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WO2011134732A1 - Wheatstone bridge having xmr spin-valve systems - Google Patents

Wheatstone bridge having xmr spin-valve systems Download PDF

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Publication number
WO2011134732A1
WO2011134732A1 PCT/EP2011/054933 EP2011054933W WO2011134732A1 WO 2011134732 A1 WO2011134732 A1 WO 2011134732A1 EP 2011054933 W EP2011054933 W EP 2011054933W WO 2011134732 A1 WO2011134732 A1 WO 2011134732A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
ions
bridge
gmr
bridge elements
elements
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/054933
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Manfred Rührig
Roland Weiss
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
Publication of WO2011134732A1 publication Critical patent/WO2011134732A1/en

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09Magnetoresistive devices
    • G01R33/093Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/0052Manufacturing aspects; Manufacturing of single devices, i.e. of semiconductor magnetic sensor chips
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09Magnetoresistive devices
    • G01R33/096Magnetoresistive devices anisotropic magnetoresistance sensors

Definitions

  • the invention relates to a Wheatstone bridge with bridging elements interconnected in bridge circuits, which consist of a GMR or TMR Spinvalve system and a process for their production.
  • MR sensors in particular GMR sensors, are an alternative to Hall sensors in the magnetic field-based position, speed, speed, field or even current sensor. Especially in the field of position and current sensors are during In recent years, MR-based sensors have been introduced into the marketplace.
  • the main advantages compared to Hall sensors are in the simpler system structure, the greater noise immunity, due to the greatly reduced external field sensitivity and the lower Rau ⁇ rule.
  • Magnetoresistive sensors are formed in a known manner in the form of Wheatstone bridges in order to minimize or completely suppress environmental influences such as temperature changes to the measurement signal.
  • the construction of such Wheatstonebrü ⁇ CKEN requires that adjacent bridge arms of a half bridge when exposed to an external magnetic field with respect. the magnetoresistive change in resistance behaves contrary. This is comparatively easy to implement when using anisotropic magnetic materials, as in the permalloy (Ni81Fel9) used in classical MR sensors, in that Direction of two MR strip conductors within a half-bridge or by the use of Barberpolen the direction of the current flowing in the magnetoresistive bridge arms current is impressed differently.
  • layer systems with a so-called spinvalve effect are known, which are preferably used for detecting small fields or also for angle detection, as shown for example in DE 43 01 704 A1.
  • These layer systems have in common that they consist of individual magnetic layers, in which ideally a sensor layer is magnetically easily rotatable and a reference layer is magnetically immovable.
  • These layers may be so far only as a single magnetoresistive strip sensors manufactured is, thus, although comparatively high signals he ⁇ but are targetable, at all further interfering influences, such as temperature changes, affect the measuring signal.
  • Wheatstone bridges made of four sensor strips are known, but generally require complex conditioning methods.
  • XMR is a generic term for X-magnetoresistive effects, e.g. GMR (Giant Magnetoresistance), CMR (Colossal Magnetoresistance), AMR (Anisotropic Magnetoresistance) or TMR (Tunnel Magneto Resistance).
  • the reference layers of the individual sensor elements are through consuming processes in different Rich ⁇ obligations aligned.
  • An example of such a process is shown in DE 100 28 640 B4.
  • the orientation of the reference layer in different directions and two XMR elements can be shielded by a magnetic shielding against the action of äuße ⁇ ren magnetic field.
  • This requires a comparatively thick, structured layer of low coercivity ferromagnetic material (eg, permalloy).
  • the application of effective shielding is therefore associated with relatively high costs.
  • the bridge may also carry a plurality of hybrid ge ⁇ twisted against each other individual chips, the XMR elements or half-bridges from XMR elements can be constructed. However, this can not be combined with the monolithic integration on an evaluation circuit.
  • the object of the invention is to provide a Wheatstone bridge with XMR sensors with little conditioning time to verwirk ⁇ union.
  • the object is solved by the features of the independent claims.
  • the respective XMR / GMR element will be so beC ⁇ over, that it shows no significant XMR / GMR effects more.
  • heavy ions eg copper, iron, nickel, cobalt, tungsten, platinum, iridium, xenon, ruthenium
  • the damage to the XMR / GMR bridge elements is mainly caused by two processes:
  • the first relevant process is the so-called mixing, ie mixing processes of the different substances at their respective interfaces as a result of radiation-induced decomposition of the atoms in the area of the interfaces.
  • the second process for damaging the GMR effect is the effect of the implanted ions themselves by reducing the mean free path of the conduction electrons in the copper interlayer.
  • the targeted damage to the copper layer between the reference layer and the measurement ⁇ layer by the implantation of the elements ruthenium, iron, nickel, cobalt in the region of the copper layer proves to be very effective.
  • the number of dislocations upon bombardment with a 100 keV iron ion is maximum at a depth between 10 and 20 nm. Higher depths can be achieved for example by higher Accelerati ⁇ supply energies.
  • the layers that are mainly damaged are 15-40 nm deep. As iron, cobalt, nickel, since they act comparatively strong scattering in copper on conduction electrons and accordingly increase the electrical resistance significantly even in low concentration.
  • the XMR-bridge elements that are not to be deactivated by the radiation damage the ions, with an ion-impermeable layer, for example a photoresist layer with at least 50 nm thickness, above ⁇ geous enough, however, usually greater 300nm covered.
  • an ion-impermeable layer for example a photoresist layer with at least 50 nm thickness, above ⁇ geous enough, however, usually greater 300nm covered.
  • FIG. 2 shows a plan view of the GMR spin-valve magnetic field sensor according to FIG. 1,
  • Figure 3 shows the diagram of a Wheatstone bridge with as XMR
  • FIGS. 1 and 2 show a layer system for a GMR spin-valve magnetic field sensor. Is shown in Figure 1, the layer structure, ie the cut strip by a measuring ⁇ , and in Figure 2 the top view of such a sensor stripe.
