DE4317718C2 - Magnetoresistenzelement - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Magnetore­ sistenzelement und im besonderen auf ein Magnetoresistenz­ element zur Erfassung eines Magnetfeldes durch Verwendung der Magnetoresistenz, d. h. die Änderung des elektrischen Widerstandes, die in einem ferromagnetischen Material nach Anlegen eines Magnetfeldes H erzeugt wird, die von dem Winkel zwischen der Richtung der Magnetisierung und der Richtung des Stromflusses abhängt.

Magnetoresistenzelemente enthalten einen dünnen Magnetore­ sistenzstreifen oder -film aus einem ferromagnetischen Ma­ terial, üblicherweise eine Ni-Fe-Legierung oder eine Ni-Co- Legierung, der auf ein isolierendes Substrat aufgebracht ist und mit Anschlüssen an dessen beiden Enden verbunden ist. Die Elemente werden, wenn es ein Grund erfordert, mit einem Schutzüberzug bedeckt. Zum Ausgleichen oder um dem Element eine einachsige magnetische Anisotropie zu geben, haben einige Magnetoresistenzelemente auch eine harte Vorspan­ nungsschicht, die auf dem Streifen aufgebracht ist und in der Richtung parallel zu der leichten Magnetisierungsrich­ tung des Streifens magnetisiert ist.

Wenn es erforderlich ist, den Arbeitspunkt des Magnetoresi­ stenzelementes ohne Änderung der leichten Magnetisierungs­ richtung zu verschieben, ist es üblich, ein Magnetfeld eines Permanentmagneten oder eines Elektromagneten, das durch einen elektrischen Strom erzeugt wird, an das Element anzu­ legen. Anstatt des externen Magnetfeldes wird gelegentlich der Magnetoresistenz streifen in einer gewünschten Richtung teilweise magnetisiert. Solche Magnetoresistenzelemente sind jedoch komplex in ihrem Muster und problematisch in der Her­ stellung.

Aus der DE 39 11 242 C2 ist es bekannt, daß der Arbeitspunkt eines Magnetoresistenzelementes, das aus einer in Form eines Musters auf ein isolierendes Substrat aufgebrachten Magneto­ resistenzschicht aus ferromagnetischem Material mit ein­ achsiger magnetischer Anisotropie besteht, durch eine harte Vorspannungsschicht verschoben werden kann.

Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Magnetoresistenzelement zu schaffen, das eine einfaches Muster hat und die Möglichkeit bietet, den Arbeitspunkt ohne Verursachung eines Wechsels seiner leichten Magnetisierungs­ richtung zu verschieben.

Diese Aufgabe wird durch ein Magnetoresistenzelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Magnetoresistenzelements sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Für das Substrat kann irgendein bekanntes isolierendes Mate­ rial wie z. B. wärmeresistentes Glas, Aluminiumoxid, Zirkon­ erde andere Keramiken und ähnliches verwendet werden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nach­ folgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine ebene Darstellung eines Magnetoresistenzele­ ments, das ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 2 und 3 Graphen, die Änderungen des Widerstandes des Ele­ mentes der Fig. 1 als eine Funktion des Magnet­ feldes der angelegten Signale zeigen;

Fig. 4 eine ebene Darstellung eines Magnetoresistenzele­ mentes, das ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 5 einen Graph, der die Änderung des Widerstandes des Elementes der Fig. 4 mit einem Magnetfeld der an­ gelegten Signale zeigt; und

Fig. 6 eine ebene Darstellung eines Magnetoresistenzele­ mentes, das wiederum ein anderes Ausführungsbei­ spiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

In Fig. 1 wird ein Magnetoresistenzelement der vorliegenden Erfindung gezeigt, das im allgemeinen mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Das Magnetoresistenzelement 10 umfaßt ein isolierendes Substrat 1 aus einem wärmefesten Glas, eine in Form eines Musters aufgebrachte Magnetoresistenzschicht 2, die als magnetosensitiver Teil dient, ein Paar Anschlüsse 3, die an beide Enden der in Form eines Musters aufgebrachten Magnetoresistenzschicht 2 angeschlossen sind und eine in Form eines Musters aufgebrachte harte Vorspannungsschicht 4 aus einem ferromagnetischen Material.

