CN100504425C - 磁阻层系统和具有这种层系统的传感器元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁阻层系统，其中在尤其根据GMR或AMR效应工作的磁阻层堆(14)的周围设置有一种层布置(15)，该层布置产生作用于所述磁阻层堆(14)的磁场，并且其中所述的层布置(15)至少具有一个硬磁层(12)和一个软磁层(13)。另外还涉及了尤其用于探测磁场强度和/或方向的、具有这种磁阻层系统(5)的传感器元件。
Description
本发明涉及一种根据独立权利要求所述的磁阻层系统以及一种具有所述层系统的传感器元件。
现有技术
根据现有技术水平公开了磁阻层系统或传感器元件，其工作点比如在应用于汽车中时由于以不同方式所产生的辅助磁场而被偏移。众所周知，这种辅助磁场的产生尤其是由于所安装的大型硬磁或者由于电流流过场线圈。此外在德国专利DE 101 28 135.8中解释了一种理论，其中一个硬磁层被设置在磁阻层堆的附近，尤其是在该层堆之上或之下，其中所述的层堆首先通过其杂散场耦合到原来的敏感的层上。在此有望实现比目标参数尽可能高的矫顽力，并且另一方面实现比有限的参数大的剩磁场。这种硬磁层在垂直集成的情况下会导致磁阻层系统的相邻敏感层的电气短路，这减弱了所期望的GMR效应及AMR效应以及层系统相对于外部磁场的敏感性。
发明内容
本发明的任务在于提供一种可能性，来造价合理地并且简单地产生一个作用于磁阻层堆的偏磁场或辅助磁场，以便从而能够造价合理但仍然可靠地制造出尤其应用于汽车的磁阻传感器元件。
本发明的优点
根据本发明的磁阻层系统相对于现有技术而具有的优点在于，在尤其根据GMR或AMR效应工作的磁阻层堆周围设置有层布置，该层布置用于在增大矫顽力或矫顽场强的同时还增大了杂散磁场，其中所述的层布置同时还可以简单而便宜地制造并被集成在所述层系统中。所述的层布置首先相对于硬磁层的厚度而尤其具有一个非常薄的构造。
此外有利的是，所述的层布置在一个确定的框架内能够改变由所述硬磁层和软磁层所产生的杂散场的场强，并且与所述硬磁层相耦合的并与之相邻设置的、尤其薄的软磁层在通过畴杂散磁场(所谓的“Creeping，蠕变”)施加外部交变磁场的情况下防止了所述硬磁层的去磁，这在Phys.Rec.Lett.，84，(2000)，1816页和3462页中有描述。
另外由一个硬磁层和一个软磁层构成的系统一般具有比一个纯硬磁层大的磁化，也即，相同体积具有更大的磁矩。由此在总层厚度相同的情况下，具有一个硬磁层和一个软磁层(其中该两个层尤其被铁磁交换耦合)的层布置的杂散磁场的场强相对于仅仅一个硬磁层的场强要更大。
本发明的有利的扩展参见从属权利要求所述的措施。
这样，在具有至少一个软磁层和至少一个硬磁层、并且交变铁磁耦合的层布置中，在施加一个具有与所述磁化有偏差的取向的外部磁场的情况下，所述的软磁层有利地具有一种螺旋磁化，该螺旋磁化在断开外部磁场的情况下跃回到一个与所述硬磁磁化平行的方向上，这在IEEE Trans.Magn.，27，(1991)，3588页中有描述。所述软磁层的磁化尤其被相干地旋转，并且不通过畴成核反复磁化。从而另一个或其他的软磁层的杂散场(畴杂散场)可以在微小的距离内不会对所述的硬磁层去磁。
另外，所述磁阻层系统的构造理论可以很容易地被应用于现有的具有GMR多层的磁阻传感器元件或者层系统中、按照旋转阀原理的磁阻传感器元件或者层系统中、AMR传感器元件或者其他基于颗粒磁阻或者基于通过材料特征的结构变化而引起的磁阻的传感器元件中，或者被综合到相应的生产过程中。所述层系统的单个层的放置在此相对于已知的影响因素并不是苛刻的。
附图
在下文中借助附图对本发明进行详细解释。附图1示出了不同构造的层布置的磁化曲线比较，附图2示出了一种在衬底上的磁阻层系统的断面。
实施例
附图2示出了诸如由硅和氧化硅构成的衬底10，在该衬底上最好具有由Cr、W或Mo构成的缓冲层11，在该缓冲层上具有硬磁层12，并且在该硬磁层12之上有一软磁层13。这两个层12、13构成了层布置15。
在所述软磁层13之上设置有已公开的、优选地基于GMR效应(“Giant Magnetoresistance，大磁阻”)或AMR效应(“AnisotropicMagnetoresistance，各向异性磁阻”)工作的磁阻层堆14。所述的层堆14优选地具有多个单层，其中所述的单层根据耦合多层原理或旋转阀原理工作.层堆14和层布置15从而垂直集成并共同构成一个磁阻层系统5.
