DE19627780C2 - Material for super magnetic resistance sensors - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Werkstoff für Supermagnetwiderstands(GMR/Giant Magnetoresistance)-Sensoren.The invention relates to a material for Super Magnetic Resistance (GMR / Giant Magnetoresistance) sensors.
Der Werkstoff kann für verschiedenartige magnetische Sensoren verwendet werden, und zwar insbesondere für Feldstärkesensoren, Feldrichtungssensoren, Positionssensoren oder Leseköpfe. Der Werkstoff ist in Form massiver Körper einsetzbar, beispielsweise in Form von Blechen, Platten oder Scheiben.The material can be used for various types of magnetic sensors are used, in particular for field strength sensors, Field direction sensors, position sensors or read heads. The Material can be used in the form of solid bodies, for example in the form of sheets, plates or disks.
Es sind bereits Materialien bekannt, bei denen beim Anlegen eines äußeren Magnetfeldes eine extrem große Änderung ihres elektrischen Widerstands bewirkt wird. Dieser, auch als Supermagnetwiderstand(GMR/Giant Magnetoresistance)-Phänomen be zeichnete Effekt wird in der Praxis ausgenutzt, indem derartige Materialien als Werkstoffe für Leseköpfe in der Datenverarbeitung und für Geschwindigkeits- oder Positionierungssensoren eingesetzt werden.Materials are already known for which when creating an extremely large change in their external magnetic field electrical resistance is effected. This one, also as Super magnetic resistance (GMR / Giant Magnetoresistance) phenomenon Drawn effect is used in practice by such Materials as materials for reading heads in the Data processing and for speed or Position sensors are used.
So ist beispielsweise ein Magnetfeldsensor bekannt, bei dem in einer Cu-, Au- oder Ag-Matrix magnetische Partikel aus einer NiCo- oder NiFe-Legierung eingebettet sind (US 5 422 621). Zur Ausnutzung des GMR-Effekts ist es auch bekannt, magnetische Werkstoffe zusammen mit nichtmagnetischen Werkstoffen in einer dünnen Schicht abzuscheiden (US 5 462 809). Als magnetischer Werkstoff werden hierbei Co oder andere ferromagnetische Materialien und als nichtmagnetischer Werkstoff Cu oder Ag verwendet.For example, a magnetic field sensor is known in which in a Cu, Au or Ag matrix magnetic particles from one NiCo or NiFe alloy are embedded (US 5 422 621). To take advantage of the GMR effect, it is also known to be magnetic Materials together with non-magnetic materials in one to deposit a thin layer (US Pat. No. 5,462,809). As a magnetic Co or other ferromagnetic materials are used here Materials and as non-magnetic material Cu or Ag used.
Für Leseköpfe für die Datenverarbeitung sind auch Multi schichtsysteme bekannt, die in wechselnder Folge aus etwa 1 bis 5 nm dicken nichtmagnetischen Schichten, meist aus Cu oder Cr, und etwa 2 bis 5 nm dicken magnetischen Schichten, meist aus Co oder NiCo-, FeNi- oder FeNiCo-Legierungen bestehen. Diese Schichten sind in wechselnder Folge bis zu einer Gesamtdicke von etwa 300 nm aufeinandergeschichtet (EP 0 600 794 A1, US 5 442 508). Die Schichtsysteme sind speziell für Datenverarbeitungsleseköpfe im Magnetfeldbereich von einigen 10 Oe vorgesehen.Multi are also suitable for read heads for data processing Layer systems known that alternate from about 1 to 5 nm thick non-magnetic layers, mostly made of Cu or Cr, and about 2 to 5 nm thick magnetic layers, mostly made of Co or NiCo, FeNi or FeNiCo alloys exist. This Layers are in an alternating sequence up to a total thickness of about 300 nm stacked on top of one another (EP 0 600 794 A1, US 5,442,508). The layer systems are especially for Computing read heads in the magnetic field range of some 10 Oe provided.
