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WO1996038739A1 - Magnetfeldsensor mit einer brückenschaltung von magnetoresistiven brückenelementen - Google Patents

Magnetfeldsensor mit einer brückenschaltung von magnetoresistiven brückenelementen Download PDF

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WO1996038739A1
WO1996038739A1 PCT/DE1996/000960 DE9600960W WO9638739A1 WO 1996038739 A1 WO1996038739 A1 WO 1996038739A1 DE 9600960 W DE9600960 W DE 9600960W WO 9638739 A1 WO9638739 A1 WO 9638739A1
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WO
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bridge
layer
magnetic field
elements
bias layer
Prior art date
Application number
PCT/DE1996/000960
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Schelter
Hugo Van Den Berg
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Priority to JP8536106A priority Critical patent/JPH11505966A/ja
Priority to EP96915955A priority patent/EP0874999A1/de
Publication of WO1996038739A1 publication Critical patent/WO1996038739A1/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices

Definitions

  • the invention relates to a sensor for detecting an external, at least largely homogeneous magnetic field with magnetoresistive bridge elements with a thin layer structure connected to form a bridge, via which bridge a bridge current is to be conducted and from which a measuring voltage is to be taken.
  • a sensor is indicated in DE-GBM 93 12 674.3.
  • the electrical resistance can depend on the size and direction of a magnetic field penetrating the material.
  • the corresponding effect is called anisotropic magnetoresistance "AMR" or anisotropic magnetoresistive effect. Physically, it is based on the different scattering cross sections of electrons with the spin polarity of the D band and different spin. The electrons are therefore referred to as majority or minority electrons.
  • AMR anisotropic magnetoresistance
  • a thin layer of such a magnetoresistive material with a magnetization in the layer plane is generally provided.
  • magnetoresistive multilayer systems which contain a plurality of ferromagnetic layers arranged in a stack, which are separated from one another by metallic intermediate layers and the magnetizations of which lie in the layer plane.
  • the thicknesses of the individual layers are significantly smaller than that average free path length of the line electrons selected.
  • a so-called giant magnetoresistive effect or giant magnetoresistance GMR can occur in the individual layers (cf. for example EP-A-0 483 373).
  • Such a GMR effect is based on the differently strong scattering of majority and minority conduction electrons at the interfaces between the ferromagnetic layers and the intermediate layers as well as on scattering effects within the layers, especially when alloys are used.
  • the GMR effect is an isotropic effect. It can be considerably larger than the anisotropic effect AMR and can assume values of up to 70% of the normal isotropic resistance.
  • adjacent metallic magnetic layers are initially magnetized in opposite directions. Under the influence of an external magnetic field, the initial anti-parallel alignment of the magnetizations can be converted into a parallel one. This fact is exploited with corresponding magnetic field sensors.
  • a magnetic field sensor emerges with whose bridge elements (sensor elements), which show an anisotropic magnetoresistance AMR, a Wheatstone bridge circuit can be constructed.
  • the individual sensor elements can advantageously be connected to the bridge by appropriate structuring so that the current directions in the two pairs of diagonal bridge elements from the two bridge branches are opposite.
  • the sensor should be relatively easy to manufacture.
  • the set current is to be chosen so high that it can be used to obtain a magnetic field which is sufficiently strong for the magnetic reversal of the bias layer part.
  • the magnetic field of the set current can optionally be overlaid by an external support or auxiliary field.
  • the external magnetic field component to be detected is not able to reverse magnetize the bias layer part.
  • a layer structure is understood to mean that each bridge element has a predetermined layer sequence with a predetermined thickness of the individual layers.
  • the layer sequences and the thicknesses of corresponding layers from all bridge elements are the same. Such layer sequences can advantageously be easily realized.
  • FIG. 1 shows the circuit diagram of a bridge circuit of a magnetic field sensor according to the invention
  • FIG. 2 shows an oblique view of a GMR layer structure of an individual bridge element of such a sensor
  • FIG. 3 shows a cross section through a bridge element according to the invention
  • FIGS. 4 and 5 are views of bridge circuits of magnetic field sensors according to the invention
  • a bridge circuit known per se is advantageously provided for the magnetic field sensor according to the invention, which is shown in FIG. 1.
  • the bridge B shown contains two bridge branches ZI and Z2, which are connected in parallel between two connection points AI and A2 of the bridge.
  • a bridge current Ig is to be conducted over the bridge B at the connection points AI and A2.
  • Each of the bridge branches ZI and Z2 contains two bridge elements E1 and E2 or E3 and E4 connected in series.
  • a measuring point P1 or P2 of the bridge lies between the two elements of each bridge branch.
  • a measuring voltage U m can be taken at these measuring points.
  • the individual bridge elements Ej (with 1 ⁇ j 4 4) of the bridge circuit B are to be built up from multi-layer systems known per se which have a GMR effect (cf. for example EP-A-0 483 373 or DE -OSen 42 32 244, 42 43 357 or 42 43 358).
