイクロフォン、血圧センサおよびタッチパネル
JP2015061057A (ja) 2013-09-20 2015-03-30 株式会社東芝 歪検知素子、圧力センサ、マイクロフォン、血圧センサ及びタッチパネル
US20150247879A1 (en) 2014-03-03 2015-09-03 Infineon Technologies Ag Acceleration sensor
JP2015224903A (ja) * 2014-05-26 2015-12-14 株式会社東芝 圧力センサ、マイクロフォン、超音波センサ、血圧センサ及びタッチパネル
JP6275549B2 (ja) * 2014-05-26 2018-02-07 株式会社東芝 圧力センサ、マイクロフォン、超音波センサ、血圧センサ及びタッチパネル
US9909860B2 (en) 2015-04-15 2018-03-06 General Electric Company Systems and methods for monitoring component deformation
US9557164B2 (en) 2015-04-15 2017-01-31 General Electric Company Data acquisition devices, systems and method for analyzing strain sensors and monitoring turbine component strain
US10697760B2 (en) 2015-04-15 2020-06-30 General Electric Company Data acquisition devices, systems and method for analyzing strain sensors and monitoring component strain
US9932853B2 (en) 2015-04-28 2018-04-03 General Electric Company Assemblies and methods for monitoring turbine component strain
US10345162B2 (en) * 2015-08-28 2019-07-09 Kabushiki Kaisha Toshiba Sensor and electronic device
JP6480837B2 (ja) 2015-09-04 2019-03-13 株式会社東芝 センサ、情報端末、マイクロフォン、血圧センサ及びタッチパネル
JP6373239B2 (ja) * 2015-09-09 2018-08-15 株式会社東芝 圧力センサ、マイクロフォン、超音波センサ、血圧センサ及びタッチパネル
US9953408B2 (en) 2015-11-16 2018-04-24 General Electric Company Methods for monitoring components
US9846933B2 (en) 2015-11-16 2017-12-19 General Electric Company Systems and methods for monitoring components
US10012552B2 (en) * 2015-11-23 2018-07-03 General Electric Company Systems and methods for monitoring component strain
US9967523B2 (en) 2015-12-16 2018-05-08 General Electric Company Locating systems and methods for components
JP6595422B2 (ja) * 2016-08-24 2019-10-23 株式会社東芝 センサ及び電子機器
JP2018048894A (ja) * 2016-09-21 2018-03-29 株式会社東芝 センサ及び電子機器
US9879981B1 (en) 2016-12-02 2018-01-30 General Electric Company Systems and methods for evaluating component strain
US10132615B2 (en) 2016-12-20 2018-11-20 General Electric Company Data acquisition devices, systems and method for analyzing passive strain indicators and monitoring turbine component strain
US10126119B2 (en) 2017-01-17 2018-11-13 General Electric Company Methods of forming a passive strain indicator on a preexisting component
US10872176B2 (en) 2017-01-23 2020-12-22 General Electric Company Methods of making and monitoring a component with an integral strain indicator
US11313673B2 (en) 2017-01-24 2022-04-26 General Electric Company Methods of making a component with an integral strain indicator
US10345179B2 (en) 2017-02-14 2019-07-09 General Electric Company Passive strain indicator
WO2018151083A1 (ja) * 2017-02-20 2018-08-23 株式会社村田製作所 応力センサ
US10502551B2 (en) 2017-03-06 2019-12-10 General Electric Company Methods for monitoring components using micro and macro three-dimensional analysis
US10451499B2 (en) 2017-04-06 2019-10-22 General Electric Company Methods for applying passive strain indicators to components
JP2018040816A (ja) * 2017-12-14 2018-03-15 株式会社東芝 センサ
DE112018005674T5 (de) * 2018-01-25 2020-09-24 Murata Manufacturing Co., Ltd. Magnetsensor und stromsensor
KR102688774B1 (ko) 2018-02-16 2024-07-26 아날로그 디바이시즈 글로벌 언리미티드 컴퍼니 위치 센서 및 위치 감지 방법
JP6889135B2 (ja) * 2018-09-14 2021-06-18 株式会社東芝 センサ
WO2021029113A1 (ja) * 2019-08-13 2021-02-18 株式会社村田製作所 センサ、歪検知センサ、圧力センサ、およびマイクロフォン
WO2021079668A1 (ja) 2019-10-21 2021-04-29 株式会社村田製作所 センサ、歪検知センサ、圧力センサ、およびマイクロフォン
JP7396913B2 (ja) * 2020-01-30 2023-12-12 アズビル株式会社 圧力測定装置
CN111259865B (zh) * 2020-03-04 2023-08-29 江苏多维科技有限公司 一种磁电阻微区形貌传感器
WO2021258182A1 (en) * 2020-06-22 2021-12-30 Tanfi Alin A Core thermal sensor (cts) in bio-sterilization system

