DE102005009390B3

DE102005009390B3 - Kraftsensor, Verfahren zur Ermittlung einer auf einen Kraftsensor wirkenden Kraft mittels eines Mehrschichtsystems aus magnetischen Schichten

Info

Publication number: DE102005009390B3
Application number: DE102005009390A
Authority: DE
Inventors: Stephan Schmitt; Bernhard Winkler; Jürgen Dr. Zimmer; Joachim Dr. Wecker; Manfred Dr. Rührig; Eckhard Dr. Quandt
Original assignee: Infineon Technologies AG; Stiftung Caesar Center of Advanced European Studies and Research
Current assignee: Infineon Technologies AG; Stiftung Caesar Center of Advanced European Studies and Research
Priority date: 2005-03-01
Filing date: 2005-03-01
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2025-03-02
Also published as: US20060251928A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor mit einer Schichtfolge mit wenigstens zwei in einer vertikalen Richtung (z) aufeinander folgend und zueinander beabstandet angeordneten, elektrisch leitenden, magnetischen Schichten (11, 12, 13, 14, 15), wobei zwischen zwei benachbart angeordneten magnetischen Schichten (11, 12; 12, 13; 13, 14; 14, 15) jeweils eine Trennschicht (21, 22, 23, 24) angeordnet ist und wobei
- benachbart angeordnete magnetische Schichten (11, 12; 12, 13; 13, 14; 14, 15) von Null verschiedene Magnetostriktionskonstanten (λ1, λ2, λ3) mit unterschiedlichen Vorzeichen aufweisen,
- jede der magnetischen Schichten (11, 12, 13, 14, 15) eine Magnetisierungsrichtung (M1, M2, M3) aufweist und
- im Ruhezustand der Schichtfolge die Magnetisierungsrichtungen (M1, M2, M3) zweier benachbarter magnetischer Schichten (11, 12; 12, 13; 13, 14; 14, 15) infolge ferromagnetischer Kopplung (FM) im Wesentlichen parallel oder infolge antiferromagnetischer Kopplung (AFM) im Wesentlichen antiparallel ausgerichtet sind.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Ermittlung der mechanischen Verformung in einer ersten Richtung eines Trägers (31), einen Drucksensor mit einer solchen Anordnung sowie ein Verfahren zur Ermittlung einer auf einen Kraftsensor (1) wirkenden Kraft.

Description

Kraftsensor, Verfahren zur Ermittlung einer auf einen Kraftsensor wirkenden Kraft mittels eines Mehrschichtsystems aus magnetischen Schichten Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor und ein Verfahren zur Ermittlung einer auf einen Kraftsensor wirkenden Kraft mittels eines Mehrschichtsystems mit magnetostriktiven Schichten.

Derartige Mehrschichtsysteme nutzen den Effekt, dass sich ihr elektrischer Widerstand unter Einwirkung einer äußeren Kraft verändert. Ein solches Mehrschichtsystem umfasst zwei oder mehr magnetische Schichten. Bei einer Verformung des Mehrschichtsystems, z. B. unter Einwirkung einer äußeren Zug- oder Druckkraft, verändern sich die Magnetisierungsrichtungen der einzelnen magnetischen Schichten.

Betrachtet man beispielsweise ein System mit zwei solchen magnetischen Schichten, so verändert sich der elektrische Widerstand des Systems in Abhängigkeit von dem Winkel, den die Magnetisierungsrichtungen der beiden Schichten einschließen.

Aus dem Artikel S. Dokupil et. al.: "Positive/negative magnetostrictive GMR trilayer systems as strain gauges" Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Elsevier B.V., 18. Januar 2005, ist die Verwendung eines GMR-3-Schichtsystems als Dehnungssensor bekannt. Dabei ist der Dehnungssensor in einem äußeren Magnetfeld angeordnet.

Die 199 49 714 A1 betrifft einen auf dem GMR- oder dem TMR-Effekt basierenden magnetischen Sensor zur berührungslosen Erfassung von Weg, Geschwindigkeit und Winkelgeschwindigkeit sowie davon abgeleiteter Messgrößen. Der Sensor umfasst mindestens zwei auf einem Substrat erzeugte magnetoresistive Schichtsysteme. Jedes Schichtsystem weist mindestens eine Referenzschicht auf, deren Magnetisierungsrichtung von äußeren Feldern möglichst wenig beeinflussbar ist, sowie mindestens eine Detektionsschicht, deren Magnetisierungsrichtung unter Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes veränderlich ist.

Die DE 103 19 319 A1 zeigt eine Sensoreinrichtung mit einem auf dem TMR-Effekt basierenden magnetostriktiven Kraftsensor zur Ermittlung einer in einer vorgegebenen Richtung wirkenden äußeren Kraft mit einer magnetischen Detektionsschicht und einer magnetisch härteren Referenzschicht. In der Detektionsschicht ist eine Ausgangsmagnetisierung eingestellt, die gegenüber der zumindest annähernd in die Kraftrichtung weisenden Magnetisierung der Referenzschicht einen Winkel von ungleich 0° einschließt.

Aus der US 6,694,822 B1 ist die Verwendung eines Mehrlagen-Dünnfilmsystems als Kraftsensor bekannt. Dabei sind ferromagnetische Schichten und nichtmagnetische, leitfähige Schichten abwechselnd aufeinanderfolgend angeordnet. In einem Ausgangszustand ohne Einwirkung einer äußeren Zug- oder Druckkraft sind die Magnetisierungsrichtungen der ferromagnetischen Schichten zunächst bevorzugt parallel zueinander ausgerichtet. Durch einen elektrischen Stromfluss innerhalb des Schichtsystems werden die Magnetisierungsrichtungen der ferromagnetischen Schichten in eine vorzugsweise antiparallele Ausrichtung zueinander gedreht. Dies stellt den Ausgangszustand dar, von dem ausgehend eine Kraft gemessen wird.

Wirkt auf den im Ausgangszustand befindlichen Kraftsensor eine äußere Kraft, so werden die Magnetisierungsrichtungen benachbarter magnetischer Schichten aus ihrer parallelen bzw. antiparallelen Anordnung herausgedreht, so dass sie einen Winkel einschließen, der größer ist als 0° und kleiner als 180°. Mit dem Winkel zwischen den Magnetisierungsrichtungen benachbarter magnetischer Schichten ändert sich der elektrische Widerstand des Dünnfilmsystems, so dass aus dem Widerstand auf die wirkende äußere Kraft geschlossen werden kann.

Im Ausgangszustand des Kraftsensors, d. h. in Abwesenheit äußerer Kräfte, werden die Magnetisierungsrichtungen benachbarter magnetischer Schichten mittels eines den Kraftsensor durchfließenden elektrischen Bias-Stromes antiparallel ausgerichtet. Ausgehend von diesem Zustand werden die mit dem Kraftsensor zu ermittelnden Kräfte gemessen. Ohne Bias-Strom und ohne äußere Kräfte sind die Magnetisierungsrichtungen benachbarter magnetischer Schichten parallel zueinander ausgerichtet.

Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass das Mehrschichtsystem mit einem Strom beaufschlagt werden muss, der zu einer signifikanten Temperaturerhöhung des Schichtsystems und somit zu Messfehlern führen kann. Zur Vermeidung dieses Nachteils wird vorgeschlagen, den Bias-Strom gepulst zu applizieren. Dies erfordert allerdings eine aufwendigere Messschaltung.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen eine Schichtfolge aus magnetischen Schichten aufweisenden Kraftsensor, eine Anordnung und einen Drucksensor mit einem solchen Kraftsensor sowie ein Verfahren zur Ermittlung einer auf einen solchen Kraftsensor wirkenden Kraft bereitzustellen, ohne dass sich der Kraftsensor im Ausgangszustand signifikant erwärmt.

Diese Aufgabe wird durch einen Kraftsensor gemäß Anspruch 1, durch eine Anordnung gemäß Anspruch 16, durch einen Drucksensor gemäß Anspruch 19 sowie durch ein Verfahren zur Ermitt lung der auf einen Kraftsensor wirkenden Kraft gemäß Anspruch 15 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Der erfindungsgemäße Kraftsensor weist eine Schichtfolge mit wenigstens zwei in einer vertikalen Richtung aufeinanderfolgend und beabstandet zueinander angeordneten, elektrisch leitenden, magnetischen Schichten auf. Zwischen zwei benachbart angeordneten magnetischen Schichten ist jeweils eine bevorzugt nichtmagnetische Trennschicht angeordnet.

Die magnetischen Schichten sind aus magnetostriktivem, bevorzugt weichmagnetischem Material gebildet. Benachbarte magnetische Schichten weisen von Null verschiedene Magnetostriktionskonstanten mit unterschiedlichen Vorzeichen auf.

Des Weiteren weist jede der magnetischen Schichten eine Magnetisierungsrichtung auf, wobei im Ruhezustand der Schichtfolge die Magnetisierungsrichtungen zweier benachbarter magnetischer Schichten infolge ferromagnetischer Kopplung im Wesentlichen parallel oder infolge antiferromagnetischer Kopplung im Wesentlichen antiparallel ausgerichtet sind.

"Ruhezustand" bedeutet dabei, dass die Schichtfolge nicht mit einem Strom beaufschlagt ist und dass auf diese weder eine äußere Kraft noch ein äußeres Magnetfeld einwirkt, um eine definierte Ausrichtung der Magnetisierungsrichtungen der magnetischen Schichten zu erreichen.

Bei dem erfindungsgemäßen Kraftsensor wird die im Ruhezustand parallele bzw. antiparallele Ausrichtung der Magnetisierungsrichtungen benachbarter magnetischer Schichten mittels ferromagnetischer bzw. antiferromagnetischer Kopplung erreicht. Bei ferromagnetischer Kopplung zweier magnetischer Schichten sind deren Magnetisierungen parallel, bei antiferromagnetischer Kopplung antiparallel ausgerichtet.

Durch diese Art der Kopplung benachbarter magnetischer Schichten kann auf ein System mit einer festgehaltenen Austauschmagnetisierungsschicht (Spin-Valve-Struktur) verzichtet werden.

Ob benachbarte Schichten ferromagnetisch oder antiferromagnetisch koppeln ergibt sich aus der RKKY-Wechselwirkung (Rudermann-Kittel-Kasuyda-Yosida-Wechselwirkung) und hängt insbesondere vom Abstand der benachbarten magnetischen Schichten ab. Infolge der RKKY-Wechselwirkung kommt es mit zunehmendem Abstand zweier magnetischer Schichten alternierend zu ferromagnetischer und antiferromagnetischer Kopplung dieser Schichten.

Damit lässt sich die Art der magnetischen Kopplung zweier benachbarter magnetischer Schichten durch deren Abstand gezielt einstellen. Hierzu sind nicht- oder nur schwachmagnetische Trennschichten vorgesehen, die zwischen den magnetischen Schichten angeordnet sind und deren Dicken geeignet gewählt sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Magnetisierungsrichtungen benachbarter magnetischer Schichten der Schichtfolge im Ruhezustand infolge antiferromagnetischer Kopplung im Wesentlichen antiparallel ausgerichtet.

Ebenso können die Magnetisierungsrichtungen aller magnetischer Schichten der Schichtfolge im Ruhezustand infolge ferromagnetischer Kopplung im Wesentlichen parallel ausgerichtet.

Die magnetischen Schichten weisen bevorzugt eine magnetische, besonders bevorzugt eine uniaxiale magnetische Anisotropie auf. Eine solche uniaxiale magnetische Anisotropie weist den Vorteil auf, dass die Magnetisierungsrichtungen im Ruhezustand einen definierten Anfangszustand einnehmen. Des weite ren bewirkt eine derartige uniaxiale magnetische Anisotropie bei aus ihrer Ruhelage ausgelenkten Magnetisierungsrichtungen eine Rückstellkraft.

Eine solche uniaxiale magnetische Anisotropie lässt sich auf verschiedene Art erreichen.

Zum Einen kann eine uniaxiale magnetische Anisotropie durch die geometrische Form der Schichtfolge erreicht werden. Besitzt die Schichtfolge beispielsweise eine langgestreckte Form, so richten sich die Magnetisierungsrichtungen parallel zur Längsachse der Schichtfolge aus. Eine solche Anisotropie wird auch als magnetischen Formanisotropie bezeichnet.

Alternativ oder zusätzlich zu einer Formanisotropie kann eine uniaxiale magnetische Anisotropie auch durch Magnetfeldglühung oder durch Abscheidung der magnetischen Schichten in einem (Bias-)Magnetfeld erreicht werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Schichtfolge in einer zur vertikalen Richtung senkrechten ersten lateralen Richtung eine solche Länge und in einer zu der vertikalen Richtung und zu der ersten lateralen Richtung senkrechten zweiten lateralen Richtung eine solche Breite auf, dass das Verhältnis zwischen der Länge und der Breite größer ist als 2:1. Die Breite liegt bevorzugt im Bereich von 0,2 μm bis 200 μm, besonders bevorzugt im Bereich 0,5 μm bis 15 μm. Durch eine derart langgestreckte Form der Schichtfolge wird eine Formanisotropie mit parallel oder antiparallel zu der ersten lateralen Richtung ausgerichteten benachbarten magnetischen Schichten im Ruhezustand der Schichtfolge begünstigt.

Bei Einwirkung einer äußeren Kraft auf die Schichtfolge kommt es infolge inverser Magnetostriktion zu einer Veränderung der relativen Ausrichtung der Magnetisierungsrichtungen benachbarter magnetischer Schichten und damit einhergehend zu einer Änderung des elektrischen Widerstandes der Schichtfolge. Somit kann aus dem elektrischen Widerstand der Schichtfolge auf die einwirkende Kraft geschlossen werden.

Die zwischen den magnetischen Schichten angeordneten Trennschichten sind vorzugsweise aus nicht oder nur schwach magnetischem Material gebildet und können elektrisch leitend oder elektrisch isolierend sein.

Im Fall elektrisch leitender Trennschichten beruht die elektrische Widerstandsänderung der Schichtfolge auf dem gigantischen magnetoresistiven Effekt (GMR-Effekt). Eine durch Einwirkung einer äußeren Kraft auf die Schichtfolge bewirkte elektrische Widerstandsänderung der Schichtfolge kann in jeder beliebigen Richtung der Schichtfolge gemessen werden. Bei länglich ausgebildeten Schichtfolgen wird der elektrische Widerstand jedoch bevorzugt in Längsrichtung gemessen.