Ein wesentlicher Nachteil der schichtförmigen GMR-Materialien besteht in der relativ aufwendigen Schichtherstellung durch Sputtern oder Aufdampfen. Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus der starken Anisotropie des GMR-Effekts, wodurch die Einsatz richtung der Schicht bestimmt und so eine universelle Anwendung verhindert wird. Hinzu kommt, daß der Temperatureinsatzbereich mit einer oberen Grenze von etwa 330°C nicht überschritten werden darf, um Alterungserscheinungen zu vermeiden. Nachteilig ist auch die Tatsache, daß die Materialien mechanisch nur wenig belastbar sind.A major disadvantage of the layered GMR materials consists in the relatively complex production of layers Sputtering or vapor deposition. Another disadvantage arises from the strong anisotropy of the GMR effect, which makes the use direction of the layer and thus a universal application is prevented. Add to that the temperature range with an upper limit of about 330 ° C not exceeded allowed to avoid signs of aging. adversely is also the fact that the materials are mechanically little are resilient.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, für die eingangs genannten Einsatzfälle einen GMR-Werkstoff zur Verfügung zu stellen, der sowohl isotrop als auch anisotrop herstellbar ist, sich auch für Temperatureinsatzbereiche oberhalb 330°C eignet und auch mechanisch belastbar ist.Based on this, the invention is based on the object for a GMR material for the applications mentioned at the beginning To provide both isotropic and anisotropic is producible, also for temperature applications above 330 ° C and is also mechanically resilient.
Diese Aufgabe wird mit der in den Patentansprüchen angegebenen Erfindung gelöst.This object is achieved with that specified in the claims Invention solved.
Der erfindungsgemäße Werkstoff ist hergestellt aus einer Eisen-
Nickel-Kobalt-Aluminium-Basis-Legierung mit
15 bis 85 Masse-% Fe
15 bis 30 Masse-% Ni
5 bis 40 Masse-% Co
7 bis 15 Masse-% Al
0 bis 6 Masse-% Cu
0 bis 8 Masse-% Ti
und gegebenenfalls enthaltenen geringen
herstellungstechnisch bedingten Zusätzen und
Verunreinigungen,
wobei der Werkstoff ein räumlich entmischtes Gefüge besitzt,
derart, daß eine mit den ferromagnetischen Elementen Fe und Co
angereicherte Phase M und eine mit den übrigen Elementen der
Legierung angereicherte Phase N vorliegen, wobei die Phase M in
Form von Ausscheidungen überwiegend innerhalb von Bereichen der
Phase N angeordnet ist.The material according to the invention is made from an iron-nickel-cobalt-aluminum base alloy
15 to 85 mass% of Fe
15 to 30 mass% Ni
5 to 40% by mass of Co
7 to 15 mass% of Al
0 to 6 mass% Cu
0 to 8 mass% of Ti
and any minor additives and impurities caused by manufacturing technology,
wherein the material has a spatially segregated structure, such that a phase M enriched with the ferromagnetic elements Fe and Co and a phase N enriched with the other elements of the alloy are present, the phase M in the form of precipitates predominantly within regions of the phase N is arranged.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung können alle Bereiche, in denen die Phase M und die Phase N konzentriert sind, teilweise oder vollständig nanostrukturiert sein.According to an expedient embodiment of the invention all areas in which phase M and phase N are concentrated, partially or completely nanostructured his.
Vorteilhaft ist es, wenn die Phase N mit einem Anteil von 0,5 bis 30 Masse-% in kleinen räumlichen Bereichen von weniger als 50 nm Durchmesser in einer homogenen polykristallinen Matrix angeordnet ist, die aus der Phase M besteht.It is advantageous if phase N contains 0.5 up to 30% by mass in small spatial areas of less than 50 nm diameter in a homogeneous polycrystalline matrix is arranged, which consists of phase M.
