DE10017374B4

DE10017374B4 - Magnetische Koppeleinrichtung und deren Verwendung

Info

Publication number: DE10017374B4
Application number: DE10017374A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Clemens; Guenter Dr. Rupp; Joachim Dr. Wecker; Jens Dr. Hauch
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Sensitec GmbH
Priority date: 1999-05-25
Filing date: 2000-04-07
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2020-04-08
Also published as: DE10017374A1; WO2000072387A1

Abstract

Magnetische Koppeleinrichtung (2, 12, 24) mit
a) wenigstens einem ein magnetisches Signalfeld (H) mittels Stromfluss' erzeugenden elektrischen Leiterelement (10),
b) mit mehreren dem Leiterelement zugeordneten, von diesem galvanisch getrennten, magnetfeldempfindlichen Sensorelementen (S), die zu einer Voll- oder Teilbrücke angeordnet sind und jeweils ein einen erhöhten magnetoresistiven Effekt zeigendes Mehrschichtensystem (3) umfassen mit jeweils
– mindestens einer weichmagnetischen Messschicht (6, 6'), deren Magnetisierung (m_me) bei fehlendem Signalfeld (H) eine von der Vorzugsachse der Magnetisierung dieser Schicht abhängende vorbestimmte Ausgangslage hat,
– mindestens einem vergleichsweise magnetisch härteren Biasschichtteil mit wenigstens einer weiteren ferromagnetischen Schicht (4, 4b, 4b'),
sowie
– mindestens einer dazwischen angeordneten nicht-magnetischen Zwischenschicht, über welche die mindestens eine Messschicht (6, 6') magnetisch an der mindestens einen Biasschichtteil gekoppelt ist,
und
c) mindestens einer weichmagnetischen Schicht (22) als Abschirmungsmittel gegen externe magnetische Störfelder an der dem jeweiligen Mehrschichtensystem (3) abgewandten Seite des wenigstens...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Koppeleinrichtung sowie auf die Verwendung einer solchen Koppeleinrichtung.

Aus dem Buch von E. Schrüfer „Elektrische Messtechnik", 6. Auflage, 1995, Hanser-Verlag München, insbesondere Seiten 165 bis 168, ist im Einzelnen die Verwendung einer Hallsonde zur potentialfreien Strommessung zu entnehmen, wobei die Hallsonde diesbezüglich eine magnetische Koppeleinrichtung realisiert.

Auf vielen Gebieten der Technik, wie z. B. der digitalen Informationsübertragung oder der Messtechnik, wird die potentialfreie Übertragung von elektrischen Signalen gefordert.

Hierzu werden vielfach optoelektronische Koppeleinrichtungen vorgesehen. In deren Koppelelementen, so genannten 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 Signalgrößen 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, stößt jedoch praktisch auf große Schwierigkeiten. Auch bei verhältnismäßig hohen Stromstärken 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 verhältnismäßig voluminös sind, ist der diesbezügliche apparative Aufwand auch hoch.

Zur Strommessung werden auch geeignet ausgebildete Magnetsensoren verwendet. Aus der DE 34 04 273 A1 ist ein Magnetkopf mit einem ferromagnetischen Dünnfilm aus magnetoresistivem Material bekannt, bei dem eine ausgeprägte Anisotropie vorliegt. Dabei ist der ferromagnetische Film in eine Richtung längs des magnetoresistiven Elementes magnetisiert und es liegt eine Abschwingung des dadurch gebildeten Magnetsystems vor. Ein anderer magnetoresistiver Sensor mit verkleinerten Messschichten ist aus der DE 42 43 357 A1 bekannt, wobei neben der Messschicht wenigstens eine Bias-Schicht mit Austauschkopplung von den anderen Schichten vorhanden ist. Schließlich ist aus der DE 198 10 218 A1 ein weiterer Magnetfeldsensor bekannt, der speziell zur Strommessung verwendet werden soll und der ebenfalls auf dem magnetoresistiven Effekt beruht. Dabei ist wenigstens ein Magnetfeldempfindlicher langgestreckter Sensorstreifen aus magnetoresistivem Material und ein vom Sensorstreifen über einen Isolator getrennter hochleitfähiger Stromleiter zur Führung eines Hilfsstromes parallel zum Sensorstreifen vorhanden, wodurch eine dem Stromleiter zugeordnete Beschaltung die Magnetoresistiv-Charakteristik des Sensors linearisiert und die Wirkung eines externen Magnetfeldes auf den Sensorstreifen kompensiert und der Messbereich erweitert und/oder das Ausgangssignal des Sensors verstärkt wird.

Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine magnetische Koppeleinrichtung dahingehend auszugestalten, dass mit ihr auf verhältnismäßig einfache Weise eine Signalübertragung auf magnetischem Wege ermöglicht wird.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Patentanspruch 11 gibt die Verwendung einer solchen magnetischen Koppeleinrichtung als Stromsensor an.

Bei der Erfindung ist wenigstens ein ein magnetisches Signalfeld erzeugendes elektrisches Leiterelement vorhanden, wobei magnetfeldempfindliche Sensorelemente, die zu einer Voll- oder Teilbrücke angeordnet sind und jeweils ein einen erhöhten magnetoresistiven Effekt zeigendes Mehrschichtensystem umfassen, welches mindestens eine weichmagnetische Messschicht, wenigstens eine magnetisch härtere Bias-Schicht sowie dazwischen eine nichtmagnetische Zwischenschicht aufweist, wobei weiterhin eine weichmagnetische Schicht als Abschirmmittel gegen externe magnetische Störfelder vorhanden ist. Somit ist eine magnetische Koppeleinrichtung geschaffen.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass es möglich ist, eine magnetische Koppeleinrichtung der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten, dass mit ihr auf verhältnismäßig einfache Weise eine Signalübertragung auf magnetischem Wege ermöglicht ist. In diesem Zusammenhang umfasst das magnetfeldempfindliche Sensorelement ein einen erhöhten magnetoresistiven Effekt zeigendes Mehrschichtensystem, das mindestens eine weichmagnetische Messschicht, mindestens eine weitere ferromagnetische Schicht sowie mindestens eine dazwischen angeordnete nicht-magnetische Zwischenschicht enthält, wobei die Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht bei fehlendem Signalfeld eine vorbestimmte, von der Vorzugsachse der Magnetisierung dieser Schicht abhängige Ausgangslage hat. Die Vorzugsachse der Magnetisierung ist dabei „sensorintrinsisch"; ihre Einprägung 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 Länge zu Breite, und/oder durch eine durch ein äußeres Magnetfeld eingeprägte Anisotropie geschehen. Eine solche Anisotropie lässt sich entweder während des Herstellungsprozesses oder nachträglich durch einen Temperschritt in einem Magnetfeld erzeugen.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass sich zur Ausbildung einer magnetischen Koppeleinrichtung der magnetoresistive Effekt, insbesondere der so genannte „Giant Magneto Resistance"(GMR)-Effekt, von speziellen Dünnschichtensystemen bezüglich eines auftreffenden Magnetfeldes ausnutzen lässt, um ein der das Magnetfeld hervorrufenden physikalischen Größe wie z. B. einem Strom entsprechendes elektrisches Signal zu erzeugen. Diese Erzeugung ist mit dem erfindungsgemäß eingesetzten Mehrschichtensystem verhältnismäßig einfach und kostengünstig zu erreichen. Außerdem ist bei solchen Mehrschichtensystemen eine Temperaturabhängigkeit wie bei optischen Koppeleinrichtungen nicht zu befürchten; denn im Gegensatz zu den optischen Koppelelementen können käufliche GMR-Sensoren bis etwa 150°C betrieben werden.

Ein weiterer, mit der erfindungsgemäßen 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 Koppeleinrichtung zur Stromdetektion hervor, die insbesondere vier Sensorelemente besitzt, mit denen ein magnetisches Signalfeld, das mittels Stromfluss' 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 magnetoresistiv, anisotrop sind. Diese Mehrschichtensysteme können insbesondere einen GMR-Effekt zeigen. Einzelheiten des Aufbaus der zu verwendenden Mehrschichtsysteme und insbesondere Gesichtspunkte der Magnetisierungsverhältnisse ihrer ferromagnetischen Schichten sind jedoch nicht näher ausgeführt. Gerade diese Einzelheiten sind aber für eine eindeutige Signalgewinnung mit hoher Übertragungsrate von besonderer Bedeutung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Koppeleinrichtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

Bei der Erfindung ist ein Mehrschichtensystem mit einem gegenüber der weichmagnetischen Messschicht magnetisch härteren, von dieser durch eine nicht-magnetische Zwischenschicht beabstandeten Biasschichtteil vorgesehen. Entsprechende, bekannte Mehrschichtensysteme zeichnen sich durch einen hohen magnetoresistiven Effekt aus.

Vorteilhaft kann dabei der Biasschichtteil als ein so genannter künstlicher Antiferromagnet ausgebildet sein. Bei der Herstellung entsprechender Mehrschichtensysteme kann auf den Aufbau entsprechender Systeme und die diesbezüglichen Verfahren zu deren Herstellung zurückgegriffen werden.

