WO2000002006A2 - Verfahren zum einstellen der magnetisierung der biasschicht eines magneto-resistiven sensorelements, demgemäss bearbeitetes sensorelement oder sensorelementsystem sowie zur durchführung des verfahrens geeignetes sensorelement und sensorsubstrat - Google Patents

Verfahren zum einstellen der magnetisierung der biasschicht eines magneto-resistiven sensorelements, demgemäss bearbeitetes sensorelement oder sensorelementsystem sowie zur durchführung des verfahrens geeignetes sensorelement und sensorsubstrat Download PDF

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Roland Mattheis
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    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/30—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes
    • G—PHYSICS
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
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    • G01R33/093—Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N50/01—Manufacture or treatment

Definitions

  • the invention relates to a method for adjusting the magnetization of the bias layer of a magneto-resistive sensor element, the bias layer being part of an AAF system (artificial-antiferro magnetic system) consisting of at least the bias layer, a flux guide layer and an arranged between them coupling layers coupling both layers antiferromagne- tically.
  • AAF system artificial-antiferro magnetic system
  • Such sensor elements are used, for example, in magnetoresistive angle detectors. These sensors are based on the two opposing magnetizations of the bias and the flux guiding layer with a strong antiferromagnetic coupling. These two layers behave as a rigid unit that can hardly be influenced by external fields. In contrast, the magnetic measuring layer is soft magnetic and its magnetization is aligned parallel to the external field. The angle between the magnetizations in the bias and measuring layer magnetization and thus the resistance of the sensor element is determined via the external magnetic field. To determine the influence of temperature on sensor systems, of which four sensor elements for a 180 ° angle detector and for a 360 ° -
  • sensor elements are required to be able to compensate as far as possible, they are connected in the manner of a Wheatstone bridge.
  • Layer structure and the layer structure are identical.
  • magnetization of the bias layers of two elements within the sensor system comprising four sensor elements is opposite to the other two elements.
  • a half bridge only requires two elements with opposite bias magnetizations. This applies regardless of whether the sensor system is formed on a common substrate or whether it is formed by means of individual separate sensor elements.
  • this requires a complex conductor guide. Otherwise, the respective setting fields for the entirety of the sensor elements are not uniform.
  • the invention is therefore based on the problem of specifying an alternative setting method for this, which enables simple setting of the bias magnetization of an individual sensor element or of sensor elements of a sensor system.
  • a method of the type mentioned at the outset is characterized by the following steps:
  • the setting is therefore carried out at a predetermined elevated or lowered temperature.
  • the bias layer and the flux guide layer or their magnetization have different temperature behavior due to an asymmetry between the layers. If the sensor element is brought to the predetermined temperature, the saturation magnetization, the coercivity or the anisotropy of one layer changes more than the other. This leads to the fact that, after the setting field has been switched off, the magnetization of the layer, in which e.g. the saturation magnetization has changed significantly as a result of the temperature change, m aligns the opposite direction, as will be described in more detail below. It is therefore possible to achieve the setting by appropriate temperature control.
  • the advantages of the method according to the invention are particularly evident when at least two sensor elements that are to be set at the same time are present, the magnetization of the bias layer of the two sensor elements or, in the case of more than two sensor elements, the magnetization of part of the sensor elements being directed opposite to that of the other should be.
  • the saturation magnetization or the ratio of the saturation magnetization of the individual layers changes only in the case of the heated sensor elements. If the setting field is applied, the magnetization is reversed accordingly only for the temperature-influenced sensor elements, for the sensor elements, the are not influenced by temperature and where the saturation magnetization is unchanged, the bias magnetization does not reverse.
  • the senor elements can be locally heated or cooled according to the invention.
  • the heating is advantageously carried out by means of currents which are conducted in a pulsed manner via the sensor element or sensors, as a result of which local heating can be achieved with particular advantage in the case of sensor elements arranged on a common substrate, which will be discussed below.
  • the switch-off time for the setting field should be earlier than the point in time when the temperature goes through a critical value when returning to the working temperature, at which the asymmetry obtained as a result of the temperature increase is just still present.
  • the reversal of the magnetization according to the proposed method is based on the fact that the layers of the treated sensor elements show a different temperature behavior at the selected setting temperature.
  • the temperature to which the sensor elements are heated or cooled should expediently be outside and higher or lower than the temperature range within which the sensor element or sensors can be operated in order not to reverse the previously achieved effect when the sensor elements are in operation.
  • the subsequent heating temperature of the respective sensor element (s) can be within the temperature range or outside and higher than the temperature range within which the sensor element (s) can be operated.
  • the invention further relates to a sensor element or a sensor element system comprising a plurality of sensor elements, the bias layer of the sensor element or elements being set according to the method described above.
  • a sensor element system designed accordingly with two, three or four sensor elements or a multiple thereof, the four or in each case two, three or four sensor elements can form a Wheatstone bridge.
  • the invention further relates to a sensor element itself with at least one bias layer which is part of an AAF system (artificial antiferromagnetic system) consisting of at least one bias layer, at least one flux guide layer and at least one coupling layer arranged between them and coupling the two layers antiferromagnetically, the magnetization of the bias layer being adjustable in the opposite direction to the magnetization of the flux guiding layer by means of the method described above.
  • AAF system artificial antiferromagnetic system
  • this sensor element is characterized in that the temperature behavior of the magnetization of the bias layer and the at least one flux guiding layer in a homogeneous magnetic setting field is different due to an asymmetry between the layers.
  • the magnetization (coercivity, anisotropy) can be adjusted accordingly as a result of the asymmetrical temperature behavior of the relevant layers.
  • this asymmetry can be generated, for example, by differently sized magnetic moments of the bias layer and the flux guiding layer at the set temperature.
  • the ratio of the magnetic moments of the two layers changes, that is to say that, for example at room temperature, the magnetic moment of the bias layer is greater than that of the flux guiding layer, while at the set temperature the magnetic moment of the bias layer is smaller than that of the flux guiding layer.
  • the respective Curie temperature of the layers is different. As a result of the layer coupling, the different alignment is made possible in this case.
  • Another alternative to generating the asymmetry can, according to the invention, lie in different thicknesses of the bias and the flux guide layer.
  • the bias layer and the flux guiding layer for producing the asymmetry can also have different anisotropies, in which case the different anisotropy contribution at the elevated setting temperature is the cause.
  • the coercivity that is to say the magnetic friction within the layers, can also be different.
  • a further embodiment according to the invention can provide that the asymmetry is generated by means of a further ferri-, ferro- or antiferromagnetic layer coupled to the bias layer or the flux guiding layer.
  • the bias and the flux guiding layer can be the same, because due to the coupling of the respective layer with the balance layer, the respective asymmetry contribution, for example in the form of the magnetic moments of the balance layer, or any anisotropy or different coercivity thereof, is “added” to the respective coupled layer.
  • the bias and flux guidance layer can also be different in this case.
  • the phase transition temperature of the further layer can be lower than the Curie temperature of the bias layer and the flux guiding layer, wherein the bias and the flux guiding layer can consist of the same material.
  • the layer coupled to the further layer lacks the layer contribution at a given setting temperature above the Curie temperature of the further layer, so that the asymmetry occurs above this temperature.
  • two further layers can be provided, which are coupled to the two flux guide layers located outside in the AAF system, so there are two flux guide layers here.
  • a further embodiment can be such that the AAF system has two bias layers that receive the further layer between them.
  • the sensor element according to the invention is not limited to structuring with only one AAF system. Rather, two AAF systems can be provided according to the invention, which accommodate a decoupled measuring layer between them. In this case, two further layers are provided, which are coupled to the outer flow guide layers of the two AAF systems.
  • the temperature dependence of the magnetization and / or the anisotropy and / or the hysteresis can be so strong that at least two different bias magnetizations can be set with a fixed setting field, which can lie parallel to the setting field, but also below at an angle to this, namely when the magnetization turns back by a certain range after switching off the setting field.
  • the invention relates to a sensor substrate with a plurality of sensor elements.
  • the sensor elements are designed as described above, and means are also provided for locally heating one or more sensor elements.
  • the means can be such that heating is made possible by means of a current flowing through the sensor element or elements. If four sensor elements are connected to each other to form a sensor bridge, the heating means can be designed and arranged in such a way that two sensor elements can be heated in each case. If a plurality of sensor bridges are arranged on the sensor substrate, the means according to the invention can be designed such that they are interrupted when the sensor bridges are separated from one another.
  • the sensor elements and / or the means should expediently be arranged such that the heating current is conducted over several, but not all, sensor elements, possibly sensor bridges.