Die Trennschichten können jedoch andererseits auch aus elektrisch isolierendem Material gebildet sein. In diesem Fall kommt der tunnel-magnetoresistive Effekt (TMR-Effekt) zum Tragen. Beim TMR-Effekt wird der elektrische Widerstand in der vertikalen Richtung, also senkrecht zu den Trennschichten und den magnetischen Schichten, gemessen. Dabei wirkt eine zwischen zwei magnetischen Schichten angeordnete Trennschicht zunächst als Isolator. Ist die Trennschicht jedoch ausreichend dünn ausgebildet, so können infolge des Tunnel-Effekts Elektronen durch die Trennschicht hindurchtreten.

Sowohl beim GMR-Effekt als auch beim TMR-Effekt ändert sich der elektrische Widerstand der Schichtfolge in Abhängigkeit von der relativen Ausrichtung der Magnetisierungsrichtungen benachbarter magnetischer Schichten. Bei beiden Effekten liegt der kleinste Widerstand zwischen zwei benachbarten magnetischen Schichten dann vor, wenn deren Magnetisierungsrichtungen einen Winkel von 0° einschließen, also parallel zueinander ausgerichtet sind. Der größte Widerstand tritt auf, wenn die Magnetisierungsrichtungen einen Winkel von 180° einschließen, d.h. wenn sie antiparallel zueinander ausgerichtet sind.

Die auftretende Widerstandsänderung ist bei gleicher Kraft und gleicher Kopplung benachbarter magnetischer Schichten dabei umso größer, je größer die Beträge der Magentostriktionskonstanten der gekoppelten Schichten ist. Die Beträge der Magentostriktionskonstanten der magnetischen Schichten sind vorzugsweise größer als 0,00001.

Eine derartige, durch die Änderung der relativen Ausrichtung der Magnetisierungsrichtungen benachbarter magnetischer Schichten bedingte Widerstandsänderung wird vor allem im Übergangsbereich zwischen den benachbarten magnetischen Schichten verursacht. Um die durch eine bestimmte äußere Krafteinwirkung auf eine Schichtfolge bewirkte Widerstandsänderung zu erhöhen, ist es vorteilhaft, wenn die Schichtfolge mehrere benachbarte Schichtfolgen aufweist, sofern deren Magnetisierungsrichtungen geeignet gewählt sind. Solange dabei die Gesamtdicke der Schichtfolge geringer ist als die charakteristische freie Weglänge für einen Spinflip der Elektronen, kann durch eine Zunahme der Anzahl an Schichtenfolgen eine Erhöhung des GMR-Effektes erreicht werden.

Die Richtung, in der die Magnetisierungsrichtung einer magnetischen Schicht unter Einwirkung einer äußeren Kraft auf die Schichtfolge gedreht wird, hängt neben der Richtung der äußeren Kraft vom Vorzeichen der Magnetostriktionskonstanten der betreffenden magnetischen Schicht ab.

Im Fall einer positiven Magnetostriktionskonstante erfolgt die Drehung der Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht in Richtung der Achse der äußeren Kraft, im Fall einer negativen Magnetostriktionskonstante zur Achse senkrecht zur Richtung der äußeren Kraft hin.

Die vorliegende Erfindung ist des Weiteren auf ein Verfahren zur Ermittlung der auf einen Kraftsensor wirkenden Kraft gerichtet. Bei dem Verfahren wird zunächst ein Kraftsensor bereitgestellt, wie er vorangehend beschrieben wurde. Kommt es infolge einer auf den Kraftsensor wirkenden Kraft zu einer Verformung der Schichtfolge, so kann durch eine Bestimmung des elektrischen Widerstandes der Schichtfolge unter Verwendung einer Kennlinie, die den Zusammenhang zwischen dem elektrischen Widerstand der Schichtfolge und einer auf die Schichtfolge wirkenden Kraft wiedergibt, ermittelt werden.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist auf die Ermittlung der mechanischen Verformung eines Trägers gerichtet.

Auf dem Träger sind vier erfindungsgemäße, vorzugsweise identische Kraftsensoren angeordnet. Ein erster und ein zweiter der Kraftsensoren weisen zu der ersten Richtung senkrechte Längsachsen auf. Des Weiteren weisen ein dritter und ein vierter der Kraftsensoren zu der ersten lateralen Richtung parallele Längsachsen auf.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die vier Kraftsensoren zu einer Wheatstone'schen Brücke verschaltet. Mittels einer derartigen Brückenschaltung ist es möglich, temperatur- oder alterungsbedingte Veränderungen sowie fertigungsbedingte Schwankungen des Grundwiderstandes zu kompensieren. Um eine möglichst geringe Temperaturabhängigkeit zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn die vier Kraftsensoren miteinander in thermischem Kontakt stehen.

Eine solche Anordnung kann in vorteilhafter Weise beispielsweise bei einem Drucksensor eingesetzt werden, wobei der Träger die Membran des Drucksensors bildet. Die Drucksensormembran ist auf einem Membranträger befestigt und überdeckt eine in dem Membranträger ausgebildete Öffnung.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn der erste und der zweite Kraftsensor in einem Bereich der Membran angeordnet sind, in dem bei einer Verformung der Membran die höchsten Kräfte auftreten. Dies ist typischerweise in dem Bereich oberhalb der Öffnung des Membranträgers, bevorzugt in der Nähe des Randes der Öffnung der Fall. Der dritte und der vierte Kraftsensor hingegen sind bevorzugt in einem Bereich angeordnet, in dem bei einer Verformung der Membran keine oder nur geringe Kräfte auftreten.