Die in Form eines Musters aufgebrachte Magnetoresistenz­ schicht 2 ist aus einem dünnen ferromagnetischen Film aus einer Ni-Co-Legierung auf dem Substrat 1 in der Form eines Streifens zusammengesetzt. Die Vorspannungsschicht 4 ist aus ferromagnetischen Dünnfilmen aus einer Ti- und Co-Ni- Legierung auf dem Substrat 1 zusammengesetzt und in zwei Teile, die an beiden Seiten der in Form eines Musters aufge­ brachten Magnetoresistenzschicht 2 angeordnet sind, unter­ teilt. Jedes Vorspannungsteil schließt eine Mehrzahl von Streifenleitungen 4a ein, die parallel zu einer Linie, die die leichte Magnetisierungsrichtung der in Form eines Musters aufgebrachten Magnetoresistenzschicht 2 in einem spitzen Winkel (Θ) schneidet, magnetisiert sind. Folglich sind die Streifenleitungen 4a um einen Winkel (Θ) zu der leichten Magnetisierungsrichtung der in Form eines Musters aufgebrachten Magnetoresistenzschicht 2 geneigt.

Das obige Magnetoresistenzelemente kann z. B. auf folgende Art und Weise hergestellt werden.

Zuerst wird eine Ni-25%Co-Legierung auf die gesamte Ober­ fläche eines isolierenden Glassubstrates 1 in einem Magnet­ feld aufgebracht, um einen ferromagnetischen Dünnfilm mit einer Dicke von 50 nm zu erzeugen. Dieser ferromagnetische Film wird dann photolithographisch behandelt, um eine in Form eines Musters aufgebrachte Magnetoresistenzschicht, d. h. eine Magnetoresistenzstreifenleitung 2 (20 µm breit und 1 mm lang) mit der leichten Magnetisierungsrichtung parallel zu dessen Längsrichtung, zu bilden.

Dann wird Titan auf die gesamte Oberfläche des Substrates 1 aufgedampft, um eine Titanschicht (50 nm dick), die als Un­ terlage für Elektroden dient, zu erzeugen und dann wird eine Co-15%Ni-Legierung auf die Titanschicht aufgebracht, um eine ferromagnetische Schicht (300 nm dick) zu erzeugen. Die photolithographischen Techniken werden wiederum angewendet, um ein Muster der Anschlüsse 3 und der harten Vorspannungs­ teile 4, wie in Fig. 1 gezeigt, zu bilden. Jeder Anschluß 3 stellt einen Kontakt mit einem Ende der Magnetoresistenz­ streifenleitung 2 her, die als magnetosensitiver Teil dient, während die Vorspannungsteile 4 an beiden Seiten der Magnetoresistenzstreifenleitung 2 in einem Abstand von 4 µm von der Seite der Magnetoresistenzstreifenleitung 2 angeor­ dnet sind. Jedes Vorspannungsteil 4 ist in eine Mehrzahl von parallelen Streifenleitungen 4a (10 µm breit und 15 µm lang) unterteilt, die in einem Winkel (Θ) von 60° gegenüber der Längsrichtung der Magnetisierung der Magnetoresistenz­ streifenleitung 2, wie in Fig. 1 dargestellt, geneigt sind.

Die Anschlüsse 3 und die Streifenleitungen 4a der Vorspan­ nungsteile 4 werden durch Wärmebehandlung in einem Magnet­ feld, das an das Substrat in der Richtung, die gleich der leichten Magnetisierungsrichtung der Magnetoresistenz­ streifenleitung 2 ist, angelegt ist, magnetisiert. In diesem Fall werden die Streifenleitungen 4a entlang ihrer Längs­ richtung, wie durch einen Pfeil M₂ angezeigt, magnetisiert, wobei die Streifenleitungen 4a in die Richtung des ange­ legten Magnetfeldes geneigt sind. Da das Magnetfeld, das durch die Vorspannungsteile 4 erzeugt wird, eine magnetische Komponente senkrecht zu der leichten Magnetisierungsrichtung der Magnetoresistenzstreifenleitung 2 hat, wird ein Vorspan­ nungsmagnetfeld an die Magnetoresistenzstreifenleitung 2 durch die Streifenleitungen 4a der Vorspannungsteile 4 ange­ legt. In Fig. 1 zeigt ein Pfeil M₁ die Richtung der Magnet­ isierung für die Magnetoresistenzstreifenleitung 2 an.

Fig. 2 und 3 zeigen eine charakteristische Kurve für das Magnetoresistenzelement der Fig. 1 und stellen die Änderung des Widerstandes als eine Funktion des Magnetfeldes der an­ gelegten Signale dar.