  • An expedient concrete embodiment of the means provides that they are each designed as two short-circuiting conductors short-circuiting two sensor elements of a sensor bridge, the heating current being able to be conducted via the two sensor elements which are not short-circuited and are to be heated.
  • the means are designed as conductors connecting the sensor elements to be heated, the sensor elements that are not to be heated being essentially at the same potential as the sensor elements to be heated.
  • the heating of those which are actually not to be heated may occur
  • sensor elements carrying heating current flows through them at least one voltage compensation line can be provided between two conductors serving to heat two sensor elements of a sensor bridge.
  • the sensor elements connected by means of the conductors should expediently be arranged along one or more essentially straight lines.
  • An expedient alternative of the invention provides that the sensor elements of a sensor bridge are formed in a meandering manner, two sensor elements being arranged so as to engage one another. This leads to better temperature behavior and mechanical stress compensation of the elements of the respective bridge halves, which results in a lower bridge offset voltage. If the sensor substrate has four sensor elements or a multiple thereof, ie if corresponding sensor bridges are present, the four or four sensor elements can form a Wheatstone bridge.
  • 1 is a schematic diagram of a sensor bridge having four sensor elements, two of which are heatable and two are short-circuited,
  • FIG. 2 is a schematic diagram of the arrangement of several sensor bridges on a common substrate
  • FIG. 3 shows a sensor bridge from FIG. 2 after separation of the substrate
  • FIG. 4 shows a sensor bridge of a second embodiment, two sensor elements here also being selectively heatable, 5 several sensor bridges according to FIG. 4 on a common substrate,
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a sensor element of a first embodiment
  • FIG. 11 shows the temperature dependence of the magnetization of the sensor element from FIG. 10,
  • FIG. 17 shows the temperature dependence of the magnetization of the sensor element from FIG. 16, 18 shows a seventh embodiment of a sensor element, and
  • FIG. 19 shows the temperature dependence of the magnetization of the sensor element from FIG. 18.
  • FIG. 1 shows, in the form of a schematic diagram, a sensor bridge 1 consisting of two sensor elements R 1 and two sensor elements R 2 , which are interconnected in the manner of a Wheatstone bridge for temperature compensation.
  • the sensor bridge is arranged on a common substrate, FIG. 2 only showing a schematic diagram of the bridge arrangement.
  • sensor elements R 2 can be selectively heated.
  • the sensor bridges 1 are arranged one after the other and connected to one another via the respective current pads C1 and C2.
  • a current can be conducted via the sensor elements 1, which leads to the sensor elements R 2 being heated as a result of the current flow, the sensor elements Ri being short-circuited via short-circuit conductor 2 and carrying no or very little heating current, so that they are not heated.
  • the formation of the short-circuit conductors is relatively simple and can be implemented by means of narrow strip paths, especially since the sensor elements usually consist of meandering conductor paths in order to achieve a comfortable impedance level.
  • the short-circuit conductors are interrupted during the separation of the individual sensor bridges, cf. Fig. 3.
  • the short-circuit conductors can also be subsequently etched away. 4 and 5 show a further embodiment.
  • the R 2 elements are electrically connected in rows on the disc via conductor 3, each row is traversed by a current I he ⁇ z during the setting.
  • the R ⁇ elements are in principle at the same potential, as can be seen in FIG. 4, according to which the Ri element on the voltage pad U 2 is at the potential V h and the R x element on the voltage pad Ui is at the potential V n . As a result, they carry hardly any electricity and are not heated.
  • FIG. 6 A further advantageous embodiment of a sensor bridge is shown in FIG. 6.
  • the R 1 and R 2 elements are structured in a meandering manner, within each bridge half an R 1 element and an R 2 element interlock. This "nesting" leads to a better temperature equalization as well as a better mechanical tension compensation of the elements, resulting in a lower bridge offset.
  • the conductors 3 that electrically contact the R 2 elements with one another, connected by means of voltage compensation lines 4.
  • Fig. 7 shows in the form of a diagram the principle of current, temperature and setting field guidance.
  • the setting field which increases relatively quickly, is placed on the sensor element or elements. After reaching a Maximus, the field remains constant for a certain time.
  • a current pulse is sent over the sensor element or elements, which at the same time leads to an increase in the temperature of the current-carrying R 2 elements. If the element temperature exceeds a certain temperature T s , the Sensor elements R 2 set in a different magnetic state. After the field has been switched off, the magnetization in one of these bias layers will be aligned in the opposite direction to magnetize the bias layers of the R ⁇ elements.
  • the setting field is maintained until the temperature is significantly above the temperature T s .
  • the current is switched off, which leads to a drop in temperature.
  • the setting field is already lowered beforehand; at time t 4 there is no longer any external field. It is important that prior to the drop in temperature during the cooling process below a threshold value, namely the temperature T s the setting is completed and the setting field H is a below a certain limit. For this purpose, both a pulsed heating current and field profile are required.
  • the tolerable duration of the heating strongly depends on the layer structure, the materials used, material combinations and above all on the temperature.
  • the off time of the Eintechnischldes H e in must be considerably smaller than the heating-up period.
  • FIG. 8 shows a schematic diagram of a sensor element.
  • this consists of the substrate 5, the buffer layer 6, the measuring layer 7, the decoupling layer 8, and the AAF system 9, consisting of the bias layer I, the flux guiding layer II and the antiferomagnetic coupling layer III.
  • the basic idea, as described, is to change the magnetic properties of the R 2 elements by locally increasing the temperature in such a way that the bias layer magnetizations of the R ⁇ ⁇ and R 2 elements can be oriented in opposite directions.
  • the temperature dependence of the saturation magnetization and / or the coercivity and / or the anisotropy is used for this.
  • the elements should be as constant as possible within the operating temperature window, ie the temperature range within which the sensor element or the bridge is operated.
  • the set temperature Tx or T 2 of either the R ⁇ and / or the R 2 elements should preferably be either above or below this window.
  • the temperature may also be within the operation temperature window in this case, entirely, or about that .
  • the generation of the asymmetry responsible for the different temperature behavior of the layers I, II can be generated with the aid of the magnetic moments of these layers.
  • layer II has a lower Curie temperature Tc 2 than layer I.
  • the magnetization of layer II is parallel to the setting field H eln . That is, m 2 > m.
  • a reversal of the setting via a local temperature increase can be achieved if the Curie temperature Tc 2 of layer II is sufficiently low.
  • 9 illustrates the course of the magnetization as a function of the temperature.
  • the low Curie temperature Tc 2 of layer II has the result that the saturation magnetization of the R 2 elements decreases significantly by the amount ⁇ M 2 when the R 2 elements are heated to the set temperature T 2 , the R ⁇ elements have that lower temperature (e.g. room temperature). A reversal occurs when m 2 ⁇ m ⁇ .
  • the magnetizations or the torque distribution between layers I and II can also be interchanged.
  • Ni-rich alloys are suitable as materials for the layer, the magnetization of which must be reversed.
  • NiFeCo alloys with alloyed non-magnetic elements such as B. V, Cr, Pt, Pd and rare earths such as S, Tb, Nd etc. can be used.
  • the set temperature of the R ⁇ sensors lies within the operating temperature window. That of the R 2 sensors is above, but still below the Curie temperature of the layer to be processed.
  • the Curie temperatures of the two layers I, II are the same and are high, so that the physical layer parameters are as stable as possible.
  • the layers II are coupled to two further layers IV, so-called balance layers, that is to say the two magnetizations are coupled.
  • the Curie temperatures of the further layers IV are below the operating temperature window, see FIG. 11.
  • the entire sensor system is now cooled to a temperature T below the operating window, this temperature still below the Curie temperature Tc 4 the other layer.
  • FIG. 12 shows a further embodiment of a sensor element with a symmetrical AAF system consisting of three Magnetic layers.
  • Two additional layers IV are provided on the outside of the AAF system.
  • the further balance layer IV coupled there has a Curie temperature Tc 4 above the operating temperature window.
  • the layer is a ferromagnetic or ferromagnetic layer that is coupled to layer II of the AAF system.
  • the layers I and II can in principle consist of identical material and have a high Curie temperature.
  • layer I of the R sensors at their set temperature T x the larger magnetic moment and is parallel to the setting field.
  • this is exactly the opposite because of the missing moment in the balance layer ( ⁇ M 4 ).
  • the moment of layer I is parallel to the setting field for these elements.
  • FIG. 15 shows a further embodiment of an AAF system consisting of two bias layers and two flux guide layers arranged thereon decoupled.
  • the further layer IV is included between the bias layers II, that is to say a single further layer is used here to generate the coupling-related asymmetry.
  • NiFeCo alloys with additions of non-magnetic elements such as V, Cr, Pt, Pd and rare earth / transition metal alloys such as (Fe x C ⁇ _ x ) ⁇ - y X y with X e.g. can be used for the further layer Sm, Tb, Nd, Gd, Dy etc.