Bei einer guten thermischen Kopplung der vier Kraftsensoren können der dritte und der vierte Kraftsensor als Referenzsensoren beispielsweise zur Temperaturkompensation eingesetzt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 einen erfindungsgemäßen Kraftsensor in perspektivischer Ansicht,
2 einen vergrößert dargestellten Vertikalschnitt durch einen Kraftsensor gemäß 1, bei dem benachbarte magnetische Schichten eine antiferromagnetische Kopplung aufweisen,
3 einen vergrößert dargestellten Vertikalschnitt durch einen Kraftsensor gemäß 1, bei dem benachbarte magnetische Schichten eine ferromagnetische Kopplung aufweisen,
4 den Verlauf der magnetischen Kopplung zweier benachbarter magnetischer Schichten in Abhängigkeit von deren Abstand,
5a-d die relative Ausrichtung der Magnetisierungsrichtungen zweier benachbarter magnetischer Schichten des Kraftsensors gemäß 2 bei verschiedenen äußeren Kräften,
6 eine bevorzugte Anordnung zur Messung des elektrischen Widerstands bei einem auf dem GMR-Effekt basierenden Kraftsensor,
7 eine bevorzugte Anordnung zur Messung des elektrischen Widerstands bei einem auf dem TMR-Effekt basierenden Kraftsensor,
8 die Widerstands-Kraft-Kennlinie eines erfindungsgemäßen Kraftsensors,
9 eine Anordnung zur Ermittlung der Auslenkung eines mit einem Träger verbundenen Biegebalkens mittels eines erfindungsgemäßen Kraftsensors,
10a einen Vertikalschnitt durch die Membran eines Drucksensors,
10a eine Draufsicht auf die Membran des Drucksensors gemäß 10a,
11 eine Brückenschaltung aus vier erfindungsgemäßen Kraftsensoren,
12 eine Kennlinie des mit dem Drucksensor gemäß den 10a, 10b ermittelten Drucks in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung der Brückenschaltung gemäß 11, und
13 einen erfindungsgemäßen Kraftsensor gemäß 1 mit mehreren zueinander parallelen magnetischen Schichten, die mittels Trennschichten voneinander beabstandet sind.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugzeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kraftsensors 1. Der Kraftsensor 1 umfasst eine Schichtfolge mit mehreren in einer vertikalen Richtung z beabstandet zueinander angeordneten magnetischen Schichten 11, 12, 13. Zwischen benachbarten magnetischen Schichten 11, 12 bzw. 12, 13 sind Trennschichten 21 bzw. 22 angeordnet, die aus nicht- oder nur geringmagnetischem Material gebildet sind.
Ein erfindungsgemäßer Kraftsensor umfasst mindestens zwei magnetische Schichten, da sein elektrischer Widerstand insbesondere durch die relative Lage der Magnetisierungsrichtungen zweier benachbarter magnetischer Schichten bestimmt ist. Nach oben hin ist die Anzahl der magnetischen Schichten beliebig.
Die Schichtfolge weist in einer zur vertikalen Richtung v senkrechten ersten lateralen Richtung x eine Länge 1 und in einer zur vertikalen Richtung z sowie zur ersten lateralen Richtung x senkrechten zweiten lateralen Richtung y eine Breite b auf. Die Schichtfolgen erfindungsgemäßer Kraftsensoren weisen bevorzugt eine langgestreckte Form mit einem Verhältnis von Länge 1 zu Breite b auf, das vorzugsweise größer ist als 2:1. Die Breite b beträgt bevorzugt zwischen 0,2 μm und 200 μm, besonders bevorzugt zwischen 0,5 μm und 15 μm.
2 zeigt einen vergrößerten Vertikalschnitt durch einen Abschnitt einer im Ruhezustand befindlichen Schichtfolge entsprechend 1. Als "Ruhezustand" wird nachfolgend der Zustand verstanden, in dem auf die Schichtfolge keine äußeren Kräfte und kein äußeres magnetisches Feld einwirkt und in dem in der Schichtfolge kein Stromfluss vorliegt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die benachbarten magnetischen Schichten 11, 12 bzw. 12, 13 antiferromagnetisch gekoppelt, d. h. die Magnetisierungen M1, M2, M3 benachbarter magnetischer Schichten 11, 12 bzw. 12, 13 sind antiparallel ausgerichtet.
Eine entsprechende Anordnung, bei der benachbarte magnetische Schichten 11, 12 bzw. 12, 13 ferromagnetisch gekoppelt sind, zeigt 3. Hier sind die Magnetisierungen M1, M2, M3 der magnetischen Schichten 11, 12, 13 im Ruhezustand parallel zueinander ausgerichtet.
Die Art und Weise der magnetischen Kopplung zweier magnetischer Schichten hängt von deren Abstand ab. Wie in 3 dargestellt ist, oszilliert die magnetische Kopplung J zwischen diesen Schichten mit zunehmendem Schichtabstand d zwischen ferromagnetischer Kopplung (FM) und antiferromagnetischer Kopplung (AFM).
Die magnetische Kopplung J verläuft kosinusförmig und weist eine mit zunehmendem Schichtabstand d abnehmende Amplitude auf. Infolge der Oszillation folgen mit zunehmendem Schichtabstand d Extrema bei den Abständen d11, d21, d12, d22 usw. mit abwechselnd antiferromagnetischer bzw. ferromagnetischer Kopplung aufeinander.
Der Abstand benachbarter magnetischer Schichten ist vorzugsweise so gewählt, dass er identisch ist mit einem Abstand d11, d21, d12, d22 usw., in dem die magnetische Kopplung J der betreffenden benachbarten Schichten ein Extremum annimmt.
Wie in 2 gezeigt ist, weisen die erste magnetische Schicht 11 und die zweite magnetische Schicht 12 einen Abstand d11 auf. Aus 4, die den Verlauf einer magnetischen Kopplung (RKKY-Kopplung) benachbarter Schichten zeigt, ist ersichtlich, dass sich bei einem Schichtabstand d11 eine antiferromagnetische Kopplung ergibt. Infolgedessen sind die Magnetisierungen M1 und M2 der ersten und zweiten magnetischen Schichten 11, 12 gemäß 2 antiparallel ausgerich tet, was durch entsprechende Pfeile angedeutet ist. Voraussetzung hierbei ist, dass sich der Kraftsensor im Ruhezustand befindet, d. h. dass auf ihn keine äußere Kraft und kein äußeres Magnetfeld einwirkt und dass er von keinem Strom durchflossen wird.
Weiterhin ist aus 4 ersichtlich, dass bei einem Schichtabstand d21 eine ferromagnetische Kopplung benachbarter Schichten vorliegt. Infolge eines entsprechend gewählten Abstandes d21 zwischen der ersten und zweiten magnetischen Schicht 11, 12 gemäß 3 koppeln hier die benachbarten magnetischen Schichten 11, 12 ferromagnetisch. Daher sind ihre Magnetisierungsrichtungen M1, M2 parallel ausgerichtet.
Um gezielt eine vorgegebene Kopplung zwischen benachbarten magnetischen Schichten gemäß den 2 oder 3 einzustellen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die Dicke der zwischen den benachbarten magnetischen Schichten 11, 12 bzw. 12, 13 angeordneten Trennschichten 21 bzw. 22 entsprechend dem gewünschten Wert und dem gewünschten Vorzeichen der magnetischen Kopplung J anzupassen.
Grundsätzlich können für die Abstände benachbarter magnetischer Schichten auch solche Abstände gewählt werden, in denen die magnetische Kopplung J kein Extremum aufweist, solange ihr Wert von Null verschieden ist.
Des Weiteren sind die magnetischen Schichten 11, 12, 13 aus magnetostriktivem Material gebildet. Wirkt auf den Kraftsensor eine äußere Kraft, so kommt es infolge der inversen Magnetostriktion in den magnetischen Schichten 11, 12, 13 zu einer Änderung von deren Magnetisierungsrichtungen M1, M2, M3. Die Art und Weise, in der sich die Magnetisierungsrichtungen M1, M2, M3 einer magnetischen Schicht 11, 12, 13 ändert, hängt dabei vom Vorzeichen der Magnetostriktionskonstanten λ1, λ2, λ3 der betreffenden magnetischen Schicht 11, 12, 13 ab.
Wie aus den 2 und 3 ersichtlich ist, weisen benachbarte magnetische Schichten 11, 12 bzw. 12, 13 Magnetostriktionskonstanten λ1, λ2 bzw. λ2, λ3 mit unterschiedlichen Vorzeichen auf.
Wirkt nun beispielsweise ausgehend von dem in den 2 und 3 dargestellten Ruhezustand eine äußere Zugkraft auf den Kraftsensor 1, so drehen sich die Magnetisierungsrichtungen M1, M3 der magnetischen Schichten 11, 13 mit positiver Magnetostriktionskonstanten λ1 bzw. λ3 in Richtung der Achse der wirkenden Kraft hin.
Im Falle einer in Richtung derselben Achse auf den Kraftsensor 1 wirkenden Druckkraft würden sich die Magnetisierungsrichtungen M1, M3 der magnetischen Schichten 11, 13 in Richtung einer Achse senkrecht zur Achse der wirkenden Druckkraft ausrichten.
