DE102004032484B3

DE102004032484B3 - Sensor und Verfahren zum Herstellen eines Sensors

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Publication number: DE102004032484B3
Application number: DE102004032484A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Zimmer; Stephan Schmitt; Manfred Rührig
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2004-07-05
Filing date: 2004-07-05
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2024-07-06
Also published as: WO2006002988A1; US7490522B2; EP1763660A1; US20070186666A1

Abstract

Ein Sensor umfasst ein Substrat (100), in dem ein mechanisch verformbarer Bereich (12) gebildet ist. ein erstes megnetostriktives Mehrschicht-Sensorelement (104a) und ein zweites magnetostriktives Mehrschicht-Sensorelement (104b) sind in dem mechanisch verformbaren Bereich gebildet, wobei das erste nagnetostriktive Mehrschicht-Sensorelement (104a) und das zweite magnetostriktive Mehrschicht-Sensorelement (104b) miteinander verschaltet sind und derart ausgebildet sind, dass bei einem Erzeugen einer mechanischen Verformung des mechanisch verformbaren Bereichs (102) sich der elektrische Widerstand des ersten magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelements (104a) gegenläufig zu dem elektrischen Widerstand des zweiten magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelements (104b) ändert oder der elektrische Widerstand des ersten magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelements (104a) unverändert bleibt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf magnetostriktive Mehrschicht-Sensoren zum Erfassen einer mechanischen Verformung.
Magnetostriktive Mehrschichtsysteme wie beispielsweise Spin-Valve-Systeme, werden heutzutage in vielfältiger Weise verwendet. Ein Anwendungsgebiet, das in jüngster Zeit zunehmend Bedeutung gewonnen hat, umfaßt die Verwendung von magnetostriktiven GMR/TMR-Widerstandsstrukturen als Drucksensoren.
Drucksensoren arbeiten generell nach dem Prinzip der Verbiegung von beweglichen Membranen oder anderen beweglichen Elementen durch Druckeinwirkung, wobei die Membranauslenkung ein Maß für den angelegten Druck darstellt. Die Membrane der Drucksensoren können dabei in der Siliziumtechnologie mittels Bulk-Mikromechanik (BMM) oder in Oberflächenmikromechanik (SMM) realisiert werden. Drucksensoren in Oberflächenmikromechanik messen z.B. eine durch die Membranauslenkung induzierte Änderung der Kapazität zwischen Membran und Substrat gegen Elektrode. Dabei sind die Kapazitätshübe jedoch so klein, dass ein erheblicher Aufwand in die Signalaufbereitung investiert werden muss, was sich in einer erhöhten Chipfläche auswirkt. Ferner führt der erhöhte Signalaufbereitungsaufwand zu einer zusätzlichen Verteuerung der Herstellung, da zur Realisierung der entsprechenden Schaltungen ein zusätzlicher Aufwand erforderlich ist.
Bei Drucksensoren in BMM-Technologie wird die Membranverbiegung über den piezoresistiven Effekt detektiert, wobei die Dehnung der Membran z.B. an bestimmten dotierten Bereichen über eine Dehnungs-induzierte Widerstandsänderung beurteilt wird. Allerdings ist der sogenannte Gauge-Faktor, der einer Quotienten dR/R/Dehnung entspricht, d.h. ein Maß für die Sensitivität ist, für Silizium mit etwa 40 nur gering, wodurch sich ein reduziertes Signal/Rausch-Verhältnis ergibt.
Aufgrund ihres höheren Gauge-Faktors, der bis zu etwa 600 für eine TMR-Struktur betragen kann, verspricht der Ansatz von GMR/TMR-Widerstandsstrukturen im Vergleich zum piezoresistiven Effekt eine verbesserte Empfindlichkeit, ein größeres Signal/Rauschverhältnis sowie eine Druckmessung mit erhöhter Auflösung.
Bei vielen Anwendungen ist es jedoch erforderlich, zwei oder mehrere derartige Sensorelemente zu einer Brückenanordnung, beispielsweise einer Wheatstone'schen Brücke zu verschalten, um ein Signal zu erhalten, das auf die erzeugte Dehnung bzw. den angelegten Druck hinweist.
Zur Realisierung einer Sensorbrücke wird in der Regel eine Vollbrücke verwendet, bei der in beiden Ästen jeweils das Signal, d.h. eine Widerstandsänderung, entgegengesetzt gleichgerichtet ist. In der Regel wird dies durch ein gegengleiches Aufmagnetisieren der Referenzschicht erreicht, was jedoch mit zusätzlichem Aufwand verbunden ist, beispielsweise indem eine Mäander-Leiterbahnfolie erforderlich ist. Durch den zusätzlichen Aufwand wird ebenso die Herstellung der Sensoren verteuert, wobei es aufgrund der zahlreichen Anwendungen, für die die Drucksensoren geeignet sind, aufgrund der starken Konkurrenz wünschenswert wäre, einen Sensor mit geringen Herstellungskosten zu schaffen.

Allgemeine Grundlagen von Mehrschicht-Sensoren finden sich in den Druckschriften Löhndorf et al „Highly sensitive strain sensors on based magnetic tunneling junctions", Appl. Phys. Lett., Vol 81, pp 313–315, Löhndorf et. al. Strain sensors based on magnetostrictive GMR/TMR structures", IEEE Trans. Magn, Vol 38, pp. 2826–2828, September 2002, Ludwig et al, "Adapting GMR sensors for integrated devices", Sensors and Actuators A, 106, pp. 15–18, 2003.

DE 198 25 761 C2 beschreibt eine Vorrichtung zum Erfassen einer Dehnung oder Stauchung eines Körpers, die ein verformbares Halbleitersubstrat aufweist, auf dem vier piezoelektrische Widerstände zu einer Brücke verschaltet sind. Die auf dem verformbaren Halbleitersubstrat angeordneten vier Elemente sind derart gebildet, dass die Widerstandswerte von zwei Elementen bei einer Dehnung zunehmen, während die Widerstandswerte von anderen zwei Elementen bei einer Dehnung abnehmen.

DE 31 13 745 A1 zeigt einen Dünnschicht-Dehnungsmessstreifen, der aus einem elastischen formbaren Federelement mit einer dehnungsempfindlichen Widerstandsanordnung gebildet ist. Die Widerstandsanordnung weist eine Brückenschaltung von vier dehnungsempfindlichen Widerständen auf. Ein erstes Paar von Widerständen ist in einem Bereich angeordnet, der einer Dehnung unterworfen ist, während ein zweites Paar von Widerständen in einem Bereich angeordnet ist, der bei Auslenkungen im Wesentlichen unverändert bleibt, (siehe dort Site 11, letzter Absatz).

DE 102 50 358 A1 zeigt ein Sensormodul zur Messung mechanischer Kräfte, das einen verformbaren Abschnitt aufweist, der mit einem Träger gekoppelt ist. Auf dem verformbaren Abschnitt ist ein GMR- oder TMR-Sensorelement angeordnet, um eine auf dem verformbaren Abschnitt wirkende Kraft zu erfassen.

DE 199 49 714 A1 beschreibt ein magnetisches sensitives Bauteil zum berührungslosen Erfassen von Drehzahlen und Win keln unter Verwendung einer Brückenschaltung von mehreren GMR- oder TMR-Elementen.

DE 102 14 946 A1 beschreibt generell das Verhalten eines TMR-Sensors, der eine besondere Kombination von TMR-Schichten mit Schichten umfasst, die einen magnetoelastischen Effekt aufweisen.

US 5,856,617 A beschreibt die Verwendung einer Brückenschaltung von GMR-Elementen für ein Atom-Kraft-Mikroskop (AFM), enthält jedoch keine Lehre, sämtliche Magnetisierungen der harten Schicht der Sensorelementen in eine gleiche Richtung durchzuführen.

DE 697 04 536 T2 beschreibt einen Wandler zum digitalen Speichern und Lesen von Daten. Der Wandler ist als Teil eines Magnetokopfs auf einem Substrat gebildet und umfasst erste und zweite elektrische Leitungsschichten, die in Kontakt mit Endteilen einer magnetischen Schicht sind und erste und zweite Längs-Vormagnetisierungsschichten, die in Kontakt mit den betreffenden Endteilen der ferromagnetischen Schicht angeordnet sind, um eine Vormagnetisierung für die betreffende ferromagnetische Schicht zu liefern. Die Anordnung ermöglicht, dass der Magnetisierungsvektor in der zweiten ferromagnetischen Schicht festliegt.

