DE2701296C2 - Thin-film magnetic field sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Dünnschicht-Magnetfeld-Sensor, bei dem eine in Vorzugsrichtung magnetisierte dünne Schicht von einer magnetisch in ihrer Induktivität veränderbaren HF-Meßspule umgeben, und ein äußeres Magnetfeld und die Spulenachse parallel zu einer der Vorzugsrichtungen ausgerichtet sind.The invention relates to a thin-film magnetic field sensor, in which a thin layer magnetized in the preferred direction of a magnetically in its Surrounding inductance changeable RF measuring coil, and an external magnetic field and the coil axis parallel to it are aligned with one of the preferred directions.

Aus der US-PS 34 43 213 ist ein Dünnschicht-Magnetfeld-Sensor bekannt, bei dem die Meßspulenachse parallel zur Richtung der schweren Achse liegt, und ein magnetisches Vorspannfeld in Richtung der leichten Achse liegt, in dessen Richtung auch die auszumessenden Felder liegen. Die dünne, aus einer Ni-Fe-Verbindung bestehende Magnetschicht wird durch Niederschlag auf einem Glassubstrat hergestellt und während des Herstellungsvorgangs mit einem hohen, homogenen magnetischen Gleichfeld, welches in der Substratebene angelegt wird, beaufschlagt. Die Richtung dieses Feldes bestimmt die sogenannte leichte Achse, während die senkrecht dazu liegende Achse als die schwere Achse bezeichnet wird, denn die Schichten weisen eine Vorzugsrichlung der Magnetisierung in Richtung der leichten Achse auf (einachsige Anisotropie).From US-PS 34 43 213 a thin-film magnetic field sensor is known in which the measuring coil axis parallel to the direction of the heavy axis, and a bias magnetic field in the direction of the easy axis Axis lies in the direction of which the fields to be measured also lie. The thin one, made from a Ni-Fe compound existing magnetic layer is produced by deposition on a glass substrate and during of the manufacturing process with a high, homogeneous constant magnetic field, which is in the substrate plane is applied. The direction of this field determines the so-called easy axis, while the axis perpendicular to it is referred to as the heavy axis, because the layers have a Preferential direction of magnetization in the direction of the easy axis (uniaxial anisotropy).

In der DE-PS 26 05 414 ist ein Magnetfeld-Sensor vorgeschlagen worden, bei dem eine in Vorzugsrichtung magnetisierte dünne Schicht von einer magnetischen in ihrer Induktivität veränderbaren HF-Meßspule umgeben und ein äußeres Magnetfeld und die Spulenachse parallel zu einer der Vorzugsrichtungen ausgerichtet sind, wobei ein mgnetisches Vorspannfeld im wesentlichen in Richtung der schweren Achse der Magnetschicht in Größenordnung der Anisotropiefeldstärke angelegt und die Spulenachse parallel zur leichten Achse der Schicht ausgerichtet sind, so daß Änderungen nur der in Richtung der leichten Achse liegendenIn DE-PS 26 05 414 a magnetic field sensor has been proposed in which one in the preferred direction magnetized thin layer surrounded by a magnetic RF measuring coil with variable inductance and an external magnetic field and the coil axis aligned parallel to one of the preferred directions are, with a magnetic bias field essentially in the direction of the heavy axis of the magnetic layer in the order of magnitude of the anisotropy field strength applied and the coil axis aligned parallel to the easy axis of the layer, so that changes only that lying in the direction of the easy axis

ίο Komponenten des auszumessenden Magnetfeldes die Induktivität der Meßspule ändern.ίο Components of the magnetic field to be measured Change the inductance of the measuring coil.