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2809549C2 (de) 1977-03-07 1985-03-14 Hitachi, Ltd., Tokio/Tokyo Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Druckmeßfühlers und Halbleiter-Druckmeßfühler
JPS54113379A (en) * 1978-02-23 1979-09-04 Nec Corp Pressure gauge
DE3113745A1 (de) * 1981-04-04 1982-10-21 Robert Bosch Gmbh, 7000 Stuttgart Duennschicht-dehnungsmessstreifen und verfahren zu seiner herstellung
DE3502008A1 (de) * 1985-01-23 1986-07-24 Standard Elektrik Lorenz Ag, 7000 Stuttgart Dehnungsaufnehmer
DE4000326C2 (de) * 1990-01-08 1995-12-14 Mannesmann Ag Drucksensor
US5168760A (en) * 1991-11-01 1992-12-08 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Magnetic multilayer strain gage
DE4220226A1 (de) * 1992-06-20 1993-12-23 Bosch Gmbh Robert Magnetostrikiver Wandler
KR100368848B1 (ko) * 1994-04-15 2003-04-03 코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이. 자계센서,이센서를구비하는장치및이센서를제조하는방법
US5739990A (en) * 1996-11-13 1998-04-14 Read-Rite Corporation Spin-valve GMR sensor with inbound exchange stabilization
JP4161410B2 (ja) * 1997-07-25 2008-10-08 株式会社デンソー 圧力検出装置
US5856617A (en) * 1997-09-02 1999-01-05 International Business Machines Corporation Atomic force microscope system with cantilever having unbiased spin valve magnetoresistive strain gauge
US6121611A (en) * 1998-05-20 2000-09-19 Molecular Imaging Corporation Force sensing probe for scanning probe microscopy
DE19825761C2 (de) 1998-06-09 2001-02-08 Fraunhofer Ges Forschung Vorrichtung zum Erfassen einer Dehnung und/oder einer Stauchung eines Körpers
US6396262B2 (en) * 1999-03-17 2002-05-28 Southwest Research Institute Method and apparatus for short term inspection or long term structural health monitoring
US6507187B1 (en) * 1999-08-24 2003-01-14 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Ultra-sensitive magnetoresistive displacement sensing device
DE19949714A1 (de) 1999-10-15 2001-04-26 Bosch Gmbh Robert Magnetisch sensitives Bauteil, insbesondere Sensorelement, mit magnetoresistiven Schichtsystemen in Brückenschaltung
US7059201B2 (en) * 2000-12-20 2006-06-13 Fidelica Microsystems, Inc. Use of multi-layer thin films as stress sensors
DE10214946B4 (de) * 2002-04-04 2006-01-19 "Stiftung Caesar" (Center Of Advanced European Studies And Research) TMR-Sensor
JP2004186658A (ja) * 2002-10-07 2004-07-02 Alps Electric Co Ltd 磁気検出素子及びその製造方法
DE10250358B4 (de) 2002-10-29 2017-02-09 Infineon Technologies Ag Sensormodul zur Messung mechanischer Kräfte
DE102004032484B3 (de) 2004-07-05 2005-11-24 Infineon Technologies Ag Sensor und Verfahren zum Herstellen eines Sensors
DE102004032482B4 (de) * 2004-07-05 2008-01-31 Infineon Technologies Ag Sensor und Verfahren zum Erfassen einer Verformung
US7250839B2 (en) * 2004-08-09 2007-07-31 Energen, Inc. Magnetostrictive thin film actuator

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2006002988A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
US20070186666A1 (en) 2007-08-16
DE102004032484B3 (de) 2005-11-24
WO2006002988A1 (de) 2006-01-12
US7490522B2 (en) 2009-02-17

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