US 5,168,760 A befasst sich generell mit einer magnetischen Mehrschicht-Anordnung des Spin-Valve-Typs, bei der eine Magnetfeldquelle verwendet wird, um die magnetischen Momente in ferromagnetischen Schichten des Sensors vorzuspannen, umfasst jedoch keine Lehre, für Elemente einer Brückenschaltung stets die gleiche Richtung einer Magnetisierung der magnetisch harten Schicht vorzusehen.

DE 35 02 008 A1 beschreibt einen Dehnungsaufnehmer, der aus einer dünnen begrenzten Schicht besteht, die auf einem Substrat aufgebracht ist. Der Dehnungsaufnehmer weist ein ferromagnetisches, magnetisch anisotropes, magnetostriktives Material auf, das zusätzlich galvanomagnetische Effekte zeigt.

DE 28 09 549 A1 beschreibt einen Halbleiter-Druckwandler, der wenigstens eine Radial-Dehnungsmesser-Einheit mit Piezowiderstandseffekt in Radial-Richtung und wenigstens eine Tangential-Dehnungsmesser-Einheit mit Piezowiderstandseffekt in Tangential-Richtung der scheibenförmigen Membran aufweist.

DE 198 33 712 A1 beschreibt eine Druckerfassungsvorrichtung mit einer Metallmembran. Ein Einkristallhalbleitersensorchip ist an der Membran angeordnet. Der Sensorchip weist eine Ebenenfläche auf, die eine erste polygonale Form mit mehr als fünf Seiten und eine zweite polygonale Form aufweist, so dass ein Verhältnis von einem Umkreisdurchmesser in Bezug auf einen Inkreisdurchmesser weniger als 1,2 umfasst.

DE 40 00 326 A1 beschreibt einen Drucksensor mit einer Membran und darauf angeordneten Dehnungsmessstreifen. Die Dehnungsmessstreifen sind zu einer Wheatstone'schen Brücke verschaltet, wobei Zweige der Brückenschaltung Kompensationswiderstände aufweisen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen kostengünstigen und einfachen magnetostriktiven Mehrschicht-Sensor zum Erfassen von mechanischen Verformungen mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch einen Sensor gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 18 gelöst.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass es durch eine einfache Anordnung von magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelementen zur Erfassung einer Verformung eines mechanisch verformbaren Bereichs unter Berücksichtigung der durch auf die Elemente übertragenen Dehnungsrichtungen und ein Verschalten der Sensorelemente möglich ist, ein Ausgangssignal, das verbesserte Charakteristika aufweist, auf eine einfache und kostengünstige Weise zu erreichen. Die Anordnung der Sensorelemente wird dabei lediglich aufgrund der an dem Ort der Sensoren bei einer Verwendung des Sensors auftretenden Verformung, insbesondere einer Richtung der Verformung, d.h. einer Charakteristik des verformbaren Bereichs an dem Ort der Sensoren, sowie der Magnetisierung der Sensorelemente bestimmt.

Generell soll unter einem magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelement ein Sensorelement verstanden werden, das aus zumindest zwei übereinander angeordneten magnetischen Schichten besteht und einen magnetostriktiven Effekt, d.h. eine Änderung des Widerstands durch positive Dehnung oder negative Dehnung (Striktion) zeigt. Beispielsweise können derartige Sensorelemente GMR-Strukturen (giant magneto resistance) oder TMR-Strukturen (tunneling magneto resistance) umfassen. Als GMR/TMR-Elemente werden sogenannte Spin-Valve-Strukturen, die aus zwei magnetischen Schichten bestehen, die durch eine nicht-magnetische Schicht voneinander ge trennt sind, verwendete. Der Schichtwiderstand der Struktur hängt dabei vom relativen Winkel zwischen den Magnetisierungsrichtungen der beiden magnetischen Schichten ab. Eine der magnetischen Schichten, die als magnetisch harte Schicht oder Referenzschicht bezeichnet wird, ist hinsichtlich der Magnetisierung festgelegt, d.h. gepinned, während die andere magnetische Schicht, die als magnetisch weiche Schicht bzw. Messschicht bezeichnet wird, ihre Magnetisierungsrichtung durch ein äußeres Magnetfeld und/oder Stress/Dehnung drehen kann, was mit einer Änderung des Schichtwiderstands korreliert ist. Stehen beide Magnetisierungen parallel, so ist der Schichtwiderstand minimal, während bei einer antiparallelen Ausrichtung der Schichtwiderstand maximal ist. Der Widerstand verhält sich proportional zu cos (Φ), wobei Φ der Winkel zwischen beiden Magnetisierungen ist. Der Widerstandshub von paralleler zu antiparalleler Konfiguration bedeckt typischerweise bei Raumtemperatur für GMR-Systeme etwa 10 % und bei TMR-Systemen etwa 50 % vom Grundwiderstand.

Die Verwendung dieser Sensorelemente zur Erfassung einer mechanischen Verformung erfordert, dass zumindest ein Teilbereich eines jeweiligen Sensorelements in einem Bereich des zu erfassenden mechanisch verformbaren Bereichs angeordnet ist. Erfindungsgemäß wird dabei die Anordnung auf dem verformbaren Bereich entsprechend der jeweiligen Verwendung der Sensorelemente, beispielsweise, ob die Sensorelemente in einer Vollbrücke oder einer Halbbrücke angeordnet sein sollen, gewählt, wie es nachfolgend noch näher ausgeführt wird.

Die Sensorelemente können als CIP-Elemente (Current-In-Plane-Elemente), bei denen der Strom parallel zu den Schichtebenen fließt, oder als CPP-Elemente (Current-Perpendicular-To-Plane-Elemente), bei denen der Strom senkrecht zu der Schichtebene fließt, ausgebildet sein.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Magnetisierungen der magnetisch weichen Schicht oder der magnetisch harten Schicht aller Sensorelemente eine gemeinsame vorbestimmte Richtung aufweisen, so dass die Magnetisierung aller Sensorelemente mit einem einzigen Verfahrensschritt möglich ist. Dadurch können die Herstellungskosten verringert werden, was sich insbesondere hinsichtlich einer zukünftig zu erwartenden Massenfertigung derartiger Sensoren als besonderer Vorteil herausstellt. Besonders vorteilhaft ist es, für sämtliche Sensorelemente eine gleiche Magnetisierung vorzusehen, d.h. dass sämtliche Sensorelemente eine Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht in eine einzige vorbestimmte Richtung aufweisen und die Magnetisierungen der magnetisch harten Schichten für die jeweiligen Sensorelemente in eine zweite vorbestimmte Richtung zeigen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung können je nach Verwendung und sonstiger Erfordernisse verschiedene Anordnungen und Verschaltungen gewählt werden, um durch geeignetes Abgreifen eines Detektorsignals einen Detektor mit verbesserten Charakteristika des Ausgangssignals zu erreichen.

Genauer gesagt, wird bei einem Ausführungsbeispiel ein erstes magnetostriktives Mehrschicht-Sensorelement und ein zweites magnetostriktives Mehrschicht-Sensorelement derart angeordnet, dass bei einem Erzeugen einer mechanischen Verformung des mechanisch verformbaren Bereichs der elektrische Widerstand des ersten Sensorelements unverändert bleibt, während sich der elektrische Widerstand des zweiten Sensorelements ändert. Das Ausführungsbeispiel, bei dem ein Sensorelement angeordnet ist, so dass sich keine Änderung des Widerstands mit einer Verformung ergibt, weist den Vorteil auf, dass dieser als Referenzwiderstand eingesetzt werden kann, der den gleichen Bedingungen wie ein Meßwiderstand, d.h. denselben Druckbeaufschlagungen und denselben Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise einer gleichen Temperatur, ausgesetzt sind. Dadurch kann eine Drift des Detektors, die beispielsweise durch eine unterschiedliche Temperatur oder eine unterschiedliche mechanische Belastung der Mess- und Referenzwiderstände hervorgerufen wird, auf einfache Weise ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand kompensiert werden.