Eine zweckmäßige Legierung besteht erfindungsgemäß aus 49,5 Masse-% Fe, 15 Masse-% Ni, 24 Masse-% Co, 8 Masse-% Al, 3 Masse-% Cu und 0,5 Masse-% herstellungstechnisch bedingten Zusätzen und Verunreinigungen.According to the invention, a suitable alloy consists of 49.5 mass% Fe, 15 mass% Ni, 24 mass% Co, 8 mass% Al, 3% by mass of Cu and 0.5% by mass of production-related reasons Additives and impurities.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Werkstoffs besteht darin, daß dieser mit relativ einfachen herkömmlichen technologischen Verfahren zu massiven Körpern verarbeitet werden kann und damit vielseitig verwendbar ist. Der Werkstoff weist zudem in vorteilhafter Weise eine gute mechanische Festigkeit auf. Die Legierung hat auch den Vorteil, daß sie je nach thermomagnetischer Behandlung sowohl mit isotroper als auch mit anisotroper Eigenschaft herstellbar ist. Damit bestehen keine Beschränkungen bezüglich der Einsatzrichtung des GMR-Materials. Außerdem zeichnet sich das verwendete Material gegenüber den bekannten GMR-Materialien dadurch aus, daß es für wesentlich höhere Temperaturen einsetzbar ist, da erst bei Temperaturen von ≧ 600°C Alterungserscheinungen eintreten.A major advantage of the material according to the invention is that this with relatively simple conventional technological processes processed into solid bodies can be and is therefore versatile. The material also advantageously has good mechanical properties Firmness on. The alloy also has the advantage that it can after thermomagnetic treatment with both isotropic and can also be produced with an anisotropic property. In order to there are no restrictions on the direction of use of the GMR material. The material used also stands out compared to the known GMR materials in that it is for much higher temperatures can be used, since only at Temperatures of ≧ 600 ° C appear.
Nachstehend ist die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei das Beispiel 1, basierend auf den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 4 sowie 5 und 6, als besonders vorteilhaft anzusehen ist. In den zu den Beispielen gehörenden Zeichnungen zeigen:The invention is based on exemplary embodiments explained in more detail, wherein the example 1, based on the Features of claims 1 and 4 and 5 and 6, as is particularly advantageous to look at. In the examples belonging drawings show:
Fig. 1 einen Feldionenmikrograph vom Gefüge des Werkstoffs gemäß Beispiel 1, Fig. 1 is a field ion micrograph of the microstructure of the material according to Example 1,
Fig. 2 ein Diagramm mit der Abhängigkeit der prozentualen Widerstandsänderungen Δρ/ρ vom magnetischen Feld µ0H für den Werkstoff gemäß Beispiel 1, aufgenommen in einem Magnetfeld mit -1,0 < T < 1,0, Fig. 2 is a diagram showing the dependence of the percentage changes in resistance Δρ / ρ of the magnetic field μ 0 H for the material according to Example 1 was added to a magnetic field with -1.0 <T <1.0,
Fig. 3 ein Diagramm mit der Abhängigkeit der prozentualen Widerstandsänderungen Δρ/ρ vom magnetischen Feld µ0H für den Werkstoff gemäß Beispiel 1, aufgenommen in einem Magnetfeld mit 1,0 < T < 16. Fig. 3 is a diagram showing the dependence of the percentage changes in resistance Δρ / ρ of the magnetic field μ 0 H for the material according to Example 1 was added in a magnetic field with 1.0 <T <16.
Zur Herstellung eines Werkstoffs wird eine AlNiCo 5-Legierung, die 49,5 Masse-% Fe, 15 Masse-% Ni, 24 Masse-% Co, 8 Masse-% Al, 3 Masse-% Cu und 0,5 Masse-% herstellungstechnisch bedingter Zusätze und Verunreinigungen enthält, in Formen abgegossen und mit 4 K/s auf 900°C abgekühlt. Anschließend wird kontinuierlich langsam mit etwa 20 K/min unter Einfluß eines äußeren Magnetfeldes der Stärke H = 80 bis 600 kA/m in die Mischungslücke hinein auf etwa 600°C und dann ohne Magnetfeldeinfluß auf Raumtemperatur abgekühlt. Abschließend wird durch mehrstufiges Tempern bei Temperaturen um 600°C das Gefüge noch kontrolliert vergröbert. To produce a material, an AlNiCo 5 alloy, the 49.5 mass% Fe, 15 mass% Ni, 24 mass% Co, 8 mass% Al, 3 mass% Cu and 0.5 mass% manufacturing technology contains contingent additives and contaminants in forms poured off and cooled to 900 ° C. at 4 K / s. Subsequently is continuously influenced slowly at about 20 K / min an external magnetic field of strength H = 80 to 600 kA / m in the mixture gap into about 600 ° C and then without Magnetic field influence cooled to room temperature. Finally is the multi-stage annealing at temperatures around 600 ° C Structure still coarsened in a controlled manner.
