WO2010149415A1 - Magnetfeldsensor mit gekreuzten magnetisierungen in referenz- und messschicht - Google Patents

Magnetfeldsensor mit gekreuzten magnetisierungen in referenz- und messschicht Download PDF

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WO2010149415A1
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magnetization
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field sensor
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PCT/EP2010/055603
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Manfred Rührig
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the reference layer is formed by a single magnetic layer which is coupled to a natural antiferromagnet by direct exchange coupling, a phenomenon known as "exchange bias" since the 1960's already proposed in inductive read heads for the stabilization of the domain structure (suppression of domains).
  • the magnetization of the measurement layer in the ground state ie in the magnetization state favored energetically without an external measurement field, can be oriented preferably perpendicular to the reference magnetization, for example by selective adjustment and alignment of a uniaxial anisotropy of the measurement layer.
  • This concept has evolved to complement the exchange bias reference layer with a system of multiple magnetic layers with high intrinsic stiffness.
  • This advanced reference layer system is expressed by the term artificial antiferromagnet ("AAF")
  • AAF artificial antiferromagnet
  • the stiffness of the AAF is achieved by adding another magnetic layer to the reference layer, eg via an indirect exchange coupling via an intermediate layer
  • This layer system forms a stable unit with a reduced net momentum over a wide range of fields.
  • the stability is achieved by the reduced net torque and the significantly reduced torque, which makes it possible to determine the degree of compensation and the Magnetizations of the reference layer system to set the stray field interaction with the measuring layer targeted, which is not readily possible with a single layer the degree of compensation of the stability of the reference layer system such that can be dispensed with the unidirectional anisotropy of an exchange bias system and instead the gain on intrinsic anisotropy of the individual layers can be exploited to stabilize the reference layer system over the required field strength for a sensor field ,
  • biquadratic coupling An attempt to explain biquadratic coupling is that the 90 ° orientation represents the most favorable magnetization state in the areas where Due to the layer roughness, there is a locally strong fluctuation in the sign of the indirect interlayer coupling, ie in the region of their zero crossings.
  • the exchange energy leads to a rapid 90 ° orientation due to the local layer roughness of the local change of the coupling constants, because the magnetization does not allow arbitrary small changes of direction due to the magnetic exchange energy.
  • a typical GMR or TMR magnetic field (TMR) magnetic field sensor consists of at least one fixed magnetization layer, hereinafter also referred to as a reference layer or as a solid layer, and one layer of free magnetization, hereinafter
  • the spin-torque effect describes how the magnetizations of two layers interact with each other via the exchange of spin-polarized conduction electrons spin-polarized current is understood as meaning a stream of electrons, the spins of which show predominantly (after about 70% spin polarization, for example) a uniform direction, and accordingly a spin-polarized alternating current is an alternating current of electrons whose spins are mostly in a uniform direction depends on the magnetization direction of the Le iters off.
  • magnons or spin waves ie local oscillations of the magnetization
  • the transmitted spin pulse will excite spin waves of high amplitude, causing the magnetization to switch over the existing energy barrier to the preferably parallel position of the magnetizations, if the current of electrons is a certain critical one (Switching) current Io reached.
  • switching critical one
  • the spin-polarized current thus causes alternately one or the other state prevails.
  • the alternating current induces spin waves in the measuring layers, and if their wavelength comes in the order of magnitude of the exchange length, it becomes more favorable for the magnetization to be perpendicular to one another.
  • an alternating current between the two magnetic layers will flow in such a way that it becomes energetically advantageous if both layers are alternately magnetized in parallel or antiparallel.
  • the alternating current excites spin waves in the free layer, resulting locally in a variation in the magnetization shift between the reference layer and the free layer, which phenomenologically corresponds to the above-described local sign change at the zero crossing of the indirect exchange coupling leading to the phenomenon of biquadratic coupling.
  • two energy-equivalent states now compete with each other: a state with a preferably antiparallel alignment of the magnetizations of the free layer and the solid layer and a state with preferably parallel alignment of the magnetizations.
  • a state will be set, which is just in between, ie at a preferred 90 ° alignment between the magnetizations of the layers, since then a relatively large energy gain can be achieved by a small deflection.
  • the amplitude of the alternating current is set in such a way that spin waves with such a large amplitude are induced in the measuring layer that the magnetization of the measuring layer is switched over.
  • the amplitude of the alternating current corresponds to at least one critical current intensity
  • the frequency of the alternating current can be adjusted so that it corresponds to at least one predetermined cutoff frequency, in particular at least the gyromagnetic cutoff frequency (f gy ) of the measuring layer.
  • the magnetization directions of the free and of the fixed layer can therefore be aligned against one another without an additional externally applied magnetic field.
  • the magnetic field sensor is a GMR or a TMR sensor with a construction of a plurality of layers, one of which
  • Layer is the measuring layer and another layer is the reference layer.
