FR2843637A1 - Dispositif de capteur magnetique - Google Patents
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Abstract
Dispositif de capteur magnétique, caractérisé en ce qu'il comprend :- au moins une couche de capteur sensible à un champ magnétique dans un système à plusieurs couches intégrées dont la résistance électrique est variable en fonction d'un champ magnétique extérieur,- au moins une couche de détection (2, 3, 4) à aimantation douce et au moins une couche (8) à aimantation dure pour générer un champ magnétique auxiliaire ; et- au moins une couche intermédiaire amagnétique (9, 10) par laquelle au moins la couche de détection à aimantation douce (2, 3, 4) est couplée en échange à au moins une couche à aimantation dure (8).
Description
Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif de
capteur magnétique. Etat de la technique Il est habituel d'utiliser des composants sensibles aux champs magnétiques tels que des capteurs GMR (capteurs à magnéto résistance géante) par exemple comme des capteurs relativement robustes pour la saisie de l'angle de rotation dans les véhicules automobiles. Ces capteurs GMR sont formés de multicouches couplées avec au moins une 10 couche de détection à aimantation douce dont les variations de résistances relatives ont une caractéristique fonction du champ magnétique extérieur qui tourne autour d'un champ nul. La caractéristique a par exemple une forme pratiquement triangulaire et pour un champ magnétique externe relativement plat elle est elle-même relativement plate de sorte que 15 souvent ces capteurs ne sont pas suffisamment sensibles dans le cas de champ magnétique faible. Par exemple on connaît des capteurs GMR selon la publication " Magneto Resistive and Inductive Sensors " Fa. Semelab
plc, Prelim 6/98.
De plus, selon le document DE-199 49 714-A1, il est éga20 lement connu de réaliser de tels capteurs sous la forme de systèmes à couche de valve de rotation. Dans ce cas, la couche de détection à aimantation douce est séparée par une couche intermédiaire non magnétique par rapport à une couche magnétique à aimantation dure. La couche intermédiaire non magnétique a une épaisseur telle que le couplage magné25 tique entre les deux couches magnétiques par la couche intermédiaire non
magnétique reste faible. Ainsi la direction d'aimantation de la couche de détection à aimantation douce permet de suivre des champs magnétiques externes très faibles. La direction de l'aimantation de la couche à aimantation dure est alignée par une couche dite de brochage et reste mainte30 nue, cette couche de brochage étant une couche antiferromagnétique.
Souvent il est nécessaire de décaler le point de fonctionnement pour la saisie du signal de capteur notamment dans les applications à la technique automobile par des champs magnétiques auxiliaires, différents, par une construction stratifiée. De tels champs peuvent également 35 être générés par des aimants durs, microscopiques, installés séparément
au niveau des couches magnéto résistives ainsi que par l'utilisation de bobines de champ traversées par un courant c'est-à-dire des solutions connues depuis longtemps.
Le document DE-101 28 135.8 non publié antérieurement décrit par exemple un concept selon lequel on dépose une couche à aimantation dure à proximité d'une pile de couches magnéto résistives notamment sur et/ou sous une telle pile. Cette couche à aimantation dure 5 assure alors le couplage principalement par son champ parasite avec des couches magnéto sensibles et génère ainsi un champ magnétique de polarisation fonctionnant comme champ magnétique de décalage si bien que même pour de faibles variations seulement d'un champ magnétique externe combiné à un champ magnétique interne on aura une modification o0 de la valeur de mesure proprement dite, qui se mesure bien et est relativement importante; cette modification sera détectée dans la couche
comme variation de résistance.
En outre selon le document DE-199 83 808-T1 on connaît une disposition de couche magnéto résistive. Dans cette disposition, deux 15 couches magnéto résistives sont séparées par une couche intermédiaire non magnétique comme support d'écartement. En outre entre les deux couches magnéto résistives, à côté de l'organe d'écartement on aura un aimant dur réalisé comme bloc structuré au bord de la structure magnéto résistive. Deux courants de polarisation à polarités opposées passe par les 20 deux éléments séparés et à partir de ces courants on formera un signal de
différence. Les pôles à aimantation dure ainsi formés sont aimantés perpendiculairement à la pile stratifiée.
Exposé de l'invention La présente invention concerne un développement du dis25 positif de capteur magnétique du type défini ci-dessus, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend: - au moins une couche de capteur sensible à un champ magnétique dans un système à plusieurs couches intégrées dont la résistance électrique est variable en fonction d'un champ magnétique extérieur, - au moins une couche de détection à aimantation douce et au moins une couche à aimantation dure pour générer un champ magnétique auxiliaire; et - au moins une couche intermédiaire amagnétique par laquelle au moins
la couche de détection à aimantation douce est couplée en échange à 35 au moins une couche à aimantation dure.
La base de l'invention réside ainsi principalement dans
l'intégration d'une ou plusieurs couches de polarisation à aimantation dure dans un système multicouches de capteurs GMR du type défini ci-
dessus ainsi qu'un couplage d'échange de couches intermédiaires entre la couche à aimantation dure et les couches à aimantation douce voisines.