  • reference numeral 10 represents a seed layer (Ta) layer, for example, a 3.5nm thick Tan ⁇ tal having thereon 2nm located Ni-Fe layer 12 is formed.
  • a reference layer 20 which in detail consists of, for example, 10 nm iridium-manganese (IrMn) layer 21, a 2.5 nm thick cobalt-iron (Fe) layer, a 0.8 nm ruthenium (Ru).
  • Layer (Ru) and a 2.5nm thick cobalt-iron (CoFe) layer consists.
  • Cu copper
  • a nickel-iron (NiFe) layer followed by the copper layer with a thickness of 8 nm, for example, in the ERAL ⁇ NEN terminology "Free Layer” (free layer) is referred to.
  • Free Layer on the layer 30 a pinning layer on the strength, for example lOnm is arranged insbeson ⁇ particular from iridium manganese (IrMn) consists. This is again in a known manner a passivation layer 50, which consists for example of a TaN layer of strength lOnm.
  • a GMR sensor according to FIGS. 1 and 2 is irradiated from above with a bombardment of ions 6 of an ion source 7 as described in more detail in FIG.
  • the goal is to destroy the XMR effect that occurs through the quantum mechanical XMR effects in layers 30, 25, 24.
  • the material and the energy of the Io ⁇ NEN 6 is selected so that the ions 6, the layers 50, 40, 30 substantially without or with little interaction penetrate and their in the layers 25, 24, 23
  • FIG. 3 shows a Wheatstone bridge with bridging elements 1, 2, 3, 4, each consisting of a GMR or TMR spinvalve system.
  • the four bridge elements 1, 2, 3, 4 may each be ⁇ wells formed of a GMR spin valve system of Figures 1 and 2.
  • FIG. Two bridge elements 1, 2 each; 3, 4 form a Halbbrü ⁇ blocks.
  • the bridge elements 1, 2, 3, 4 are magnetized substantially pa ⁇ rallel, which is represented by the arrows with the Magnetisie ⁇ tion direction Ml, M2, M3, M4.
  • the respective directions of magnetization M2, M4 of two selected, diagonally arranged bridge elements 2, 4, which lie in adjacent half bridges 1, 2 and 3, 4, are reduced or destroyed by bombardment of ions 6, which is represented by dashed arrows.
  • the selected bridge elements 2, 4 have a reduced or completely destroyed GMR, or TMR effect.
  • a supply voltage Ub supplies the Wheatsto ⁇ nemaschine 1, 2, 3, 4.
  • a sensor voltage Us between the respective resistors of the bridge elements 1, 2 or 3, 4 of the two half-bridges 1, 2; 3, 4 can be tapped.
  • the two non-selected, diagonally arranged bridge elements 1, 3 is an ion-impermeable Layer 5 with a thickness D of at least 50 nm, vorzugswei ⁇ se with a thickness D of at least 300 nm applied.
  • the layer 5 is formed for example as a photoresist.
  • ions 6 are injected into the selected bridge elements 2, 4, which have their effect, above all, in the layers 25, 24, 23 relevant to the GMR effect, as a result of which stable impurities 8 are formed in the boundary layers of the active GMR layers to be damaged and the ions 6 in the highly electrically conductive GMR layer, for example, in Figure 1, the conductive Cu layer 25, are introduced. As a result, the conduction electrons of the highly conductive GMR layer 25 are strongly scattered, whereby the electric
  • (Basic) resistance of the bridge element increases. Since the basic resistance of each of the four bridge elements 1, 2, 3, 4 in the ground state should be equal to compensate for disturbances such as temperature drift, this increase in electrical resistance by layout measures of two diagonally opposite bridge elements 1, 3 or 2, 4 balanced in advance. This happens for example by the fact that the non-selected elements 2, 4 a shorter sensor length A2, A3 and / or a wider sensor width B2, B3, A3 having at Ver ⁇ equal to the widths Bl, B3 and lengths AI of the selected bridge elements 1, 3 ,
  • the ion impermeable layer 5 can maintain 6 or be removed by conventional mechanical, physika ⁇ metallic or chemical processes after the bombardment of ions.

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Abstract

The invention relates to a Wheatstone bridge comprising bridge elements (1, 2, 3, 4) connected in a bridge circuit, each consisting of XMR/GMR spin-valve systems. Two selected bridge elements (2, 4) arranged diagonally to each other are bombarded with ions, whereby the XMR/GMR effect of the two selected bridge elements is reduced or destroyed. A monolithically integratable bridge structure is advantageously achieved in said system with low conditioning expenditure.

Description

Beschreibung description
Wheatstonebrücke mit XMR-Spinvalve-Systemen Die Erfindung betrifft eine Wheatstonebrücke mit in Brücken¬ schaltung verschalteten Brückenelementen, die aus einem GMR- oder TMR-Spinvalve-System bestehen und ein Verfahren zu deren Herstellung . MR-Sensoren, insbesondere GMR-Sensoren, stellen in der Mag- netfeld-basierten Positions-, Geschwindigkeits- , Drehzahl-, Feld- oder auch Stromsensorik eine Alternative zu Hall- Sensoren dar. Vor allem im Bereich der Positions- und Stromsensorik sind während der letzten Jahre verstärkt MR-basierte Sensoren in den Markt eingeführt worden. Die Hauptvorteile, im Vergleich zu Hall-Sensoren, liegen im einfacheren Systemaufbau, der größeren Störsicherheit, bedingt durch die stark reduzierte Fremdfeldempfindlichkeit und dem geringeren Rau¬ schen. Es bieten sich bei MR-basierten Sensoren vor allem voll integrierte Lösungen an, da die MR-Elemente als Backend- prozess aufgebracht werden können und damit keine zusätzliche Chipfläche beanspruchen. Für viele Anwendungen, vor allem in der Positions-, Drehzahl- und Stromsensorik, werden jeweils vier MR-Elemente zu einer so genannten Wheatstonebrücke ver- schaltet, um eine genauere - von Temperaturschwankungen unab¬ hängigere - Messung zu erreichen. Wheatstone Bridge with XMR Spinvalve Systems The invention relates to a Wheatstone bridge with bridging elements interconnected in bridge circuits, which consist of a GMR or TMR Spinvalve system and a process for their production. MR sensors, in particular GMR sensors, are an alternative to Hall sensors in the magnetic field-based position, speed, speed, field or even current sensor. Especially in the field of position and current sensors are during In recent years, MR-based sensors have been introduced into the marketplace. The main advantages compared to Hall sensors are in the simpler system structure, the greater noise immunity, due to the greatly reduced external field sensitivity and the lower Rau ¬ rule. Above all, fully integrated solutions are suitable for MR-based sensors because the MR elements can be applied as a back-end process and thus do not require any additional chip area. For many applications, especially in the position, speed and current sensors, four MR elements into a so-called Wheatstone bridge are each comparable switches to a more accurate - to achieve measurement - temperature fluctuations inde ¬ hängigere.