  • non-magnetic elements such as V, Cr, Pt, Pd
  • NiFeCo alloys with little alloying components or multi-layers of these elements are used.
  • this can also be generated via different coercivities or corresponding anisotropies of the relevant magnetic layers of the AAF system, a combination with the moment variant also being possible. If the bias and the flux guide layer of an AAF system have the same moments, the magnetic friction (coercivity) or the anisotropy of the layers must be selected accordingly for an adjustment. It is assumed that the overall friction (or anisotropy energy) of layer II is greater than that of layer I. In this case:
  • K 2 d 2 > Kxdx, with K uniaxial anisotropy constant.
  • the bias layer magnetization occurs parallel to the setting field if this field is parallel to the easy direction.
  • the effective rotational friction or anisotropy energy density of the balance layer-flow guide layer combination increases by the amount ⁇ 4 d 4 or K 4 d.
  • the magnetization of the flux guiding layer is aligned parallel to the setting field if ⁇ 2 d 2 ⁇ xdx + ⁇ 4 d 4 or
  • the R 2 elements have to be heated by means of the heating current, for example above the Neel temperature.
  • a material can be selected for the balance layer with a transition temperature above the operating temperature window.
  • the R ⁇ sensors are then set in the working temperature window, the R 2 sensors above the transition temperature.
  • Antiferromagnetic layers such as:
  • NiO 500K
  • CoO 290K
  • FeMn 530K
  • FeO 200K
  • MnO 120K
  • ferrimagnetic materials can 'be used as a balance sheet layers to control the anisotropy as the coercivity.
  • it is easy to generate uniaxial anisotropy via field induction or via magnetoelastic coupling.
  • the 16 shows a ferrimagnetic further layer IV with a compensation temperature T comp and a Curie temperature Tc 4, preferably below the operating temperature window, cf. Fig. 17.
  • the further layer IV is coupled to the layer II.
  • the set temperature Tx of the R ⁇ sensors is close to the compensation temperature, so that the magnetic moment contribution of the other balance layer is almost zero, while the torque friction increases compared to a layer system without another layer. In this way, pure control over coercivity can be realized. A combination of torque and coercivity control is also another possible.
  • the layers I and II consist mainly of Co, Ni and Fe as carriers of the magnetic moments.
  • the ferrimagnetic balance layer medium is a rare earth / transition metal alloy
  • the moment of the transition metal which in this case is magnetically coupled to layer II, predominates above the compensation temperature. Below the compensation temperature, the moment of the rare earth element predominates, which for the heavy rare earth elements opposes the magnetization of the bias layer II.
  • a decrease in the total magnetization of the combination of layer II and balance layer increases the tendency of layer I to align parallel to the setting field.
  • the moments of the flux guiding layers and the bias layers with coupled balance layers should preferably compensate for one another. If the setting temperature T 2 is increased above the Curie temperature (Tc 4 ) of the balance layers IV to adjust the R 2 elements, then both the friction (or the anisotropy contribution) and the magnetization contribution of the balance layer are zero. With the R ⁇ elements held at the temperature Tx, the friction contribution and / or the anisotropy contribution of the balance layer forces the magnetization of layer II parallel to the setting field. Here too, the magnetizations of the bias layers of the R x and R 2 elements are directed in the opposite direction to the setting field.
  • oxidic ferrimagnets such as ferrites can be used become.

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Abstract

Verfahren zum Einstellen der Magnetisierung mindestens einer Biasschicht eines magneto-resistiven Sensorelements, wobei die Biasschicht Teil eines AAF-Systems (artificial-antiferromagnetic-system) ist bestehend aus mindestens einer Biasschicht, mindestens einer Flussführungsschicht und mindestens einer zwischen diesen angeordneten, beide Schichten antiferromagnetisch koppelnden Kopplungsschicht, umfassend folgende Schritte: a) Erwärmen oder Abkühlen des Sensorelements über oder unter eine vorbestimmte Temperatur (Ts), b) Anlegen eines magnetischen Einstellfelds (Hein) während und/oder nach dem Erwärmen oder Abkühlen, c) Abschalten des Einstellfelds (Hein) nach einer vorbestimmten Zeit, d) Rückführen der Temperatur auf die Ausgangstemperatur.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Einstellen der Magnetisierung der Biasschicht eines magneto-resistiven Sensorelements, demgemäß bearbeite- tes Sensorelement oder Sensorelementsystem sowie zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Sensorelement und Sensorsubstrat
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen der Ma- gnetisierung der Biasschicht eines magneto-resistiven Sensorelements, wobei die Biasschicht Teil eines AAF-Systems (artificial-antiferro magnetic-system) ist bestehend aus mindestens der Biasschicht, einer Flußführungsschicht und einer zwischen diesen angeordneten, beide Schichten antiferromagne- tisch koppelnden Kopplungsschicht.
Solche Sensorelemente kommen beispielsweise bei magneto- resistiven Winkeldetektoren zum Einsatz. Grundlage dieser Sensoren sind die beiden einander entgegengesetzten Magneti- sierungen der Bias- und der Flußführungsschicht mit einer starken antiferromagnetischen Kopplung. Diese beiden Schichten verhalten sich als eine steife Einheit, die sich von äußeren Feldern kaum beeinflußen läßt. Die magnetische Meßschicht dagegen ist weichmagnetisch und deren Magnetisierung richtet sich parallel zum äußeren Feld aus. Über das äußere Magnetfeld wird der Winkel zwischen den Magnetisierungen in der Bias- und Meßschichtmagnetisierung und damit der Widerstand des Sensorelements festgelegt. Um den Einfluß der Temperatur auf solche Sensorsysteme, von denen für einen 180°- Winkeldetektor vier Sensorelemente und für einen 360°-
Winkeldetektor acht Sensorelemente benötigt werden, möglichst kompensieren zu können, werden diese nach Art einer Wheatsto- ne'sche Brücke verschaltet. Zur weitergehenden Kompensation von Temperatureinflüssen ist es bevorzugt, die Sensorelemente auf einem gemeinsamen Substrat anzuordnen und in ihrem Schichtaufbau und der Schichtstruktur identisch auszugestalten. Erforderlich ist in jedem Fall, daß die Magnetisierung der Biasschichten von zwei Elementen innerhalb des vier Sensorelemente umfassenden Sensorsystems entgegengesetzt zu den anderen beiden Elementen ist. Eine Halbbrücke erfordert nur zwei Elemente mit entgegengesetzten Biasmagnetisiserungen. Dies gilt unabhängig davon, ob das Sensorsyste auf einem gemeinsamen Substrat ausgebildet ist oder ob es mittels einzelner separater Sensorelemente gebildet ist. Zu diesem Zweck ist es bekannt, an den einzelnen Sensorelementen mittels stromdurchflossener Leiter das jeweils entsprechend gerichtete Magnetfeld anzulegen. Dies bedarf insbesondere bei auf einem gemeinsamen Substrat angeordneten Sensorelementen, die entsprechend miteinander verschaltet und angeordnet sind, ei- ner aufwendigen Leiterführung. Im übrigen sind die jeweiligen Einstellfelder für die Gesamtheit der Sensorelemente nicht uniform.
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein hierzu alternatives Einstellverfahren anzugeben, das eine einfache Einstellung der Biasmagnetisierung eines einzelnen Sensorelements oder von Sensorelementen eines Sensorsystems ermöglicht .
Zur Lösung dieses Problems ist ein Verfahren der eingangs genannten Art durch folgende Schritte gekennzeichnet:
a) Erwärmen oder Abkühlen des Sensorelements auf eine vorbestimmte Temperatur,
b) Anlegen des magnetischen Einstellfelds während und/oder nach dem Erwärmen oder Abkühlen,
c) Abschalten des Einstellfelds nach einer vorbestimmten Zeit, d) Ruckfuhren der Temperatur auf die Ausgangstemperatur.
Beim erfmdungsgemaßen Verfahren erfolgt also die Einstellung bei vorbestimmter erhöhter oder erniedrigter Temperatur.
Grundlage hierfür ist, daß die Biasschicht und die Flußfuh- rungsschicht bzw. deren Magnetisierung ein unterschiedliches Temperaturverhalten bedingt durch eine zwischen den Schichten gegebene Asymmetrie aufweisen. Wird nun das Sensorelement auf die vorbestimmte Temperatur gebracht, so ändert sich die Sat- tigungsmagnetisierung, die Koerzivitat oder die Anisotropie der einen Schicht starker als der anderen. Dies fuhrt dazu, daß nach Abschalten des Einstellfeldes infolge der nach wie vor gegebenen Temperaturerhöhung die Magnetisierung der Schicht, bei der sich z.B. die Sattigungsmagnetisierung infolge der Temperaturveranderung deutlich geändert hat, m die entgegengesetzte Richtung ausrichtet, wie nachfolgend noch naher beschrieben wird. Es ist also möglich, durch entsprechende Temperaturfuhrung die Einstellung zu erreichen.
