DE102016112008A1

DE102016112008A1 - Magnetsensorbauelement und magneterfassungsverfahren

Info

Publication number: DE102016112008A1
Application number: DE102016112008.1A
Authority: DE
Inventors: Dieter Suess; Hubert Brückl; Klemens Pruegl; Armin Satz; Wolfgang Raberg
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2016-06-30
Publication date: 2018-01-04
Also published as: CN107561460A; US20180003776A1; CN107561460B; US10571527B2

Abstract

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Magnetsensorbauelement (300) umfassend zumindest eine magnetoresistive Struktur (310). Die magnetoresistive Struktur umfasst eine magnetische freie Schicht (316), die ausgebildet ist, um ein Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss in der magnetischen freien Schicht zu erzeugen, und eine magnetische Referenzschicht (314) mit einem Referenzmagnetisierungsmuster mit nicht geschlossenem Fluss; und einen Magnetflusskonzentrator (320), der ausgebildet ist, um eine Flussdichte eines externen Magnetfeldes (330) in der magnetischen freien Schicht (316) zu erhöhen.

Description

Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Magnetsensorbauelemente und Verfahren und insbesondere auf Magnetsensorbauelemente und Verfahren, die magnetoresistive Strukturen verwenden.
Hintergrund
Magnetoresistive Effekte umfassen eine Anzahl von unterschiedlichen physischen Phänomenen, wobei alle derselben gemeinsam haben, dass ein elektrischer Widerstandswert eines resistiven Elements durch das Verhalten eines Magnetfeldes änderbar ist, das in das resistive Element eindringt. Techniken, die magnetoresistive Effekte verwenden, werden manchmal als „xMR-Techniken“ bezeichnet, wobei das „x“ anzeigt, dass hier eine Mehrzahl von Effekten adressiert werden kann, wie zum Beispiel der GMR-Effekt (Giant Magnetoresistive effect; Riesenmagnetowiderstandseffekt), der TMR-Effekt (Tunnel Magnetoresistive effect; Tunnelmagnetowiderstandseffekt), oder der AMR-Effekt (Anisotropic Magnetoresistive effect; anisotrope magnetoresistive Effekt), um nur einige Beispiele zu erwähnen. xMR-Effekte können bei einer Vielzahl von feldbasierten Sensoren angewendet werden, zum Beispiel zum Messen von Umdrehung, Winkel, etc. Bei einigen Anwendungen, insbesondere bei sicherheitsrelevanten Anwendungen, ist es erforderlich, dass diese Sensoren zuverlässig und auf hohem Genauigkeitsniveau arbeiten.
Ein Sensor kann bei einigen Anwendungen Störungen in der Form von unbekannten oder unberechenbaren Magnetfeldern unterliegen. Diese Störungen können einen Zustand oder einen Anfangswert des Sensors beliebig ändern. Da das Hystereseverhalten des Sensors zu einem wesentlichen Unterschied führen kann, egal ob man sich einem gemessenen Wert von einem Anfangswert über oder unter dem gemessenen Wert nähert, kann die Hysterese zu einem Fehler bei den Messergebnissen führen. Ein magnetisches xMR-Sensorkonzept mit einer freien Schicht in einer Vortex-Konfiguration (Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss) kann annähernd Null Hysterese aufweisen. Eine niedrige Hysterese kann anders ausgedrückt bei Vorhandensein eines Vortex-förmigen Magnetisierungszustandes (Magnetfeldes) in der freien Schicht erreicht werden und kann insbesondere bei Anwendungen interessant sein, wie zum Beispiel Radgeschwindigkeitserfassung, Stromerfassung oder linearer Felderfassung. Der Vortex-förmige Magnetisierungszustand ist jedoch möglicherweise nur in einem bestimmen Bereich im Hinblick auf die Feldstärke des angelegten Feldes stabil, das gemessen werden soll.
Es ist somit erwünscht, ein Sensorelement bereitzustellen, das eine verbesserte Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Messergebnissen ermöglicht.
Zusammenfassung
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Magnetsensorbauelement bereitgestellt, das zumindest eine magnetoresisitve (xMR) Struktur umfasst. Die zumindest eine magnetoresistive Struktur umfasst eine magnetische freie Schicht, die ausgebildet ist zum Erzeugen eines Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss (z.B. Vortex-förmiger Magnetisierungszustand) in der freien Schicht. Ferner umfasst die magnetoresistive Struktur eine Referenzmagnetschicht mit einem Referenzmagnetisierungsmuster mit nicht geschlossenem Fluss. Das Magnetsensorbauelement umfasst ferner einen Magnetflusskonzentrator, der ausgebildet ist, um eine Flussdichte eines externen Magnetfeldes in der magnetischen freien Schicht zu erhöhen.
Die xMR-Struktur kann zum Beispiel durch abwechselnde magnetische und nicht-magnetische Schichten gebildet sein. Die Ausdrücke „magnetisch“ und „nicht-magnetisch“ können in diesem Kontext als „ferromagnetisch“ und „nicht-ferromagnetisch“ verstanden werden. Eine „nicht-magnetische“ Schicht kann somit paramagnetische, diamagnetische oder antiferromagnetische Eigenschaften aufweisen. Eine Schicht kann sich im Wesentlichen in zwei Richtungen x und y eines Kartesischen Koordinatensystems mit drei paarweise senkrechten Richtungen x, y und z erstrecken. Anders ausgedrückt kann eine Erstreckung der Schicht in eine dritte Richtung z vergleichsweise klein im Vergleich zu deren Erstreckung in der ersten und zweiten Richtung x und y sein.
Das Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss kann in der Folge auch als ein Vortex-Zustand bezeichnet werden. Ein spontan erzeugter Vortex-Zustand kann zum Beispiel in der freien Schicht direkt nach ihrer Herstellung gebildet werden, oder wenn kein externes Feld angelegt ist. Das Referenzmagnetisierungsmuster mit nicht geschlossenem Fluss kann andererseits einem homogenen, geraden oder linearen Magnetisierungsfeld mit null Rotation und null Divergenz entsprechen.
Bei einigen Beispielen ist die magnetische freie Schicht der xMR-Struktur von zentralsymmetrischer Form. Diese Form kann anders ausgedrückt aus einer Drehung um einen vorbestimmten Winkel um eine Mittelachse parallel zu der z-Achse resultieren und z.B. gleichwinklige, gleichseitige oder regelmäßige Polygone (Dreieck, Quadrat, Hexagon, etc.) oder Ellipsen umfassen. Eine spontane Vortex-Bildung kann somit ermöglicht werden. Die Form der freien Schicht kann unter anderen Faktoren eine Originalbreite des Vortex-Bildungsbereichs für das externe Feld bestimmen, wenn kein Vorspannungsfeld angelegt ist.
Bei einigen Beispielen ist die magnetische freie Schicht der xMR-Struktur von rotationssymmetrischer Form. Anders ausgedrückt kann die freie Schicht eine Scheibenform aufweisen. Eine spontane Vortex-Bildung kann sogar noch weiter erleichtert werden, wenn eine Scheibenform verwendet wird.
