WO2000072387A1 - Magnetische koppeleinrichtung und deren verwendung - Google Patents

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WO2000072387A1
WO2000072387A1 PCT/DE2000/001108 DE0001108W WO0072387A1 WO 2000072387 A1 WO2000072387 A1 WO 2000072387A1 DE 0001108 W DE0001108 W DE 0001108W WO 0072387 A1 WO0072387 A1 WO 0072387A1
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WO
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layer
magnetic
magnetization
multilayer system
measuring
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Application number
PCT/DE2000/001108
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Inventor
Wolfgang Clemens
Joachim Wecker
Günter RUPP
Jens Hauch
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B5/00—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems
    • H04B5/70—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes
    • H04B5/73—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes for taking measurements, e.g. using sensing coils
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices

Definitions

  • the invention relates to a magnetic coupling device with at least one electrical conductor element that generates a magnetic signal field by means of current flow, and with at least one sensor element that is assigned to the conductor element and is galvanically separated from it.
  • a corresponding coupling device is e.g. from the book by E. Schrüfer "Electrical measurement technology *, 6th edition, 1995, Hanser Verlag Kunststoff, pages 165 to 168.
  • the invention further relates to the use of such a coupling device.
  • optoelectronic coupling devices are often provided.
  • an electrical (primary) signal is given to an input, which is converted into an optical radiation signal.
  • This radiation signal is transmitted through an insulating medium to a sensor or detector element, where it is converted back into an electrical (secondary) signal.
  • a digital information transmission by means of optocouplers is limited in the transmission rate by the limited bandwidth of the optical elements and in the design by the limited integrability of the optical elements with silicon technology. Furthermore, the optical elements can only be operated in a temperature range up to a maximum of about 85 ° C.
  • magnetic transmission using Hall probes or generators is also known. Leave with such probes namely all of the signal sizes that generate or influence magnetic fields. For example, a corresponding, potential-free measurement of a current can be found in the above-mentioned literature reference. To do this, it is sent through the winding of an electromagnet. Its magnetic induction is then determined using a Hall probe. With a constant control current through the Hall probe, its Hall voltage is then a measure of the current to be measured.
  • the object of the present invention is therefore to design the magnetic coupling device of the type mentioned at the outset in such a way that it enables signal transmission by magnetic means in a relatively simple manner.
  • the magnetic field-sensitive sensor element comprises a multilayer system which exhibits an increased magnetoresistive effect and which contains at least one soft-magnetic measuring layer, at least one further ferromagnetic layer and at least one non-magnetic intermediate layer arranged in between, the magnetization of the soft magnetic layer in the absence of a signal field, a predetermined one which is dependent on the preferred axis of magnetization of this layer Starting position.
  • the preferred axis of the magnetization is "sensormtr ⁇ ns ⁇ sch; They can be embossed both by a special layer structure, for example by selecting the material and / or the layer thickness, but also by a certain geometric shape, for example by a certain ratio of length to width, and / or by an anisotropy impressed by an external magnetic field. Such anisotropy can be generated either during the manufacturing process or afterwards by a tempering step in a magnetic field.
  • the invention is based on the knowledge that to form a magnetic coupling device, the magnetoresistive effect, in particular the so-called “Giant Magneto Resistance * (GMR) effect, can be exploited by special thin-layer systems with regard to an incident magnetic field, in order to do this Magnetic field causing physical quantities such as generate an electrical signal corresponding to a current.
  • GMR Magnetic Magneto Resistance *
  • This generation is relatively easy and inexpensive to achieve with the multilayer system used in accordance with the invention.
  • a temperature dependency as in optical coupling devices is not to be feared in such multilayer systems;
  • commercial GMR sensors can be operated up to around 150 ° C.
  • a magnetic coupling device for current detection emerges from WO 98/07165, which in particular has four sensor elements with which a magnetic signal field, which is generated by means of current flow through a flat coil, is added is detect.
  • the conductor elements of the flat coil run orthogonally over the sensor elements and are galvanically isolated from them.
  • the sensor elements are each constructed as a multilayer system with two ferromagnetic layers, which are separated by an electrically conductive, non-magnetic intermediate layer and are magnetoresistive, anisotropic. These multilayer systems can show a GMR effect in particular. Details of the structure of the multilayer systems to be used and in particular aspects of the magnetization ratios of their ferromagnetic layers are, however, not given in more detail. However, these details are of particular importance for clear signal acquisition with a high transmission rate.
  • a multi-layer system can be provided with a bias layer part that is magnetically harder than the soft magnetic measuring layer and is spaced from it by a non-magnetic intermediate layer.
  • known multilayer systems are distinguished by a high magnetoresistive effect.
  • the bias layer part can advantageously be designed as a so-called artificial antiferromagnet.
  • the construction of corresponding systems and the related processes for their production can be used.
  • the alignment of the magnetization of the at least one soft magnetic measuring layer in the absence of a signal field m of a predetermined starting position must be ensured for the coupling device according to the invention, so that after each magnetic signal pulse the measuring layer m returns to a fixed starting state with a defined signal level.
  • a magnetic (ferromagnetic or anti-magnetic) coupling of the magnetization of the measuring layer to the magnetization of a magnetically harder bias layer part can advantageously be provided via a non-magnetic intermediate layer with a predetermined thickness.
  • the magnetization of the soft magnetic measuring layer can be set to the predetermined starting position in the absence of a signal field by a directional additional magnetic field.
  • a corresponding alignment of the magnetization of the measuring layer can also be achieved by impressing a uniaxial anisotropy e.g. through a special shape of the layer.
  • the multilayer system of the coupling device according to the invention can be designed particularly advantageously as a magnetoresistive tunnel element.
  • Such tunnel elements each have a non-magnetic intermediate layer (so-called “tunnel barrier *) made of an electrically insulating or semiconducting material between their ferromagnetic layers. This is because these elements are advantageously distinguished by a high signal swing and particularly small size.
  • the coupling device according to the invention preferably has
  • Corresponding means can be arranged in particular in the form of a soft magnetic layer on the side of the at least one conductor element facing away from the multilayer system and optionally galvanically separated therefrom. Such a layer can advantageously also perform the function of a magnetic mirror with respect to the magnetic field signal caused by the at least one conductor element and can thus contribute to a corresponding signal amplification.
  • the coupling device according to the invention can advantageously be used as a current sensor. A current flowing through their electrical conductor element can namely be generated to generate a primary signal field, which is then detected by the at least one magnetic field-sensitive sensor element and converted into a secondary signal.
  • FIG. 1 shows the basic structure of a coupling device according to the invention with a magnetoresistive multilayer system
  • FIG. 2 shows a special structure according to FIG. 1
  • FIG. 3 shows a top view of the structure according to FIG. 1
  • FIG Structure of a coupling device with a magnetoresistive, multilayer system having an artificial antiferromagnet the figure 5 as a sectional view of a further structure of a
  • FIG. 6 is a diagram of coupling possibilities in such a multilayer system depending on a decoupling layer thickness
  • FIGS. 7 and 8 m diagrams of which show the magnetoresistive effect of a structure according to FIG 1 m as a function of different directions of an external magnetic signal field
  • the figure 9 m of which is a diagram of the magnetoresistive effect for this structure m as a function of the thickness a decoupling layer of the multilayer system
  • FIGS. 10 to 13 show the successive construction of a special coupling device.
  • the construction, indicated in section in FIG. 1, of a coupling device according to the invention, generally designated 2, comprises at least one sensor element S sensitive to a magnetic field on a substrate 7.
  • This sensor element is intended to exhibit a magnetoresistive effect which is increased compared to magnetoresistive single-layer sensor elements ms and made of NiFe
  • the multilayer system contains at least one soft magnetic measuring layer, the magnetization of which assumes a predetermined starting position in the absence of a signal field H m. This starting position is determined as a function of the intrinsic preferred axis of magnetization.
  • the sensor element S is covered by an insulation layer 11.
  • At least one electrical conductor element 10 runs above the element and thus galvanically separated therefrom. Due to a corresponding current flow I, the (primary) magnetic signal field H is generated with this conductor element, which is detected by the sensor element S and thus a corresponding (secondary) ) Signal.
  • FIG. 2 shows a section through a corresponding embodiment of a coupling device 2.
  • An Si wafer serving as substrate 7 is covered with an insulation layer 20 made of SiO 2 , which carries a sensor S.
  • the sensor is covered by a passivation layer 21 leveling the structure from A1 2 0 3 .
  • On this passivation layer there is a first insulation layer 11a made of a polymer, on the upper side of which a conductor element 10 made of Al serving as a current path is arranged with a thin metallic base 10a made of Ti.
  • the conductor element is covered by a further insulation layer 11b made of the material of the insulation layer 11a.