Wird das Magnetfeld H der Signale zur linken Seite in Fig. 1 gerichtet, dann ändert sich der Widerstand des Elementes 10 mit dem Magnetfeld H wie in Fig. 2 gezeigt. In dem Ge­ biet, in dem das Magnetfeld H einen positiven Wert nahe Null und darüber annimmt, nimmt der Widerstand des Elementes mit der Zunahme des Magnetfeldes H zu und wird in dem Punkt, in dem ein kombiniertes Magnetfeld aus dem Magnetfeld aufgrund des Vorspannungsteiles 4 und aus dem Magnetfeld H aufgrund der Signale, auf die Längsrichtung (Stromfluß) der in Form eines Musters aufgebrachten Magnetoresistenzschicht gericht­ et ist, maximal. Der Widerstand des Elementes nimmt ab, wenn das Magnetfeld H aufgrund der Signale einen Wert mit einem negativen Vorzeichen annimmt.

Im Gegensatz dazu ändert sich der Widerstand des Elementes mit dem Magnetfeld H der Signale, wie in Fig. 3 dargestel­ lt, wenn das Magnetfeld H zur rechten Seite in Fig. 1 ge­ richtet wird. In diesem Gebiet, in dem das Magnetfeld H einen Wert um Null annimmt, nimmt der Widerstand des Ele­ mentes mit der Zunahme des Magnetfeldes H ab, nimmt aber mit der Abnahme des Magnetfeldes H zu.

Aus den Ergebnissen, die in Fig. 2 und 3 gezeigt sind, geht hervor, daß der Arbeitspunkt des Magnetoresistenzelementes aus Fig. 1 durch Verwendung der harten Vorspannungsteile und durch Änderung der Richtung der magnetischen Signale, die an das Element angelegt werden, verschoben werden kann.

In dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 können die Streifen­ leitungen 4a der Vorspannungsteile 4 durch Anlegen eines Magnetfeldes an die Streifenleitungen in deren Längsrichtung magnetisiert werden. In diesem Fall kann die magnetische Charakteristik der Magnetoresistenzstreifenleitung 2 mit den Werten des angelegten Magnetfeldes verändert werden, was zu einer schlechten Genauigkeit aufgrund von Hysterese führt.

In dem obigen Ausführungsbeispiel wird die Magnetisierung der Streifenleitungen 4a durch eine Wärmebehandlung in dem Magnetfeld ausgeführt. Sie kann aber auch gleichzeitig mit der Aufbringung des Filmes durch Aufdampfen der ferro­ magnetischen Schicht in dem Magnetfeld ausgeführt werden.

In Fig. 4 wird eine ebene Darstellung gezeigt, die ein Muster eines Magnetoresistenzelementes nach einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Das Magnetoresistenzelement 10 umfaßt ein isolierendes Sub­ strat aus Aluminiumoxid, eine in Form eines Musters aufgebrachte Magnetoresistenzschicht 2, die als magnetosensitiver Teil dient, ein Paar Anschlüsse 3, die mit beiden Enden der in Form eines Musters aufgebrachten Magnet­ oresistenzschicht 2 verbunden sind, und zwei harten Vorspan­ nungsteilen 4.

Die in Form eines Musters aufgebrachte Magnetoresistenz­ schicht 2 enthält einen ferromagnetischen Streifen oder Dünnfilm aus einer Ni-18%Fe-Legierung, die auf das Substrat 1 aufgebracht ist. Die Vorspannungsteile 4 werden an beiden Seiten der in Form eines Musters aufgebrachten Magneto­ resistenzschicht 2 angeordnet und bestehen aus einer Mehr­ zahl paralleler Streifen 4a aus einer Co-18%Ni-Legierung in der Form eines Parallelogrammes. Die Streifen 4a sind in einem Winkel (Θ) von 45° gegenüber der leichten Magnet­ isierungsrichtung der in Form eines Musters aufgebrachten Magnetoresistenzschicht 2 geneigt. Ein solches Magneto­ resistenzelement 10 kann z. B. in der folgenden Art und Weise hergestellt werden.

Zuerst wird ein ferromagnetischer Film mit einer Dicke von 30 nm auf die Oberfläche des Substrates 1 durch Aufdampfen einer Ni-18%Fe-Legierung in einem Magnetfeld auf­ gebracht und dann durch Anwendung von Photolithographie ge­ ätzt, um eine Magnetoresistenzstreifenleitung 2 (50 µm breit und 500 µm lang) derart zu formen, daß die leichte Magnet­ isierungsrichtung auf die Transversalrichtung ausgerichtet ist.