Magnetoresistive Sensoren werden in bekannter Weise in Form von Wheatstonebrücken ausgebildet, um Umwelteinflüsse wie Temperaturänderungen auf das Messsignal zu minimieren oder total zu unterdrücken. Der Aufbau derartiger Wheatstonebrü¬ cken setzt voraus, dass sich benachbarte Brückenzweige einer Halbbrücke bei Einwirkung eines äußeren magnetischen Feldes bzgl . der magnetoresistiven Widerstandsänderung entgegenge- setzt verhalten. Dies ist bei Verwendung von anisotropen magnetischen Materialien, wie bei dem in klassischen MR- Sensoren verwendeten Permalloy (Ni81Fel9) vergleichsweise einfach realisierbar, indem durch zueinander senkrechte Aus- richtung von zwei MR-Streifenleitern innerhalb einer Halbbrücke oder durch die Verwendung von Barberpolen die Richtung des in dem magnetoresistiven Brückenzweigen fließenden Stromes unterschiedlich eingeprägt ist. Magnetoresistive sensors are formed in a known manner in the form of Wheatstone bridges in order to minimize or completely suppress environmental influences such as temperature changes to the measurement signal. The construction of such Wheatstonebrü ¬ CKEN requires that adjacent bridge arms of a half bridge when exposed to an external magnetic field with respect. the magnetoresistive change in resistance behaves contrary. This is comparatively easy to implement when using anisotropic magnetic materials, as in the permalloy (Ni81Fel9) used in classical MR sensors, in that Direction of two MR strip conductors within a half-bridge or by the use of Barberpolen the direction of the current flowing in the magnetoresistive bridge arms current is impressed differently.
Weiterhin sind Schichtsysteme mit einem sogenannten Spinval- ve-Effekt bekannt, die vorzugsweise zur Detektion kleiner Felder oder auch zur Winkeldetektion verwendet werden, wie beispielsweise in DE 43 Ol 704 AI dargestellt ist. Diesen Schichtsystemen ist gemeinsam, dass sie aus magnetischen Einzelschichten bestehen, bei denen idealerweise eine Sensorschicht magnetisch leicht drehbar und eine Referenzschicht magnetisch unbeweglich ist. Diese Schichten können bislang nur als einzelne, magnetoresistive Streifensensoren herge- stellt werden, womit zwar vergleichsweise hohe Signale er¬ zielbar sind, jedoch auch alle weiteren Störeinflüsse, wie Temperaturschwankungen, das Messsignal beeinflussen. Furthermore, layer systems with a so-called spinvalve effect are known, which are preferably used for detecting small fields or also for angle detection, as shown for example in DE 43 01 704 A1. These layer systems have in common that they consist of individual magnetic layers, in which ideally a sensor layer is magnetically easily rotatable and a reference layer is magnetically immovable. These layers may be so far only as a single magnetoresistive strip sensors manufactured is, thus, although comparatively high signals he ¬ but are targetable, at all further interfering influences, such as temperature changes, affect the measuring signal.
Wheatstonebrücken aus vier Sensorsstreifen sind bekannt, erfordern aber in der Regel aufwendige Konditionierungsverfah- ren. Wheatstone bridges made of four sensor strips are known, but generally require complex conditioning methods.
Im Folgenden steht XMR als Oberbegriff für X-magnetoresistive Effekte, z.B. GMR (Giant Magnetoresistance), CMR (Colossal Mmagnetoresistance) , AMR (Anisotrop Magnetoresistance) oder TMR (Tunnel Magneto Resistance) . In the following, XMR is a generic term for X-magnetoresistive effects, e.g. GMR (Giant Magnetoresistance), CMR (Colossal Magnetoresistance), AMR (Anisotropic Magnetoresistance) or TMR (Tunnel Magneto Resistance).
Wenn bisher XMR-Spinvalve-Sensoren als Wheatstonebrücke zur Feldmessung (zur Positions- , Geschwindigkeits- , Drehzahlsenso- rik) eingesetzt wurden, musste erheblicher Aufwand zur Kondi- tionierung oder zur Schirmung entsprechender XMR-Elemente in Kauf genommen werden. If previously XMR spinvalve sensors were used as Wheatstone bridges for field measurement (for position, speed, and speed sensors), considerable effort had to be made to condition or shield corresponding XMR elements.
