DE102015100226A1

DE102015100226A1 - Magnetfeldsensor und Magnetfelderfassungsverfahren

Info

Publication number: DE102015100226A1
Application number: DE102015100226.4A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Raberg
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-01-09
Filing date: 2015-01-09
Publication date: 2016-07-14
Also published as: US10458813B2; US20160202086A1; US20190277661A1; US11047709B2

Abstract

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf einen Magnetfeldsensor 100, der zumindest ein magnetoresistives Spinventil-Sensorelement 100, das ausgebildet ist, um eine erste Magnetfeldkomponente H1 zu erfassen, und zumindest ein AMR-Sensorelement 120, das ausgebildet ist, um eine zweite Magnetfeldkomponente H2 zu erfassen, die senkrecht zu der ersten Magnetfeldkomponente H1 ist, umfasst.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung beziehen sich im Allgemeinen auf Sensoren und insbesondere auf Magnetfeldsensoren.
Hintergrund
Bei verschiedenen Anwendungen besteht ein Bedarf für eine genaue, wiederholbare und zuverlässige Messung einer Linear- und/oder Dreh-Bewegung und -Position. Zum Beispiel können Magnetfeldsensoren für eine solche Linear- und/oder Dreh-Bewegungs- und -Positions-Erfassung verwendet werden. Für diesen Zweck können zum Beispiel einer oder mehrere Permanentmagnete an einem Magnetcodierer (Ziel) befestigt sein und das Magnetfeld, das sich aus dem Codierer ergibt, kann durch einen oder mehrere Magnetfeldsensoren gemessen oder erfasst werden.
Einige der heutigen Magnetfeldsensoren nutzen magnetoresistive Sensoren. Dabei bezeichnet Magnetowiderstand die Eigenschaft eines Materials oder einer mehrschichtigen Vorrichtung, den Wert seines/ihres elektrischen Widerstands zu ändern, wenn ein externes Magnetfeld daran angelegt wird. Es gibt unterschiedliche Materialien und/oder mehrschichtige Vorrichtungen, die unterschiedliche Arten von Magnetowiderstand zeigen, einschließlich anisotropem Magnetowiderstand (AMR = Anisotropic Magneto Resistance), Riesenmagnetowiderstand (GMR = Giant Magneto-Resistance), kolossalem Magnetowiderstand (CMR = Colossal Magneto-Resistance), Tunnelmagnetowiderstand (TMR = Tunnel Magneto-Resistance) oder außerordentlichem Magnetowiderstand (EMR = Extraordinary Magneto-Resistance). Magnetoresistive mehrschichtige Vorrichtungen kommen häufig in einer sogenannten Spinventil-Konfiguration vor, die zwei oder mehr leitende, magnetische Materialschichten aufweist, deren elektrischer Widerstand sich abhängig von der relativen Ausrichtung der Magnetisierung in den Schichten ändern kann.
Neue Konzepte zur verbesserten Detektion der Geschwindigkeit, Position oder Winkel eines Magnetcodierers verlangen nach robusten Magnetfeldsensoren, die in der Lage sind, gleichzeitig unterschiedliche Magnetfeldkomponenten zu detektieren, die durch einen Magnetcodierer erzeugt oder beeinflusst werden.
Zusammenfassung
In der nachfolgenden Zusammenfassung können einige Vereinfachungen ausgeführt werden, was gedacht ist, einige Aspekte der verschiedenen Ausführungsbeispiele zu unterstreichen und einzuführen, aber solche Vereinfachungen sollen den Schutzbereich von Ausführungsbeispielen nicht einschränken. Detaillierte Beschreibungen bevorzugter Ausführungsbeispiele, die angemessen sind, es Fachleuten auf dem Gebiet zu erlauben, die erfindungsgemäßen Konzepte zu erstellen und zu verwenden, folgen in späteren Abschnitten.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Magnetfeldsensor bereitgestellt. Der Magnetfeldsensor umfasst zumindest ein magnetoresistives Spinventil-Sensorelement, das ausgebildet ist, um eine erste Magnetfeldkomponente zu erfassen. Ferner umfasst es zumindest ein anisotropes magnetoresistives Sensorelement (AMR-Sensorelement; AMR = Anisotropic Magneto-Resistive), das ausgebildet ist, um eine zweite Magnetfeldkomponente senkrecht zu der ersten Magnetfeldkomponente zu erfassen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen sind der zumindest eine magnetoresistive Spinventil-Sensor und das zumindest eine AMR-Sensorelement in einem gemeinsamen Sensorgehäuse integriert.
Bei einigen Ausführungsbeispielen sind das zumindest eine magnetoresistive Spinventil-Sensorelement und das zumindest eine AMR-Sensorelement auf einem gemeinsamen Substrat gebildet.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist das zumindest eine magnetoresistive Spinventil-Sensorelement ein tunnelmagnetoresistiver (TMR) oder riesenmagnetoresistiver (GMR) Sensor.
Bei einigen Ausführungsbeispielen weist das AMR-Sensorelement eine antiferromagnetische Schicht auf, die mit einer ferromagnetischen Schicht gekoppelt ist, um eine Bias-Magnetisierung für das AMR-Sensorelement zu erzeugen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist eine erste Exchange-Bias-Richtung des magnetoresistiven Spinventil-Sensorelements gleich einer zweiten Exchange-Bias-Richtung des AMR-Sensorelements.
Bei einigen Ausführungsbeispielen können die erste und/oder die zweite Exchange-Bias-Richtung parallel oder antiparallel zu der ersten Magnetfeldkomponente sein.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Magnetfeldsensor ferner ausgebildet sein, um elektrischen Strom in einem Winkel zu leiten, der einen absoluten Wert von 40°–50° in Bezug auf die zweite Exchange-Bias-Richtung durch das zumindest eine AMR-Sensorelement aufweist.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst der Magnetfeldsensor eine Mehrzahl von magnetoresistiven Spinventil-Sensorelementen, die zumindest eine erste Wheatstone-Brücken-Schaltung bilden, und eine Mehrzahl von AMR-Sensorelementen, die zumindest eine zweite Wheatstone-Brücken-Schaltung bilden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Magnetsensor-Vorrichtung bereitgestellt, umfassend einen Magnetcodierer, der ausgebildet ist, um ein Magnetfeld bereitzustellen und auch umfassend einen Magnet-Lesesensor. Der Magnet-Lesesensor umfasst zumindest ein magnetoresistives Spinventil-Sensorelement, das ausgebildet ist, um eine erste Komponente des Magnetfeldes zu erfassen, und zumindest ein AMR-Sensorelement, das ausgebildet ist, um eine zweite Komponente des Magnetfeldes senkrecht zu der ersten Komponente zu erfassen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist das zumindest eine AMR-Sensorelement in einem größeren Abstand von dem Magnetcodierer entfernt als das zumindest eine magnetoresistive Spinventil-Sensorelement.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die erste Komponente des Magnetfeldes parallel zu einer relativen Bewegungsrichtung zwischen dem Magnetcodierer und dem Magnet-Lesesensor.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die zweite Komponente des Magnetfeldes parallel zu einer Richtung von einer Oberfläche des Magnetcodierers in Richtung des Magnet-Lesesensors. Die Oberfläche des Magnetcodierers kann dem Magnet-Lesesensor zugewandt sein.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Magnetcodierer ein Magnetcodierer-Rad umfassen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen entspricht die erste Komponente des Magnetfeldes einer tangentialen Magnetfeldkomponente und die zweite Komponente des Magnetfeldes entspricht einer radialen oder axialen Magnetfeldkomponente.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das AMR-Sensorelement eine antiferromagnetische Schicht, die mit einer ferromagnetischen Schicht gekoppelt ist, um eine Bias-Richtung in dem zumindest einen AMR-Sensorelement zu erzeugen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen entspricht eine Exchange-Bias-Richtung des zumindest einen magnetoresistiven Spinventil-Sensorelements der Exchange-Bias-Richtung des zumindest einen AMR-Sensorelements.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zum Detektieren einer Position und/oder einer Geschwindigkeit eines Magnetcodierers bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Verwenden von zumindest einem magnetoresistiven Spinventil-Sensorelement zum Erfassen einer ersten Komponente eines Magnetfeldes, das durch den Magnetcodierer erzeugt wird, und ein Verwenden von zumindest einem AMR-Sensorelement zum Erfassen einer zweiten Komponente des Magnetfeldes senkrecht zu der ersten Komponente.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Verfahren ferner ein Anordnen des zumindest einen magnetoresistiven Spinventil-Sensorelements und des zumindest einen AMR-Sensorelements auf einem gemeinsamen Substrat.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Verfahren ferner ein Bereitstellen einer gemeinsamen Exchange-Bias-Richtung für das zumindest eine magnetoresistive Spinventil-Sensorelement und für das zumindest eine AMR-Sensorelement.