Bei einigen Beispielen liegt ein Verhältnis zwischen einer Dicke und einem Durchmesser der magnetisch freien Schicht in einem Bereich von 1/500 bis 1/5. Die Dicke kann entlang einer z-Richtung gemessen werden und ein Durchmesser in einer x-y-Ebene. Wenn die freie Schicht eine nicht kreisförmige Form aufweist, kann der Durchmesser z.B. einer Haupt- oder einer Neben-Achse einer Ellipse entsprechen oder einem Durchmesser eines Inkreises oder Umkreises eines Polygons. Das Verhältnis zwischen Dicke und Durchmesser der freien Schicht kann einen weiteren Faktor bereitstellen, der eine Originalbreite des Vortex-Bildungsbereichs für das externe Feld bestimmen kann. Durch Auswählen eines Werts innerhalb des oben erwähnten Bereichs kann eine Vortex-Bildung wesentlich verringert werden.
Bei einigen Beispielen weist die freie Schicht eine Dicke auf, die eine Dicke der Referenzschicht um zumindest einen Faktor drei überschreitet. Dies kann helfen, den Austausch-Vorspannungseffekt in der freien Schicht im Vergleich zu der Referenzschicht niedrig zu halten, und eine Empfindlichkeit des Sensors kann erhöht werden.
Bei einigen Beispielen ist der Magnetflusskonzentrator in derselben Schicht oder in einer unterschiedlichen Schicht (darüber oder darunter) zu der magnetischen freien Schicht implementiert. Die Nähe zwischen dem Magnetflusskonzentrator und der magnetischen freien Schicht erlaubt eine effiziente Erhöhung der Flussdichte des externen Magnetfeldes in der magnetischen freien Schicht.
Bei einigen Beispielen ist der Magnetflusskonzentrator ausgebildet, um die Magnetflussdichte des externen Magnetfeldes parallel zu einer geraden Linie zu erhöhen. Anders ausgedrückt erstrecken sich zumindest Abschnitte des Magnetflusskonzentrators linear.
Bei einigen Beispielen ist der Magnetflusskonzentrator ausgebildet, um die Magnetflussdichte parallel zu dem Referenzmagnetisierungsmuster der magnetischen Referenzschicht zu erhöhen. Anders ausgedrückt erstrecken sich zumindest Abschnitte des Magnetflusskonzentrators linear und parallel zu dem Referenzmagnetisierungsmuster der magnetischen Referenzschicht.
Bei einigen Beispielen ist der Magnetflusskonzentrator ausgebildet, um ein externes Magnetfeld senkrecht zu dem Referenzmagnetisierungsmuster in ein Magnetfeld parallel zu dem Referenzmagnetisierungsmuster der magnetischen Referenzschicht zu transformieren.
Bei einigen Beispielen ist der Magnetflusskonzentrator ausgebildet, um ein magnetisches Streufeld in der magnetischen freien Schicht zu verursachen. Dies kann durch adäquate Geometrie oder Form des Magnetflusskonzentrators ausgeführt werden.
Bei einigen Beispielen umfasst der Magnetflusskonzentrator zumindest zwei Abschnitte, die durch einen Zwischenraum getrennt sind. Die magnetische freie Schicht kann in der Nähe zu diesem Zwischenraum positioniert sein, zum Beispiel in, über oder unter dem Zwischenraum des Magnetflusskonzentrators.
Bei einigen Beispielen umfasst der Magnetflusskonzentrator ein Paar aus gegenüberliegenden Vorsprüngen, die durch den Zwischenraum getrennt sind. Die Vorsprünge können sich jeweils linear entlang einer geraden Linie erstrecken.
Bei einigen Beispielen erstrecken sich die Vorsprünge parallel zu dem (linearen) Referenzmagnetisierungsmuster der magnetischen Referenzschicht.
Bei einigen Beispielen ist der Magnetflusskonzentrator ausgebildet, um magnetisch zu sättigen, wenn eine Stärke des externen Magnetfeldes einen Schwellenwert kleiner als eine Annihilationsfeldstärke des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss überschreitet. Anders ausgedrückt ist der Magnetflusskonzentrator ausgebildet, um magnetisch zu sättigen, bevor der Vortex zerstört ist.
Bei einigen Beispielen weist der Magnetflusskonzentrator weichmagnetisches Material auf.
Bei einigen Beispielen könnten ein oder mehrere weichmagnetische Via-Strukturen, zum Beispiel dedizierte Through-Silicon Via(s) (TSV; Durch-Silizium-Vias) als Magnetflusskonzentrator verwendet werden.
Bei einigen Beispielen ist die xMR-Struktur eine GMR- oder TMR-Struktur, wobei jede derselben in einer Strom-in-Ebene-(Current-In-Plane; CIP) oder Strom-senkrecht-zu-Ebene-(Current-Perpendicular-to-Plane; CPP)-Konfiguration betrieben werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Magnetsensorbauelement bereitgestellt, das einen Magnetflusskonzentrator und eine Mehrzahl von xMR-Sensorelementen aufweist, die für magnetische Interaktion in der Nähe des Magnetflusskonzentrators angeordnet sind. Jedes xMR-Sensorelement umfasst eine entsprechende magnetische freie Schicht, die ausgebildet ist, um ein Vortex-Magnetisierungsmuster in der entsprechenden magnetischen freien Schicht zu erzeugen.
Bei einigen Beispielen sind die Mehrzahl der xMR-Sensorelemente in der Nähe eines Materialzwischenraums des Magnetflusskonzentrators angeordnet.