  • a soft magnetic layer 22 for example made of a NiFe alloy such as Permalloy.
  • This layer advantageously serves for magnetic shielding against external interference fields and at the same time as a magnetic mirror for increasing the excitation field caused by the conductor track 10. It does not necessarily have to be galvanically isolated from the conductor element. Furthermore, it may be useful to shield the coupling device according to the invention against disturbing external magnetic fields on the substrate side, for example by means of at least one additional Perr ⁇ alloy layer.
  • This additional shielding layer can be located on the underside of the substrate or as a further layer above the substrate. Instead of a single layer, several layers can of course also be provided.
  • the (secondary) signal produced by the sensor element S is designated m 2 in the supervision of the structure according to FIG. 1 from FIG. 3, while the reference symbol sl is assigned to the (primary) signal of the conductor element 10.
  • the secondary signal s2 is obtained from the signal taken from the multilayer system of the sensor element and amplified in an amplifier 8.
  • the signal transmission can take place with a high data transmission rate (> 100 MBd).
  • the multilayer system of the sensor element S which is covered by the insulation layer 11, is shown in broken lines with respect to the conductor element 10 for its galvanic separation.
  • a magnetoresistive multilayer system is used as an exemplary embodiment for its sensor element S, as is provided for known GMR sensor elements (cf. for example EP 0 483 373) AI, DE 42 32 244 AI, DE 42 43 357 AI or WO 94/15223 A).
  • the device 2 therefore contains a multilayer system 3 which is produced in a known manner using thin film technology and which exhibits an increased magnetoresistive effect ⁇ R / R.
  • the magnetoresistive effect of the multilayer system is said to be larger (increased) than known magnetoresistive single-layer systems (cf. EP 0 490 608 A2 or EP 0 346 817 B1).
  • the multilayer system to be used can preferably be designed as a so-called hard-soft system (with magnetically harder and softer layer parts or layers).
  • the large ⁇ R of the magnetoresistive effect represents, in a known manner, the difference in the electrical resistance of the multilayer system between parallel and anti-parallel alignment of the magnetizations of the soft magnetic layer (s) and the hard magnetic layer (s).
  • the large R is the electrical resistance at corresponding parallel alignment.
  • the magnetically harder layer part of this multilayer system can in particular be designed as a so-called artificial antiferromagnet AAF (Artificial Antiferromagnet) (cf.
  • the artificial antiferromagnet AAF is a GMR subsystem consisting of a layer sequence of magnetic layers (eg made of Co or a Co alloy) and non-magnetic coupling layers (eg made of Cu). It shows a strongly anti-parallel coupling and a small remaining net moment of magnetization. The direction of this net torque is magnetized in a certain direction in the production process (like a permanent magnet), and this direction serves as the reference direction of the multilayer system 3.
  • the artificial antiferromagnet AAF is symmetrical, ie it has a middle bias layer 4 and two outer magnetic layers 4b and 4b ⁇ separated from the latter by non-magnetic coupling layers 4a and 4a ⁇ .
  • the magnetizations of the magnetic Layers 4 and 4b, 4b are indicated by arrowed lines m b and ⁇ - m , respectively, with the stronger magnetization m b of the middle blown layer 4 being illustrated by a larger arrow length.
  • the net moment of magnetization of the entire artificial antiferromagnet AAF is subsequently assigned the reference symbol m aaf .
  • a non-magnetic intermediate layer 5 or 5 of thickness d e.g. a soft magnetic measuring layer 6 or 6, for example made of Fe or an Fe alloy, is separated from Cu from the artificial antiferromagnet AAF.
  • the Fe measuring layers can also be in contact with the respective Cu intermediate layer via a thin Co layer.
  • two soft magnetic measuring layers 6 and 6 are arranged symmetrically around the artificial anti-magnet AAF according to the exemplary embodiment shown.
  • the signal shows a field dependency (cf. FIGS. 6 and 7).
  • the signal m changes its magnetic saturation.
  • the resulting signal form is not particularly linear and may be subject to hysteresis; it is therefore not particularly suitable for quantitative, analog current measurement.
  • these facts are of no importance if digital signals are to be transmitted and / or only threshold values are to be measured.
  • the external magnetic signal field H (or magnetic field) is generated by a current I m of an electrical conductor element 10, which is assigned to the magnetoresistive multilayer system 3 and, for example, via at least one of the measuring layers 6 and / or 6 ⁇ in particular at least approximately orthogo- nal runs. If necessary, however, the conductor element 10 can also run at least approximately parallel to the multilayer system 3 which is generally in the form of a strip (cf. for example FIG. 3). The mutual alignment of the conductor element and the multilayer system depends on the intrinsic
  • Sem signal field H acts in the same way on the entire sensor element (or the multilayer system 3).
  • the sensor element is relatively thin (below about 100 nm) compared to the much thicker insulation layer 11 (several 100 nm to a few ⁇ ).
  • the corresponding thickness ratios are not shown to scale in FIGS. 1 and 4.
  • the magnetization of the magnetically softer measuring layers is then aligned by the signal field H, while the magnetically harder layers of the bias layer part remain unchanged. That is, the signal field H then determines the direction of the magnetization m me m of each measurement layer, indicated by a dashed arrow.
  • the magnetic coupling between the respective measuring layer and the respectively associated bias layer part oscillates between the different types of coupling m in a manner known per se m as a function of the thickness d of the respective intermediate layer 5 or 5.
  • a thickness d corresponding to the desired coupling type can be selected. If, on the other hand, the thickness d of the intermediate layers 5 and 5 X is chosen to be so large, for example above 2.3 nm in the case of Cu intermediate layers 5 or 5 ⁇ and Fe or Co measuring layers 6 and 6, that the measuring layers through the intermediate layers of the associated bias layer part are magnetically decoupled, then the magnetization of the respective measuring layer can rotate relatively freely in an external magnetic field.
  • the magnetizations of the measuring layers remain at the position where the external magnetic field is switched off. This property is undesirable for the realization of a magnetic coupling. It is therefore ensured in the multilayer system 3 according to the invention that after each signal pulse generated by an external magnetic field, the measuring layers m return a fixed initial state with a defined signal level, their magnetization m me then having a predetermined starting position or m returning this.
  • this is achieved in that the soft magnetic measuring layers 6 and 6 are magnetically coupled to the artificial antiferromagnet AAF or another bias layer part by limiting the thickness d of the intermediate layers 5 and 5 ⁇ . It is advantageous that the compared to corresponding known GMR position sensors
  • Shift and process sequence does not have to be changed, i.e. the same manufacturing technology can be used.
  • bias layer part in the form of an artificial antiferromagnet is to be regarded as particularly advantageous for the multilayer system on the basis of the exemplary embodiments explained above, which is to be created with thin-layer technology and has an increased magnetoresistive effect.
  • a suitable bias layer part can also be made from a so-called “natural” antiferro- NAF magnets such as a NiO, IrMn or FeMn layer, to which a magnetic layer, for example made of Co, is coupled.
  • spin valves Corresponding design features are known from the so-called “spin valves”.
  • bias layer parts made from a combination of artificial antiferromagnet AAF and natural antiferromagnet NAF can also be provided.
  • a corresponding exemplary embodiment is indicated in FIG. 5.
  • the multilayer system of this coupling device generally designated 24, the device shown in FIG. 4 is assumed.
  • the multilayer system is located on a substrate 7 with an insulation layer 20 covering it, for example according to FIG. 2.
  • the multilayer system of the coupling device 24 contains the simplest form of an artificial antiferromagnet AAF with an asymmetrical structure, which has two ferromagnetic layers 4 and 4b of different magnetic hardness and comprises an intermediate non-magnetic intermediate layer 4a.
  • a layer 25 for example made of IrMn, which forms a natural antiferromagnet NAF.
  • a magnetization of the natural anti-ferromagnet NAF is denoted by m naf in FIG . 5 , although a natural antiferromagnet has no macroscopic magnetization per se . Rather, each of its grid levels is oriented antiparallel to the next (neighboring) grid level. This should be indicated in the figure by the two arrows drawn in broken lines. Accordingly, when applying an NAF layer 25, care must be taken to ensure that the correct crystalline growth is produced by magnetically coupling the top level to the first layer of the AAF system. This means that the magnetization of the AAF layer adjoining the NAF layer 25 couples to the magnetization of the uppermost layer or grid plane of the NAF layer. In addition to the additional use of an artificial antiferromagnet described above, it is also possible instead to provide a natural female magnet, such as in the form of an Fe 3 O 4 layer.
  • a medium-strength, parallel or antiparallel coupling is seen between the at least one measurement sight and the associated bias layer part in the form of an artificial antiferromagnet AAF or a combination thereof with a natural antiferromagnet NAF sought.
  • the layer thickness d to be selected for this purpose is explained using a specific exemplary embodiment for the embodiment according to FIG. 4, reference being made to the diagram in FIG.