Kurze Beschreibung der Figuren
Einige Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren werden nachfolgend nur beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben, in denen
1 schematisch einen Magnetfeldsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellt;
2 einige Eigenschaften des AMR-Effekts darstellt;
3 einen schematischen Aufbau eines Sensors darstellt, der ein magnetoresistives Spinventil-Sensorelement und ein AMR-Sensorelement umfasst;
4a–c unterschiedliche Implementierungen und Beispiele von Wheatstone-Brücken zeigen;
5 eine Magnetsensor-Vorrichtung zeigt, die einen Magnetcodierer und einen Magnet-Lesesensor gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst;
6 beispielhafte Messsignale eines beispielhaften Magnetfeldsensorsystems darstellt; und
7a–h schematisch einen möglichen Fertigungsprozess eines Magnetfeldsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellen.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Verschiedene Ausführungsbeispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind.
Während dementsprechend verschiedene Abänderungen und alternative Formen von Ausführungsbeispielen möglich sind, werden Ausführungsbeispiele in den Zeichnungen beispielhaft gezeigt und hier ausführlich beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass es nicht beabsichtigt ist, Ausführungsbeispiele auf die offenbarten bestimmten Formen zu begrenzen, sondern im Gegensatz die Ausführungsbeispiele alle in den Rahmen der Offenbarung fallenden Abänderungen, Entsprechungen und Alternativen abdecken sollen. In der gesamten Beschreibung der Figuren können sich gleiche Ziffern auf gleiche Elemente beziehen. Es versteht sich, dass, obwohl die Begriffe „erste,r,s”, „zweite,r,s” usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Elemente zu beschrieben, diese Elemente nicht durch diese Begriffe eingeschränkt sein sollen. Diese Begriffe werden nur verwendet, um ein Element von einem anderen zu unterscheiden. Zum Beispiel könnte ein erstes Element als zweites Element bezeichnet und auf ähnliche Weise ein zweites Element als erstes Element bezeichnet werden, ohne vom Schutzbereich von Ausführungsbeispielen abzuweichen. Nach hiesigem Gebrauch umfasst der Begriff „und/oder” sämtliche Kombinationen von einem oder mehr der zugehörigen, aufgeführten Elemente.
Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden” oder „gekoppelt” bezeichnet wird, es direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder Zwischenelemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz ein Element als „direkt” mit einem anderen Element „verbunden” oder „gekoppelt” bezeichnet wird, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Sonstige zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen benutzte Worte sollten auf gleichartige Weise ausgelegt werden (z. B. „zwischen” gegenüber „direkt zwischen”, „benachbart” gegenüber „direkt benachbart” usw.).
Die hier angewandte Terminologie bezweckt nur das Beschreiben bestimmter Ausführungsbeispiele und soll nicht begrenzend für Ausführungsbeispiele sein. Nach hiesigem Gebrauch sollen die Einzelformen „ein, eine” und „das, der, die” auch die Pluralformen umfassen, wenn der Zusammenhang nicht deutlich sonstiges anzeigt. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst”, „umfassend”, „aufweisen” und/oder „aufweisend” bei hiesigem Gebrauch das Vorhandensein angegebener Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Bestandteile angeben, aber nicht das Vorhandensein oder die Zufügung eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Bestandteile und/oder Gruppen derselben ausschließen.
Auch ist zu beachten, dass bei einigen alternativen Implementierungen die angegebenen Funktionen/Schritte möglicherweise nicht entsprechend der in den Figuren angegebenen Reihenfolge vorkommen. Zum Beispiel können zwei nacheinander gezeigte Figuren tatsächlich im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden oder können manchmal in der umgekehrten Reihenfolge ausgeführt werden, abhängig von der eingebundenen Funktionalität/den eingebundenen Schritten.
Sofern nicht anderweitig definiert besitzen alle hier benutzten Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) die gleiche Bedeutung wie sie gewöhnlich von einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet verstanden wird, zu dem Ausführungsbeispiele gehören. Weiterhin versteht es sich, dass Begriffe, z. B. die in gewöhnlich benutzten Wörterbüchern definierten, als eine Bedeutung besitzend ausgelegt werden sollten, die ihrer Bedeutung im Zusammenhang mit der entsprechenden Technik entspricht. Sollte die vorliegende Offenbarung jedoch einem Begriff eine bestimmte Bedeutung geben, die von einer Bedeutung wie sie gewöhnlich von einem Durchschnittsfachmann verstanden wird abweicht, ist diese Bedeutung in dem konkreten Kontext, in dem diese Definition gegeben ist, zu berücksichtigen.
1 stellt schematisch einen Magnetfeldsensor 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
Der Magnetfeldsensor 100 umfasst zumindest ein magnetoresistives Spinventil-Sensorelement 110, das ausgebildet ist, um eine erste Magnetfeldkomponente H₁ zu erfassen. Ferner umfasst der Magnetfeldsensor 100 zumindest ein anisotropes magnetoresistives Sensorelement (AMR-Sensorelement) 120, das ausgebildet ist, um eine zweite Magnetfeldkomponente H₂ senkrecht zu der ersten Magnetfeldkomponente zu erfassen. Die Magnetfeldkomponenten H₁, H₂ können durch einen optionalen Magnetcodierer 130 erzeugt oder beeinflusst werden, der ein externes Magnetfeld erzeugt oder beeinflusst, das erfasst werden soll.
Es ist zu beachten, dass in einem dreidimensionalen Raum ein Magnetfeld durch drei zueinander senkrechte Feldkomponenten ausgedrückt werden kann. Bei einem kartesischen (x, y, z) Koordinatensystem könnte die erste Magnetfeldkomponente eine Komponente in x-Richtung sein, während die zweite Magnetfeldkomponente eine Komponente in y- oder z-Richtung sein könnte. In ähnlicher Weise könnte basierend auf Drehbewegungen eines Magnetcodierers 130, wie beispielsweise eines Codierer-Rads, die erste Magnetfeldkomponente eine Komponente in Tangential- oder Umfangsrichtung sein, während die zweite Magnetfeldkomponente eine Komponente in radialer oder axialer Richtung sein könnte, abhängig von dem relativen Aufbau oder den Orten des Magnetcodierers 130 und Sensors 100.