Die Sensoren bestehen aus einer oder mehreren auf ein Substrat aufgebrachten dünnen ferromagnetischen Schicht, wobei diese Schicht von einer »externen« Spule umgeben istThe sensors consist of one or more thin ferromagnetic sensors attached to a substrate Layer, this layer being surrounded by an "external" coil

Die räumlich getrennte Anordnung von Schicht und Spule macht den Aufnehmer empfindlich gegen von außen einwirkende Beschleunigungen (Kräfte) und führt wegen der im Verhältnis zur Magnetschicht großen Substratdicke zu einer hohen Luftinduktivität, welche die Empfindlichkeit des Sensors herabsetzt Ferner ist der Herstellungsprozeß des Sensors aufwendig und teuer.The spatially separated arrangement of layer and coil makes the transducer sensitive to from external accelerations (forces) and leads because of the large in relation to the magnetic layer Substrate thickness leads to a high air inductance, which also reduces the sensitivity of the sensor the manufacturing process of the sensor is complex and expensive.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei Vermeidung dieser Nachteile, einen Dünnschicht-Magnetfeld-Sensor als integriertes Bauelement auszubilden.The object of the invention is, while avoiding these disadvantages, a thin-film magnetic field sensor as to train integrated component.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß der Sensor aus einer auf einem Substrat aufgebrachten Folge geometrisch strukturierter Schichten besteht, welche eine flache Spule bilden, deren isolierende Schichten eine Magnetschicht einbetten.This object is achieved in that the sensor consists of a sequence applied to a substrate geometrically structured layers, which form a flat coil, the insulating layers of which embed a magnetic layer.

Bei einem Sensor nach F i g. 1 wird auf einem Substrat (S) zunächst eine Leiterbahnschicht (Lt), vorzugsweise aus Kupfer, von einigen μΐη Dicke aufgebracht. Es kann erforderlich sein, die Kupferschicht (Cu) mit Hilfe einer sogenannten Haftschicht Wi (z. B. NiCr oder Ti von 0,1 μπι Dicke) auf dem Substrat zu befestigen. Die Cu-Schicht wird mit Hilfe eines photolithographischen Prozesses strukturiert, so daß eine Reihe paralleler schmaler Streifen erhalten werden (F i g. 2).In the case of a sensor according to FIG. 1, a conductor track layer (Lt), preferably made of copper, with a thickness of a few μm is first applied to a substrate (S). It may be necessary to attach the copper layer (Cu) with the help of a so-called adhesive layer Wi (z. B. NiCr or Ti 0.1 μm thick) on the substrate. The Cu layer is structured with the aid of a photolithographic process, so that a series of parallel narrow strips are obtained (FIG. 2).

Auf diese Struktur wird, unter Umständen unter Zwischenschaltung wiederum einer Haftschicht H\, eine dielektrische Schicht D\ (z. B. S1O2 oder ein organisches Polymer) in einer Dicke von einigen μηι aufgebracht. Da die Enden der Cu-Schicht nicht vom Dielektrikum bedeckt sein dürfen, empfiehlt es sich, das Aufbringen der dielektrischen Schicht D\ durch eine Maske hindurch vorzunehmen. Es kann auch ein photolithographischer Prozeß mit nachfolgender Ätzung angewandt werden, um die dielektrische Schicht D\ in die geeignete Struktur zu bringen.A dielectric layer D (e.g. S1O2 or an organic polymer) with a thickness of a few μm is applied to this structure, possibly with the interposition of an adhesive layer H \. Since the ends of the Cu layer must not be covered by the dielectric, it is advisable to apply the dielectric layer D \ through a mask. A photolithographic process with subsequent etching can also be used in order to bring the dielectric layer D \ into the appropriate structure.