  • the alternating current is preferably a time-varying current of spin-polarized electrons.
  • FIG. 1 shows a magnetic field sensor according to the invention.
  • FIG. 1 shows a GMR magnetic field sensor 10 with a measuring layer 20 and a reference layer 30.
  • the direction of the magnetization m R in the reference layer 30 is fixed, ie not to be changed, for example, by external magnetic fields.
  • the measuring layer 20 is a layer with movable or free magnetization m M whose orientation can be controlled by external influences.
  • the magnetizations m M , m R of the measuring layer 20 and the reference layer 30 are aligned in antiparallel.
  • the illustrated GMR magnetic field sensor 10 is used for measuring an external magnetic field, not shown here.
  • the GMR magnetic field sensor 10 has an electrical contact 41 and 42 at its measuring layer 20 and at its reference layer 30.
  • the electrical contacts 41 and 42 are connected to an AC power source 40.
  • the AC source 40 causes an alternating current I between see the layers 20, 30 of the magnetic field sensor 10 flows.
  • the AC current source 40 causes electrons to flow from the measuring layer 20 into the reference layer 30. This in turn causes an antiparallel position between the magnetizations m M , m R of the measuring layer 20 and the reference layer 30.
  • the alternating current I (t) leads to a temporally variable excitation of spin waves whose energetic ground state parallel or antiparallel alignment of the magnetization m M of the measuring layer 20 mutually preferred. Accordingly, (in analogy to the biquadratic coupling), a middle state will be established which is precisely between the two energy-equivalent states, namely the parallel and the antiparallel alignment of the magnetizations m M , m R in the measuring layer 20 and the reference layer 30, lies.
  • the critical current Io depends on material properties such as, for example, saturation magnetization, damping, Layer thickness and anisotropy of the free layer and can be adjusted over it.
  • the magnetization m M of the measuring layer 20 can no longer be fast enough due to the magnetic damping of the alternating flow direction of the electrons.
  • the best arrangement of the magnetization distribution m M in the measuring layer 20 is then finally a state, which in turn just between the two energy equivalent states, namely the parallel and anti-parallel alignment of the magnetizations m M , m R in the measuring layer 20 and the reference layer 30, lies.
  • the magnetization m M in the measuring layer 20 is set at a sufficiently high frequency f> f 0 of the alternating current I at an angle of 90 ° to the magnetization m R in the reference layer 30.
  • the limit frequency f 0 is typically the gyromagnetic limit frequency f gy of the measuring layer 20, which, like the critical current intensity Io, is material-dependent.
  • the GMR magnetic field sensor 10 If the GMR magnetic field sensor 10 is brought into an external magnetic field, the magnetization direction in the measuring layer 20 will deviate from the preferred 90 ° orientation, and the stronger the amplitude of the external magnetic field, the stronger. This leads to a change of the resistance measurement Rmess / which can be evaluated as a measure of the external magnetic field.
  • the magnetic field to be measured is compensated in a compensation method with an additionally generated, artificial magnetic field, wherein the additional field Measurements represents.
  • the additional magnetic field is adjusted in terms of magnitude and orientation such that the tapped over the contacts 11, 12 resistance R meSs just the known resistance value in the 90 ° alignment between the magnetizations m M and m R corresponds.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer bestimmten Ausrichtung der Magnetisierung einer Messschicht eines Magnetfeldsensors zur Magnetisierung der Referenzschicht des Magnetfeldsensors. An den Magnetfeldsensor wird ein Wechselstrom angelegt, der bewirkt, dass in der Messschicht Spinwellen angeregt werden, was lokal zu einer Variation der Auslenkung der Magnetisierung zwischen Referenzschicht und Messschicht führt. In diesem kritischen Zustand konkurrieren nun zwei energetisch äquivalente Zustände miteinander: Ein Zustand mit einer bevorzugt antiparallelen Ausrichtung der Magnetisierungen der Messschicht und Referenzschicht und ein Zustand mit bevorzugt paralleler Ausrichtung der Magnetisierungen. Als günstigste Anordnung der Magnetisierungsverteilung wird sich ein Zustand einstellen, der gerade dazwischen liegt, d.h. bei bevorzugter 90° Ausrichtung zwischen den Magnetisierungen der Schichten, da dann durch eine kleine Auslenkung ein verhältnismäßig großer Energiegewinn erzielt werden kann.