Wie in dem Beispiel von 1 dargestellt, kann das Spinventil-Sensorelement 110 eine nichtmagnetische und/oder isolierende Materialschicht 114 aufweisen, die zwischen zwei ferromagnetische Schichten 112 und 116 sandwichartig angeordnet ist. Die ferromagnetische Schicht 112 (z. B. NiFe, NiFeCo usw.) kann durch einen Antiferromagneten (nicht explizit gezeigt) fixiert (festgelegt) sein, der wirken kann, um eine Hysteresekurve zu verschieben. Einige Beispiel von antiferromagnetischen Materialien sind PtMn, NiMn, IrMn. Das magnetische Festlegen (Pinning) erfolgt aufgrund des sogenannten Exchange-Bias oder Austauschanisotropie, was in Doppelschichten (oder Mehrfachschichten) von magnetischen Materialien auftritt, wo das Hartmagnetisierungsverhalten einer antiferromagnetischen Dünnschicht eine Verschiebung der Weichmagnetisierungskurve einer ferromagnetischen Schicht verursacht. Die ferromagnetische Schicht 112 und die antiferromagnetische Schicht können somit als ein Referenzsystem des Spinventil-Sensorelements 110 betrachtet werden. Hingegen kann die obere ferromagnetische Schicht 116 frei (nicht festgelegt) sein und kann sich wie eine „weiche” Schicht verhalten. Aufgrund der Differenz der Koerzitivfeldstärke kann die Weichschicht 116 eine Polarität bei einer niedrigeren, angelegten Magnetfeldstärke als die festgelegte Schicht 112 ändern. Nach Anlegung eines externen Magnetfeldes (z. B. von Magnetcodierer 130) ändert sich die Magnetisierung der Weichschicht 116, was zu einem elektrischen Widerstand des Spinnventil-Sensorelements 110 abhängig von dem externen Magnetfeld führt.
Es ist zu beachten, dass die grundlegende Spinventil-Struktur von 1 vorrangig Illustrationszwecken dient. Der Fachmann auf dem Gebiet wird jedoch erkennen, dass andere herkömmliche Mehrschicht-Spinventil-Strukturen verwendet werden können, um eine geeignete Spinventil-Konfiguration des Sensorelements 110 zu implementieren.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das zumindest eine magnetoresistive Spinventil-Sensorelement 110 als ein riesenmagnetoresistives Sensorelement (GMR-Sensorelement) implementiert sein. Der GMR-Effekt lässt sich zum Beispiel als eine Änderung des elektrischen Widerstands des Sensorelements 110 abhängig davon, ob die Magnetisierung der benachbarten, ferromagnetischen Schichten 112, 116 in einer parallelen oder einer antiparallelen Ausrichtung erfolgt, beobachten. Der Gesamtwiderstand des Sensorelements 110 kann für eine parallele Ausrichtung verhältnismäßig niedrig und für eine antiparallele Ausrichtung verhältnismäßig hoch sein. Die Magnetisierung der Schicht 116 kann zum Beispiel durch ein Anlegen eines externen Magnetfeldes beeinflusst werden, das durch den optionalen Magnetcodierer 130 erzeugt wird, was durch die gestrichelten Linien in 1 angezeigt ist. Der GMR-Effekt basiert auf der Abhängigkeit der Elektronenstreuung von der Spinausrichtung. Im Fall eines GMR-Sensorelements kann die dünne, nichtmagnetische Abstandshalter-Schicht 114 elektrisch leitfähig sein (z. B. Cu, Cr usw.).
Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das zumindest eine magnetoresistive Spinventil-Sensorelement 110 auch als ein tunnelmagnetoresistives Sensorelement (TMR-Sensorelement) implementiert sein. Der TMR-Effekt ist ein magnetoresistiver Effekt, der in einem magnetischen Tunnelkontakt (MTJ = Magnetic Tunnel Junction) auftritt, der eine Komponente ist, die zwei ferromagnetische Schichten 112, 116 aufweist, die durch eine dünne isolierende Schicht 114 (Tunnelbarriere) getrennt sind. Wenn die elektrisch isolierende Schicht 114 (z. B. MgO) dünn genug ist (typischerweise einige Nanometer), können Elektronen von einer ferromagnetischen Schicht in die andere tunneln. Die Richtung der zwei Magnetisierungen der ferromagnetischen Schichten 112, 116 kann durch ein externes Magnetfeld individuell geschaltet werden. Wenn die Magnetisierungen in paralleler Ausrichtung sind, ist es wahrscheinlicher, dass Elektronen durch den isolierenden Film tunneln werden, wenn sie in der antiparallelen Ausrichtung sind. Folglich kann ein solcher Kontakt zwischen zwei Zustände von elektrischem Widerstand geschaltet werden, einen mit niedrigem und einen mit sehr hohem Widerstand.
Es ist zu beachten, dass für GMR-Sensorelemente sowie TMR-Sensorelemente die veranschaulichende Schicht 112 als eine Doppelschicht einer ferromagnetischen Schicht betrachtet werden kann, die durch eine antiferromagnetische Schicht fixiert oder festgelegt ist.
Der AMR-Effekt des Sensorelements 120 ergibt sich aus einer Eigenschaft eines ferromagnetischen Materials (z. B. Fe, FeNi usw.), bei dem eine Abhängigkeit des elektrischen Widerstands von dem Winkel zwischen der Richtung von elektrischem Strom und der Magnetisierungsrichtung beobachtet wird. Somit kann bei Ausführungsbeispielen das AMR-Sensorelement 120 zumindest eine ferromagnetische Schicht 124 umfassen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen können das zumindest eine magnetoresistive Spinventil-Sensorelement 110 und das zumindest eine AMR-Sensorelement 120 in einem gemeinsamen Sensorgehäuse integriert sein. Insbesondere können das zumindest eine magnetoresistive Spinventil-Sensorelement 110 und das zumindest eine AMR-Sensorelement 120 sogar auf einem gemeinsamen Substrat, z. B. einem gemeinsamen Halbleiter-Wafer, gebildet sein. Abhängig von der Anwendung können das zumindest eine magnetoresistive Spinventil-Sensorelement 110 und das zumindest eine AMR-Sensorelement 120 benachbart auf einer Seite des gemeinsamen Substrats oder auf unterschiedlichen Seiten (vorne und hinten) des gemeinsamen Substrats gebildet sein.
2 stellt einige Eigenschaften des AMR-Effekts dar.