Beispielsweise ist es zur Realisierung einer Halbbrücke erforderlich, vier Einzelelemente so anzuordnen, dass zwei Elemente bei einer Verformung bzw. Druckbeaufschlagung ihren Widerstand erhöhen oder erniedrigen, d.h. als Messwiderstände wirken, und zwei Widerstände konstant bleiben, d.h. als Referenzwiderstände wirken. Da bei diesem Ausführungsbeispiel die Sensorelemente, die als Referenzwiderstand wirken, den elektrischen Widerstand nicht ändern, obwohl diese der Messbelastung, d.h. beispielsweise der Dehnung des verformbaren Bereichs, ausgesetzt sind, kann bewirkt werden, dass die Referenzwiderstände den gleichen Bedingungen wie die Messwiderstände ausgesetzt sind. Somit kann eine Halbbrücke realisiert werden, bei der alle vier beteiligten Widerstände im Betrieb die gleiche Dehnung erfahren, wobei jedoch lediglich zwei ihren Widerstand verändern.

Die im Betrieb auftretenden Dehnungen stellen insbesondere für die TMR-Strukturen, die eine Al₂O₃-Tunnelbarriere im Bereich von einigen nm aufweisen können, eine Materialbelastung dar, die mit der Zeit zu einer Drift im Grundwiderstand führen kann. Durch die oben beschriebene Anordnung, bei der ein oder mehrere Referenzwiderstände bei einer Dehnung konstant bleiben, wird ermöglicht, dass alle beteiligten Widerstände, d.h. Messwiderstände und Referenzwiderstände, im Betrieb die gleiche Dehnung erfahren, so dass Langzeitdriften der Grundwiderstände aufgrund Materialermüdung abgefangen werden können.

Die oben beschriebene Anordnung kann durch eine bestimmte, über die Prozessierung einstellbare Ausrichtung der Magnetisierungen der harten und weichen Schicht bezüglich der von der Membran auf die Elemente übertragenen Dehnungsrichtungen bewirkt werden. Zum Erreichen eines Sensorelements, bei dem sich keine Änderung des Widerstands ergibt, ist es erforder lich, dass die Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht parallel zu der Dehnungsrichtung an dem Ort des Sensorelements ist, da die parallele Ausrichtung der Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht parallel zu der Dehnungsrichtung energetisch am günstigsten ist für Materialien mit positiver Magnetostriktinskonstanten.

Die Magnetisierung der weichen Schicht ist vorzugsweise bei allen Einzelelementen identisch orientiert, was bei einem beschriebenen Ausführungsbeispiel durch die parallele Ausrichtung der magnetisch weichen und magnetisch harten Schicht mit dem Magnetisierungsprozess der harten Referenzschicht z.B. durch Kombination mit einer vorhandenen paramagnetischen Neel-Kopplung automatisch gewährleistet ist. Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit parallelen Magnetisierungen der magnetisch harten und weichen Schicht für alle Sensorelemente sind beide Magnetisierungen am Ort der Sensoren für die Messwiderstände vorzugsweise senkrecht bzw. für die Referenzwiderstände parallel zu den Dehnungsrichtungen am Ort der Sensoren. Dies wirkt sich insbesondere bei einer rechtwinkligen, vorzugsweise quadratischen, Ausbildung des mechanisch verformbaren Bereichs vorteilhaft aus, da durch einfache Anordnung an den Seiten des mechanisch verformbaren Bereichs der oben genannte Vorteil einer gleichzeitigen Magnetisierung aller Sensorelemente, d.h. der Meß- als auch der Referenz-Sensorelemente möglich ist, wobei die Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht der Meßwiderstände senkrecht zu der Dehnungsrichtung steht, sofern die Meßwiderstände und die Referenzwiderstände an benachbarten Seiten, d.h. senkrechten Kanten, angeordnet sind. Durch die zueinander parallele magnetische Ausrichtung der weichen und harten Schicht in Kombination mit einer bezüglich den Dehnungsrichtungen senkrechten Konfiguration für die Messwiderstände und einer parallelen Konfiguration für die Referenzwiderstände wird ein für eine Halbbrücke maximal möglicher Signalhub ermöglicht, wobei keine lokal unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen der harten und weichen Schicht benötigt werden. Ausgenützt wird bei dieser Anordnung die Abhängigkeit der Verformung, die bewirkt, dass die Dehnungsrichtungen an den Kanten des rechtwinkligen verformbaren Bereichs senkrecht zu den Kanten sind.

Daher kann bei diesem Ausführungsbeispiel im Vergleich zu einer senkrechten Orientierung der magnetisch weichen und harten Schicht, wie es beispielweise bei einer Vollbrücke erforderlich ist, eine Ersparnis eines abschließenden Magnetisierungsschrittes zur eindeutigen Ausrichtung der magnetisch weichen Sensorschicht erreicht werden. Alle Einzelelemente können in einem Schritt auf Waferebene magnetisiert werden, was sich vorteilhaft auf die Prozessführung sowie die Prozesskosten auswirkt.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden das erste Sensorelement und das zweite Sensorelement derart angeordnet, dass das erste Sensorelement seinen Widerstand gegenläufig zu dem zweiten Sensorelement ändert, wenn der mechanisch verformbare Bereich durch eine äußere Kraft- oder Druckanwendung verformt wird.

Dies ermöglicht, dass die Sensorelemente in einer Vollbrücke verschaltet werden können, bei der beispielsweise in zwei Zweigen jeweils zwei Elemente angeordnet sind, die ihren Widerstand gegenläufig verändern. Durch ein Abgreifen eines Spannungssignals zwischen den zwei sich gegenläufig ändernden Sensorelemente innerhalb eines Zweigs ist es möglich, ein Sensorsignal mit hoher Empfindlichkeit bereitzustellen.

Bei einem Ausführungsbeispiel eines Spin-Valve-Sensors sind die Magnetisierungen der Sensorelemente derart, dass die harte Schicht unter 45° bzw. 135° bezüglich den Dehnungsrichtungen magnetisiert ist und die Magnetisierung der weichen Schicht senkrecht zur harten Schicht orientiert ist.

Dadurch ergibt sich wiederum eine kostengünstige Herstellung, da alle Einzelelemente in einem Schritt auf Waferebene magne tisiert werden können, was sich vorteilhaft auf die Prozessführung und die Prozesskosten auswirkt.

Bei einem Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, dass die Magnetisierungsrichtung der magnetisch weichen Schicht, d.h. der Meßschicht, einen Winkel von 45° zu der Magnetisierung der Referenzschicht, d.h. der magnetisch harten Schicht, aufweist. Die Magnetisierung der harten Schicht wird dabei vorzugsweise so eingestellt, dass sie parallel oder antiparallel zu der Dehnungsrichtung ist, so dass die Magnetisierung der weichen Schicht einen Winkel von 45° bezüglich der Dehnungsrichtung aufweist.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist es ferner möglich, dass die Magnetisierungen aller Sensorelemente in die gleiche Richtung zeigt, d.h. dass sämtliche Sensorelemente eine Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht in eine einzige vorbestimmte Richtung aufweisen und die Magnetisierungen der magnetisch harten Schichten für die jeweiligen Sensorelemente in eine zweite vorbestimmte Richtung zeigen.

Der Vorteil dieses Ausführungsbeispiels liegt darin, dass mit einer gezielten Verschaltung von vier nominell gleichen Widerständen zu einer Brücke, d.h. einer Wheatstone'schen Brücke alle bekannten Vorteile, beispielsweise eine Kompensation von Offsetdriften, erreicht werden können, wobei durch die Anordnung der Magnetisierungen der magnetisch harten und magnetisch weichen Schicht unter einem Winkel von 45° erreicht wird, dass eine Kennlinie des Brückensignals über der Spannung bzw. dem Druck symmetrisch zum Arbeitspunkt ist, d.h. eine gewünschte Linearität der Kennlinie aufweist.

Generell kann, ohne mechanische Verformung des mechanisch verformbaren Bereichs, die Magnetisierung der magnetisch harten Schicht und die Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht des ersten Sensorelements und des zweiten Sensorelements jeweils so eingestellt sind, das sie einen Winkel von 0°, 45°, 90° oder 135° oder beliebige Zwischenwinkel zwischen den obigen Werten umfassen.

Ebenso kann ein Winkel zwischen der Dehnungsrichtung und der Magnetisierung der magnetisch harten Schicht des ersten Sensorelements und des zweiten Sensorelements jeweils so eingestellt sein, dass sie einen Winkel von 0°, 45°, 90°, 135° oder 180° oder beliebige Zwischenwinkel zwischen den obigen Werten umfassen.

Ferner kann, ohne mechanische Verformung des mechanisch verformbaren Bereichs, ein Winkel zwischen der Dehnungsrichtung und der Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht des ersten Sensorelements und des zweiten Sensorelements jeweils so eingestellt werden, dass sie einen Winkel von 0°, 45°, 90° oder 135° oder beliebige Zwischenwinkel zwischen den obigen Werten umfassen.

