DE10357150A1

DE10357150A1 - Magnetsensoranordnung

Info

Publication number: DE10357150A1
Application number: DE10357150A
Authority: DE
Inventors: Peter Schmollngruber; Ingo Herrmann; Lutz Dorfmueller; Paul Farber; Maik Rabe; Ulrich May
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-12-06
Filing date: 2003-12-06
Publication date: 2005-06-30
Also published as: EP1800145A1; JP2007517192A; WO2005054886A1

Abstract

Es wird eine Magnetsensoranordnung mit mindestens einer magnetfeldempfindlichen Sensorschicht (6) in einem Multilagen-Schichtstapel vorgeschlagen, bei der der elektrische Widerstand von magnetfeldempfindlichen Sensorelementen (2, 3, 4, 5) der Sensorschicht (6) in Abhängigkeit von einem äußeren Magnetfeld (H¶ext¶) veränderbar ist. Ferner ist eine Bias-Schicht zur Erzeugung eines magnetischen Hilfsfeldes (M¶ini¶) vorhanden. Die Sensorelemente sind aus mikrostrukturierten Messstreifen (2, 3, 4, 5) in der Sensorschicht (6) gebildet und die Magnetsensoranordnung ist derart ausgebildet, dass die Richtung der Magnetisierung (M¶ini¶) der Bias-Schicht und die Richtung des äußeren Magnetfeldes (H¶ext¶) nahezu senkrecht zu der Längserstreckung der mikrostrukturierten Messstreifen (2, 3, 4, 5) verlaufen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetsensoranordnung, insbesondere zur Sensierung der Bewegung von linear oder rotatorisch bewegten Elementen, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.

Es ist an sich bakannt, dass sogenannte GMR-Sensoren als magnetfeldempfindliche Bauelemente (GMR= Giant Magneto Resistance), beispielsweise als relativ robuste Sensoren bei der Drehwinkelerfassung in Kraftfahrzeugen, angewendet werden können. Als Giant Magneto Resistance (GMR) wird ein Effekt bezeichnet, der bei geeigneten Schichtsystemen, bestehend aus dünnen, abwechselnd magnetischen und nichtmagnetischen Metallschichten, auftritt. Es handelt sich hierbei um eine starke Abhängigkeit des elektrischen Widerstands des Schichtsystems von einem angelegten Magnetfeld aufgrund spinabhängiger Elektronenstreuung.

Für sich gesehen bekannt sind auch magnetoresistive Sensoren, deren Arbeitspunkt für den Einsatz z.B. in der Au tomobilanwendung durch verschieden erzeugte magnetische (Bias)Hilfsfelder verschoben wird. Hier sind Felderzeugung durch montierte makroskopische Hartmagnete sowie der Einsatz von stromdurchflossenen Feldspulen an sich bekannte Möglichkeiten.

Beispielsweise ist in der DE 101 28 135 A1 ein Konzept beschrieben, in dem eine hartmagnetische Bias-Schicht in der Nähe, d.h. insbesondere auf und/oder unter einem magnetoresistiven Schichtstapel, deponiert wird. Diese hartmagnetische Schicht koppelt dann vorwiegend durch ihr Streufeld an die magnetosensitiven Schichten und erzeugt dabei ein sogenanntes Bias-Magnetfeld, das als Magnetfeld-Offset wirkt, so dass auch bei einer nur schwachen Variation eines dem internen Magnetfeld überlagerten externen Magnetfeld eine gut messbare und relativ große Veränderung des eigentlichen Messwertes, der als Widerstandsänderung in der Schichtanordnung detektiert wird, erreichbar ist.

