DE102020200177A1

DE102020200177A1 - Streufeldrobuster xmr-sensor mit senkrechter anisotropie

Info

Publication number: DE102020200177A1
Application number: DE102020200177.4A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Raberg; Clemens Muehlenhoff; Jürgen Zimmer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2019-01-09
Filing date: 2020-01-09
Publication date: 2020-07-09
Also published as: US10852369B2; US20200217907A1; US11519977B2; US20210080520A1; CN111426994A

Abstract

Ein magnetoresistiver Sensor weist eine Sensorebene auf, in der der magnetoresistive Sensor auf ein Magnetfeld empfindlich ist. Der magnetoresistive Sensor umfasst eine Referenzschicht mit einer Referenzmagnetisierung, die fest ist und die mit einer in der Ebene liegenden Achse der Sensorebene ausgerichtet ist; und eine magnetische freie Schicht, die benachbart zu der Referenzschicht angeordnet ist, wobei die magnetische freie Schicht eine freie Schichtmagnetisierung aufweist, die entlang einer außerhalb der Ebene liegenden Achse ausgerichtet ist, die außerhalb der Ebene der Sensorebene liegt. Die freie Schichtmagnetisierung ist so konfiguriert, dass sie sich bei einem externen in der Ebene liegenden Magnetfeld von der außerhalb der Ebene liegenden Achse weg und zur Sensorebene hin neigt.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf eine magnetoresistive Sensorvorrichtung und auf Verfahren zu deren Herstellung, und insbesondere auf eine magnetoresistive Sensorvorrichtung, die eine senkrechte Anisotropie verwendet.
Magnetoresistive Effekte basieren auf einer Vielzahl unterschiedlicher physikalischer Phänomene. All diese Phänomene haben gemeinsam, dass ein elektrischer Widerstand eines Widerstandselements durch ein in das Widerstandselement eindringendes Magnetfeld verändert werden kann. Technologien, die sich magnetoresistive Effekte zunutze machen, werden manchmal auch als „xMR-Technologien“ bezeichnet, wobei das „x“ darauf hinweist, dass hier eine Vielzahl von Effekten angesprochen werden kann, wie z. B. der GMR-Effekt (Giant Magnetoresistance = Riesenmagnetowiderstand), der TMR-Effekt (Tunnel Magnetoresistance = magnetischer Tunnelwiderstand) oder der AMR-Effekt (Anisotropie MagnetoResistive effect = anisotroper magnetoresistiver Effekt), um nur einige Beispiele zu nennen. xMR-Effekte können in einer Vielzahl von feldbasierten magnetoresistiven Sensoren eingesetzt werden, z. B. zur Messung von Umdrehungen, Winkeln usw.
xMR-Sensoren, insbesondere xMR-Winkelsensoren, sollten eine Sensorschicht (free layer = freie Schicht) aufweisen, die im Idealfall der Richtung eines externen Rotationsmagnetfeldes folgen kann. Aufgrund ihres hohen Signals und ihrer hohen Genauigkeit sowie der Möglichkeit, xMR-Sensoren modular auf komplementären Metall-Oxid-Halbleiter(CMOS)- und Bipolar-CMOS(BiCMOS)-Technologien zu integrieren, werden sie häufig gegenüber Hall-basierten Winkelsensoren bevorzugt. Diese xMR-Sensoren haben jedoch zwei deutliche Nachteile: eine reduzierte Genauigkeit bei niedrigen Feldern aufgrund von Anisotropie-Effekten und die Anfälligkeit für Störfelder.
xMR-basierte Winkelsensoren bestehen typischerweise aus einem System von mindestens zwei Wheatstone-Vollbrücken, die bei GMR und TMR unter Verwendung des angelegten Magnetfeldes ein Sinus- oder Cosinus-Signal bereitstellen. Dieses Feld wird typischerweise durch einen Permanentmagneten erzeugt, und die sensitive Schicht in jedem Widerstand der Wheatstone-Brücken arbeitet in einem voll gesättigten Modus. Die Magnetisierung dieser sensitiven Schicht ist vollständig „in der Ebene“ mit dem externen Feld ausgerichtet. Ist das externe Feld jedoch klein, können Anisotropien unterschiedlichen Ursprungs Abweichungen von der vollen Ausrichtung verursachen, die in Ungenauigkeiten bei der Winkelmessung resultieren, d. h. bei einem niedrigen externen Feld zu einem erhöhten Winkelfehler führen. Um dies zu vermeiden, können bei solchen Sensoren Encoder-Magnete mit einer minimalen Feldstärke verwendet werden, was typischerweise mit erhöhten Kosten verbunden ist.
Ein Ausgangssignal eines solchen Sensors mit einer FL, der im gesättigten Modus arbeitet, ist nicht in der Lage, die Feldstärke eines externen Magnetfeldes (d. h. B-Feld) zu messen. Das Ausgangssignal hängt somit nur von der Drehorientierung eines externen B-Feldes und nicht von dessen Feldstärke ab. Im Ergebnis hat ein im gesättigten Modus arbeitender Sensor keine Möglichkeit festzustellen, ob das externe Feld rein durch den Encoder-Magneten erzeugt wird oder ob ein überlagertes externes Störfeld vorliegt. Dies führt wiederum zu einer ungenauen Winkelmessung. Um dieses Problem zu lösen, muss das System entweder gegen externe Felder abgeschirmt werden oder es muss ein stärkerer Magnet verwendet werden, um den Einfluss des Störfeldes zu reduzieren.
Bei einem anderen Beispiel wird ein lineares xMR-basiertes Sensorelement verwendet, das in der Lage ist, die Stärke eines in der Ebene liegenden Magnetfeldes mittels einer Struktur zu messen, die eine Magnetisierung der Sensorschicht mit geschlossenem Fluss (z. B. eine wirbelartige Magnetisierung) aufweist. Der Messbereich kann durch die laterale Strukturgröße (d. h., ein Durchmesser bei einer kreisförmigen Struktur) und/oder durch die Dicke der Sensorschicht eingestellt werden. Je kleiner die Größe der Form und je höher die Dicke der Sensorschicht, desto höher ist die obere Feldgrenze. In der Regel kann ein so genanntes Vernichtungsfeld (Feld, in dem die geschlossene Flussmagnetisierung vernichtet wird) von bis zu -100mT erreicht werden. Aus lithografischer und prozesstechnischer Sicht hat die Strukturgröße eine untere Grenze. Eine weitere Erweiterung ist daher kaum möglich. Im Ergebnis kann ein Winkelsensor auf Basis einer magnetisierten Sensorschicht mit geschlossenem Fluss nur für rotierende B-Felder von <<100mT eingesetzt werden, was unter einigen der heutigen Anforderungen liegt.
Folglich besteht Bedarf an einer weiteren Lösung für ein Feldstärkemesselement, das Winkelmessungen bis zu 100mT mit hoher Genauigkeit ermöglicht.
Daher kann eine verbesserte Vorrichtung, die diese Probleme angeht, ohne die Vorteile der xMR-Technologie zu beeinträchtigen, wünschenswert sein.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen magnetoresistiven Sensor mit einer Sensorebene, in der der magnetoresistive Sensor auf ein Magnetfeld empfindlich ist, und einen magnetoresistiven Sensor mit einer Sensorebene, in der der magnetoresistive Sensor auf ein externes in der Ebene liegendes Magnetfeld empfindlich ist, mit verbesserten Eigenschaften zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen magnetoresistiven Sensor gemäß Anspruch 1 und einen magnetoresistiven Sensor gemäß Anspruch 17 gelöst.