  • These multilayer systems each have, among other things, a bias layer part with a predetermined orientation direction of the magnetization m fj .
  • these magnetizations are indicated by arrowed lines on the individual bridge elements illustrated.
  • the two pairs E1-E4 and E2-E3 of diagonal bridge elements each have the same directions of the bias magnetizations mfj, the direction of magnetization of one pair being opposite to that of the other pair.
  • the bias field caused by the bias layers of each bridge element Ej is denoted by H ⁇ j.
  • FIG. 2 shows the basic structure of a known multilayer system S with a GMR effect (cf. e.g. EP 0 346 817 A).
  • This multilayer system contains a bias layer part 2, which according to the exemplary embodiment shown consists of a ferromagnetic bias layer 2a (e.g. made of NiFe) with an additional antiferromagnetic layer 2b underneath
  • a bias layer part 2a e.g. made of NiFe
  • a measuring layer 3 which is magnetically softer than this bias layer part 2 (e.g. made of a NiFe alloy with a correspondingly smaller coercive field thickness) is separated by a non-magnetic intermediate layer 4 (e.g. made of Cu).
  • the figure shows the possible magnetizations in these layers by means of arrowed lines.
  • Corresponding multilayer systems are also referred to as "exchange biased systems”.
  • Such or another multilayer system with a GMR effect can be, for example, the basic system for forming a bridge element Ej according to the invention.
  • the bridge elements Ej preferably each have a multiplicity of magnetic and non-magnetic layers.
  • Such a multilayer system is assumed for the bridge element Ej, which is indicated in FIG. 3.
  • His multilayer system S ' which, for example, comprises a bias layer part 2 with several layers, is covered with a passivation layer 5, which consists of a non-magnetic and in particular insulating material.
  • a conductor layer 6 in the form of a metallization made of a non-magnetic, electrically highly conductive material such as Cu or Ag is applied to this passivation layer 5. With a setting current I e through this conductor layer 6, a magnetic setting field H e of such a direction and strength can be caused that a preferred direction of the magnetization can be fixed in the bias layer part 2 of the multilayer system S '.
  • corresponding strip-shaped conductor layers 6i are for two
  • the bridge circuit B1 according to FIG. 4 has a rectangular arrangement of its bridge elements E1 to E4, while in the bridge circuit B2 according to FIG. 5 all four bridge elements E1 to E4 are arranged next to one another.
  • the embodiment according to FIG. 5 advantageously allows a particularly narrow arrangement of the bridge elements.
  • Three tracks of conductor layers 6i are required for the bridge circuit B1 and four tracks of conductor layers 6i are required for the bridge circuit B2.
  • the directions of the individual setting currents I e through the respective conductor layers to be selected, for example, are indicated by arrowed lines.
  • each element is provided with its GMR layer system with at least two contacts. These contacts are either both on the top measuring layer of the corresponding magnetic field sensitive layer system arranged so that the bridge current flows parallel to the layer planes on average (so-called “current-in-plane (CIP) system”); or a contact is arranged on the top and on the bottom layer, so that the bridge current then flows on average perpendicular to the layer planes (so-called “current-perpendicular-to-plane (CPP) system”).
  • CIP current-in-plane
  • CCPP current-perpendicular-to-plane
  • the layer structure selected in each case is then coated with the passivation layer 5 according to FIG. 3 before the conductor layers 6i are applied to magnetize the individual bias layer parts.
  • FIG. 6 shows a corresponding exemplary embodiment with 20 magnetic field sensors according to the invention on a disk-shaped Si substrate 13.
  • Embodiments 11 according to FIG. 4 are used as a basis for these magnetic field sensors.
  • Their respective bridge circuit B1 is only indicated by a flat rectangle in the figure. The interconnection of the conductor layers 6i of all bridge circuits leads to a meandering conductor track 16 between contacting surfaces 17a and 17b.
  • a corresponding system of magnetic field sensors can be jointly formed on a substrate 13.
  • Corresponding systems of magnetic field sensors according to the invention can be implemented particularly easily with GMR bridge elements which are of the type of an exchange biased multilayer system S illustrated in FIG. 2.
  • GMR bridge elements which are of the type of an exchange biased multilayer system S illustrated in FIG. 2.
  • the rigid magnet tization in the bias layer part 2 only small fields such as under 20 Oe are necessary.
  • the required value of 20 Oe can be produced in the bias layer part.
  • a temperature increase to approximately 150 ° C. is favorable.
  • a corresponding temperature increase can take place, for example, by arranging the layer system in a heated room. If necessary, however, it is also possible to provide the heating power by means of the conductor layer 6i generating the magnetic adjustment field H e . This can be done by selecting the appropriate conductor parameters (such as material, cross-section, electrical current I e ).
  • the support field H z and the setting field H e on which this is based then make it necessary to exceed a predetermined threshold value of the field strength which, according to the assumed embodiment, the saturation field strength H s of the bias layer part.