Description

Beschreibung
Magnetfeldsensor mit gekreuzten Magnetisierungen in Referenz- und Messschicht
Nach der Entdeckung der antiferromagnetischen Kopplung in epitaktisch hergestellten Fe/Cr/Fe-Sandwich-Systemen durch Grünberg, kam es wenige Jahre später zur Entdeckung des Rie- senmagnetowiderstandseffekts („Giant Magneto Resistance", GMR) , der darauf beruht, dass sich die Magnetisierungen in Schichten gekoppelter Schichtsysteme bevorzugt antiparallel zueinander ausrichtet. Bei genaueren Untersuchungen konnte ein oszillierendes Verhalten des Vorzeichens der Austauschkopplung über mehrere Perioden in Abhängigkeit von der Dicke der unmagnetischen Zwischenschicht nachgewiesen werden. Die antiparallele Ausrichtung der Magnetisierung benachbarter Schichten führt zu einer erhöhten Streuwahrscheinlichkeit der Leitungselektronen in diesen Schichtsystemen und damit zu einer Feldabhängigkeit des elektrischen Widerstands. Dieser Ef- fekt wurde zunächst an Mehrlagenschichten nachgewiesen und konnte später auf einfachen Sandwichstrukturen übertragen werden .
Diese einfachen Sandwichstrukturen (sog. Spin-Ventile) haben entscheidend zum Erfolg des GMR-Effekts bei der Anwendung in Magnetfeldsensoren, z.B. als Lesekopf in der magnetischen Aufzeichnung beigetragen, da damit nachgewiesen wurde, dass die antiparallele Ausrichtung der Magnetisierung die einzig notwendig Bedingung für einen hohen MR-Effekt („Magneto Re- sistance", MR) darstellt. In diesen Systemen wird die Magnetisierung einer der beiden magnetischen Schichten durch genügend große magnetische Härte festgehalten. Diese Schicht mit fester Magnetisierung ist die so genannte Referenzschicht. Die Magnetisierung der zweiten Schicht, die so genannte Mess- schicht bzw. freie Schicht, kann sich weitgehend frei und damit z.B. der Richtung eines äußeren Magnetfeldes folgend drehen. Eine direkte antiferromagnetische Zwischenkopplung ist in einem derart aufgebauten Spin-Ventil nicht mehr notwendig. Stattdessen kann durch zusätzliche Freiheitsgrade, die sich durch den vergleichsweise einfachen Aufbau ergeben, dafür gesorgt werden, dass die Magnetisierung möglichst unbeeinflusst von weiteren Störfeldern, wie z.B. Kopplungsfeldern von der Referenzschicht dem äußeren Magnetfeld folgen kann, indem diese Störfelder auf die Messschicht kompensiert werden. In der ursprünglichen Ausführungsform des Spin-Ventils („Spin Valve") wird die Referenzschicht durch eine einzelne magnetische Schicht gebildet, die durch direkte Austauschkopplung an einen natürlichen Antiferromagneten gekoppelt ist. Dieses als "Exchange Bias" seit den 60-er Jahren bekannte Phänomen wurde auch schon in induktiven Leseköpfen zur Stabilisierung der Domänenstruktur (Unterdrückung von Domänen) vorgeschlagen.
Zur Linearisierung der Sensorkennlinie kann die Magnetisierung der Messschicht im Grundzustand, d.h. in dem ohne äußeres anliegendes Messfeld energetisch begünstigten Magnetisierungszustand, bevorzugt senkrecht zur Referenzmagnetisierung ausgerichtet werden, z.B. durch gezielte Einstellung und Aus- richtung einer einachsigen Anisotropie der Messschicht. Dieses Konzept wurde dahingehend weiterentwickelt, dass die Exchange Bias Referenzschicht durch ein System aus mehreren Magnetschichten mit hoher intrinsischer Steifigkeit ergänzt wird. Dieses weiterentwicklte Referenzschichtsystem wird durch den Begriff des künstlichen Antiferromagneten („Artifi- cial Antiferromagnet", AAF) ausgedrückt. Die Steifigkeit des AAF wird dadurch erreicht, dass an die Referenzschicht eine weitere magnetische Schicht, z.B. über eine indirekte Austauschkopplung über eine Zwischenschicht, so stark antiferro- magnetisch ankoppelt wird, dass dieses Schichtsystem in einem weiten Feldbereich eine stabile Einheit mit reduziertem Nettomoment bildete. Die Stabilität wird dabei durch das reduzierte Nettomoment und das dadurch deutlich verringerte Drehmoment erreicht. Dadurch wird es einerseits möglich, über den Grad der Kompensation und der Magnetisierungen des Referenzschichtsystems die Streufeldwechselwirkung mit der Messschicht gezielt einzustellen, was bei einer Einzelschicht nicht ohne Weiteres möglich ist. Weiterhin verbessert sich über den Grad der Kompensation die Stabilität des Referenzschichtsystems derart, dass auf die unidirektionale Anisotropie eines Exchange Bias Systems verzichtet werden kann und stattdessen der Verstärkungsfaktor auf intrinsische Anisotro- pien der Einzelschichten ausgenutzt werden kann, um das Referenzschichtsystem über den für einen Sensor benötigten Feldstärkebereich zu stabilisieren.