Infolge der negativen Magnetostriktionskonstanten λ2 der zweiten magnetischen Schicht 12 richtet sich deren Magnetisierungsrichtung M2 in Richtung einer Achse aus, die senkrecht zu der Achse verläuft, in die die Magnetisierungsrichtungen M1, M3 sich auszurichten versuchen.
Dies bedeutet, dass sich aus der anfänglich, d.h. im kräftefreien Fall, parallelen oder antiparallelen Ausrichtung mit zunehmendem Betrag der wirkenden Kraft die Magnetisierungsrichtung M1 bezüglich der Magnetisierungsrichtung M2 sowie die Magnetisierungsrichtung M2 bezüglich der Magnetisierungsrichtung M3 zunehmend senkrecht zueinander ausrichten.
Dies ist am Beispiel des in 2 dargestellten Kraftsensors in den 5a-d gezeigt. Die erste und die zweite magnetischen Schicht 11, 12 sind wie oben erläutert antiferromagnetisch gekoppelt.
5a zeigt eine Draufsicht auf die erste magnetische Schicht 11 der Schichtfolge des Kraftsensors 1 gemäß 2. Symbolisch dargestellt sind die Magnetisierungsrichtung M1 der obersten magnetischen Schicht 11 sowie die im Ruhezustand dazu antiparallele Magnetisierung M2 der darunter liegenden zweiten magnetischen Schicht 12. 5a zeigt den Ruhezustand des Kraftsensors (äußere Kraft Fa = 0), bei dem die Magnetisierungsrichtungen M1 und M2 einen Winkel αa von 180° einschließen.
5b zeigt den Kraftsensor gemäß 5a, allerdings bei einer in einer zweiten lateralen Richtung y auf den Kraftsensor 1 wirkenden Zugkraft Fb. Durch diese Zugkraft Fb kommt es infolge inverser Magnetostriktion zu einer Drehung der Magnetisierung M1 in Richtung der Achse der wirkenden Zugkraft Fb um einen Winkel ab. Da es aufgrund des magnetostriktiven Effektes durch Dehnung der Schichtfolge zur Ausbildung einer uniaxialen Anisotropie kommt, ist es ohne weitere äußere Kräfte und magnetischer Vorzugsrichtungen energetisch gleichwertig, wenn sich die Magnetisierung M1 um einen Winkel -ab dreht. Für den Widerstand ergibt sich allerdings der gleiche Wert.
Die 5c und 5d zeigen den selben Kraftsensor wie 5b, allerdings mit höheren wirkenden Zugkräften Fc bzw. Fd. In den 5b bis 5d wird die Größe der wirkenden Kraft Fb, Fc und Fd durch die Größe der entsprechenden Pfeile repräsentiert.
Aus den 5b bis 5d ist ersichtlich, dass es mit zunehmender äußerer Kraft Fb, Fc, Fd zu einer immer stärkeren Ausrichtung der Magnetisierung M1 der ersten magnetischen Schicht 11 in Richtung der Achse der äußeren Zugraft Fb, Fc, Fd kommt. Im Grenzfall einer unendlich großen äußeren Kraft weicht der Winkel zwischen den Magnetisierungsrichtungen benachbarter magnetischer Schichten um 90° von dem Winkel ab, den die Magnetisierungsrichtungen dieser magnetischen Schichten im Ruhezustand einschließen.
Die Richtung der Magnetisierung M2 der zweiten magnetischen Schicht 12 hingegen wird durch die wirkenden Kräfte Fb, Fc, Fd nicht beeinflusst, da die zweite magnetische Schicht 12 eine negative Magnetostriktionskonstante λ2 aufweist und da die Magnetisierung M2 bereits im Ruhezustand senkrecht zu der wirkenden äußeren Kraft Fb, Fc, Fd ausgerichtet ist.
Wie aus den 5a bis 5d ersichtlich ist, stellen sich in Abhängigkeit von äußeren Kräften Fa, Fb, Fc und Fd zwischen der Magnetisierungsrichtung M1 der ersten magnetischen Schicht 11 und der Magnetisierungsrichtung M2 der zweiten magnetischen Schicht 12 Winkel φa, φb, φc bzw. φd ein. Diese Winkel können von 180° und 90 ° variieren.
Der elektrische Widerstand zweier benachbarter magnetischer Schichten 11, 12 hängt insbesondere von der relativen Lage ihrer Magnetisierungsrichtungen, d. h. vom Kosinus des Zwischenwinkels φa, φb, φc, φd ab, den die Magnetisierungsrichtungen M1, M2 je nach äußerer Kraft Fa, Fb, Fc oder Fd einschließen. Damit kann aus der Bestimmung des elektrischen Widerstandes des Kraftsensors 1 auf die von außen wirkende Kraft Fa, Fb, Fc, Fd geschlossen werden.
Die Sensierung der einwirkenden Kraft beruht auf einem von der Kraft abhängigen Gleichgewicht zwischen der durch die Dehnung hervorgerufenen magnetischen Anisotropie und den Rückstellkräften, die aus den Austauschkopplungen (RKKY) benachbarter ferromagnetischer Schichten und der magnetischen Anisotropie, die zur Definition der Ruhezustandsachse benötigt wird, resultieren. Dies bedeutet, dass über eine Abstimmung der Austauschkopplung und der Magnetostriktionskonstanten für einen bestimmten Dehnungsbereich eine optimale Sensitivität eingestellt werden kann.
Bei der Ermittlung des elektrischen Widerstandes des Kraftsensors 1 kann zwischen zwei Varianten unterschieden werden.
Die erste Variante ist in 6 dargestellt. Der gezeigte Kraftsensor 1 entspricht in seinem Aufbau dem Kraftsensor 1 gemäß 1. Entscheidend ist, dass die zwischen den magnetischen Schichten 11, 12, 13 angeordneten Trennschichten 21, 22 elektrisch leitend sind. Infolge des gigantischen magnetoresistiven Effekts (GMR-Effekt), der auf einer Spin-Spin-Wechselwirkung von Elektronen benachbarter magnetischer Schichten 11, 12, 13 beruht, stellt sich in dem Kraftsensor 1 ein elektrischer Widerstand R ein, der von dem Winkel φa, φb, φc, φd zwischen den Magnetisierungsrichtungen M1, M2 abhängt, wie dies anhand der 5a bis 5d gezeigt wurde.
Eine Änderung des elektrischen Widerstandes kann dabei unabhängig davon beobachtet werden, in welcher Richtung der Schichtfolge der elektrische Widerstand bestimmt wird.
Gemäß einer in 6 dargestellten, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Kraftsensor 1 länglich ausgebildet, so dass der elektrische Widerstand R in Längsrichtung des Kraftsensors 1 ermittelt werden kann. Hierzu ist der Kraftsensor 1 auf einander gegenüberliegenden Seiten mit Elektroden 5, 6 versehen, an die eine Vorrichtung 9 zur Ermittlung des elektrischen Widerstandes des Kraftsensors 1 angeschlossen ist. Der gemessene elektrische Widerstand R ändert sich durch Anlegen äußeren Kraft F auf den Kraftsensor 1.
Die zweite Variante ist in 7 dargestellt. Der gezeigte Kraftsensor 1 entspricht dem Kraftsensor 1 gemäß 1. Bei dieser Variante ist entscheidend, dass die zwischen den magnetischen Schichten 11, 12, 13 angeordneten Trennschichten 21, 22 elektrisch isolierend sind. Eine Vorrichtung 9 zur Ermittlung des elektrischen Widerstandes ist elektrisch leitend mit der ersten magnetischen Schicht 11 und mit der dritten magnetischen Schicht 13 verbunden. Hierzu können die oberste und die unterste magnetische Schicht 11 bzw. 13 Elektroden 8 bzw. 9 aufweisen. Infolge der isolierenden Trennschichten 21, 22 ist der ermittelte elektrische Widerstand R quasiunendlich.
Allerdings kommt es infolge des Tunnel-Effekts dazu, dass Ladungsträger durch die elektrisch isolierenden Trennschichten 21, 22 hindurchtreten ("tunneln"), so dass sich ein endlicher Wert des gemessenen Widerstandes R ergibt.
Dieser elektrische Widerstand R hängt infolge des tunnelmagnetorisistiven Effekts wiederum ab von der relativen Lage der Magnetisierungsrichtungen M1, M2 benachbarter magnetischer Schichten 11, 12 bzw. 12, 13 wie dies anhand der 5a bis 5d gezeigt wurde.
Sowohl beim GMR-Effekt als auch beim TMR-Effekt ist der elektrische Widerstand benachbarter magnetischer Schichten 11, 12 bzw. 12, 13 am kleinsten, wenn deren Magnetisierungsrichtungen parallel ausgerichtet sind, und am größten, wenn deren Magnetisierungsrichtungen antiparallel ausgerichtet sind.
Damit kann – eine geeignete Kalibrierung vorausgesetzt – aus einer bekannten Widerstands-Kraft-Kennlinie aus der Messung des elektrischen Widerstandes eines Kraftsensors 1 auf die auf diesen Kraftsensor 1 wirkende äußere Kraft geschlossen werden.
8 zeigt beispielhaft eine solche Widerstands-Kraft-Kennlinie. Bei keiner oder nur einer kleinen äußeren Kraft sind die Magnetisierungsrichtungen benachbarter magnetischer Schichten ganz oder nahezu vollständig antiparallel ausgerichtet, so dass der Kraftsensor einen hohen Widerstand aufweist. Mit zunehmender äußeren Kraft verringert sich infolge des kleiner werdenden Winkels zwischen den Magnetisierungs richtungen benachbarter magnetischer Schichten deren elektrischer Widerstand fortwährend.