Die Ausgestaltung der Sensorelemente kann eine Vielzahl von Formen und Ausgestaltungen annehmen, je nach Anwendung und Ausgestaltung des mechanisch verformbaren Bereichs. Beispielsweise können bei kreisförmigen Membranen die Widerstände in Form von Kreissegmenten ausgestaltet und entsprechend verschaltet werden. Dies weist den Vorteil einer einfachen Herstellung und einer optimalen Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Fläche der Membran auf.

Außerdem bietet die gleichgerichtete Ausrichtung der Referenzwiderstände den Vorteil, dass der Sensor relativ unempfindlich gegen kleine äußere Magnetfelder ist, da diese die Magnetisierung in allen Brückengliedern gleichermaßen beeinflussen würde. Auf Grund der gleichen Ausrichtung der Referenzschicht aller Glieder der Brücke wird der Einfluss auf das Brückensignal minimiert.

Vorzugsweise werden die Widerstände an den Orten einer maximalen Verformung angeordnet, um ein möglichst hohes Sensorsignal mit einem geringen Rauschsignal zu erhalten. Beispielsweise sind diese Orte bei der Verwendung des Sensors als ein Drucksensor mit einer Membran an den Rändern der Membran angeordnet.

Bei einem Ausführungsbeispiel ist es ferner möglich, dass ein oder mehrere Sensorelemente einen Abstand von einem Zentrum oder einem Symmetriepunkt des mechanisch verformbaren Bereichs aufweisen, der geringer ist als der Abstand eines oder mehrerer anderer Sensorelemente.

Diese Anordnung der Sensorelemente in unterschiedlichen Abständen von einem Zentrum oder einem Symmetriepunkt des mechanisch verformbaren Bereichs ermöglicht, dass die Sensorelemente unterschiedliche Kennlinien bezüglich der Signale über der auf den verformbaren Bereich ausgeübten Kraft bzw. Druck aufweisen. Dies kann beispielsweise verwendet werden, um einen Arbeitsbereich des Sensors zu vergrößern.

Bei einem Ausführungsbeispiel können Brückenglieder an verschiedenen Radien der Membran angeordnet werden, die unterschiedlich stark durchgebogen werden, d.h. eine unterschiedliche Zugspannung bei gleichem Druck aufweisen. Da die weiter innen liegenden Sensorelemente eine geringere Dehnung erfahren, können dieselben bei großen Drücken weiterhin einen Beitrag zum Signal liefern.

Dabei ergeben sich vielfältige Möglichkeiten, um einen Sensor mit verbessertem Arbeitsbereich zu realisieren.

Beispielsweise können in Bereichen mit einer hohen Dehnung Sensorelemente einer ersten Brücke angeordnet werden, während in Bereichen mit geringerer Dehnung, beispielsweise näher zu einem Symmetriepunkt, weitere Sensorelemente einer zweiten Brücke angeordnet sein können, die jeweils geringere Dehnun gen bei einem gleichen Druck auf den verformbaren Bereich erfahren.

Darüber hinaus können jedoch Sensorelemente an unterschiedlichen Orten einer Dehnung beispielsweise durch serielles Verschalten zu einem einzigen Gesamt-Sensorelement verschaltet werden, das einen verbreiterten Arbeitsbereich aufweist. Ebenso ist es denkbar, die Sensorelemente einer einzigen Brücke an Bereichen unterschiedlicher Dehnung anzuordnen. Sind beispielsweise ein Sensorelement an einem Ort mit hoher Dehnung und ein Sensorelement an einem Ort mit geringer Dehnung in einem Brückenzweig verschaltet, so erfährt bei geringen Drücken lediglich das Sensorelement an dem Ort mit hoher Dehnung eine Widerstandsänderung während das Sensorelement an dem Ort mit geringer Dehnung nur eine sehr geringe Widerstandsänderung erfährt und somit quasi als ein Referenzelement wirkt. Bei mittleren Drücken ändern beide Sensorelemente ihren Widerstand, wobei mit zunehmendem Druck das eine Sensorelement an dem Ort mit hoher Dehnung in Sättigung geht, so dass bei hohen Drücken aufgrund der Sättigung das Sensorelement an dem Ort mit hoher Dehnung keine Widerstandsänderung erfährt und somit quasi als Referenzwiderstand wirkt. Durch geeignete Anordnung ist es somit möglich, die Ausgangskennlinie zu modifizieren, um beispielsweise Nichtlinearitäten auszugleichen.

Ein weiterer Vorteil der oben genannten Anordnung von Sensorelementen an Orten mit unterschiedlichen Dehnungen besteht darin, dass die zusätzlichen Sensorelemente als Testelemente verwendet werden können, um die Funktion der Sensorelemente an den Orten mit hoher Dehnung zu überprüfen.

