WO2007147760A2 - Omr-sensor und anordnung aus solchen sensoren - Google Patents

Omr-sensor und anordnung aus solchen sensoren Download PDF

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WO2007147760A2
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    • H01F10/005—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure organic or organo-metallic films, e.g. monomolecular films obtained by Langmuir-Blodgett technique, graphene

Definitions

  • the invention relates to an OMR sensor according to the
  • the preamble of claim 1 also relates to an arrangement of a plurality of such sensors.
  • Magnetic (MR) sensors are constructed in contemporary technology from layer systems with metallic and non-metallic layers.
  • the publication 'Journal of Physics 6 (2004) 185' proposes a layer system which consists of polymers, as is also known analogously for OLED applications. Such a layer system changes its electrical resistance as a function of the applied magnetic field.
  • Respective sensors are referred to as OMR (Organic Magneto Resonance) sensors.
  • the latter means in practice that the sensitivity of the latter magnetic sensors is comparatively low for small magnetic fields (i.e., near the zero field).
  • US Pat. No. 6,703,132 B1 discloses a magnetoresistive sensor element and a method for producing such an element, in which the element consists of at least one plastic layer and thus an OMR sensor is formed.
  • US 2002/0154455 A1 describes an arrangement which contains a GMR (Giant Magneto Resistance) sensor, which is composed essentially of metallic layers. Among other things, the hysteresis behavior of such a sensor is described here.
  • the invention on or under the poly ⁇ cell layer of the OMR sensor to apply an additional magnetic layer system.
  • This layer system which generates a so-called bias field, due to its stray field causes a magnetic bias of the characteristic curve of the polymer magnetic sensor effect. It can thus be achieved that the sensor signal is linearized and that thus the sensor is designed for maximum sensitivity.
  • the additional magnetic layer system ⁇ be segmented.
  • the magnetic layers are magnetically biased by additional layers. This can be achieved by natural antiferromagnets coupled to the magnetic layers by direct exchange coupling.
  • the magnetic bias can show in different areas in different directions. This can be achieved for example by deposition in the magnetic field or by subsequent local magnetization. It is also possible to print on magnetic layers.
  • the sensors according to the invention can be produced easily. You can be flexible and te ⁇ so that new fürsgebie open.
  • the printed layers may represent structures of permanently magnetic particles which are applied by known printing technologies and subsequently magnetized in a correspondingly favorable manner. These magnetic structures can equally form electrodes for the sensor structures.
  • FIG. 1 shows a diagram with the dependence of the electrical resistance R on the applied magnetic field H in a magnetic field sensor constructed from organic materials (so-called OMR sensor),
  • FIG. 2 shows a schematically illustrated OMR sensor on the FIG
  • Figure 3 shows schematically an OMR sensor bridge having thereon befind ⁇ union bias layers and different magnetization
  • FIG. 4 shows an OMR sensor bridge according to FIG. 3 with further bias layers.
  • the ordinate represents the electrical resistance R of a known magnetic sensor (OMR sensor) and the applied field H is plotted on the abscissa.
  • R f (H)
  • a bell curve is produced, the graph of which is denoted by 11.
  • the value of the electrical resistance R is maximal, wherein in the region of the maximum the slope of the curve is zero, ie the sensitivity dR / dH is also zero.
  • the sensitivity is very low for very large fields with absolutely low values of electrical resistance.
  • the graph 11 thus defines a characteristic curve for the measuring sensitivity of the magnetic sensor. In the point of maximum slope of the characteristic curve 11 is demzu ⁇ a result, the measurement sensitivity of the magnetic sensor maximum.
  • the new magnetic sensor is a total of 20 be ⁇ draws.
  • the structure of the magnetic sensor 20 includes an OMR sensor 21 having a polymer layer structure described in detail above in detail, in which the layer system is not shown in detail in FIG. 2 (and the other figures).
  • FIG. 2 shows a zuslegili ⁇ ches magnetic layer system 22 is applied to the polymer layer structure 21, which causes the time necessary for linearization of the characteristic curve 11 bias magnetization tion.
  • the layer system 22 is segmented, wherein in the figure 2, the partial layers 22 ', 22''and22''' can be seen. The directions of the individual bias magnetizations are shown with individual arrows.
  • the segmented magnet system 22 can be produced, for example, by photolithography or else by mechanical deformation . It is essential that the partial layers of the individual segments 22 ', 22'',22''' are defined exactly geometrically. Since the sub-layers of magneti ⁇ schem and in particular conductive material, individual sub-layers may be used as electrodes for the magnetic sensor.
  • the bias magnetic layer 22 By forming the bias magnetic layer 22 according to FIG 2 with Seg ⁇ elements 22 ', 22'',22''' of significantly increased compared to a continuous magnetic layer, the stray field. By the size (length) of the segments 22 ', 22''and22''' can set the effective stray field.
  • OMR sensors with such magnetized segments can be interconnected individually or in combination with Wheatson's bridges.
  • an OMR sensor bridge 30 consists of four individual OMR sensors 31, 33, 35, 37, each with a different direction of the magnetic field.
  • Individual bias layers 32, 34, 36 and 38 are applied to the individual magnetic sensors 31, 33, 35 and 37, which in turn can be segmented as in FIG. 2.
  • the magnetic bias layers 32, 34, 36, 38 may be magnetically biased by further layers 42, 44, 46, 48 to achieve the same purpose.
  • natural antiferromagnets are suitable for this purpose.
  • the direct exchange coupling between superimposed layers can be exploited.
  • the bias in different areas of the layers can also be produced for example in the magnetic field by a deposition of magneti ⁇ rule parts.
  • FIGS. 2 to 4 Further possibilities for realizing the structure of the novel magnetic field sensor shown in FIGS. 2 to 4 are to print magnetic layers.
  • this permanent magnetic particles for example of barium ferrite (Ba-6Fe2 ⁇ 3) are used. These materials are suitable for use by printing technology for application to the Polymer layer, wherein the materials are applied over a large area or segmented as described above and can be magnetized nachträg ⁇ Lich.