Die Vorteile des erfmdungsgemaßen Verfahrens zeigen sich insbesondere dann, wenn mindestens zwei Sensorelemente, die gleichzeitig eingestellt werden sollen, vorhanden sind, wobei die Magnetisierung der Biasschicht der beiden Sensorelemente oder bei mehr als zwei Sensorelementen die Magnetisierung eines Teils der Sensorelemente zu der der anderen entgegengesetzt gerichtet sein soll. In diesem Fall kann erfmdungsge- maß vorgesehen sein, daß lediglich ein Sensorelement oder der entsprechende Teil der Sensorelemente erwärmt oder abgekühlt wird. Wie beschrieben ändert sich beispielsweise die Sattigungsmagnetisierung bzw. das Verhältnis der Sattigungsmagne- tisierungen der einzelnen Schichten nur bei den erwärmten Sensorelementen. Wird das Einstellfeld angelegt, so kehrt sich nur bei den temperaturbeeinflußten Sensorelementen die Magnetisierung entsprechend um, bei den Sensorelementen, die nicht temperaturbeeinflußt sind und bei denen die Sättigungs- magnetisierung unverändert ist, kehrt sich die Biasmagneti- sierung nicht um. Es ist also vorteilhaft möglich, mit einem einzigen uniformen Einstellfeld zur Einstellung aller Sensorelemente zu arbeiten. Die Sensorelemente können, wenn die mehreren Sensorelemente auf einem gemeinsamen Substrat in Form von Sensorbrücken zur Bildung von Winkelsensoren, insbesondere von 360°-Winkelsensoren angeordnet sind, erfindungsgemäß lokal erwärmt oder abgekühlt werden.
Wenngleich es möglich ist, die nicht temperaturbehandelten Sensorelemente auf Raumtemperatur zu halten, können erfindungsgemäß gleichermaßen vor der Erwärmung oder Abkühlung des oder der Sensorelemente alle Sensorelemente abgekühlt oder erwärmt werden und die dabei erreichte Temperatur für die anschließend nicht erwärmten oder abgekühlten Sensorelemente beibehalten werden. Die Wahl der Temperatur und Temperaturführung ist letztlich abhängig von der Art der verwendeten Sensorelemente bzw. der jeweiligen Schichten.
Die Erwärmung erfolgt vorteilhafterweise mittels pulsartig über das oder die Sensorelemente geführter Ströme, wodurch sich mit besonderem Vorteil im Fall von auf einem gemeinsamen Substrat angeordneten Sensorelementen eine lokale Erwärmung erzielen läßt, worauf nachfolgend noch eingegangen wird. Der Abschaltzeitpunkt für das Einstellfeld sollte früher liegen als der Zeitpunkt, an dem die Temperatur bei Rückkehr zur Arbeitstemperatur einen kritischen Wert durchläuft, bei dem die infolge der Temperaturerhöhung erhaltene Asymmetrie gerade noch gegeben ist.
Wie beschrieben beruht die Umkehrung der Magnetisierung gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren darauf, daß bei der gewählten Einstell-Temperatur die Schichten der behandelten Sensorele- mente ein unterschiedliches Temperaturverhalten zeigen. Zweckmäßigerweise sollte die Temperatur, auf welche die Sensorelemente erwärmt oder abgekühlt werden, außerhalb und höher oder niedriger liegen als der Temperaturbereich, innerhalb welchem das oder die Sensorelemente betreibbar sind, um bei Betrieb der Sensorelemente keine Umkehr des vorher erreichten Effektes zu erhalten.
Für den Fall, daß vorher die Sensorelemente abgekühlt werden, kann die anschließende Erwärmungstemperatur des oder derje- weiligen Sensorelemente innerhalb des Temperaturbereichs oder außerhalb und höher liegen als der Temperaturbereich, innerhalb welchem das oder die Sensorelemente betreibbar sind.
Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die Erfindung ferner ein Sensorelement oder ein Sensorelementsystem umfassend mehrere Sensorelemente, wobei die Biasschicht des oder der Sensorelemente gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren eingestellt ist. Bei einem demgemäß ausgebildeten Sensorelementsystem mit zwei, drei oder vier Sensorelementen oder einem Vielfachen davon können die vier oder jeweils zwei, drei oder vier Sensorelemente eine Wheatstone' sehe Brücke bilden.
Neben den mit dem erfindungsgemäß eingestellten Verfahren hergestellten Sensorelementen bzw. Sensorelementsystemen be- trifft die Erfindung desweiteren ein Sensorelement selbst mit mindestens einer Biasschicht, die Teil eines AAF-Systems (artificial-antiferromagnetic-system) ist bestehend aus mindestens einer Biasschicht, mindestens einer Flußführungsschicht und mindestens einer zwischen diesen angeordneten, beide Schichten antiferromagnetisch koppelnden Kopplungsschicht, wobei die Magnetisierung der Biasschicht mittels des vorbeschriebenen Verfahrens in entgegengesetzter Richtung zur Magnetisierung der Flußführungsschicht einstellbar ist. Dieses Sensorelement zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß das Temperaturverhalten der Magnetisierung der Bias- schicht und der mindestens eine Flußführungsschicht in einem homogenen magnetischen Einstellfeld bedingt durch eine zwischen den Schichten gegebene Asymmetrie unterschiedlich ist. Wie beschrieben läßt sich die Magnetisierung (Koerzivität, Anisotropie) infolge des asymmetriebedingten unterschiedlichen Temperaturverhaltens der relevanten Schichten entsprechend einstellen. Diese Asymmetrie kann gemäß einer ersten Erfindungsalternative beispielsweise durch unterschiedlich große magnetische Momente der Biasschicht und der Flußfüh- rungsschicht bei der Einstelltemperatur erzeugt sein. Infolge der Temperaturbeeinflussung ändert sich das Verhältnis der magnetischen Momente der beiden Schichten, das heißt, bei beispielsweise Raumtemperatur ist das magnetische Moment der Biasschicht größer als das der Flußführungsschicht, während bei der Einstelltemperatur das magnetische Moment der Biasschicht kleiner als das der Flußführungsschicht ist. Zusätzlich ist auch die jeweilige Curietemperatur der Schichten unterschiedlich. Infolge der Schichtkopplung wird in diesem Fall die unterschiedliche Ausrichtung ermöglicht.
Eine andere Alternative zur Erzeugung der Asymmetrie kann erfindungsgemäß in unterschiedlichen Dicken der Bias- und der Flußführungsschicht liegen. Schließlich kann erfindungsgemäß die Biasschicht und die Flußführungsschicht zur Erzeugung der Asymmetrie auch unterschiedliche Anisotropien besitzen, wobei in diesem Fall der unterschiedliche Anisotropiebeitrag bei der erhöhten Einstelltemperatur ursächlich ist. Schließlich kann erfindungsgemäß auch die Koerzitivität, also die magnetische Reibung innerhalb der Schichten unterschiedlich sein. Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung kann vorsehen, daß die Asymmetrie mittels einer an die Biasschicht oder die Flußführungsschicht gekoppelten weiteren ferri-, ferro-, oder antiferromagnetischen Schicht erzeugt ist. In diesem Fall können die Bias- und die Flußführungsschicht gleich sein, da infolge der Kopplung der jeweiligen Schicht mit der Bilanz- schicht der jeweilige Asymmetriebeitrag beispielsweise in Form der magnetischen Momente der Bilanzschicht, oder einer etwaigen Anisotropie oder unterschiedlichen Koerzitivität derselben zur jeweils angekoppelten Schicht „addiert" wird. Selbstverständlich können auch in diesem Fall die Bias- und Flußführungsschicht unterschiedlich sein.
Erfindungsgemäß kann die Phasenübergangstemperatur der weiteren Schicht niedriger als die Curie-Temperatur der Bias- schicht und der Flußführungsschicht sein, wobei die Bias- und die Flußführungsschicht aus dem gleichen Material bestehen können. Infolge der niedrigeren Curie-Temperatur fehlt der jeweils an die weitere Schicht gekoppelten Schicht bei einer gegebenen Einstelltemperatur oberhalb der Curie-Temperatur der weiteren Schicht der Schichtbeitrag, so daß sich oberhalb dieser Temperatur die Asymmetrie einstellt.