Die Anordnung von Sensorelementen an Orten mit unterschiedlichen Dehnungen kann sowohl für die oben beschriebene Halbbrücke als auch die Vollbrücke realisiert werden. Generell kann die Anordnung an Orten mit unterschiedlicher Dehnung für jeden beliebigen Typ von magnetostriktiven Sensorelementen durchgeführt werden. Beispielsweise kann jede Brückenanordnung mit jeder Magnetisierung einer magnetisch harten und magnetisch weichen Schicht zusätzlich in einem geringen Abstand zu dem Zentrum realisiert werden, so dass prinzipiell für jede denkbare magnetostriktive Sensoranordnung eine entsprechende Realisierung an Orten mit unterschiedlichen Dehnungen möglich ist.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische perspektivische Querschnittdarstellung einer Membran gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2a eine Draufsicht auf einen Sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2b ein Schaltungsdiagramm des in 2a dargestellten Sensors;
3a eine schematische Draufsicht auf einen Sensor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3b ein Schaltungsdiagramm des Sensors gemäß 3a;
4 eine schematische Querschnittdarstellung eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Querschnittdarstellung eines Sensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
6a eine schematische Draufsicht auf einen Sensor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6b eine schematische Draufsicht auf den Sensor gemäß 6a bei einer Druckbeaufschlagung; und
7 eine schematische Draufsicht auf einen Sensor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Unter Bezugnahme auf die 1 bis 7 werden im Folgenden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Gleichartige Elemente der verschiedenen Ausführungsbeispiele sind in den jeweiligen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
1a zeigt die prinzipielle Wirkungsweise eines Drucksensors als Beispiel. In einem Substrat 100 ist ein mechanisch verformbarer Bereich 102, im Folgenden als (dünne) Membran 102 bezeichnet, ausgebildet, wobei die Membran entweder einen gedünnten integralen Bestandteil des Substrats 100, beispielsweise eine Oxidschicht, Nitridschicht oder dergleichen, aufweist, wobei das Substrat von der Rückseite durch Ätzen freigelegt wurde, oder eine nachträglich aufgebrachte Schicht sein kann, die beispielsweise Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Poly-Silizium umfasst. Die Freilegung der Membran kann auch von der Vorderseite erfolgen, wobei Verfahren zu den oben beschriebenen Prozessen bekannt sind und an dieser Stelle daher nicht näher erläutert werden. Das Substrat kann ein Halbleitersubstrat, beispielsweise einen Siliziumchip, umfassen.
Wird die Membran 102 beispielsweise von einer Vorderseite mit einer Kraft bzw. einem Druck beaufschlagt, führt dies zu einer Durchbiegung der Membran. Der Spannungsverlauf ergibt sich dabei derart, dass im Bereich der Membranränder, die in der 1b mit Bezugszeichen A bezeichnet sind, auf der Oberseite Zugspannungen auftreten, während im Zentrum der Membran, das mit Bezugszeichen B bezeichnet ist, Druckspannungen auftreten. Auf der Unterseite der Membran treten entsprechende Spannungen mit umgekehrten Vorzeichen auf. Das Maximum der Spannung tritt an den Membranrändern A auf, so dass es zweckmäßig und naheliegend ist, für einen Sensor, beispielsweise einen Drucksensor, die dehnungsempfindlichen Bauelemente, deren Signal zur Messung des Drucks benutzt werden soll, in dem Bereich größter Dehnung, d.h. an den Rand der Membran zu platzieren, wie es in 1c angedeutet ist.
Die Spannungsverteilung einer Membran hängt generell von der Form derselben ab, wobei jedoch bei der oben genannten Membran eine Spannungsverteilung erreicht wird, die annähernd radial verläuft, d.h. senkrecht zu den Rändern der Membran ist.
2a zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem vier Sensorelemente 104a, 104b, 104c und 104d jeweils an dem Rand der Membran 102, d.h. an den Orten einer größten Dehnung angeordnet sind. Die Sensorelemente 104a–d sind als magnetostriktive Mehrschicht-Sensorelemente ausgebildet, und können beispielsweise GMR oder TMR-Sensorelemente umfassen, die eine Spin-Valve-Anordnung mit einer magnetisch harten Schicht und einer magnetisch weichen Schicht aufweisen. Die Sensorelemente sind länglich ausgebildet, wobei eine Längsachse der Sensorelemente jeweils parallel zu den Seiten der im Wesentlichen quadratisch ausgebildeten Membran 102 sind.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Magnetisierungen derart, dass die magnetisch harte Schicht parallel zu der Längsachse der Sensorelemente 104b und 104d ausgerichtet ist, die als Messwiderstände wirken, wie es nachfolgend näher erläutert wird. Die Ausrichtung der Magnetisierungen kann durch einen Temperprozess unter einem Magnetfeld erreicht werden, wobei prinzipiell beliebige Winkel in der Ebene eingestellt werden können.
Die magnetisch weiche Schicht der einzelnen Sensorelemente 104a–d weist eine magnetische Anisotropie auf, die parallel zu der Magnetisierungsrichtung der harten Schicht ausgerichtet ist, was z.B. durch die Wachstumsbedingungen eingestellt werden kann.
Beim Ausüben eines äußeren Drucks werden die Streifen senkrecht zu ihrer Längsachse in eine Dehnungsrichtung 110 gedehnt. Die Sensorelemente 104a–d können magnetostriktive Materialien mit entweder positiver Magnetostriktionskonstante oder negativer Magnetostriktionskonstante aufweisen.
Im Falle eines magnetostriktiven Materials mit positiver Magnetostriktionskonstante wird mit zunehmender Dehnung in Dehnungsrichtung eine wachsende magnetische Anisotropie erzeugt. Dies führt bei den als Messwiderständen wirkenden Sensorelementen 104b und 104d aus energetischen Gründen zu einem Drehen der Polarisation der magnetisch weichen Schicht, wie es in 2a durch Pfeile mit dem Bezugszeichen 112 angedeutet ist. Dadurch wird bei den Sensorelementen 104b und 104d der Widerstand erhöht, da die Magnetisierung 108 der magnetisch weichen Schicht von der parallelen Ausrichtung mit der Magnetisierung 106 der magnetisch harten Schicht weggedreht wird, d.h. die Magnetisierungen werden antiparalleler. Bei den als Referenzwiderstände wirkenden Sensorelemente 104a und 104c ist die durch die Dehnung generierte Anisotropie identisch mit der intrinsischen Anisotropie, so dass jede Drehung der Polarisation der magnetisch weichen Schicht aus der Ursprungslage energetisch ungünstig wäre. Daher verbleiben die Magnetisierungen der magnetisch weichen Schicht der Sensorelemente 104a und 104c in ihrer ursprünglichen Ausrichtung, so dass dieselben keine Dehnungsabhängigkeit zeigen.
Mit anderen Worten gesagt, kann bei diesem Ausführungsbeispiel durch das Erzeugen der Magnetisierungen der magnetisch weichen Schicht der als Referenzwiderstände wirkenden Sensorelemente 104a und 104c bewirkt werden, dass dieselben den gleichen Dehnungen wie die Sensorelemente 104b und 104d ausgesetzt sind, ohne jedoch eine Änderung des elektrischen Widerstands zu erfahren. Dadurch wird eine mit zunehmender Lebensdauer des Sensors bewirkte Veränderung der Charakteristik der Sensorelemente aufgrund einer häufigen Dehnung und Zusammenziehung sowohl in den Referenzwiderständen 104a und 104c als auch in den Messwiderständen 104b und 104d erzeugt. Sowohl die Referenzwiderstände als auch die Messwiderstände weisen somit eine gleiche langzeitliche Drift auf, so dass beispielsweise auf aufwendige Driftkompensationsschaltungen verzichtet werden kann und ein kostengünstiger Sensor mit hoher Empfindlichkeit realisiert werden kann.
2b zeigt eine Verschaltung der in 2a gezeigten Sensorelemente 104a–d. Die Sensorelemente sind zu einer Wheatstone'schen Brücke verschaltet, wobei in jedem Zweig der Brücke jeweils ein Messwiderstand und ein Referenzwiderstand angeordnet sind. Dabei sind die Messwiderstände und die Referenzwiderstände in den beiden Zweigen jeweils entgegengesetzt angeordnet, so dass der Messwiderstand des ersten Zweigs, d.h. beispielsweise das Sensorelement 104b und der Referenzwiderstand des zweiten Zweigs, d.h. beispielsweise das Sensorelement 104c mit einem ersten Spannungsknoten verbunden sind, während der Referenzwiderstand 104a des ersten Zweigs und der Messwiderstand 104d des zweiten Zweigs mit einem zweiten Spannungsknoten verbunden sind. Zwischen den jeweiligen Sensorelementen eines Zweigs wird eine Spannung abgegriffen, die ein Ausgangssignal liefert, das auf den für die Verformung der Membran verantwortlichen Druck bzw. die auf die Membran 102 wirkende Kraft hinweist. Die Verschaltung zu einer Halbbrücke, wie es in 2b gezeigt ist, liefert somit eine offset- und driftarme Ausgangsspannung, wobei aufgrund der senkrechten Ausrichtung der magnetisch weichen Schicht der Sensorelemente 104b und 104d ein maximales Sensorsignal dieser Sensorelemente erreicht wird.