Bei der Konditionierung von monolithisch integrierten Feldsensoren werden die Referenzschichten der einzelnen Sensor- elemente durch aufwändige Prozesse in unterschiedliche Rich¬ tungen ausgerichtet. Ein Beispiel für einen solchen Prozess ist in DE 100 28 640 B4 dargestellt. Alternativ zur Ausrichtung der Referenzschicht in unterschiedlichen Richtungen können auch jeweils zwei XMR-Elemente durch eine magnetische Schirmung gegen die Wirkung des äuße¬ ren Magnetfeldes abgeschirmt werden. Dies erfordert eine ver- gleichsweise dicke, strukturierte Schicht aus einem ferromag- netischen Material mit geringer Koerzitivfeidstärke (z. B. Permalloy) . Die Aufbringung einer wirksamen Schirmung ist deshalb mit relativ hohen Kosten verbunden. Alternativ dazu kann die Brücke auch hybrid aus mehreren ge¬ geneinander verdrehten Einzelchips, die XMR-Elemente oder Halbbrücken aus XMR-Elementen tragen, aufgebaut werden. Dies lässt sich jedoch nicht mit der monolithischen Integration auf eine Auswerteschaltung verbinden. In the conditioning of monolithically integrated field sensors, the reference layers of the individual sensor elements are through consuming processes in different Rich ¬ obligations aligned. An example of such a process is shown in DE 100 28 640 B4. Alternatively, the orientation of the reference layer in different directions and two XMR elements can be shielded by a magnetic shielding against the action of äuße ¬ ren magnetic field. This requires a comparatively thick, structured layer of low coercivity ferromagnetic material (eg, permalloy). The application of effective shielding is therefore associated with relatively high costs. Alternatively, the bridge may also carry a plurality of hybrid ge ¬ twisted against each other individual chips, the XMR elements or half-bridges from XMR elements can be constructed. However, this can not be combined with the monolithic integration on an evaluation circuit.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wheatstonesche Brücke mit XMR Sensoren mit geringem Konditionierungsaufwand zu verwirk¬ lichen . Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche . The object of the invention is to provide a Wheatstone bridge with XMR sensors with little conditioning time to verwirk ¬ union. The object is solved by the features of the independent claims.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Further developments of the invention are described in the dependent claims.
Durch die Bestrahlung mit schweren Ionen (z. B. Kupfer, Eisen, Nickel, Kobalt, Wolfram, Platin, Iridium, Xenon, Ruthenium) bei niedrigen bis mittleren Energien von ca. 20 keV bis 300 keV und hohen Implantationsdosen im Bereich von 1014 bis 1018 Ionen/cm2 wird das jeweilige XMR-/GMR-Element so beschä¬ digt werden, dass es keine nennenswerten XMR-/GMR -Effekte mehr zeigt. Werden gezielt zwei diagonal gegenüberliegende Brückenelemente der Wheatstonebrücke derart geschädigt, so bleiben zwei ausgewählte, diagonal gegenüberliegende, magne- tisch parallel ausgerichtete XMR-/GMR Brückenelemente funkti¬ onsfähig. Damit ist die Konditionierung abgeschlossen. Die Konditionierung beschränkt sich somit auf die kostengünstige Ionenimplantation einer Vielzahl von Wheatstonebrücken auf einem Wafer By irradiation with heavy ions (eg copper, iron, nickel, cobalt, tungsten, platinum, iridium, xenon, ruthenium) at low to medium energies of about 20 keV to 300 keV and high implantation doses in the range of 10 14 to 10 18 ions / cm 2, the respective XMR / GMR element will be so beschä ¬ over, that it shows no significant XMR / GMR effects more. Are specifically two diagonally opposed bridge elements of the Wheatstone bridge so damaged, there remain two selected, diagonally opposite, magnetically aligned in parallel XMR / GMR bridge elements func tional, ¬. This completes the conditioning. The conditioning is thus limited to the cost-effective Ion implantation of a variety of Wheatstone bridges on a wafer
Die Schädigung der XMR-/GMR-Brückenelemente wird vor allem durch zwei Prozesse hervorgerufen: The damage to the XMR / GMR bridge elements is mainly caused by two processes:
1. Der erste relevante Prozess ist das so genannte Mixing, also Mischvorgänge der unterschiedlichen Stoffe an ihrer jeweiligen Grenzfläche in Folge von strahlungsinduzierter Ver- setzung der Atome im Bereich der Grenzflächen. 1. The first relevant process is the so-called mixing, ie mixing processes of the different substances at their respective interfaces as a result of radiation-induced decomposition of the atoms in the area of the interfaces.
2. Der zweite Prozess zur Schädigung des GMR-Effektes ist die Wirkung der implantierten Ionen selbst durch Reduktion der mittleren freien Weglänge der Leitungselektronen in der Kup- fer-Zwischenschicht . Vor allem die gezielte Schädigung der Kupferschicht zwischen der Referenzschicht und der Mess¬ schicht durch die Implantation der Elemente Ruthenium, Eisen, Nickel, Kobalt in den Bereich der Kupferschicht erweist sich als sehr wirksam. 2. The second process for damaging the GMR effect is the effect of the implanted ions themselves by reducing the mean free path of the conduction electrons in the copper interlayer. In particular, the targeted damage to the copper layer between the reference layer and the measurement ¬ layer by the implantation of the elements ruthenium, iron, nickel, cobalt in the region of the copper layer proves to be very effective.
Die Anzahl der Versetzungen bei Beschuss mit einem 100 keV Eisen-Ion ist in einer Tiefe zwischen 10 und 20 nm maximal. Höhere Tiefen sind beispielsweise durch höhere Beschleuni¬ gungsenergien erzielbar. Bei den meisten top-gepinnten GMR- Spinvalve-Sensoren liegen die Schichten, die hauptsächlich geschädigt werden sollen, in einer Tiefe von 15 - 40 nm. Für die Implantation bieten sich vor allem die Elemente wie z. B. Eisen, Kobalt, Nickel an, da sie in Kupfer vergleichsweise stark streuend auf Leitungselektronen wirken und entsprechend bereits in geringer Konzentration den elektrischen Widerstand deutlich erhöhen. The number of dislocations upon bombardment with a 100 keV iron ion is maximum at a depth between 10 and 20 nm. Higher depths can be achieved for example by higher Accelerati ¬ supply energies. For most top-pinned GMR Spinvalve sensors, the layers that are mainly damaged are 15-40 nm deep. As iron, cobalt, nickel, since they act comparatively strong scattering in copper on conduction electrons and accordingly increase the electrical resistance significantly even in low concentration.