Erfindungsgemäß können zwei weitere Schichten vorgesehen sein, die an die beiden im AAF-System außenliegenden Flußfüh- rungsschichten gekoppelt sind, es sind hier also zwei Flußführungsschichten vorhanden. Eine weitere Ausgestaltung kann derart sein, daß das AAF-System zwei die weitere Schicht zwischen sich aufnehmende Biasschichten aufweist.
Das erfindungsgemäße Sensorelement ist nicht auf eine Strukturierung mit lediglich einem AAF-System beschränkt. Vielmehr können erfindungsgemäß zwei AAF-Systeme vorgesehen sein, die eine entkoppelte Meßschicht zwischen sich aufnehmen. In diesem Fall sind zwei weitere Schichten vorgesehen, die an die außenliegenden Flußführungsschichten der beiden AAF-Systeme gekoppelt sind. Die Temperaturabhängigkeit der Magnetisierung und/oder der Anisotropie und/oder der Hysteresis kann derart stark sein, daß sich mit einem festen Einstellfeld mindestens zwei unterschiedliche Biasmagnetisierungen einstellen lassen, die parallel zum Einstellfeld liegen können, aber auch unter einem Winkel dazu, nämlich dann, wenn nach Abschalten des Einstellfeldes die Magnetisierung um einen gewissen W kelbe- reich zurückdreht.
Schließlich betrifft die Erfindung ein Sensorsubstrat mit mehreren Sensorelementen. Erfmdungsgemaß sind die Sensorelemente wie vorbeschπeben ausgebildet, ferner sind Mittel zum lokalen Erwarmen eines oder mehrerer Sensorelemente vorgesehen. Die Mittel können erfmdungsgemaß derart sein, daß eine Erwärmung mittels eines über das oder die Sensorelemente fließenden Stroms ermöglicht ist. Sind eweils vier Sensorelemente zur Bildung einer Sensorbrucke miteinander verschaltet, können die Mittel zum Erwarmen derart ausgebildet und angeordnet sein, daß jeweils zwei Sensorelemente erwarmbar sind. Sind auf dem Sensorsubstrat mehrere Sensorbrucken angeordnet, können die Mittel erf dungsgemaß derart ausgebildet sein, daß sie beim Trennen der Sensorbrucken voneinander unterbrochen werden. Dabei sollten zweckmaßigerweise die Sensorelemente und/oder die Mittel so angeordnet sein, daß der Er- warmungsstrom über mehrere, aber nicht alle, Sensorelemente, gegebenenfalls Sensorbrucken gefuhrt wird. Eine zweckmäßige konkrete Ausgestaltung der Mittel sieht vor, daß diese als jeweils zwei Sensorelemente einer Sensorbrucke kurzschließende Kurzschlußleiter ausgebildet sind, wobei der Erwar- mungsstrom über die beiden nicht kurzgeschlossenen zu erwärmenden Sensorelemente fuhrbar ist.
Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, daß die Mittel als die zu erwärmenden Sensorelemente verbindende Leiter ausge- bildet sind, wobei die nicht zu erwärmenden Sensorelemente im wesentlichen auf dem gleichen Potential wie die zu erwärmenden Sensorelemente liegen. Um m diesem Fall weitgehend zu vermeiden, daß infolge einer möglicherweise gegebenen nichtuniformen Ausbildung der Sensorelemente einer Sensorbrucke ein zu einer Erwärmung der eigentlich nicht zu erwärmenden Sensorelemente führender Heizstrom über diese fließt, kann erfindungsgemäß wenigstens eine Spannungsausgleichsleitung zwischen zwei der Erwärmung zweier Sensorelemente einer Sensorbrücke dienenden Leitern vorgesehen sein. Die mittels der Leiter verbundenen Sensorelemente sollten zweckmäßigerweise längs einer oder mehrerer im wesentlichen gerader Linien angeordnet sein. Eine zweckmäßige Erfindungsalternative sieht, demgegenüber vor, daß die Sensorelemente einer Sensorbrücke mäanderförmig ausgebildet sind, wobei jeweils zwei Sensorele- mente ineinander eingreifend angeordnet sind. Dies führt zu einem besseren Temperaturverhalten und einem mechanischen Spannungsausgleich der Elemente der jeweiligen Brückenhälften, was eine geringere Brücken-Offset-Spannung zur Folge hat. Besitzt das Sensorsubstrat vier Sensorelemente oder ein Vielfaches davon, sind also entsprechende Sensorbrücken vorhanden, können die vier oder jeweils vier Sensorelemente eine Wheatstone' sehe Brücke bilden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er- geben sich aus den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipskizze einer vier Sensorelemente aufweisenden Sensorbrücke, von denen zwei erwärmbar und zwei kurzgeschlossen sind,
Fig. 2 eine Prinzipskizze der Anordnung mehrerer Sensorbrücken auf einem gemeinsamen Substrat,
Fig. 3 eine Sensorbrücke aus Fig. 2 nach Trennung des Substrats,
Fig. 4 eine Sensorbrücke einer zweiten Ausführungsform, wobei auch hier zwei Sensorelemente selektiv er- wärmbar sind, Fig. 5 mehrere Sensorbrücken gemäß Fig. 4 auf einem gemeinsamen Substrat,
Fig. 6 eine dritte Ausführungsform einer Sensorbrücke,
Fig. 7 ein Diagramm zur Darstellung der Strom-, Temperatur- und Einstellfeldführung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
Fig. 8 eine Prinzipskizze zur Darstellung eines Sensorεle- ents einer ersten Ausführungsform,
Fig. 9 ein Diagramm zur Darstellung der Temperaturabhän- gigkeit der Magnetisierung der unterschiedlichen
Schichten des AAF-Systems,
Fig. 10 ein Sensorelement einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 11 die Temperaturabhängigkeit der Magnetisierung des Sensorelements aus Fig. 10,
Fig. 12 eine dritte Ausführungsform eines Sensorelements,
Fig. 13 eine vierte Ausführungsform eines Sensorelements,
Fig. 14 die Temperaturabhängigkeit der Magnetisierung des Sensorelements aus Fig. 13,
Fig. 15 eine fünfte Ausführungsform eines Sensorelements,
Fig. 16 eine sechste Ausführungsform eines Sensorelements,
Fig. 17 die Temperaturabhängigkeit der Magnetisierung des Sensorelements aus Fig. 16, Fig. 18 eine siebte Ausführungsform eines Sensorelements, und
Fig. 19 die Temperaturabhängigkeit der Magnetisierung des Sensorelements aus Fig. 18.
Fig. 1 zeigt in Form einer Prinzipskizze eine Sensorbrücke 1 bestehend aus zwei Sensorelementen Ri und zwei Sensorelementen R2, die nach Art einer Wheatstone' sehen Brücke miteinander zur Temperaturkompensation verschaltet sind. Die Sensorbrücke ist, wie Fig. 2 zeigt, auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet, wobei Fig. 2 lediglich eine Prinzipskizze der Brückenanordnung zeigt. Bei der Sensorbrücke 1 gemäß Fig. 1 können die Sensorelemente R2 selektiv aufgeheizt werden. Wie Fig. 2 zeigt, sind die Sensorbrücken 1 der Reihe nach hintereinander angeordnet und über die jeweiligen Strompads Cl und C2 miteinander verbunden. Über die Sensorelemente 1 kann ein Strom geführt werden, was dazu führt, daß die Sensorelemente R2 infolge des Stromflusses erwärmt werden, die Sensorelemente Ri sind über Kurzschlußleiter 2 kurzgeschlossen und führen keinen oder sehr wenig Heizstrom, so daß sie nicht erwärmt werden. Die Ausbildung der Kurzschlußleiter ist relativ ein- fach möglich und mittels schmaler Streifenbahnen realisierbar, zumal die Sensorelemente meist aus mäanderförmigen Leiterbahnen bestehen, um ein bequemes Impedanzniveau zu erreichen. Infolge der Anordnung der Kurzschlußleiter 2 und der Anordnung der Sensorbrücken 1 auf dem Substrat werden die Kurzschlußleiter während der Trennung der einzelnen Sensorbrücken unterbrochen, vgl. hierzu Fig. 3. Alternativ hierzu können die Kurzschlußleiter auch anschließend weggeätzt werden. Die Fig. 4 und 5 zeigen eine weitere Ausführungsform. Die brückeneigenen Sensorelemente und Kontaktpads (Cι,2 = Strom- pads, Uι,2 = Spannungspads) sind so angeordnet, daß die R2- Elemente außen liegen, und daß sowohl die R2- wie auch die Ri-Elemente auf dem Substrat längs gerader Linien angeordnet sind. Die R2-Elemente sind reihenweise über Leiter 3 elektrisch auf der Scheibe verbunden, jede Reihe wird während der Einstellung von einem Strom Iheιz durchflössen. Die Rχ~ Elemente liegen im Prinzip auf dem gleichen Potential, wie sich aus Fig. 4 ergibt, wonach das Ri-Element am Spannungspad U2 auf dem Potential Vh und das Rx-Element am Spannungspad Ui auf dem Potential Vn liegt. Sie führen folglich kaum Strom und werden nicht erwärmt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung einer Sensorbrücke zeigt Fig. 6. Die Rι~ und R2-Elemente sind mäanderförmig strukturiert, innerhalb einer Brückenhälfte greift jeweils ein Ri-Element und ein R2-Element ineinander. Diese „Verschachtelung" führt zu einem besseren Temperaturausgleich sowie einem besseren mechanischen Spannungsausgleich der Elemente, was in einem geringeren Brücken-Offset resultiert. Um den ohnehin geringen durch die Ri-Elemente fließenden Heizstrom Iheiz noch weiter zu verringern, sind die Leiter 3, die die R2-Elemente elektrisch miteinander kontaktieren, mittels Spannungsausgleichsleitungen 4 verbunden.