Später wurde gezeigt, dass so ein AAF-System auch die unaxia- Ie Anisotropie eines Exchange Bias Systems vorteilhaft verstärken kann und dadurch gleichzeitig eindeutig vorgespannt wird. Aufgrund der verbesserten Stabilität und der Eineindeu- tigkeit wird diese Kombination derzeit in den meisten MR- Anwendungen (Sensoren, Speicher etc.) bevorzugt, auch wenn der natürliche Antiferromagnet oftmals eine zusätzliche Komplikation bedeutet.
Für Spin-Ventil Sensoren wurden mehrere Methoden vorgeschlagen, um die für eine lineare Kennlinie bevorzugte 90° Aus- richtung der Magnetisierungen von Mess- und Referenzschicht zu erreichen. Bspw. können intrinsische Anisotropien z.B. durch Auslagerungen im Magnetfeld verwendet werden. Weiterhin ist das Konzept des Ankoppeins an einen natürlichen Antifer- romagneten natürlich auch für die Messschicht möglich. Im Spin-Valve Ansatz wurde darüber hinaus noch die so genannte biquadratische Kopplung zwischen Referenzschicht und Messschicht vorgeschlagen.
Diese Kopplung beschreibt phänomenologisch die bevorzugte 90° Orientierung der Magnetisierungen zweier Schichten zueinander, die im Bereich der Nulldurchgänge der oszillierenden Zwischenschichtkopplung erster Ordnung bzw. in Bereichen geringer oder verschwindender Zwischenschichtkopplung beobachtet wurde.
Ein Erklärungsversuch der biquadratischen Kopplung liegt darin, dass die 90° Ausrichtung den energetisch günstigsten Magnetisierungszustand in den Bereichen darstellt, wo es auf- grund der Schichtrauhigkeiten zu einer lokal starken Schwankung des Vorzeichens der indirekten Zwischenschichtkopplung kommt, also im Bereich derer Nulldurchgänge. Bei der biquadratischen Kopplung führt die Austauschenergie der wegen der lokalen Schichtrauhigkeit raschen lokalen Wechsel der Kopplungskonstanten zu einer 90° Ausrichtung, weil die Magnetisierung aufgrund der magnetischen Austauschenergie nicht beliebig kleine Richtungswechsel erlaubt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Methode vorzuschlagen, mit der eine Magnetisierung einer Messschicht eines Magnetfeldsensors relativ zu einer Magnetisierung einer Referenzschicht des Magnetfeldsensors um eine vorbestimmten Ausrichtung orientiert werden kann.
Ein typischer GMR- oder TMR-Magnetfeldsensor („Tunnel Magneto Resistance", TMR) besteht zumindest aus einer Schicht mit fester Magnetisierung, im Folgenden auch als Referenzschicht oder als feste Schicht bezeichnet, und aus einer Schicht mit beweglicher bzw. freier Magnetisierung, im Folgenden auch als Messschicht oder als freie Schicht bezeichnet. Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird der so genannte "Spin Torque"-Effekt ausgenutzt. Der Spin Torque-Effekt beschreibt, wie die Magnetisierungen zweier Schichten über den Austausch spinpolari- sierter Leitungselektronen miteinander wechselwirken. Unter einem spinpolarisierten Strom versteht man einen Strom aus Elektronen, deren Spins mehrheitlich (ja nach Spinpolarisierung bspw. zu etwa 70%) in eine einheitliche Richtung zeigen. Dementsprechend ist ein spinpolarisierter Wechselstrom ein Wechselstrom aus Elektronen, deren Spins mehrheitlich in eine einheitliche Richtung zeigen. Die Richtung hängt von der Magnetisierungsrichtung des Leiters ab. Fließen Elektronen aus der festen Schicht des Magnetfeldsensors in die freie Schicht, so übertragen die Elektronen einen Teil ihres Dreh- impulses auf die Magnetisierung der freien Schicht, in der sie absorbiert werden bzw. thermalisieren . Hierdurch werden sogenannte Magnonen bzw. Spinwellen (d.h. lokale Oszillationen der Magnetisierung) in der freien Schicht induziert. Sind die Magnetisierungen in den beiden Schichten zunächst antiparallel zueinander ausgerichtet, so werden durch den übertragenen Spin-Impuls Spinwellen hoher Amplitude angeregt, wodurch die Magnetisierung über die vorhandenene Energiebarrie- re in die bevorzugt parallele Stellung der Magnetisierungen schaltet, wenn der Strom aus Elektronen eine gewisse kritische (Schalt-) Stromstärke Io erreicht. Mit anderen Worten wir die Magnetisierung in der freien Schicht aus der Antiparal- lelstellung in die Parallelstellung umgeschaltet, wenn die Stromstärke zumindest der (Schalt-) Stromstärke Io entspricht.