Bei einigen Beispielen sind die entsprechenden magnetischen freien Schichten der Mehrzahl von magnetoresistiven Sensorelementen in, unter oder über dem Materialzwischenraum des Magnetflusskonzentrators positioniert.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Magneterfassungsverfahren bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Erhöhen einer Magnetflussdichte eines externen Magnetfeldes in einer magnetischen freien Schicht von zumindest einer magnetoresistiven Struktur, die magnetische freie Schicht umfassend ein Vortex-Magnetisierungsmuster, durch Anordnen der magnetischen freien Schicht in der Nähe eines Magnetflusskonzentrators.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Einige Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren werden nachfolgend nur beispielhaft und Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren beschrieben, in denen
1 ein Beispiel in einer auseinandergezogenen Ansicht einer TMR-BSV-Struktur (BSV = Bottom Spin Valve; unteres Spin-Ventil) mit einer freien Schicht in einem magnetischen Vortex-Zustand zeigt;
2 eine systematische Hystereseschleife eines einzelnen, scheibenförmigen Freischichtelements zeigt, die ein Vortex-charakterisierendes Nukleationsfeld und Annihilationsfeld zeigt;
3 ein weiteres Magnetsensorbauelement gemäß einem Beispiel zeigt;
4 ein Magnetsensorbauelement gemäß einem anderen Beispiel zeigt;
5a–c unterschiedliche beispielhafte Formen von Magnetflusskonzentratoren zeigen;
6 eine Draufsicht eines beispielhaften Magnetflusskonzentrators zeigt;
7a–c eine Mehrzahl von xMR-Vortexsensorelementen darstellen, die jeweils in einem Zwischenraum eines Magnetflusskonzentrators angeordnet sind;
8 ein erzeugtes Feld aus dem Flusskonzentrator (links) und ein gesamtes Feld (rechts) zeigt, das die Summe des erzeugten Feldes aus dem Flusskonzentrator und dem externen Feld ist;
9 einen Vergleich einer Vortex-Übertragungskurve mit und ohne Flusskonzentrator (links) und eine detaillierte Ansicht der verstärkten Region (rechts) zeigt;
10 das Feld [T] darstellt, erzeugt durch den Flusskonzentrator für unterschiedliche Schichtdicken des Flusskonzentrators;
11 ein erstes Beispiel eines Flusskonzentrators in Verbindung mit einem Vortex-Sensor darstellt, wobei der Flusskonzentrator ausgebildet ist, um ein externes Magnetfeld senkrecht zu einem Referenzmagnetisierungsmuster in ein Magnetfeld parallel zu dem Referenzmagnetisierungsmuster einer magnetischen Referenzschicht zu transformieren; und
12 ein zweites Beispiel eines Flusskonzentrators in Verbindung mit einem Vortex-Sensor darstellt, wobei der Flusskonzentrator ausgebildet ist, um ein externes Magnetfeld senkrecht zu einem Referenzmagnetisierungsmuster in ein Magnetfeld parallel zu dem Referenzmagnetisierungsmuster einer magnetischen Referenzschicht zu transformieren.
Detaillierte Beschreibung
Verschiedene Beispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Beispiele dargestellt sind. In den Figuren kann die Dicke der Linien, Schichten und/oder Regionen der Klarheit halber übertrieben sein.
Während sich dementsprechend weitere Beispiele für verschiedene Modifikationen und alternative Formen eignen, werden einige Beispiele derselben in den Figuren beispielhaft gezeigt und hier ausführlich beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass es nicht beabsichtigt ist, Beispiele auf die offenbarten bestimmten Formen zu begrenzen. Weitere Beispiele können alle in den Rahmen der Offenbarung fallenden Modifikationen, Entsprechungen und Alternativen abdecken sollen. In der gesamten Beschreibung der Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Elemente, die identisch oder in modifizierter Form im Vergleich zueinander implementiert sein können, während sie dieselbe oder eine ähnliche Funktionalität bereitstellen.
Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, die Elemente direkt verbunden oder gekoppelt sein können oder über ein oder mehrere Zwischenelemente. Wenn im Gegensatz ein Element als „direkt“ mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Sonstige zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen benutzte Ausdrücke sollten auf gleichartige Weise ausgelegt werden (z. B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ gegenüber „direkt benachbart“ um nur einige Beispiele zu nennen).
Die hierin verwendete Terminologie bezweckt das Beschreiben bestimmter Beispiele und soll nicht begrenzend für weitere Beispiele sein. Immer, wenn eine Singularforme wie „ein, eine“ und „das, der, die“ verwendet wird, und die Verwendung von nur einem Element weder explizit noch implizit als verpflichtend definiert ist, können weitere Beispiele auch die Pluralformen umfassen, um dieselbe Funktionalität zu implementieren. Auf ähnliche Weise, wenn eine Funktionalität nachfolgend derart beschreiben wird, dass sie unter Verwendung mehrerer Elemente implementiert wird, können weitere Beispiele dieselbe Funktionalität unter Verwendung eines einzelnen Elements oder Verarbeitungsentität implementieren. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „aufweisen“ und/oder „aufweisend“ bei hiesigem Gebrauch das Vorhandensein angegebener Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Bestandteile angeben, aber nicht das Vorhandensein oder die Zufügung eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Bestandteile und/oder Gruppen derselben ausschließen.
Sofern nicht anderweitig definiert werden alle hier benutzten Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) in ihrer üblichen Bedeutung des technischen Gebietes verwendet, zu dem die Beispiele gehören, außer es ist hierin eindeutig anderes angegeben.
1 zeigt ein Beispiel eines Tunnelmagnetowiderstands-TMR-Sensorelements (TMR = tunnel-magnetoresistive) 100, das auch als Spin-Ventil oder Bottom-Spin-Ventil, BSV, bekannt ist. Das TMR-Sensorelement 100 weist einen Schichtstapel 110 aus abwechselnden ferromagnetischen und nicht-ferromagnetischen Schichten auf, die auf einem gemeinsamen Substrat (nicht gezeigt) angeordnet sind. Wenn sie in einem Kartesischen Koordinatensystem mit paarweise senkrechten Koordinatenachsen x, y und z beschrieben werden, erstrecken sich die Schichten jeweils in einer Ebene, die durch die x- und y-Achse aufgespannt wird. Die Ausdehnung einer Schicht in der z-Richtung kann als die Schichtdicke t beschrieben werden.
Von unten nach oben weist das TMR-Sensorelement 100 eine antiferromagnetische Pinning-Schicht 111 und eine ferromagnetische gepinnte (pinned) Schicht 112 auf. Der Kontakt zwischen der Pinning-Schicht 111 und der gepinnten Schicht 112 provoziert einen Effekt, der als Exchange-Bias-Effekt (Austausch-Vorspannungs-Effekt) bekannt ist, der die Magnetisierung der gepinnten Schicht 112 verursacht, um sie in einer bevorzugten Richtung auszurichten. Anders ausgedrückt zeigt die gepinnte Schicht 112 ein lineares magnetisches Flussmuster, das bei dem Beispiel von 1 parallel zu der x-Richtung ist. Das TMR-Sensorelement 100 umfasst ferner eine Kopplungsschicht 113. Die Kopplungsschicht 113 kann diamagnetisch sein und kann z.B. Ruthenium, Iridium, Kupfer oder Kupferlegierungen und ähnliche Materialien aufweisen. Die Kopplungsschicht 113 trennt räumlich die gepinnte Schicht 112 von einer ferromagnetischen Referenzschicht 114. Unter Verwendung dieses Aufbaus kann sich die Magnetisierung der Referenzschicht 114 ausrichten und in einer Richtung antiparallel zu der Magnetisierung der gepinnten Schicht 112 gehalten werden. Das TMR-Sensorelement 100 umfasst ferner eine Tunnelbarriere 115, die die Referenzschicht 114 elektrisch von einer freien ferromagnetischen Schicht 116 isoliert und trennt. Die freie Schicht 116, die Referenzschicht 114 und die gepinnte Schicht 112 können bei einigen Ausführungsbeispielen Eisen, Kobalt oder Nickel aufweisen und bei einigen weiteren Ausführungsbeispielen Legierungen derselben. Legierungen können auch nicht-ferromagnetische Materialien aufweisen, zum Beispiel Kohlenstoff, Bor, Stickstoff und Sauerstoff, wobei ferromagnetische Materialien zumindest zu 50% aus einer Materialzusammensetzung der entsprechenden Schicht bestehen. Zum Beispiel können Schichten Kobalt-Eisen-, CoFe-, CoFeB-, oder Nickel-Eisen-, NiFe-Legierungen aufweisen. Im Gegensatz dazu kann die Pinning-Schicht 111 zum Beispiel Iridium, Mangan, Platin oder Legierungen umfassen, die diese aufweisen.