  • the magnetic displacement H b (m kA / m) of the hysteresis curve of the soft magnetic layer 6 or 6 ⁇ relative to the magnetic field strength zero and m abscissa direction the thickness d (m nm) of a Cu intermediate layer 5 is plotted in the ordinate direction.
  • the size H b is a measure of the strength of the coupling; its sign indicates the direction of the coupling.
  • a maximum ferromagnetic coupling is achieved with a layer thickness between 1.8 and 2.0 nm.
  • FIGS. 7 to 9 are based on a multi-layer system 3 according to FIG. 4, in which different thicknesses d of the intermediate layers 5 and 5 have been assumed.
  • the multilayer system can be written as follows, the indices representing the respective layer thicknesses m nm:
  • FIG. 7 show the magnetoresistive effect ⁇ R / R (m%) m as a function of the field strength H (m kA / m) of an external signal field in the event that this signal field is perpendicular to the net magnetization m aa f of the artificial one
  • Antiferromagnet is directed.
  • the curve of the upper diagram results for a thickness d of a Cu intermediate layer 5 of 2.0 nm, while the curve of the lower diagram is obtained for a thickness d of 2.2 nm.
  • a signal of approximately 1.2% or 1.8% is obtained which is symmetrical to the zero position.
  • a higher signal swing of more than 3% is achieved if the signal line m in the form of the electrical conductor element 10 is arranged above the multilayer system 3 in such a way that the conductor current I m acts in the direction of the magnetization m aaf of the artificial antiferromagnet AAF.
  • Figure 8 shows m diagrams corresponding to Figure 7, the values to be obtained. Cu intermediate layer thicknesses of 2.0 nm were used as the basis and only a magnetic field in the positive direction was applied.
  • the signal values that correspond to the thickness d of the Cu intermediate layer 5 for an external signal field H parallel to the magnetization m aaf (upper diagram) and for a vertical profile (lower diagram) are shown in a corresponding representation in FIG ) result.
  • These diagrams also show that layer thicknesses d of at most 2.4 nm, advantageously less than this, should be selected for intermediate Cu layers if a medium-strength, ferromagnetic coupling is desired. However, if a (very weak) antiferromagnetic coupling is permitted, then layer thicknesses above 2.4 nm are also possible.
  • m of the at least one measuring layer 6 or 6 ⁇ the predetermined starting direction of the magnetization m me by magnetic (ferromagnetic or antiferromagnetic) coupling of the measuring layer to the magnetically harder bias layer part or artificial antiferromagnet AAF (with or without additional natural antiferromagnet NAF) is ensured by means of a suitable choice of the thickness d of the associated intermediate layer 5 or 5.
  • the additional field should expediently be directed at least approximately perpendicular to the magnetization m aaf of the artificial antiferromagnet AAF.
  • the usual symbol representation of the field direction is selected for such an additional field H z .
  • the additional field H 2 can also be directed antiparallel to the signal field.
  • the multilayer system can also have a periodically recurring layer sequence (cf. e.g. the aforementioned WO 94/15223 A).
  • the coupling device it can be advantageous if it is constructed with several of the sensor elements designed according to the invention, preferably lying in an at least largely common plane, for example in the form of a bridge arrangement.
  • This bridge arrangement can in particular be connected as a Wheatstone bridge. With this and with a suitable electrical sensor element supply, temperature influences of the basic resistance of the bridge and the magnetoresistive effect can then be eliminated, or at least drastically reduced. This is also useful for signal evaluation, since a so-called "offset *" is then no longer necessary.
  • the successive construction of a corresponding bridge arrangement in known thin-film technology is indicated below in FIGS. 10 to 13 as a possible exemplary embodiment:
  • the required connecting conductor tracks 13 for the sensor elements with the associated contacting or connection surfaces 14a to 14d are first applied to a substrate 7 (FIG. 10).
  • the multilayer systems of the four sensor elements SI to S4 of the bridge arrangement are then formed at least largely on a common plane (FIG. 11).
  • These stripe-shaped sensor elements, indicated by reinforced lines, are essentially U-shaped or meandering with two parallel long sides.
  • the structure obtained in this way is then rich of the contact surfaces 14a to 14d covered with an insulation, not shown.
  • An electrical conductor track m in the form of a flat coil 15 with contacting areas 16a and 16b is then applied to the surface of this insulation in order to generate a magnetic signal field by means of current flow (FIG. 12).
  • the conductor track of the flat coil runs orthogonally over the individual sensor elements.
  • a magnetic shielding according to FIG. 2 can then advantageously be provided.
  • magnetic shields 17a and 17b covering these pairs are applied to the insulation (not shown) in the area of the sensor element pairs S1-S4 and S2-S3 (FIG. 13).
  • suitable bridge arrangements can also be used as partial bridges, e.g. in the form of half bridges.
  • sensor elements with an opposite signal are required; In this case, this can be achieved, for example, by different magnetization or by a different current direction of the individual elements.
  • bridge systems in which only parts of the sensor elements are "active" and the other elements are not, e.g. in that only the at least one conductor element is only assigned to the “active” elements.
  • the sensor element can also be constructed as a corresponding tunnel element.
  • tunnel elements are known per se (cf., for example, “Phys. Rev. Lett. *, Vol.74, No.16, Apr 17, 1995, pages 3273 to 3276; WO 96/07208 A; US 5 416 353 A or WO 98/14793 A) and differ in structure from the GMR sensor elements on which the above exemplary embodiments are based their structure primarily through the non-metallic material of their intermediate layer (s) or tunnel barrier layer (s), such as made of AI2O3.
  • a barrier layer then lies between a soft magnetic layer and a magnetically harder layer package.
  • the coupling device according to the invention can advantageously be used as a current sensor.
  • the (signal) current carried in its at least one current conductor element then generates the primary magnetic signal field to be detected, which is transformed by the at least one assigned, specially designed magnetoresistive sensor element into a secondary electrical signal.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Signal Processing (AREA)
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  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

Die magnetische Koppeleinrichtung (12) enthält ein elektrisches, ein magnetisches Signalfeld (H) mittels Stromfluss (I) erzeugendes elektrisches Leiterelement (10) sowie galvanisch getrennt davon mindestens ein zugeordnetes magnetfeld-empfindliches Sensorelement (S). Das Sensorelement (S) soll ein einen erhöhten magnetoresistiven Effekt zeigendes Mehrschichtensystem (3) mit weichmagnetischer Messschicht (6, 6') enthalten, deren Magnetisierung (mme) bei fehlendem Signalfeld (H) in eine vorbestimmte Ausgangslage einnimmt. Vorzugsweise enthält das Mehrschichtensystem (3) noch einen magnetisch härteren, als künstlicher Antiferromagnet (AAF) ausgebildeten Biasschichtteil. Die Koppeleinrichtung kann als Stromsensor verwendet werden.

Description

Beschreibung
Magnetische Koppeleinrichtung und deren Verwendung
Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Koppeleinrichtung mit wenigstens einem ein magnetisches Signalfeld mittels Stromfluss erzeugenden elektrischen Leiterelement sowie mit mindestens einem dem Leiterelement zugeordneten, von diesem galvanisch getrennten Sensorelement. Eine entsprechen- de Koppeleinrichtung ist z.B. aus dem Buch von E. Schrüfer „Elektrische Messtechnik*, 6. Auflage, 1995, Hanser-Verlag München, Seiten 165 bis 168 zu entnehmen. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer solchen Koppeleinrichtung.
Auf vielen Gebieten der Technik wie z.B. der digitalen Informationsübertragung oder der Messtechnik wird eine potentialfreie Übertragung von elektrischen Signalen gefordert. Hierzu werden vielfach optoelektronische Koppeleinrichtungen vorgesehen. In deren Koppelelementen, sogenannten Optokopplern, wird auf einen Eingang ein elektrisches (primäres) Signal gegeben, das in ein optisches Strahlungssignal umgewandelt wird. Dieses Strahlungssignal wird durch ein isolierendes Medium hindurch auf ein Sensor- oder Detektorelement übertragen, wo es wieder in ein elektrisches (sekundäres) Signal rückverwandelt wird.
Eine digitale Informationsübertragung mittels Optokopplern ist begrenzt in der Übertragungsrate durch die beschränkte Bandbreite der optischen Elemente und in der Bauform durch die beschränkte Integrierbarkeit der optischen Elemente mit der Siliziumtechnologie. Ferner können die optischen Elemente nur in einem Temperaturbereich bis maximal etwa 85°C betrieben werden.