Während der Implantation werden die XMR-Brückenelemente, die nicht durch die Strahlenschäden der Ionen deaktiviert werden sollen, mit einer ionen-undurchlässigen Schicht, beispielsweise einer Fotolackschicht mit mindestens 50nm Dicke, vor¬ teilhafterweise jedoch meist größer 300nm, abgedeckt. Da sich der Grundwiderstand durch die Implantation der Ionen in der XMR-Schicht erhöhen kann, muss im Layout die Streifenbreite bzw. die Streifenlänge der beiden ausgewählten Brü¬ ckenelemente entsprechend angepasst werden, sodass die vier Brückenelemente nach vollständiger Prozessierung und Konditionierung den gleichen Ohmschen Widerstand aufweisen. During implantation, the XMR-bridge elements that are not to be deactivated by the radiation damage the ions, with an ion-impermeable layer, for example a photoresist layer with at least 50 nm thickness, above ¬ geous enough, however, usually greater 300nm covered. As the base resistance can be increased by the implantation of ions in the XMR-layer must be in the layout, the strip width and the strip length of the two selected Brü ¬ ckenelemente be adjusted accordingly, so that the four bridge elements have to complete processing and conditioning the same ohmic resistance ,
Vorteilhaft wird in diesem System eine monolithisch integrierbare Brückenstruktur bei geringem Konditionierungsaufwand erzielt . Advantageously, a monolithically integrable bridge structure with low conditioning effort is achieved in this system.
In den Figuren sind Weiterbildungen und verschiedene Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. In the figures, further developments and various embodiments of the invention are shown.
Es zeigen: Show it:
Figur 1 den Schichtaufbau eines ersten GMR-Spinvalve- Magnetfeldsensors im Schnitt, 1 shows the layer structure of a first GMR Spinvalve magnetic field sensor in section,
Figur 2 eine Draufsicht auf den GMR-Spinvalve- Magnetfeldsensor gemäß Figur 1,  FIG. 2 shows a plan view of the GMR spin-valve magnetic field sensor according to FIG. 1,
Figur 3 das Diagramm einer Wheatstonebrücke mit als XMR  Figure 3 shows the diagram of a Wheatstone bridge with as XMR
Spinvalve-Magnetfeldsensoren ausgebildeten Brückenelementen  Spinvalve magnetic field sensors formed bridge elements
In den Figuren haben gleiche bzw. sich entsprechende Einhei¬ ten die gleichen Bezugszeichen. Die Figuren werden gruppenweise gemeinsam beschrieben. In the figures, identical or corresponding Einhei ¬ th have the same references. The figures are described in groups together.
In den Figuren 1 und 2 ist ein Schichtsystem für einen GMR- Spinvalve-Magnetfeldsensor dargestellt. Dargestellt ist in Figur 1 der Schichtaufbau, d.h. der Schnitt durch einen Mess¬ streifen, und in Figur 2 die Draufsicht auf einen solchen Sensorstreifen. FIGS. 1 and 2 show a layer system for a GMR spin-valve magnetic field sensor. Is shown in Figure 1, the layer structure, ie the cut strip by a measuring ¬, and in Figure 2 the top view of such a sensor stripe.
Die so genannten "Free Layer"-Schichten aus Nickel-Eisen (Permalloy) werden mit Iridium-Mangan, welches einen natürlichen Antiferromagnet darstellt, gepinnt. Im Einzelnen bedeuten in den Figuren 1 Bezugszeichen 10 eine Keimschicht, die beispielsweise aus einer 3,5nm dicken Tan¬ tal (Ta) -Schicht mit darauf befindlichen 2nm befindlichen Ni- Fe-Schicht 12 besteht. Darauf befindet sich eine Referenz- schicht 20, die im Einzelnen aus einer beispielsweise lOnm dicken Iridium-Mangan ( IrMn) -Schicht 21, einer 2,5nm dicken Kobalt-Eisen (Fe) -Schicht , einer 0,8nm Ruthenium (Ru) -Schicht (Ru) und einer 2,5nm dicken Kobalt-Eisen (CoFe) -Schicht besteht. Zur Abtrennung befindet sich darauf eine 2,lnm dicke Kupfer (Cu) -Schicht . The so-called "free layer" layers of nickel-iron (permalloy) are pinned with iridium-manganese, which is a natural antiferromagnet. In detail, in the figures 1, reference numeral 10 represents a seed layer (Ta) layer, for example, a 3.5nm thick Tan ¬ tal having thereon 2nm located Ni-Fe layer 12 is formed. On top there is a reference layer 20, which in detail consists of, for example, 10 nm iridium-manganese (IrMn) layer 21, a 2.5 nm thick cobalt-iron (Fe) layer, a 0.8 nm ruthenium (Ru). Layer (Ru) and a 2.5nm thick cobalt-iron (CoFe) layer consists. For separation there is a 2 μm thick copper (Cu) layer thereon.
Auf die Kupferschicht folgt eine Nickel-Eisen (NiFe) -Schicht mit einer Dicke von beispielsweise 8nm, die in der allgemei¬ nen Terminologie als "Free Layer" (freie Schicht) bezeichnet wird. Auf der Free Layer-Schicht 30 ist eine Pinningschicht von der Stärke beispielsweise lOnm angeordnet, die insbeson¬ dere aus Iridium-Mangan (IrMn) besteht. Darauf befindet sich wieder in bekannter Weise eine Passivierungs-Schicht 50, die beispielsweise aus einer TaN-Schicht der Stärke lOnm besteht. A nickel-iron (NiFe) layer followed by the copper layer with a thickness of 8 nm, for example, in the ERAL ¬ NEN terminology "Free Layer" (free layer) is referred to. Free Layer on the layer 30, a pinning layer on the strength, for example lOnm is arranged insbeson ¬ particular from iridium manganese (IrMn) consists. This is again in a known manner a passivation layer 50, which consists for example of a TaN layer of strength lOnm.