Ausführungsbeispiele sehen eine magnetoresistive Sensorvorrichtung vor, die durch die Nutzung der senkrechten Anisotropie robust gegen Streufelder ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel hat ein magnetoresistiver Sensor eine Sensorebene, in der der magnetoresistive Sensor auf ein Magnetfeld empfindlich ist. Der magnetoresistive Sensor umfasst eine Referenzschicht mit einer Referenzmagnetisierung, die fest ist und die mit einer in der Ebene liegenden Achse der Sensorebene ausgerichtet ist; und eine magnetische freie Schicht, die benachbart zu der Referenzschicht angeordnet ist, wobei die magnetische freie Schicht eine freie Schichtmagnetisierung aufweist, die entlang einer außerhalb der Ebene liegenden Achse ausgerichtet ist, die außerhalb der Ebene der Sensorebene liegt. Die freie Schichtmagnetisierung ist so konfiguriert, dass sie sich bei einem externen in der Ebene liegenden Magnetfeld von der außerhalb der Ebene liegenden Achse weg und zur Sensorebene hin neigt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein magnetoresistiver Sensor mit einer Sensorebene vorgesehen, in der der magnetoresistive Sensor auf ein externes in der Ebene liegendes Magnetfeld empfindlich ist. Der magnetoresistive Sensor umfasst eine erste Sensoranordnung und eine zweite Sensoranordnung. Die erste Sensoranordnung umfasst eine erste Vielzahl von Sensorelementen, wobei jedes der ersten Vielzahl von Sensorelementen eine erste Referenzschicht mit einer ersten Referenzmagnetisierung umfasst, die fest ist und die mit einer ersten in der Ebene liegenden Achse der Sensorebene ausgerichtet ist; und eine erste magnetische freie Schicht, die benachbart zu der ersten Referenzschicht angeordnet ist, wobei die erste magnetische freie Schicht eine erste freie Schichtmagnetisierung aufweist, die entlang einer außerhalb der Ebene liegenden Achse ausgerichtet ist. Die zweite Sensoranordnung umfasst eine zweite Vielzahl von Sensorelementen, wobei jedes der zweiten Vielzahl von Sensorelementen eine zweite Referenzschicht mit einer zweiten Referenzmagnetisierung aufweist, die fest ist und die mit einer zweiten in der Ebene liegenden Achse der Sensorebene ausgerichtet ist, wobei die zweite in der Ebene liegende Achse senkrecht zu der ersten in der Ebene liegenden Achse ist; und eine zweite magnetische freie Schicht, die benachbart zu der zweiten Referenzschicht angeordnet ist, wobei die zweite magnetische freie Schicht eine zweite freie Schichtmagnetisierung aufweist, die entlang der außerhalb der Ebene liegenden Achse ausgerichtet ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 einen Querschnitt einer Spin-Ventil-GMR/TMR-Struktur gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
2 eine CIPT-Messung (Current-In-Plane Tunneling = Strom-in-Ebene-Tunnelung), die den xMRz-Sensorwiderstand in Bezug auf ein externes Magnetfeld in Richtung der Ebene zeigt;
3 einen vertikalen Querschnitt eines GMR-Stapels gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
4 einen vertikalen Querschnitt eines weiteren GMR-Stapels gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
5A ein schematisches Diagramm eines GMR/TMR-Winkelsensors mit einer freien Schicht mit senkrechter magnetischer Anisotropie in einer Wheatstone-Vollbrückenkonfiguration zur Winkelmessung gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
5B ein Diagramm mit beispielhaften Ausgangssignalen der in 5A gezeigten Sensorstruktur, wenn sie einem externen Rotationsmagnetfeld gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen ausgesetzt wird; und
6 ein schematisches Diagramm einer Sensoranordnung gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen.

Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben. Diese Ausführungsbeispiele werden nur zur Veranschaulichung gegeben und sind nicht als einschränkend zu verstehen. Während Ausführungsbeispiele beispielsweise so beschrieben werden können, dass sie eine Vielzahl von Merkmalen oder Elementen umfassen, können bei anderen Ausführungsbeispielen einige dieser Merkmale oder Elemente weggelassen und/oder durch alternative Merkmale oder Elemente ersetzt werden. Bei anderen Ausführungsbeispielen können über die explizit gezeigten oder beschriebenen Merkmale oder Elemente hinaus weitere Merkmale oder Elemente vorgesehen sein. Darüber hinaus können die Merkmale der verschiedenen nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu bilden, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben. Beispielsweise können Variationen oder Modifikationen, die in Bezug auf eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein, sofern nicht anders angegeben.
Während dementsprechend weitere Beispiele verschiedene Modifikationen und alternative Formen ermöglichen, sind einige besondere Beispiele davon in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden detailliert beschrieben. Diese detaillierte Beschreibung beschränkt jedoch nicht die weiteren Beispiele auf die einzelnen beschriebenen Formen. Weitere Beispiele können alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen umfassen, die in den Anwendungsbereich der Offenbarung fallen.
Weitere, gleichwertige oder ähnliche Elemente oder Elemente mit gleichwertiger oder ähnlicher Funktionalität werden in der folgenden Beschreibung mit gleichwertigen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet. Da gleiche oder funktionell gleichwertige Elemente in den Abbildungen die gleichen Bezugszeichen erhalten, kann eine wiederholte Beschreibung für Elemente, die mit den gleichen Referenznummern versehen sind, entfallen. Daher sind die Beschreibungen für Elemente mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen gegenseitig austauschbar.
Immer dann, wenn eine Singularform wie „ein/e“ und „der/die/das“ verwendet wird und die Verwendung nur eines einzigen Elements weder explizit noch implizit als obligatorisch definiert ist, können weitere Beispiele auch Plural-Elemente verwenden, um die gleiche Funktionalität zu verwirklichen. Ebenso können weitere Beispiele, wenn eine Funktionalität nachträglich als aus mehreren Elementen verwirklicht beschrieben wird, die gleiche Funktionalität mit einem einzigen Element oder einer einzigen Verarbeitungseinheit verwirklichen. Es wird weiter davon ausgegangen, dass die Begriffe „aufweisen“, „aufweisend“, „umfassen“ und/oder „umfassend“, wenn sie verwendet werden, das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Handlungen, Elemente und/oder Komponenten spezifizieren, aber nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzer Zahlen, Schritten, Operationen, Prozessen, Handlungen, Elementen, Komponenten und/oder einer Gruppe davon ausschließen.
Es wird davon ausgegangen, dass wenn ein Element als „verbunden“ oder „gekoppelt“ mit einem anderen Element bezeichnet wird, es direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt werden kann oder dazwischenliegende Elemente vorhanden sein können. Wird dagegen ein Element als „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ mit einem anderen Element bezeichnet, sind keine dazwischenliegenden Elemente vorhanden. Andere Worte, die zur Beschreibung der Beziehung zwischen Elementen verwendet werden, sollten in ähnlicher Weise interpretiert werden (z. B. „zwischen“ im Vergleich zu „direkt zwischen“, „angrenzend“ im Vergleich zu „direkt angrenzend“ usw.).
In den hier beschriebenen oder in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen kann jede direkte elektrische Verbindung oder Kopplung, d. h. jede Verbindung oder Kopplung ohne zusätzliche Zwischenelemente, auch durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung, d. h. eine Verbindung oder Kopplung mit einem oder mehreren zusätzlichen Zwischenelementen, oder umgekehrt, verwirklicht werden, solange der allgemeine Zweck der Verbindung oder Kopplung, z. B. die Übertragung einer bestimmten Art von Signal oder die Übertragung einer bestimmten Art von Information, im Wesentlichen erhalten bleibt.
Die Zeichnungen sind als schematische Darstellungen zu betrachten und die in den Zeichnungen abgebildeten Elemente sind nicht unbedingt maßstabsgerecht dargestellt. Vielmehr werden die verschiedenen Elemente so dargestellt, dass ihre Funktion und ihr allgemeiner Zweck für einen Fachmann offensichtlich werden. Jede Verbindung oder Kopplung zwischen Funktionsblöcken, Vorrichtungen, Bauteilen oder anderen in den Zeichnungen dargestellten oder hier beschriebenen physikalischen oder funktionellen Einheiten kann auch durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung verwirklicht werden. Funktionsblöcke können in Hardware, Firmware, Software oder einer Kombination daraus verwirklicht werden.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Sensoren und Sensorsysteme sowie auf die Einholung von Informationen über Sensoren und Sensorsysteme. Ein Sensor kann sich auf ein Bauteil beziehen, das eine zu messende physikalische Größe in ein elektrisches Signal, z. B. ein Strom- oder Spannungssignal, umwandelt. Die physikalische Größe kann z. B. ein Magnetfeld, ein elektrisches Feld, einen Druck, eine Kraft, einen Strom oder eine Spannung aufweisen, ist aber nicht darauf beschränkt. Eine Sensorvorrichtung, wie sie hier beschrieben wird, kann ein Winkelsensor, ein linearer Positionssensor, ein Geschwindigkeitssensor, ein Bewegungssensor und ähnliches sein.
Ein Magnetfeldsensor umfasst beispielsweise ein oder mehrere Magnetfeldsensorelemente, die eine oder mehrere Eigenschaften eines Magnetfeldes messen (z. B. einen Betrag der magnetischen Feldflussdichte, eine Feldstärke, einen Feldwinkel, eine Feldrichtung, eine Feldorientierung usw.). Das Magnetfeld kann durch einen Magneten, einen stromführenden Leiter (z. B. einen Draht), die Erde oder eine andere Magnetfeldquelle erzeugt werden. Jedes Magnetfeldsensorelement ist so konfiguriert, dass es ein Sensorsignal (z. B. ein Spannungssignal) als Reaktion auf ein oder mehrere auf das Sensorelement auftreffende Magnetfelder erzeugt. Ein Sensorsignal ist somit ein Indikator für die Größe und/oder die Orientierung des auf das Sensorelement auftreffenden Magnetfeldes.
Es versteht sich, dass die Begriffe „Sensor“ und „Sensorelement“ in der gesamten Beschreibung austauschbar verwendet werden können, und dass die Begriffe „Sensorsignal“ und „Messsignal“ in dieser Beschreibung ebenfalls austauschbar verwendet werden können.
Magnetische Sensoren, wie hier vorgesehen, können magnetoresistive Sensoren sein. Der Magnetowiderstand ist eine Eigenschaft eines Materials, den Wert seines elektrischen Widerstands zu ändern, wenn ein externes Magnetfeld an das Material angelegt wird. Einige Beispiele für magnetoresistive Effekte sind der Riesenmagnetowiderstand (GMR), ein quantenmechanischer Magnetowiderstandseffekt, der in Dünnschichtstrukturen aus abwechselnd ferromagnetischen und nichtmagnetischen leitenden Schichten beobachtet wird, der magnetische Tunnelwiderstand (TMR), ein magnetoresistiver Effekt, der in einem magnetischen Tunnelkontakt (Magnetic Tunnel Junction, MTJ) auftritt, der ein Bauteil ist, das aus zwei Ferromagneten besteht, die durch einen dünnen Isolator getrennt sind, oder anisotroper Magnetowiderstand (AMR), der eine Eigenschaft eines Materials ist, in dem eine Abhängigkeit des elektrischen Widerstands vom Winkel zwischen der Richtung des elektrischen Stroms (d. h. Abtastachse) und die Richtung der Magnetisierung beobachtet wird. So ändert sich z. B. bei AMR-Sensoren der Widerstand für ein AMR-Sensorelement entsprechend dem Quadrat eines Sinus eines Winkels der auf eine Sensorachse projizierten Magnetfeldkomponente des AMR-Sensorelements.