Neben einer solchen optoelektrischen Signalübertragung ist auch eine magnetische Übertragung unter Verwendung von Hall- Sonden bzw. -Generatoren bekannt. Mit solchen Sonden lassen sich nämlich alle die Signalgroßen erfassen, die Magnetfelder erzeugen oder beeinflussen. So ist z.B. der vorstehend genannten Literaturstelle eine entsprechende, potentialfreie Messung eines Stromes zu entnehmen. Hierzu wird dieser durch die Wicklung eines Elektromagneten geschickt. Dessen magnetische Induktion wird dann mittels einer Hall-Sonde bestimmt. Bei einem konstanten Steuerstrom durch die Hall-Sonde ist dann deren Hall-Spannung ein Maß für den zu messenden Strom.
Eine Strommessung ist also unter Verwendung von Hall-Sonden prinzipiell möglich; sie stoßt jedoch praktisch auf große Schwierigkeiten. Auch bei verhältnismäßig hohen Stromstarken ist nämlich das einen stromdurchflossenen Leiter umgebende Magnetfeld immer noch klein, so dass nur sehr niedrige Hall- Spannungen auftreten. Man sieht sich deshalb z.B. gezwungen, mit dem zu messenden Strom einen definierten Magnetkreis zu erregen, um so die wesentlich höhere magnetische Induktion im Luftspalt eines solchen Magnetkreises messen zu können. Abgesehen davon, dass entsprechende Messeinrichtungen verhaltnis- maßig voluminös sind, ist der diesbezügliche apparative Aufwand auch hoch.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die magnetische Koppeleinrichtung der eingangs genannten Art dahinge- hend auszugestalten, dass mit ihr auf verhältnismäßig einfache Weise eine Signalubertragung auf magnetischem Wege ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird erfmdungsgemaß dadurch gelost, dass das magnetfeldempfindliche Sensorelement ein einen erhöhten magnetoresistiven Effekt zeigendes Mehrschichtensystem um- fasst, das mindestens eine weichmagnetische Messschicht, mindestens eine weitere ferromagnetische Schicht sowie mindestens eine dazwischen angeordnete nicht-magnetische Zwischen- schicht enthalt, wobei die Magnetisierung der weichmagneti- schen Schicht bei fehlendem Signalfeld eine vorbestimmte, von der Vorzugsachse der Magnetisierung dieser Schicht abhangige Ausgangslage hat. Die Vorzugsachse der Magnetisierung ist dabei „sensormtrιnsιsch ; ihre Empragung kann sowohl durch einen besonderen Schichtaufbau z.B. durch Auswahl des Materials und/oder der Schichtdicke, aber auch durch eine bestimmte geometrische Form, z.B. durch ein bestimmtes Verhältnis von Lange zu Breite, und/oder durch eine durch ein äußeres Magnetfeld eingeprägte Anisotropie geschehen. Eine solche Anisotropie lasst sich entweder wahrend des Herstellungsprozesses oder nachtraglich durch einen Temperschritt m einem Mag- netfeld erzeugen.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass sich zur Ausbildung einer magnetischen Koppeleinrichtung der magnetoresistive Effekt, insbesondere der sogenannte „Giant Magneto Resistance* (GMR) -Effekt, von speziellen Dunnschich- tensystemen bezüglich eines auftreffenden Magnetfeldes ausnutzen lasst, um ein der das Magnetfeld hervorrufenden physikalischen Große wie z.B. einem Strom entsprechendes elektrisches Signal zu erzeugen. Diese Erzeugung ist mit dem erfm- dungsgemaß eingesetzten Mehrschichtensystem verhältnismäßig einfach und kostengünstig zu erreichen. Außerdem ist bei solchen Mehrschichtensystemen eine Temperaturabhangigkeit wie bei optischen Koppeleinrichtungen nicht zu befurchten; denn im Gegensatz zu den optischen Koppelelementen können kaufli- ehe GMR-Sensoren bis etwa 150°C betrieben werden.
Ein weiterer, mit der erfmdungsgemaßen Ausgestaltung der Koppeleinrichtung verbundener Vorteil ist darin zu sehen, dass der gesamte Aufbau mit Bauteilen der Siliziumtechnologie integrierbar und kombinierbar ist. Er ist somit klein und kostengünstig herstellbar. So kann er z.B. direkt mit weiterer Elektronik auf einem gemeinsamen Chip integriert werden.
Aus der WO 98/07165 geht zwar eine magnetische Koppelemrich- tung zur Stromdetektion hervor, die insbesondere vier Sensorelemente besitzt, mit denen ein magnetisches Signalfeld, das mittels Stro fluss' durch eine Flachspule erzeugt wird, zu detektieren ist. Die Leiterelemente der Flachspule verlaufen dabei orthogonal über die Sensorelemente und sind galvanisch gegenüber diesen getrennt. Die Sensorelemente sind jeweils als Mehrschichtensystem mit zwei ferromagnetischen Schichten aufgebaut, die durch eine elektrisch leitende, nicht- magnetische Zwischenschicht getrennt sind und magnetore- sistiv, anisotrop sind. Diese Mehrschichtensysteme können insbesondere einen GMR-Effekt zeigen. Einzelheiten des Auf- baus der zu verwendenden Mehrschichtsysteme und insbesondere Gesichtspunkte der Magnetisierungsverhaltnisse ihrer ferro- magnetischen Schichten sind jedoch nicht naher ausgeführt. Gerade diese Einzelheiten sind aber für eine eindeutige Signalgewinnung mit hoher Ubertragungsrate von besonderer Bedeutung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfmdungsgemaßen Koppelem- πchtung gehen aus den abhangigen Ansprüchen hervor.
So kann insbesondere ein Mehrschichtensystem mit einem gegen- über der weichmagnetischen Messschicht magnetisch härteren, von dieser durch eine nicht-magnetische Zwischenschicht beabstandeten Biasschichtteil vorgesehen sein. Entsprechende, bekannte Mehrschichtensysteme zeichnen sich durch einen hohen magnetoresistiven Effekt aus.
Vorteilhaft kann dabei der Biasschichtteil als ein sogenannter kunstlicher Antiferromagnet ausgebildet sein. Bei der Herstellung entsprechender Mehrschichtensysteme kann auf den Aufbau entsprechender Systeme und die diesbezüglichen Verfah- ren zu deren Herstellung zurückgegriffen werden.
Die Ausrichtung der Magnetisierung der mindestens einen weichmagnetischen Messschicht bei fehlendem Signalfeld m einer vorbestimmte Ausgangslage muss für die erfmdungsgemaße Koppeleinrichtung sichergestellt sein, damit nach jedem magnetischen Signalpuls die Messschicht m einen festen Ausgangszustand mit definiertem Signalpegel zurückkehrt. Hierzu kann vorteilhaft eine magnetische (ferromagnetische oder an- tiferro agnetische) Kopplung der Magnetisierung der Messschicht an die Magnetisierung eines magnetisch härteren Bias- schichtteils über eine nicht-magnetische Zwischenschicht mit einer vorbestimmten Dicke vorgesehen sein.
Daneben ist es vorteilhaft auch möglich, dass die Magnetisierung der weichmagnetischen Messschicht bei fehlendem Signalfeld durch ein gerichtetes magnetisches Zusatzfeld in die vorbestimmte Ausgangslage eingestellt ist. Eine entsprechende Ausrichtung der Magnetisierung der Messschicht lässt sich auch durch Einprägung einer uniaxialen Anisotropie z.B. durch eine besondere Formgebung der Schicht einstellen.