  • the field relationships can be seen from the diagram in FIG.
  • the field strength H is plotted in arbitrary units in the direction of the abscissa and the magnetization M in the direction of the ordinate.
  • the quantities H s represent the saturation field strength or the threshold field strength
  • H c the coercive field strength
  • H min the field strength at which the magnetization M begins to increase sharply with increasing field strength from the value of the negative saturation magnetization.
  • Hg ⁇ z + H e .
  • the size is preferably approximately
  • H 2 - IH. results If H z and I e are selected accordingly, the threshold value H is exceeded for the bias layer part of the bridge elements El and E4. This leads to a desired permanent orientation of the magnetization in this bias layer part. In contrast, the bridge elements E2 and E3, no change is effected for the bias layer part as H m i n is not exceeded. The magnetization of this layer part thus remains unaffected. If one now reverses the direction of H z , the bridge elements El and E4 result in H g -
  • , for E2 and E3 accordingly H g -
  • the threshold value H s is exceeded for the bias layer part of the bridge elements E2 and E3, which leads to a desired permanent orientation of the magnetization in this bias layer part, while for the bias layer part of the bridge elements E1 and E4 the coercive field strength is not exceeded and the magnetization of this layer part remains unaffected, ie due to the previous process step in the opposite orientation.

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Abstract

Der Sensor weist eine Brückenschaltung (B1) von mehreren magnetoresistiven Dünnschicht-Brückenelementen (E1 bis E4) auf. Alle Brückenelemente (E1 bis E4) sollen mit demselben Schichtaufbau auf einem gemeinsamen Substrat (13) ausgebildet sein und einen GMR-Effekt zeigen. Außerdem soll jedes Brückenelement einen Biasschichtteil und eine Leiterschicht (6i) aufweisen, die zur Führung eines Einstellstromes (Ie) vorgesehen ist, um in dem Biasschichtteil eine bestimmte Orientierungsrichtung der Magnetisierung fest einzustellen.

Description

Beschreibung
Magnetfeldsensor mit einer Brückenschaltung von magnetoresi- stiven Brückenelementen
Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zur Erfassung eines äußeren, zumindest weitgehend homogenen Magnetfeldes mit zu einer Brücke verschalteten magnetoresistiven Brücken¬ elementen mit Dünnschichtaufbau, über welche Brücke ein Brückenstrom zu führen und an der eine Meßspannung abzunehmen ist. Ein derartiger Sensor ist in dem DE-GBM 93 12 674.3 an¬ gedeutet.
In ferromagnetisehen Übergangsmetallen wie Ni, Fe oder Co und deren Legierungen kann eine Abhängigkeit des elektrischen Wi¬ derstandes von der Größe und der Richtung eines das Material durchdringenden Magnetfeldes gegeben sein. Den entsprechenden Effekt nennt man anisotropen Magnetowiderstand "AMR" oder anisotropen magnetoresistiven Effekt. Er beruht physikalisch auf den unterschiedlichen Streuquerschnitten von Elektronen mit der Spinpolarität des D-Bandes und unterschiedlichem Spin. Die Elektronen werden deshalb als Majoritäts- bzw. Mi¬ noritätselektronen bezeichnet. Für entsprechende magnetore- sistive Sensoren wird im allgemeinen eine dünne Schicht aus einem solchen magnetoresistiven Material mit einer Magneti¬ sierung in der Schichtebene vorgesehen. Die Widerstandsände¬ rung bei Drehung der Magnetisierung bezüglich der Stromrich¬ tung kann einige Prozent des normalen isotropen (= ohmschen) Widerstandes betragen (vgl. das eingangs genannte DE-GBM) .
Ferner sind seit einiger Zeit magnetoresistive Mehrschichten¬ systeme bekannt, welche mehrere, zu einem Stapel angeordnete ferromagnetische Schichten enthalten, die durch metallische Zwischenschichten voneinander getrennt sind und deren Magne- tisierungen jeweils in der Schichtebene liegen. Die Dicken der einzelnen Schichten sind dabei deutlich geringer als die mittlere freie Weglänge der Leitungselektronen gewählt. In solchen Mehrschichtensystemen kann nun zusätzlich zu dem er¬ wähnten anisotropen magnetoresistiven Effekt AMR in den ein¬ zelnen Schichten ein sogenannter giant-magnetoresistiver Ef- fekt oder Giant-Magnetowiderstand GMR auftreten (vgl. z.B. EP-A-0 483 373). Ein solcher GMR-Effekt beruht auf der unter¬ schiedlich starken Streuung von Majoritäts- und Minoritäts- Leitungselektronen an den Grenzflächen zwischen den ferroma- gnetischen Schichten und den Zwischenschichten sowie auf Streueffekten innerhalb der Schichten, insbesondere bei Ver¬ wendung von Legierungen. Der GMR-Effekt ist dabei ein iso¬ troper Effekt. Er kann erheblich größer sein als der aniso¬ trope Effekt AMR und Werte bis zu 70 % des normalen isotropen Widerstandes annehmen. In den einen GMR-Effekt zeigenden Mehrschichtensystemen sind benachbarte metallische Magnet¬ schichten zunächst entgegengesetzt magnetisier . Unter dem Einfluß eines äußeren Magnetfeldes kann sich die anfängliche antiparallele Ausrichtung der Magnetisierungen in eine paral¬ lele umwandeln. Bei entsprechenden Magnetfeldsensoren wird diese Tatsache ausgenutzt.