Wie es bereits oben erklärt wurde, weist dieses Ausführungsbeispiel den besonderen Vorteil auf, dass sowohl die Magnetisierungen der magnetisch weichen Schicht als auch die Magnetisierungen der magnetisch harten Schicht für alle Sensorelemente 104a–d gleich sind, so dass bei einer Herstellung eine einfache Magnetisierung in einem einzigen Magnetisierungsschritt möglich ist. Dabei wird, wie oben erklärt, ein maximales Ausgangssignal durch die senkrechte Anordnung der magnetisch weichen Schicht zu der Dehnungsrichtung erhalten.
Unter Bezugnahme auf 3a wird nunmehr ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erläutert.
Das in der 3a dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 2a dargestellten Ausführungsbeispiel dahin gehend, dass die Magnetisierungen der magnetisch weichen Schicht und der magnetisch harten Schicht für jedes der Sensorelemente nicht parallel sind, sondern einen Winkel ungleich 0° aufweisen. Bei dem in 3a gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Magnetisierungen der magnetisch harten und magnetisch weichen Schicht 106 und 108 senkrecht zueinander. Die Magnetisierungen der magnetisch harten Schicht der Sensorelemente 104a und 104d weisen dabei einen Winkel von 135° bezüglich der Dehnungsrichtung 110 auf, während die Magnetisierungen 106 der magnetisch harten Schicht der Sensorelemente 104b und 104c einen Winkel von 45° bezüglich der Dehnungsrichtung 110 aufweisen. Ferner weisen aufgrund der senkrechten Ausrichtung der Magnetisierung der magnetisch harten Schicht und der magnetisch weichen Schicht die Magnetisierungen 108 der magnetisch weichen Schicht der Sensorelemente 104a und 104b einen Winkel von 135° bezüglich der Dehnungsrichtung 110 auf, während die Magnetisierungen der magnetisch weichen Schicht der Sensorelemente 104c und 104d einen Winkel von 45° bezüglich der Dehnungsrichtung 110 aufweisen.
Aufgrund der oben genannten Anordnung, wird nunmehr im Falle von magnetostriktiven Materialien mit positiver Magnetostriktionskonstante in Dehnungsrichtung eine mit zunehmender Dehnung wachsende magnetische Anisotropie generiert, die dazu führt, dass aus energetischen Gründen die Polarisation der weichen Schicht der Sensorelemente 104a und 104c zunehmend paralleler wird, und dadurch eine Widerstandserniedrigung erfahren, während die Magnetisierungen der Sensorelemente 104b und 104d aufgrund des erzeugten Drucks zunehmend antiparalleler werden und dadurch eine Widerstandserhöhung erfahren.
Der besondere Vorteil dieses Ausführungsbeispiels ergibt sich dadurch, dass eine Vollbrückenschaltung ermöglicht ist, wobei sämtliche Sensorelemente sowohl eine Magnetisierung der magnetisch harten Schicht als auch eine Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht in jeweils eine vorbestimmte Richtung aufweisen. Dadurch kann bei einem Herstellungsprozess die Magnetisierung der magnetisch harten Schicht für alle Sensorelemente in einem einzigen Schritt erzeugt werden, und die Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht für alle Sensorelemente ebenfalls in einem einzigen Verfahrensschritt erzeugt werden. Die Anordnung der Magnetisierungen der magnetisch weichen und der magnetisch harten Schicht senkrecht zueinander weist dabei ferner den Vorteil auf, dass aufgrund der kosinusförmigen Abhängigkeit bei 90° eine hohe Steigung erreicht wird, so dass die Änderung des Widerstands aufgrund einer Drehung der Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht hoch ist.
3b zeigt eine Verschaltung des in 3a gezeigten Sensors zu einer Vollbrücke. In einem ersten Zweig sind jeweils zwei Widerstände 104a und 104b mit entgegengesetzter Änderung des elektrischen Widerstands angeordnet, während in einem zweiten Zweig ebenfalls zwei Sensorelemente 104d und 104c mit entgegengesetzter Änderung des elektrischen Widerstands angeordnet sind. In den jeweiligen Zweigen sind die Sensorelemente jeweils entgegengesetzt angeordnet, so dass das Sensorelement 104b mit zunehmendem Widerstand des ersten Zweigs und das Sensorelement 104c mit abnehmendem Widerstand des zweiten Zweigs jeweils mit einem ersten Spannungsknoten verbunden sind, während das Sensorelement 104a des ersten Zweigs mit abnehmendem Widerstand und das Sensorelement 104d des zweiten Zweigs mit zunehmendem Widerstand mit einem zweiten Spannungsknoten verbunden sind. Entsprechend zu dem unter 2b gezeigten Schaltungsaufbau wird durch ein Abgreifen eines Spannungssignals zwischen den Sensorelementen der jeweiligen Zweige ein Sensorsignal erzeugt.
Unter Bezugnahme auf die 4 und 5 werden im Folgenden Ausführungsbeispiele einer Realisierung der in den Figuren gezeigten Sensoren erklärt. Genauer gesagt zeigt die 4 einen Aufbau eines magnetostriktiven Drucksensors in BMM-Siliziumtechnologie, während die 5 einen schematischen Aufbau eines magnetostriktiven Drucksensors in SMM-Technologie zeigt.
Gemäß der 4 ist das Substrat 100 von der Rückseite freigelegt, so dass in einem vorbestimmten Bereich, der durch die rückseitig freigelegte Ausnehmung definiert wird, die auslenkbare Membran 102 gebildet ist. Wie es in 4 zu erkennen ist, umfasst die Membran 102 eine dünne Schicht 114 aus Halbleitermaterial des Substrats, auf der eine weitere dünne Isolationsschicht 116 gebildet ist. Auf der Isolationsschicht sind die Sensorelemente 104, d.h. die GMR/TMR-Widerstandsstrukturen gebildet, die im Bereich einer maximalen Dehnung angeordnet sind. Auf der Isolationsschicht 116 ist eine weitere Passivierungsschicht 118 abgeschieden, die die Sensorelemente 104 vor Umwelteinflüssen schützt.
Bei dem in 5 gezeigten SMM-Aufbau ist auf dem Substrat 100 eine Opferschicht 120 gebildet, die in einem vorbestimm ten Bereich, der den Bereich der Membran definiert, eine Ausnehmung aufweist. Die Opferschicht kann beispielsweise aus Siliziumoxid gebildet sein, und eine Dicke von etwa 0,5 μm aufweisen. Auf der Opferschicht 120 ist an den Rändern derselben eine Membranschicht 122 gebildet, die sich über die Ausnehmung der Opferschicht 120 erstreckt, so dass zwischen der Membranschicht 122 und dem Substrat 100 ein Hohlraum 124 gebildet ist. Die Ausnehmung der Opferschicht, die den Hohlraum bildet, kann durch eine lokale selektive Ätzung der Opferschicht erzeugt werden. Die Membranschicht 122 kann beispielsweise aus einem polykristallinen Silizium gebildet sein und eine Dicke von etwa 0,5 bis 1 μm aufweisen. Auf der Membran wird eine dünne Isolationsschicht 126 aufgebracht, wobei die GMR/TMR-Strukturen im Bereich der stärksten Dehnung platziert werden. Ferner ist auf der Opferschicht 120 eine Intermetalloxidschicht 128 aufgebracht, auf der wiederum eine Chippassivierungsschicht 130 gebildet ist. Die Intermetalloxidschicht 128 und die Chippassivierungsschicht 130 sind über der Sensormembran 122 weggeätzt, um eine ausreichende Bewegung der Membran zu gewährleisten. Zum Schutz der Sensorelemente 104 wird der Sensor mit einer Passivierungsschicht 132 beschichtet, die sich ganzflächig über den gesamten Aufbau erstreckt.
Unter Bezugnahme auf die 6a und 6b soll im Folgenden ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vollbrückenschaltung erklärt werden, bei der im Gegensatz zu dem in den 3a und 3b gezeigten Ausführungsbeispiel die Magnetisierungen der magnetisch harten Schicht und die Magnetisierungen der magnetisch weichen Schicht für die jeweiligen Sensorelemente 104a–d nicht senkrecht aufeinander sind. Genauer gesagt, weisen bei diesem Ausführungsbeispiel die Magnetisierungen der magnetisch harten Schicht und der magnetisch weichen Schicht einen Winkel von 45° auf, was den Vorteil ergibt, dass die sich ergebende Kennlinie des Signals über der Spannung bzw. dem Druck linear und symmetrisch zum Arbeitspunkt ist. In 6a sieht man, wie in 3a, die Magnetisierung 106 der Re ferenzschicht als dicke Pfeile. Außerdem sieht man die Achse der leichten Magnetisierung bzw. leichte Richtung in der Meßschicht als Doppelpfeile, was in 3a dem Bezugszeichen 108 entspricht. Alle weiteren Bezeichnungen 101–104 sind aus 3 zu entnehmen.