Aus dem so erhaltenen Material werden Plättchen der Abmessungen 20 mm × 5 mm × 1 mm herausgeschnitten. Diese besitzen ein spinodal entmischtes makroskopisch anisotropes feindisperses Gefüge gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Gefügebild. Das Gefüge weist eine Fe- und Co-reiche, ferromagnetische Phase M und eine Al- und Ni-reiche Phase N auf. Dabei liegt die Phase M als Ausscheidung innerhalb der Phase N vor. Mit 110, 200 und 011 sind in Fig. 1 die vorliegenden kristallographischen Richtungen gekennzeichnet.Small plates measuring 20 mm × 5 mm × 1 mm are cut out of the material obtained in this way. These have a spinodally segregated macroscopically anisotropic, finely dispersed structure in accordance with the microstructure shown in FIG. 1. The structure has an Fe and Co-rich, ferromagnetic phase M and an Al and Ni-rich phase N. Phase M is present as an excretion within phase N. The present crystallographic directions are identified in FIG. 1 by 110 , 200 and 011.
Die Plättchen weisen unter der Einwirkung eines externen
Magnetfeldes bei unterschiedlichen Feldstärken µ0Hext(T) die
aus dem Diagramm gemäß Fig. 2 ersichtlichen relativen
Widerstandsänderungen
Under the action of an external magnetic field at different field strengths µ 0 H ext (T), the platelets have the relative resistance changes shown in the diagram according to FIG. 2
Δρ/ρ(%) = [ρ(H) - ρ(0)]/ρ(0)
Δρ / ρ (%) = [ρ (H) - ρ (0) ] / ρ (0)
auf, wobei µ0 die magnetische Feldkonstante, Hext die externe magnetische Feldstärke, ρ der spezifische Widerstand, ρ(H) der im Feld H gemessene spezifische Widerstand und ρ(0) der im Nullfeld (H = 0) gemessene spezifische Widerstand der Plättchen sind., where µ 0 is the magnetic field constant, Hext the external magnetic field strength, ρ the specific resistance, ρ (H) the specific resistance measured in the H field and ρ (0) the specific resistance of the platelets measured in the zero field (H = 0) ,
Das Diagramm ergibt sich aus den Meßdaten im Falle der Einwirkung des Magnetfeldes senkrecht zur Längsachse der M- Phasen-Ausscheidungen und wurde bei statischer Anordnung der Plättchen im Magnetfeld und bei Raumtemperatur gemessen. Aus der Kurve gemäß Fig. 2 ist beispielsweise entnehmbar, daß die Plättchen unter senkrechter Einwirkung eines Magnetfeldes bei 1,0 T eine relative Widerstandsänderung Δρ/ρ von 1,6% und bei 0,5 T von 1,4% aufweisen.The diagram results from the measurement data in the event of exposure to the magnetic field perpendicular to the longitudinal axis of the M-phase precipitates and was measured with the plates arranged statically in the magnetic field and at room temperature. From the curve according to FIG. 2 it can be seen, for example, that the platelets have a relative change in resistance Δρ / ρ of 1.6% at 1.0 T under perpendicular action of a magnetic field and 1.4% at 0.5 T.
Im Falle einer drehbaren Anordnung der Plättchen, bei der sich das Sensorplättchen frei im einwirkenden Magnetfeld in die leichte Richtung drehen kann, wird der GMR-Effekt erhöht. So erhöht sich der GMR-Effekt um den Faktor 3 bei Raumtemperatur und bei einer Temperatur von nur 10 K sogar um den Faktor 50. In the case of a rotatable arrangement of the plates, in which the sensor plate freely in the magnetic field the GMR effect is increased. So the GMR effect increases by a factor of 3 at room temperature and at a temperature of only 10 K, even by a factor of 50.
Für hohe Magnetfelder im Bereich von 1 bis 16 T besitzen die Plättchen die aus dem Diagramm gemäß Fig. 3 ersichtlichen Δρ/ρ- Werte. Das Diagramm zeigt, daß das Material bei Raumtemperatur im Feldbereich zwischen 1 und 16 Tesla unter senkrechter Einwirkung eines Magnetfeldes eine relative Widerstandsänderung Δρ/ρ mit Werten zwischen 1,2 und 4,2% aufweist.For high magnetic fields in the range from 1 to 16 T, the platelets have the Δρ / ρ values shown in the diagram in FIG. 3. The diagram shows that the material has a relative change in resistance Δρ / ρ with values between 1.2 and 4.2% at room temperature in the field range between 1 and 16 Tesla under the vertical influence of a magnetic field.