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Abstract

Aus Schichtsystemen mit wenigstens einer Polymerschicht gebildete Magnetsensoren sind bekannt. Bei einem solchen Schichtsystem ändert sich der elektrische Widerstand in Abhängigkeit vom Magnetfeld. Dabei sind im Allgemeinen nicht lineare Kennlinien vorhanden, die glockenförmig verlaufen können. Gemäß der Erfindung ist auf oder unter der wenigstens einen Polymerschicht ein zusätzliches magnetisches Schichtsystem angeordnet, das aufgrund seines Streufeldes eine magnetische Vorspannung der Kennlinie des Polymer-Magnetsensors bewirkt. Mit einer Anordnung aus mehreren derartigen Magnetsensoren kann eine Brückenschaltung zum Einsatz für eine praktische Messung gebildet werden.

Description

Beschreibung
OMR-Sensor und Anordnung aus solchen Sensoren
Die Erfindung bezieht sich auf einen OMR-Sensor gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruches 1. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf eine Anordnung aus mehreren derartigen Sensoren .
Magnet (MR) -Sensoren sind in zeitgemäßer Technologie aus Schichtsystemen mit metallischen und nichtmetallischen Schichten aufgebaut. In der Veröffentlichung 'Journal of Phy- sics 6 (2004) 185' wird ein Schichtsystem vorgeschlagen, das aus Polymeren - wie es analog auch für OLED-Anwendungen be- kannt ist - besteht. Ein solches Schichtsystem ändert seinen elektrischen Widerstand in Abhängigkeit vom angelegten Magnetfeld. Diesbezügliche Sensoren werden als OMR- (Organic Magneto Resonance) -Sensoren bezeichnet.
In verschiedenen Veröffentlichungen wird über Widerstandsänderungen von mehr als 10 % berichtet, womit man in den Be¬ reich von so genannten GMR-Spin-Valves kommt bzw. diesen sogar noch überschreitet. Weiterhin ist ein ähnlicher Signalverlauf bekannt (Baibich et al . in 'Physical Review Letters 61 (1988), 2472'), wie er auch von GMR-Multilayer-Schicht- systemen bekannt ist. Ein solcher Signalverlauf verläuft ins¬ besondere glockenförmig, worauf weiter unten noch im Einzelnen eingegangen wird.
Letzteres bedeutet für die Praxis, dass die Empfindlichkeit letzterer Magnetsensoren bei kleinen magnetischen Feldern (d.h. nahe dem Null-Feld) vergleichsweise gering ist.
Aus der US 6 703 132 Bl ist ein magnetoresistives Sensorele- ment und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Elementes bekannt, bei dem das Element aus wenigstens einer Kunst¬ stoffschicht besteht und somit ein OMR-Sensor gebildet wird. In der US 2002/0154455 Al wird dagegen eine Anordnung be- schrieben, welche einen GMR(Giant Magneto Resistance) -Sensor enthält, der im Wesentlichen aus metallischen Schichten aufgebaut ist. Hier wird unter anderem das Hystereseverhalten eines solchen Sensors beschrieben.
Ausgehend von letzterem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen OMR-Sensor oben genannter Art zu schaffen, der eine maximale Messempfindlichkeit aufweist.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch einen OMR-Sensor gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Eine Anordnung aus mehreren derartigen Sensoren ist Gegenstand des Patentanspruches 10. Weiter¬ bildungen des erfindungsgemäßen OMR-Sensors bzw. der zugehörigen Anordnung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, auf oder unter die Poly¬ merschicht des OMR-Sensors ein zusätzliches magnetisches Schichtsystem aufzubringen. Dieses Schichtsystem, das ein so genanntes Biasfeld erzeugt, bewirkt aufgrund seines Streufel- des eine magnetische Vorspannung der Kennlinie des Polymer- Magnetsensoreffektes. Es kann somit erreicht werden, dass das Sensor-Signal linearisiert wird und dass damit der Sensor auf eine maximale Empfindlichkeit ausgelegt wird.