Die Ausrichtung der Magnetisierung der mindestens einen weichmagnetischen Messschicht bei fehlendem Signalfeld in einer vorbestimmte Ausgangslage muss für die erfindungsgemäße Koppeleinrichtung sichergestellt sein, damit nach jedem magnetischen Signalpuls die Messschicht in einen festen Ausgangszustand mit definiertem Signalpegel zurückkehrt. Hierzu kann vorteilhaft eine magnetische (ferromagnetische oder antiferromagnetische) Kopplung der Magnetisierung der Messschicht an die Magnetisierung eines magnetisch härteren Biasschichtteils 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 Zwischenschicht (so genannte „Tunnelbarriere") aus einem elektrisch isolierenden oder halbleitenden Material auf. Diese Elemente zeichnen sich nämlich vorteilhaft durch einen hohen Signalhub und besonders kleine Baugröße aus.

Die erfindungsgemäße Koppeleinrichtung weist Mittel zu ihrer magnetischen Abschirmung gegen externe magnetische Störfelder auf. Entsprechende Mittel sind insbesondere an der dem Mehrschichtensystem abgewandten Seite des wenigstens einen Leiterelementes und gegebenenfalls galvanisch getrennt von diesem in Form einer weichmagnetischen Schicht angeordnet. Eine solche Schicht übt vorteilhafterweise die Funktion eines magnetischen Spiegels bezüglich des von dem mindestens einen Leiterelement hervorgerufenen magnetischen Feldsignals aus und trägt somit zu einer entsprechenden Signalverstärkung bei.