Aus dem eingangs genannten DE-GBM geht ein Magnetfeldsensor hervor, mit dessen Brückenelementen (Sensorelementen) , die einen anisotropen Magnetowiderstand AMR zeigen, eine Wheat- stone-Brückenschaltung aufgebaut werden kann. In der Brücken¬ schaltung eines solchen Sensors läßt sich gezielt die Tat¬ sache ausnützen, daß in den einzelnen Sensorelementen der magnetoresistive Effekt ihrer AMR-Schichten vom Winkel zwi¬ schen der Magnetisierung der jeweiligen Schicht und der Rich- tung eines durch sie fließenden Stromes abhängt. Die einzel¬ nen Sensorelemente können vorteilhaft durch entsprechende Strukturierung so zu der Brücke verschaltet werden, daß die Stromrichtungen in den beiden paarweise diagonalen Brücken¬ elementen aus den beiden Brückenzweigen entgegengesetzt sind. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Magnetfeld- sensor mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend aus¬ zugestalten, daß mit ihm eine oder mehrere Vektorkomponenten eines in dem Empfangsbereich des Sensors zumindest weitgehend homogenen (=uniformen) Magnetfeldes mit hoher Empfindlichkeit zu messen ist, wobei ein Meßsignal erhalten wird, das wenig¬ stens teilweise hinsichtlich von Temperatureinflüssen und mechanischen Verspannungen der Brückenelemente kompensiert ist. Außerdem soll der Sensor verhältnismäßig einfach herzu- stellen sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß alle Brückenelemente auf einem gemeinsamen Substrat mit demselben Schichtaufbau und derselben Geeometrie ausgebildet sind sowie einen erhöhten magnetoresistiven Effekt (GMR) zeigen und daß in jedem der Brückenelemente ein Biasschichtteil und eine Leiterschicht vorgesehen sind, wobei diese Leiterschicht zur Führung eines Einstellstromes vorbestimmter Richtung und Stärke derart vorgesehen ist, daß in dem Biasschichtteil eine Orientierungsrichtung ihrer Magnetisierung fest einstellbar ist.
Die mit dieser Ausgestaltung des Magnetfeldsensors verbunde¬ nen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß erstmalig eine für einen großtechnischen Einsatz mit vertretbarem Auf¬ wand realisierbare Möglichkeit geschaffen ist, GMR-Brücken- elemente mit gleichem Aufbau in einer Brückenschaltung äußerst geringer Abmessungen auszubilden. Denn mittels des Einstellstromes durch die den einzelnen Brückenelementen je- weils zugeordneten Leiterschichten lassen sich auf engstem Raum vorbestimmte Orientierungsrichtungen der Magnetisierun¬ gen in den jeweiligen Biasschichtteilen der einzelnen Brückenelemente auf einfache Weise "fixieren". D.h., der ge¬ genüber anderen magnetischen Schichten eines Brückenelementes magnetisch härtere Biasschichtteil, der sowohl aus einer ein¬ zigen magnetisch härteren Schicht oder aus einem Schichtensy- stem, welches insbesondere als ein künstlicher Antiferroma- gnet (vgl. DE 42 43 358 A) zu betrachten ist, bestehen kann, wird mittels des von dem Einstellstrom hervorgerufenen Ma¬ gnetfeldes in vorteilhaft einfacher Weise einmalig aufmagne- tisiert. Der Einstellstrom ist dabei so hoch zu wählen, daß mit ihm ein für die Ummagnetisierung des Biasschichtteils hinreichend starkes Magnetfeld zu erhalten ist. Das Magnet¬ feld des Einstellstromes kann dabei gegebenenfalls von einem äußeren Stütz- oder Hilfsfeld überlagert sein. Demgegenüber ist aufgrund der vorbestimmten magnetischen Härte (Koerzitiv- feldstärke) des Biasschichtteils die zu detektierende äußere Magnetfeldkomponente zu einer Ummagnetisierung des Bias¬ schichtteils nicht in der Lage.