Vorteilhafterweise kann das zusätzliche magnetische Schicht¬ system segmentiert sein. Daneben ist es möglich, dass die magnetischen Schichten durch zusätzliche Schichten magnetisch vorgespannt sind. Dies kann durch natürliche Antiferromagne- ten erreicht werden, die durch direkte Austauschkopplung an die magnetischen Schichten angekoppelt sind.
Im Rahmen der Erfindung kann die magnetische Vorspannung in unterschiedlichen Bereichen in unterschiedliche Richtung zeigen. Dies ist beispielsweise durch Abscheidung im Magnetfeld oder durch nachträgliche lokale Aufmagnetisierung realisierbar. Möglich ist auch ein Aufdrucken von Magnetschichten. Die erfindungsgemäßen Sensoren lassen sich einfach herstellen. Sie können flexibel sein und damit neue Anwendungsgebie¬ te erschließen. Dabei können insbesondere die gedruckten Schichten Strukturen aus dauermagnetischen Partikeln darstel- len, die durch bekannte Drucktechnologien aufgebracht werden und anschließend in entsprechend günstiger Weise aufmagneti- siert werden. Diese magnetischen Strukturen können gleichermaßen Elektroden für die Sensorstrukturen bilden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen
Figur 1 ein Diagramm mit der Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes R vom angelegten Magnetfeld H bei einem aus organischen Materialien aufgebauten Magnetfeldsensor (sog. OMR-Sensor) , Figur 2 einen schematisch dargestellten OMR-Sensor auf der
Basis von Polymerschichten mit einer darauf liegenden Bias-Schicht,
Figur 3 schematisch eine OMR-Sensorbrücke mit darauf befind¬ lichen Bias-Schichten und unterschiedlicher Magnetisierung und
Figur 4 eine OMR-Sensorbrücke gemäß Figur 3 mit weiteren Bi- as-Schichten .
Im Diagramm der Figur 1 ist auf der Ordinate der elektrische Widerstand R eines bekannten Magnetsensors (OMR-Sensor) und ist auf der Abszisse das angelegte Feld H aufgetragen. Es er- gibt sich in bekannter Weise als funktionale Abhängigkeit R = f (H) eine Glockenkurve, deren Graph mit 11 bezeichnet ist. Bei einem Feld H=O ist der Wert des elektrischen Widerstandes R maximal, wobei im Bereich des Maximums die Steigung der Kurve Null ist d.h. die Empfindlichkeit dR/dH ist eben- falls Null. Ähnlich gering ist die Empfindlichkeit bei sehr großen Feldern bei absolut geringen Werten des elektrischen Widerstandes. Der Graph 11 definiert somit eine Kennlinie für die Messempfindlichkeit des Magnetsensors. Im Punkt der maximalen Steigung der Kennlinie 11 ist demzu¬ folge die Messempfindlichkeit des Magnetsensors maximal. Durch Anlegen eines Bias-Feldes mit Wert HBias bei an diesem Punkt zugehörigem Magnetfeldbereich lässt sich die Kennlinie 11 linearisieren .
In Figur 2 ist der neue Magnetsensor insgesamt mit 20 be¬ zeichnet. Der Aufbau des Magnetsensors 20 beinhaltet einen an anderer Stelle im Einzelnen vorbeschriebenen OMR-Sensor 21 mit einem Polymerschichtaufbau, wobei in Figur 2 (und den weiteren Figuren) das Schichtsystem nicht im Einzelnen dargestellt ist. Hierzu wird insbesondere auf eine nicht vorveröf¬ fentlichte ältere deutsche Patentanmeldung der Anmelderin (AZ 10 2006 019 482.9 mit der Bezeichnung 'Anordnung mit magnetoresistivem Effekt sowie Verwendung davon') verwiesen.