Besonders vorteilhaft kann das Mehrschichtensystem der erfindungsgemäßen Koppeleinrichtung als ein magnetoresistives Tunnelelement ausgebildet sein. Solche Tunnelelemente weisen zwischen ihren ferromagnetischen Schichten jeweils eine nicht-magnetische, einen Tunneleffekt ermöglichende Zwischen- schicht (sogenannte „Tunnelbarriere*) aus einem elektrisch isolierenden oder halbleitenden Material auf. Diese Elemente zeichnen sich nämlich vorteilhaft durch einen hohen Signalhub und besonders kleine Baugröße aus.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Koppeleinrichtung
Mittel zu ihrer magnetischen Abschirmung gegen externe magnetische Störfelder auf. Entsprechende Mittel können insbesondere an der dem Mehrschichtensystem abgewandten Seite des wenigstens einen Leiterelementes und gegebenenfalls galvanisch getrennt von diesem in Form einer weichmagnetischen Schicht angeordnet sein. Eine solche Schicht kann vorteilhaft auch die Funktion eines magnetischen Spiegels bezüglich des von dem mindestens einen Leiterelement hervorgerufenen magnetischen Feldsignals ausüben und kann somit zu einer entspre- chenden Signalverstärkung beitragen. Die erfmdungsgemaße Koppeleinrichtung kann vorteilhaft als ein Stromsensor verwendet werden. Ein durch deren elektrisches Leiterelement fließender Strom kann nämlich zur Erzeugung eines primären Signalfeldes erzeugt werden, das dann von dem mindestens einen magnetfeldempfindlichen Sensorelement detektiert und m ein sekundäres Signal umgewandelt wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Koppeleinrichtung nach der Erfindung gehen aus den übrigen Unteranspruchen her- vor.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, anhand derer Ausfuhrungsbeispiele von magnetischen Koppeleinrichtungen schematisch veranschaulicht sind. Dabei zeigen m der Zeichnung deren Figur 1 als Schnittbild den prinzipiellen Aufbau einer erfmdungsgemaßen Koppeleinrichtung mit einem magnetoresistiven Mehrschichtensystem, deren Figur 2 einen speziellen Aufbau nach Figur 1, deren Figur 3 eine Aufsicht auf den Aufbau nach Figur 1, deren Figur 4 als Schnittbild einen beispielhaften Aufbau einer Koppeleinrichtung mit einem magnetoresistiven, einen künstlichen Antiferromagneten aufweisenden Mehrschichtensystem, deren Figur 5 als Schnittbild einen weiteren Aufbau einer
Koppeleinrichtung, deren Mehrschichtensystem gegenüber dem Aufbau nach Figur 4 um einen natürlichen Antiferromagneten ergänzt ist, deren Figur 6 m einem Diagramm Kopplungsmoglichkeiten in ei- ne derartigen Mehrschichtensystem m Abhängigkeit von einer Entkopplungsschichtdicke, deren Figuren 7 und 8 m Diagrammen den magnetoresistiven Effekt eines Aufbaus nach Figur 1 m Abhängigkeit von verschiedenen Richtungen eines äußeren mag- netischen Signalfeldes, deren Figur 9 m einem Diagramm den magnetoresistiven Effekt für diesen Aufbau m Abhängigkeit von der Dicke einer Entkopplungsschicht des Mehrschichtensystems und deren Figuren 10 bis 13 den sukzessiven Aufbau einer speziel- len Koppeleinrichtung.
In den Figuren sind entsprechenden Teilen dieselben Bezugszeichen zugeordnet.
Der m Figur 1 im Schnitt angedeutete Aufbau einer allgemein mit 2 bezeichneten erfmdungsgemaßen Koppeleinrichtung um- fasst mindestens ein magnetfeldempfmdliches Sensorelement S auf einem Substrat 7. Dieses Sensorelement soll ein einen gegenüber magnetoresistiven Einschichtsensorelementen msbeson- dere aus NiFe erhöhten magnetoresistiven Effekt zeigendes
Mehrschichtensystem aufweisen. Das Mehrschichtensystem enthalt mindestens eine weichmagnetische Messschicht, deren Magnetisierung bei einem fehlenden Signalfeld H m eine vorbestimmte Ausgangslage einnimmt. Diese Ausgangslage ist m Ab- hangigkeit von der intrinsischen Vorzugsachse der Magnetisierung festgelegt. Das Sensorelement S ist von einer Isolationsschicht 11 abgedeckt. Oberhalb des Elementes und somit von diesem galvanisch getrennt verlauft wenigstens ein elektrisches Leiterelement 10. Mit diesem Leiterelement ist aufgrund eines entsprechenden Stromflusses I das (primäre) magnetische Signalfeld H zu erzeugen, das von dem Sensorelement S erfasst wird und somit m diesem ein entsprechendes (sekundäres) Signal hervorruft.
Figur 2 zeigt einen Schnitt durch eine entsprechende Ausfuhrungsform einer Koppeleinrichtung 2. Ein als Substrat 7 dienender Si-Wafer ist mit einer Isolationsschicht 20 aus Sι02 überzogen, die einen Sensor S tragt. Der Sensor ist von einer den Aufbau einebnenden Passivierungsschicht 21 aus A1203 ab- gedeckt. Auf dieser Passivierungsschicht befindet sich eine erste Isolationsschicht 11a aus einem Polymer, auf deren Oberseite ein als Strompfad dienendes Leiterelement 10 aus AI mit einer dünnen metallischen Unterlage 10a aus Ti angeordnet ist. Das Leiterelement ist von einer weiteren Isolationsschicht 11b aus dem Material der Isolationsschicht 11a abgedeckt. Der so eingeebnete Aufbau ist von einer weichmagneti- sehen Schicht 22 z.B. aus einer NiFe-Legierung wie Permalloy abgedeckt. Diese Schicht dient vorteilhaft zu einer magnetischen Schirmung gegen externe Storfelder und gleichzeitig als magnetischer Spiegel zur Erhöhung des von der Leiterbahn 10 hervorgerufenen Erregerfeldes. Sie braucht nicht unbedingt von dem Leiterelement galvanisch getrennt zu sein. Ferner kann es sinnvoll sein, die erfmdungsgemaße Koppeleinrichtung gegen störende externe Magnetfelder auch auf der Substratseite z.B. durch mindestens eine zusatzliche Perrαalloy-Schicht abzuschirmen. Diese zusätzliche Schirmschicht kann sich ms- besondere auf der Substratunterseite oder auch als weitere Lage oberhalb des Substrates befinden. Statt einer einzigen Schicht können selbstverständlich auch mehrere Lagen vorgesehen werden.
Das von dem Sensorelement S hervorgerufene (sekundäre) Signal ist m der aus Figur 3 hervorgehenden Aufsicht auf den Aufbau nach Figur 1 mit s2 bezeichnet, wahrend dem (primären) Signal des Leiterelementes 10 das Bezugszeichen sl zugeordnet ist. Das sekundäre Signal s2 wird aus dem an dem Mehrschichtensys- tem des Sensorelementes entnommenen, m einem Verstarker 8 nachverstarkten Signal gewonnen. Die Signalubertragung kann dabei mit hoher Datenübertragungsrate (> 100 MBd) erfolgen. In der Figur ist das von der Isolationsschicht 11 abgedeckte Mehrschichtensystem des Sensorelementes S zu dessen galvani- scher Trennung gegenüber dem Leiterelement 10 gestrichelt eingezeichnet .
Bei dem m Figur 4 im Schnitt angedeuteten Aufbau einer er- fmdungsgemaßen Koppeleinrichtung 12 ist für deren Sensorele- ment S als Ausfuhrungsbeispiel ein magnetoresistives Mehrschichtensystem zugrundegelegt, wie es für an sich bekannte GMR-Sensorelemente vorgesehen wird (vgl. z.B. EP 0 483 373 AI, DE 42 32 244 AI, DE 42 43 357 AI oder WO 94/15223 A) . Die Einrichtung 2 enthalt deshalb ein m bekannter Weise m Dünnfilmtechnik erstelltes Mehrschichtensystem 3, das einen erhöhten magnetoresitiven Effekt ΔR/R zeigt. Der magnetore- sistive Effekt des Mehrschichtensystems soll dabei gegenüber bekannten magnetoresistiven Einschichtsystemen großer (erhöht) sein (vgl. EP 0 490 608 A2 oder EP 0 346 817 Bl). Er ist deshalb im allgemeinen mindestens einige Prozent (bei Raumtemperatur) groß und betragt beispielsweise mindestens 3 %. Das zu verwendende Mehrschichtensystem kann vorzugsweise als sogenanntes Hart-Weich-System (mit magnetisch härteren und weicheren Schichtteilen oder Schichten) ausgebildet sein. Die Große ΔR des magnetoresistiven Effektes stellt dabei m bekannter Weise den Unterschied des elektrischen Widerstandes des Mehrschichtensystems zwischen paralleler und antiparalleler Ausrichtung der Magnetisierungen der weichmagnetischen Schicht (en) zu der/den hartmagnetischen Schicht (en) dar. Die Große R ist der elektrische Widerstand bei entsprechender paralleler Ausrichtung. Der magnetisch härtere Schichtteil die- ses Mehrschichtensystems kann insbesondere als ein sogenannter kunstlicher Antiferromagneten AAF (Artificial Antiferromagnet) ausgebildet sein (vgl. die genannte WO 94/15223 A) , der sich wie ein Permanentmagnet verhalt und auch als ein Biasschichtteil anzusehen ist. Der künstliche Antiferromagnet AAF ist ein GMR-Subsystem aus einer Schichtenfolge von magnetischen Schichten (z.B. aus Co oder einer Co-Legierung) und nicht-magnetischen Koppelschichten (z.B. aus Cu) . Er zeigt eine stark antiparallele Kopplung und ein kleines verbleibendes Nettomoment der Magnetisierung. Die Richtung dieses Net- tomoments wird im Produktionsprozess m eine bestimmte Richtung aufmagnetisiert (wie ein Permanentmagnet) , und diese Richtung dient als Bezugsrichtung des Mehrschichtensystems 3. Im vorliegenden Fall ist der kunstliche Antiferromagnet AAF symmetrisch ausgebildet, d.h., er weist eine mittlere Bias- schicht 4 und zwei von dieser durch nicht-magnetische Kopp- lungsschichten 4a bzw. 4a λ getrennte äußere Magnetschichten 4b bzw. 4b λ auf. Die Magnetisierungen der magnetischen Schichten 4 und 4b, 4b sind durch gepfeilte Linien mb bzw. π-m angedeutet, wobei die stärkere Magnetisierung mb der mittleren Blasschicht 4 durch eine größere Pfeillange veranschaulicht sein soll. Dem Nettomoment der Magnetisierung des ge- samten künstlichen Antiferromagneten AAF sei nachfolgend das Bezugszeichen maaf zugeordnet.
