DE19627780C2

DE19627780C2 - Werkstoff für Supermagnetwiderstands-Sensoren

Info

Publication number: DE19627780C2
Application number: DE19627780A
Authority: DE
Inventors: Andreas Huetten; Karl-Hartmut Mueller
Original assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Current assignee: LEIBNIZ-INSTITUT fur FESTKOERPER- und WERKSTOFFFORS
Priority date: 1996-03-22
Filing date: 1996-07-10
Publication date: 2003-07-24
Anticipated expiration: 2016-07-11
Also published as: DE19627780A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Werkstoff für Supermagnetwiderstands(GMR/Giant Magnetoresistance)-Sensoren.

Der Werkstoff kann für verschiedenartige magnetische Sensoren verwendet werden, und zwar insbesondere für Feldstärkesensoren, Feldrichtungssensoren, Positionssensoren oder Leseköpfe. Der Werkstoff ist in Form massiver Körper einsetzbar, beispielsweise in Form von Blechen, Platten oder Scheiben.

Es sind bereits Materialien bekannt, bei denen beim Anlegen eines äußeren Magnetfeldes eine extrem große Änderung ihres elektrischen Widerstands bewirkt wird. Dieser, auch als Supermagnetwiderstand(GMR/Giant Magnetoresistance)-Phänomen be zeichnete Effekt wird in der Praxis ausgenutzt, indem derartige Materialien als Werkstoffe für Leseköpfe in der Datenverarbeitung und für Geschwindigkeits- oder Positionierungssensoren eingesetzt werden.

So ist beispielsweise ein Magnetfeldsensor bekannt, bei dem in einer Cu-, Au- oder Ag-Matrix magnetische Partikel aus einer NiCo- oder NiFe-Legierung eingebettet sind (US 5 422 621). Zur Ausnutzung des GMR-Effekts ist es auch bekannt, magnetische Werkstoffe zusammen mit nichtmagnetischen Werkstoffen in einer dünnen Schicht abzuscheiden (US 5 462 809). Als magnetischer Werkstoff werden hierbei Co oder andere ferromagnetische Materialien und als nichtmagnetischer Werkstoff Cu oder Ag verwendet.

Für Leseköpfe für die Datenverarbeitung sind auch Multi schichtsysteme bekannt, die in wechselnder Folge aus etwa 1 bis 5 nm dicken nichtmagnetischen Schichten, meist aus Cu oder Cr, und etwa 2 bis 5 nm dicken magnetischen Schichten, meist aus Co oder NiCo-, FeNi- oder FeNiCo-Legierungen bestehen. Diese Schichten sind in wechselnder Folge bis zu einer Gesamtdicke von etwa 300 nm aufeinandergeschichtet (EP 0 600 794 A1, US 5 442 508). Die Schichtsysteme sind speziell für Datenverarbeitungsleseköpfe im Magnetfeldbereich von einigen 10 Oe vorgesehen.

Ein wesentlicher Nachteil der schichtförmigen GMR-Materialien besteht in der relativ aufwendigen Schichtherstellung durch Sputtern oder Aufdampfen. Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus der starken Anisotropie des GMR-Effekts, wodurch die Einsatz richtung der Schicht bestimmt und so eine universelle Anwendung verhindert wird. Hinzu kommt, daß der Temperatureinsatzbereich mit einer oberen Grenze von etwa 330°C nicht überschritten werden darf, um Alterungserscheinungen zu vermeiden. Nachteilig ist auch die Tatsache, daß die Materialien mechanisch nur wenig belastbar sind.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, für die eingangs genannten Einsatzfälle einen GMR-Werkstoff zur Verfügung zu stellen, der sowohl isotrop als auch anisotrop herstellbar ist, sich auch für Temperatureinsatzbereiche oberhalb 330°C eignet und auch mechanisch belastbar ist.

Diese Aufgabe wird mit der in den Patentansprüchen angegebenen Erfindung gelöst.