Ein GMR-Sensors gemäß Figur 1 und 2 wird mit einem in Figur 3 näher beschriebenen Beschuss mit Ionen 6 einer Ionenquelle 7 von oben bestrahlt. Ziel ist es, den XMR-Effekt zu zerstören, der durch die quantenmechanischen XMR-Effekte in den Schich- ten 30, 25, 24 auftritt. Das Material und die Energie der Io¬ nen 6 ist so ausgewählt, dass die Ionen 6 die Schichten 50, 40, 30 im Wesentlichen ohne bzw. bei nur geringer Wechselwirkung durchdringen und in den Schichten 25, 24, 23 ihre A GMR sensor according to FIGS. 1 and 2 is irradiated from above with a bombardment of ions 6 of an ion source 7 as described in more detail in FIG. The goal is to destroy the XMR effect that occurs through the quantum mechanical XMR effects in layers 30, 25, 24. The material and the energy of the Io ¬ NEN 6 is selected so that the ions 6, the layers 50, 40, 30 substantially without or with little interaction penetrate and their in the layers 25, 24, 23
"zerstörerische" Wirkung durch Verursachen von Störstellen 8 zum Vermischen der für die Quanteneffekte entscheidenden"destructive" effect by causing impurities 8 to mingle with the quantum effects crucial
Grenzflächen miteinander und durch Implantieren (Steckenbleiben) der störenden Ionen 6 in diesen Schichten 25, 24, 23, 22 entfalten. Die durchschnittliche Eindringtiefe der Ionen 6 liegt somit im Wesentlichen zwischen 28 nm-35, 9 nm. Bei al- ternativen Ausformungen von GMR-Sensoren liegen die für die für den GMR-Effekt relevanten Schichten in Tiefen zwischen 15nm und 40nm. In Figur 3 ist eine Wheatstonebrücke mit in Brückenschaltung verschalteten Brückenelementen 1, 2, 3, 4 dargestellt, die jeweils aus einem GMR- oder TMR-Spinvalve-System bestehen. Beispielsweise können die vier Brückenelemente 1, 2, 3, 4 je¬ weils aus einem GMR-Spinvalve-System aus den Figuren 1 und 2 ausgebildet sein. Jeweils zwei Brückenelemente 1, 2; 3, 4 bilden eine Halbbrü¬ cke. Die Brückenelemente 1, 2, 3, 4 sind im Wesentlichen pa¬ rallel magnetisiert , was durch die Pfeile mit der Magnetisie¬ rungsrichtung Ml, M2, M3, M4 dargestellt ist. Die jeweilige Magnetisierungsrichtungen M2, M4 zweier ausgewählter, diagonal zueinander angeordneter Brückenelemente 2, 4, die jeweils in benachbarten Halbbrücken 1, 2 und 3, 4 liegen, sind durch Beschuss von Ionen 6 reduziert oder zerstört, was durch gestrichelte Pfeile dargestellt ist. Durch den Be- schuss von Ionen 6 weisen die ausgewählten Brückenelemente 2, 4 einen reduzierten oder vollständig zerstörten GMR-, oder TMR-Effekt auf. Eine Speisespannung Ub versorgt die Wheatsto¬ nebrücke 1, 2, 3, 4. Eine Sensorspannung Us zwischen den jeweiligen Widerständen der Brückenelementen 1, 2 bzw. 3, 4 der beiden Halbbrücken 1, 2; 3, 4 abgreifbar. Bei Anlegen eines externen magnetischen Feldes H ändern sich die von dem externen magnetischen Feld H abhängigen Widerstände der nicht ausgewählten Brückenelemente 1, 3, was durch Änderung der Sensorspannung Us messbar ist. Viele Störeffekte, wie z.B. Wi- derstandsänderung durch Temperaturänderungen, werden durch die Struktur der Wheatstonebrücke mit vier im Wesentlichen gleichen Brückenelementen 1, 2, 3, 4 idealerweise zum großen Teil eliminiert. Die oben beschriebene Wheatstonebrücke wird wie Folgt herge¬ stellt : Interfaces with each other and by implanting (sticking) of the interfering ions 6 in these layers 25, 24, 23, 22 unfold. The average penetration depth of the ions 6 is thus substantially between 28 nm-35, 9 nm. In alternative embodiments of GMR sensors, the layers relevant for the GMR effect lie in depths between 15 nm and 40 nm. FIG. 3 shows a Wheatstone bridge with bridging elements 1, 2, 3, 4, each consisting of a GMR or TMR spinvalve system. For example, the four bridge elements 1, 2, 3, 4 may each be ¬ weils formed of a GMR spin valve system of Figures 1 and 2. FIG. Two bridge elements 1, 2 each; 3, 4 form a Halbbrü ¬ blocks. The bridge elements 1, 2, 3, 4 are magnetized substantially pa ¬ rallel, which is represented by the arrows with the Magnetisie ¬ tion direction Ml, M2, M3, M4. The respective directions of magnetization M2, M4 of two selected, diagonally arranged bridge elements 2, 4, which lie in adjacent half bridges 1, 2 and 3, 4, are reduced or destroyed by bombardment of ions 6, which is represented by dashed arrows. By the bombardment of ions 6, the selected bridge elements 2, 4 have a reduced or completely destroyed GMR, or TMR effect. A supply voltage Ub supplies the Wheatsto ¬ nebrücke 1, 2, 3, 4. A sensor voltage Us between the respective resistors of the bridge elements 1, 2 or 3, 4 of the two half-bridges 1, 2; 3, 4 can be tapped. When an external magnetic field H is applied, the resistances of the unselected bridge elements 1, 3 that are dependent on the external magnetic field H change, which can be measured by changing the sensor voltage Us. Many disruptive effects, such as changes in resistance due to temperature changes, are ideally largely eliminated by the structure of the Wheatstone bridge with four substantially identical bridge elements 1, 2, 3, 4. The Wheatstone bridge described above is as follows Herge provides ¬:
Auf die zwei nicht-ausgewählten, diagonal zueinander angeordnete Brückenelemente 1, 3 wird eine ionen-undurchlässige Schicht 5 mit einer Dicke D von mindestens 50 nm, vorzugswei¬ se mit einer Dicke D von mindestens 300 nm, aufgebracht. Die Schicht 5 ist beispielsweise als Fotolack ausgebildet. Nun wird das gesamte Wheatstonesche Element gemäß Figur 3 mit al- len vier Brückenelementen 1, 2, 3, 4 in eine Ionenstrahlkam- mer eingelegt. Durch die Bestrahlung der Wheatstonebrücke mit Ionen 6 bleiben die nicht-ausgewählten Brückenelemente 1, 3 unversehrt. Dagegen werden in die ausgewählten Brückenelemente 2, 4 Ionen 6 eingeschossen, die ihre Wirkung vor allem in den für den GMR-Effekt relevanten Schichten 25, 24, 23 entfalten, wodurch in den Grenzschichten der zu schädigenden, aktiven GMR-Schichten stabile Störstellen 8 entstehen und die Ionen 6 in die stark elektrisch leitenden GMR-Schicht, z.B. in Figur 1 die leitende Cu-Schicht 25, eingebracht werden. Dadurch werden die Leitungselektronen der stark leitenden GMR-Schicht 25 stark gestreut, wodurch der elektrische On the two non-selected, diagonally arranged bridge elements 1, 3 is an ion-impermeable Layer 5 with a thickness D of at least 50 nm, vorzugswei ¬ se with a thickness D of at least 300 nm applied. The layer 5 is formed for example as a photoresist. Now, the entire Wheatstone element according to FIG. 3 with all four bridge elements 1, 2, 3, 4 is inserted into an ion beam chamber. By irradiating the Wheatstone bridge with ions 6, the unselected bridge elements 1, 3 remain intact. By contrast, ions 6 are injected into the selected bridge elements 2, 4, which have their effect, above all, in the layers 25, 24, 23 relevant to the GMR effect, as a result of which stable impurities 8 are formed in the boundary layers of the active GMR layers to be damaged and the ions 6 in the highly electrically conductive GMR layer, for example, in Figure 1, the conductive Cu layer 25, are introduced. As a result, the conduction electrons of the highly conductive GMR layer 25 are strongly scattered, whereby the electric
(Grund- ) Widerstand des Brückenelementes ansteigt. Da der Grundwiderstand eines jeden der vier Brückenelemente 1, 2, 3, 4 im Grundzustand gleich sein sollte, um Störeinflüsse wie z.B. Temperaturdrift auszugleichen, wird dieser Anstieg des elektrischen Widerstands durch Layout-Maßnahmen von zwei diagonal gegenüberliegenden Brückenelementen 1, 3 oder 2, 4 vorab ausgeglichen. Dies geschieht beispielsweise dadurch, dass die nicht ausgewählten Elemente 2, 4 eine kürzere Sensorlänge A2, A3 und/oder eine breitere Sensorbreite B2, B3 im Ver¬ gleich zu den Breiten Bl, B3 und Längen AI, A3 der ausgewählten Brückenelemente 1, 3 aufweisen. (Basic) resistance of the bridge element increases. Since the basic resistance of each of the four bridge elements 1, 2, 3, 4 in the ground state should be equal to compensate for disturbances such as temperature drift, this increase in electrical resistance by layout measures of two diagonally opposite bridge elements 1, 3 or 2, 4 balanced in advance. This happens for example by the fact that the non-selected elements 2, 4 a shorter sensor length A2, A3 and / or a wider sensor width B2, B3, A3 having at Ver ¬ equal to the widths Bl, B3 and lengths AI of the selected bridge elements 1, 3 ,
Die ionen-undurchlässige Schicht 5 kann nach dem Beschuss von Ionen 6 beibehalten oder durch übliche mechanische, physika¬ lische oder chemische Verfahren entfernt werden. The ion impermeable layer 5 can maintain 6 or be removed by conventional mechanical, physika ¬ metallic or chemical processes after the bombardment of ions.

Claims

Patentansprüche claims
1. Wheatstonebrücke mit in Brückenschaltung verschalteten Brückenelementen (1, 2, 3, 4), die aus einem GMR- oder TMR- Spinvalve-System bestehen, wobei 1. Wheatstone bridge with bridge-connected bridge elements (1, 2, 3, 4), which consist of a GMR or TMR Spinvalve system, wherein
- jeweils zwei Brückenelemente eine Halbbrücke (1, 2 und 3, 4) bilden,  each two bridge elements form a half-bridge (1, 2 and 3, 4),
- die Brückenelemente (1, 2, 3, 4) im Wesentlichen parallel magnetisiert sind,  - The bridge elements (1, 2, 3, 4) are magnetized substantially parallel,
- zwei diagonal zueinander angeordnete Brückenelemente (2, 4), die jeweils in benachbarten Halbbrücken (1, 2 und 3, 4) liegen, durch Beschuss von Ionen (6) einen reduzierten oder zerstörten GMR- oder TMR-Effekt aufweisen. - Two diagonally arranged bridge elements (2, 4), each in adjacent half-bridges (1, 2 and 3, 4), by bombardment of ions (6) have a reduced or destroyed GMR or TMR effect.
2. Wheatstonebrücke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eingeschossenen Ionen (6) im jeweiligen mit Ionen (6) beschossenem Brückenelement (2, 4) bewirken, dass a) stabile Störstellen (8) in den Grenzschichten des zu schädigenden quantenmechanisch aktiven, GMR- oder TMR-Bereichs entstehen, und 2. Wheatstone bridge according to claim 1, characterized in that the injected ions (6) in the respective bombarded with ions (6) bridge element (2, 4) cause a) stable impurities (8) in the boundary layers of the quantum mechanically active, GMR or TMR area, and
b) die Ionen (6) in die elektrisch hoch leitenden Schicht (25) , insbesondere aus Kupfer (Cu) , der aktiven Zwischen¬ schichten, eingebracht sind, wodurch die Leitungselektronen stark gestreut werden und der elektrische Widerstand an- steigt, insbesondere durch Implantieren der Ionen Eisen (Fe) , Kobalt (Co), Nickel (Ni) . b) the ions (6) in the electrically highly conductive layer (25), in particular of copper (Cu), the active intermediate ¬ layers, are introduced, whereby the conduction electrons are strongly scattered and the electrical resistance increases, in particular by implanting the ions iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni).