Mit der Brückenschaltung dieser Brückenelemente läßt sich außerdem in Abhängigkeit von der äußeren Magnetfeldkomponente ein zumindest weitgehend temperaturkompensiertes und hin¬ sichtlich mechanischer Spannungen kompensiertes Meßsignal er¬ halten. Dies wird durch den gleichen Schichtaufbau der ein- zelnen Brückenelemente nebeneinander auf dem gemeinsamen
Substrat erreicht. Unter einem Schichtaufbau sei dabei ver¬ standen, daß jedes Brückenelement eine vorbestimmte Schich¬ tenfolge mit vorbestimmter Dicke der einzelnen Schichten auf¬ weist. Die Schichtenfolgen und die Dicken sich entsprechender Schichten aus allen Brückenelementen sind dabei gleich. Der¬ artige Schichtenfolgen lassen sich vorteilhaft einfach reali¬ sieren.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Magnet- feldsensors gehen aus den sich dem Hauptanspruch unterord¬ nenden Ansprüchen hervor.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen. Dabei zeigen jeweils Schema- tisch Figur 1 das Schaltbild einer Brückenschaltung eines erfin¬ dungsgemäßen Magnetfeldsensors, Figur 2 eine Schrägansicht eines GMR-Schichtaufbaus eines einzelnen Brückenelementes eines solchen Sensors, Figur 3 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Brückenelement, Figuren 4 und 5 Aufsichten auf Brückenschaltungen erfindungs¬ gemäßer Magnetfeldsensoren, Figur 6 eine Aufsicht auf eine Vielzahl von Magnetfeldsen- soren gemäß Figur 4 und Figur 7 die Hysteresiskurve eines Biasschichtteils eines
Brückenelementes. In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
Für den erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor wird vorteihaft eine an sich bekannte Brückenschaltung vorgesehen, die aus Figur 1 hervorgeht. Die gezeigte Brücke B enthält zwei Brückenzweige ZI und Z2, die zwischen zwei Anschlußpunkten AI und A2 der Brücke parallelgeschaltet sind. Über die Brücke B soll an den Anschlußpunkten AI und A2 ein Brückenstrom Ig ge¬ führt werden. Jeder der Brückenzweige ZI und Z2 enthält zwei in Reihe geschaltete Brückenelemente El und E2 bzw. E3 und E4. Zwischen den beiden Elementen jedes Brückenzweiges liegt je ein Meßpunkt Pl bzw. P2 der Brücke. An diesen Meßpunkten kann eine Meßspannung Um abgenommen werden.
Die einzelnen Brückenelemente Ej (mit 1 < j ≤ 4) der Brücken- Schaltung B sollen aus an sich bekannten Mehrschichtensyste¬ men, die einen GMR-Effekt zeigen, aufgebaut werden (vgl. z.B. die EP-A-0 483 373 oder die DE-OSen 42 32 244, 42 43 357 oder 42 43 358) . Diese Mehrschichtensysteme weisen jeweils unter anderem einen Biasschichtteil mit einer vorbestimmten Orien- tierungsrichtung der Magnetisierung mfj auf. In der Figur 1 sind diese Magnetisierungen durch gepfeilte Linien an den einzelnen Brückenelementen veranschaulicht. Wie aus der Figur hervorgeht, haben die beiden Paare E1-E4 und E2-E3 diagonaler Brückenelemente jeweils gleiche Richtungen der Biasma- gnetisierungen mfj, wobei die Magnetisierungsrichtung des einen Paares entgegengesetzt zu der des anderen Paares ver¬ läuft.
Das von den Biasschichten jedes Brückenelementes Ej hervorge¬ rufene Biasfeld ist mit H^j bezeichnet. Ein zu messendes äußeres, im Erfassungsbereich der Brückenschaltung B zumin¬ dest weitgehend homogenes (= uniformes) Magnetfeld oder eine entsprechende Magnetfeldkomponente ist durch einen mit Hm be¬ zeichneten Doppelpfeil veranschaulicht.
Figur 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines bekannten Mehr¬ schichtensystems S mit GMR-Effekt (vgl. z.B. EP 0 346 817 A) . Dieses Mehrschichtensystem enthält einen Biasschichtteil 2, der sich gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer ferromagnetisehen Biasschicht 2a (z.B. aus NiFe) mit darunterliegender antiferromagnetischer Zusatzschicht 2b
(z.B. aus FeMn) zusammensetzt. Eine gegenüber diesem Bias¬ schichtteil 2 magnetisch weichere Meßschicht 3 (z.B. aus einer NiFe-Legierung mit entsprechend kleinerer Koerzitiv- feidstärke) ist durch eine nicht-magnetische Zwischenschicht 4 (z.B. aus Cu) getrennt. In der Figur sind die möglichen Ma¬ gnetisierungen in diesen Schichten durch gepfeilte Linien veranschaulicht. Entsprechende Mehrschichtensysteme werden auch als "Exchange-Biased-Systeme" bezeichnet.