另外所述的磁阻层堆14还可以由诸如La0.67Ca0.33MnO3的CMR材料(“Colossal Magnetoresistance，巨磁阻”)来构造。在这种情况下，所述的磁阻层堆14具有一种材料，在该材料中可以通过一种磁场或者也可以通过一种温度变化来感应出一种结构变化(Jahn-Teller效应)，其中这种结构变化促使材料从导体或金属变为绝缘体的电气过渡.由此电阻的变化能够具有大于100％的电阻变化.此外“PulverMagnetowiderstande，粉末磁阻”(“PMR”或者“PowderMagnetoresistance，粉末磁阻”)也可以理解为是这种CMR材料，其中在单个颗粒磁粒子之间利用不同的磁化产生磁阻。
在所述的硬磁层12上优选地放置有铁磁交换耦合的、薄的软磁层13。在此利用了：在一个确定的磁厚度范围中所述的软磁层13不但保证了增大的矫顽力，而且保证了所述层布置15的杂散磁场值的增大.相对于纯硬磁层的同样层厚，所述的软磁层13尤其对应于所述软磁层13的高饱和磁化而成过比例地增大了杂散场的值。
这使得，在所产生的杂散场相同并且矫顽力相同或更高的情况下，所述具有铁磁的、但还具有软磁层13和硬磁层12的层布置15被实施得比具有相应参数的纯硬磁层更薄.所述的如此被减小的厚度增大了所述层布置15的电阻，并且从而增大了磁阻层堆14中的GMR效应或AMR效应，这在测定从外部对此产生影响的磁场时，还导致了层系统5的敏感性的改善.
另外，硬磁层12的相对昂贵的硬磁材料相对于软磁层13的相对便宜的软磁层材料是一个重要的价格因素，也即，层布置15的生产造价通过使用软磁层13而降低。此外，软磁层13在施加外部交变磁场的情况下防止了硬磁层12的去磁。
根据附图2，软磁层13优选地由诸如Co90Fe10的CoFe合金、Co、Fe、Ni、诸如Fe18Ni81的Fe Ni合金以及包含这些材料的磁合金构成，具有1nm至50nm的厚度，如前所述，通过该厚度可以调节所述层布置15的特性，该软磁层位于所述硬磁层12之上或之下.所述的软磁层13优选地具有1nm至10nm的厚度。所述的硬磁层优选地含有诸如Co75Cr13Pt12的CoCrPt合金、诸如Co80Sm20的CoSm合金、诸如Co80Cr20的CoCr合金、诸如Co84Cr13Ta3的CoCrTa合金、诸如Co50Pt50的CoPt合金或者诸如Fe50Pt50的FePt合金。所述硬磁层12的厚度优选地介于20nm与100nm之间。
所述的软磁层13优选地位于所述的磁阻层堆14与所述的硬磁层12之间。
针对于借助附图2所解释的例子，也可以选择设置多个尤其不同组合的和/或不同厚度的软磁层13，其中该软磁层位于所述硬磁层12之下，或者对应于附图2优选地位于所述硬磁层12之上，并且优选地具有介于1nm至50nm之间的厚度，尤其是1nm-10nm，并且由上述材料构成。另外所述的层布置15也可以由具有对应于附图2的层对的、多个软磁层13和硬磁层12的多重放置来进行构造。