Sind die beiden Schichten parallel magnetisiert und fließen die Elektronen von der freien Schicht in die feste Schicht, werden in der freien Schicht durch ein mit steigendem Strom zunehmendes Ungleichgewicht zwischen Majoritäts- und Minoritätsladungsträgern ebenfalls Spinwellen angeregt, deren Amplitude mit steigendem Strom zunimmt. Dies führt ab der kritischen Stromstärke Io zu einer bevorzugten Antiparallelstel- lung der Magnetisierungen der beiden Schichten und demzufolge zu einem erneuten Umschalten der Magnetisierung der freien Schicht .
Es gibt demnach zwei mögliche energetische Zustände, nämlich die parallele und die antiparallele Ausrichtung der Magneti- sierungen der beiden Schichten, und durch den spinpolarisierten Strom wird je nach Stromrichtung der eine oder andere Zustand bevorzugt. Ein spinpolarisierter Wechselstrom bewirkt demnach, dass wechselweise der eine oder der andere Zustand vorherrscht. Durch den Wechselstrom werden Spinwellen in den Messschichten induziert und wenn deren Wellenlänge in die Größenordnung der Austauschlänge kommt, wird es günstiger, dass sich die Magnetisierung senkrecht zueinander stellen.
Unter Ausnutzung dieses Effekts wird nun erfindungsgemäß ein Wechselstrom zwischen den beiden Magnetschichten derart fließen, dass es energetisch vorteilhaft wird, wenn beide Schichten abwechselnd parallel bzw. antiparallel magnetisiert sind. Durch den Wechselstrom werden in der freien Schicht Spinwellen angeregt, was lokal zu einer Variation der Auslenkung der Magnetisierung zwischen Referenzschicht und freier Schicht führt, die phänomenologisch dem oben beschriebenen lokalen Vorzeichenwechsel im Nulldurchgang der indirekten Austauschkopplung entspricht, der zu dem Phänomen der biquadratischen Kopplung führt. In diesem kritischen Zustand konkurrieren nun zwei energetisch äquivalente Zustände miteinander: Ein Zustand mit einer bevorzugt antiparallelen Ausrichtung der Mag- netisierungen der freien Schicht und der festen Schicht und ein Zustand mit bevorzugt paralleler Ausrichtung der Magnetisierungen. Als günstigste Anordnung der Magnetisierungsverteilung wird sich ein Zustand einstellen, der gerade dazwischen liegt, d.h. bei bevorzugter 90° Ausrichtung zwischen den Magnetisierungen der Schichten, da dann durch eine kleine Auslenkung ein verhältnismäßig großer Energiegewinn erzielt werden kann.
Ein weiterer auszunutzender Effekt besteht darin, dass eine Erhöhung der Frequenz des Wechselstroms bewirkt, dass es der Magnetisierung oberhalb einer gewissen Grenzfrequenz fo aufgrund der magnetischen Dämpfung nicht mehr möglich ist, sich dieser ständig verändernden Energielandschaft schnell genug anzupassen. Dabei begrenzt die gyromagnetische Grenzfrequenz fgy, d.h. die maximal mögliche Frequenz einer Magnetisierungsänderung, aufgrund der magnetischen Dämpfung den zeitlichen Wechsel der Magnetisierungsrichtung. In der Folge konkurrieren in diesem kritischen Zustand die beiden oben bereits eingeführten, energetisch äquivalenten Zustände mit an- tiparalleler bzw. paralleler Ausrichtung der Magnetisierungen der freien Schicht und der festen Schicht miteinander.
Es wird daher ein Verfahren zum Erzeugen einer vorbestimmten Ausrichtung einer Magnetisierung einer Messschicht eines Magnetfeldsensors relativ zu einer Magnetisierung einer Referenzschicht des Magnetfeldsensors gemäß dem Patentanspruch 1 vorgeschlagen, beim dem eine nicht kolineare Ausrichtung zwischen den Magnetisierungen der Messschicht und der Referenzschicht durch Injektion eines Wechselstroms, insbesondere durch Injektion eines zeitlich variierenden Spinwech- selstroms, zwischen der Messschicht und der Referenzschicht eingestellt wird.
Dabei wird eine 90 °-Ausrichtung zwischen den Magnetisierungen der Messschicht und der Referenzschicht erzeugt.
Die Amplitude des Wechselstroms wird dabei derart eingestellt, dass Spinwellen mit derart großer Amplitude in der Messschicht induziert werden, dass die Magnetisierung der Messschicht umgeschaltet wird. Die Amplitude des Wechsel- Stroms entspricht zumindest einer kritischen Stromstärke
(Io) , insbesondere der zum Spin Torque Schalten benötigten kritischen Stromstärke.
Weiterhin kann die Frequenz des Wechselstroms so eingestellt werden, dass sie zumindest einer vorbestimmten Grenzfrequenz, insbesondere zumindest der gyromagnetischen Grenzfrequenz (fgy) der Messschicht, entspricht.
Unter Ausnutzung dieser Effekte können demnach auch ohne ein zusätzliches, von außen angelegtes Magnetfeld die Magnetisierungsrichtungen der freien und der festen Schicht gegeneinander ausgerichtet werden.