Die Vielzahl der verschiedenen magnetoresistiven Effekte wird üblicherweise mit xMR abgekürzt, wobei das „x“ als Platzhalter für die verschiedenen magnetoresistiven Effekte dient. xMR-Sensoren können die Orientierung eines angelegten Magnetfeldes durch Messung von Sinus- und Cosinuswinkel-Komponenten mit monolithisch integrierten magnetoresistiven Sensorelementen erfassen.
Magnetoresistive Sensorelemente solcher xMR-Sensoren umfassen typischerweise mehrere Schichten, von denen mindestens eine Schicht eine Referenzschicht mit einer Referenzmagnetisierung (d. h. einer Referenzrichtung bei GMR- oder TMR-Technologie) ist. Die Referenzmagnetisierung ist eine Magnetisierungsrichtung, die eine Abtastrichtung entsprechend einer Abtastachse des xMR-Sensors vorsieht. Die Referenzschicht, und damit die Referenzmagnetisierung, definiert eine Sensorebene. Die Sensorebene kann zum Beispiel durch eine XY-Ebene definiert werden, wobei die Z-Achse senkrecht zur Sensorebene steht. Daher werden die X- und Y-Richtungen in diesem Beispiel in Bezug auf die Sensorebene als „in der Ebene“ und die Z-Richtung in Bezug auf die Sensorebene als „außerhalb der Ebene“ bezeichnet.
Entsprechend ist bei einem GMR- oder TMR-Sensorelement, wenn eine Magnetfeldkomponente (z. B. eine freie Schicht) genau in die gleiche Richtung wie die Referenzrichtung zeigt, ein Widerstand des xMR-Sensorelements minimal, und wenn eine Magnetfeldkomponente genau in die entgegengesetzte Richtung wie die Referenzrichtung zeigt, ist der Widerstand des xMR-Sensorelements maximal. Eine Magnetfeldkomponente kann z. B. eine x-Magnetfeldkomponente (Bx), eine y-Magnetfeldkomponente (By) oder eine z-Magnetfeldkomponente (Bz) sein, wobei die Feldkomponenten Bx und By in der Ebene des Magnetsensors liegen und Bz außerhalb der Ebene des Magnetsensors liegt.
Die magnetische freie Schicht (Magnetic Free Layer, MFL) für einen xMR-Sensor kann aus einer Nickel-Eisen-(NiFe-)Legierung, einer Kobalt-Eisen-(CoFe-)Legierung, einer Terbium-Eisen-Kobalt-(TbFeCo-)Legierung hergestellt sein, oder eine Kombination von zwei oder mehr verschiedenen Schichten kann in einer Zwei- oder Mehrschichtanordnung verwendet werden, wobei zwei oder mehr magnetfreie Schichten verwendet werden. Wie hierin verwendet, bezeichnet eine „Doppelschicht“ zwei nebeneinander angeordnete Schichten, die ein Schichtsystem bilden, und eine „Mehrfachschicht“ zwei oder mehr nebeneinander angeordnete Schichten, die ein Schichtsystem bilden. Bei einem Beispiel kann eine mehrschichtige MFL aus zwei CoFeB-Schichten bestehen, wobei eine Tantalschicht (Ta) zwischen den beiden CoFeB-Schichten liegt (z. B. CoFeB/Ta/CoFeB).
Es können auch andere Doppelschichtsysteme verwendet werden, wie zum Beispiel Platin-(Pt-) und Kobalt-(Co-)Schichten; Palladium-(Pd-) und Kobalt-(Co-)Schichten; Kobalt-(Co-) und Nickel-(Ni-)Schichten. Insbesondere kann Jede magnetische freie Schicht aus einem Material hergestellt werden, das aus Kobalt, Nickel, Eisen, Platin, Tantal, Palladium, Terbium und deren Legierungen ausgewählt ist. Legierungen können aus nicht-ferromagnetischen Materialien (z. B. Kohlenstoff, Bor, Stickstoff und/oder Sauerstoff) bestehen, wobei die ferromagnetischen Materialien mindestens 50% der Materialzusammensetzung der jeweiligen Schicht ausmachen. Es versteht sich, dass während bestimmte Materialien hier für die jeweiligen Schichten oder Mehrfachschichten aufgeführt sind, die aufgeführten Materialien nur als Beispiele dienen und nicht als Einschränkung zu verstehen sind.
Eine Nachbarschicht kann ein Nachbarschichtsystem darstellen, bei dem ein zweischichtiges Nächster-Nachbarschichtsystem an eine der magnetischen freien Schichten angrenzend angeordnet ist. Ein Nächster-Nachbarsystem kann z. B. aus einer Doppelschicht aus Ruthenium (Ru) und Kupfer (Cu) bestehen. Durch Variation des Dickenverhältnisses von Ru/Cu kann ein magnetoelastisches Verhalten verändert werden. Die an die magnetischen freien Schichten angrenzenden Nachbarschichten können den Grad der senkrechten Anisotropie der magnetischen freien Schichten beeinflussen. Daher wird weiter davon ausgegangen, dass auch andere Materialien als Ru und Cu verwendet werden können, die derart geeignet sind, dass eine senkrechte Anisotropie in den magnetfreien Schichten realisiert werden kann.
Gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen kann ein xMR-Schichtstapel, der als magnetischer Schichtstapel bezeichnet wird, eine magnetische freie Schicht (MFL) umfassen, die benachbart zu mindestens einer nichtmagnetischen Schicht (non-magnetic layer, NML) angeordnet ist. Eine nichtmagnetische Schicht, die an die magnetische freie Schicht angrenzt, kann als Nachbarschicht bezeichnet werden. Die magnetische freie Schicht kann eine signalmagnetische freie Schicht oder eine magnetische freie Mehrfachschicht sein, die zwei oder mehr angrenzend angeordnete magnetische freie Schichten umfasst. Eine der nichtmagnetischen Schichten kann zwischen der magnetischen freien Schicht und einer Deckschicht oder einer Keimschicht in einer BSV-Anordnung (bottom spin valve = Spin-Ventil unten) bzw. TSV-Anordnung (top spin valve = Spin-Ventil oben) angeordnet werden, während eine weitere der nichtmagnetischen Schichten zwischen der magnetischen freien Schicht und der Referenzschicht angeordnet werden kann. Auch Stapelsysteme mit Doppelreferenzsystemen, bei denen auf jeder Seite der freien Schicht oder der freien Mehrfachschicht ein Referenzsystem mit eigener Referenzschicht angeordnet ist, sind möglich.
Die MFL ist mit einer senkrechten Anisotropie konfiguriert, die senkrecht zur Sensorebene und außerhalb der Ebene liegt. Mit anderen Worten ist die MFL eine Schicht, die senkrecht zur Sensorebene und außerhalb der Ebene (d. h. orthogonal zur Referenzschicht) magnetisiert ist. Ohne ein externes Magnetfeld beeinflusst die intrinsische magnetische Anisotropie die MFL-Magnetisierung, die entlang einer Achse (z. B. der Z-Achse) senkrecht zur Sensorebene ausgerichtet werden muss. Beim Anlegen eines externen In-der-Ebene-Magnetfeldes an die MFL bzw. beim Aussetzen der MFL gegenüber einem In-der-Ebene-Magnetfeld ist die Magnetisierung der MFL in die Sensorebene geneigt.
Beispielsweise kann sich die Magnetisierungsrichtung der MFL von ihrer Standardrichtung, die senkrecht zur Sensorebene ausgerichtet ist (d. h. in Abwesenheit eines externen in der Ebene liegenden Magnetfeldes in Z-Richtung oder in negativer Z-Richtung), in eine Richtung mit einer zunehmenden X-Richtungskomponente ändern, wenn ein in der Ebene liegendes Magnetfeld an die MFL angelegt wird. Die Neigungsrichtung, in der sich die Magnetisierungsrichtung der MFL bewegt, kann von der Drehrichtung des angelegten in der Ebene liegenden Magnetfeldes abhängen, so dass eine Drehrichtung im Uhrzeigersinn eine Änderung der Magnetisierungsrichtung der MFL in eine positive in der Ebene liegende Richtung (z. B. +X-Richtung) und eine Drehrichtung gegen den Uhrzeigersinn eine Änderung der Magnetisierungsrichtung der MFL in eine negative in der Ebene liegende Richtung (z. B. -X-Richtung) oder umgekehrt bewirken kann.
Wenn die MFL eine Mehrfachschicht aufweist, würde jede Schicht der Mehrfachschicht mit senkrechter Anisotropie mit einer in gleicher Magnetisierungsrichtung ausgerichteten Magnetisierung konfiguriert werden.