Während des Betriebs oder wenn sie mit einer elektrischen Schaltung gekoppelt sind, können elektrische Ladungen von einer Seite der Tunnelbarriere 115 zu der anderen in einer vorbestimmten Menge geleitet werden, wenn ein konstantes externes Magnetfeld angelegt ist. Der TMR-Effekt ist ein quantenphysisches Phänomen, das sich selbst in einer Änderung des Ladungsbetrags ausdrückt, der durch die Tunnelbarriere geleitet wird, wenn die Richtung des externen Magnetfeldes geändert wird. Dieser Effekt kann aufgrund von Richtungsänderungen der Magnetisierung der freien Schicht 170 entstehen, die durch das Ändern des externen Magnetfeldes verursacht werden.
Die freie Schicht 116 in 1 weist eine kreisförmige Form auf oder weist anders ausgedrückt eine scheibenartige Struktur auf. Die Scheibe weist einen Durchmesser d auf, der zum Beispiel in einem Bereich von mehreren hundert nm bis 10 µm liegen kann. Die Scheibe weist ferner eine Dicke t in dem Bereich von z.B. 10 nm bis 300 nm auf. Die Dicke kann eine Dicke der Referenzschicht 114 um zumindest einen Faktor von 3 überschreiten. Das Bereitstellen einer Schicht mit einer rotationssymmetrischen Struktur kann zu einer spontanen Bildung eines Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss in der freien Schicht 116 führen. Abhängig von der genauen Form der freien Schicht 116 kann das Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss zum Beispiel zumindest teilweise ein Landau-Muster, ein Umfangsmuster, ein Vortex-Muster oder eine Kombination jeglicher der vorangehend erwähnten Muster aufweisen. Ein Landau-Muster weist eine zumindest teilweise Polygon-artige geschlossene Form auf, während ein Umfangsmuster eine glattere, rundere geschlossene Form aufweisen kann. Ein reines Vortex-Muster kann im Wesentlichen kreisförmig sein. Ein Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss in der Ebene kann jegliche Kombination der vorangehend erwähnten Muster aufweisen. Ferner kann eine geschlossene Magnetisierungslinie eines Magnetisierungsmusters vollständig gemäß einem der vorangehend erwähnten Muster geformt sein, kann aber auch Abschnitte aufweisen, die einem unterschiedlichen Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss folgen. Die unterschiedlichen Typen von Magnetisierungsmustern mit geschlossenem Fluss können auch allgemein als Vortex bezeichnet werden. Der Vortex-Zustand kann, anders ausgedrückt, erhalten werden durch Auswählen der Scheibendicke t in dem Bereich von zum Beispiel 30 nm bis zu 300 nm und des Scheibendurchmessers d zwischen 500 nm und 5 µm. Bei einem schwindenden externen Magnetfeld kann eine Mitte des Vortex im Wesentlichen an einer Mitte der magnetischen freien Schicht 116 angeordnet sein, derart, dass eine Netto-Magnetisierung der entsprechenden magnetischen freien Schicht im Wesentlichen verschwindet.
Der Fachmann auf dem Gebiet mit Kenntnis der vorliegenden Offenbarung wird erkennen, dass Vortex-Spin-Ventil-Strukturen nicht auf den TMR-Effekt beschränkt sind. Andere Beispiele der vorliegenden Offenbarung können unter Verwendung von GMR-Strukturen (GMR = Giant Magneto-Resistive; Riesenmagnetowiderstand) oder basierend auf anderen xMR-Effekten implementiert sein.
Ein magnetisches xMR-Sensorkonzept mit einer freien Schicht in der Vortex-Konfiguration kann eine Hysterese von annähernd Null aufweisen, was insbesondere bei Anwendungen interessant sein kann, wie zum Beispiel der Radgeschwindigkeitserfassung oder Stromerfassung. Voraussetzung für eine geringe Hysterese kann das Vorhandensein des Vortex-Zustands sein. Kritische Parameter, die den Betriebszustand beschreiben, in dem der Vortex-Zustand existiert, sind das Nukleationsfeld H_n, in dem der Vortex nukleiert, und das Annihilationsfeld H_an, wo dieser wieder zerstört wird.
2 zeigt eine systematische Hystereseschleife eines einzelnen, scheibenförmigen Freischichtelements, die ein Vortex-charakterisierendes Nukleationsfeld H_n und Annihilationsfeld H_an zeigt. Gezeigt ist eine normierte Komponente in der Ebene (oder die x-Komponente) der Magnetisierung M_x/M_s gegen das externe Feld, was äquivalent zu dem Sensorsignal einer entsprechenden Spin-Ventilstruktur ist. Dabei können zwei unterschiedliche Arbeitsbereiche unterschieden werden. Arbeitsbereich A oder Vortex-Bildungsbereich 210 ist definiert durch die Nukleationsfelder H_n+ und H_n– und kann unbeeinflusst durch die magnetische Geschichte sein, da eine Vortex-Nukleation immer sichergestellt sein kann. Arbeitsbereich B oder Vortex-Annihilationsbereich 220 ist definiert durch die Annihilationsfelder H_an+ und H_an–, und solange er nicht überschritten wird (zum Beispiel durch eine Störung in der Form eines Magnetfeldpulses) kann der Vortex-Zustand bewahrt werden. Anders ausgedrückt kann die Komponente in der Ebene der Magnetisierung m_x/M_s entlang der Kurve 230 verschoben werden durch Ändern des externen Magnetfeldes. Nach einem Ereignis außerhalb des Vortex-Annihilationsbereichs 220 jedoch kann ein „Zurücksetzen“ notwendig sein, um die Vortex-Struktur neu zu bilden durch Reduzieren der externen Feldstärke auf einen Wert innerhalb des Vortex-Bildungsbereichs 210. Zwischen dem Ereignis und der Vortex-Neubildung kann die Komponente in der Ebene der Magnetisierung m_x/M_s einer Hysteresekurve 240-1, 240-2 folgen.