Ein solches oder auch anderes Mehrschichtensystem mit GMR- Effekt kann z.B. das Grundsystem zu einer erfindungsgemäßen Ausbildung eines Brückenelementes Ej sein. Vorzugsweise wei¬ sen die Brückenelemente Ej jeweils eine Vielzahl von magneti¬ schen und nicht-magnetischen Schichten auf. Ein derartiges Mehrschichtensystem sei für das Brückenelement Ej angenommen, das in Figur 3 angedeutet ist. Sein Mehrschichtensystem S' , das beispielsweise einen Biasschichtteil 2 mit mehreren Schichten umfaßt, ist mit einer Passivierungsschicht 5 abge¬ deckt, welche aus einem nicht-magnetischen und insbesondere isolierenden Material besteht. Auf dieser Passivierungs- Schicht 5 ist eine Leiterschicht 6 in Form einer Metallisie¬ rung aus einem nicht-magnetischen, elektrisch gut leitenden Material wie z.B. Cu oder Ag aufgebracht. Mit einem Einstell¬ strom Ie durch diese Leiterschicht 6 läßt sich dann ein ma¬ gnetisches Einstellfeld He solcher Richtung und Stärke her- vorrufen, daß in dem Biasschichtteil 2 des Mehrschichtensy¬ stem S' eine Vorzugsrichtung der Magnetisierung fixierbar ist.
In den Figuren 4 und 5 sind entsprechende streifenförmige Leiterschichten 6i (mit 1 < i < 3 bzw. 1 < i < 4) für zwei
Anordnungsmöglichkeiten von jeweils vier GMR-Brückenelementen Ej in Brückenschaltungen Bl bzw. B2 von erfindungsgemäßen Ma¬ gnetfeldsensoren 11 bzw. 12 auf einem jeweils gemeinsamen Substrat 13 angedeutet. Die Brückenschaltung Bl gemäß Figur 4 weist dabei eine rechteckige Anordnung ihrer Brückenelemente El bis E4 auf, während in der Brückenschaltung B2 nach Figur 5 alle vier Brückenelemente El bis E4 nebeneinander an¬ geordnet sind. Die Ausführungsform nach Figur 5 erlaubt vor¬ teilhaft eine besonders enge Anordnung der Brückenelemente. Für die Brückenschaltung Bl sind drei Bahnen von Leiter¬ schichten 6i und für die Brückenschaltung B2 sind vier Bahnen von Leiterschichten 6i erforderlich. Die beispielsweise zu wählenden Richtungen der einzelnen Einstellströme Ie durch die jeweiligen Leiterschichten sind durch gepfeilte Linien angedeutet.
Zur Verschaltung der einzelnen Brückenelemente zu einer Brückenschaltung Bl oder B2 gemäß den Figuren 4 und 5 wird jedes Element mit seinem GMR-SchichtSystem mit wenigstens zwei Kontakten versehen. Diese Kontakte werden entweder beide auf der obersten Meßschicht des entsprechenden magnetfeld- empfindlichen Schichtensystems angeordnet, so daß der Brückenstrom im Mittel parallel zu den Schichtebenen fließt (sogenanntes "Current-in-Plane (CIP)-System") ; oder es wird jeweils ein Kontakt auf der obersten und auf der untersten Schicht angeordnet, so daß dann der Brückenstrom im Mittel senkrecht zu den Schichtebenen fließt (sogenanntes "Current- Perpendicular-to-Plane (CPP) -System") .
Im allgemeinen wird dann der jeweils gewählte Schichtaufbau noch mit der Passivierungsschicht 5 gemäß Figur 3 überzogen, bevor die Leiterschichten 6i zur Magnetisierung der einzelnen Biasschichtteile aufgebracht werden.
Zu einer wirtschaftlichen Herstellung erfindungsgemäßer Ma- gnetfeldsensoren werden vorteilhaft eine Vielzahl von Einzel¬ sensoren auf einem gemeinsamen Substrat, beispielsweise einer Siliziumscheibe, gleichzeitig hergestellt. Figur 6 zeigt ein entsprechendes Ausführungsbeispiel mit 20 erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoren auf einem scheibenförmigen Si-Substrat 13. Für diese Magnetfeldsensoren sind Ausführungsformen 11 nach Figur 4 zugrundegelegt. Deren jeweilige Brückenschaltung Bl ist in der Figur nur durch ein flächiges Rechteck angedeutet. Die Verschaltung der Leiterschichten 6i aller Brücken¬ schaltungen führt zu einer mäanderförmigen Leiterbahn 16 zwi- sehen Kontaktierungsfl chen 17a und 17b.
Selbstverständlich kann man auch mit den in Figur 5 angedeu¬ teten erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoren 12 ein entspre¬ chendes System von Magnetfeldsensoren auf einem Substrat 13 gemeinsam ausbilden.
Entsprechende Systeme von erfindungsgemäßen Magnetfeldsenso- ren lassen sich besonders einfach mit GMR-Brückenelementen realisieren, die von dem in Figur 2 veranschaulichten Typ eines Exchange-Biased-Mehrschichtensystems S sind. Denn bei einem solchen System sind zur Ausrichtung der starren Magne- tisierung in dem Biasschichtteil 2 nur kleine Felder wie z.B. unter 20 Oe notwendig. Zum Beispiel kann mit einer Leiterbahn 16 von 20 um Streifenbreite und mit einem Strom von etwa 20 A der geforderte Wert von 20 Oe in dem Biasschichtteil hervorgerufen werden.