Die Deckschicht kann beispielsweise aus Tantal (Ta) oder Tantal-Nitrid (TaN) bestehen, während die Keimschicht aus einer Doppelschicht aus einer Ta- oder TaN-Schicht und einer Nickel-Chrom (NiCr)-Schicht bestehen kann.
Dementsprechend kann der Magnetschichtstapel eine erste nichtmagnetische Schicht, eine zweite nichtmagnetische Schicht und eine magnetische freie Schicht, die zwischen der ersten nichtmagnetischen Schicht und der zweiten nichtmagnetischen Schicht angeordnet ist, umfassen.
Im Folgenden werden einige Beispielimplementierungen von GMR-Strukturen beschrieben. Ähnliche Prinzipien können jedoch auch auf andere Arten von xMR-Sensoren, wie TMR und ähnliche, angewendet werden. GMR-Strukturen werden häufig in einer so genannten CIP-Konfiguration (Current-In-Plane = Strom-in-Ebene) betrieben, d. h. der zugeführte Strom fließt parallel zum Schichtaufbau bzw. zur Chip-Oberfläche. Das Anwendungsspektrum für TMR-Strukturen ist ähnlich wie bei GMR-Strukturen. Im Vergleich zu GMR-Strukturen werden TMR-Strukturen jedoch häufig in einer so genannten CPP-Konfiguration (Current-Perpendicular-to-Plane = Strom-senkrecht-zu-Ebene) betrieben, d. h. der angelegte Strom fließt senkrecht zur Schichtstruktur bzw. zur Chip-Oberfläche.
1 zeigt einen Querschnitt einer Spin-Ventil-GMR/TMR-Struktur 10 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Insbesondere ist die Spin-Ventil-GMR/TMR-Struktur 10 eine partielle Spin-Ventil-Struktur, die eine Referenzschicht (RL) 110, eine magnetische freie Schicht (FL) 113 und eine nichtmagnetische Schicht (NML) 112 zwischen der Referenzschicht 110 und der freien Schicht 113 umfasst, die entweder in eine vollständige Spin-Ventil-GMR-Struktur oder eine vollständige Spin-Ventil-TMR-Struktur eingebaut werden kann. Die GMR/TMR-Struktur 10 bezieht sich auf einen GMR- oder TMR-Sensor mit senkrechter Anisotropie und einem in der Ebene liegenden Referenzsystem, das als Winkelsensor verwendet wird, oder allgemein auf einen Sensor, der in der Lage ist, rotierende Magnetfelder zu messen, wie z. B. Drehzahlsensoren.
In diesem Beispiel wird die Magnetisierung der magnetischen Referenzschicht 110 in +x-Richtung in der Sensorebene ausgerichtet und fixiert. Die freie Schicht 113 weist eine senkrechte Anisotropie auf, wobei die Magnetisierung in +z-Richtung ausgerichtet ist, die senkrecht zur Sensorebene und außerhalb der Ebene liegt.
1 zeigt schematisch den Verlauf der FL-Magnetisierung, wenn ein in der Ebene rotierendes Magnetfeld an eine Spin-Ventil-GMR/TMR-Struktur 10 angelegt wird, wobei die FL eine PMA (Perpendicular Magnetic Anistropy = senkrechte magnetische Anisotropie) aufweist. Ohne ein externes Magnetfeld beeinflusst die intrinsische magnetische Anisotropie die FL-Magnetisierung, die entlang einer Achse senkrecht zur Sensorebene (z. B. entlang der z-Richtung) ausgerichtet werden muss. Bei einem Magnetfeld in der Ebene wird die FL-Magnetisierung zur Sensorebene hin geneigt, wobei die Neigungsrichtung der FL-Magnetisierung von der Richtung einer oder mehrerer in der Ebene liegender Magnetfeldkomponenten abhängt, die auf die freie Schicht 113 wirken, und wobei der Neigungswinkel θ der FL-Magnetisierung von der Größe dieser einen oder mehreren in der Ebene liegenden Magnetfeldkomponenten abhängt, die auf die freie Schicht 113 wirken. Mit anderen Worten ist der Vektor der FL-Magnetisierung so konfiguriert, dass er aus der senkrechten außerhalb der Ebene liegenden Achse herausgeschwenkt wird und eine zunehmende Sensorebenen-Komponente aufweist, wenn er sich in die Sensorebene neigt.
Beim Anlegen eines in der Ebene liegenden Feldes mit einer Magnetfeldkomponente entlang der x-Achse ist der Vektor der FL-Magnetisierung so konfiguriert, dass er von der senkrechten außerhalb der Ebene liegenden Achse in der XZ-Ebene schwenkt und eine zunehmende Sensorebenen-Komponente aufweist, wenn er sich in die Sensorebene neigt. In einem reinen Bx-Feld würde der Vektor der FL-Magnetisierung von der z-Achse zur x-Achse schwenken.
Andererseits ist der Vektor der FL-Magnetisierung beim Anlegen eines in der Ebene liegenden Feldes mit einer Magnetfeldkomponente entlang der y-Achse so konfiguriert, dass er von der senkrechten außerhalb der Ebene liegenden Achse in der YZ-Ebene schwenkt und beim Kippen in die Sensorebene eine zunehmende Sensorebenen-Komponente aufweist. In einem reinen By-Feld würde der Vektor der FL-Magnetisierung von der z-Achse zur y-Achse schwenken.
Wenn das in der Ebene liegende Feld sowohl eine Bx- als auch eine By-Magnetfeldkomponente aufweist (d. h. Komponenten entlang der x- und der y-Achse), ist der Vektor der FL-Magnetisierung so konfiguriert, dass er von der senkrechten aus der Ebene herausgehenden Achse in eine Richtung in der Sensorebene irgendwo zwischen der x- und der y-Achse schwenkt. Im Falle eines rotierenden B-Feldes in der Ebene, wie in 1 dargestellt ist, führt die FL-Magnetisierung somit eine Bewegung in einem ganzen Halbraum aus, wenn sich das Magnetfeld dreht. Mit anderen Worten führt die FL-Magnetisierung bei der Rotation des Magnetfeldes eine Bewegung entlang des Umfangs eines Kegels aus, wobei ein Ende des Vektors am Scheitelpunkt des Kegels fixiert ist und das andere Ende frei um den Umfang des Kegels rotieren kann. Der Radius des Kegels ändert sich mit der Größe des Magnetfeldes und als Folge davon ändert sich der Neigungswinkel θ der FL-Magnetisierung entsprechend. Zusammenfassend weist die FL-Magnetisierung die Rotationsbahn auf, die repräsentativ für einen Kegel in Gegenwart eines rotierenden in der Ebene liegenden B-Feldes ist.
Je stärker das externe Feld, desto stärker ist die Neigung und desto größer ist der Neigungswinkel θ der FL-Magnetisierung von der senkrechten außerhalb der Ebene liegenden Achse (d. h. der z-Achse). Dies ist in 1 dargestellt, die zwei in der Ebene rotierende Magnetfelder B1 und B2 zeigt, wobei die Feldstärke des Feldes B2 größer als die Feldstärke von B1 ist (B2>B1). In diesem Fall ist der Vektor der FL-Magnetisierung, der sich in Gegenwart des Feldes B2 befindet, stärker von der senkrechten, aus der Ebene heraus gerichteten Achse weg geneigt als der Vektor der FL-Magnetisierung, der sich in Gegenwart des Feldes B1 befindet. Aus einer anderen Perspektive ist der Vektor der FL-Magnetisierung, der sich in Gegenwart des Feldes B2 befindet, stärker zu einer in der Ebene liegenden Achse (z. B. einer x-Achse) geneigt als der Vektor der FL-Magnetisierung, der sich in Gegenwart des Feldes B1 befindet. Falls das externe Feld stark genug ist, kann die FL-Magnetisierung so weit um ihren Drehpunkt gedreht werden, dass sie parallel oder antiparallel zu der in der Ebene liegenden Achse ausgerichtet werden kann.
Da die freie Schicht 113 eine senkrechte Anisotropie aufweist, hängt die in der Ebene liegende Netto-FL-Magnetisierungskomponente und damit die Amplitude eines vom Sensorelement erzeugten sinusförmigen Ausgangssignals von der Feldstärke eines externen rotierenden B-Feldes ab. Im linearen Bereich (z. B. bis zu +/-150mT) ist die Amplitude des Sensorausgangs direkt proportional zur Magnetisierung (d. h. der Feldstärke des externen rotierenden B-Feldes). Weiterhin wird durch die Verwendung einer solchen freien Schicht 113 das Konzept des Betriebs der freien Schicht in Sättigung durch eine Feldstärkemessung ersetzt. Dies ermöglicht eine genaue Messung bei niedrigen Feldern und die Erkennung des Vorhandenseins von Störfeldern (z. B. durch ein gradiometerähnliches Konzept). Dies gilt auch für einen Vollwinkelsensor, wenn der Sensor im Winkelsensormodus verwendet wird.
2 zeigt eine CIPT-Messung (Current-In-Plane Tunneling), die den Widerstand des xMRz-Sensors in Bezug auf ein externes Magnetfeld mit einer in der Ebene liegenden Richtung zeigt. Ein xMRz-Sensor, wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf einen xMR-Sensor mit einer freien Schicht mit senkrechter magnetischer Anisotropie, in diesem Fall in Z-Richtung. Gezeigt sind drei verschiedene Sensorausführungen, die sich in der FL-Dicke unterscheiden.