Ein Problem bei diesen Ausführungen einer Magnetsensoranordnung ist die Gewährleistung einer möglichst hohen Sensitivität eines GMR-Multilagen Sensors mit integrierter hartmagnetischer Bias-Schicht.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung geht aus von einer Magnetsensoranordnung der eingangs angegebenen Art mit mindestens einer magnetfeldempfindlichen Sensorschicht in einem Multilagen-Schichtstapel, bei der der elektrische Widerstand von magnetfeldempfindlichen Sensorelementen der Sensorschicht in Abhängigkeit von einem äußeren Magnetfeld veränderbar ist und mit einer Bias-Schicht zur Erzeugung eines magnetischen Hilfsfeldes. In vorteilhafter Weise sind erfin dungsgemäß die Sensorelemente aus mikrostrukturierten Messstreifen in der Sensorschicht gebildet und die Magnetsensoranordnung ist derart ausgebildet, dass die Richtung der Magnetisierung der Bias-Schicht und die Richtung des äußeren Magnetfeldes nahezu senkrecht zu der Längserstreckung der mikrostrukturierten Messstreifen verlaufen.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist auf einfache Weise erreicht, dass die Verschiebung der GMR-Kennlinie der Sensorschicht im Schichtaufbau durch die Bias-Schicht bei konstanter und vorzugsweiser dünner Bias-Schichtdicke sehr hoch ist. Die mikrostrukturierten Streifen können sich dabei linear erstrecken oder mäanderförmig mit hohem Aspektverhältnis verlaufen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die mikrostrukturierten Messstreifen eine Breite von 2 bis 10 μm, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 7 μm, aufweisen. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist beispielsweise die magnetfeldempfindliche Sensorschicht aus [CoFe/Cu]₂₀ und die Bias-Schicht als hartmagnetische Dünnschicht aus Cr/CoCrPt oder Cr/CoSm hergestellt.

Insgesamt ist die erfindungsgemäße Magnetsensoranordnung dadurch vorteilhaft, dass gegenüber dem Stand der Technik mittels der Mikrostrukturierung die Möglichkeit geschaffen wird, dass die Verschiebung der GMR-Kennlinie auf der Feldachse variiert werden kann ohne die Bias-Schichtdicke zu ändern. Im Besonderen lässt sich durch das vorgestellte Konzept die Kennlinie bei relativ geringer Bias-Schichtdicke maximal stark verschieben. Denn durch eine geringe Bias-Schichtdicke vermindert sich der sogenannte Current-Shunting-Effekt, der aufgrund des Stromkurzschlusses über die Bias-Schicht die GMR-Amplitude und die entsprechende Sensitivität verringert.

Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 eine Prinzipansicht eines Schichtaufbaus einer Messbrückenschaltung und insbesondere die Sensorschicht einer Magnetsensoranordnung mit mikrostrukturierten Messstreifen als Sensorelemente,
2 ein Diagramm der Abhängigkeit der GMR-Kennlinie der mikrostrukturierten Streifen von der Breite der Messstreifen und
3 eine Darstellung der Variation der Richtung des äußeren Magnetfeldes und der Richtung des Bias-Feldes relativ zur Richtung der mikrostrukturierten Streifen.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist eine Prinzipansicht einer GMR-Magnetsensoranordnung 1 gezeigt, der in einem Multilagen- oder Multischichtaufbau hergestellt ist. Für die eigentliche Sensierung einer in der Beschreibungseinleitung erwähnten Magnetfeldänderung eines äußeren Magnetfeldes H_ext sind lineare mikrostrukturierte Messstreifen 2, 3, 4, 5 als Sensorelemente in einer Sensorschicht 6 vorhanden, die zu einer Wheatstoneschen Brückenschaltung zusammengeschaltet sind, so dass die magnetfeldabhängigen Widerstandsänderungen der Messstreifen 2, 3, 4 und 5 an Schaltungspunkten 7, 8, 9 und 10 entsprechend ausgewertet werden können.
Ferner ist noch eine aus der Darstellung nicht erkennbare hartmagnetische Bias-Schicht in der GMR-Magnetsensor anordnung 1 nach der 1 über oder unter der Sensorschicht 6 vorhanden, mit der eine Verschiebung der GMR-Kennlinie der Messstreifen 2 bis 5 auf der Feldachse erreichbar ist. Aus einem Diagramm nach 2 sind die Verschiebung der GMR-Kennlinie 11 sowie die Amplitudenänderung in Abhängigkeit der Mikrostrukturbreite in μm der Messstreifen 2 bis 5 aufgetragen.
Aus der 2 ist weiterhin zu erkennen, dass insbesondere das wirksame Bias-Feld H_shift gemäß Kurve 12 unterhalb von 7 μm steigt und damit trotz konstanter Bias-Schichtdicke die Kennlinie 11 entsprechend stärker verschiebt. Somit ist erkennbar, dass die zuvor beschriebenen Mikrostrukturbreiten der Messstreifen 2 bis 5 vorteilhaft für die Integration von hartmagnetischen Bias-Schichten in den GMR-Multilagenstapel einer Magnetsensoranordnung sind. Die Hauptursache für diese Abhängigkeiten sind die Einflüsse der Formanisotropie als Einfluss auf die GMR-Amdlitude und magnetostatische Faktoren auf die Verschiebung der GMR-Kennlinie 11.
In 3 sind GMR-Kennlinien der Sensorschicht 6 mit verschiedenen Richtungen von Bias-Schichten mit einer Magnetisierung M_ini und Richtungen des äußeren Feldes H_ext zu der Richtung der Messstreifen 2 bis 5 gegeneinander variiert. Im oberen Teil (a) wird davon ausgegangen, dass das Feld H_ext senkrecht zu der Längserstreckung der Messstreifen 2 bis 5 angeordnet ist und somit befinden sich hier Kennlinien 13, 14 für den Fall, dass die Bias-Magnetisierung M_ini senkrecht zum äußeren Feld H_ext liegt. Kennlinien 15, 16 kennzeichnen den Fall, dass die Bias-Magnetisierung M_ini parallel zum äußeren Feld H_ext ist.
Im unteren Teil (b) wird davon ausgegangen, dass das Feld H_ext parallel zu den Messstreifen 2 bis 5 angeordnet ist und somit befinden sich hier Kennlinien 17, 18 für den Fall, dass die Bias-Magnetisierung M_ini senkrecht zum äußeren Feld H_ext liegt; Kennlinien 19, 20 kennzeichnen den Fall, dass die Bias-Magnetisierung M_ini parallel zum äußeren Feld H_ext ist.
Das maximale Bias-Feld findet sich somit bei identischer Bias-Schichtdicke in dem erfindungsgemäßen Fall, bei dem sowohl Bias-Magnetisierung M_ini als auch das äußere Feld H_ext senkrecht zur Länge der mikrostrukturierten Messstreifen 2 bis 5 ausgerichtet sind.

Claims

Magnetsensoranordnung mit – mindestens einer magnetfeldempfindlichen Sensorschicht (6) in einem Multilagen-Schichtstapel, bei der der elektrische Widerstand von magnetfeldempfindlichen Sensorelementen (2, 3, 4, 5) der Sensorschicht (6) in Abhängigkeit von einem äußeren Magnetfeld (H_ext) veränderbar ist und mit – einer Bias-Schicht zur Erzeugung eines magnetischen Hilfsfeldes (M_ini), dadurch gekennzeichnet, dass – die Sensorelemente aus mikrostrukturierten Messstreifen (2, 3, 4, 5) in der Sensorschicht (6) gebildet sind und dass – die Magnetsensoranordnung derart ausgebildet ist, dass die Richtung der Magnetisierung (M_ini) der Bias-Schicht und die Richtung des äußeren Magnetfeldes (H_ext) nahezu senkrecht zu der Längserstreckung der mikrostrukturierten Messstreifen (2, 3, 4, 5) verlaufen.
Magnetsensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die mikrostrukturierten Streifen (2, 3, 4, 5) sich linear erstrecken.
Magnetsensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die mikrostrukturierten Streifen mäanderförmig mit hohem Aspektverhältnis verlaufen.
Magnetsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die mikrostrukturierten Streifen (2, 3, 4, 5) eine Breite von 2 bis 10 μm aufweisen.
Magnetsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die magnetfeldempfindliche Sensorschicht (6) aus (CoFe/Cu]₂₀ und die Bias-Schicht als hartmagnetische Dünnschicht aus Cr/CoCrPt oder Cr/CoSm hergestellt sind.