Die magnetische Antwort für ein AMR-Sensorelement kann als das Verhältnis der Änderung des Widerstands (ΔR) zu dem Nennwiderstand (Ri) der ferromagnetischen Schicht 124 ausgedrückt werden. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist die magnetische Antwort polaritätsunempfindlich, d. h. die Antwort auf ein positives Feld ist im Wesentlichen die Gleiche wie die Antwort auf ein negatives Feld. Bemerkenswerterweise gibt es einen Bereich, der halbwegs linear ist. Der Effekt geht jedoch in eine Sättigung, wenn der absolute Wert des externen Magnetfeldes einen bestimmten Wert überschreitet. Ferromagnetische Materialien, wie Permalloy (FeNi), weisen eine Magnetisierung, oder ein magnetisches Moment pro Einheitsvolumen, auf, was eine vektorielle Größe ist, die an jedem Punkt in dem Material definiert ist. Es ist die Rotation dieses Magnetisierungsvektors von der Richtung des Stromflusses aufgrund eines externen Magnetfeldes, die die Änderung des elektrischen Widerstands produziert. Für polaritätsempfindliche Anwendungen kann die ferromagnetische Schicht 124 eines AMR-Sensorelements 120 in den linearen Bereich der Kurve vorgespannt werden, entweder durch ein Rotieren der Magnetisierung weg von dem Strom oder durch ein Rotieren des Stroms weg von der Magnetisierung in dem Sensorentwurf. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das AMR-Sensorelement 120 eine antiferromagnetische Schicht 122 aufweisen, die mit der ferromagnetischen Schicht 124 gekoppelt ist, um eine solche Bias-Magnetisierung für das AMR-Sensorelement 120 über den Exchange-Bias zwischen antiferromagnetischer Schicht 122 und ferromagnetischer Schicht 124 zu erzeugen. Somit kann die ferromagnetische Schicht 124 eines AMR-Sensorelements 120 durch eine entsprechende Exchange-Bias-Richtung in den linearen Bereich der Kurve vorgespannt werden.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann eine erste Exchange-Bias-Richtung des magnetoresistiven Spinventil-Sensorelements 110 gleich einer zweiten Exchange-Bias-Richtung des AMR-Sensorelements 120 sein. Diese Option ist durch die gestrichelten Pfeile in den „festgelegten” ferromagnetischen Schichten 112 und 124 angezeigt. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die antiferromagnetische Schicht 122 sogar gemeinschaftlich zwischen dem magnetoresistiven Spinventil-Sensorelement 110 und dem AMR-Sensorelement 110 verwendet werden. Selbst wenn die festgelegten ferromagnetischen Schichten 112 und 124 voneinander getrennt sind, kann zum Beispiel jedoch zumindest die gleiche Exchange-Bias-Magnetisierung beider Sensorelemente 110, 120 in einem gemeinsamen Prozessschritt durch entsprechendes magnetisches Ausheilen eingestellt werden. Das Festlegen von einer der jeweiligen ferromagnetischen Schichten 112 und/oder 114 kann erreicht werden durch Ausheilen der jeweiligen Schicht in einem Magnetfeld bei einer angegebenen Temperatur. Dieser Ausheilprozess kann den Spin der Elektronen in den jeweiligen festgelegten Schichten in einer Richtung ausrichten. Bei einigen Ausführungsbeispielen können die erste und/oder die zweite Exchange-Bias-Richtung parallel oder antiparallel zu der ersten Magnetfeldkomponente H₁, die erfasst werden soll, eingestellt sein.
3 stellt einen möglichen Aufbau des magnetoresistiven Spinventil-Sensorelements 110 und des AMR-Sensorelements 120 dar.
Wie aus 3 ersichtlich ist, kann das magnetoresistive Spinventil-Sensorelement 110 erheblich größere Dimensionen in der Richtung der zweiten Magnetfeldkomponente H₂, d. h. in einer Richtung senkrecht zu seiner Messrichtung, aufweisen, die der Richtung der ersten Magnetfeldkomponente H₁ entspricht. Aufgrund dieser Formanisotropie kann das magnetoresistive Spinventil-Sensorelement 110 sein magnetisches Moment mit seiner Vorzugsachse (easy axis) entlang der Anisotropie-Richtung, d. h. senkrecht zu der Richtung der ersten Magnetfeldkomponente H₁, ausrichten.
Wie auf der rechten Seite von 3 ersichtlich ist, kann der Magnetfeldsensor 100 ausgebildet sein, um elektrischen Strom durch das zumindest eine AMR-Sensorelement 120 in einem Winkel α zu leiten, der einen absoluten Wert in einem Bereich von 40° bis 50° in Bezug auf seine zugehörige Messrichtung aufweist, d. h. in Bezug auf die Richtung der zweiten Magnetfeldkomponente H₂. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Winkel einen absoluten Wert von 45°, 135°, 225°, 315° usw. aufweisen. Aus einer anderen Perspektive betrachtet kann der Magnetfeldsensor 100 ausgebildet sein, um elektrischen Strom durch das zumindest eine AMR-Sensorelement in einem Winkel zu leiten, der einen absoluten Wert von 40°–50° (z. B. 45°) in Bezug auf seine zugehörige zweite Exchange-Bias-Richtung aufweist, die parallel oder antiparallel zu der Richtung der ersten Magnetfeldkomponente H₁ sein kann.
Wie aus 4a und 4b ersichtlich ist, können Ausführungsbeispiele des Magnetfeldsensors eine Mehrzahl von magnetoresistiven Spinventil-Sensorelementen 110-1 bis 110-4, die zumindest eine erste Wheatstone-Brücken-Schaltung bilden, und eine Mehrzahl von AMR-Sensorelementen 120-1 bis 120-4 (und optional 120-5 bis 120-8), die zumindest eine zweite Wheatstone-Brücken-Schaltung bilden, umfassen. Für höhere Signalamplituden oder bessere Messergebnisse können sich die magnetoresistiven Spinventil-Sensorelemente 110-1 bis 110-4 und/oder die AMR-Sensorelemente 120-1 bis 120-4 an unterschiedlichen Positionen in Bezug auf einen Magnetcodierer befinden. Es ist zu beachten, dass funktionierende Messbrücken-Schaltungen bereits erhalten werden können, indem jeweils nur ein magnetoresistives Sensorelement in der Brücken-Schaltung verwendet wird. Ein Anlegen mehrerer magnetoresistiver Sensorelemente kann allerdings die Empfindlichkeit und/oder Genauigkeit solcher Brücken-Schaltungen erhöhen.
Eine veranschaulichende volle Wheatstone-Brücken-Schaltung 480 ist in 4c gezeigt.
Zum Beispiel umfasst die Wheatstone-Brücken-Schaltung 480 zwei parallele Schaltungszweige, die zwischen Versorgungsspannung V_DD und Masse GND gekoppelt sind. Der erste Schaltungszweig umfasst eine Reihenschaltung von zwei xMR-Elementen R₁ und R₂, während der zweite Schaltungszweig eine Reihenschaltung von zwei xMR-Elementen R₃ und R₄ umfasst. Hier steht der Ausdruck „xMR” für die oben erörterten, unterschiedlichen magnetoresistiven Effekte (z. B. AMR, GMR, TMR usw.). Ein differentielles Messsignal, z. B. eine Spannung, kann zwischen einem ersten Anschluss V–, der sich zwischen den xMR-Elementen R₁ und R₂ des ersten Schaltungszweiges befindet, und einem zweiten Anschluss V+, der sich zwischen den xMR-Elementen R₃ und R₄ des parallelen zweiten Schaltungszweiges befindet, gemessen werden. Das Messsignal ist abhängig von den Änderungen der xMR-Elemente bezüglich ihres jeweiligen elektrischen Widerstands. Die Änderung der jeweiligen elektrischen Widerstände ist wiederum abhängig von einem aktuell vorherrschenden, externen Magnetfeld an der Position des jeweiligen xMR-Elements.