9 zeigt beispielhaft eine Anwendung eines erfindungsgemäßen Kraftsensors. Ein Biegebalken 41 ist an einem Träger 40 befestigt oder einstückig mit diesem ausgebildet. Im Bereich der stärksten Biegung des Biegebalkens 41 ist ein erfindungsgemäßer Kraftsensor 1 befestigt. Der Kraftsensor 1 weist einen Aufbau entsprechend dem Kraftsensor 1 gemäß 1 auf. Er ist länglich ausgebildet und derart orientiert, dass auf ihn bei einer Verbiegung des Biegebalkens in einer Richtung senkrecht zur Darstellungsebene eine Kraft F senkrecht zu seiner Längsachse wirkt. Der Kraftsensor 1 ist vorzugsweise in dem Bereich des Biegebalkens 41 befestigt, in dem bei dessen Verbiegung die höchsten Biegespannungen auftreten.
Aus dem elektrischen Widerstand des Kraftsensors 1 kann bei geeigneter Kalibrierung auf die Verbiegung des Biegebalkens 41 geschlossen werden.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit erfindungsgemäßer Kraftsensoren bietet sich beispielsweise bei Drucksensoren. 10a zeigt einen Vertikalschnitt durch den Membranbereich eines Drucksensors.
Ein Membranträger 30 weist eine Öffnung 35 auf, die von einer beispielsweise aus Silizium gebildeten Membran 31 überdeckt wird. Auf der Membran 31 ist eine Isolationsschicht 32 angeordnet, auf der ein erster und ein zweiter erfindungsgemäße Kraftsensor 1, 2 platziert ist. Der erste und der zweite Kraftsensor 1, 2 ist oberhalb der Öffnung 35 des Membranträgers 30, vorzugsweise nahe des Randes 36 der Öffnung 35, auf der Membran 31 angeordnet.
Auf der Isolationsschicht 32 und den Kraftsensoren 1, 2 ist eine Passivierungsschicht 33 abgeschieden.
Abhängig von dem auf den Drucksensor wirkenden Druck kommt es zu einer mehr oder weniger starken Durchbiegung der Membran 31 und damit zu Kräften F1, F2, die im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Kraftsensoren 1, 2 wirken.
Die Ansicht gemäß 10a stellt eine Schnittansicht in einer Ebene A-A' des in 10b gezeigten Abschnitts des Drucksensors dar.
10b zeigt eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß 10a bei entfernter Passivierungsschicht 33. Die in dieser Ansicht unter der Isolationsschicht 32 angeordnete Membran und die Isolationsschicht 32 sind im Wesentlichen rechteckig oder quadratisch ausgebildet. In der Anordnung sind ein dritter und ein vierter erfindungsgemäßer Kraftsensor vorgesehen. Die vier Kraftsensoren 1, 2, 3, 4 sind vorzugsweise länglich ausgebildet und identisch aufgebaut.
Der erste und der zweite Kraftsensor 1, 2 weisen bevorzugt parallele Längsachsen auf.
Entsprechend weisen der dritte und der vierte Kraftsensor 3, 4 ebenfalls bevorzugt parallele Längsachsen auf. Im Gegensatz zu den Kraftsensoren 1, 2 sind die Kraftsensoren 3, 4 nicht oberhalb der Öffnung des Membranträgers 30 sondern oberhalb des Membranträgers 30 auf der Membran 31 und der Isolationsschicht 32 angeordnet. Die Längsachsen des ersten und zweiten Kraftsensors 1, 2 verlaufen vorzugsweise senkrecht zu den Längsachsen des dritten und vierten Kraftsensors 3, 4.
Bei einem auf die Membran wirkenden Druck kommt es, wie in 10a beschrieben, zu senkrecht auf die Längsachsen der Kraftsensoren 1, 2 wirkenden Kräfte F1, F2.
Da der dritte und vierte Kraftsensor 3, 4 oberhalb des Membranträgers 30 und senkrecht zum ersten bzw. zweiten Kraftsen sor 1, 2 angeordnet sind, wirken auf den dritten bzw. vierten Kraftsensor 3, 4 keine signifikanten Kräfte.
Bei einer Durchbiegung der Membran durch einen auf den Drucksensor wirkenden Druck ändern sich die elektrischen Widerstände des ersten und zweiten Kraftsensors 1, 2, so dass aus dem elektrischen Wiederstand des ersten und zweiten Kraftsensors 1, 2 auf den wirkenden Druck rückgeschlossen werden kann.
Allerdings kann es beispielsweise temperatur- oder alterungsbedingt zu Widerstandsänderungen der Kraftsensoren 1, 2 kommen, die das Ergebnis einer auf der Messung der Widerstände der ersten und zweiten Kraftsensoren 1, 2 beruhenden Druckmessung verfälschen können.
Da aber die thermisch und alterungsbedingten Widerstandsänderungen – eine gute thermische Kopplung – des ersten, zweiten, dritten, vierten Kraftsensors 1, 2, 3, 4 vorausgesetzt – des dritten bzw. vierten Kraftsensors 3, 4 bei identisch aufgebauten Kraftsensoren 1, 2, 3, 4 in guter Näherung identisch sind mit den temperaturbedingten Widerstandsänderungen des ersten bzw. zweiten Kraftsensors 1, 2, können der dritte und vierte Kraftsensor 3, 4 zur Kompensation temperatur- oder alterungsbedingter Messfehler herangezogen werden.
Dies erfolgt vorzugsweise mittels einer Wheatston'schen Brückenschaltung, wie sie in 11 dargestellt ist.
Der erste Kraftsensor 1 ist an einen ersten Anschlusspunkt 51 und an einen zweiten Anschlusspunkt 52 angeschlossen. Der dritte Kraftsensor ist an den ersten Anschlusspunkt 51 und an einen dritten Anschlusspunkt 53 angeschlossen. Des Weiteren sind der zweite Kraftsensor 2 an den dritten Anschlusspunkt 53 und an einen vierten Anschlusspunkt 54 und der vierte Kraftsensor 4 an den zweiten Anschlusspunkt 52 und den vierten Anschlusspunkt 54 angeschlossen.
Die Anschlusspunkte 51 und 54 sind dazu vorgesehen, die Brückenschaltung mit einer Versorgungsspannung UB zu versorgen.
Die zwischen dem zweiten und dritten Anschlusspunkt 52, 53 anliegende Ausgangsspannung Uout der Brücke ist ein Maß für den auf die Membran des Drucksensors gemäß den 10a und 10b wirkenden Druck.
Mit einer Anordnung gemäß den 10a, 10b, insbesondere unter Verwendung einer Brückenschaltung gemäß 11, lässt sich durch die Messung der elektrischen Widerstände des ersten, zweiten, dritten, vierten Kraftsensors 1, 2, 3, 4 in Verbindung mit einer geeigneten Kennlinie der auf einen Drucksensor wirkende Druck ermitteln.
Die in den 10a und 10b vorgestellte Sensoranordnung sowie die in 11 gezeigt Brückenschaltung lässt sich nicht nur bei Drucksensoren anwenden, sondern kann durch den Fachmann auf einfache Weise an analoge Aufgabenstellungen angepasst werden.
12 zeigt eine die kalibrierte Kennlinie eines mit einer Brückenschaltung gemäß 11 versehenen Drucksensors gemäß den 10a, 10b. Durch Ermittlung der Ausgangsspannung Uout der Brücke kann in Verbindung mit der Kennlinie der zugehörige Druck ermittelt werden.
Bei allen Anwendungen können sowohl Kraftsensoren eingesetzt werden, die – wie anhand von 6 beschrieben – auf dem GMR-Effekt beruhen, als auch solche, die – wie in 7 beschrieben – auf dem TMR-Effekt basieren.
Unabhängig von dem zugrunde liegenden Effekt kann ein Kraftsensor eine beliebige Zahl magnetischer Schichten aufweisen, wobei mindestens zwei magnetische Schichten erforderlich sind. 13 zeigt beispielhaft eine Anordnung aus fünf magnetischen Schichten 11, 12, 13, 14, 15, die jeweils in der vertikalen Richtung Z voneinander beabstandet sind und zwischen denen jeweils eine Trennschicht 21, 22, 23, 24 angeordnet ist.
Um mit einem erfindungsgemäßen Kraftsensor einen vorgegebenen Messbereich erfassen zu können, ist insbesondere eine geeignete Dimensionierung der Schichtfolge erforderlich. Je kleiner die Abstände benachbarter magnetischer Schichten sind, desto stärker ist deren magnetische Kopplung und desto mehr äußere Kraft ist erforderlich, um die Magnetisierungen um einen bestimmten Winkel aus der Ruhelage auszulenken.
Zur Herstellung der magnetischen Schichten eines erfindungsgemäßen Kraftsensors werden bevorzugt weichmagnetische Materialien verwendet.
Zur Herstellung magnetischer Schichten mit positiver Magnetostriktionskonstante eignen sich beispielsweise Eisen-Cobalt-Legierungen (FeCo, z.B. Fe50Co50), insbesondere amorphe Eisen-Kobalt-Bor-Silizium-Legierungen (FeCoBSi).
Geeignete Materialien mit negativer Magnetostriktionskonstante sind beispielsweise Nickel (Ni), Als elektrisch leitende Trennschichten bei auf dem GMR-Effekt basierenden Kraftsensoren werden vorzugsweise nicht- oder nur schwachmagnetische Materialien wie Kupfer der Kupferlegierungen eingesetzt.
Entsprechend werden als elektrisch isolierende Trennschichten bei auf dem TMR-Effekt basierenden Kraftsensoren bevorzugt nicht- oder nur schwachmagnetische Materialien wie Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Magnesiumoxid (MgO) verwendet.