La couche à aimantation dure peut remplacer également une ou plusieurs couches à aimantation douce, anti-parallèles, couplées de manière à pou5 voir s'échanger ou encore elle est déposée dans cette couche à aimantation
douce susceptible d'être couplée en échange.
On peut par exemple utiliser un système à couches multiples avec entre une et environ vingt bicouches, avec une direction de courant uniforme en générant un signal de pont, différentiel par une mise en 10 microstructure correspondante ou un montage électronique.
L'intégration proposée de la couche de polarisation à aimantation dure pour régler le point de fonctionnement dans les couches multiples de capteurs GMR se traduit par un potentiel de rationalisation élevé à partir de la possibilité d'assurer le procédé de préparation et de 15 micro structuration de systèmes de capteurs GMR connus.
La conception selon l'invention avec les couches très minces se traduit par des cots de matière faibles et des propriétés magnétiques améliorées pour les couches à aimantation dure, utilisées. Les problèmes engendrés par un court-circuit électrique dans les aimants durs ou par 20 une forte chute de champ dans la couche magnéto résistive ou par
l'utilisation d'aimants durs, épais et coteux comme par exemple dans les concepts de polarisation connus, peuvent être évités grâce à l'invention.
Ainsi le point de fonctionnement du capteur multicouches peut être réglé de manière simple par le champ dispersé des couches à aimantation dure. 25 De plus on augmente de manière générale la coercitivité des aimants durs
notamment pour des couches minces.
Grâce à la proximité des aimants durs et des couches à aimantation douce voisines selon l'invention et au champ de polarisation ou champ auxiliaire correspondant à l'endroit des couches à aimantation 30 douce, que ne permet pas d'obtenir une construction isolée entre l'aimant
dur et l'aimant doux du fait de la chute du champ, la couche à aimantation dure peut être très mince. Dans l'intégration proposée de l'aimant dur dans l'élément de capteur GMR, cela permet de réduire au minimum la distance entre l'aimant dur et les aimants doux permettant une aimanta35 tion homogène des couches à aimantation douce.
La construction selon l'invention est en outre très résistante
aux champs perturbateurs. Les couches magnéto résistantes au-dessus et en dessous de l'aimant dur sont couplées par leurs couches intermédiai-
res non magnétiques, les plus proches de l'aimant dur ainsi par un couplage anti ferromagnétique. L'effet magnéto résistif résultant est ainsi la somme de l'effet magnéto résistif des différentes couches ou des différents
paquets de couches.
En général il ne faut pas de micro structures différentes de
l'élément de capteur GMR d'origine. Le nombre de couches intermédiaires à aimantation dure peut se choisir librement dans un élément multicouches avec la condition auxiliaire de ligne anti parallèle des couches voisines de l'aimantation et ainsi on peut varier l'épaisseur du champ de 10 polarisation et l'homogénéité.
Selon un premier mode de réalisation, de façon avantageuse, on a chaque fois deux couches à aimantation douce sur une couche intermédiaire non magnétique pour relier un couplage de couches intermédiaires d'un côté d'une couche à aimantation dure, la couche à 15 aimantation dure, couplée en échange étant prévue entre deux couches à
aimantation douce.
En variante on peut également prévoir chaque fois deux couches à aimantation douce avec une couche intermédiaire non magnétique avec un couplage d'échange de couches intermédiaires, de part et 20 d'autre d'une couche à aimantation dure, la couche à aimantation dure,
couplée pour être échangée étant placée entre deux couches à aimantation douce. Cela permet également de remplacer une ou plusieurs couches à aimantation douce, couplée en échange par la couche à aimantation dure.
Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est un schéma de principe d'un premier exemple de réalisation montrant une coupe d'une structure multicouches d'un capteur 30 GMR avec des couches à aimantation dure et à aimantation douce, couplées avec une structure de couches intermédiaires; - la figure 2 montre un second exemple de réalisation ayant deux couches à aimantation douce en variante de la figure 1;
- la figure 3 montre un troisième exemple de réalisation avec une struc35 ture de couche modifiée par rapport à celle de la figure 2.
Description des exemples de réalisation
La figure 1 est un schéma de principe d'un capteur à champ magnétique GMR 1 à structure multicouches. Pour la détection
proprement dite d'un champ magnétique comme cela est indiqué dans le préambule de la description, on a des couches de détection à aimantation douce 2, 3, 4. D'autres couches décrites ci-après permettent d'installer cette structure multicouches entre une couche de recouvrement 5 par 5 exemple en tantale (Ta) et une couche tampon 6 sur un substrat semiconducteur 7. La matière du substrat est une plaquette de silicium connue en soi; toutefois l'invention peut également s'appliquer en principe avec d'autres matières de substrat semi-conducteur comme par exemple des semi-conducteurs des classes III - V de la classification périodique 10 SiC, A1203, ou analogues.
Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, on a intégré une couche à aimantation dure 8 par exemple CoCrPt, CoSm, CoCr, CoCrTa, CoPt, FePt dans la structure multicouches GMR comme couche de polarisation dure. On a chaque fois deux couches à aimantation douce 15 2, voisines, couplées par une couche intermédiaire non magnétique 9 sur
l'aimant dur 8 par un couplage d'échange.
La figure 2 montre un second exemple de réalisation d'un capteur GMR selon l'invention. Dans cet exemple, une autre couche intermédiaire non magnétique 10 permet de découpler pour l'échange une 20 autre couche à aimantation douce 11 qui est à rotation magnétique par
les aimants durs 8, intégrés.
La figure 3 présente un concept selon lequel sur un côté ici le côté inférieur de l'aimant dur 8 et sur l'autre côté ou autre face les aimants doux 2, 3 sont chaque fois couplés à la couche voisine par un cou25 plage d'échange de couche intermédiaire. Ce couplage d'échange de
couche intermédiaire est réglé par l'épaisseur des couches intermédiaires non magnétiques 9, 10 de façon que les couches à aimantation douce 3, 1 1, chaque fois voisines soient couplées magnétiquement de façon antiparallèle.
Les couplages des couches du capteur de champ magnétique 1 produisent l'effet GMR développé ci-dessus. En plus, dans le cadre des exemples de réalisation décrits ci-dessus de l'invention on a un champ réparti de l'aimant dur 8. Ce champ est couplé de manière ferromagnétique par les autres couches à aimantation douce et il induit ainsi une di35 rection préférentielle dans l'élément de capteur 1. En appliquant un
champ extérieur, on additionne alors le champ réparti de l'aimant dur 8 ou dans l'autre direction, le champ de l'aimant dur 8 se retranche du champ appliqué. Ainsi, comme décrit dans le préambule de la description,
on produit le décalage de la caractéristique du capteur dans la direction
prédéfinie par l'aimantation de l'aimant dur 8.
Dans les exemples de réalisation présentés, il n'y a pas de réduction de la résistance électrique de l'ensemble du système du capteur 5 1 par rapport à la configuration connue d'un capteur sans aimant dur ou
encore cette réduction est faible. Selon des concepts alternatifs dans lesquels un aimant dur est réalisé comme couche supérieure ou inférieure, il faut alors choisir de manière correspondante l'épaisseur de la couche pour générer un champ réparti, suffisant, qui aimante de manière appropriée 10 toutes les couches à aimantation douce.
La couche à aimantation dure selon les exemples de réalisation est prévue à proximité des couches à aimantation douce ce qui se traduit par une aimantation homogène des couches à aimantation douce.
L'insertion de la couche 8 à aimantation dure dans une couche à aiman15 tation douce durcit ainsi la couche à aimantation douce précédente c'estàdire augmente sa coercitivité. Une forte coercitivité comme celle que l'on rencontre surtout dans les couches minces décrites ci-dessus évite ainsi une commutation du champ de polarisation même dans des champs perturbateurs intenses. De plus, en cas de couplage d'échange magnétique 20 direct d'un aimant à aimantation dure et douce, placés l'un sur l'autre, la couche à aimantation douce renforce le champ réparti résultant. Le procédé de fabrication connu d'éléments de capteurs de n'importe quelle forme de réalisation peut s'appliquer sans modification importante dans
les étapes du procédé.
Claims (4)
1 ) Dispositif de capteur magnétique, caractérisé en ce qu'il comprend: au moins une couche de capteur sensible à un champ magnétique 5 dans un système à plusieurs couches intégrées dont la résistance électrique est variable en fonction d'un champ magnétique extérieur, - au moins une couche de détection (2, 3, 4) à aimantation douce et au moins une couche (8) à aimantation dure pour générer un champ magnétique auxiliaire; et au moins une couche intermédiaire amagnétique (9, 10) par laquelle au moins la couche de détection à aimantation douce (2, 3, 4) est couplée
en échange à au moins une couche à aimantation dure (8).
2 ) Dispositif selon la revendication 1, 15 caractérisé en ce que - chaque fois deux couches à aimantation douce (2, 3) recouvrent une couche intermédiaire (9) non magnétique, à l'aide d'un couplage d'échange de couches intermédiaires sur un côté d'une couche à aimantation dure (8); et - la couche à aimantation dure (8), couplée en échange est prévue entre
deux couches à aimantation douce (3, 4).
3 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que - chacune des deux couches à aimantation douce (2, 3, 4, 1 1) sont couplées par une couche intermédiaire amagnétique (9, 10) par un couplage d'échange de couches intermédiaires, des deux côtés à une couche (8) à aimantation dure; et
- la couche à aimantation dure (8) à couplage d'échange est prévue entre 30 deux couches à aimantation douce (3, 4).
4 ) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que
la couche à aimantation dure (8) remplace une ou plusieurs couches à 35 aimantation douce (4), à couplage d'échange.
) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que
le système multicouches est prévu entre une couche de recouvrement (5) et une couche tampon (6) sur un substrat (7).
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