Durch eine nicht-magnetische Zwischenschicht 5 bzw. 5 der Dicke d z.B. aus Cu von dem künstlichen Antiferromagneten AAF getrennt liegt jeweils eine weichmagnetische Messschicht 6 bzw. 6 die beispielsweise aus Fe oder einer Fe-Legierung besteht. Die Fe-Messschichten können auch über eine dünne Co- Schicht an der jeweiligen Cu-Zwischenschicht anliegen. Zur Erhöhung des magnetoresistiven Effektes sind gemäß dem darge- stellten Ausfuhrungsbeispiel zwei weichmagnetische Messschichten 6 und 6 symmetrisch um den kunstlichen Antiferro- magneten AAF angeordnet.
Im vorliegenden Fall gibt es eine magnetische Kopplung zwi- sehen der jeweiligen Messsehieht und dem jeweils zugeordneten Biasschichtteil, so dass das Signal eine Feldabhangigkeit zeigt (vgl. die Figuren 6 und 7). Bei größeren Feldern (über etwa 5 kA/m) geht das Signal m die magnetische Sättigung u- ber. Die sich dabei ergebende Signalform ist zwar nicht be- sonders linear und gegebenenfalls mit einer Hysterese behaftet; sie ist also nicht besonders gut für eine quantitative, analoge Strommessung geeignet. Diese Tatsachen haben jedoch wie im vorliegenden Fall dann keine Bedeutung, wenn digitale Signale übertragen werden sollen und/oder nur Schwellwerte zu messen sind.
Wie ferner aus Figur 1 oder Figur 4 hervorgeht, wird das externe magnetische Signalfeld H (bzw. Magnetfeld) durch einen Strom I m einem elektrischen Leiterelement 10 erzeugt, der dem magnetoresistiven Mehrschichtensystem 3 zugeordnet ist und beispielsweise über zumindest eine der Messschichten 6 und/oder 6 Λ hinweg insbesondere zumindest annähernd orthogo- nal verlauft. Gegebenenfalls kann aber auch das Leiterelement 10 zumindest annähernd parallel zu dem im allgemeinen strei- fenformig ausgebildeten Mehrschichtensystem 3 verlaufen (vgl. z.B. Figur 3) . Die gegenseitige Ausrichtung von Leiterelement und Mehrschichtensystem hangt dabei von der intrinsischen
Vorzugslage ab. Darüber hinaus ist es aber auch möglich, die Leiterbahn nicht genau senkrecht oder parallel zu dem strei- fenformigen Mehrschichtensystem verlaufen zu lassen, sondern eine demgegenüber leichte Abweichung um einen Winkel von bis zu + 15° vorzusehen. Damit lasst sich bei der Ummagnetisie- rung eine Drehung der Magnetisierung an Stelle eines Zerfalls m Domänen bewirken. Ein derartiger Domanenzerfall kann sich namlich ungunstig auf die magnetische Stabilität des gesamten Mehrschichtensystems auswirken.
Das Leiterelement 10 ist über die Isolationsschicht 11 beabstandet auf der Messschicht 6 angebracht und somit galvanisch von dieser getrennt. Sem Signalfeld H wirkt m gleicher Weise auf das gesamte Sensorelement (bzw. das Mehr- Schichtensystem 3). Das Sensorelement ist dabei verhältnismäßig dünn (unter etwa 100 nm) im Vergleich zu der wesentlich dickeren Isolationsschicht 11 (mehrere 100 nm bis einige μ ) . Die entsprechenden Dickenverhaltnisse sind m den Figuren 1 und 4 nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. Durch das Signal- feld H werden dann die Magnetisierungen der magnetisch weicheren Messschichten ausgerichtet, wahrend die magnetisch härteren Schichten des Biasschichtteils unverändert bleiben. D.h., das Signalfeld H bestimmt dann die Richtung der durch einen gestrichelten Pfeil angedeuteten Magnetisierung mme m jeder Messschicht.
Die magnetische Kopplung zwischen der jeweiligen Messschicht und dem jeweils zugeordneten Biasschichtteil oszilliert zwischen den verschiedenen Kopplungsarten m an sich bekannter Weise m Abhängigkeit von der Dicke d der jeweiligen Zwischenschicht 5 bzw. 5 . Deshalb kann prinzipiell für die jeweilige Zwischenschicht eine Dicke d entsprechend der ge- wünschten Kopplungsart gewählt werden. Wird hingegen die Dicke d der Zwischenschichten 5 und 5X so groß gewählt, z.B. ber 2,3 nm bei Cu-Zwischenschichten 5 bzw. 5λ und Fe- oder Co-Messschichten 6 und 6 dass die Messschichten durch die Zwischenschichten von dem zugeordneten Biasschichtteil magnetisch entkoppelt sind, dann kann sich die Magnetisierung der jeweiligen Messschicht verhältnismäßig frei m einem externen Magnetfeld drehen. Dies bedeutet auch, dass die Magnetisierungen der Messschichten m der Position stehen bleiben, m der das externe Magnetfeld ausgeschaltet wird. Diese Eigenschaft ist für die Realisierung einer magnetischen Koppelem- πchtung unerwünscht. Deshalb ist bei dem erfmdungsgemaßen Mehrschichtensystem 3 sichergestellt, dass nach jedem von einem externen Magnetfeld erzeugten Signalpuls die Messschich- ten m einen festen Ausgangszustand mit definiertem Signalpe- gel zurückkehren, wobei ihre Magnetisierung mme dann eine vorbestimmte Ausgangslage hat bzw. m diese zurückkehrt.
Bei dem m Figur 4 dargestellten Ausfuhrungsbeispiel einer Koppeleinrichtung 12 wird dies dadurch erreicht, dass die weichmagnetischen Messschichten 6 und 6 durch Begrenzung der Dicke d der Zwischenschichten 5 bzw. 5λ an den künstlichen Antiferromagneten AAF oder einen anderen Biasschichtteil magnetisch angekoppelt werden. Vorteilhaft ist dabei, dass ge- genuber entsprechenden bekannten GMR-Positionssensoren die
Schicht- und Prozessabfolge nicht geändert werden muss, also die gleiche Fertigungstechnologie verwendet werden kann.
Für das für die vorstehend erläuterten Ausfuhrungsbeispiele zugrunde gelegte, m Dunnschicht-Technik zu erstellende Mehrschichtensystem mit erhöhtem magnetoresitiven Effekt ist die Verwendung eines Biasschichtteils m Form eines künstlichen Antiferromagneten als besonders vorteilhaft anzusehen. Es ist jedoch auch möglich, den Biasschichtteil nur durch eine em- zige, gegenüber der magnetisch weicheren Messschicht magnetisch härteren Schicht zu bilden. Ein geeigneter Biasschichtteil kann auch aus einem sogenannten „nat rlichen* Antiferro- magneten NAF wie z.B. aus einer NiO-, IrMn- oder FeMn-Schicht bestehen, an die eine Magnetschicht z.B. aus Co gekoppelt ist. Entsprechende Gestaltungsmerkmale sind von den sogenannten „Spin Valves* her bekannt. Selbstverständlich lassen sich auch Biasschichtteile aus einer Kombination von kunstlichem Antiferromagnet AAF und natürlichem Antiferromagnet NAF vorsehen. Ein entsprechendes Ausfuhrungsbeispiel ist m Figur 5 angedeutet. Beim Mehrschichtensystem dieser allgemein mit 24 bezeichneten Koppeleinrichtung wird von dem der m Figur 4 dargestellten Einrichtung ausgegangen. Das Mehrschichtensystem befindet sich auf einem Substrat 7 mit es abdeckender I- solationsschicht 20 z.B. gemäß Figur 2. Das Mehrschichtensystem der Koppeleinrichtung 24 enthalt die einfachste Form eines künstlichen Antiferromagneten AAF mit asymmetrischem Auf- bau, der zwei ferromagnetische Schichten 4 und 4b unterschiedlicher magnetischer Harte sowie eine dazwischenliegende nicht-magnetische Zwischenschicht 4a umfasst. Zusatzlich ist hier auf der der weichmagnetischen Messschicht 6 abgewandten Seite dieses künstlichen Antiferromagneten AAF noch eine ei- nen natürlichen Antiferromagneten NAF bildende Schicht 25 z.B. aus IrMn angebracht.