Auf die Dielektrikumschicht D\ wird die magnetische Schicht Mim Dickenbereich 0,1 μπι bis einige μπι durch ein geeignetes Verfahren, vorzugsweise durch Kathodenzerstäubung, aufgebracht. Die Aufbringung erfolgt zweckmäßig durch eine Maske hindurch, welche die geeignete Struktur auf dem Substrat ergibt. Als Magnetmaterial kommt vorzugsweise NiFe (81 :19) oder MoNiFe (4 : 79 : 17) zur Anwendung.The magnetic layer M in the thickness range 0.1 μm to a few μm is applied to the dielectric layer D \ by a suitable method, preferably by cathode sputtering. The application is expediently carried out through a mask which produces the suitable structure on the substrate. The preferred magnet material is NiFe (81: 19) or MoNiFe (4: 79: 17).

fco Statt einer einzigen Magnetschicht kann vorzugsweise ein sogenanntes Sandwich, bestehend aus mehreren Schichten von abwechselnd Magnetmaterial (vorzugsweise 0,8 μηι Dicke) und Dielektrikum (vorzugsweise 0.3 μίτι Dicke) aufgebracht werden. Zweckmäßig wirdfco Instead of a single magnetic layer, preferably a so-called sandwich, consisting of several layers of alternating magnetic material (preferably 0.8 μm thickness) and dielectric (preferably 0.3 μίτι thickness) are applied. Will be expedient

^l>r> das gesamte Sandwich in einem einzigen Vakuum-Beschichtungsprozeß hergestellt. Das Aufbringen der Magnetschicht(en) erfolgt zweckmäßig in einem äußeren Magnetfeld von 20 — 50 Oerstedt, um der Schicht ^{l> r} > the entire sandwich produced in a single vacuum coating process. The application of the magnetic layer (s) is expediently carried out in an external magnetic field of 20-50 oerstedt around the layer

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eine Vorzugsrichtung (»leichte« bzw. »harte« Richtung, vorzugsweise die »leichte« Richtung parallel zur späteren Spulenachse) einzuprägen.a preferred direction ("easy" or "hard" direction, preferably the "easy" direction parallel to the later coil axis).

Es hat sich herausgestellt, daß aufgedampfte bzw. aufgestäubte Magnetschichten ihre guten magnetischen Eigenschaften zum Teil verlieren, wenn die Unterlage der Schicht rauh bzw. strukturiert istIt has been found that vapor-deposited or sputtered magnetic layers have their good magnetic properties Some properties lose if the base of the layer is rough or structured

Wichtig ist daher, daß die unter der Magnetschicht M befindlichen Cu-Bahnen keine steilen Kanten (F i g. 3a) aufweisen, sondern vorzugsweise mit Hilfe einer Slope-Ätzung abgeflacht sind (F i g. 3b).It is therefore important that the Cu tracks located under the magnetic layer M do not have any steep edges (FIG. 3a), but are preferably flattened with the aid of slope etching (FIG. 3b).

Auf die Magnetschicht M wird eine zweite dielektrische Schicht Dz aufgebracht, die in Dicke und Struktur etwa der Schicht A entspricht Auf die Schicht Dt wird, eventuell unter Hinzufügen einer Haftschicht die zweite Leiterbahnschicht L₂ aufgebracht Diese Schicht L₂ besteht wiederum vorzugsweise aus Kupfer. Sie berührt an zwei Enden die Leiterbahnschicht L_x und wird derart in Streifen strukturiert welche schräg zu den Streifen der Leiterbahnschicht L\ liegen, daß sie mit den Streifen der Leiterbahnschicht Li eine geschlossene, flache Spule bilden (Fig.2), welche die Magnetschicht einhüllt Wesentlich ist daß die Kanten der isolierenden Schichten D\ und Di nicht steil, sondern abgeschrägt verlaufen, um eine einwandfreie Bedeckung mit der Leiterbahnschicht L₂ zu gewährleisten, wie aus F i g. 4 ersichtlich, die einen Querschnitt eines derart hergestellten Sensors zeigtA second dielectric layer Dz is applied to the magnetic layer M , the thickness and structure of which corresponds approximately to the layer A. The second conductive path layer L _{2 is} applied to the layer Dt , possibly with the addition of an adhesive layer. This layer L ₂ in turn is preferably made of copper. It touches the conductor track layer L _x at two ends and is structured in strips which are inclined to the strips of the conductor track layer L \ that they form a closed, flat coil with the strips of the conductor track layer Li (FIG. 2), which envelops the magnetic layer It is essential that the edges of the insulating layers D 1 and Di do not run steeply, but rather beveled, in order to ensure perfect coverage with the conductor track layer L ₂ , as can be seen from FIG. 4 can be seen, which shows a cross section of a sensor produced in this way