1: Kraftsensor
2: Kraftsensor
3: Kraftsensor
4: Kraftsensor
5, 6: Elektrode
7, 8: Elektrode
9: Widerstandsmessvorrichtung
10: Ruhezustand
11: magnetische Schicht
12: magnetische Schicht
13: magnetische Schicht
14: magnetische Schicht
15: magnetische Schicht
21: Trennschicht
22: Trennschicht
23: Trennschicht
24: Trennschicht
30: Membranträger
31: Membran
32: Isolierung
33: Passivierung
35: Öffnung des Membranträgers
36: Rand der Öffnung
40: Träger
41: Biegbalken
b: Breite der Schichtfolge
d11: Schichtdicke (antiferromagnetische Kopplung)
d22: Schichtdicke (ferromagnetische Kopplung)
1: Länge der Schichtfolge
p: Druck
x: erste laterale Richtung
y: zweite laterale Richtung
z: vertikale Richtung
AFM: antiferromagnetische Kopplung
FM: Ferromagnetische Kopplung
Fa: Zugkraft
Fb: Zugkraft
Fc: Zugkraft
Fd: Zugkraft
F1: Zugkraft
F2: Zugkraft
J: Magnetische Kopplung
M1: Magnetisierung
M2: Magnetisierung
M2: Magnetisierung
Ub: Versorgungsspannung
Uout: Ausgangsspannung
ab: Auslenkung M1 bei wirkender Zugkraft Fb
ac: Auslenkung M1 bei wirkender Zugkraft Fc
ad: Auslenkung M1 bei wirkender Zugkraft Fd
φa: Winkel zwischen M1 und M2
φb: Winkel zwischen M1 und M2
φc: Winkel zwischen M1 und M2
φd: Winkel zwischen M1 und M2
λ1: positive Magnetostriktionskonstante
λ2: negative Magnetostriktionskonstante
λ3: positive Magnetostriktionskonstante