Dann wird eine Co-18%Ni-Legierung auf das Substrat aufge­ bracht, um eine harte Vorspannungsschicht mit einer Dicke von 200 nm zu erzeugen und dem photolithographischen Prozeß ausgesetzt, um ein Muster der Anschlüsse 3 und der harten Vorspannungsteile 4, wie in Fig. 4 gezeigt, zu formen.

Jeder Anschluß 3 macht einen Kontakt mit einem Ende des Streifens der Magnetoresistenzstreifenleitung 2, während die Vorspannungsteile 4 an beiden Seiten der Magnetoresistenz­ streifenleitung 2 in Abständen von 5 µm angeordnet sind. Je­ des Vorspannungsteil 4 besteht aus einer Mehrzahl von Strei­ fenleitungen 4a (45 µm breit und 100 µm lang), die in Ab­ ständen von 50 µm voneinander entlang der gesamten Länge der Magnetoresistenzstreifenleitung 2 angeordnet sind und in ei­ nem Winkel von 45° gegenüber der Seite der Magnetoresistenz­ streifenleitung 2 geneigt sind.

Dann werden die Anschlüsse 3 und die Streifenleitungen 4a durch Wärmebehandlung in dem Magnetfeld, das in der Richtung parallel zu der leichten Magnetisierungsrichtung der Mag­ netoresistenzstreifenleitung 2 angelegt ist, magnetisiert. In diesem Fall werden die Streifenleitungen 4a in der longi­ tudinalen Richtung magnetisiert, wobei die Streifenleitungen 4a gegenüber der Richtung des angelegten Magnetfeldes ge­ neigt sind. Folglich wird ein Vorspannungsmagnetfeld an die Magnetoresistenzstreifenleitung 2 durch die Streifenleit­ ungen 4a der Vorspannungsteile 4 angelegt, wobei das Magnet­ feld, das durch die Vorspannungsteile 4 erzeugt wird, eine Komponente senkrecht zu der leichten Magnetisierungsrichtung der Magnetoresistenzstreifenleitung 2 hat.

Wenn das Magnetoresistenzelement der Fig. 4 unter der Be­ dingung betrieben wird, daß die Magnetoresistenzstreifenlei­ tung 2 und der Vorspannungsstreifen 4 in der linken Richtung magnetisiert werden und das Magnetfeld der Signale in der Richtung senkrecht zu der leichten Magnetisierungsrichtung (d. h. in der Richtung der transversalen (kurzen Seiten) Achse der in Form eines Musters aufgebrachten Magneto­ resistenzschicht 2) angelegt wird, ändert sich der Wider­ stand des Elementes 10 mit dem Magnetfeld der angelegten Signale wie in Fig. 5 gezeigt.

Im Fall daß das Magnetoresistenzelement 10 keinen harten Vorspannungsteil 4 hat, wird der Widerstand des Elementes, das unter den selben Bedingungen wie oben betrieben wird, minimal, wenn das Magnetfeld der Signale 0 ist.

Aus dem obigen ist es klar, das der Arbeitspunkt des Magne­ toresistenzelementes durch die Verwendung der Vorspannungs­ teile 4 auf beiden Seiten der Magnetoresistenzstreifenlei­ tung 2 verschoben werden kann. Der Arbeitspunkt des Magne­ toresistenzelementes kann ebenfalls durch Änderung der Rich­ tung des Magnetfeldes der an das Element angelegten Signale verschoben werden.

In Fig. 6 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der vorlie­ genden Erfindung gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel um­ faßt das Magnetoresistenzelement 10 ein isolierendes Glas­ substrat 1, eine Magnetoresistenzstreifenleitung 2, die aus einem ferromagnetischen Streifen oder einem Dünnfilm aus einer Ni-18%Fe-Legierung besteht, ein Paar Anschlüsse 3 die mit beiden Enden der Magnetoresistenzstreifenleitung 2 ver­ bunden sind, harte Vorspannungsteile 4, die aus einer Co-18%Ni-Legierungsschicht und einer Au-Schicht, die darauf aufgebracht ist, bestehen, und einem Schutzüberzug 5 über der Magnetoresistenzstreifenleitung 2.