Wenn man das Ausführungsbeispiel von 4b betrachtet, ist eine beispielhafte Implementierung einer Sensorschaltung 450 dargestellt, die zwei Wheatstone-Brücken umfasst.
Die magnetoresistive Sensorschaltung 450 umfasst eine erste Wheatstone-Brücken-Schaltung, die aus vier magnetoresistiven Spinventil-Sensorelementen 110-1 bis 110-4 hergestellt ist, und eine zweite Wheatstone-Brücken-Schaltung, die aus vier AMR-Sensorelementen 120-1 bis 120-4 hergestellt ist. Hier sind zwei magnetoresistive Spinventil-Sensorelemente 110-1 und 110-4 (entsprechend R₁ und R₄) in einem linken Abschnitt des Sensors 450 angeordnet, während die anderen zwei magnetoresistiven Spinventil-Sensorelemente 110-2 und 110-3 (entsprechend R₃ and R₄) in einem gegenüberliegenden, rechten Abschnitt des Sensors 450 angeordnet sind. Dieser differentielle Aufbau ermöglicht ein Messsignal von ziemlich großer Amplitude. Zwischen den linken magnetoresistiven Spinventil-Sensorelementen 110-1, 110-4 und den rechten magnetoresistiven Spinventil-Sensorelementen 110-2, 110-3 ist die zweite Wheatstone-Brücken-Schaltung angeordnet, die die AMR-Sensorelemente 120-1 bis 120-4 umfasst. Die AMR-Sensorelemente 120-1 (R₁) bis 120-4 (R₄) sind zwischen Versorgungsspannung V_DD und Masse GND gekoppelt, wie in Bezug auf 4c erklärt worden ist.
Eine erste Exchange-Bias-Richtung 452 der magnetoresistiven Spinventil-Sensorelemente 110-1 bis 110-4 ist gleich einer zweiten Exchange-Bias-Richtung 454 der (mehrschichtigen) AMR-Sensorelemente 120-1 bis 120-4. Bei Ausführungsbeispielen können die magnetoresistiven Spinventil-Sensorelemente 110-1 bis 110-4 und die AMR-Sensorelemente 120-1 bis 120-4 auf einem gemeinsamen Substrat 456, z. B. einem gemeinsamen Halbleiter-Wafer, angeordnet oder gebildet sein.
Das Ausführungsbeispiel von 4a umfasst sogar zwei AMR-Wheatstone-Brücken-Schaltungen. Während ein erster Sensorteil, der die räumlich differentielle Wheatstone-Brücke mit magnetoresistiven Spinventil-Sensorelementen 110-1 bis 110-4 umfasst, empfindlich für eine tangentiale Feldkomponente eines Magnetfeldes sein kann, das durch einen Magnetcodierer 430 erzeugt wird, kann ein zweiter Sensorteil, der einen räumlich differentiellen Aufbau von zwei vollen Wheatstone-Brücken, hergestellt aus AMR-Sensorelementen 120-1 bis 120-4 und AMR-Sensorelementen 120-5 bis 120-8, umfasst, empfindlich sein für eine radiale (oder axiale) Feldkomponente des Magnetfeldes, das durch einen Magnetcodierer 430 erzeugt wird. Die Empfindlichkeit der magnetoresistiven Spinventil-Sensorelemente 110 kann durch ihre jeweilige Exchange-Bias-Richtung angepasst werden, die entlang der Tangentialrichtung eingestellt ist. Gleichermaßen kann die Empfindlichkeit der AMR-Sensorelemente 120 durch ihren jeweiligen stapelinternen Exchange-Bias entlang der Tangentialrichtung 402 angepasst werden. Das Messsignal jeder AMR-Wheatstone-Brücke kann durch entsprechende Stromleitung durch die AMR-Widerstände (z. B. bei +45° in Bezug auf die radiale Feldkomponente 404) erzeugt werden.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die tangentiale (d. h. erste) Komponente des Magnetfeldes parallel zu einer relativen Bewegungsrichtung zwischen dem Magnetcodierer 430 und dem Magnetsensor 400 sein. Die axiale/radiale (d. h. zweite) Komponente des Magnetfeldes kann parallel zu einer Richtung von einer Oberfläche des Magnetcodierers 430, der dem Magnet-Lesesensor 400 zugewandt ist, in Richtung des Magnet-Lesesensors 400 sein. Anders ausgedrückt, wenn die tangentiale, axiale und radiale Richtung sich über ein x-, y-, z-Koordinatensystem erstrecken, können die magnetoresistiven Spinventil-Sensorelemente 110-1 bis 110-4 empfindlich sein für Magnetfeldkomponenten in x-Richtung, während die AMR-Sensorelemente 120-1 bis 120-4 empfindlich sein können für Magnetfeldkomponenten in y- oder z-Richtung.
5 zeigt einen beispielhaften Aufbau, wo die magnetoresistiven Spinventil-Sensorelemente 110 empfindlich sind für Magnetfeldkomponenten in x-Richtung (z. B. die Tangentialrichtung), während die AMR-Sensorelemente 120 empfindlich sind für Magnetfeldkomponenten in z-Richtung (z. B. die axiale Komponente).
Das Magnetsensorsystem 500 von 5 umfasst einen Magnetcodierer 530, der ausgebildet ist, um ein Magnetfeld bereitzustellen, das erfasst werden soll. Obwohl der beispielhafte Magnetcodierer 530 von 5 alternierende Permanentmagneten 532, 534 von unterschiedlicher magnetischer Polarität umfasst, sind andere Typen von Magnetcodierern möglich. Zum Beispiel brauchen die Codierer selbst nicht zwingend magnetisch zu sein, solange sie in der Lage sind, ein externes Magnetfeld zu beeinflussen. Dies ist zum Beispiel der Fall für ferromagnetische Zahnräder, die in der Lage sind, ein externes Magnetfeld zu beeinflussen, das durch einen in der Nähe angeordneten Permanentmagneten erzeugt wird. Außerdem braucht der Magnetcodierer 530 kein sich kreisförmig erstreckendes Codierer-Rad sein, wie in dem Beispiel von 5 dargestellt ist. Zum Beispiel sind auch sich linear erstreckende, mehrpolige Streifen vorstellbar.
Ferner umfasst das beispielhafte Sensorsystem 500 ein jeweiliges Magnetsensorgehäuse 540, um das Magnetfeld zu erfassen. Bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel umfasst das Magnetsensorgehäuse 540 eine Messbrücke mit zumindest einem magnetoresistiven Spinventil-basierten Sensorelement 110, das ausgebildet ist, um eine erste Komponente (x-Komponente) 502 des Magnetfeldes zu erfassen, und eine weitere Messbrücke mit zumindest einem AMR-basierten Sensorelement 120, das ausgebildet ist, um eine zweite Komponente (z-Komponente) 504 des Magnetfeldes senkrecht zu der ersten Komponente 502 zu erfassen. Das Beispiel von 5 veranschaulicht jeweilige Messbrücken, die mehr als ein jeweiliges Sensorelement umfassen.
Eine relative Bewegungsrichtung zwischen dem Codierer-Rad 530 und dem Sensorgehäuse 540 kann der x-Richtung entsprechen, d. h. der Richtung der ersten Magnetfeldkomponente 502. Die zweite Komponente (z-Komponente) des Magnetfeldes kann zu einer Richtung von einer Oberfläche des Magnetcodierers 530, wobei die Oberfläche dem Magnet-Lesesensor-Gehäuse 540 zugewandt ist, zu dem Magnet-Lesesensor-Gehäuse 540 parallel sein. Bei dem Ausführungsbeispiel von 5 entspricht diese Oberfläche einer Endfläche des Codierer-Rads 530.