Claims

Kraftsensor mit einer Schichtfolge, deren elektrischer Widerstand (R) unter Einwirkung einer äußeren Kraft (F, F1, F2, Fb, Fc, Fd) auf die Schichtfolge veränderlich ist, mit wenigstens zwei in einer vertikalen Richtung (z) aufeinanderfolgend und zueinander beabstandet angeordneten, elektrisch leitenden, magnetischen Schichten (11, 12, 13, 14, 15), wobei zwischen zwei benachbart angeordneten magnetischen Schichten (11, 12; 12, 13; 13, 14; 14, 15) jeweils eine Trennschicht (21, 22, 23, 24) angeordnet ist, und wobei – benachbart angeordnete magnetische Schichten (11, 12; 12, 13; 13, 14; 14, 15) von Null verschiedene Magnetostriktionskonstanten (λ1, λ2, λ3) mit unterschiedlichen Vorzeichen aufweisen, – jede der magnetischen Schichten (11, 12, 13, 14, 15) eine unter Einwirkung der äußeren Kraft (F, F1, F2, Fb, Fc, Fd) veränderliche Magnetisierungsrichtung (M1, M2, M3) aufweist, deren Ausrichtung den elektrischen Widerstand (R) bestimmt, und – im Ruhezustand der Schichtfolge, der dadurch gegeben ist, dass die Schichtfolge weder mit einem elektrischen Strom beaufschlagt ist noch dass eine äußere Kraft oder ein äußeres Magnetfeld auf die Schichtfolge einwirkt, die Magnetisierungsrichtungen (M1, M2, M3) zweier benachbarter magnetischer Schichten (11, 12; 12, 13; 13, 14; 14, 15) infolge antiferromagnetischer Kopplung (AFM) im Wesentlichen antiparallel ausgerichtet sind.
Kraftsensor nach Anspruch 1, bei dem die Dicke der jeweils einen Trennschicht (21, 22, 23, 24) so bemessen ist, dass die an diese Trennschicht (21, 22, 23, 24) angrenzenden magnetischen Schichten (11, 12, 13, 14, 15) einen Abstand aufweisen, in dem die magnetische Kopplung (J) der magnetischen Schichten (11, 12, 13, 14, 15) ein Extremum aufweist.
Kraftsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der unter Einwirkung einer äußeren Kraft (F, F1, F2, Fb, Fc, Fd) auf die Schichtfolge vorliegende Winkel (φb, φc, φd) zwischen den Magnetisierungsrichtungen (M1, M2; M2, M3) zweier benachbarter magnetischer Schichten (11, 12; 12, 13) gegenüber dem im Ruhezustand vorliegenden Winkel (φa) zwischen den Magnetisierungsrichtungen (M1, M2; M2, M3) dieser benachbarten magnetischen Schichten (11, 12; 12, 13) um maximal 90° abweicht.
Kraftsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Schichtfolge eine Breite (b) zwischen 0,2 μm und 200 μm aufweist.
Kraftsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Schichtfolge eine Breite (b) zwischen 0,5 μm und 15 μm aufweist.
Kraftsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Schichtfolge in einer zur vertikalen Richtung (z) senkrechten ersten lateralen Richtung (x) eine solche Länge (1) und in einer zu der vertikalen Richtung (z) und zu der ersten lateralen Richtung (x) senkrechten zweiten lateralen Richtung (y) ein solche Breite (b) aufweist, dass das Verhältnis zwischen der Länge (1) und der Breite (b) größer ist als 2 : 1.
Kraftsensor nach Anspruch 6, bei dem die Magnetisierungsrichtungen (M1, M2, M3) der magnetischen Schichten (11, 12, 13) im Ruhezustand der Schichtfolge parallel oder antiparallel zu der ersten lateralen Richtung (x) ausgerichtet sind.
Kraftsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die magnetischen Schichten (11, 12, 13) im Ruhezustand eine uniaxiale Anisotropie aufweisen.
Kraftsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Trennschichten (21, 22, 23, 24) aus nichtmagnetischem Material gebildet sind.
Kraftsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zumindest eine Trennschicht (21, 22, 23, 24) elektrisch leitend ausgebildet ist.
Kraftsensor nach Anspruch 10, bei dem zumindest eine elektrisch leitende Trennschicht Kupfer (Cu) und/oder Chrom (Cr) aufweist oder daraus gebildet ist.
Kraftsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zumindest eine Trennschicht (21, 22, 23, 24) elektrisch isolierend ausgebildet ist.
Kraftsensor nach Anspruch 12, bei dem zumindest eine elektrisch isolierende Trennschicht Aluminiumoxid (Al2O3) und/oder Magnesiumoxid (MgO) aufweist.
Kraftsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Betrag der Magnetostriktionskonstanten (λ1, λ2, λ3) zumindest einer magnetischen Schicht (11, 12, 13) größer ist als 0,00001.
Verfahren zur Ermittlung einer auf einen Kraftsensor (1) wirkenden Kraft (F, F1, F2, Fb, Fc, Fd) mit folgenden Schritten: – Bereitstellen eines Kraftsensors (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, – Verformen des Kraftsensors (1) mittels einer auf die Schichtfolge wirkenden Kraft (F, F1, F2, Fb, Fc, Fd), – Ermitteln des elektrischen Widerstandes (R) der Schichtfolge, – Bereitstellen einer Kennlinie, die den Zusammenhang zwischen dem elektrischen Widerstand (R) der Schichtfolge und einer auf die Schichtfolge wirkenden Kraft (F, F1, F2, Fb, Fc, Fd) wiedergibt, – Ermitteln der wirkenden Kraft (F, F1, F2, Fb, Fc, Fd) unter Verwendung des ermittelten Widerstandes (R) aus der Kennlinie.
Anordnung zur Ermittlung der mechanischen Verformung in einer ersten Richtung eines Trägers (31), auf dem vier Kraftsensoren (1, 2, 3, 4) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 angeordnet sind, wobei – ein erster und ein zweiter der Kraftsensoren (1, 2) eine zu der ersten Richtung senkrechte Längsachse aufweisen, – ein dritter und ein vierter der Kraftsensoren (3, 4) eine zu der ersten Richtung parallele Längsachse aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 18, bei dem der erste, der zweite, der dritte und der vierte Kraftsensor (1, 2, 3, 4) zu einer Wheatstone'schen Brücke verschaltet sind, wobei – der erste Kraftsensor (1) an einen ersten Anschlusspunkt (51) und an einen zweiten Anschlusspunkt (52) angeschlossen ist, – der dritte Kraftsensor (3) an den ersten Anschlusspunkt (51) und an einen dritten Anschlusspunkt (53) angeschlossen ist, – zweite Kraftsensor (2) an den dritten Anschlusspunkt (53) und an einen vierten Anschlusspunkt (54) angeschlossen ist, – der vierte Kraftsensor (4) an den zweiten Anschlusspunkt (52) und den vierten Anschlusspunkt (54) angeschlossen ist.
Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, bei der die vier Kraftsensoren (1, 2, 3, 4) miteinander in thermischem Kontakt stehen.
Drucksensor mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, bei dem der Träger (31) als Drucksensormembran ausgebildet ist, die auf einem Membranträger (30) befestigt ist und eine in diesem ausgebildete Öffnung (35) überdeckt, wobei – der erste und der zweite Kraftsensor (1, 2) in einem Bereich der Drucksensormembran (31) angeordnet sind, in dem diese den Membranträger (30) nicht kontaktiert, und – der dritte und der vierte Kraftsensor (3, 4) in einem Bereich der Drucksensormembran (31) angeordnet sind, in dem diese den Membranträger (30) kontaktiert.