3. Wheatstonebrücke nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen (6) schwere Ionen sind und bei- spielsweise aus Kupfer (Cu) , Eisen (Fe) , Nickel (Ni) , Kobalt (Co), Wolfram (Wo), Platin (Pt) , Iridium (Ir), Argon (Ar) Xenon (Xe) oder Ruthenium (Ru) bestehen. 3. Wheatstone bridge according to claim 1 or 2, characterized in that the ions (6) are heavy ions and, for example, copper (Cu), iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), tungsten (Wo) , Platinum (Pt), iridium (Ir), argon (Ar) xenon (Xe) or ruthenium (Ru).
4. Wheatstonebrücke nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die GMR-Effekt relevanten und zu schädigenden Schichten (25, 24, 23) in Tiefen zwischen 15 nm und 40 nm liegen. 4. Wheatstone bridge according to one of the preceding claims, characterized in that the GMR effect relevant and to be damaged layers (25, 24, 23) lie in depths between 15 nm and 40 nm.
5. Wheatstonebrücke nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifenbreite bzw. die Streifenlänge vorzugsweise zweier diagonal gegenüberliegender Brückenelemente (1, 3; 2, 4) so angepasst werden, sodass die vier Brückenelemente nach vollständiger Prozessierung und5. Wheatstone bridge according to one of the preceding claims, characterized in that the strip width or the strip length preferably of two diagonally opposite bridge elements (1, 3, 2, 4) are adjusted so that the four bridge elements after complete processing and
Konditionierung durch Beschuss mit den Ionen (6) den gleichen Ohmschen Widerstand aufweisen. Conditioning by bombardment with the ions (6) have the same ohmic resistance.
6. Verfahren zur Herstellung einer Wheatstonebrücke gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) alle Brückenelemente (1, 2, 3, 4) im Wesentlichen paral¬ lel magnetisiert werden, b) die Flächenbereiche (AI, A3) zweier diagonal zueinander angeordneter Brückenelemente (1, 3) mit einer ionen¬ undurchlässigen Schicht (5) bedeckt werden, c) die Wheatstonebrücke mit den Flächenbereichen (AI, A2, A3, A4) aller Brückenelemente (1,2,3,4) mit Ionen (6) einer vorgegebener Energie und einer vorgegebenen Dosis (Anzahl der Ionen (6) pro QuadratZentimeter) beschossen werden, wobei die ionen-undurchlässige Schicht (5) die entsprechend ausgewählten Brückenelemente (1,3) vor der Strahlung der Ionen (6) abschirmt, wodurch der GMR-oder TMR-Effekt nur der nicht mit der ionen-undurchlässigen Schicht (5) bedeckten Brückenelemente (2,4) weitgehend gemindert oder zer¬ stört wird. 6. A method for producing a Wheatstone bridge according to one of the preceding claims, characterized in that a) all the bridge elements (1, 2, 3, 4) are magnetized substantially paral ¬ lel b) the surface areas (AI, A3) of two diagonally to each other arranged bridge elements (1, 3) with an ion ¬ impermeable layer (5) are covered, c) the Wheatstone bridge with the surface areas (AI, A2, A3, A4) of all bridge elements (1,2,3,4) with ions (6 ) of a predetermined energy and a predetermined dose (number of ions (6) per square centimeter), the ion-impermeable layer (5) shielding the appropriately selected bridge elements (1,3) from the radiation of the ions (6) is of the GMR or TMR effect not only with the ion impermeable layer (5) covered bridge elements (2,4) is substantially reduced or zer ¬ interfere.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen (6) Teilchenenergien von etwa 20keV bis 300keV und eine Dosis von etwa 1014 bis ΙΟ^ ionen(6)/cm2 aufweisen. 7. The method according to claim 6, characterized in that the ions (6) particle energies of about 20keV to 300keV and a dose of about 1014 to ^ ions (6) / cm2 have.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich- net, dass die ionen-undurchlässige Schutzschicht (5) bevor¬ zugt aus Photolack ist und die Dicke (D) der Schutzschicht (5) zwischen 50nm und lym liegt, bevorzugt über 300nm. 8. The method according to claim 6 or 7, characterized marked, that the ion-impermeable protective layer (5) before ¬ given from photoresist and the thickness (D) of the protective layer (5) is between 50nm and lym, preferably over 300nm.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Verfahrensansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen (6) schwere Io¬ nen sind und beispielsweise aus Kupfer (Cu) , Eisen (Fe) , Ni¬ ckel (Ni), Kobalt (Co), Wolfram (Wo), Platin (Pt) , Iridium (Ir) , Argon (Ar) Xenon (Xe) oder Ruthenium (Ru) bestehen. 9. The method according to any one of the preceding method claims, characterized in that the ions (6) are heavy Io ¬ NEN, and for example, copper (Cu), iron (Fe), Ni ¬ ckel (Ni), cobalt (Co), tungsten ( Where), platinum (Pt), iridium (Ir), argon (Ar), xenon (Xe) or ruthenium (Ru).
10. Verfahren nach einem der vorherigen Verfahrensansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein eingeschossenes Ion (6) etwa zwischen einhundert (100) und vierhundert (400), vorzugsweise zwischen zweihundert (200) und dreihundert (300) stabile Störstellen (8) in den für den GMR-Effekt relevanten Schichten (25,24,23) erzeugt. 10. Method according to one of the preceding method claims, characterized in that an injected ion (6) approximately between one hundred (100) and four hundred (400), preferably between two hundred (200) and three hundred (300) stable impurities (8) in the for the GMR effect relevant layers (25,24,23) produced.
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