Beim Einsatz dieses Materials ist zu beachten, daß es eine Sättigungspolarisation JS von etwa 0,7 T besitzt. Deshalb ist das während der Messung im Material wirksame Feld H auf Grund von Entmagnetisierungseffekten etwas kleiner als das äußere Feld He, und zwar mit H = He - µ0 -1DJS, worin D der Entmagnetisierungsfaktor des jeweiligen Plättchens ist. Diese Gegebenheiten lassen sich bei der Eichung des zu bauenden Hochfeldmagnetsensors leicht berücksichtigen.When using this material, it should be noted that it has a saturation polarization J S of approximately 0.7 T. Therefore, due to demagnetization effects, the effective field H in the material is slightly smaller than the external field H e , namely with H = H e - µ 0 -1 DJ S , where D is the demagnetization factor of the respective plate. These conditions can easily be taken into account when calibrating the high field magnetic sensor to be built.
Dieses Beispiel betrifft eine Legierung, die aus 28,5 Masse-% Fe, 14 Masse-% Ni, 38 Masse-% Co, 8 Masse-% Al, 3 Masse-% Cu, 8 Masse-% Ti und 0,5 Masse-% herstellungstechnisch bedingter Zusätze und Verunreinigungen besteht. Diese Legierung wird in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt und verarbeitet.This example relates to an alloy made from 28.5 mass% Fe, 14 mass% Ni, 38 mass% Co, 8 mass% Al, 3 mass% Cu, 8 mass% Ti and 0.5 mass% manufacturing-related additives and impurities consists. This alloy is made in the same way as in Example 1 described manufactured and processed.
Die erhaltenen Plättchen weisen ein entmischtes feindisperses Gefüge auf, in dem eine Fe- und Co-reiche, ferromagnetische Phase M und eine Al- und Ni-reiche, nicht magnetische Phase N vorliegen. Die GMR-Eigenschaften entsprechen den in Beispiel 1 beschriebenen. Die Plättchen sind beispielsweise verwendbar für magnetische Feldstärkesensoren, magnetische Feldrichtungs sensoren oder magnetische Positionssensoren.The platelets obtained have a segregated, finely dispersed Structure in which an Fe and Co-rich, ferromagnetic Phase M and an Al and Ni-rich, non-magnetic phase N available. The GMR properties correspond to those in Example 1 . described The platelets can be used, for example, for magnetic field strength sensors, magnetic field direction sensors or magnetic position sensors.
Claims (3)
15 bis 85 Fe
15 bis 30 Ni
5 bis 40 Co
7 bis 15 Al
0 bis 6 Cu
0 bis 8 Ti
und gegebenenfalls enthaltenen geringen herstellungstechnisch bedingten Zusätzen und Verunreinigungen,
mit einem räumlich entmischten Gefüge, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit den ferromagnetischen Elementen Fe und Co angereicherte, teilweise oder vollständig nanostrukturierte Phase M und eine mit den übrigen Elementen der Legierung angereicherte, teilweise oder vollständig nanostrukturierte Phase N vorliegen, wobei die Phase M in Form von Ausscheidungen überwiegend innerhalb von Bereichen der Phase N angeordnet ist.1. Material for super magnetic resistance sensors, made from an iron-nickel-cobalt-aluminum base alloy, consisting of (in% by weight)
15 to 85 feet
15 to 30 Ni
5 to 40 Co
7 to 15 Al
0 to 6 Cu
0 to 8 Ti
and any minor additives and impurities caused by manufacturing technology,
with a spatially segregated structure, characterized in that a partially or completely nanostructured phase M enriched with the ferromagnetic elements Fe and Co and a partially or completely nanostructured phase N enriched with the other elements of the alloy are present, the phase M in the form of excretions is predominantly located within areas of phase N.
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| US-B.: "Metals Handbook" 8.Ausg., Bd.1, S.784 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE19627780A1 (en) | 1997-09-25 |
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