Vorteilhaft können insbesondere bei einem derartigen Aufbau eines Schichtensystems während der Magnetisierung des Bias¬ schichtteils erhöhte Temperaturverhältnisse eingestellt wer- den. So ist z.B. für die erwähnte FeMn-Schicht des Schich¬ tensystems nach Figur 2 eine Temperaturerhöhung auf etwa 150°C günstig. Eine entsprechende Temperaturerhöhung kann beispielsweise durch Anordnung des Schichtensystems in einem geheizten Raum erfolgen. Gegebenenfalls ist es jedoch auch möglich, die Heizleistung mittels der das magnetische Ein¬ stellfeld He erzeugenden Leiterschicht 6i zu erbringen. Dies kann durch eine entsprechende Wahl der Leiterparameter (wie Material, Querschnitt, elektrischer Strom Ie) erfolgen.
Werden andere Mehrschichtensysteme, insbesondere mit hartma¬ gnetischen Schichten oder mit als künstlichem Antiferroma- gneten ausgebildeten Biasschichtteilen vorgesehen, können we¬ sentlich höhere, gegebenenfalls bis lOOfach höhere Einstell¬ ströme Ie erforderlich werden. Dabei besteht dann gegebenen- falls die Gefahr, daß auftretende Verlustwärmen zu einer Zer¬ störung der GMR-MehrSchichtensysteme führen können. Um hier den geforderten verhältnismäßig hohen Strom zu erniedrigen, wird vorteilhaft ein zusätzliches äußeres Stützfeld der Stärke Hz hinzugenommen. Dieses Stützfeld Hz wird durch ex- terne magnetische Feldquellen wie Magnetspulen oder Perma¬ nentmagnete erzeugt, wobei deren Feldrichtung bzgl. der ein¬ zelnen Brückenelemente einstellbar (insbesondere umkehrbar) sein muß. Das Stützfeld Hz und das hierfür zugrundezulegende Einstellfeld He ermöglichen dann ein notwendiges Überschrei- ten eines vorbestimmten Schwellwertes der Feldstärke, der ge¬ mäß dem angenommenen Ausführungsbeispiel die Sättigungsfeld- stärke Hs des Biasschichtteils ist. Die Feldverhältnisse sind aus dem Diagramm der Figur 7 entnehmbar. In diesem Diagramm sind jeweils in willkürlichen Einheiten in Richtung der Abszisse die Feldstärke H und in Richtung der Ordinate die Magnetisierung M aufgetragen. Für die dargestellte Hystere- siskurve stellen die Größen Hs die Sättigungsfeldstärke bzw. die Schwellwertfeidstärke, Hc die Koerzitivfeldstärke und Hmin die Feldstärke dar, bei der sich die Magnetisierung M vom Wert der negativen Sättigungsmagnetisierung mit zuneh- mender Feldstärke stark zu erhöhen beginnt. Dabei ist die Größe ΔH = Hs - Hm-j_n = 2 * (Hs - Hz) .
Im Falle eines Schichtensystems mit sogenanntem künstlichen Antiferromagneten (vgl. DE 42 43 358 A) ist das Überschreiten eines Schwellwertes erforderlich, der nicht die Sättigungs¬ feldstärke Hs zu sein braucht.
Setzt man nun ein Mehrschichtensystem und insbesondere dessen Biasschichtteil einem äußeren Zusatzfeld Hz aus, das parallel bzw. antiparallel zu He gerichtet ist, so addiert sich die Gesamtfeidstärke Hg an dem Mehrschichtensystem zu
Hg = ^z + He.
Für das Feld Hz wird vorzugsweise etwa die Größe
(Hs + Hm;Ln) /2 gewählt, He wird etwas größer als ΔH/2 gewählt. An den Brückenelementen El und E4 (gemäß Figur 1) ergibt sich dann ein Gesamtfeld zu
Hg = +|HZ| + IHel,
während sich für die Brückenelemente E2 und E3 entsprechend
H Hgg == ++|H2 - IH. ergibt Werden Hz und Ie dementsprechend gewählt, so wird für den Biasschichtteil der Brückenelemente El und E4 der Schwellwert H überschritten. Dies führt zu einer gewünschten dauerhaften Orientierung der Magnetisierung in diesem Biasschichtteil. Demgegenüber wird für den Biasschichtteil der Brückenelemente E2 und E3 keine Änderung bewirkt, da Hmin nicht überschritten wird. Damit bleibt die Magnetisierung dieses Schichtteils un¬ beeinflußt. Kehrt man nun die Richtung von Hz um, so ergibt sich an den Brückenelementen El und E4 Hg = - |HZI + |He|, für E2 und E3 ergibt sich entsprechend Hg = -|Hz| - |HeI .