Fig. 7 zeigt in Form eines Diagramms das Prinzip der Strom-, Temperatur- und Einstellfeldführung. Zum Zeitpunkt ti wird das Einstellfeld, relativ schnell ansteigend, an das oder die Sensorelemente gelegt. Nach Erreichen eines Maximus bleibt das Feld für eine bestimmte Zeit konstant. Im Zeitpunkt t2 wird ein Strompuls über das oder die Sensorelemente geschickt, was gleichzeitig zu einem Ansteigen der Temperatur der stromdurchflossenen R2-Elemente führt. Übersteigt die Elementtemperatur eine bestimmte Temperatur Ts, werden die Sensorelemente R2 in einen anderen magnetischen Zustand versetzt. Nach dem Ausschalten des Feldes wird die Magnetisierung in einem dieser Biasschichten zur Magnetisierung der Bi- asschichten der Rχ-Elemente entgegengesetzt ausgerichtet wer- den. Das Einstellfeld bleibt solange aufrechterhalten, bis die Temperatur deutlich oberhalb der Temperatur Ts ist. Im Zeitpunkt t3 wird der Strom abgestellt, was zu einem Absinken der Temperatur führt. Vorher wird bereits das Einstellfeld erniedrigt, im Zeitpunkt t4 liegt kein äußeres Feld mehr an. Wichtig ist, daß vor dem Absinken der Temperatur während der Kühlphase unter einen Grenzwert, nämlich die Temperatur Ts die Einstellung abgeschlossen ist und das Einstellfeld Hein unterhalb einer bestimmten Grenze liegt. Man braucht zu diesem Zweck sowohl einen pulsförmigen Heizstrom- wie Feldver- lauf. Die verträgliche Dauer der Aufheizung hängt stark vom Schichtaufbau ab, den benutzten Materialien, Materialkombinationen und vor allem von der Temperatur. Die Ausschaltzeit des Einstellteldes Hein muß deutlich kleiner als die Aufheizperiode sein.
Fig. 8 zeigt eine Prinzipskizze eines Sensorelements. Dieses besteht im gezeigten Ausführungsbeispiel aus dem Substrat 5, der Buffer-Schicht 6, der Meßschicht 7, der Entkopplungsschicht 8, und dem AAF-System 9, bestehend aus der Bias- schicht I, der Flußführungsschicht II und der antiferro- magnetischen Kopplungsschicht III. Der Grundgedanke ist, wie beschrieben, die magnetischen Eigenschaften der R2-Elemente durch lokale Temperaturerhöhung derartig zu ändern, daß die Biasschicht-Magnetisierungen der Rχ~ und R2-Elemente sich entgegengesetzt ausrichten lassen. Hierzu nützt man die Temperaturabhängigkeit der Sättigungsmagnetisierung und/oder der Koerzitivität und/oder der Anisotropie. Innerhalb des Operationstemperaturfensters, also des Temperaturbereichs innerhalb welchem das Sensorelement oder die Brücke betrieben wird, sollen die Elemente möglichst konstant sein. Das heißt, die Einstelltemperatur Tx bzw. T2 entweder der R~ und/oder der R2-Elemente soll vorzugsweise entweder ober- oder unterhalb dieses Fensters liegen. Prinzipiell bestehen zwei Möglichkeiten: Entweder werden die R2-Elemente auf Temperaturen oberhalb des Operationstemperaturfenster geheizt, oder das ganze Substrat wird stark abgekühlt und die R2-Elemente werden erhitzt, wobei in diesem Fall die Temperatur durchaus auch im Operationstemperaturfenster liegen darf, oder aber darüber .
Wie beschrieben, kann die Erzeugung der für das unterschiedliche Temperaturverhalten der Schichten I, II verantwortliche Asymmetrie mit Hilfe der magnetischen Momente dieser Schichten erzeugt werden. Ausgehend vom in Fig. 8 gezeigten Senso- relement sei angenommen, daß die Schicht II eine niedrigere Curie-Temperatur Tc2 besitzt als die Schicht I. Es sei angenommen, daß die Magnetisierung der Schicht II parallel zum Einstellfeld Heln liegt. Das heißt, m2>m . Eine Umkehrung der Einstellung über eine lokale Temperaturerhöhung kann erreicht werden, wenn die Curie-Temperatur Tc2 der Schicht II genügend tief ist. Fig. 9 veranschaulicht den Verlauf der Magnetisierung in Abhängigkeit der Temperatur. Die niedrige Curie- Temperatur Tc2 der Schicht II führt dazu, daß sich die Sättigungsmagnetisierung der R2-Elemente deutlich um den Betrag ΔM2 erniedrigt, wenn die R2-Elemente auf die Einstelltemperatur T2 erwärmt werden, die Rχ-Elemente weisen die niedrigere Temperatur (z. B. Raumtemperatur) auf. Eine Umkehrung erfolgt, wenn m2<mχ ist. Es ist offensichtlich, daß die Magnetisierungen bzw. die Momentenverteilung zwischen den Schich- ten I und II auch vertauscht sein kann. Als Materialien für die Schicht, deren Magnetisierung umzukehren ist, eignen sich Ni-reiche Legierungen. Auch NiFeCo-Legierungen mit zu legierten nichtmagnetischen Elementen wie z. B. V, Cr, Pt, Pd und seltenen Erden wie S , Tb, Nd etc. können verwendet werden. Wie Fig. 9 ferner zu entnehmen ist, liegt die Einstelltemperatur der Rχ-Sensoren innerhalb des Operationstemperaturfen- sters. Die der R2-Sensoren liegt darüber, jedoch noch unterhalb der Curie-Temperatur der zu bearbeitenden Schicht.
Fig. 10 zeigt ein Sensorelement mit zwei AAF-Systemen, die zwischen sich eine entkoppelte Meßschicht aufnehmen. Wie der zugehörigen Fig. 11 zu entnehmen ist, sind die Curie- Temperaturen der beiden Schichten I, II gleich und liegen hoch, so daß die physikalischen Schichtparameter möglichst stabil sind. Die Schichten II sind im gezeigten Beispiel mit zwei weiteren Schichten IV, sogenannten Bilanzschichten gekoppelt, das heißt, die beiden Magnetisierungen sind gekoppelt. Die Curie-Temperaturen der weiteren Schichten IV liegen unterhalb des Operationstemperaturfensters, siehe Fig. 11. Zur Einstellung der R2-Sensoren wird nun das gesamte Sensorsystem auf eine Temperatur T unterhalb des Operationsfensters abgekühlt, wobei diese Temperatur noch unterhalb der Curie-Temperatur Tc4 der weiteren Schicht liegt. Infolge der Kopplung der Schichten II mit den weiteren Schichten IV richten sich die magnetischen Momente beider Schichten ferroma- gnetisch aus. Das effektive Moment der jeweiligen Schicht II steigt deswegen stärker an als das Moment der Schicht I. Da die R2-Sensoren lokal auf eine Temperatur von oberhalb Tc aufgeheizt werden (T2>Tc4) muß das Moment der Schicht I der R2-Sensoren größer sein als das Moment der Schicht II bei dieser Temperatur. Dies zeigt sich in Fig. 11 an der sich ergebenden Magnetisierungsdifferenz von ΔM4. Dies ist der von der Bilanzschicht verursachte Beitrag. Eine entgegengesetzte Ausrichtung der Magnetisierung erfolgt auch hier, wenn das Verhältnis der Gesamtmomente der Schichten I und II mit IV der erwärmten R2-Sensoren umgekehrt ist.