Die erfindungsgemäße 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 in ein sekundäres Signal umgewandelt wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Koppeleinrichtung nach der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, anhand derer Ausführungsbeispiele von magnetischen Koppeleinrichtungen schematisch veranschaulicht sind. Dabei zeigen in der Zeichnung
deren 1 als Schnittbild den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Koppeleinrichtung mit einem magnetoresistiven Mehrschichtensystem,
deren 2 einen speziellen Aufbau nach 1,
deren 3 eine schematisierte und schaltungstechnisch ergänzte Draufsicht auf den Aufbau nach 1,
deren 4 als Schnittbild einen beispielhaften Aufbau einer Koppeleinrichtung mit einem magnetoresistiven, einen künstlichen Antiferromagneten aufweisenden Mehrschichtensystem,
deren 5 als Schnittbild einen weiteren Aufbau einer Koppeleinrichtung, deren Mehrschichtensystem gegenüber dem Aufbau nach 4 um einen natürlichen Antiferromagneten ergänzt ist,
deren 6 in einem Diagramm Kopplungsmöglichkeiten in einem derartigen Mehrschichtensystem in Abhängigkeit von einer Entkopplungsschichtdicke,
deren 7 und 8 in Diagrammen den magnetoresistiven Effekt eines Aufbaus nach 1 in Abhängigkeit von verschiedenen Richtungen eines äußeren magnetischen Signalfeldes,
deren 9 in einem Diagramm den magnetoresistiven Effekt für diesen Aufbau in Abhängigkeit von der Dicke einer Entkopplungsschicht des Mehrschichtensystems und
deren 10 bis 13 den sukzessiven Aufbau einer speziellen Koppeleinrichtung.
In den Figuren sind entsprechenden Teilen dieselben Bezugszeichen zugeordnet.
Der in 1 im Schnitt angedeutete Aufbau einer allgemein mit 2 bezeichneten erfindungsgemäßen Koppeleinrichtung umfasst mindestens ein magnetfeldempfindliches Sensorelement 5 auf einem Substrat 7. Dieses Sensorelement soll ein einen gegenüber magnetoresistiven Einschichtsensorelementen insbesondere aus NiFe erhöhten magnetoresistiven Effekt zeigendes Mehrschichtensystem aufweisen. Das Mehrschichtensystem enthält mindestens eine weichmagnetische Messschicht, deren Magnetisierung bei einem fehlenden Signalfeld H in eine vorbestimmte Ausgangslage einnimmt. Diese Ausgangslage ist in Abhängigkeit 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 verläuft 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 in diesem ein entsprechendes (sekundäres) Signal hervorruft.
2 zeigt einen Schnitt durch eine entsprechende Ausführungsform einer Koppeleinrichtung 2. Ein als Substrat 7 dienender Si-Wafer ist mit einer Isolationsschicht 20 aus SiO₂ überzogen, die einen Sensor S trägt. Der Sensor ist von einer den Aufbau einebnenden Passivierungsschicht 21 aus Al₂O₃ ab gedeckt. Auf dieser Passivierungsschicht befindet sich eine erste Isolationsschicht 11a aus einem Polymer, auf deren Oberseite ein als Strompfad dienendes Leiterelement 10 aus Al 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 weichmagnetischen Schicht 22 z. B. aus einer NiFe-Legierung wie Permalloy abgedeckt. Diese Schicht dient vorteilhaft zu einer magnetischen Schirmung gegen externe Störfelder 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 erfindungsgemäße Koppeleinrichtung gegen störende externe Magnetfelder auch auf der Substratseite z. B. durch mindestens eine zusätzliche Permalloy-Schicht abzuschirmen. Diese zusätzliche Schirmschicht kann sich insbesondere 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 in der aus 3 hervorgehenden schematisierten und schaltungstechnisch ergänzten Draufsicht auf den Aufbau nach 1 mit s2 bezeichnet, während dem (primären) Signal des Leiterelementes 10 das Bezugszeichen s1 zugeordnet ist. Das sekundäre Signal s2 wird aus dem an dem Mehrschichtensystem des Sensorelementes entnommenen, in einem Verstärker 8 nachverstärkten Signal gewonnen. Die Signalübertragung kann dabei mit hoher Datenübertragungsrate (> 100 MBd) erfolgen.
In der Figur ist das von der Isolationsschicht 11 abgedeckte Mehrschichtensystem des Sensorelementes S zu dessen galvanischer Trennung gegenüber dem Leiterelement 10 gestrichelt eingezeichnet.
Bei dem in 4 im Schnitt angedeuteten Aufbau einer erfindungsgemäßen Koppeleinrichtung 12 ist für deren Sensorele ment 5 als Ausführungsbeispiel ein magnetoresistives Mehrschichtensystem zugrunde gelegt, wie es für an sich bekannte GMR-Sensorelemente vorgesehen wird (vgl. z. B. EP 0 483 373 A1 , DE 42 32 244 A1 , DE 42 43 357 A1 oder WO 94/15223 A). Die Einrichtung 2 enthält deshalb ein in bekannter Weise in Dünnfilmtechnik erstelltes Mehrschichtensystem 3, das einen erhöhten magnetoresistiven Effekt ΔR/R zeigt. Der magnetoresistive Effekt des Mehrschichtensystems soll dabei gegenüber bekannten magnetoresistiven Einschichtsystemen größer (erhöht) sein (vgl. EP 0 490 608 A2 oder EP 0 346 817 B1 ). Er ist deshalb im Allgemeinen mindestens einige Prozent (bei Raumtemperatur) groß und beträgt beispielsweise mindestens 3 %. Das zu verwendende Mehrschichtensystem ist als so genanntes Hart-Weich-System mit magnetisch härteren und weicheren Schichtteilen oder Schichten ausgebildet. Die Größe ΔR des magnetoresistiven Effektes stellt dabei in 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 