Das obige Magnetoresistenzelement 10 kann z. B. in der fol­ genden Art und Weise hergestellt werden.

Zuerst wird eine Ni-18%Fe-Legierung auf ein Glassubstrat 1 aufgebracht, um einen ferromagnetischen Film mit einer Dicke von 30 nm zu bilden, und der resultierende Film wird photo­ lithographisch behandelt, um eine Magnetoresistenzstreifen­ leitung 2 mit einer Breite von 50 µm und einer Länge von 500 µm herzustellen. Dann wird eine Si-N-Masse auf die gesamte Oberfläche der Streifenleitung 2 und ein Teil des Substrates durch Aufdampfen aufgebracht, um eine Schutzschicht 5 zu schaffen, wobei kleine Löcher in der Schutzschicht über bei­ den Enden der Streifenleitung 2 gelassen werden, und dann wird der Reihe nach eine Co-18%Ni-Legierung und Gold (Au) auf die Schutzschicht durch Aufdampfen aufgebracht, um eine Metallisierungsschicht, die aus einer Co-18%Ni-Schicht mit 200 nm und einer Au-Schicht mit 100 nm besteht.

Die metallisierte Schicht wird photolithographisch behan­ delt, um die Anschlüsse 3 und die harten Vorspannungsteile 4, die eine Mehrzahl von Inseln in Form rechtwinkliger Drei­ ecke 4b mit 100 µm (Basis) auf 50 µm (Höhe) auf 50 √5 µm (schiefe Seite) einschließen. Die Inseln 4b sind auf beiden Seiten der Magnetoresistenzstreifenleitung 2 in einer Reihe derart angeordnet, daß die Basis jeder Insel 4b auf die Seite der ferromagnetischen Streifenleitung 2 ausgerichtet ist und in einer Entfernung von 5 µm von der Seite der fer­ romagnetischen Streifenleitung 2 angeordnet ist. Jeder An­ schluß 3 stellt einen Kontakt zu einem Ende des magneto­ sensitiven Teiles 2 durch das kleine Loch her.

Dann werden die Anschlüsse 3 und die Inseln 4b durch Wärme­ behandlung, während an sie ein Magnetfeld H in der Richtung parallel zu der leichten Magnetisierungsrichtung der Magne­ toresistenzstreifenleitung 2 angelegt ist, magnetisiert. In diesem Fall wird jede Insel 4b der Vorspannungsteile in der Richtung magnetisiert, die einen Winkel von 30° mit der leichten Magnetisierungsrichtung der Magnetoresistenz­ streifenleitung 2, wie in Fig. 6 dargestellt, einschließt, aufgrund der Form der magnetischen Anisotropie.

Das Magnetoresistenzelement aus Fig. 6 schafft Effekte ähnlich den Elementen, die in Fig. 1 und Fig. 4 gezeigt sind.

Claims (3)

1. Magnetoresistenzelement (10), gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
ein isolierendes Substrat (1);
eine Magnetoresistenzschicht (2) in Form eines Musters aus einem ferromagnetischen Material, das auf das Substrat (1) aufgebracht ist und eine einachsige magnetische Anisotropie hat; und
eine harte Vorspannungsschicht (4) in Form eines Musters aus einem ferromagnetischen Material, das auf das Sub­ strat (1) aufgebracht ist, und die in zwei Teile unter­ teilt ist, die auf beiden Seiten der Magnetoresistenz­ schicht (2) angeordnet sind, wobei die Vorspannungs­ schicht (4) in einer Richtung parallel zu einer Linie, die die leichte Magnetisierungsrichtung der Magnetore­ sistenzschicht (2) in einem spitzen Winkel (Θ) schnei­ det, magnetisiert ist.

2. Magnetoresistenzelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Teil der in Form eines Musters aufgebrachten harten Vorspannungsschicht (4) in eine Mehrzahl von Streifenleitungen (4a) unterteilt ist, die Seite an Seite angeordnet sind, wobei jede Streifenleitung (4a) in Richtung parallel zu einer Linie, die die leichte Magnetisierungsrichtung der Magnetoresistenzschicht (2) unter einem spitzen Winkel (Θ) schneidet, magnetisiert ist.

3. Magnetoresistenzelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder Teil der harten Vorspannungsschicht (4) in eine Mehrzahl von Inseln in Form rechtwinkliger Dreiecke (4b), die Seite an Seite angeordnet sind, unterteilt ist.