Wie aus 5 ersichtlich ist, kann sich das zumindest eine AMR-basierte Sensorelement 120, in Richtung der zweiten Magnetfeldkomponente (z-Komponente), weiter entfernt von dem Magnetcodierer 530 befinden als das zumindest eine magnetoresistive Spinventil-Sensorelement 110. Anders ausgedrückt, das zumindest eine AMR-Sensorelement 120 kann sich in einer größeren Distanz zu einem Magnetcodierer 530 befinden als das zumindest eine magnetoresistive Spinventil-Sensorelement 110, um die Magnetisierung der AMR-Schicht, die ±45° in Richtung der Bias-Richtung überschreitet, zu vermeiden.
Bei der beispielhaften Konfiguration von 5, wo das Lesesensor-Gehäuse 540 sich neben dem Magnetcodierer-Rad 530 in axialer Richtung befindet, entspricht die Richtung der zweiten Magnetfeldkomponente (z-Komponente) der axialen Richtung. Bei einer alternativen „Top-Read”-Konfiguration (in Draufsicht lesbaren Konfiguration) (nicht gezeigt), wo sich das Sensorgehäuse 540 radial außerhalb des Magnetcodierer-Rads 530 befinden kann, kann die Richtung der zweiten Magnetfeldkomponente (z-Komponente) der radialen Richtung entsprechen. Bei beiden Konfigurationen kann allerdings die Richtung der ersten Magnetfeldkomponente der Tangentialrichtung 502 entsprechen.
6 stellt beispielhafte Messsignale des beispielhaften Magnetfeldsensorsystems von 5 dar.
Der obere Abschnitt von 6 skizziert ein erstes periodisches Messsignal 610, das von der ersten Messbrücke gemessen wurde, die das zumindest eine magnetoresistive Spinventil-Sensorelement 110 umfasst, während der untere Abschnitt von 6 ein zweites periodisches Messsignal 620 zeigt, das von der zweiten Messbrücke gemessen wird, die das zumindest eine AMR-Sensorelement 120 umfasst. Wie aus den Signalverläufen ersichtlich ist, sind die Messsignale 610 und 620 um im Wesentlichen 90° phasenverschoben. Wie aus 5 ersichtlich ist, ist die tangentiale Feldkomponente (x-Richtung) an der Grenze zwischen S- und benachbarten N-Polen maximal. Hier ist die axiale oder radiale Feldkomponente minimal. Gleichermaßen ist die axiale/radiale Feldkomponente (z-Richtung) in der Mitte eines S- oder N-Pols maximal. Hier ist die tangentiale Feldkomponente minimal.
Ein beispielhafter Prozess eines Herstellens eines Magnetfeldsensorgehäuses gemäß einem Ausführungsbeispiel wird nun in Bezug auf 7a–7h beschrieben.
Zunächst kann, wie in 7a gezeigt, ein gemeinsames Substrat 702, z. B. ein Halbleiter-Wafer, der eine elektrische Verdrahtung 704 für die zu fertigenden Sensorelemente unterschiedlichen Typs (Spinventil-Typ und AMR-Typ) aufweist, bereitgestellt werden. Dies kann über herkömmliche Halbleiterfertigungs-Prozessschritte erfolgen.
Wie in 7b gezeigt, kann ein Spinventil-Mehrschicht-System ferner auf das gemeinsame Substrat 702 abgeschieden werden. Dabei kann sich „Abscheidung” auf jeglichen Prozess beziehen, der ein Material aufwächst, beschichtet oder anderweitig auf den Wafer 702 überträgt. Zu den verfügbaren Technologien gehören unter anderem physikalische Gasphasenabscheidung (PVD = Physical Vapor Deposition), chemische Gasphasenabscheidung (CVD = Chemical Vapor Deposition), elektro-chemische Abscheidung (ECD = Electro-Chemical Deposition), Molekularstrahlepitaxie (MBE = molecular beam epitaxy) und Atomlagenabscheidung (ALD = Atomic Layer Deposition). Das Spinventil-Mehrschicht-System kann ein Referenzschichtsystem 706 (das z. B. antiferromagnetische und ferromagnetische Schichten umfasst), eine Abstandhalter-Schicht 708 (z. B. Cu) und eine ferromagnetische Erfassungsschicht 710 obendrauf umfassen. Jede Schicht kann individuell auf die vorangehende Schicht abgeschieden werden.
In einem Strukturierungsschritt, der in 7c gezeigt ist, werden Teile des abgeschiedenen Spinventil-Mehrschichtsystems 706, 708, 710 von dem gemeinsamen Substrat 702 durch Maskieren und Ätzen der Spinventil-Mehrschichten 706, 708, 710 auf Abmessungen, die für ein oder mehrere magnetoresistive Spinventil-Sensorelemente 110 notwendig sind, entfernt. Hier können herkömmliche Maskierungs- und Ätzmittel angewandt werden, die aus der Halbleiterproduktion bekannt sind.
In einem weiteren Schritt, der in 7d gezeigt ist, wird der Rest der zukünftigen magnetoresistiven Spinventil-Mehrschicht-Struktur 706, 708, 710 durch eine schützende Isolierschicht 712, z. B. ein dielektrisches Material, abgedeckt und umgeben. Es können wiederum verschiedene Abscheidetechniken angewandt werden.
An der/den Stelle(n) des zumindest einen (zukünftigen) AMR-Sensorelements kann das schützende Isoliermaterial 712 unter Verwendung herkömmlicher Maskierungs- und Ätzmittel, die aus der Halbleiterproduktion bekannt sind, entfernt werden, siehe 7e.
In einem weiteren Schritt, der in 7f gezeigt ist, können ein System einer ferromagnetischen Schicht 714 (Erfassungsschicht) und einer antiferromagnetischen Schicht 716 oben auf die Struktur abgeschieden werden, die sich aus dem vorangehenden Prozessschritt von 7e ergibt. Die ferromagnetische Schicht 714 kann eine Permalloy-(NiFe-)Schicht, eine NiFeCo-Schicht oder eine Schicht aus anderen geeigneten Materialen sein, die in der Technik bekannt sind. Das Material der antiferromagnetischen Schicht 716 kann PtMn, NiMn, IrMn oder Ähnliches sein.
Wiederum, wie in 7g gezeigt, können Teile der abgeschiedenen ferromagnetischen Schicht 714 und antiferromagnetischen Schicht 716 durch Maskieren und Ätzen der Schichten 714, 716 auf Abmessungen, die für ein oder mehrere AMR-Sensorelemente 120 gewünscht sind, entfernt werden. Wiederum können herkömmliche Maskierungs- und Ätzmittel, die aus der Halbleiterproduktion bekannt sind, für die Strukturierung angewandt werden.