Wenn das externe Feld das Annihilationsfeld überschreitet wird der Vortex zerstört. Das Reduzieren des Feldes unter dem Nukleationsfeld ist erforderlich, um den Vortex neu zu bilden. Wie aus 2 gefolgert werden kann, kann das Nukleationsfeld nahe Null sein. Wenn sich somit bei einer Anwendung aus verschiedenen Gründen das angelegte Feld nie Null nähert (z.B. wird ein rotierendes Feld mit einer Größe immer größer als (H_n) angelegt), bildet sich der Vortex nicht erneut.
xMR-Vortexsensoren haben mehrere Vorteile gegenüber elliptischen/rechteckigen Elementen, wie z.B. kleine Hysterese, sie können im Wesentlichen Jitter-frei und unempfindlich für transversale Vorspannungsfelder (B_y) sein. Andererseits können xMR-Vortexsensoren eine eher moderate Empfindlichkeit aufweisen. Wohingegen die geringe Empfindlichkeit von Vortexsensoren als Vorteil betrachtet werden kann, da dies inhärent zu einem großen linearen Regime führen kann, wobei verschiedenen Anwendungen eine möglichst hohe Empfindlichkeit benötigen. Im Allgemeinen kann die Empfindlichkeit von Vortexsensoren erhöht werden durch Verringern der Schichtdicke t oder Erhöhen des Durchmessers d der Scheibe 116. Das Verhältnis zwischen der Dicke und dem Durchmesser der magnetischen freien Schicht 116 kann zum Beispiel in einem Bereich von 1/500 bis 1/5 sein. Alternativ kann ein magnetisches Material mit einer niedrigeren Sättigungsmagnetisierung für die Scheibe 116 verwendet werden. Diese Ansätze können jedoch zu einem verringerten Nukleationsfeld H_n führen, was dazu führen kann, dass der Vortex nicht mehr zuverlässig gebildet wird. Auch das Annihilationsfeld H_an kann verringert werden, was dazu führen kann, dass der Vortex zerstört wird und nicht wieder nukleiert wird.
Die Empfindlichkeit von herkömmlichen, elliptischen oder rechteckigen xMR-Elementen kann erhöht werden durch erhöhen der Größe des Elements, zum Beispiel. Dies kann jedoch zu einem erhöhten Bereichs-Jitter aufgrund der chaotischen Bildung von magnetischen Bereichsmustern führen. Alternativ kann die Formanisotropie von elliptischen Elementen durch ein Aspektverhältnis näher an eins reduziert werden. Dieser Ansatz jedoch kann zu einer starken Abhängigkeit der Übertragungskurve als Funktion von Vorspannungsfeldern B_y führen.
Die vorliegende Offenbarung adressiert die vorangehend erwähnten Punkte durch die Verwendung von Magnetflusskonzentratoren (FC; Flux-Concentrators). Dies kann das Erhöhen der Empfindlichkeit von xMR-Vortexsensoren erlauben, ohne das Nukleationsfeld und Annihilationsfeld wesentlich zu reduzieren. Magnetflusskonzentratoren können magnetisch weiche (hohe Permeabilität) Materialien aufweisen, um die Empfindlichkeit der zugeordneten xMR-Vortexsensoren durch Erhöhen des Magnetflusses an der Position der xMR-Vortexsensoren zu verbessern.
3 stellt schematisch ein Magnetsensorbauelement 300 gemäß einem Beispiel dar.
Das Magnetsensorbauelement 300 umfasst zumindest ein xMR-Vortexsensorelement 310 umfassend eine magnetische freie Schicht 316, die ausgebildet oder gebildet ist, um ein (Vortex-)Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss in der freien Schicht 316 und eine magnetische Referenzschicht 314 mit einem Referenzmagnetisierungsmuster mit nicht geschlossenem Fluss, z.B. ein lineares Referenzmagnetisierungsmuster parallel zu der x-Achse, zu bilden. Das Magnetsensorbauelement 300 umfasst ferner einen Magnetflusskonzentrator 320, der ausgebildet ist, um eine Flussdichte eines externen Magnetfeldes 330 in der magnetischen freien Schicht 316 zu erhöhen oder zu verstärken. Der Magnetflusskonzentrator 320 weist eine Dicke (in z-Richtung) von t_FC auf.
Der Fachmann auf dem Gebiet mit Kenntnis der Vorliegenden Offenbarung erkennt, dass das Magnetsensorbauelement 300 verwendet werden kann, um ein magnetisches Erfassungsverfahren auszuführen, das das Erhöhen einer Magnetflussdichte eines externen Magnetfeldes in einer magnetischen freien Schicht von zumindest einem magnetoresistiven Vortexsensor durch Anordnen der magnetischen freien Schicht in der Nähe eines Magnetflusskonzentrators aufweist.
Der Flusskonzentrator 320 kann ein weichmagnetisches (z.B. eisenhaltiges) Material aufweisen, das verwendet wird, um das externe Magnetfeld 330 nahe an oder durch die magnetische freie Schicht 316 zu führen und somit die Empfindlichkeit des xMR-Vortexsensorelements 310 zu erhöhen, das in der Nähe des Flusskonzentrators 320 angeordnet ist. Wenn der Flusskonzentrator 320 in der Nähe des xMR-Vortexsensorelements 310 platziert ist, kann das externe Magnetfeld durch den Flusskonzentrator 320 kanalisieren 330, wodurch die Flussdichte zwischen dem Konzentrator 320 und dem xMR-Vortexsensorelement 310 oder dessen magnetischer freier Schicht 316 erhöht wird. Somit schlägt die vorliegende Offenbarung vor, einen Flusskonzentrator zu verwenden, um das externe Magnetfeld 330 zu verstärken, das durch einen Vorspannungsmagneten oder ein magnetisches Messobjekt (z.B. Zahnrad, Nockenwelle, Kurbelwelle, etc.) selbst erzeugt werden kann, zum Beispiel.
Die Schönheit eines Flusskonzentrators 320 in Verbindung mit einem Vortexsensor 310 ist, dass der Flusskonzentrator (z.B. sein Material und/oder Form) so entworfen sein kann, dass nur Felder 330 kleiner als das Annihilationsfeld H_an wesentlich verstärkt werden, und Felder nahe dem Annihilationsfeld H_an des Vortexsensors 310 den Flusskonzentrator 320 sättigen, was somit zu keiner weiteren Verstärkung des externen Feldes 330 führt. Anders ausgedrückt kann der Magnetflusskonzentrator 320 ausgebildet sein, um magnetisch zu sättigen, wenn eine Stärke des externen Magnetfeldes 330 einen vordefinierten Schwellenwert kleiner als das Annihilationsfeld H_an des Vortexmagnetisierungsmusters überschreitet. Anders ausgedrückt kann der Magnetflusskonzentrator 320 derart ausgebildet sein, dass die (verstärkte) Flussdichte des externen Magnetfeldes in der magnetischen freien Schicht 316 das Annihilationsfeld nie überschreitet. Bei einigen Beispielen könnte der Magnetflusskonzentrator 320 in magnetische Sättigung gehen, wenn das externe Magnetfeld 330 größer wird als 60% oder 80% der Annihilationsfeldes H_an. Dies kann ausgeführt werden durch einsetzen adäquater Materialien und/oder Geometrie für den Flusskonzentrator 320. Der Fachmann auf dem Gebiet mit Kenntnis der vorliegenden Offenbarung wird erkennen, dass das Material und/oder die Geometrie des Flusskonzentrators 320 von der Anwendung des Magnetsensorbauelements 300 abhängt. Folglich werden externe Felder 330 nur in einem Regime verstärkt, in dem Verstärkung vorteilhaft ist. Größere Felder, die den Vortexsensor zerstören würden, werden nur oder nur wenig verstärkt. Somit kann ein zuverlässiger hoch empfindlicher Vortexsensoraufbau entworfen werden.