Fig. 12 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Sensorele- ments mit einem symmetrischen AAF-System bestehend aus drei Magnetschichten. An den Außenseiten des AAF-Systems sind zwei weitere Schichten IV (Bilanzschichten) vorgesehen. Neben der geringeren Temperaturbelastung dieses Systems besteht hier ferner die Möglichkeit ein Sensorelement mit vielen Perioden zu realisieren.
Die Fig. 13 und 14 zeigen eine weitere Ausführungsform eines Sensorelements. Die dort gekoppelte weitere Bilanz-Schicht IV besitzt eine Curie-Temperatur Tc4 oberhalb des Operationstem- peraturfensters. Die Schicht ist eine ferri- oder ferromagne- tische Schicht, die mit der Schicht II des AAF-Systems gekoppelt ist. Die Schichten I und II können im Prinzip aus identischem Material bestehen und eine hohe Curie-Temperatur besitzen. Im Falle einer ferrimagnetischen weiteren Schicht IV besitzt, vgl. Fig. 14, die Schicht I der R-Sensoren bei deren Einstelltemperatur Tx das größere magnetische Moment und steht parallel zum Einstellfeld. Bei den R2-Sensoren ist dies gerade umgekehrt aufgrund des fehlenden Moments der Bilanzschicht (ΔM4) . Infolgedessen steht bei diesen Elementen das Moment der Schicht I parallel zum Einstellfeld.
Fig. 15 zeigt eine weitere Ausführungsform eines AAF-Systems bestehend aus zwei Biasschichten und zwei daran entkoppelt angeordneten Flußführungsschichten. Zwischen den Biasschich- ten II ist die weitere Schicht IV aufgenommen, das heißt, eine einzige weitere Schicht dient hier zur Erzeugung der kopplungsbedingten Asymmetrie.
Als Materialien für die beschriebenen Schichtsysteme können für die weitere Schicht NiFeCo-Legierungen mit Zusätzen von nicht magnetischen Elementen wie z.B. V, Cr, Pt, Pd sowie seltene Erd/Übergangsmetallegierungen wie (FexCθχ_x) χ-yXy mit X = z.B. Sm, Tb, Nd, Gd, Dy etc. Für die Schichten des AAF-Systems können NiFeCo-Legierungen mit wenig Zulegierungs- bestandteilen oder Multischichten aus diesen Elementen verwendet werden.
Alternativ zur oben beschriebenen Erzeugung der erforderli- chen Asymmetrie kann diese auch über unterschiedliche Koerzi- tivitäten oder entsprechende Anisotropien der relevanten Magnetschichten des AAF-Systems erzeugt werden, wobei auch eine Kombination mit der Momentvariante möglich ist. Haben die Bias- und die Flußführungsschicht eines AAF-Systems die glei- chen Momente, muß für eine Einstellung die magnetische Reibung (Koerzitivität) oder die Anisotropie der Schichten entsprechend gewählt werden. Es sei angenommen, daß die Gesamtreibung (oder Anisotropieenergie) der Schicht II größer als die der Schicht I ist. In diesem Fall gilt:
τ2d2 > τxdx, mit τ = Drehreibungsvolumendichte, d = Schichtdik- ke,
bzw. für die Anisotropie
K2d2 > Kxdx, mit K = uniaxiale Anisotropiekonstante.
Hiervon ausgehend stellt sich die Biasschichtmagnetisierung parallel zum Einstellfeld ein wenn dieses Feld parallel zur leichten Richtung anliegt. Bei Abkühlung wird eine mit der
Flußführungsschicht I gekoppelte weitere Schicht IV vom paramagnetischen in den permanentpolarisierten Zustand übergehen. Im Falle einer antiferromagnetischen weiteren Schicht IV wird dies bei der Neel-Temperatur passieren. Die effektive Drehreibung oder Anisotropieenergiedichte der Bilanzschicht- Flußführungsschicht-Kombination nimmt um den Betrag τ4d4 bzw. K4d zu. In der gekühlten Schichtkombination richtet sich die Magnetisierung der Flußführungsschicht dann parallel zum Einstellfeld aus, wenn τ2d2 < τxdx + τ4d4 bzw.
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Hierfür müssen die R2-Elemente mittels des Erwärmungsstroms über z.B. die Neel-Temperatur erwärmt werden. Auch hier kann ein Material für die Bilanzschicht mit einer Übergangstemperatur oberhalb des Operationstemperaturfensters gewählt wer- den. Die Rχ-Sensoren werden dann im Arbeitstemperaturfenster eingestellt, die R2-Sensoren oberhalb der Übergangstemperatur. Als Materialien für die weitere Schicht können antifer- romagnetische Schichten wie:
NiO(500K), CoO(290K), FeMn(530K), FeO(200K), MnO(120K),
Cr2O3(310K), -Fe203 (950K) , wobei in den Klammern die jeweilige Neel-Temperatur angegeben ist.
Auch ferrimagnetische Materialien können als Bilanzschichten zur Kontrolle der Anisotropie wie der Koerzitivität benutzt 'werden. In vielen Seltene-Erd-reichen Materialien ist es leicht, eine uniaxiale Anisotropie über Feldinduktion oder über magnetoelastische Kopplung zu erzeugen.
Fig. 16 zeigt eine ferrimagnetische weitere Schicht IV mit einer Kompensationstemperatur Tkomp und einer Curie-Temperatur Tc4 vorzugsweise unterhalb dem Operationstemperaturfenster, vgl. Fig. 17. Die weitere Schicht IV ist mit der Schicht II gekoppelt. Die Einstelltemperatur Tx der Rχ-Sensoren liegt nahe der Kompensationstemperatur, so daß der magnetische Momentbeitrag der weiteren Bilanzschicht fast Null ist, während das Drehreibungsmoment zunimmt verglichen mit einem Schichtsystem ohne weiterer Schicht. Man kann auf diese Weise eine reine Steuerung über die Koerzitivität realisieren. Auch eine Kombination von Momenten- und Koerzitivitätssteuerung ist oh- ne weiteres möglich. Die Schichten I und II bestehen vorwiegend aus Co, Ni und Fe als Träger der magnetischen Momente. Ist das ferrimagnetische Bilanzschichtmedium eine Seltene- Erd/Übergangsmetallegierung, dann überwiegt oberhalb der Kom- pensationstemperatur das Moment des Übergangsmetalls, das in diesem Fall ferromagnetisch mit der Schicht II gekoppelt ist. Unterhalb der Kompensationstemperatur überwiegt das Moment des Seltenen-Erd-Elements, das für die schweren Seltenen-Erd- Elemente der Magnetisierung der Biasschicht II entgegenge- setzt gerichtet ist. Eine Abnahme der Gesamtmagnetisierung der Kombination Schicht II, -Bilanzschicht verstärkt die Tendenz der Schicht I sich parallel zum Einstellfeld auszurichten.
Die Fig. 18 und 19 zeigen schließlich eine letzte Ausführungsform mit ferrimagnetischen weiteren Schichten in den mittleren AAF-Schichten. Im Operationstemperaturfenster sollten sich die Momente der Flußführungsschichten und der Bias- schichten mit angekoppelten Bilanzschichten vorzugsweise kom- pensieren. Wird zur Einstellung der R2-Elemente deren Einstelltemperatur T2 über die Curie-Temperatur (Tc4) der Bilanzschichten IV erhöht, so ist sowohl der Reibungs- (oder der Anisotropiebeitrag) wie der Magnetisierungsbeitrag der Bilanzschicht Null. Bei den auf der Temperatur Tx gehaltenen Rχ-Elementen zwingt der Reibungsbeitrag und/oder der Anisotropiebeitrag der Bilanzschicht die Magnetisierung der Schicht II parallel zum Einstellfeld. Auch hier richten sich dann die Magnetisierungen der Biasschichten der Rx- und R2- Elemente entgegengesetzt zum Einstellteld. Als Materialien für die weitere Schicht IV bieten sich bei diesem System seltene Erd/Übergangsmetallegierungen wie (FexCθχ_x) χ_yXy an mit, X = z.B. Tb, Gd, Dy, Ho. Ferner können oxidische Ferrimagne- ten wie Ferrite verwendet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Einstellen der Magnetisierung mindestens einer Biasschicht eines magneto-resistiven Sensorelements, wobei die Biasschicht Teil eines AAF-Systems (artificial- antiferromagnetic-system) ist bestehend aus mindestens einer Biasschicht, mindestens einer Flußführungsschicht und mindestens einer zwischen diesen angeordneten, beide Schichten an- tiferromagnetisch koppelnden Kopplungsschicht, g e - k e n n z e i c h n e t durch folgende Schritte:
a) Erwärmen oder Abkühlen des Sensorelements über oder unter eine vorbestimmte Temperatur,
b) Anlegen des magnetischen Einstellfelds während und/oder nach dem Erwärmen oder Abkühlen,
c) Abschalten des Einstellfelds nach einer vorbestimmten Zeit,
d) Rückführen der Temperatur auf die Ausgangstemperatur .