Gemäß 2 sind die normierten Widerstände von xMR-Sensoren in Bezug auf ein externes Magnetfeld mit einer in der Ebene liegenden Richtung aufgetragen. Wie gezeigt ist, beginnt in einer freien Schicht mit einer Dicke von 1,2 nm die Anisotropie senkrecht zu verlaufen. Ein xMRz-Sensor mit einer freien Schichtdicke von 0,9 nm liefert dagegen einen linearen Bereich von ca. 150 mT.
Die senkrechte magnetische Anisotropie (PMA) für dieses Design entsteht durch die Hybridisierung von 3d-CoFe-Orbitalen mit 2p-O-Orbitalen. Daher können die Materialien von Sensoren mit CoFeB-MgO-CoFeB-Tunnelkontakten, die den Materialien der RL 1, NML 3 bzw. FL 2 entsprechen, verwendet werden. Die Dicke der freien Schicht kann jedoch von Bedeutung sein, da die PMA nur an der Materialgrenze auftritt. Freie Schichten aus CoFe mit einer Dicke von über 1,2 nm zeigen keine PMA, da die Nettoanisotropie von der in der Ebene liegenden Bulk-Anisotropie dominiert wird. So kann die Dicke der freien Schicht 2 materialbedingt begrenzt werden. Beispielsweise kann eine freie Schicht aus CoFe auf eine Dicke von 1,2 nm oder weniger begrenzt werden. Weiter versteht es sich, dass die Verwendung anderer Materialien für die freie Schicht zu anderen optimalen Dicken führen kann. Daher sollten Beispiele, bei welchen CoFe oder CoFeB verwendet wird, nicht als einschränkend angesehen werden.
3 zeigt einen vertikalen Querschnitt eines GMR-Stapels gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Im Speziellen ist der GMR-Stapel in 3 in einer Konfiguration mit unterem Spin-Ventil (BSV) angeordnet.
3 zeigt ein Beispiel für einen magnetischen Schichtstapel 100 eines magnetoresistiven Sensors gemäß einem Beispiel. Beispielsweise kann der magnetische Schichtstapel 100 auf einem Halbleitersubstrat (nicht gezeigt) des magnetoresistiven Sensors angeordnet werden. Bei der Beschreibung in einem kartesischen Koordinatensystem mit paarweise senkrechten Koordinatenachsen x, y und z erstrecken sich die Schichten jeweils seitlich in einer von der x- und y-Achse aufgespannten Ebene. Dabei beziehen sich die seitlichen Abmessungen (z. B. seitliche Abstände, seitliche Querschnittsflächen, Seitenflächen, seitliche Erweiterungen, seitliche Verschiebungen usw.) auf die Abmessungen in der xy-Ebene. Vertikale Maße beziehen sich auf Maße in z-Richtung, senkrecht zur xy-Ebene. Die (vertikale) Ausdehnung einer Schicht in z-Richtung kann z. B. als Schichtdicke bezeichnet werden.
Der Magnetschichtstapel 100 besteht von unten nach oben aus einer Keimschicht 102, mit der das Stapelwachstum beeinflusst und/oder optimiert werden kann. Auf der Keimschicht 102 ist eine natürliche antiferromagnetische (NAF) Schicht 104 und auf der NAF-Schicht 104 eine ferromagnetische gepinnte Schicht 106 angeordnet. Die NAF-Schicht 104 kann aus Platin-Mangan (PtMn), Iridium-Mangan (IrMn), Nickel-Mangan (NiMn) oder ähnlichem bestehen. Die Schichtdicke der NAF kann im Bereich von 5 nm bis 50 nm liegen. Die gepinnte Schicht (PL, Pinned Layer) 106 kann aus CoFe, Kobalt-Eisen-Bor (CoFeB) oder ähnlichem bestehen.
Der Kontakt zwischen der NAF-Schicht 104 und der gepinnten Schicht 106 kann einen als „Exchange Bias“-Effekt bezeichneten Effekt hervorrufen, der die Magnetisierung der gepinnten Schicht 106 in eine Vorzugsrichtung (z. B. in x-Richtung, wie gezeigt) ausrichtet. Die gepinnte Schicht 106 kann ein geschlossenes Flussmagnetisierungsmuster in der xy-Ebene aufweisen. Dieses geschlossene Flussmagnetisierungsmuster der gepinnten Schicht 106 kann während der Herstellung des magnetischen Schichtstapels 100 erzeugt werden und kann permanent sein. Alternativ kann die gepinnte Schicht 106 ein lineares Magnetisierungsmuster in der xy-Ebene aufweisen.
Der magnetische Schichtstapel 100 besteht ferner aus einer nichtmagnetischen Schicht (NML), die als Koppelschicht 108 bezeichnet wird. Die Koppelschicht 108 kann diamagnetisch sein und z. B. aus Ruthenium, Iridium, Kupfer und/oder Kupferlegierungen und ähnlichen Werkstoffen bestehen. Die Kopplungsschicht 108 trennt die gepinnte Schicht 106 räumlich von der magnetischen (z. B. ferromagnetischen) Referenzschicht (RL) 110. Die Koppelschicht 108 kann eine antiferromagnetische Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) Kopplung zu einem künstlichen Antiferromagneten herstellen. Mit diesem Aufbau kann also die Magnetisierung der magnetischen Referenzschicht 110 in einer Richtung antiparallel zur Magnetisierung der gepinnten Schicht 106 (d. h. in -x-Richtung, wie gezeigt) ausgerichtet und gehalten werden.
Wenn z. B. die gepinnte Schicht 106 ein im Uhrzeigersinn geschlossenes Flussmagnetisierungsmuster in der xy-Ebene aufweist, kann die magnetische Referenzschicht 110 ein gegen den Uhrzeigersinn geschlossenes Flussmagnetisierungsmuster in der xy-Ebene aufweisen (oder umgekehrt). Auf diese Weise kann die magnetische Referenzschicht 110 ein permanent geschlossenes Flussmagnetisierungsmuster aufweisen. Falls die gepinnte Schicht 106 ein lineares Magnetisierungsmuster in der xy-Ebene in eine bestimmte Richtung aufweist, kann die Referenzschicht 110 ein lineares Magnetisierungsmuster in antiparalleler Richtung aufweisen. So bilden die gepinnte Schicht 106, die Koppelschicht 108 und die magnetische Referenzschicht 110 ein magnetisches Referenzsystem 111. Die Schichtdicke für die gepinnte Schicht 106 bzw. die Referenzschicht 110 darf im Bereich von 1 nm bis 100 nm liegen.
Der magnetische Schichtstapel 100 besteht zusätzlich aus einer nichtmagnetischen Schicht 112, die als Nachbarschicht bezeichnet wird, und einer magnetischen freien Schicht 113 mit senkrechter magnetischer Anisotropie. So wird, wie in 1 ähnlich dargestellt ist, die Magnetisierung der freien Schicht 113 bei Abwesenheit eines externen in der Ebene liegenden Magnetfeldes entlang einer Achse senkrecht zur Sensorebene ausgerichtet. In diesem Beispiel wird die FL-Magnetisierung entlang der z-Achse ausgerichtet, wenn kein externes Magnetfeld in der Ebene vorhanden ist. Beim Anlegen eines Magnetfeldes in der Ebene wird die FL-Magnetisierung in die Sensorebene zu einer in der Ebene liegenden Achse geneigt, auf die die Magnetisierung der Referenzschicht 110 ausgerichtet ist (z. B. die x-Achse).
Die nichtmagnetische Schicht 112 kann aus einem nichtmagnetischen Material wie Kupfer, Silber, Magnesium, Indium, Wismut, Zinn oder Zink bestehen und wird zwischen der magnetischen Referenzschicht 110 und der magnetischen freien Schicht 113 angeordnet. Die magnetische freie Schicht 113 fungiert als Sensorschicht, die ihre Magnetisierung bei einem externen in der Ebene liegenden magnetischen Feld ändert. Die nichtmagnetische Schicht 112 ist ohne Zwischenschicht direkt an die magnetische freie Schicht gekoppelt. Im Allgemeinen wird bei GMR- und TMR-Sensoren die nichtmagnetische Schicht 112 als Ort der Erzeugung des Sensorsignals verwendet. Für GMR-Sensoren sind typische Materialien leitfähig, wie z. B. Cu und Ag, während für TMR-Sensoren isolierende Tunnelbarrieren verwendet werden, wie z. B. MgO, AlOx, MgAIOx, Hafniumoxid (HfO) usw.