Verschiedene Optionen für die Implementierung des Magnetflusskonzentrators 320 sind denkbar. Zum Beispiel kann der Magnetflusskonzentrator 320 als ein Modul getrennt von dem xMR-Vortexsensorelement 310 implementiert sein, oder er 320 kann in demselben Modul und/oder auf demselben Substrat (z.B. einem Halbleitersubstrat) als xMR-Vortexsensorelement 310 implementiert sein. Bei dem dargestellten Beispiel von 3 ist der Magnetflusskonzentrator 320 auf der magnetischen freien Schicht 316 des xMR-Vortexsensorelements 310 implementiert. Bei einigen Beispielen können eine oder mehrere Materialschichten (eines Schichtstapels) auf der magnetischen freien Schicht 316 zum Implementieren des Magnetflusskonzentrators 320 verwendet werden. Der Fachmann auf dem Gebiet mit Kenntnis der vorliegenden Offenbarung wird erkennen, dass andere geometrische Beziehungen zwischen Magnetflusskonzentrator 320 und xMR-Vortexsensorelement 310 ebenfalls möglich sind. Zum Beispiel könnte der Magnetflusskonzentrator 320 auch unter oder neben dem xMR-Vortexsensorelement 310 implementiert sein, abhängig von der angestrebten Anwendung. Bei dem dargestellten Beispiel von 4 sind die magnetische freie Schicht 316 und der Magnetflusskonzentrator 320 unter Verwendung derselben Materialschicht des Schichtstapels auf einem gemeinsamen Substrat implementiert. Das bedeutet, magnetische freie Schicht 316 und Magnetflusskonzentrator 320 können sogar in derselben Schicht eines Schichtstapels implementiert sein, der ferromagnetische und nicht ferromagnetische Schichten umfasst.
Die beispielhaften Magnetflusskonzentratoren 320, 320´ aus 3 und 4 umfassen einen ersten und zweiten sich linear erstreckenden Stab- oder Stangen-artigen Abschnitt 322, 324. Flusskonzentratorabschnitte 322, 324 erstrecken sich parallel zu den Schichten des Schichtstapels, die das xMR-Vortexsensorelement 310 bilden, um die Magnetflussdichte des externen Magnetfeldes 330 parallel zu einer geraden Linie zu erhöhen, die sich kollinear zu den Abschnitten 322, 324 erstreckt. Bei den dargestellten Beispielen von 3 und 4 ist der Magnetflusskonzentrator 320 ausgebildet, um die Magnetflussdichte parallel zu dem Referenzmagnetisierungsmuster (in x-Richtung) der magnetischen Referenzschicht 314 zu erhöhen. Die Vorsprung-artigen Abschnitte 322, 324 sind durch einen Zwischenraum 340 getrennt, der ein Luftzwischenraum sein kann. Durch den Zwischenraum 340 kann der Magnetflusskonzentrator 320 ausgebildet sein, um ein magnetisches Streufeld in der scheibenförmigen magnetischen freien Schicht 316 zu verursachen. Während die magnetische freie Schicht 316 außerhalb (hier: unter) des Zwischenraums 340 bei dem Beispiels von 3 positioniert ist, ist die magnetische freie Schicht 316 innerhalb des Zwischenraums 340 bei dem Beispiel von 4 positioniert. Bei beiden Beispielen ist die magnetische freie Schicht 316 empfindlich für x-Komponenten des Streufeldes zwischen den Vorsprüngen 322, 324.
5a–c stellen einige mögliche Formen von Magnetflusskonzentratoren dar. 5a zeigt einen stabförmigen Magnetflusskonzentrator 520 mit einem Paar aus stabförmigen Stangen 522, 524. Jede der Stangen 522, 524 weist eine Breite w und eine Länge l auf. Der Zwischenraum 540, der die Stangen 522, 524 trennt, hat eine Breite g, die in einem Bereich von 10–200 µm bei einigen Beispielen sein kann. 5b zeigt einen T-förmigen Magnetflusskonzentrator 520‘ mit einem gegenüberliegenden Paar aus T-förmigen Abschnitten 522‘, 524‘. Jeder der T-förmigen Abschnitte 522‘, 524‘ weist Entwurfsparameter w1 und w2 auf, wobei w1 die Breite des Stammabschnitts bezeichnet und w2 die Breite des Querstababschnittes bezeichnet. 5c zeigt einen dreieckförmigen Magnetflusskonzentrator 520” mit einem gegenüberliegenden Paar aus dreieckförmigen Abschnitten 522”, 524”. Jeder der Abschnitte 522”, 524” weist einen Entwurfsparameter w1, der die Breite der kleineren Endabschnitte bezeichnet, die dem Zwischenraum zugewandt sind, und w2 auf, der die Breite der breiten Endabschnitte bezeichnet, die weg von dem Zwischenraum gewandt sind.
Ein anderer möglicher Entwurf eines Magnetflusskonzentrators 620 ist in 6 gezeigt. Der Magnetflusskonzentrator 620 ist gewissermaßen ähnlich zu dem T-förmigen Magnetflusskonzentrator 520‘ aus 5b. Bei dem Beispiel von 6 jedoch besteht ein filigraner, kreisförmiger Übergang zwischen den Stammabschnitten 622-1, 624-1 und den zugeordneten Querstababschnitten 622-2, 624-2. Diese Geometrie kann zu einer kontinuierlichen Erhöhung des Magnetflusses in Richtung des Zwischenraums 640 zwischen den Stammabschnitten 622-1, 624-1 führen. Wie vorangehend erwähnt wurde, können ein oder mehrere Vortexsensoren innerhalb, unter oder über dem Zwischenraum 640 platziert sein, der eine Breite von 60 µm bei diesem bestimmten Beispiel aufweist. Natürlich können die Abmessungen des Zwischenraums 640 bei anderen Beispielen unterschiedlich sein.
7 stellt verschiedene beispielhafte Anordnungen von Magnetflusskonzentratoren 720, 720’ und ein 2-dimensionales Array aus xMR-Vortexsensorelementen 710 dar, die in, unter oder über dem Zwischenraum 740 zwischen gegenüberliegenden Abschnitten 722, 724 oder 722’, 724’ der Magnetflusskonzentratoren 720, 720’ angeordnet sind. Bei dem Beispiel von 7a erhöht der Magnetflusskonzentrator 720 die Flussdichte in der x-Richtung. Bei dem Beispiel von 7b erhöht der Magnetflusskonzentrator 720‘ die Flussdichte in der y-Richtung. Bei dem Beispiel von 7c erhöht der Magnetflusskonzentrator die Flussdichte sowohl in der x- als auch y-Richtung.