Der Magnetfeldsensor ist ein GMR- oder ein TMR-Sensor mit ei- nem Aufbau aus einer Mehrzahl von Schichten, von denen eine
Schicht die Messschicht und eine andere Schicht die Referenzschicht ist.
Der Wechselstrom ist vorzugsweise ein zeitlich varriierender Strom spinpolarisierter Elektronen. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen.
Dabei zeigt:
Figur 1 einen erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor.
Die Figur 1 zeigt einen GMR-Magnetfeldsensor 10 mit einer Messschicht 20 und einer Referenzschicht 30. Wie bereits oben erwähnt ist die Richtung der Magnetisierung mR in der Referenzschicht 30 fix, d.h. auch beispielsweise durch äußere Magnetfelder nicht zu verändern. Die Messschicht 20 ist dagegen eine Schicht mit beweglicher bzw. freier Magnetisierung mM, deren Ausrichtung durch äußere Einflüsse steuerbar ist. In der Figur 1 sind die Magnetisierungen mM, mR der Messschicht 20 und der Referenzschicht 30 antiparallel ausgerichtet. Der dargestellt GMR-Magnetfeldsensor 10 dient zur Messung eines externen, hier nicht dargestellten Magnetfeldes.
Die Funktionsweise eines derartigen GMR-Magnetfeldsensors ist an sich bekannt. Je nach Magnetfeld, in dem sich der Sensor 10 befindet, lässt sich mit Hilfe der Kontakte 11 und 12 des GMR-Magnetfeldsensors 10 ein unterschiedlicher Widerstands- messwert RmeSs über dem Magnetfeldsensor 10 abgreifen, aus dem sich nach entsprechender Kalibration des Sensors 10 Rückschlüsse auf das äußere Magnetfeld ziehen lassen. Dabei hängt der Widerstandsmesswert RmeSs von der gegenseitigen Ausrichtung der Magnetisierungen mM, mR der Messschicht 20 und der Referenzschicht 30 ab. Ohne äußeres Feld sollen die Magnetisierungen mM und mR typischerweise unter einem Winkel von 90° zueinander stehen.
Erfindungsgemäß weist der GMR-Magnetfeldsensor 10 an seiner Messschicht 20 und an seiner Referenzschicht 30 jeweils einen elektrischen Kontakt 41 und 42 auf. Die elektrischen Kontakte 41 und 42 sind mit einer Wechselstromquelle 40 verbunden. Die Wechselstromquelle 40 bewirkt, dass ein Wechselstrom I zwi- sehen den Schichten 20, 30 des Magnetfeldsensors 10 fließt. Der Wechselstrom I kann bspw. ein Zeitverhalten gemäß I (t) =IA*sin (2πf*t) mit einer Amplitude IA und einer Frequenz f aufweisen. Ausgehend von der in der Figur 1 dargestellten Ausgangssituation, in der die Magnetisierungen mM, mR der
Messschicht 20 und der Referenzschicht 30 antiparallel zueinander ausgerichtet sind, fließen zunächst Elektronen von der Referenzschicht 30 in Richtung der Messschicht 20. Wie einleitend beschrieben bewirkt dies aufgrund des Spin-Torque Ef- fektes, dass die Magnetisierung mM in der Messschicht 20 derart beeinflusst wird, dass sie schließlich parallel zur Magnetisierung mR in der Referenzschicht 30 ausgerichtet ist. Dabei wird vorausgesetzt, dass die Amplitude IA des Wechselstroms zumindest einer kritischen Stromstärke Io entspricht, d.h. IA > I0.
Zu einem späteren Zeitpunkt bewirkt die Wechselstromquelle 40, dass nun Elektronen von der Messschicht 20 in die Referenzschicht 30 fließen. Hierdurch wird wiederum eine Antipa- rallelstellung zwischen den Magnetisierungen mM, mR der Messschicht 20 und der Referenzschicht 30 bewirkt.
Wie ebenfalls oben erwähnt wurde, führt der Wechselstrom I (t) zu einer zeitlich veränderlichen Anregung von Spinwellen deren energetischer Grundzustand parallele bzw. antiparallele Ausrichtung der Magnetisierung mM der Messschicht 20 wechselseitig bevorzugt. Es wird sich demgemäß (in Analogie zur biquadratischen Kopplung) ein mittlerer Zustand einstellen, der gerade zwischen den beiden energetisch äquivalenten Zustän- den, nämlich der parallelen und der antiparallelen Ausrichtung der Magnetisierungen mM, mR in der Messschicht 20 und der Referenzschicht 30, liegt. Konkret bedeutet dies, dass sich die Magnetisierung mM in der Messschicht 20 ab einer kritischen Stromstärke IA ≥ Io des Wechselstroms I (t) , die zur Anregung von Spinwellen ausreicht, unter einem Winkel von 90° zur Magnetisierung mR in der Referenzschicht 30 einstellt. Die kritische Stromstärke Io hängt dabei von Materialeigenschaften wie bspw. Sättigungsmagnetisierung, Dämpfung, Schichtdicke und Anisotropie der freien Schicht ab und kann darüber eingestellt werden.