6a zeigt den Sensor für den Fall ohne einer Verformung der Membran 102, wobei zu erkennen ist, dass die Magnetisierungen der magnetisch harten Schicht und der magnetisch weichen Schicht einen Winkel von 45° aufweisen. Entsprechend zu dem unter Bezugnahme auf 3a gezeigten Ausführungsbeispiel sind sowohl sämtliche Magnetisierungen der magnetisch weichen Schicht als auch der magnetisch harten Schicht in der selben Richtung erzeugt, wodurch sich die bereits oben erklärten Vorteile einer vereinfachten Herstellung des Sensors aufgrund einer Erzeugung einer Magnetisierung für alle Sensorelemente erreichen lässt: Wie es bereits oben beschrieben wurde, wird dies derart erreicht, dass die magnetisch harte Schicht, d.h. die Referenzschicht derart magnetisiert wird, dass die Magnetisierung aller Sensorelemente in die gleiche Richtung zeigt. Hierzu können unterschiedliche Verfahren verwendet werden, beispielsweise ein AAF-gepinnter AAF (AAF = Artificial Anti Ferromagnet = Künstlicher Anti-Ferromagnet) oder eine gepinnte Einzelschicht. Das Erreichen einer Magnetisierung aller Sensorelemente in die gleiche Richtung kann sehr einfach dadurch erreicht werden, dass ein genügend großes äußeres Magnetfeld angelegt wird, was beispielsweise bei einer erhöhten Temperatur erfolgen kann. Ferner ist es erforderlich, dass die Vorzugsrichtung in der Messschicht unter einem Winkel zu der Referenzschichtmagnetisierung steht, wobei ein Winkel 45° aufgrund der oben genannten Vorteile vorzuziehen ist.
Bei einer Einwirkung einer Kraft auf die Membran 102 ergibt sich nun die in 6b gezeigte Spannungsverteilung in radialer Weise, d.h. die Dehnungsrichtungen stehen senkrecht zu den Seiten der quadratisch ausgebildeten Membran 102. Wählt man für die Messschicht ein positives Vorzeichen der Magnetostriktion, so wird sich die Magnetisierung vorzugsweise in Richtung der Zugspannung drehen, d.h. der Winkel zwischen der Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht und der Dehnungsrichtung σ nimmt ab. Dadurch verändert. sich der Winkel zwischen der Referenzschichtmagnetisierung und der Magnetisierung der Messschicht entsprechend um den Winkel α = |φ₀ – σ|, wobei φ₀ der Winkel ohne Verformung der Membran ist. Da der Widerstand in magnetoresistiven Widerstandselementen vom Winkel zwischen der Magnetisierung der Referenzschicht und der Messschicht abhängt, ändert sich entsprechend der Wert R jedes einzelnen Widerstands um einen Betrag ΔR. Durch eine gezielte Verschaltung entsprechend zu dem unter 3b gezeigten Ausführungsbeispiel zu einer Brücke ergeben sich alle bekannten Vorteile, beispielsweise eine Kompensation der Temperaturdrift, wobei durch die Anordnung der Widerstände das volle magnetische Signal zur Verfügung steht.
Es läßt sich somit zusammenfassen, daß bei diesem besonderen Ausführungsbeispiel die leichte Richtung der Meßschicht und die Magnetisierung der Referenzschicht unter 45° zueinander angeordnet sind, was den Vorteil hat, dass man sowohl bei Zugspannng als auch bei Druckspannung eine Verdrehung der leichten Achse in der Meßschicht gegenüber der Referenz-Magnetisierung bekommt. Der Fall unter Zugspannung senkrecht zu den Widerstandselementen ist in 6b gezeigt. Die Magnetisierung der Meßschicht folgt der Zugspannung (positive Magnetostriktion) und dreht sich aus der 45° Richtung in bei spielsweise 20° in den Senserelementen 104b und 104d bzw. 70° in den Sensorelementen 104a und 104c. Das heißt, der Widerstand nimmt in den Sensorelementen 104a und 104c ab, da hier eine höhere parallele Ausrichtung zwischen Meßschicht und der Referenzschicht vorliegt, und erhöht sich in den Sensorelementen 104d und 104b, da hier eine weniger parallele Ausrichtung zwischen Meßschicht und der Referenzschicht vorliegt.
Entsprechend umgekehrtes Verhalten ergibt sich, wenn eine Druckspannung senkrecht zu den Elementen wirkt, was mit einer analogen Zugspannung entlang der Elemente gleichgesetzt werden kann. Wieder dreht sich die leichte Achse der Magnetisierung der Meßschicht entlang der Zugspannung und der Effekt dreht sich um. Wenn man 45° als Ausgangspunkt wählt, ist es möglich, unter Druck und unter Zug jeweils die Magnetisierung jeweils um 45° in die ein oder die andere Richtung drehen. Da der maximale Hub, bzw. Winkeldrehung, der oder die unter durch Spannungen erreicht werden kann, 90° beträgt, hat man in dem Fall der 45° Ausrichtung einen symmetrischen Arbeitsbereich für Zug und Druck. Alle Winkel ungleich 45° würden den Arbeitsbereich eingrenzen, da die Widerstände sich nicht mehr gegengleich ändern würden, was zu einem nicht-linearen Brückensignal führen würde. Im Extremfall, z.B. 0°, wären die beiden Sensorelemente 104b und 104d nicht mehr empfindlich auf die angelegte Zugspannung. Aus der Vollbrücke wird nur noch eine Halbbrücke, mit nur der halben Empfindlichkeit. Alle Winkel zwischen 0 und 45° ermöglichen zwar eine Vollbrücke, jedoch weist, wie bereits oben beschrieben wurde, nur die Anordnung mit 45° einen symmetrischen Arbeitspunkt auf.
Zur Verbesserung einer Sensorlinearität können zusätzliche Widerstände an Orten angebracht werden, die einen unterschiedlichen Betrag an Druckspannungen aufweisen.
Diesbezüglich zeigt beispielsweise die 7 eine Ausführung, bei der zusätzliche Sensorelemente 134a–d radialsymmetrisch zum Zentrum weiter innen auf der Membran 102 angebracht sind. Die inneren Sensorelemente 134a–d sind ebenso wie die äußeren Sensorelemente 104a–d zu einer Brücke verschaltet, wobei die innere Brücke so ausgelegt ist, dass sie auch nach Sättigung der äußeren Brückenelemente bei großen Drücken weiterhin einen Beitrag zum Signal liefern. 7 zeigt einen derartigen Zustand, bei dem die Magnetisierungen der magnetisch weichen Schicht der Sensorelemente 104a–d aufgrund des hohen an der Membran 102 anliegenden Drucks bereits parallel zu der Dehnungsrichtung eingestellt sind, so dass sich die Sensorelemente 104a–d bereits in der Sättigung befinden. Dahin gehend sind die Sensorelemente 134a–d aufgrund ihrer Anordnung näher zu dem Zentrum, d.h. an Orten einer geringeren mechanischen Verformung, noch nicht gesättigt, was in 7 aufgrund dessen zu erkennen ist, dass die Magnetisierungen 108 der magnetisch weichen Schicht der Sensorelemente 134a–d noch nicht parallel zu der Dehnungsrichtung sind, d.h. einen Winkel ungleich 0 aufweisen.
Obwohl die vorliegenden Ausführungsbeispiele mit Sensorelementen beschrieben wurden, die eine positive Magnetostriktion aufweisen, können weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ebenso Sensorelemente mit negativer Magnetostriktion umfassen, wobei eine entsprechend geänderte Magnetisierung der magnetisch harten Schicht und magnetisch weichen Schicht bezüglich der Dehnungsrichtung bzw. Anordnung der Meß- und Referenzwiderstände zu wählen ist.
Die Funktionsweise des Sensors mit negativer Magnetostriktionskonstante bleibt jedoch unbeeinträchtigt. Bei einer Vollbrücke vertauschen sich nur die Widerstandsänderungen von zwei Brückenwiderständen, d.h. der Widerstand, der bei positiven Materialien größer wird, wird bei negativen Materialien kleiner und umgekehrt. Bei der Halbbrücke wird aus dem Referenzwiderstand ein Meßwiderstand und umgekehrt. An den Richtungen der Magnetisierungen ändert sich prinzipiell nichts.
Ferner können bei anderen Ausführungsbeispielen die in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Sensoren dahingehend modifiziert werden, dass an den Orten der Sensorelemente eine negativen Dehnung, d.h. eine Magnetostriktion, auftritt. Daher können die Sensorelemente sowohl an Orten mit positiver Dehnung als auch an Orten mit negativer Dehnung angeordnet werden.
Ferner beschreiben die bevorzugten Ausführungsbeispiele eine Anwendung des Sensors als Drucksensor, wobei der mechanisch verformbare Bereich eine Membran ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf derartige Sensoren beschränkt, und kann beispielsweise auch eine Anwendung zur Erfassung von Beschleunigungen umfassen, beispielsweise indem eine Beschleunigungs- oder Testmasse mit dünnen Stegen mit dem Substrat verbunden ist.
Vorzugsweise sind die in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Sensorelemente gleichartig, d.h. sie weisen einen gleichen Schichtaufbau, gleiche Materialien und eine gleiche Form und somit einen gleichen Magnetostriktionskoeffizienten auf. Es sind jedoch ebenfalls Realisierungen denkbar, bei denen hinsichtlich der obigen Merkmale unterschiedliche Sensorelemente verwendet werden.