Die magnetfreie Schicht 113 kann eine Mehrfachschicht sein, die aus zwei oder mehr magnetischen freien Schichten mit jeweils senkrechter magnetischer Anisotropie besteht. In diesem Fall sind die magnetischen freien Schichten magnetisch miteinander gekoppelt. In einem Ausführungsbeispiel kann diese Kopplung eine direkte Kopplung ohne Zwischenschicht zwischen den freien Schichten sein. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Kopplung eine RKKY-Kopplung mit einer nichtmagnetischen Schicht (d. h. einer Kopplungsschicht) zwischen den freien Schichten aufweisen. Die Materialien der magnetischen freien Schicht oder Schichten können den Legierungen der ferromagnetischen Materialien der gepinnten Schicht 106 und der Referenzschicht 110 ähnlich sein, wie z. B. CoFe, CoFeB und/oder NiFe. Insbesondere kann jede magnetische freie Schicht aus einem Material hergestellt werden, das aus Kobalt, Nickel, Eisen, Platin, Tantal, Palladium, Terbium und deren Legierungen oder aus jedem anderen geeigneten Material ausgewählt ist. Legierungen können aus nicht-ferromagnetischen Materialien (z. B. Kohlenstoff, Bor, Stickstoff und/oder Sauerstoff) bestehen, wobei die ferromagnetischen Materialien mindestens 50% der Materialzusammensetzung der jeweiligen Schicht ausmachen. Durch die Verwendung von zwei oder mehr Sensorschichten in einer Mehrfachschichtanordnung kann eine Signalamplitude des xMR-Sensors vergrößert/verstärkt werden.
Der Magnetschichtstapel 100 kann zusätzlich optional eine nichtmagnetische Schicht 118, die sogenannte Nachbarschicht, aufweisen. Diese Nachbarschicht kann den größten Einfluss auf die senkrechte Anisotropie der magnetischen freien Schicht 113 haben. Die nichtmagnetische Schicht 118 kann aus einem nichtmagnetischen Material wie Kupfer, Magnesium, Indium, Wismut, Zinn, Zink, Tantal, Magnesiumoxid (MgO), Wolfram (W) oder einem anderen geeigneten Material bestehen. Diese nichtmagnetische Schicht 118 ist auf der magnetischen freien Schicht 113 angeordnet. Die nichtmagnetische Schicht 118 ist also ohne Zwischenschicht direkt an die magnetische freie Schicht gekoppelt.
Eine Deckschicht 120, beispielsweise aus Tantal (Ta), Tantal-Nitrid (TaN), Ru oder Pt, ist auf der nichtmagnetischen Schicht 118 angeordnet und bildet die obere Schicht des magnetischen Schichtstapels 100.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann die nichtmagnetische Schicht 112 elektrisch leitend sein (z. B. Kupfer, Silber, Gold, Wolfram, Aluminium und/oder deren Legierungen aufweisen). In diesem Fall kann der magnetoresistive Sensor, der den magnetischen Schichtstapel 100 aufweist, ein GMR-Sensor sein. Alternativ kann die nichtmagnetische Schicht 112 eine elektrisch isolierende Tunnelbarriereschicht (z.B. aus Aluminiumoxid (Al2O3) und/oder Magnesiumoxid (MgO)) sowie andere hier aufgeführte Materialien sein. Der magnetoresistive Sensor, der den magnetischen Schichtstapel 100 aufweist, kann dann ein TMR-Sensor sein. Beispiele für xMR-Sensoren der vorliegenden Offenbarung können daher den Magnetschichtstapel 100 aus 3 und/oder ähnliche Magnetschichtstapel umfassen. Magnetoresistive Sensoren sind nicht auf den GMR- oder den TMR-Effekt beschränkt. Andere Beispiele für die vorliegende Offenbarung können Strukturen umfassen, die auf anderen xMR-Effekten beruhen. Der magnetische Schichtstapel 100 kann einem Magnetwiderstand entsprechen, wie er zumindest bei einigen Ausführungsbeispielen dieser Offenbarung verwendet wird.
Wie oben erwähnt, zeigt 3 einen vertikalen Querschnitt einer ersten möglichen Stapelimplementierung: die so genannte unten gepinnte Spin-Ventil-Struktur (BSV-Struktur), die auf der Unterseite (z. B. Substrat) eine NAF-Schicht 104 aufweist.
4 zeigt einen unterschiedlichen Aufbau des magnetischen Schichtstapels 200 des magnetoresistiven Sensors, wobei zunächst die nichtmagnetische Schicht 118 (auf einem Substrat) und danach der restliche Stapel abgeschieden wird. In diesem Fall wird der Stapel als oben gepinntes Spin-Ventil (TSV) bezeichnet, da sich das Referenzsystem 111 auf dem oberen Teil des Stapels befindet. Die NAF-Schicht 104 befindet sich ebenfalls auf der Oberseite des Stapels (d. h. auf dem Referenzsystem 111).
Die Reihenfolge der Schichten des Magnetschichtstapels 200 ist im Wesentlichen umgekehrt zu der in 3 dargestellten Magnetschicht 100, mit Ausnahme der Keimschicht 102 und der Deckschicht 120, die in beiden Anordnungen ähnlich angeordnet sind. Zusätzlich umfasst eine Keimschicht 101 in 4 eine doppelschichtige Anordnung von zwei Keimschichten oder zwei Unterkeimschichten 102 und 103.
5A zeigt eine schematische Darstellung eines GMR/TMR-Winkelsensors 500 mit einer freien Schicht mit PMA in einer Wheatstone-Vollbrückenkonfiguration zur Winkelerfassung gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Der Sensor 500 ist in der Lage, die Feldstärke eines externen Magnetfeldes zu messen und enthält zwei Wheatstone-Vollbrücken 510-1 und 510-2. Jede Wheatstone-Brücke umfasst vier Widerstände (d. h. xMR-Elemente), und jeder Widerstand umfasst eine Sensorschicht (d. h. eine freie Schicht), die eine senkrechte magnetische Anisotropie aufweist. Die Wheatstone-Brücken 510-1 und 510-2 basieren auf magnetoresistiven Strukturen 10, die als Widerstände in einer Brückenkonfiguration angeordnet sind. Jede magnetoresistive Struktur 10 umfasst eine magnetfreie Schicht 113 (in 5A nicht gezeigt) mit senkrechter magnetischer Anisotropie.
Zusätzlich ist jede der Wheatstone-Brücken 510-1 und 510-2 zwischen einer Klemme für eine Versorgungsspannung VDD und einer Klemme für ein Massepotential eingekoppelt. Die Wheatstone-Brücke 510-1 ist so gestaltet, dass sie auf ein externes Magnetfeld mit einer Magnetfeldkomponente entlang einer ersten Richtung anspricht, während die Wheatstone-Brücke 510-2 so gestaltet ist, dass sie auf ein externes Magnetfeld mit einer Magnetfeldkomponente entlang einer zweiten, zur ersten Richtung senkrechten Richtung anspricht. Zum Beispiel kann die erste Richtung eine x-Richtung sein, während die zweite Richtung senkrecht zur ersten Richtung eine y-Richtung sein kann.
Die Pfeile zeigen die in der Ebene liegende Magnetisierung der Referenzschicht des Referenzsystems eines GMR/TMR-Sensorstapels vom Spin-Ventil-Typ an. Die Magnetisierung jeder Referenzschicht in der Brücke 510-1 ist also in x-Richtung (d. h. entweder in positiver oder negativer x-Richtung) und die Magnetisierung jeder Referenzschicht in der Brücke 510-2 ist in y-Richtung (d. h. entweder in positiver oder negativer y-Richtung) ausgerichtet. So ist jeder Widerstand in der Brücke 510-1 empfindlich auf Magnetfelder mit einem Bx-Anteil und jeder Widerstand in der Brücke 510-2 empfindlich auf Magnetfelder mit einem By-Anteil.
Die freie Schichtmagnetisierung in jedem Widerstand wird entlang einer außerhalb der Ebene liegenden Achse senkrecht zur Sensorebene ausgerichtet, wenn kein externes in der Ebene liegendes Magnetfeld vorhanden ist. In diesem Beispiel liegt die freie Schichtmagnetisierung in jedem Widerstand in z-Richtung. Außerdem ist die freie Schichtmagnetisierung in jedem Widerstand der Brücke 510-1 und Brücke 510-2 so konfiguriert, dass sie sich zur Sensorebene hin dreht oder neigt, wie in Verbindung mit 1 beschrieben ist. So schwenkt bei gleichem externem Magnetfeld der Vektor der FL-Magnetisierung jedes Widerstandes in die gleiche Richtung mit dem gleichen Neigungswinkel θ.
Dabei verhält sich die FL-Magnetisierung in jedem Widerstand der Brücke 510-1 und der Brücke 510-2 gleich, während der gemessene Feldanteil in den Widerständen jeder Brücke aufgrund unterschiedlicher, in x- und y-Richtung ausgerichteter Referenzmagnetisierungsachsen unterschiedlich ist. So ändert sich der Widerstand der Widerstände der Brücke 510-1 von seinem Standard-Widerstandswert, wenn der Vektor der FL-Magnetisierung eine x-direktionale Komponente aufweist. Andernfalls kehrt der Widerstand auf seinen Standard-Widerstandswert zurück, wenn kein Bx-Feld vorhanden ist. In ähnlicher Weise ändert sich der Widerstand der Widerstände der Brücke 510-2 von seinem Standard-Widerstandswert, wenn der Vektor der FL-Magnetisierung eine y-Richtungskomponente hat. Andernfalls kehrt der Widerstand auf seinen Standard-Widerstandswert zurück, wenn kein By-Feld vorhanden ist.