Wird die Frequenz f des Wechselstroms I (t) größer oder gleich einer Grenzfrequenz fo gewählt, d.h. f > fo, so kann die Magnetisierung mM der Messschicht 20 aufgrund der magnetischen Dämpfung der wechselnden Flussrichtung der Elektronen nicht mehr schnell genug folgen. Als günstigste Anordnung der Magnetisierungsverteilung mM in der Messschicht 20 stellt sich dann letztlich ein Zustand ein, der wiederum gerade zwischen den beiden energetisch äquivalenten Zuständen, nämlich der parallelen und der antiparallelen Ausrichtung der Magnetisierungen mM, mR in der Messschicht 20 und der Referenzschicht 30, liegt. Konkret bedeutet dies, dass sich die Magnetisie- rung mM in der Messschicht 20 bei einer ausreichend hohen Frequenz f > f0 des Wechselstroms I unter einem Winkel von 90° zur Magnetisierung mR in der Referenzschicht 30 einstellt. Die Grenzfrequenz f0 ist typischerweise die gyro- magnetische Grenzfrequenz fgy der Messschicht 20, die wie auch die kritische Stromstärke Io materialabhängig ist.
Durch diese resultierende 90° Ausrichtung der beiden Magnetisierungsrichtungen zueinander ergibt sich im zeitlichen Mittel auch ein mittlerer Widerstandsmesswert über den Kontakten 11 und 12.
Wird der GMR-Magnetfeldsensor 10 in ein äußeres Magnetfeld gebracht, so wird die Magnetisierungsrichtung in der Messschicht 20 von der bevorzugten 90° Ausrichtung abweichen und zwar umso stärker, je stärker die Amplitude des äußeren Magnetfelds ist. Dies führt zu einer Änderung des Widerstandsmesswertes Rmess/ die als Messgröße für das äußere Magnetfeld ausgewertet werden kann.
In einer alternativen Ausführungsform zur Messung eines äußeren Magnetfeldes wird das zu messende Magnetfeld in einem Kompensationsverfahren mit einem zusätzlich erzeugten, künstlichen Magnetfeld kompensiert, wobei das zusätzliche Feld die Messgröße darstellt. Das zusätzliche Magnetfeld wird hinsichtlich Betrag und Ausrichtung derart eingestellt, dass der über den Kontakten 11, 12 abgreifbare Widerstand RmeSs gerade dem bekannten Widerstandsmesswert bei der 90° Ausrichtung zwischen den Magnetisierungen mM und mR entspricht.
Zur Widerstandsmessung sind dem Fachmann natürlich diverse Verfahren wohlbekannt.
Anstatt den Winkel θ zwischen den Magnetisierungen mM, mR der Messschicht 20 und der Referenzschicht 30 im Grundzustand, d.h. im Zustand ohne äußeres Magnetfeld, und ohne Wechselstrom I kolinear (d.h. parallel oder antiparallel) einzustellen, bietet es sich vorteilhafterweise an, den Winkel θ all- gemeiner auf θ < 180° zu beschränken, z.B. indem beiden
Schichten nicht kolineare Anisotroieachsen eingeprägt werden. Dies führt zu einem Symmetriebruch und es wird im erfindungsgemäßen Sensorbetrieb diejenige Gleichgewichtslage in der Nähe von 90° energetisch begünstigt, die die Winkelhalbierende des Zwischenwinkels bildet.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erzeugen einer vorbestimmten Ausrichtung einer Magnetisierung (mM) einer Messschicht (20) eines Magnet- feldsensors (10) relativ zu einer Magnetisierung (mR) einer Referenzschicht (30) des Magnetfeldsensors (10), wobei die Magnetisierung der Messschicht (20) eine freie Magnetisierung (mM) und die Magnetisierung der Referenzschicht (30) eine feste Magnetisierung (mR) ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine nicht kolineare Ausrichtung zwischen den Magnetisierungen (mM, mR) der Messschicht (20) und der Referenzschicht (30) durch Injektion eines Wechselstroms (I (t) ) , insbesondere eines zeitlich variierenden Spinwechselstroms, zwischen der Messschicht (20) und der Refe- renzschicht (30) eingestellt wird.