Größe R ist der elektrische Widerstand bei entsprechender paralleler Ausrichtung. Der magnetisch härtere Schichtteil dieses Mehrschichtensystems kann insbesondere als ein so genannter künstlicher Antiferromagneten AAF (Artificial Antiferromagnet) ausgebildet sein (vgl. die genannte WO 94/15223 A), der sich wie ein Permanentmagnet verhält 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 Nettomoments wird im Produktionsprozess in eine bestimmte Richtung aufmagnetisiert (wie ein Permanentmagnet), und diese Richtung dient als Bezugsrichtung des Mehrschichtensystems 3. Im vorliegenden Fall ist der künstliche Antiferromagnet AAF symmetrisch ausgebildet, d.h., er weist eine mittlere Biasschicht 4 und zwei von dieser durch nicht-magnetische Kopp lungsschichten 4a bzw. 4a' getrennte äußere Magnetschichten 4b bzw. 4b' auf. Die Magnetisierungen der magnetischen Schichten 4 und 4b, 4b' sind durch gepfeilte Linien m_b bzw. m_mb angedeutet, wobei die stärkere Magnetisierung m_b der mittleren Biasschicht 4 durch eine größere Pfeillänge veranschaulicht sein soll. Dem Nettomoment der Magnetisierung des gesamten künstlichen Antiferromagneten AAF sei nachfolgend das Bezugszeichen m_aaf 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 dargestellten Ausführungsbeispiel zwei weichmagnetische Messschichten 6 und 6' symmetrisch um den künstlichen Antiferromagneten AAF angeordnet.
Im vorliegenden Fall gibt es eine magnetische Kopplung zwischen der jeweiligen Messschicht und dem jeweils zugeordneten Biasschichtteil, so dass das Signal eine Feldabhängigkeit zeigt (vgl. die 6 und 7). Bei größeren Feldern (über etwa 5 kA/m) geht das Signal in die magnetische Sättigung über. Die sich dabei ergebende Signalform ist zwar nicht besonders 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 1 oder 4 hervorgeht, wird das externe magnetische Signalfeld H (bzw. Magnetfeld) durch einen Strom I in einem elektrischen Leiterelement 10 erzeugt, der dem magnetoresistiven Mehrschichtensystem 3 zugeordnet ist und beispielsweise über zumindest eine der Messschichten 6 und/oder 6' hinweg insbesondere zumindest annähernd orthogonal verläuft. Gegebenenfalls kann aber auch das Leiterelement 10 zumindest annähernd parallel zu dem im Allgemeinen streifenförmig ausgebildeten Mehrschichtensystem 3 verlaufen (vgl. z. B. 3). Die gegenseitige Ausrichtung von Leiterelement und Mehrschichtensystem hängt dabei von der intrinsischen Vorzugslage ab. Darüber hinaus ist es aber auch möglich, die Leiterbahn nicht genau senkrecht oder parallel zu dem streifenförmigen Mehrschichtensystem verlaufen zu lassen, sondern eine demgegenüber leichte Abweichung um einen Winkel von bis zu ± 15° vorzusehen. Damit lässt sich bei der Ummagnetisierung eine Drehung der Magnetisierung an Stelle eines Zerfalls in Domänen bewirken. Ein derartiger Domänenzerfall kann sich nämlich ungünstig 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. Sein Signalfeld H wirkt in gleicher Weise auf das gesamte Sensorelement (bzw. das Mehrschichtensystem 3). Das Sensorelement ist dabei verhältnismäßig dünn (unter etwa 100 nm) im Vergleich zu der wesentlich dickeren Isolationsschicht 11 (mehrere 100 nm bis einige μm). Die entsprechenden Dickenverhältnisse sind in den 1 und 4 nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. Durch das Signalfeld H werden dann die Magnetisierungen der magnetisch weicheren Messschichten ausgerichtet, während die magnetisch härteren Schichten des Biasschichtteils unverändert bleiben. D.h., das Signalfeld H bestimmt dann die Richtung der durch einen gestrichelten Pfeil angedeuteten Magnetisierung m_me in jeder Messschicht.
Die magnetische Kopplung zwischen der jeweiligen Messschicht und dem jeweils zugeordneten Biasschichtteil oszilliert zwischen den verschiedenen Kopplungsarten in an sich bekannter Weise in 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 5' so groß gewählt, z. B. über 2,3 nm bei Cu-Zwischenschichten 5 bzw. 5' 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 in einem externen Magnetfeld drehen. Dies bedeutet auch, dass die Magnetisierungen der Messschichten in der Position stehen bleiben, in der das externe Magnetfeld ausgeschaltet wird. Diese Eigenschaft ist für die Realisierung einer magnetischen Koppeleinrichtung unerwünscht. Deshalb ist bei dem erfindungsgemäßen Mehrschichtensystem 3 sichergestellt, dass nach jedem von einem externen Magnetfeld erzeugten Signalpuls die Messschichten in einen festen Ausgangszustand mit definiertem Signalpegel zurückkehren, wobei ihre Magnetisierung m_me dann eine vorbestimmte Ausgangslage hat bzw. in diese zurückkehrt.
Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Koppeleinrichtung 12 wird dies dadurch erreicht, dass die weichmagnetischen Messschichten 6 und 6' durch Begrenzung der Dicke d der Zwischenschichten 5 bzw. 5' an den künstlichen Antiferromagneten AAF oder einen anderen Biasschichtteil magnetisch angekoppelt werden. Vorteilhaft ist dabei, dass gegenüber 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 Ausführungsbeispiele zugrunde gelegte, in Dünnschicht-Technik zu erstellende Mehrschichtensystem mit erhöhtem magnetoresitiven Effekt ist die Verwendung eines Biasschichtteils in Form eines künstlichen Antiferromagneten als besonders vorteilhaft anzusehen. Es ist jedoch auch möglich, den Biasschichtteil nur durch eine einzige, gegenüber der magnetisch weicheren Messschicht magnetisch härteren Schicht zu bilden. Ein geeigneter Biasschichtteil kann auch aus einem so genannten „natürlichen" Antiferromagneten 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 so genannten „Spin Valves" her bekannt. Selbstverständlich lassen sich auch Biasschichtteile aus einer Kombination von künstlichem Antiferromagnet AAF und natürlichem Antiferromagnet NAF vorsehen. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in 5 angedeutet. Beim Mehrschichtensystem dieser allgemein mit 24 bezeichneten Koppeleinrichtung wird von dem der in 4 dargestellten Einrichtung ausgegangen. Das Mehrschichtensystem befindet sich auf einem Substrat 7 mit es abdeckender Isolationsschicht 20 z. B. gemäß 2. Das Mehrschichtensystem der Koppeleinrichtung 24 enthält die einfachste Form eines künstlichen Antiferromagneten AAF mit asymmetrischem Aufbau, der zwei ferromagnetische Schichten 4 und 4b unterschiedlicher magnetischer Härte sowie eine dazwischenliegende nicht-magnetische Zwischenschicht 4a umfasst. Zusätzlich ist hier auf der der weichmagnetischen Messschicht 6 abgewandten Seite dieses künstlichen Antiferromagneten AAF noch eine einen natürlichen Antiferromagneten NAF bildende Schicht 25 z. B. aus IrMn angebracht.
In 5 ist zwar eine Magnetisierung des natürlichen Antiferromagneten NAF mit m_naf bezeichnet, obwohl ein natürlicher Antiferromagnet an sich keine makroskopische Magnetisierung aufweist. Vielmehr ist jede seiner Gitternetzebenen antiparallel zur nächsten (benachbarten) Gitternetzebene orientiert. Dies soll in 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, in dem 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 künstlichen Antiferromagneten ist es stattdessen auch möglich, einen natürlichen Ferrimagneten wie z. B, in Form einer FE₃O₄-Schicht vorzusehen.
Gemäß einer ersten möglichen Ausführungsform für ein Mehrschichtenssystem 3 einer erfindungsgemäßen Koppeleinrichtung 12 oder 24 wird eine mittelstarke, parallele oder antiparallele Kopplung zwischen der mindestens einen Messschicht und dem zugeordneten Biasschichtteil in Form eines künstlichen Antiferromagneten AUF oder einer Kombination eines solchen mit einem natürlichen Antiferromagneten NAF angestrebt. Die hierfür zu wählende Schichtdicke d sei anhand eines konkreten Ausführungsbeispieles für die Ausführungsform nach 4 erläutert, wobei auf das Diagramm der 6 Bezug genommen wird. In diesem Diagramm ist in Ordinatenrichtung die magnetische Verschiebung H_b (in kA/m) der Hysteresiskurve der weichmagnetischen Schicht 6 bzw. 6' relativ zur Magnetfeldstärke Null und in Abszissenrichtung die Dicke d (in nm) einer Cu-Zwischenschicht 5 aufgetragen. Die Größe H_b ist ein Maß für die Stärke 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 erfindungsgemäße Koppeleinrichtung können folglich im Fall von Cu-Zwischenschichten 5 bzw. 5' 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 7 bis 9 ist ein Mehrschichtensystem 3 gemäß 4 zugrunde gelegt, bei dem verschiedene Dicken d der Zwischenschichten 5 und 5' angenommen wurden. Das Mehrschichtensystem lässt sich folgendermaßen schreiben, wobei die Indizes die jeweiligen Schichtdicken in nm wiedergeben: (Fe₆Co_0,5)Cu_x[Co_1,2Cu₁Co_3,6Cu₁Co_1,2]Cu_x(Co_0,5Fe₃)Cu₄ .
Dabei stellen die Schichten in den runden Klammern die Messschichten 6' bzw. 6, die Schichten in der eckigen Klammer die Schichten 4b 4a', 4, 4a, 4b des künstlichen Antiferromagneten AAF, die Schichten Cu_x die Zwischenschichten 5' bzw. 5 und die äußere Schicht Cu₄ eine Schutzschicht dar.
Die Diagramme der 7 zeigen den magnetoresistiven Effekt ΔR/R (in %) in Abhängigkeit von der Feldstärke H (in kA/m) eines externen Signalfeldes für den Fall, dass dieses Signalfeld senkrecht zur Nettomagnetisierung m_aaf des künstlichen Antiferromagneten gerichtet ist. Der Kurvenverlauf des oberen Diagramms ergibt sich für eine Dicke d einer Cu-Zwischenschicht 5 von 2,0 nm, während der Kurvenverlauf des unteren Diagramms für eine Dicke d von 2,2 nm erhalten wird. Wie aus 5 hervorgeht, erhält man ein Signal von ca. 1,2 % bzw. 1,8 %, das symmetrisch zur Nulllage ist.
Einen höheren Signalhub von über 3 % erreicht man, wenn die Signalleitung in Form des elektrischen Leiterelementes 10 so über dem Mehrschichtensystem 3 angeordnet wird, dass der Leiterstrom I in Richtung der Magnetisierung m_aaf des künstlichen Antiferromagneten AAF wirkt. 8 zeigt in Diagrammen entsprechend 7 die zu erhaltenden Werte. Hierbei wurden Cu-Zwischenschichtdicken von 2,0 nm zugrunde gelegt und nur ein Magnetfeld in positiver Richtung angelegt.
Aus den Diagrammen der 9 gehen in 6 entsprechender Darstellung die Signalwerte hervor, die sich in Abhängigkeit der Dicke d der Cu-Zwischenschicht 5 für ein externes Signalfeld H parallel zur Magnetisierung m_aaf (oberes Diagramm) und für einen senkrechten Verlauf (unteres Diagramm) ergeben. Auch diese Diagramme zeigen, dass für Cu-Zwischenschichten Schichtdicken d von höchstens 2,4 nm, vorteilhaft darunter, zu wählen sind, wenn man eine mittelstarke, ferromagnetische Kopplung anstrebt. Lässt man jedoch eine (sehr schwache) antiferromagnetische Kopplung zu, dann sind auch Schichtdicken d über 2,4 nm möglich.
Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen wurde davon ausgegangen, dass in der mindestens einen Messschicht 6 oder 6' die vorbestimmte Ausgangsrichtung der Magnetisierung m_me durch eine magnetische (ferromagnetische oder antiferromagnetische) Kopplung der Messschicht an den magnetisch härteren Biasschichtteil bzw. künstlichen Antiferromagneten AAF (mit oder ohne zusätzlichem natürlichen Antiferromagneten NAF) mittels geeigneter Wahl der Dicke d der zugeordneten Zwischenschicht 5 bzw. 5' gewährleistet wird.
Selbstverständlich ist es gemäß einer weiteren Ausführungsform für ein Mehrschichtensystem auch möglich, dass ein gerichtetes magnetisches Zusatzfeld (Hintergrundfeld) vorgesehen wird, das die vorbestimmte Ausgangsrichtung der Messschichtmagnetisierung m_me vor und nach Einwirkung des externen magnetischen Signalfeldes bewirkt. Zur Erzeugung einer entsprechenden Rückstellkraft auf die Messschicht bei Abschaltung des externen Signalfeldes sollte das Zusatzfeld zweckmäßig zumindest annähernd senkrecht zur Magnetisierung m_aaf des künstlichen Antiferromagneten AAF gerichtet sein. In 4 ist für ein solches Zusatzfeld H_z die übliche Symboldarstellung der Feldrichtung gewählt. Abweichend von der Darstellung kann das Zusatzfeld H₂ auch antiparallel zum Signalfeld gerichtet sein.
Neben den vorstehend geschilderten Maßnahmen zur Einstellung einer Ausgangslage der Magnetisierung m_me der mindestens einen Messschicht 6 oder 6' ist es als weitere Ausführungsform eines Mehrschichtensystems auch möglich, bei fehlendem Signalfeld H in eine bestehende Messschicht eine uniaxiale Anisotropie einzuprägen. Dies kann beispielsweise durch eine magnetfeldinduzierende Behandlung während des Abscheidens des Messschichtmaterials oder durch ein Nachglühen in einem Magnetfeld erfolgen. Als Messschichtmaterial kommt vorzugsweise eine Legierung wie z. B. Permalloy in Frage.
Ferner kann ohne weiteres auch daran gedacht werden, die verschiedenen, vorstehend erwähnten Maßnahmen zur Einstellung und Rückstellung einer Ausgangsrichtung der Messschichtmagnetisierung 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 Ausführung der erfindungsgemäßen Koppeleinrichtung kann es vorteilhaft sein, wenn diese mit mehreren der erfindungsgemäß gestalteten, vorzugsweise in einer zumindest weitgehend gemeinsamen Ebene liegenden Sensorelementen beispielsweise in Form einer Brückenanordnung aufgebaut wird. Diese Brückenanordnung kann insbesondere als eine Wheatstone-Brücke verschaltet sein. Hiermit sowie mit einer geeigneten elektrischen Sensorelementversorgung lassen sich dann Temperatureinflüsse des Grundwiderstandes der Brücke und des magnetoresistiven Effektes eliminieren, zumindest aber drastisch reduzieren. Dies ist auch für eine Signalauswertung sinnvoll, da dann ein so genannter „Offset" wegfällt. Der sukzessive Aufbau einer entsprechenden Brückenanordnung in bekannter Dünnfilmtechnik ist nachfolgend in den 10 bis 13 als ein mögliches Ausführungsbeispiel angedeutet:
Auf einem Substrat 7 werden zunächst die erforderlichen Verbindungsleiterbahnen 13i für die Sensorelemente mit den dazugehörenden Kontaktierungs- oder Anschlussflächen 14a bis 14d aufgebracht (10). Daran anschließend werden die Mehrschichtsysteme der vier Sensorelemente S1 bis S4 der Brückenanordnung zumindest weitgehend in einer gemeinsamen Ebene ausgebildet (11). Diese durch verstärkte Linien angedeuteten, streifenförmigen Sensorelemente sind im wesentlichen U- oder mäanderförmig mit zwei parallelen Längsseiten gestaltet. Der so gewonnene Aufbau wird dann bis auf die Bereiche der Kontaktierungsflächen 14a bis 14d mit einer nicht dargestellten Isolation abgedeckt. Auf die Oberfläche dieser Isolation wird nun eine elektrische Leiterbahn in Form einer Flachspule 15 mit Kontaktierungsflächen 16a und 16b zur Erzeugung eines magnetischen Signalfeldes mittels Stromflusses aufgebracht (12). Teile der Leiterbahn der Flachspule verlaufen dabei orthogonal über die einzelnen Sensorelemente. Nach der Isolation des so erhaltenen Aufbaus ist anschließend noch eine magnetische Schirmung gemäß 2 vorgesehen:
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 (13).
Neben der für das vorstehende Ausführungsbeispiel nach den 10 bis 13 angenommenen Brückenordnung in Form einer Vollbrücke können geeignete Brückenanordnungen auch als Teilbrücken hiervon, z. B. in Form von Halbbrücken aufgebaut werden. Zum Aufbau von Wheatstone-Brücken werden Sensorelemente benötigt mit entgegengesetztem Signal; dies lässt sich in diesem Fall beispielsweise durch eine unterschiedliche Magnetisierung oder durch eine unterschiedliche Stromrichtung der einzelnen Elemente erreichen. Es ist auch möglich, Brückensysteme 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 Mehrschichtensystems in der erfindungsgemäßen 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 Ausführungsbeispielen 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 Al₂O₃. 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