In Figur 2 ist auf dem Polymerschichtaufbau 21 ein zusätzli¬ ches magnetisches Schichtsystem 22 aufgebracht, das die zur Linearisierung der Kennlinie 11 notwendige Bias-Magnetisie- rung bewirkt. Das Schichtsystem 22 ist segmentiert, wobei in der Figur 2 die Teilschichten 22', 22'' und 22''' erkennbar sind. Dargestellt sind jeweils mit einzelnen Pfeilen die Richtungen der einzelnen Bias-Magnetisierungen .
Das segmentierte Magnetsystem 22 lässt sich beispielsweise durch Photolithographie oder aber auch durch mechanische De¬ formation erzeugen. Wesentlich ist dabei, dass die Teilschichten der einzelnen Segmente 22', 22'', 22''' genau geo- metrisch definiert sind. Da die Teilschichten aus magneti¬ schem und insbesondere leitfähigem Material bestehen, können einzelne Teilschichten als Elektroden für den Magnetsensor verwendet werden.
Bildet man die Bias-Magnetschicht 22 gemäß Figur 2 mit Seg¬ menten 22', 22'', 22''' aus, erhöht sich gegenüber einer zusammenhängenden Magnetschicht deutlich das Streufeld. Durch die Größe (Länge) der Segmente 22', 22'' und 22''' lässt sich das wirksame Streufeld vorgeben.
OMR-Sensoren mit derartig magnetisierten Segmenten lassen sich einzeln oder in Kombination zu Wheatson' sehen Brücken verschalten. In Figur 3 besteht eine solche OMR-Sensorbrücke 30 aus vier einzelnen OMR-Sensoren 31, 33, 35, 37 mit jeweils unterschiedlicher Richtung des Magnetfeldes. Auf den einzelnen Magnetsensoren 31, 33, 35 und 37 sind jeweils einzelne Bias-Schichten 32, 34, 36 und 38 aufgebracht, die wiederum wie in Fig. 2 segmentiert sein können.
Wesentlich ist für die OMR-Sensorbrücke gemäß Figur 3, dass die Magnetisierungsrichtungen des Polymerschichtaufbaus und der darauf befindlichen weiteren Schichtsysteme jeweils un¬ terschiedlich sind. Es ergeben sich somit die vier in Figur 3 dargestellten Konstellationen.
Statt der oben bereits erwähnten lokalen Vormagnetisierung durch hartmagnetische Materialien können die magnetischen Bias-Schichten 32, 34, 36, 38 zur Erzielung des gleichen Zweckes durch weitere Schichten 42, 44, 46, 48 magnetisch vorgespannt sein. Dafür eignen sich beispielsweise natürliche An- tiferromagneten . In diesem Fall kann die direkte Austausch- kopplung zwischen aufeinander liegenden Schichten ausgenutzt werden. Eine solche Ausbildung einer weiter verbesserten OMR- Brücke 40 ist in Figur 4 dargestellt.
Die Vorspannung in unterschiedlichen Bereichen der Schichten kann auch beispielsweise durch eine Abscheidung von magneti¬ schen Teilen im Magnetfeld erzeugt werden.
Weitere Möglichkeiten für die Realisierung des in den Figuren 2 bis 4 dargestellten Aufbaus des neuen Magnetfeldsensors be- stehen darin, magnetische Schichten zu drucken. Hierfür werden dauermagnetische Partikel, beispielsweise aus Barium- Ferrit (Ba-6Fe2θ3) verwendet. Diese Materialien eignen sich zur Anwendung durch Drucktechnik zwecks Aufbringung auf die Polymerschicht, wobei die Materialien wie oben beschrieben großflächig oder segmentiert aufgebracht werden und nachträg¬ lich aufmagnetisiert werden können.
Insgesamt ergibt sich nunmehr ein beachtlicher technischer
Fortschritt dadurch, dass die vorstehend anhand der einzelnen Beispiele beschriebenen Sensoren mit verbesserter Empfindlichkeit gleichermaßen einfach und damit kostengünstig her¬ stellbar sind. Die somit geschaffenen Magnetsensoren sind biegsam und können durch ihre Flexibilität neue Anwendungsge¬ biete erschließen.