In Figur 5 ist zwar eine Magnetisierung des naturlichen Anti- ferromagneten NAF mit mnaf bezeichnet, obwohl ein naturlicher Antiferromagnet an sich keine makroskopische Magnetisierung aufweist. Vielmehr ist jede seiner Gitternetzebenen antiparallel zur nächsten (benachbarten) Gitternetzebene orientiert. Dies soll m der Figur durch die beiden gestrichelt eingezeichneten Pfeile angedeutet sein. Beim Aufbringen einer NAF-Schicht 25 muss man dementsprechend darauf achten, dass man das richtige kristalline Wachstum erzeugt, indem die oberste Ebene magnetisch an die erste Schicht des AAF-Systems ankoppelt. D.h., die Magnetisierung der an die NAF-Schicht 25 angrenzenden AAF-Schicht koppelt an die Magnetisierung der obersten Lage bzw. Gitternetzebene der NAF-Schicht an. Neben der vorstehend beschriebenen zusätzlichen Verwendung eines kunstlichen Antiferromagneten ist es stattdessen auch möglich, einen natürlichen Femmagneten wie z.B. in Form einer Fe3θ4-Schιcht vorzusehen.
Gemäß einer ersten möglichen Ausfuhrungsform für ein Mehr- schichtenssystem 3 einer erfmdungsgemaßen Koppeleinrichtung 12 oder 24 wird eine mittelstarke, parallele oder antiparallele Kopplung zwischen der mindestens einen Messsehieht und dem zugeordneten Biasschichtteil m Form eines künstlichen Antiferromagneten AAF oder einer Kombination eines solchen mit einem natürlichen Antiferromagneten NAF angestrebt. Die hierfür zu wahlende Schichtdicke d sei anhand eines konkreten Ausfuhrungsbeispieles für die Ausfuhrungs form nach Figur 4 erläutert, wobei auf das Diagramm der Figur 6 Bezug genommen wird. In diesem Diagramm ist m Ordmatenπchtung die magnetische Verschiebung Hb (m kA/m) der Hysteresiskurve der weichmagnetischen Schicht 6 bzw. 6λ relativ zur Magnetfeldstarke Null und m Abszissenrichtung die Dicke d (m nm) ei- ner Cu-Zwischenschicht 5 aufgetragen. Die Große Hb ist ein Maß für die Starke der Kopplung; ihr Vorzeichen gibt die Richtung der Kopplung an. Wie dem gezeigten Kurvenverlauf zu entnehmen ist, erzielt man eine maximale ferromagnetische Kopplung bei einer Schichtdicke zwischen 1,8 und 2,0 nm. Für die erfmdungsgemaße Koppeleinrichtung können folglich im
Fall von Cu-Zwischenschichten 5 bzw. 5λ vorteilhaft entsprechende Dicken d gewählt werden. Prinzipiell sind jedoch auch größere Dicken möglich, bei denen man dann eine schwache antiparallele Kopplung hat.
Bei den folgenden Diagrammen der Figuren 7 bis 9 ist ein Mehrschichtensystem 3 gemäß Figur 4 zugrundegelegt, bei dem verschiedene Dicken d der Zwischenschichten 5 und 5 angenommen wurden. Das Mehrschichtensystem lasst sich folgendermaßen schreiben, wobei die Indizes die jeweiligen Schichtdicken m nm wiedergeben:
(Fe6Co0,5) Cux[Cθι,2CuιCθ3,6CuιCθι,2]Cux (Co0,5Fe3) Cu4. Dabei stellen die Schichten m den runden Klammern die Messschichten 6 bzw. 6, die Schichten m der eckigen Klammer die Schichten 4b 4aλ, 4, 4a, 4b des kunstlichen Antiferromagneten AAF, die Schichten Cux die Zwischenschichten 5 bzw. 5 und die äußere Schicht Cu eine Schutzschicht dar.
Die Diagramme der Figur 7 zeigen den magnetoresistiven Effekt ΔR/R (m %) m Abhängigkeit von der Feldstarke H (m kA/m) eines externen Signalfeldes für den Fall, dass dieses Signal- feld senkrecht zur Nettomagnetisierung maaf des künstlichen
Antiferromagneten gerichtet ist. Der Kurvenverlauf des oberen Diagramms ergibt sich für eine Dicke d einer Cu-Zwischen- schicht 5 von 2,0 nm, wahrend der Kurvenverlauf des unteren Diagramms für eine Dicke d von 2,2 nm erhalten wird. Wie aus Figur 5 hervorgeht, erhalt man ein Signal von ca. 1,2 % bzw. 1,8 %, das symmetrisch zur Nullage ist.
Einen höheren Signalhub von über 3 % erreicht man, wenn die Signalleitung m Form des elektrischen Leiterelementes 10 so über dem Mehrschichtensystem 3 angeordnet wird, dass der Leiterstrom I m Richtung der Magnetisierung maaf des künstlichen Antiferromagneten AAF wirkt. Figur 8 zeigt m Diagrammen entsprechend Figur 7 die zu erhaltenden Werte. Hierbei wurden Cu-Zwischenschichtdicken von 2,0 nm zugrundegelegt und nur ein Magnetfeld m positiver Richtung angelegt.
Aus den Diagrammen der Figur 9 gehen m Figur 6 entsprechender Darstellung die Signalwerte hervor, die sich m Abhängigkeit der Dicke d der Cu-Zwischenschicht 5 für ein externes Signalfeld H parallel zur Magnetisierung maaf (oberes Diagramm) und für einen senkrechten Verlauf (unteres Diagramm) ergeben. Auch diese Diagramme zeigen, dass für Cu-Zwischen- schichten Schichtdicken d von höchstens 2,4 nm , vorteilhaft darunter, zu wählen sind, wenn man eine mittelstarke, ferro- magnetische Kopplung anstrebt. Lasst man jedoch eine (sehr schwache) antiferromagnetische Kopplung zu, dann sind auch Schichtdicken d ber 2,4 nm möglich. Bei den vorstehend erläuterten Ausfuhrungsbeispielen wurde davon ausgegangen, dass m der mindestens einen Messschicht 6 oder 6λ die vorbestimmte Ausgangsrichtung der Magnetisierung mme durch eine magnetische ( ferromagnetische oder antiferromagnetische) Kopplung der Messschicht an den magnetisch härteren Biasschichtteil bzw. künstlichen Antiferromagneten AAF (mit oder ohne zusatzlichem natürlichen Antiferromagneten NAF) mittels geeigneter Wahl der Dicke d der zugeordneten Zwischenschicht 5 bzw. 5 gewährleistet wird.
Selbstverständlich ist es gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform für ein Mehrschichtensystem auch möglich, dass ein gerichtetes magnetisches Zusatzfeld ( Hintergrundfeld) vorgese- hen wird, das die vorbestimmte Ausgangsrichtung der Mess- schichtmagnetisierung mme vor und nach Einwirkung des externen magnetischen Signalfeldes bewirkt. Zur Erzeugung einer entsprechenden Ruckstellkraft auf die Messschicht bei Abschaltung des externen Signalfeldes sollte das Zusatzfeld zweckmäßig zumindest annähernd senkrecht zur Magnetisierung maaf des k nstlichen Antiferromagneten AAF gerichtet sein. In Figur 4 ist für ein solches Zusatzfeld Hz die übliche Symboldarstellung der Feldrichtung gewählt. Abweichend von der Darstellung kann das Zusatzfeld H2 auch antiparallel zum Signal- feld gerichtet sein.
Neben den vorstehend geschilderten Maßnahmen zur Einstellung einer Ausgangslage der Magnetisierung mme der mindestens einen Messschicht 6 oder 6X ist es als weitere Ausfuhrungsform eines Mehrschichtensystems auch möglich, bei fehlendem Signalfeld H m eine bestehende Messschicht eine uniaxiale Anisotropie einzuprägen. Dies kann beispielsweise durch eine magnetfeidinduzierende Behandlung wahrend des Abscheidens des Messschichtmaterials oder durch ein Nachglühen m einem Mag- netfeld erfolgen. Als Messschichtmaterial kommt vorzugsweise eine Legierung wie z.B. Permalloy m Frage. Ferner kann ohne weiteres auch daran gedacht werden, die verschiedenen, vorstehend erwähnten Maßnahmen zur Einstellung und Ruckstellung einer Ausgangsrichtung der Messschichtmagne- tisierung miteinander zu kombinieren. So kann z.B. auch ein magnetisches Zusatzfeld auf eine Messschicht mit uniaxialer Anisotropie einwirken.