Magnetische Koppeleinrichtung (2, 12, 24) mit a) wenigstens einem ein magnetisches Signalfeld (H) mittels Stromfluss' erzeugenden elektrischen Leiterelement (10), b) mit mehreren dem Leiterelement zugeordneten, von diesem galvanisch getrennten, magnetfeldempfindlichen Sensorelementen (S), die zu einer Voll- oder Teilbrücke angeordnet sind und jeweils ein einen erhöhten magnetoresistiven Effekt zeigendes Mehrschichtensystem (3) umfassen mit jeweils – mindestens einer weichmagnetischen Messschicht (6, 6'), deren Magnetisierung (m_me) bei fehlendem Signalfeld (H) eine von der Vorzugsachse der Magnetisierung dieser Schicht abhängende vorbestimmte Ausgangslage hat, – mindestens einem vergleichsweise magnetisch härteren Biasschichtteil mit wenigstens einer weiteren ferromagnetischen Schicht (4, 4b, 4b'), sowie – mindestens einer dazwischen angeordneten nicht-magnetischen Zwischenschicht, über welche die mindestens eine Messschicht (6, 6') magnetisch an der mindestens einen Biasschichtteil gekoppelt ist, und c) mindestens einer weichmagnetischen Schicht (22) als Abschirmungsmittel gegen externe magnetische Störfelder an der dem jeweiligen Mehrschichtensystem (3) abgewandten Seite des wenigstens einen Leiterelementes (10).
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Biasschichtteil als ein mehrschichtiger künstlicher Antiferromagnet (AAF) und/oder ein natürlicher Antiferromagnet (NAF) oder Ferrimagnet mit gekoppelter Magnetschicht (25) ausgebildet ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung durch eine vorbestimmte Dicke (d) der nicht-magnetischen Zwischenschicht (5, 5') eingestellt ist.
Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch mindestens eine Zwischenschicht (5, 5') aus Cu mit einer Dicke (d) von höchstens 2,4 nm.
Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Ausgangslage der Magnetisierung (m_me) der mindestens einen Messschicht (6, 6') bei fehlendem Signalfeld (H) durch ein gerichtetes magnetisches Zusatzfeld (H_z) beeinflussbar ist.
Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Ausgangslage der Magnetisierung (m_me) der mindestens einen Messschicht (6, 6') durch Einprägung einer uniaxialen Anisotropie in der Messschicht beeinflussbar ist.
Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Ausgangslage der Magnetisierung (m_me) der mindestens einen Messschicht (6, 6') durch deren geometrische Form beeinflussbar ist.
Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrschichtensystem als ein magnetoresistives Tunnelelement ausgebildet ist.
Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anordnung der Sensorelemente zumindest weitgehend in einer gemeinsamen Ebene.
Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Integration mit Bauteilen der Siliziumtechnologie.
Verwendung der Koppeleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche als ein Stromsensor.