Claims

Patentansprüche
1. OMR-Sensor, umfassend ein Schichtsystem mit wenigstens einer Polymerschicht, wobei das Schichtsystem seinen Widerstand in Abhängigkeit vom angelegten Magnetfeld ändert und wobei die Änderung des Widerstandes über dem Magnetfeld entspre¬ chend einer nichtlinearen Kennlinie, insbesondere glockenförmig, verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass auf oder unter der wenigstens einen Polymerschicht (21; 31, 33, 35, 37) ein zusätzliches magnetisches Schichtsystem (22; 22', 22'',
22'"; 32, 34, 36, 38; 42, 44, 46, 48) angeordnet ist, das eine magnetische Vorspannung (HBias) der Kennlinie (11) be¬ wirkt .
2. OMR-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche magnetische Schichtsystem (22; 22', 22'', 22''') segmentiert ist.
3. OMR-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Schichtsystem aus wenigstens einer ersten magnetischen Schicht (21; 31, 33, 35, 37) besteht und dass wenigstens eine weitere Schicht (22; 22', 22'', 22'''; 32, 34, 36, 38), welche das Schichtsystem mit der ersten Schicht (21; 31, 33, 35, 37) magnetisch vorspannt, vorhanden ist.
4. OMR-Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Schicht (22; 22', 22", 22'"; 32, 34, 36, 38) aus hartmagnetischem Material besteht.
5. OMR-Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Schichten (32, 34, 36, 38; 42, 44, 46, 48) natürliche Antiferromagneten sind.
6. OMR-Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Vorspannung durch Abscheidung im Magnetfeld erzeugt sind.
7. OMR-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen magnetischen Schichten (22; 22', 22", 22'"; 32, 34, 36, 38; 42, 44, 46, 48) drucktechnisch aufgebracht werden und dauermagnetischen Partikel enthalten.
8. OMR-Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dauermagnetischen Partikel aus hartmagnetischem Ferrit bestehen .
9. OMR-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen magnetischen Schichtsysteme (22; 22', 22", 22'"; 32, 34, 36, 38; 42, 44, 46, 48) gleichermaßen Elektroden für die Sensorstrukturen bilden.
10. Anordnung von OMR-Sensoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren mit zu¬ sätzlichem Schichtsystem (31, 32; 33, 34; 35, 36; 37, 38; 42, 44, 46, 48) untereinander elektrisch verbunden sind, wobei die magnetische Vorspannungen der Sensoren mit Schichtsystems (31, 32; 33, 34; 35, 36; 37, 38; 42, 44, 46, 48) in mindes¬ tens zwei der verschalteten Sensoren (31, 32; 33, 34; 35, 36; 37, 38; 42, 44, 46, 48) in unterschiedliche Richtung zeigen.
11 . Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (31, 32; 33, 34; 35, 36; 37, 38; 42, 44, 46, 48) untereinander elektrisch nach Art einer Brückenschaltung verbunden sind.
12. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Schichtsysteme (32, 34, 36, 38; 42, 44, 46, 48) der die Brückenschaltung bildenden Sensoren natürliche Anti- ferromagneten bilden.
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