Bei weiteren Schritten, die in 7h gezeigt sind, kann der Rest der AMR-Doppelschicht-Struktur 714, 716 durch das schützende Isoliermaterial 712, z. B. ein dielektrisches Material, abgedeckt und umgeben werden. Die gesamte Sensoranordnung kann optional durch eine weitere Schutzschicht 718 abgedeckt werden. Ferner kann eine Exchange-Bias-Richtung, die beiden Sensorelementen 110 und 120 (angezeigt durch die Pfeile in 7h) gemein ist, mittels eines gemeinsamen magnetischen Ausheilprozessschrittes erhalten werden. Das heißt, eine gemeinsame Exchange-Bias-Richtung wird für das Referenzsystem 706 (das eine ferromagnetische Schicht umfasst) des zumindest einen magnetoresistiven Spinventil-Sensorelements 110 und für die ferromagnetische Schicht 712 des zumindest einen AMR-Sensorelements 120 bereitgestellt. Bei einigen Ausführungsbeispielen können die (antiferromagnetischen und ferromagnetischen) Schichten des Referenzsystems 706 des zumindest einen magnetoresistiven Spinventil-Sensorelements 110 und die Schichten (antiferromagnetische und ferromagnetische) 712, 714 des zumindest einen AMR-Sensorelements 120 sogar durch die gleichen Prozessschritte erhalten werden. Auf diese Weise kann die Produktion des Magnetfeldsensors weiter verbessert werden.
In der vorliegenden Offenbarung beschriebene Ausführungsbeispiele können eine verbesserte Detektion von Geschwindigkeit und Position eines Magnetcodierer(-Rad-)s bereitstellen. Zu diesem Zweck schlägt die vorliegende Offenbarung robuste Magnetfeldsensoren vor, die in der Lage sind, gleichzeitig einerseits die radialen (oder axialen) Komponenten und andererseits die tangentialen Komponenten, die durch den Codierer erzeugt werden, zu detektieren. Ausführungsbeispiele können für Kurbelwellen- oder Nockenwellen-Sensor-Anwendungen verwendet werden, die jeweils zwei Sensorbrücken mit senkrechter Empfindlichkeit erfordern.
Einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung schlagen vor, zumindest einen TMR- oder -GMR-Sensor vom Spinventil-Typ zum Erfassen der tangentialen Feldkomponente mit zumindest einem AMR-Sensor mit stapelinternem Bias (erzeugt durch eine Exchange-Bias-Schicht) zum Detektieren der radialen/axialen Feldkomponente zu kombinieren. Neben dem Bereitstellen einer Lösung für die jeweilige Aufgabe, kann ein Vorteil dieser Kombination sein, dass die Exchange-Bias-Richtung, die für beide Sensoren erforderlich ist, in der gleichen Richtung liegt, d. h. sie kann in dem gleichen Prozessschritt eingestellt werden. Es sind keine lokalen Magnetisierungsschritte erforderlich. Die Verwendung unterschiedlicher Erfassungsprinzipien kann auch hilfreich sein zum Sicherstellen einer Funktionssicherheit des Sensors.
Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel kann ein erster Sensor für eine Detektion der tangentialen Feldkomponente als eine räumlich differentielle Wheatstone-Brücke gebildet sein, die aus GMR- oder TMR-Spinventil-Elementen mit einer Exchange-Bias-Richtung hergestellt ist, die entlang der Tangentialrichtung eingestellt ist. Ein zweiter Sensor für die Detektion der radialen/axialen Komponente kann als ein räumlich differentieller Aufbau von zwei vollen Wheatstone-Brücken gebildet sein, die aus zumindest einem AMR-Sensor mit stapelintegriertem Exchange-Bias entlang der Tangentialrichtung hergestellt sind. Das Signal innerhalb jeder Wheatstone-Brücke kann durch entsprechende Stromleitung durch die AMR-Widerstände (bei +45° in Bezug auf das radiale Feld) erzeugt werden.
Eine AMR-Vorrichtung kann zum Beispiel wie folgt hergestellt werden: In einem ersten Schritt kann eine Permalloy-Schicht auf ein Substrat abgeschieden werden. In einem zweiten Schritt kann ein antiferromagnetisches Material, wie beispielsweise PtMn, NiMn, IrMn oder Ähnliches, oben auf die Permalloy-Schicht abgeschieden werden. In noch einem weiteren Schritt wird die Probe in einem Magnetfeld derart ausgeheilt, dass ein Exchange-Bias in einer Richtung senkrecht zu der beabsichtigten Messrichtung gebildet wird. Danach wird der Schichtstapel strukturiert und kontaktiert, um z. B. eine Wheatstone-Brücke mit prinzipiell linearer Abhängigkeit von dem Magnetfeld zu bilden (z. B. durch Rotation des Stromflusses um 45° in Bezug auf die Messfeldrichtung oder durch Verwenden von Barberpole-Strukturen). Hier können elektrisch leitfähige Streifen aus Aluminium, Gold, Kupfer, Tungsten oder anderen geeigneten Materialien benachbart (z. B. unter- oder übereinander) platziert werden, um eine effektive Stromleitung bei etwa 45° in Bezug auf die (Exchange-)Bias-Richtung zu erzeugen.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann das zumindest eine AMR-Element von dem Magnetcodierer weiter entfernt sein als das GMR-Element, um die Magnetisierung der AMR-Schicht, die +–45° in Bezug auf die Bias-Richtung überschreitet, zu vermeiden.
Die GMR- und TMR-Spinventil-Sensorelemente können als einfache festgelegte, antiparallele (AP; AP = anti-parallel) festgelegte oder ähnliche Stapel in einer „Top”-Spinventil- oder „Bottom”-Spinventil-Geometrie gebildet sein.
AMR können als einzelne ferromagnetische Schichten (z. B. NiFe, NiFeCo und andere geeignete Materialien) gebildet sein, die durch einen Antiferromagneten, wie beispielsweise PtMn, NiMn, IrMn oder Ähnliches, festgelegt werden. AMR-Elemente können auch durch Verwenden einer Kopplungsschicht, wie beispielsweise Ruthenium (Ru), zwischen der Erfassungsschicht und der ferromagnetischen Schicht, die mit dem Antiferromagneten gekoppelt ist, gebildet sein.
Die Beschreibung und die Zeichnungen stellen nur die Prinzipien von Ausführungsbeispielen der Erfindung dar. Fachleute auf dem Gebiet werden daher in der Lage sein, verschiedene Anordnungen zu erdenken, die, obwohl sie hierin nicht explizit beschrieben oder gezeigt sind, die Prinzipien von Ausführungsbeispielen verkörpern. Weiterhin sollen alle hier aufgeführten Beispiele prinzipiell ausdrücklich nur Lehrzwecken dienen, um den Leser beim Verständnis der Grundsätze der Erfindung und der durch den (die) Erfinder beigetragenen Konzepte zur Weiterentwicklung der Technik zu unterstützen, und sollen als ohne Begrenzung solcher besonders aufgeführten Beispiele und Bedingungen dienend aufgefasst werden. Weiterhin sollen alle hiesigen Aussagen über Grundsätze, Aspekte und Ausführungsbeispiele der Erfindung wie auch besondere Beispiele derselben deren Entsprechungen umfassen.
Der Fachmann sollte verstehen, dass alle hiesigen Blockdiagramme konzeptmäßige Ansichten beispielhafter Hardware oder Schaltungen darstellen, die die Grundsätze der Erfindung verkörpern. Auf ähnliche Weise versteht es sich, dass alle Ablaufdiagramme, Flussdiagramme, Zustandsübergangsdiagramme, Pseudocode und dergleichen verschiedene Prozesse darstellen, die im Wesentlichen in computerlesbarem Medium dargestellt und so durch einen Computer oder Prozessor ausgeführt werden, ungeachtet dessen, ob ein solcher Computer oder Prozessor ausdrücklich dargestellt ist.