100: Substrat
102: Membran
104a–d: Sensorelemente
106: Magnetisierung
108: Magnetisierung
110: Dehnungsrichtung
112: Drehrichtung
114: Schicht
116: Isolationsschicht
118: Passivierungsschicht
120: Opferschicht
122: Membranschicht
124: Hohlraum
126: Isolationsschicht
128: Intermetalloxidschicht
130: Chippassivierungsschicht
132: Passivierungsschicht
134a–d: Sensorelemente

Claims

Sensor mit folgenden Merkmalen: einem Substrat (100); einem in dem Substrat gebildeten mechanisch verformbaren Bereich (102); und einem ersten magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelement (104a) und einem zweiten magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelement (104b), die jeweils zumindest teilweise in dem mechanisch verformbaren Bereich angeordnet sind, wobei das erste magnetostriktive Mehrschicht-Sensorelement (104a) und das zweite magnetostriktive Mehrschicht-Sensorelement (104b) miteinander verschaltet sind und derart ausgebildet sind, dass bei einem Erzeugen einer mechanischen Verformung des mechanisch verformbaren Bereichs (102) sich der elektrische Widerstand des ersten magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelements (104a) gegenläufig zu dem elektrischen Widerstand des zweiten magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelements (104b) ändert oder der elektrische Widerstand des ersten magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelements (104a) unverändert bleibt, wobei das erste und zweite magnetostriktive Mehrschicht-Sensorelement ein Spin-Valve-Sensorelement ist und eine Magnetisierung der magnetisch harten Schicht des ersten Sensorelements (104a) und des zweiten Sensorelements (104b) eine gleiche Richtung aufweist.
Sensor gemäß Anspruch 1, bei dem eine Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht des ersten Sensorelements (104a) und des zweiten Sensorelements (104b) ohne eine mechanische Verformung des mechanisch verformbaren Bereichs in die gleiche Richtung weist.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht ohne mechanische Verformung des mechanisch verformbaren Bereichs und eine Dehnungsrichtung, die sich jeweils bei einer an dem mechanisch verformbaren Bereich anliegenden Kraft am Ort des ersten und des zweiten Sensorelements (104a) ergeben würde, für das erste und zweite Sensorelement jeweils einen Winkel von 45°, 90° oder 135° aufweisen.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein Winkel zwischen der Magnetisierung (108) der magnetisch weichen Schicht des ersten Sensorelements (104a) ohne eine mechanische Verformung des mechanisch verformbaren Bereichs (102) und einer Dehnungsrichtung, die sich am Ort des ersten Sensorelements (104a) bei einer an dem mechanisch verformbaren Bereich anliegenden Kraft ergeben würde, einen Wert von 0° oder 180° aufweist.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem, ohne mechanische Verformung des mechanisch verformbaren Bereichs, die Magnetisierung (106) der magnetisch harten Schicht und die Magnetisierung (108) der magnetisch weichen Schicht jeweils des ersten Sensorelements (104a) und des zweiten Sensorelements (104b) so eingestellt sind, das sie einen Winkel von 45°, 90° oder 135° aufweisen.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Magnetisierung der magnetisch harten Schicht und eine Dehnungsrichtung, die sich bei einer an dem mechanisch verformbaren Bereich anliegenden Kraft am Ort des ersten und des zweiten Sensorelements (104a) ergeben würde, jeweils für das erste und zweite Sensorelement einen Winkel von 0°, 45°, 90°, 135° oder 180° aufweisen.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das erste Sensorelement (104a) und das zweite Sensorelement (104b) einen positiven Magnetostriktionskoeffizienten aufweisen.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das erste Sensorelement (104a) und das zweite Sensorelement (104b) einen negativen Magnetostriktionskoeffizienten aufweisen.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der mechanisch verformbare Bereich (102) einen Symmetriepunkt aufweist, wobei das erste Sensorelement (104a) und das zweite Sensorelement (104b) einen gleichen Abstand von dem Symmetriepunkt aufweisen.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der mechanisch verformbare Bereich (102) eckig oder rund ausgebildet ist, wobei das erste Sensorelement (104a) entlang eines ersten Abschnitts des mechanisch verformbaren Bereichs (102) angeordnet ist und das zweite Sensorelement (104b) entlang eines zu dem ersten Abschnitt benachbarten Abschnitts des mechanisch verformbaren Bereichs (102) angeordnet ist.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das erste Sensorelement (104a) und das zweite Sensorelement (104b) Sensorelemente eines Zweigs einer Brückenschaltung sind.
Sensor gemäß Anspruch 11, bei dem ein drittes Sensorelement (104c), das dem ersten Sensorelement (104a) entspricht, und ein viertes Sensorelement (104d), das dem zweiten Sensorelement (104b) entspricht, in einem weiteren Zweig der Brücke miteinander verschaltet sind.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, bei dem sich die Widerstände der Sensorelemente innerhalb eines Brückenzweiges unter mechanischer Spannung unterschiedlich ändern.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem ein weiteres Sensorelement (134a–d) an einem Ort in dem mechanisch verformbaren Bereich angeordnet ist, der bei einer an dem mechanisch verformbaren Bereich anliegenden Kraft eine Verformung aufweist, die sich von einer Verformung an dem Ort des ersten Sensorelements (104a) oder des zweiten Sensorelements (104b) unterscheidet.
Sensor gemäß Anspruch 14, bei dem der mechanisch verformbare Bereich (102) einen Symmetriepunkt aufweist, wobei das weitere Sensorelement (134a–d) einen ersten Abstand zu dem Symmetriepunkt aufweist, während das erste und zweite Sensorelement jeweils einen Abstand zu dem Symmetriepunkt aufweisen, der sich von dem ersten Abstand unterscheidet.
Sensor gemäß Anspruch 14 oder 15, bei dem eine Mehrzahl von weiteren Sensorelementen in dem mechanisch verformbaren Bereich (102) angeordnet ist, wobei die Mehrzahl von weiteren Sensorelementen (134a–d) an Orten angeordnet sind, die bei einer Druckbeaufschlagung des mechanisch verformbaren Bereichs (102) eine Verformung aufweisen, die sich von einer Verformung an dem Ort des ersten Sensorelements (104a) und des zweiten Sensorelements (104b) unterscheiden.
Sensor gemäß Anspruch 16, bei dem die Mehrzahl von weiteren Sensorelementen (134a–d) zu einer Brücke verschaltet sind.
Verfahren zum Herstellen eines Sensors mit folgenden Schritten: Erzeugen eines mechanisch verformbaren Bereichs (102) in einem Substrat (100); Erzeugen eines ersten magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelements (104a) und eines zweiten magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelements (104b) jeweils zumindest teilweise in dem mechanisch verformbaren Bereich, wobei dieselben derart ausgebildet sind, dass sich bei einem Erzeugen einer mechanischen Verformung des mechanisch verformbaren Bereichs (102) der elektrische Widerstand des ersten magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelements (104a) gegenläufig zu dem elektrischen Widerstand des zweiten magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelements (104b) ändert oder der elektrische Widerstand des ersten magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelements (104a) unverändert bleibt, wobei das erste und zweite magnetostriktive Mehrschicht-Sensorelement ein Spin-Valve-Sensorelement ist und eine Magnetisierung der magnetisch harten Schicht des ersten Sensorelements (104a) und des zweiten Sensorelements (104b) eine gleiche Richtung aufweist; und Verschalten des ersten magnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelements (104a) und des zweiten mangnetostriktiven Mehrschicht-Sensorelements (104b).
Verfahren gemäß Anspruch 18, bei dem der Schritt des Erzeugens des ersten und zweiten Sensorelements ein Ausrichten der Magnetisierung (106) der magnetisch weichen Schicht des ersten Sensorelements (104a) und des zweiten Sensorelements (104b) in eine gleiche Richtung umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 oder 19, bei dem der Schritt des Erzeugens des ersten und zweiten Sensorelements ein Ausrichten umfaßt, so dass die Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht ohne mechanische Verformung des mechanisch verformbaren Bereichs und eine Dehnungsrichtung, die sich jeweils bei einer an dem mechanisch verformbaren Bereich anliegenden Kraft am Ort des ersten und des zweiten Sensorelements (104a) ergeben würde, für das erste und zweite Sensorelement jeweils einen Winkel von 45°, 90° oder 135° aufweisen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 19, bei dem der Schritt des Erzeugens des ersten und zweiten Sensorelements ein Ausrichten umfaßt, so dass ein Winkel zwischen der Magnetisierung (108) der magnetisch weichen Schicht des ersten Sensorelements (104a) ohne eine mechanische Verformung des mechanisch verformbaren Bereichs (102) und einer Dehnungsrichtung, die sich am Ort des ersten Sensorelements (104a) bei einer an dem mechanisch verformbaren Bereich anliegenden Kraft ergeben würde, einen Wert von 0° oder 180° aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 21, bei dem der Schritt des Erzeugens des ersten und zweiten Sensorelements ein Ausrichten umfaßt, so dass, ohne mechanische Verformung des mechanisch verformbaren Bereichs, die Magnetisierung (106) der magnetisch harten Schicht und die Magnetisierung (108) der magnetisch weichen Schicht jeweils des ersten Sensorelements (104a) und des zweiten Sensorelements (104b) so eingestellt sind, das sie einen Winkel von 45°, 90° oder 135° aufweisen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 21, bei dem die Magnetisierung der magnetisch harten Schicht und eine Dehnungsrichtung, die sich bei einer an dem mechanisch verformbaren Bereich anliegenden Kraft am Ort des ersten und des zweiten Sensorelements (104a) ergeben würde, jeweils für das erste und zweite Sensorelement einen Winkel von 0°, 45°, 90°, 135° oder 180° aufweisen.