11 und 12 stellen zwei weitere Beispiele von Flusskonzentratoren in Verbindung mit Vortexsensoren dar. Bei beiden Beispielen ist der entsprechende Flusskonzentrator 1120 oder 1220 ausgebildet, um ein externes Magnetfeld senkrecht zu dem Referenzmagnetisierungsmuster in ein Magnetfeld parallel zu dem Referenzmagnetisierungsmuster der magnetischen Referenzschicht zu transformieren. Bei den dargestellten Beispielen ist das angelegte externe Feld in der z-Richtung, während die Referenzmagnetisierung in der x-Richtung ist.
Bei dem Beispiel von 11 erstreckt sich der stabartige Flusskonzentrator 1120 in der z-Richtung, d.h. parallel zu dem angelegten externen Magnetfeld 1130. Anders ausgedrückt erstreckt sich eine Längsachse des Flusskonzentrators 1120 entlang einer z-Richtung, während die freie Schicht 1116 des Vortexsensors in der x-y-Ebene und somit parallel zu der Referenzmagnetisierung des Vortexsensors angeordnet ist. Die freie Schicht 1116 ist horizontal versetzt zu einem Rand 1126 zwischen einer Seitenfläche und einer Bodenfläche des Flusskonzentrators 1120 angeordnet. Aufgrund der Verschiebung in der x-Richtung penetriert eine x-Komponente eines Streufeldes 1135, das an dem Rand 1126 erzeugt wird, die freie Schicht 1116.
Der stabartige Flusskonzentrator 1220, gezeigt in 12, erstreckt sich geneigt im Hinblick sowohl auf die z-Richtung als auch die x-Richtung. Anders ausgedrückt weist seine Längsachse Komponenten sowohl in der x- als auch z-Richtung auf. Die freie Schicht 1216 ist in der Nähe einer Endfläche des Flusskonzentrators 1220 angeordnet. Der Flusskonzentrator 1220 konzentriert den Magnetfluss des angelegten externen Magnetfeldes 1230 (in der z-Richtung) entlang seiner Längsachse. Somit weist auch der konzentrierte Magnetfluss eine x-Komponente auf, die die freie Schicht 1216 penetriert.
Es wird darauf hingewiesen, dass Flusskonzentratoren 1120 oder 1220 unter Verwendung von einem oder mehreren Vias durch ein Halbleitermaterial implementiert werden könnten.
Das grundlegende Arbeitsprinzip des Flusskonzentrators ist in 8 gezeigt. Bei dem dargestellten Beispiel ist das externe Feld in der x-Richtung angelegt. Aus 8 (links) ist ersichtlich, dass kleine externe Felder im Wesentlichen linear verstärkt werden. Wenn das Feld jedoch ungefähr B_x > 0,01 T überschreitet, beginnt der Flusskonzentrator zu sättigen und das erzeugte (oder verstärkte) Feld tut dies ebenfalls. Somit wird die Verstärkung für Felder B_x > 0.01 T bei dem dargestellten Beispiel drastisch reduziert. Somit ist es möglich, einen Flusskonzentrator zu entwerfen, der nur Felder verstärkt, die kleiner sind als das Annihilationsfeld. Der Feldbreich, der verstärkt wird, kann z.B. gut durch die Dicke des Flusskonzentrators gesteuert werden, wie in 10 gezeigt ist. Das Sättigungsfeld ist für große und dicke Strukturen hauptsächlich eine Funktion des verwendeten Materials. Der tatsächliche Wert kann relativ niedrig sein, z.B. für Permalloy (Ni81Fe19) und höher für z.B. auf CoFe basierende Legierungen. 8 (rechts) zeigt das Gesamtfeld, das die Summe des externen Feldes und des Feldes ist, das durch den Flusskonzentrator erzeugt wird. Auch hier ist ersichtlich, dass die Verstärkung für B_x > 0.01 T abnimmt.
Nachfolgend wird das vorgeschlagene Prinzip auf einen Vortexsensor mit einer Hysterese angewendet, wie in 9 gezeigt ist. Innerhalb des Zwischenraums des Flusskonzentrators ist ein Vortexsensor platziert. Die Originalübertragungskurve des Vortexsensors ist in 9 (links) durch Kurve 910 gezeigt, was ein lineares Regime bis hinauf zu 50 mT anzeigt, das nur zu einer moderaten Empfindlichkeit führt. Die Empfindlichkeit wird ungefähr um einen Faktor 5 durch den Flusskonzentrator verbessert. Die Empfindlichkeit des Flusskonzentrator-Vortexsensors ist ungefähr 10%/mT. Was am wichtigsten ist, der Einfluss des Flusskonzentrators auf das Annihilationsfeld ist klein, wie in 9 (links) gezeigt ist. H_an wird von ungefähr 80 mT auf ungefähr 60 mT reduziert. Somit, obwohl die Empfindlichkeit um einen Faktor 5 verbessert wird, wird das Annihilationsfeld nur um ungefähr 25% reduziert.
Der Fachmann auf dem Gebiet mit Kenntnis der vorliegenden Offenbarung wird erkennen, dass es viele Möglichkeiten gibt, den Flusskonzentrator zu optimieren, wie z.B. die Geometrie und das Material. Ein einfacher Pfad der Optimierung ist in 10 gezeigt. In 10 variiert die Dicke t_FC des Flusskonzentrators aus 6 von t_FC = 1µm zu t_FC = 10 µm. Mit zunehmender Dicke des Flusskonzentrators kann der Verstärkungsfaktor erhöht werden. Ferner nimmt das Sättigungsfeld des Flusskonzentrators mit der Schichtdicke des Flusskonzentrators zu. Dies ermöglicht das Abstimmen und Optimieren des Flusskonzentrators, um die Anforderungen des Vortexsensors zu erfüllen.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung erlauben das Verstärken von Magnetfeldern für Vortexsensoren, wo dies erforderlich ist, und können zu hohe Felder blockieren, um eine Zerstörung des Vortexsensors zu vermeiden. Beispiele der vorliegenden Offenbarung können für Radgeschwindigkeitssensoren, Winkelsensoren und andere Magnetfeldsensoren verwendet werden, wie z.B. für biologische Anwendungen. Im Allgemeinen können Beispiele der vorliegenden Offenbarung für jegliche Anwendung eingesetzt werden, wo eine hohe Empfindlichkeit des Magnetfeldsensors erforderlich ist.
Die Aspekte und Merkmale, die zusammen mit einem oder mehreren der vorangehend detailliert beschriebenen Beispiele und Figuren erwähnt und beschrieben wurden, können ferner mit einem oder mehreren der anderen Beispiele kombiniert werden, um ein ähnliches Merkmal des anderen Beispiels zu ersetzen oder um das Merkmal zusätzlich in das andere Beispiel einzubringen.