Der Aufbau des Sensors aus einer Aufeinanderfolge von dünnen, in geeigneter Weise strukturierten Schichten ermöglicht es, eine große Zahl von Sensoren in einem Batch-Prozeß zu fertigen. Der Batch-Prozeß besteht darin, eine große Zahl von Substraten jeweils gleichzeitg einem bestimmten Herstellungsschritt zu unterwerfen, d. h., eine große Zahl von Substraten gleichzeitig zu bedampfen, zu bestäuben oder zu ätzen. Im allgemeinen ermöglicht eine Reihe von Batch-Prozessen eine preisgünstige Fertigung eines Bauelements.The construction of the sensor from a succession of thin, appropriately structured Layers makes it possible to manufacture a large number of sensors in a batch process. The batch process consists in assigning a large number of substrates to a specific production step at the same time subject, d. That is, to vaporize, dust or etch a large number of substrates at the same time. In general, a number of batch processes enable a component to be manufactured at low cost.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims (7)

27 Ol 296 Patentansprüche:27 Ol 296 claims: 1. DOnnschicht-Magnetfeld-Sensor, bei dem eine in Vorzugsrichtung magnetisierte dünne Schicht von einer magnetischen in ihrer Induktivität veränderbaren HF-Meßspule umgeben und ein äußeres Magnetfeld und die Spulenachse parallel zu einer der Vorzugsrichtungen ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor aus einer auf einem Substrat aufgebrachten Folge geometrisch strukturierter Schichten (Lt, Li) besteht, welche eine flache Spule bilden, deren isolierende Schichten (Dt, Di) eine Magnetschicht (M) einbetten.1. Thin-layer magnetic field sensor in which a thin layer magnetized in the preferred direction is surrounded by a magnetic RF measuring coil with variable inductance and an external magnetic field and the coil axis are aligned parallel to one of the preferred directions, characterized in that the sensor consists of a There is a sequence of geometrically structured layers (Lt, Li) applied to a substrate, which form a flat coil, the insulating layers (Dt, Di) of which embed a magnetic layer (M). 2. Dünnschicht-Magnetfeld-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetschicht aus einem Sandwich mehrerer dünner, durch isolierende Schichten getrennter Magnetschichten aufgebaut ist2. Thin-film magnetic field sensor according to claim 1, characterized in that the magnetic layer consisting of a sandwich of several thin magnetic layers separated by insulating layers is constructed 3. Dünnschicht-Magnetfeld-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten der die Spule bildenden Schicht der unteren Leiterbahnen abgeflacht sind und der Neigungswinkel der Kante gegen die Oberfläche < 30° ist3. Thin-film magnetic field sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the Edges of the coil forming layer of the lower conductor tracks are flattened and the angle of inclination the edge against the surface is <30 ° 4. Dünnschicht-Magnetfeld-Sensor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten der isolierenden Schichten (Du D₂) abgeflacht sind.4. Thin-film magnetic field sensor according to claim 1 to 3, characterized in that the edges of the insulating layers (Du D ₂ ) are flattened. 5. Dünnschicht-Magnetfeld-Sensor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetschicht mit einer Vorzugsrichtung versehen ist.5. Thin-film magnetic field sensor according to claim 1 and 2, characterized in that the Magnetic layer is provided with a preferred direction. 6. Dünnschicht-Magnetfeld-Sensor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetschicht durch Kathodenzerstäubung hergestellt wird.6. Thin-film magnetic field sensor according to claim 1 to 3, characterized in that the Magnetic layer is produced by sputtering. 7. Dünnschicht-Magnetfeld-Sensor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er in einem Batch-Prozeß hergestellt wird.7. Thin-film magnetic field sensor according to claim 1 to 6, characterized in that it is in is produced in a batch process.