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens zwei Sensorelemente vorhanden sind, wobei die Magnetisierung der Bias- schicht der beiden Sensorelemente oder bei mehr als zwei Sensorelementen die Magnetisierung eines Teils der Sensorelemente zu der der anderen entgegengesetzt gerichtet sein soll, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß lediglich ein Sensorelement oder der entsprechende Teil der Sensorele- mente erwärmt oder abgekühlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß vor der Erwärmung oder Abkühlung des oder der Sensorelemente alle Sensorelemente abge- kühlt oder erwärmt werden und die dabei erreichte Temperatur für die anschließend nicht erwärmten oder abgekühlten Sensorelemente beibehalten wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die mehreren Sensorelemente auf einem gemeinsamen Substrat in Form von Sensorbrücken zur Bildung von Winkelsensoren, insbesondere von 360°-Winkelsensoren angeordnet sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß Erwärmung oder Abkühlung der entsprechenden Sensorelemente lokal erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Erwärmung mittels pulsartig über das oder die Sensorelemente geführter Ströme erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Abschaltzeit für das Einstellfeld zeitlich früher liegt als der Zeitpunkt, an dem die Temperatur bei Rückkehr zum Arbeitstem- peraturfenster einen kritischen Wert durchläuft, bei dem die infolge der Temperaturerhöhung erhaltene Asymmetrie noch gegeben ist.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das oder die Sensorelemente auf eine Temperatur erwärmt oder abgekühlt werden, die außerhalb und höher oder niedriger liegt als der Temperaturbereich, innerhalb welchem das oder die Sensorelemente betreibbar sind.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß bei vorheriger Abkühlung der Sensorelemente die anschließende Erwärmungstem- peratur des oder der jeweiligen Sensorelemente innerhalb des Temperaturbereichs oder außerhalb und höher liegt als der Temperaturbereich, innerhalb welchem das oder die Sensorelemente betreibbar sind.
9. Sensorelement oder Sensorelementsystem umfassend mehrere Sensorelemente, wobei die Biasschicht des oder der Sensorelemente gemäß dem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8 eingestellt ist.
10. Sensorelementsystem nach Anspruch 9, mit vier Sensorele- menten oder einem Vielfachen davon, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die vier oder jeweils vier Sensorelemente eine Wheatstone ' sehe Brücke bilden.
11. Sensorelement mit mindestens einer Biasschicht, die Teil eines AAF-Systems (artificial-antiferromagnetic-system) ist bestehend aus mindestens einer Biasschicht, mindestens einer Flußführungsschicht und mindestens einer zwischen diesen angeordneten, antiferromagnetisch koppelnden Kopplungsschicht, wobei die Magnetisierung der Biasschicht insbesondere mittels des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8 in entgegengesetzter Richtung zur Magnetisierung der Flußführungsschicht einstellbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Temperaturverhalten der Magnetisierung der Biasschicht (I) und der Flußführungsschicht (II) in einem ho- mogenen magnetischen Einstellfeld (Hein) bedingt durch eine zwischen den Schichten (I, II) gegebene Asymmetrie unterschiedlich ist.
12. Sensorelement nach Anspruch 11, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t, daß die Biasschicht (I) und die
Flußführungsschicht (II) zur Erzeugung der Asymmetrie bei der Einstelltemperatur unterschiedlich große magnetische Momente besitzen.
13. Sensorelement nach Anspruch 11 oder 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Biasschicht (I) und die Flußführungsschicht (I) , gegebenenfalls zusätzlich, zur Erzeugung der Asymmetrie unterschiedliche Dicken aufweisen.
14. Sensorelement nach einem der Ansprüche 11 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Biasschicht (I) und die Flußführungsschicht (II), gegebenenfalls zusätzlich, zur Erzeugung der Asymmetrie unterschiedliche Anisotropien besitzen.
15. Sensorelement nach einem der Ansprüche 11 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Biasschicht (I) und die Flußführungsschicht (II), gegebenenfalls zusätzlich, zur Erzeugung der Asymmetrie unterschiedliche Koezitivitäten besitzen.
16. Sensorelement nach einem der Ansprüche 11 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß, gegebe- nenfalls zusätzlich, die Asymmetrie mittels einer an die Biasschicht (I) oder die Flußführungsschicht (II) gekoppelten weiteren ferri-, ferro- oder antiferromagnetischen Schicht (IV) erzeugt ist.
17. Sensorelement nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Phasenübergangstemperatur der weiteren Schicht (IV) niedriger als die Curie-Temperaturen der Biasschicht (I) und der Flußführungsschicht (II) ist.
18. Sensorelement nach Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Biasschicht (I) und die Flußführungsschicht (II) aus dem gleichen Material bestehen.
19. Sensorelement nach einem der Ansprüche 16 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zwei weitere Schichten (IV) vorgesehen sind, die an die beiden im AAF-System außenliegenden Flußführungsschichten (I) gekoppelt sind.
20. Sensorelement nach einem der Ansprüche 16 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zwei weitere Schichten (IV) vorgesehen sind, die an die außen liegen- den Flußführungsschichten (II) zweier eine entkoppelte Meßschicht (7) zwischen sich aufnehmende AAF-Systeme gekoppelt sind.
21. Sensorelement nach einem der Ansprüche 16 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das AAF- System zwei die weitere Schicht (IV) zwischen sich aufnehmende Biasschichten (I) aufweist.
22. Sensorelement nach einem der Ansprüche 11 bis 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Magnetisierung und/oder die Anisotropie und/oder die Hysteresis derart stark temperaturabhängig ist, daß sich von einem Einstellfeld mit fester Orientierung mindestens zwei unterschiedliche Biasmagnetisierungen einstellen lassen.
23. Sensorsubstrat mit mehreren Sensorelementen, , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Sensorele- mente nach einem der Ansprüche 10 bis 20 ausgebildet sind, und daß Mittel zum lokalen Erwärmen eines oder mehrere Senso- relement vorgesehen sind.
24. Sensorsubstrat nach Anspruch 23, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Mittel eine Erwärmung mittels eines über das oder die Sensorelemente fließenden Stroms ermöglichen.
25. Sensorsubstrat nach Anspruch 23 oder 24, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß jeweils vier Sensorelement zur Bildung einer Sensorbrücke miteinander verschaltet sind, und daß die Mittel zum Erwärmen derart ausgebildet und angeordnet sind, daß jeweils zwei Sensorelement erwärmbar sind.
26. Sensorsubstrat nach Anspruch 25, wobei auf dem Sensorsubstrat mehrere Sensorbrücken angeordnet sind, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Mittel derart angeordnet sind, daß sie beim Trennen der Sensorbrük- ken voneinander unterbrochen werden.
27. Sensorsubstrat nach einem der Ansprüche 23 bis 26, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Sensorelemente und/oder die Mittel derart angeordnet sind, daß der Erwärmungsstrom über mehrere Sensorelemente, gegebenenfalls Sensorbrücken führbar ist.
28. Sensorsubstrat nach einem der Ansprüche 23 bis 27, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß jeweils zwei Sensorelemente einer Sensorbrücke kurzschließende Kurzschlußleiter (2) aufweisen, wobei der Erwärmungsstrom über die beiden nicht kurzgeschlossenen, zu erwärmenden Sensorele- mente führbar ist.
29. Sensorsubstrat nach einem der Ansprüche 23 bis 27, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Mittel als die zu erwärmenden Sensorelemente verbindende Leiter (3) ausgebildet sind, wobei die Anschlußpunkte jedes nicht zu erwärmenden Sensorelementes im wesentlichen auf dem gleichen Potential liegen.
30. Sensorsubstrat nach Anspruch 29, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t, daß wenigstens eine Spannungsaus- gleiehsleitung (4) zwischen zwei der Erwärmung zweier Sensorelemente einer Sensorbrücke dienenden Leitern (3) vorgesehen ist.
31. Sensorsubstrat nach Anspruch 29 oder 30, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die mittels der Leiter (3) verbundenen Sensorelemente längs einer oder mehrere im wesentlichen gerader Linien angeordnet sind.
32. Sensorsubstrat nach Anspruch 29 oder 30, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Sensorelemente einer Sensorbrücke mäanderförmig ausgebildet sind, wobei jeweils zwei Sensorelemente ineinander eingreifend angeordnet sind.
33. Sensorsubstrat nach einem der Ansprüche 23 bis 32, mit vier Sensorelementen oder einem Vielfachen davon, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die vier oder jeweils vier Sensorelemente eine Wheatstone ' sehe Brücke bilden.
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