Die Beschreibung und Zeichnungen stellen nur die Grundsätze der Offenbarung dar. Es versteht sich daher, dass der Fachmann verschiedene Anordnungen ableiten kann, die, obwohl sie nicht ausdrücklich hier beschrieben oder gezeigt sind, die Grundsätze der Offenbarung verkörpern und in ihrem Sinn und Rahmen enthalten sind. Weiterhin sollen alle hier aufgeführten Beispiele ausdrücklich nur Lehrzwecken dienen, um den Leser beim Verständnis der Grundsätze der Offenbarung und der durch den (die) Erfinder beigetragenen Konzepte zur Weiterentwicklung der Technik zu unterstützen, und sollen als ohne Begrenzung solcher besonders aufgeführten Beispiele und Bedingungen dienend aufgefasst werden. Weiterhin sollen alle hiesigen Aussagen über Grundsätze, Aspekte und Beispiele der Offenbarung wie auch spezifische Beispiele derselben deren Entsprechungen umfassen.
Weiterhin versteht es sich, dass die Offenbarung vielfacher, in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Schritte, Prozesse, Operationen, Abläufe oder Funktionen nicht als in der bestimmten Reihenfolge befindlich ausgelegt werden sollte, außer dies ist explizit oder implizit anderweitig angegeben, z.B. aus technischen Gründen. Durch die Offenbarung von mehreren Schritten oder Funktionen werden diese daher nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt, es sei denn, dass diese Schritte oder Funktionen aus technischen Gründen nicht austauschbar sind. Weiterhin kann in einigen Beispielen ein einzelner Schritt, eine Funktion, ein Prozess oder Ablauf mehrere Teil-Schritte, -Funktionen, -Prozesse, oder -Abläufe einschließen oder in diese aufgebrochen werden. Solche Teilschritte können eingeschlossen sein und Teil der Offenbarung dieses Einzelschritts sein, sofern sie nicht ausdrücklich ausgeschlossen sind.
Weiterhin sind die nachfolgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wo jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann. Wenn jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass – obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine besondere Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann – andere Beispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs einschließen können. Diese Kombinationen werden hier vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Weiterhin sollen auch Merkmale eines Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch gemacht ist.

Claims

Ein Magnetsensorbauelement (300), umfassend: zumindest eine magnetoresistive Struktur (110; 310), umfassend eine magnetische freie Schicht (116; 316), die ausgebildet ist, um ein Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss in der freien Schicht zu erzeugen; und eine magnetische Referenzschicht (314) mit einem Referenzmagnetisierungsmuster mit nicht geschlossenem Fluss; und einen Magnetflusskonzentrator (320), der ausgebildet ist, um eine Flussdichte eines externen Magnetfeldes (330) in der magnetischen freien Schicht (316) zu erhöhen.
Das Magnetsensorbauelement (300) gemäß Anspruch 1, wobei die magnetische freie Schicht (116; 316) von zentralsymmetrischer Form ist.
Das Magnetsensorbauelement (300) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die magnetische freie Schicht (116; 316) von rotationsssymmetrischer Form ist.
Das Magnetsensorbauelement (300) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Verhältnis zwischen einer Dicke und einem Durchmesser der magnetischen freien Schicht in einem Bereich von 1/500 bis 1/5 liegt.
Das Magnetsensorbauelement (300) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die magnetische freie Schicht (116; 316) eine Dicke aufweist, die eine Dicke der Referenzschicht um zumindest einen Faktor von 3 überschreitet.
Das Magnetsensorbauelement (300) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Magnetflusskonzentrator (320) in derselben Schicht oder in einer unterschiedlichen Schicht zu der magnetischen freien Schicht (116; 316) implementiert ist.
Das Magnetsensorbauelement (300) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Magnetflusskonzentrator (320) ausgebildet ist, um die Magnetflussdichte des externen Magnetfeldes (330) parallel zu einer geraden Linie zu erhöhen.
Das Magnetsensorbauelement (300) gemäß Anspruch 7, wobei der Magnetflusskonzentrator (320) ausgebildet ist, um die Magnetflussdichte parallel zu dem Referenzmagnetisierungsmuster der magnetischen Referenzschicht (314) zu erhöhen.
Das Magnetsensorbauelement (300) gemäß Anspruch 7, wobei der Magnetflusskonzentrator (320) ausgebildet ist, um ein Magnetfeld senkrecht zu dem Referenzmagnetisierungsmuster der magnetischen Referenzschicht (314) in ein Magnetfeld parallel zu dem Referenzmagnetisierungsmuster zu transformieren.
Das Magnetsensorbauelement (300) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Magnetflusskonzentrator (320) ausgebildet ist, um ein magnetisches Streufeld in der magnetischen freien Schicht (316) zu verursachen.
Das Magnetsensorbauelement (300) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Magnetflusskonzentrator (320) einen Zwischenraum (340) aufweist und wobei die magnetische freie Schicht (316) in, unter oder über dem Zwischenraum des Magnetflusskonzentrators positioniert ist.
Das Magnetsensorbauelement (300) gemäß Anspruch 11, wobei der Magnetflusskonzentrator (320) ein Paar aus gegenüberliegenden Vorsprüngen (322; 324) aufweist, die durch den Zwischenraum (340) getrennt sind.
Das Magnetsensorbauelement (300) gemäß Anspruch 12, wobei die Vorsprünge (322; 324) sich parallel zu dem Referenzmagnetisierungsmuster der magnetischen Referenzschicht (314) erstrecken.
Das Magnetsensorbauelement (300) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Magnetflusskonzentrator (320) ausgebildet ist, um magnetisch zu sättigen, wenn eine Stärke des externen Magnetfeldes (330) einen Schwellenwert kleiner als ein Annihilationsfeld des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss überschreitet.
Das Magnetsensorbauelement (300) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Magnetflusskonzentrator (320) weichmagnetisches Material aufweist.
Das Magnetsensorbauelement (300) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die magnetoresistive Struktur (310) eine GMR- oder TMR-Struktur ist.
Ein Magnetsensorbauelement (700), umfassend: einen Magnetflusskonzentrator (720); und eine Mehrzahl von magnetoresistiven Sensorelementen (710), die in der Nähe des Magnetflusskonzentrators angeordnet sind, wobei jedes magnetoresistive Sensorelement eine jeweilige magnetische freie Schicht aufweist, die ausgebildet ist, um ein Vortex-Magnetisierungsmuster in der jeweiligen magnetischen freien Schicht zu erzeugen.
Das Magnetsensorbauelement (700) gemäß Anspruch 17, wobei die Mehrzahl von magnetoresistiven Sensorelementen (710) in der Nähe eines Materialzwischenraumes (740) des Magnetflusskonzentrators (720) angeordnet ist.
Das Magnetsensorbauelement (700) gemäß Anspruch 18, wobei die entsprechenden magnetischen freien Schichten der Mehrzahl von magnetoresistiven Sensorelementen (710) in, auf oder unter dem Materialzwischenraum (740) des Magnetflusskonzentrators (720) angeordnet sind.
Ein Magneterfassungsverfahren, umfassend: Erhöhen einer Magnetflussdichte eines externen Magnetfeldes (330) in einer magnetischen freien Schicht (316) von zumindest einer magnetoresistiven Struktur (310), die magnetische freie Schicht (316) umfassend ein Vortex-Magnetisierungsmuster, durch Anordnen der magnetischen freien Schicht (316) in der Nähe eines Magnetflusskonzentrators (320).