Jede Wheatstone-Brücke enthält einen Sensorausgang, der für die Ausgabe eines Ausgangssignals konfiguriert ist. Im Speziellen ist die Wheatstone-Brücke 510-1 so konfiguriert, dass sie ein Ausgangssignal Vsin erzeugt, das eine Sinuswelle darstellt, und die Wheatstone-Brücke 510-2 ist so konfiguriert, dass sie ein Ausgangssignal Vcos erzeugt, das eine Cosinuswelle darstellt. Das Ausgangssignal Vcos ist gegenüber dem Ausgangssignal Vsin um 90° phasenverschoben, da die Orientierung der Referenzschichtmagnetisierungen des Sensors in der Wheatstone-Brücke 510-2 um 90° gegenüber der Orientierung der Referenzschichtmagnetisierungen des Sensors in der Wheatstone-Brücke 510-1 verschoben ist. Das heißt, die y-Achse, auf die die Referenzschichtmagnetisierungen des Sensors in der Wheatstone-Brücke 510-2 ausgerichtet sind, ist um 90° von der x-Achse, auf die die Referenzschichtmagnetisierungen des Sensors in der Wheatstone-Brücke 510-1 ausgerichtet sind, verschoben. Diese Verschiebung der Referenzschichtmagnetisierungen erzeugt phasenverschobene Ausgangssignale.
Beim Anlegen eines rotierenden Magnetfeldes an den Sensor 500 erzeugen die Vollbrücken sinusförmige, um 90° phasenverschobene differentielle Ausgangssignale, wie in 5B dargestellt ist. Die Amplituden der Ausgangssignale hängen von der Stärke des rotierenden B-Feldes ab. Durch eine ARCTAN-Berechnung des Sin-Signals und des Cos-Signals kann der Winkel des externen B-Feldes ermittelt werden.
5B zeigt ein Diagramm mit beispielhaften Ausgangssignalen der in 5A dargestellten Sensorstruktur bei Einwirkung eines externen Rotationsmagnetfeldes entsprechend einem oder mehrerer Ausführungsbeispielen. Im Speziellen stellen die mit gestrichelten Linien dargestellten Ausgangssignale (SIN und COS) einen Ausgang der Sensorstruktur dar, die rotierenden B-Feldern mit einer Feldstärke ausgesetzt ist und die in durchgezogenen Linien dargestellten Ausgangssignale (SIN' und COS') stellen einen Ausgang der Sensorstruktur dar, die rotierenden B-Feldern mit einer erhöhten Feldstärke ausgesetzt ist. Dabei sind die Beträge der Ausgangssignale (SIN' und COS') aufgrund der erhöhten Feldstärke, die auf den Sensor auftrifft, größer als die Ausgangssignale (SIN und COS). Somit ist der Sensor so konfiguriert, dass er nicht nur den Winkel des externen Rotationsmagnetfeldes misst, sondern auch die Feldstärke des an den Sensor angelegten B-Feldes.
Zum Beispiel sind die Extremwerte der Ausgangssignale (SIN' und COS') größer als die Extremwerte der Ausgangssignale (SIN und COS). Aber auch die Beträge bei anderen Winkeln sind für die Ausgangssignale (SIN' und COS') größer, wenn sie mit den Ausgangssignalen (SIN und COS) im gleichen Winkel verglichen werden. Somit kann der Sensor die Feldstärke für jeden Winkel des B-Feldes bestimmen.
Ein statisches Störmagnetfeld in Kombination mit einem rotierenden Magnetfeld konstanter Feldstärke kann zu einer Modulation der Vektorlänge eines Sinus- und Cosinusbrückensignals führen. Aus dem Signalhub und der Phase der Modulation kann der Sensor die Richtung und/oder die Stärke des statischen Störmagnetfeldes bestimmen.
In einem weiteren Beispiel werden zwei GMR/TMR-Winkelsensoren mit der in 1 dargestellten Konfiguration des Sensors 10 räumlich getrennt zu einer externen B-Feldquelle angeordnet. Die Sensoren werden dann rotierenden B-Feldern mit unterschiedlichen Magnetfeldamplituden (Stärken) ausgesetzt. In einer Gradiometer-Betriebsart ist es möglich, den Einfluss von statischen/dynamischen Störfeldern mit dieser Technik aufzuheben.
Insbesondere ist 6 ein schematisches Diagramm einer Sensoranordnung gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Wie in 6 dargestellt ist, kann ein Magnet (z. B. mechanisch mit einem drehbaren Objekt verbunden) um eine Achse (z. B. eine Achse durch ein Zentrum des Magneten) rotieren und ein rotierendes Magnetfeld erzeugen. Wie gezeigt ist, kann ein Winkelsensor 60, der mit der Messung eines Drehwinkels (θ) des Magneten verbunden ist, ein erstes Sensorelement 61 und ein zweites Sensorelement 62 umfassen, die jeweils eine ähnliche Konfiguration wie der in 1 dargestellte Sensor 10 haben.
Wie gezeigt ist, kann das erste Sensorelement 61 im Wesentlichen in der Ebene in einem ersten Abstand (d) von einer Oberfläche des Magneten angeordnet werden, so dass eine erste in der Ebene liegende Komponente des rotierenden Magnetfeldes (B) an dem ersten Sensorelement vorhanden ist. Bei einigen Anordnungen kann die erste Messzelle 61 im Wesentlichen auf der Drehachse des Magneten zentriert sein. Wie weiterhin gezeigt ist, ist auch an der ersten Messzelle 61 eine in der Ebene liegende Komponente eines Störmagnetfeldes (Bdist) vorhanden. Wie gezeigt ist, kann die erste Messzelle 61 einen ersten Satz von Ausgangssignalen ausgeben, deren Amplituden von einer Stärke von B und einer Stärke von Bdist abhängen (d. h. die erste Messzelle 61 kann in einem nicht gesättigten Modus arbeiten).
Wie weiter gezeigt ist, kann das zweite Sensorelement 62 im Wesentlichen auf einer Ebene in einem zweiten Abstand (d+d') von der Oberfläche des Magneten angeordnet werden, so dass eine zweite in der Ebene liegende Komponente des rotierenden Magnetfeldes (B') am zweiten Sensorelement 62 vorhanden ist. Hier ist eine Stärke von B' kleiner als die Stärke von B, da der Abstand d+d' größer als der Abstand d ist. In einigen Anordnungen kann die zweite Messzelle 62 im Wesentlichen auf der Drehachse des Magneten zentriert sein. Wie weiter gezeigt ist, ist Bdist auch an der zweiten Messzelle 62 vorhanden. Wie gezeigt ist, kann die zweite Messzelle 62 einen zweiten Satz von Ausgangssignalen ausgeben, deren Amplituden von der Stärke von B' und der Stärke von Bdist abhängen (d. h. die zweite Messzelle kann in einem nicht gesättigten Modus arbeiten).
Wie weiter gezeigt ist, kann der Winkelsensor 60 den Winkel 6 auf der Grundlage des ersten Satzes von Ausgangssignalen und des zweiten Satzes von Ausgangssignalen bestimmen. Beispielsweise kann der Winkelsensor 60 Amplitudenunterschiede zwischen dem ersten Satz von Ausgangssignalen und den entsprechenden Ausgangssignalen im zweiten Satz von Ausgangssignalen berechnen und den Winkel θ auf der Grundlage der berechneten Unterschiede bestimmen. Die Bestimmung des Winkels θ auf diese Weise kann den Einfluss von Bdist auf die Winkelmessung unterdrücken, eliminieren und/oder aufheben und dadurch die Genauigkeit des Winkelsensors verbessern.
Eine Winkelsensorstruktur gemäß einem der beschriebenen Ausführungsbeispiele kann monolithisch in eine integrierte Schaltungstechnik integriert werden, um die Signalaufbereitung und/oder -verarbeitung der Sensorsignale zu ermöglichen.
Während verschiedene Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, wird es für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich sein, dass im Schutzumfang der Offenbarung noch viele weitere Ausführungsbeispiele und Implementierungen möglich sind. Demnach soll die Erfindung nicht eingeschränkt sein, außer im Hinblick auf die beigefügten Ansprüche und deren Entsprechungen. Im Hinblick auf die verschiedenen Funktionen, die von den oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Baugruppen, Vorrichtungen, Schaltkreise, Systeme usw.) verwirklicht werden, sollen die zur Beschreibung dieser Komponenten verwendeten Begriffe (einschließlich eines Verweises auf ein „Mittel“), sofern nicht anders angegeben, jeder Komponente oder Struktur entsprechen, das/die die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente (d. h. funktional gleichwertig) erfüllt, auch wenn sie nicht strukturell gleichwertig zu Implementierungen der Erfindung erfüllt.
Darüber hinaus werden hiermit die folgenden Ansprüche in die ausführliche Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch für sich allein als separates beispielhaftes Ausführungsbeispiel stehen kann. Zwar kann jeder Anspruch für sich genommen ein separates beispielhaftes Ausführungsbeispiel darstellen, es ist jedoch zu beachten, dass - obwohl ein abhängiger Anspruch in den Ansprüchen auf eine bestimmte Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen verweisen kann - andere Ausführungsbeispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs umfassen können. Solche Kombinationen werden hier vorgeschlagen, es sei denn, es wird angegeben, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Darüber hinaus ist beabsichtigt, auch Merkmale eines Anspruchs auf jeden anderen unabhängigen Anspruch einzubeziehen, auch wenn dieser Anspruch nicht unmittelbar von dem unabhängigen Anspruch abhängig gemacht wird.