2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine 90 °-Ausrichtung zwischen den Magnetisierungen (mM, mR) der Messschicht (20) und der Referenz- schicht (30) erzeugt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude (IA) des Wechselstroms
(I (t) ) derart eingestellt wird, dass Spinwellen mit derart großer Amplitude in der Messschicht (20) induziert werden, dass die Magnetisierung (mM) der Messschicht (20) umgeschaltet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude (IA) des Wechselstroms
(I (t) ) zumindest einer kritischen Stromstärke (Io), insbesondere einer zum Spin Torque Schalten benötigten kritischen Stromstärke, entspricht.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz (f) des Wechselstroms (I (t) ) zumindest einer vorbestimmten Grenzfrequenz (fo) , ins- besondere zumindest der gyromagnetischen Grenzfrequenz (fgy) der Messschicht (20), entspricht.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Magnetisierung (mM) der Messschicht (20) vor dem Anlegen des Wechselstroms (I (t) ) weitestgehend antiparallel zur Magnetisierung (mR) der Referenzschicht (30) ausgerichtet ist und der Wechselstrom (I (t) ) anfänglich derart angelegt wird, dass die Elektronen von der Referenzschicht (30) in die Messschicht (20) fließen, oder
- die Magnetisierung (mM) der Messschicht (20) vor dem Anlegen des Wechselstroms (I (t) ) weitestgehend parallel zur Magnetisierung (mR) der Referenzschicht (30) ausgerichtet ist und der Wechselstrom (I (t) ) anfänglich derart angelegt wird, dass die Elektronen von der Messschicht (20) in die Referenzschicht (30) fließen.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht kolineare Ausrichtung zwischen den Magnetisierungen (mM, mR) ohne zusätzliches äußeres Magnetfeld erzeugt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (10) ein GMR- oder ein TMR-Sensor mit einem Aufbau aus einer Mehrzahl von Schichten (20, 30) ist, von denen eine Schicht die Messschicht (20) und eine andere Schicht die Referenzschicht (30) ist .
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselstrom (I (t) ) ein zeitlich varriierender Strom spinpolarisierter Elektronen ist.
10. Magnetfeldsensor, insbesondere GMR- oder TMR-
Magnetfeldsensor, aufweisend eine Mehrzahl von Schichten (20, 30), von denen eine Schicht eine Messschicht (20) mit freier Magnetisierung (mM) und eine andere Schicht eine Referenzschicht (30) mit fester Magnetisierung (mR) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (10) mit einer Wechselstromquelle (40) verbunden ist, die über elektrische Kontakte (41, 42) des
Magnetfeldsensors (10) einen Wechselstrom (I (t) ) , insbesondere einen zeitlich variierenden Spinwechselstrom, zwischen der Messschicht (20) und der Referenzschicht (30) erzeugt, derart, dass sich eine vorbestimmte, nicht kolineare Ausrich- tung der Magnetisierung (mM) der Messschicht (20) relativ zur Magnetisierung (mR) der Referenzschicht (30) einstellt.
11. Magnetfeldsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Wechselstromquelle (40) erzeugte Wechsel- ström (I (t) ) eine Amplitude (IA) aufweist, die größer ist als die zum Spin Torque Schalten benötigte kritische Stromstärke.
12. Magnetfeldsensor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude (IA) des Wechselstroms (I (t) ) derart eingestellt ist, dass Spinwellen mit derart großer Amplitude in der Messschicht (20) induziert werden, dass die Magnetisierung (mM) der Messschicht (20) umgeschaltet wird.
13. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude (IA) des Wechselstroms (I (t) ) zumindest einer kritischen Stromstärke (Io), insbesondere einer zum Spin Torque Schalten benötigten kritischen Stromstärke, entspricht.
14. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Wechselstromquelle (40) erzeugte Wechselstrom (I (t) ) eine Frequenz (f) aufweist, die zumindest einer vorbestimmten Grenzfrequenz (f0) , insbe- sondere zumindest der gyromagnetischen Grenzfrequenz (fgy) der Messschicht (20), entspricht.
15. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierung (mM) der Messschicht (20) nach Anlegen des Wechselstroms (I (t) ) relativ zur Magnetisierung (mR) der Referenzschicht (30) um 90° aus- gerichtet ist.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080019040A1 (en) * 2006-07-21 2008-01-24 Xiaochun Zhu Perpendicular spin-torque-driven magnetic oscillator
US20090140733A1 (en) * 2007-11-26 2009-06-04 Tdk Corporation Magnetic device and frequency detector

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080029819A (ko) * 2006-09-29 2008-04-03 가부시끼가이샤 도시바 자기저항 효과 소자 및 이를 이용한 자기 랜덤 액세스메모리
DE102007009175B4 (de) * 2007-02-26 2009-02-12 Siemens Ag Betriebsverfahren für einen Magnetfeldsensor basierend auf dem Tunnelmagnetowiderstandseffekt und zugehörige Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080019040A1 (en) * 2006-07-21 2008-01-24 Xiaochun Zhu Perpendicular spin-torque-driven magnetic oscillator
US20090140733A1 (en) * 2007-11-26 2009-06-04 Tdk Corporation Magnetic device and frequency detector

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