Darüber hinaus kann das Mehrschichtensystem auch eine periodisch wiederkehrende Schichtenfolge besitzen (vgl. z.B. die genannte WO 94/15223 A) .
Zu einer praktischen Ausfuhrung der erfmdungsgemaßen Koppel- emrichtung kann es vorteilhaft sein, wenn diese mit mehreren der erfmdungsgemäß gestalteten , vorzugsweise m einer zu- mindest weitgehend gemeinsamen Ebene liegenden Sensorelementen beispielsweise m Form einer Bruckenanordnung aufgebaut wird. Diese Bruckenanordnung kann insbesondere als eine Wheatstone-Brucke verschaltet sein. Hiermit sowie mit einer geeigneten elektrischen Sensorelementversorgung lassen sich dann Temperatureinflusse des Grundwiderstandes der Brücke und des magnetoresistiven Effektes eliminieren, zumindest aber drastisch reduzieren. Dies ist auch für eine Signalauswertung sinnvoll, da dann ein sogenannter „Offset* wegfallt. Der sukzessive Aufbau einer entsprechenden Bruckenanordnung m be- kannter Dünnfilmtechnik ist nachfolgend m den Figuren 10 bis 13 als ein mögliches Ausfuhrungsbeispiel angedeutet:
Auf einem Substrat 7 werden zunächst die erforderlichen Ver- bmdungsleiterbahnen 13ι für die Sensorelemente mit den dazu- gehörenden Kontaktierungs- oder Anschlussflachen 14a bis 14d aufgebracht (Figur 10) . Daran anschließend werden die Mehr- schichtsysteme der vier Sensorelemente SI bis S4 der Bruckenanordnung zumindest weitgehend m einer gemeinsamen Ebene ausgebildet (Figur 11) . Diese durch verstärkte Linien ange- deuteten, streifenformigen Sensorelemente sind im wesentlichen U- oder maanderformig mit zwei parallelen Längsseiten gestaltet. Der so gewonnene Aufbau wird dann bis auf die Be- reiche der Kontaktierungsflachen 14a bis 14d mit einer nicht dargestellten Isolation abgedeckt. Auf die Oberflache dieser Isolation wird nun eine elektrische Leiterbahn m Form einer Flachspule 15 mit Kontaktierungsflachen 16a und 16b zur Er- zeugung eines magnetischen Signalfeldes mittels Stromflusses aufgebracht (Figur 12) . Die Leiterbahn der Flachspule verlaufen dabei orthogonal über die einzelnen Sensorelemente. Nach einer Isolation des so erhaltenen Aufbaus kann vorteilhaft anschließend noch eine magnetische Schirmung gemäß Figur 2 vorgesehen werden. Hierzu werden z.B. auf die nicht dargestellte Isolation im Bereich der Sensorelementpaare S1-S4 und S2-S3 diese Paare abdeckende magnetische Schirmungen 17a bzw. 17b aufgebracht (Figur 13) .
Neben der für das vorstehende Ausfuhrungsbeispiel nach den Figuren 10 bis 13 angenommenen Bruckenordnung m Form einer Vollbrucke können geeignete Bruckenanordnungen auch als Teil- brucken hiervon, z.B. m Form von Halbbrücken aufgebaut werden. Zum Aufbau von Wheatstone-Brucken werden Sensorelemente benotigt mit entgegengesetztem Signal; dies lasst sich m diesem Fall beispielsweise durch eine unterschiedliche Magnetisierung oder durch eine unterschiedliche Stromrichtung der einzelnen Elemente erreichen. Es ist auch möglich, Brucken- systeme aufzubauen, bei denen nur Teile der Sensorelemente „aktiv* wirken und die anderen Elemente nicht, z.B. indem nur das mindestens eine Stromleiterelement lediglich den „aktiven* Elementen zugeordnet wird.
Neben der Ausbildung des magnetoresistiven Mehrschichtensys- tems m der erfmdungsgemaßen Koppeleinrichtung als GMR-
Sensorelement kann dieses besonders vorteilhaft auch als ein entsprechendes Tunnelelement aufgebaut sein. Solche Tunnelelemente sind an sich bekannt (vgl. z.B. „Phys. Rev. Lett.*, Vol.74, No.16, 17. Apr. 1995, Seiten 3273 bis 3276; WO 96/07208 A; US 5 416 353 A oder WO 98/14793 A) und unterscheiden sich im Aufbau von den den vorstehenden Ausfuhrungs- beispielen zugrunde gelegten GMR-Sensorelementen hinsichtlich ihres Aufbaus in erster Linie durch das nicht-metallische Material ihrer Zwischenschicht (en) bzw. Tunnelbarrierenschicht (en) wie z.B. aus AI2O3. Eine solche Barrierenschicht liegt dann zwischen einer weichmagnetischen Schicht und einem magnetisch härteren Schichtenpaket.
Die erfindungsgemäße Koppeleinrichtung kann vorteilhaft als Stromsensor verwendet werden. Der in ihrem mindestens einen Stromleiterelement geführte (Signal-) Strom erzeugt dann das zu detektierende primäre, magnetische Signalfeld, welches von dem mindestens einen zugeordneten, besonders gestalteten magnetoresistiven Sensorelement in ein sekundäres, elektrisches Signal transformiert wird.

Claims

Patentansprüche
1. Magnetische Koppeleinrichtung (2, 12, 24) mit wenigstens einem ein magnetisches Signalfeld (H) mittels Stromfluss' er- zeugenden elektrischen Leiterelement (10) sowie mit mindestens einem dem Leiterelement zugeordneten, von diesem galvanisch getrennten, magnetfeldempfmdlichen Sensorelement (S), welches ein einen erhöhten magnetoresistiven Effekt zeigendes Mehrschichtensystem (3) umfasst, das mindestens eine weich- magnetische Messschicht (6, 6 ) mindestens eine weitere ferromagnetische Schicht sowie mindestens eine dazwischen angeordnete nicht-magnetische Zwischenschicht enthalt, wobei die Magnetisierung (mme) der weichmagnetischen Messschicht bei fehlendem Signalfeld (H) eine von der Vorzugsachse der Magne- tisierung dieser Schicht abhängende vorbestimmte Ausgangslage hat.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t durch ein Mehrschichtensystem (3) mit einem gegenüber der mindestens einen weichmagnetischen Messschicht (6, 6λ) magnetisch härteren, von dieser durch die nicht-magnetische Zwischenschicht beabstandeten Biasschichtteil.
3. Einrichtung 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 der Biasschichtteil als ein mehrschichtiger künstlicher Antiferromagnet (AAF) und/oder ein natürlicher Antiferromagnet (NAF) oder Ferπmagnet mit gekoppelter Magnetschicht (25) ausgebildet ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, g e k e n n z e i c h n e t durch eine magnetische Kopplung der mindestens einen Messschicht (6, 6λ) an die Magnetisierung des Bi- asschichtteils .
5. Einrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , dass die Kopplung durch eine vorbestimmte Dicke (d) der nicht-magnetischen Zwischenschicht (5, 5λ) eingestellt ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, g e k e n n z e i c h n e t durch mindestens eine Zwischenschicht (5, 5Λ) aus Cu mit einer Dicke (d) von höchstens 2,4 nm .
7. Einrichtung 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 vorbestimmte Ausgangslage der Magnetisierung (mme) der mindes¬ tens einen Messschicht (6, 6λ) bei fehlendem Signalfeld (H) durch ein gerichtetes magnetisches Zusatzfeld (Hz) eingestellt ist.
8. Einrichtung 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 vorbestimmte Ausgangslage der Magnetisierung (mme) der mindestens einen Messschicht (6, 6Λ) durch Empragung einer uniaxi- alen Anisotropie m der Messschicht eingestellt ist.
9. Einrichtung 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 vorbestimmte Ausgangslage der Magnetisierung (mme) der mmdes- tens einen Messschicht (6, 6λ) durch deren geometrische Form eingestellt ist.
10. Einrichtung 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 Mehrschichtensystem als ein magnetoresistives Tunnelelement ausgebildet ist.
11. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch mehrere zu einer Voll- oder Teilbrucke angeordnete Sensorelemente.
12. Einrichtung nach Anspruch 11, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Anordnung der Sensorelemente zumindest weitgehend einer gemeinsamen Ebene.
13. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch Mittel zu deren magnetischer Abschirmung gegen externe magnetische Storfeider.
14. Einrichtung nach Anspruch 13, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , dass mindestens eine weichmagnetische Schicht (22) als Abschirmungsmittel an der dem Mehrschichtensystem (3) abgewandten Seite des wenigstens einen Leiterelementes (10) angeordnet ist.
15. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Integration mit Bauteilen der Siliziumtechnologie .
16. Verwendung der Koppelemrichtung nach einem der vorange- henden Ansprüche als ein Stromsensor.
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