Es ist ferner zu beachten, dass die in der Beschreibung oder in den Ansprüchen angegebenen Verfahren durch eine Vorrichtung verwirklicht werden können, die Mittel zur Durchführung jeder der jeweiligen Handlungen dieser Verfahren hat.
Ferner ist zu verstehen, dass die Offenbarung von mehreren Handlungen oder Funktionen, die in der Beschreibung oder in den Ansprüchen offenbart werden, nicht als innerhalb des spezifischen Auftrags liegend ausgelegt werden kann. Daher wird die Offenbarung mehrerer Handlungen oder Funktionen diese nicht auf eine bestimmte Reihenfolge beschränken, es sei denn, diese Handlungen oder Funktionen sind aus technischen Gründen nicht austauschbar. Darüber hinaus kann eine einzige Handlung in einigen Ausführungsbeispielen mehrere Unterhandlungen umfassen oder in mehrere Unterhandlungen aufgeteilt sein. Solche Unterhandlungen können einbezogen und Teil der Offenbarung dieser einzigen Handlung sein, sofern sie nicht ausdrücklich ausgeschlossen werden.
Obwohl verschiedene beispielhafte Ausführungsbeispiele offenbart wurden, wird es für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich sein, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, die einige der Vorteile der hier offenbarten Konzepte verwirklichen, ohne vom Wesen und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Es wird für denjenigen, der über angemessene Fachkenntnisse verfügt, offensichtlich sein, dass andere Komponenten, die die gleichen Funktionen erfüllen, in geeigneter Weise ersetzt werden können. Es ist zu verstehen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es ist zu erwähnen, dass Merkmale, die mit Bezug auf eine bestimmte Figur erklärt werden, mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, auch in den nicht ausdrücklich genannten. Solche Änderungen des allgemeinen erfinderischen Konzepts sollen durch die beigefügten Ansprüche und ihre rechtlichen Äquivalente abgedeckt werden.

Claims

Magnetoresistiver Sensor mit einer Sensorebene, in der der magnetoresistive Sensor auf ein Magnetfeld empfindlich ist, wobei der magnetoresistive Sensor Folgendes aufweist: eine Referenzschicht (110) mit einer Referenzmagnetisierung, die fest ist und die mit einer in der Ebene liegenden Achse der Sensorebene ausgerichtet ist; und eine magnetische freie Schicht (113), die benachbart zu der Referenzschicht (110) angeordnet ist, wobei die magnetische freie Schicht (113) eine freie Schichtmagnetisierung aufweist, die entlang einer außerhalb der Ebene liegenden Achse ausgerichtet ist, die außerhalb der Ebene der Sensorebene liegt, wobei die freie Schichtmagnetisierung so konfiguriert ist, dass sie sich bei Vorhandensein eines externen in der Ebene liegenden Magnetfeldes von der außerhalb der Ebene liegenden Achse weg und zur Sensorebene hin neigt.
Magnetoresistiver Sensor nach Anspruch 1, wobei die magnetische freie Schicht (113) eine senkrechte magnetische Anisotropie aufweist.
Magnetoresistiver Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Magnetisierung der freien Schicht in Abwesenheit eines externen Magnetfeldes, das an die magnetische freie Schicht (113) angelegt wird, entlang der außerhalb der Ebene liegenden Achse ausgerichtet ist.
Magnetoresistiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die magnetische freie Schicht (113) eine intrinsische magnetische Anisotropie aufweist, die die Magnetisierung der freien Schicht entlang der außerhalb der Ebene liegenden Achse ausrichtet, wenn kein externes Magnetfeld an die magnetische freie Schicht (113) angelegt wird.
Magnetoresistiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die außerhalb der Ebene liegende Achse senkrecht zur Sensorebene liegt.
Magnetoresistiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die freie Schichtmagnetisierung so konfiguriert ist, dass sie basierend auf einer Feldstärke des externen in der Ebene liegenden Magnetfeldes zwischen der außerhalb der Ebene liegenden Achse und der Sensorebene schwenkt.
Magnetoresistiver Sensor nach Anspruch 6, wobei die außerhalb der Ebene liegende Achse senkrecht zu der in der Ebene liegenden Achse ist.
Magnetoresistiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Winkel zwischen der außerhalb der Ebene liegende Achse und der freien Schichtmagnetisierung mit zunehmender Feldstärke des externen in der Ebene liegenden Magnetfeldes zunimmt.
Magnetoresistiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das externe in der Ebene liegende Magnetfeld ein externes rotierendes Magnetfeld ist.
Magnetoresistiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der magnetoresistive Sensor so konfiguriert ist, dass er basierend auf einer Orientierung des externen in der Ebene liegenden Magnetfeldes und einer Feldstärke des externen in der Ebene liegenden Magnetfeldes eine Sensorausgabe erzeugt.
Magnetoresistiver Sensor nach Anspruch 10, wobei eine Amplitude des Sensorausgangs von der Feldstärke des externen in der Ebene liegenden Magnetfeldes abhängt.
Magnetoresistiver Sensor nach Anspruch 11, wobei die Amplitude des Sensorausgangs direkt proportional zur Feldstärke des externen in der Ebene liegenden Magnetfeldes ist.
Magnetoresistiver Sensor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Amplitude des Sensorausgangs von der Feldstärke einer Magnetfeldkomponente des externen in der Ebene liegenden Magnetfeldes abhängt, die entlang der in der Ebene liegenden Achse wirkt.
Magnetoresistiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem das externe in der Ebene liegende Magnetfeld eine in der Ebene liegende Magnetfeldkomponente aufweist, die entlang der in der Ebene liegenden Achse wirkt.
Magnetoresistiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die magnetische freie Schicht (113) eine Dicke von 1,4 nm oder weniger aufweist.
Magnetoresistiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die magnetische freie Schicht (113) eine Dicke von 0,9 nm oder weniger aufweist.
Magnetoresistiver Sensor mit einer Sensorebene, in der der magnetoresistive Sensor auf ein externes in der Ebene liegendes Magnetfeld empfindlich ist, wobei der magnetoresistive Sensor Folgendes aufweist: eine erste Sensoranordnung, die eine erste Vielzahl von Sensorelementen umfasst, wobei jedes der ersten Vielzahl von Sensorelementen Folgendes aufweist: eine erste Referenzschicht (110) mit einer ersten Referenzmagnetisierung, die fest ist und die mit einer ersten in der Ebene liegenden Achse der Sensorebene ausgerichtet ist; und eine erste magnetische freie Schicht (113), die benachbart zu der ersten Referenzschicht (110) angeordnet ist, wobei die erste magnetische freie Schicht (113) eine erste freie Schichtmagnetisierung aufweist, die entlang einer außerhalb der Ebene liegenden Achse ausgerichtet ist; und eine zweite Sensoranordnung mit einer zweiten Vielzahl von Sensorelementen, wobei jedes der zweiten Vielzahl von Sensorelementen Folgendes aufweist: eine zweite Referenzschicht (110) mit einer zweiten Referenzmagnetisierung, die fest ist und die mit einer zweiten in der Ebene liegenden Achse der Sensorebene ausgerichtet ist, wobei die zweite in der Ebene liegende Achse senkrecht zu der ersten in der Ebene liegenden Achse ist; und eine zweite magnetische freie Schicht (113), die benachbart zu der zweiten Referenzschicht (110) angeordnet ist, wobei die zweite magnetische freie Schicht (113) eine zweite freie Schichtmagnetisierung aufweist, die entlang der außerhalb der Ebene liegenden Achse ausgerichtet ist.
Magnetoresistiver Sensor nach Anspruch 17, wobei: die erste freie Schichtmagnetisierung jedes der ersten Vielzahl von Sensorelementen und die zweite freie Schichtmagnetisierung jedes der zweiten Vielzahl von Sensorelementen so konfiguriert sind, dass sie sich bei Vorhandensein des externen in der Ebene liegenden Magnetfeldes mit einer ersten Magnetfeldkomponente, die entlang der ersten in der Ebene liegenden Achse wirkt, von der außerhalb der Ebene liegenden Achse weg und zur ersten in der Ebene liegenden Achse hin neigen, und die erste freie Schichtmagnetisierung jedes der ersten Vielzahl von Sensorelementen und die zweite freie Schichtmagnetisierung jedes der zweiten Vielzahl von Sensorelementen so konfiguriert sind, dass sie sich bei Vorhandensein des externen in der Ebene liegenden Magnetfeldes mit einer zweiten Magnetfeldkomponente, die entlang der zweiten in der Ebene liegenden Achse wirkt, von der außerhalb der Ebene liegenden Achse weg und zur zweiten in der Ebene liegenden Achse hin neigen.
Magnetoresistiver Sensor nach Anspruch 17 oder 18, wobei die außerhalb der Ebene liegende Achse senkrecht zur Sensorebene ist.
Magnetoresistiver Sensor nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei: die erste Sensoranordnung so konfiguriert ist, dass sie einen ersten Sensorausgang auf der Grundlage einer Orientierung und einer Feldstärke des externen in der Ebene liegenden Magnetfeldes erzeugt, und die zweite Sensoranordnung so konfiguriert ist, dass sie einen zweiten Sensorausgang auf der Basis der Orientierung und der Feldstärke des externen in der Ebene liegenden Magnetfeldes erzeugt.