这些变化方案的共同之处在于，所述的铁磁耦合的软磁层13和硬磁层12经常作为双层或多层放置在所述磁阻层堆14的附近。
前述的层布置15放置在所述层堆14之下或之上由于可以尤其简单地实现而具有技术优势。所述的层布置15然而也可以选择设置在层堆14附近的一面或两面，或者也可以集成在层堆14中。
附图1示出了：第一磁化曲线1，也即以磁场为函数的、单独硬磁层的磁化强度；其上涂有薄软磁层的所述硬磁层的第二磁化曲线2；以及其上涂有比曲线2更厚的软磁层的所述硬磁层的第三磁化曲线3。所述的磁化在此是磁距的和，也即，高的磁化意味着高的杂散场的场强。
由附图1得出，所述的层布置15按软磁层的层厚度选择而具有比纯硬磁层12更大的矫顽力和更大的剩磁。这是基于，所述的软磁层13由于其构成材料的大磁矩而产生了相对大的杂散场，并且所述软磁层13与硬磁层12的耦合使得该大磁矩对准所述的硬磁层12的磁化方向。由此共同产生了大场强的杂散场。
Claims (12)
1.磁阻层系统，包括：
根据大磁阻效应或各向异性磁阻效应工作的磁阻层堆(14)，所述磁阻层堆具有多个单层；
产生作用于所述磁阻层堆(14)的磁场的层布置(15)，该层布置设置在所述磁阻层堆(14)之上和/或之下，并且所述层布置(15)具有至少一个硬磁层(12)和至少一个软磁层(13)，该至少一个软磁层与至少一个硬磁层相邻。
2.根据权利要求1所述的磁阻层系统，其特征在于，所述的硬磁层(12)和所述的软磁层(13)是铁磁交换耦合的.
3.根据前述权利要求之一所述的磁阻层系统，其特征在于，所述的层布置(15)具有多个软磁层(13)和多个硬磁层(12)，这些磁层组合成具有一个硬磁层(12)和一个与之相邻的软磁层(13)的层对。
4.根据权利要求1所述的磁阻层系统，其特征在于，所述的软磁层(13)由CoFe合金、Co、Fe、Ni、FeNi合金或包含Co、Fe和Ni的磁合金构成。
5.根据权利要求1所述的磁阻层系统，其特征在于，所述的软磁层(13)具有1nm至50nm的厚度。
6.根据权利要求5所述的磁阻层系统，其特征在于，所述厚度在1nm至10nm之间.
7.根据权利要求1所述的磁阻层系统，其特征在于，所述的硬磁层(12)由CoCrPt合金、CoSm合金、CoCr合金、CoCrTa合金、CoPt合金或者FePt合金构成。
8.根据权利要求1所述的磁阻层系统，其特征在于，所述的硬磁层(12)具有20nm至100nm之间的厚度.
9.根据权利要求1所述的传感器元件，其特征在于，所述至少一个软磁层是设置在至少一个硬磁层上面并且比该至少一个硬磁层中的任何一个薄的层.
10.一种传感器元件，具有根据权利要求1所述的磁阻层系统(5).
11.根据权利要求10所述的传感器元件，其特征在于，该传感器元件用于探测磁场强度和/或方向。
12.根据权利要求10所述的传感器元件，其特征在于，所述至少一个软磁层是设置在至少一个硬磁层上面并且比该至少一个硬磁层中的任何一个薄的层。
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