Weiterhin sind die nachfolgenden Ansprüche hiermit in die ausführliche Beschreibung aufgenommen, wo jeder Anspruch als getrenntes Ausführungsbeispiel für sich stehen kann. Wenn jeder Anspruch als getrenntes Ausführungsbeispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass – obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine bestimmte Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann – andere Ausführungsbeispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs einschließen können. Diese Kombinationen werden hier vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Weiterhin sollen auch Merkmale eines Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch gemacht ist.
Weiterhin versteht es sich, dass die Offenbarung vielfacher in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Schritte oder Funktionen nicht als in der bestimmten Reihenfolge befindlich ausgelegt werden sollten. Durch die Offenbarung von vielfachen Schritten oder Funktionen werden diese daher nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt, es sei denn, dass diese Schritte oder Funktionen aus technischen Gründen nicht austauschbar sind. Weiterhin kann bei einigen Ausführungsbeispielen ein einzelner Schritt mehrere Teilschritte einschließen oder in diese unterteilt werden. Solche Teilschritte können eingeschlossen sein und Teil der Offenbarung dieses Einzelschritts bilden, sofern sie nicht ausdrücklich ausgeschlossen sind.

Claims

Ein Magnetfeldsensor (100), umfassend: zumindest ein magnetoresistives Spinventil-Sensorelement (110), das ausgebildet ist, um eine erste Magnetfeldkomponente zu erfassen; und zumindest ein anisotropes magnetoresistives, AMR, Sensorelement (120), das ausgebildet ist, um eine zweite Magnetfeldkomponente senkrecht zu der ersten Magnetfeldkomponente zu erfassen.
Der Magnetfeldsensor (100) gemäß Anspruch 1, wobei das zumindest eine magnetoresistive Spinventil-Sensorelement (110) ein tunnelmagnetoresistiver, TMR, oder riesenmagnetoresistiver, GMR, Sensor ist.
Der Magnetfeldsensor (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das AMR-Sensorelement (120) eine antiferromagnetische Schicht (122) aufweist, die mit einer ferromagnetischen Schicht (124) gekoppelt ist, was eine Bias-Magnetisierung für das AMR-Sensorelement erzeugt.
Der Magnetfeldsensor (100) gemäß Anspruch 3, wobei eine erste Exchange-Bias-Richtung des magnetoresistiven Spinventil-Sensorelements (110) gleich einer zweiten Exchange-Bias-Richtung des AMR-Sensorelements (120) ist.
Der Magnetfeldsensor (100) gemäß Anspruch 4, wobei die erste und/oder die zweite Exchange-Bias-Richtung parallel oder antiparallel zu der ersten Magnetfeldkomponente sind.
Der Magnetfeldsensor (100) gemäß Anspruch 4, der ferner ausgebildet ist, um elektrischen Strom in einem Winkel zu leiten, der einen absoluten Wert von 40°–50° in Bezug auf die zweite Exchange-Bias-Richtung durch das zumindest eine AMR-Sensorelement (120) aufweist.
Der Magnetfeldsensor (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend: eine Mehrzahl von magnetoresistiven Spinventil-Sensorelementen (110), die zumindest eine erste Wheatstone-Brücken-Schaltung bilden; und eine Mehrzahl von AMR-Sensorelementen (120), die zumindest eine zweite Wheatstone-Brücken-Schaltung bilden.
Der Magnetfeldsensor (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine AMR-Sensorelement (120) in einem größeren Abstand zu einem Magnetcodierer (130) positioniert ist als das zumindest eine magnetoresistive Spinventil-Sensorelement (110).
Der Magnetfeldsensor (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine magnetoresistive Spinventil-Sensorelement (110) und das zumindest eine AMR-Sensorelement (120) auf einem gemeinsamen Substrat (456; 702) gebildet sind.
Eine Magnetsensor-Vorrichtung (100; 500), umfassend: einen Magnetcodierer (130; 530), der ausgebildet ist, um ein Magnetfeld bereitzustellen; und einen Magnet-Lesesensor (100; 540), umfassend zumindest ein magnetoresistives Spinventil-Sensorelement (110), das ausgebildet ist, um eine erste Komponente des Magnetfeldes zu erfassen; und zumindest ein anisotropes, magnetoresistives, AMR, Sensorelement (120), das ausgebildet ist, um eine zweite Komponente des Magnetfeldes senkrecht zu der ersten Komponente zu erfassen.
Die Vorrichtung (100; 500) gemäß Anspruch 10, wobei die erste Komponente des Magnetfeldes zu einer relativen Bewegungsrichtung zwischen dem Magnetcodierer (130; 530) und dem Magnet-Lesesensor (100; 540) parallel ist.
Die Vorrichtung (100; 500) gemäß Anspruch 11, wobei die zweite Komponente des Magnetfeldes zu einer Richtung von einer Oberfläche des Magnetcodierers (130; 530), die dem Magnet-Lesesensor zugewandt ist, zu dem Magnet-Lesesensor (100; 540) parallel ist.
Die Vorrichtung (100; 500) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der Magnetcodierer (130; 530) ein Magnetcodierer-Rad umfasst.
Die Vorrichtung (100; 500) gemäß den Ansprüchen 10 bis 13, wobei die erste Komponente des Magnetfeldes einer tangentialen Magnetfeldkomponente entspricht und wobei die zweite Komponente des Magnetfeldes einer radialen oder axialen Magnetfeldkomponente entspricht.
Die Vorrichtung (100; 500) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei das AMR-Sensorelement (120) eine antiferromagnetische Schicht (122; 714) umfasst, die mit einer ferromagnetischen Schicht (124; 712) gekoppelt ist, was eine Bias-Richtung in dem zumindest einen AMR-Sensorelement (120) erzeugt.
Die Vorrichtung (100; 500) gemäß Anspruch 15, wobei eine Exchange-Bias-Richtung des zumindest einen magnetoresistiven Spinventil-Sensorelements (110) der Exchange-Bias-Richtung des zumindest einen AMR-Sensorelements (120) entspricht.
Ein Verfahren zum Detektieren einer Position und/oder einer Geschwindigkeit eines Magnetcodierers (130; 530), das Verfahren umfassend: Verwenden von zumindest einem magnetoresistiven Spinventil-Sensorelement (110) zum Erfassen einer ersten Komponente eines Magnetfeldes, das durch den Magnetcodierer (130; 530) erzeugt wird; und Verwenden von zumindest einem anisotropen magnetoresistiven, AMR, Sensorelement (120) zum Erfassen einer zweiten Komponente des Magnetfeldes senkrecht zu der ersten Komponente.
Das Verfahren gemäß Anspruch 17, ferner umfassend: Anordnen des zumindest einen magnetoresistiven Spinventil-Sensorelements (110) und des zumindest einen AMR-Sensorelements (120) auf einem gemeinsamen Substrat (456; 702).
Das Verfahren gemäß Anspruch 17 oder 18, ferner umfassend: Bereitstellen einer gemeinsamen Exchange-Bias-Richtung für eine ferromagnetische Schicht des zumindest einen magnetoresistiven Spinventil-Sensorelements (110) und für eine ferromagnetische Schicht des zumindest einen AMR-Sensorelements (120).