In diesem Fall wird für den Biasschichtteil der Brückenele- mente E2 und E3 der Schwellwert Hs überschritten, was zu einer gewünschten dauerhaften Orientierung der Magnetisierung in diesem Biasschichtteil führt, während für den Biasschicht¬ teil der Brückenelemente El und E4 die Koerzitivfeldstärke nicht überschritten wird und die Magnetisierung dieses Schichtteils unbeeinflußt, d.h. aufgrund des vorhergehenden Prozeßschrittes in entgegengesetzter Orientierung, verbleibt.
Gemäß dem dem Diagramm der Figur 5 zugrundegelegten Ausfüh- rungsbeispiel wurde davon ausgegangen, daß ein äußeres magne- tisches Stützfeld solcher Feldstärke Hz gewählt wird, daß mit ihm allein die Schwellwertfeldstärke Hs nicht zu überschrei¬ ten ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, ein entspre¬ chend hohes Stützfeld vorzusehen und gegebenenfalls mit dem Einstellfeld der Einstellströme Ie ein Gegenfeld solcher Stärke He zu erzeugen, das gegebenenfalls die Schwellwert¬ feldstärke Hs in einzelnen Brückenelementen nicht erreicht wird.
Es läßt sich somit feststellen, daß sich mit einer entspre- chenden Ausbildung eines erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors auf einem Substrat zweierlei um 180° gedrehte Magnetisierun- gen von Biasschichtteilen erreichen lassen. Auf diese Weise wird ein Aufbau einer Brückenschaltung mit GMR-Brückenelemen¬ ten realisierbar.

Claims

Patentansprüche
1. Sensor zur Erfassung eines äußeren, zumindest weitgehend homogenen Magnetfeldes mit zu einer Brücke verschalteten a- gnetoresistiven Brückenelementen mit Dünnschichtaufbau, über welche Brücke ein Brückenstrom zu führen und an der eine Me߬ spannung abzunehmen ist, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t ,
- daß alle Brückenelemente (El bis E4; Ej) auf einem ge ein- samen Substrat (13) mit demselben Schichtaufbau und dersel¬ ben Geometrie ausgebildet sind sowie einen erhöhten magne¬ toresistiven Effekt (GMR) zeigen und
- daß in jedem der Brückenelemente (El bis E4; Ej) ein Bias- schichtteil (2) und eine Leiterschicht (6, 6i) vorgesehen sind, wobei diese Leiterschicht (6, 6i) zur Führung eines Einstellstromes (Ie) vorbestimmter Richtung und Stärke der¬ art vorgesehen ist, daß in dem Biasschichtteil (2) eine Orientierungsrichtung der Magnetisierung (mfj) fest ein- stellbar ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß mittels des Einstellstromes (Ie) in der Leiterschicht (6, 6i) jedes Brückenelementes (El bis E4; Ej) der Biasschichtteil (2) einem Magnetfeld mit einer die feste Einstellung der Orientierungsrichtung der Magnetisie¬ rung (mfj ) des Biasschichtteils ermöglichenden Stärke (He) auszusetzen ist.
3. Sensor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß jedes Brückenelement (El bis E4; E ) einem magnetischen Stützfeld solcher Stärke (Hz) ausgesetzt ist, daß dieses Stützfeld bei Überlagerung mit dem mittels des Einstellstromes (Ie) in der Leiterschicht (6, 6i) zu er- zeugenden Magnetfeldes (He) die feste Einstellung der Orien- tierungsrichtung der Magnetisierung (mfj) des Biasschicht¬ teils (2) ermöglicht.
4. Sensor nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t , daß von den in dem Stützfeld der vorbe¬ stimmten Stärke (Hz) gemeinsam befindlichen Brückenelementen (El bis E4; E-j) in den Biasschichtteilen (2) von zwei Ele¬ menten (El, E4) aufgrund ihrer vorbestimmten Einstellströme (Ic) zugleich die vorbestimmte Orientierungsrichtung der Ma- gnetisierung (Ie) zugleich die vorbestimmte Orientierungs- richtung der Magnetisierung (mfj) einstellbar ist, während in den anderen Elementen (E2, E3) aufgrund anderer Einstellströ¬ me keine Orientierung ermöglicht ist.
5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Mittel zur Einstellung erhöhter Temperaturverhältnisse bei der Orientierung der Biasschichtteile (2) der Brückenelemente (El bis E4; Ej) vor¬ gesehen sind.
6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Leiterschicht (6, 6i) aus einem elektrisch gut leitenden Material besteht und auf einer den Schichtaufbau (S, S') abdeckenden Passivierungs- schicht (5) aufgebracht ist.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Schichtaufbau (S, S') jedes Brückenelementes (El bis E4, Ej) eine magnetfeldemp- findliche Meßschicht (3) und einen Biasschichtteil (2) mit wenigstens einer gegenüber der Meßschicht (3) vergleichsweise magnetisch härteren Biasschicht (2a) aufweist.
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