Der erfindungsgemäße Werkstoff ist hergestellt aus einer Eisen- Nickel-Kobalt-Aluminium-Basis-Legierung mit
15 bis 85 Masse-% Fe
15 bis 30 Masse-% Ni
5 bis 40 Masse-% Co
7 bis 15 Masse-% Al
0 bis 6 Masse-% Cu
0 bis 8 Masse-% Ti
und gegebenenfalls enthaltenen geringen herstellungstechnisch bedingten Zusätzen und Verunreinigungen,
wobei der Werkstoff ein räumlich entmischtes Gefüge besitzt, derart, daß eine mit den ferromagnetischen Elementen Fe und Co angereicherte Phase M und eine mit den übrigen Elementen der Legierung angereicherte Phase N vorliegen, wobei die Phase M in Form von Ausscheidungen überwiegend innerhalb von Bereichen der Phase N angeordnet ist.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung können alle Bereiche, in denen die Phase M und die Phase N konzentriert sind, teilweise oder vollständig nanostrukturiert sein.

Vorteilhaft ist es, wenn die Phase N mit einem Anteil von 0,5 bis 30 Masse-% in kleinen räumlichen Bereichen von weniger als 50 nm Durchmesser in einer homogenen polykristallinen Matrix angeordnet ist, die aus der Phase M besteht.

Eine zweckmäßige Legierung besteht erfindungsgemäß aus 49,5 Masse-% Fe, 15 Masse-% Ni, 24 Masse-% Co, 8 Masse-% Al, 3 Masse-% Cu und 0,5 Masse-% herstellungstechnisch bedingten Zusätzen und Verunreinigungen.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Werkstoffs besteht darin, daß dieser mit relativ einfachen herkömmlichen technologischen Verfahren zu massiven Körpern verarbeitet werden kann und damit vielseitig verwendbar ist. Der Werkstoff weist zudem in vorteilhafter Weise eine gute mechanische Festigkeit auf. Die Legierung hat auch den Vorteil, daß sie je nach thermomagnetischer Behandlung sowohl mit isotroper als auch mit anisotroper Eigenschaft herstellbar ist. Damit bestehen keine Beschränkungen bezüglich der Einsatzrichtung des GMR-Materials. Außerdem zeichnet sich das verwendete Material gegenüber den bekannten GMR-Materialien dadurch aus, daß es für wesentlich höhere Temperaturen einsetzbar ist, da erst bei Temperaturen von ≧ 600°C Alterungserscheinungen eintreten.

Nachstehend ist die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei das Beispiel 1, basierend auf den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 4 sowie 5 und 6, als besonders vorteilhaft anzusehen ist. In den zu den Beispielen gehörenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Feldionenmikrograph vom Gefüge des Werkstoffs gemäß Beispiel 1,

Fig. 2 ein Diagramm mit der Abhängigkeit der prozentualen Widerstandsänderungen Δρ/ρ vom magnetischen Feld µ₀H für den Werkstoff gemäß Beispiel 1, aufgenommen in einem Magnetfeld mit -1,0 < T < 1,0,

Fig. 3 ein Diagramm mit der Abhängigkeit der prozentualen Widerstandsänderungen Δρ/ρ vom magnetischen Feld µ₀H für den Werkstoff gemäß Beispiel 1, aufgenommen in einem Magnetfeld mit 1,0 < T < 16.

Beispiel 1

Zur Herstellung eines Werkstoffs wird eine AlNiCo 5-Legierung, die 49,5 Masse-% Fe, 15 Masse-% Ni, 24 Masse-% Co, 8 Masse-% Al, 3 Masse-% Cu und 0,5 Masse-% herstellungstechnisch bedingter Zusätze und Verunreinigungen enthält, in Formen abgegossen und mit 4 K/s auf 900°C abgekühlt. Anschließend wird kontinuierlich langsam mit etwa 20 K/min unter Einfluß eines äußeren Magnetfeldes der Stärke H = 80 bis 600 kA/m in die Mischungslücke hinein auf etwa 600°C und dann ohne Magnetfeldeinfluß auf Raumtemperatur abgekühlt. Abschließend wird durch mehrstufiges Tempern bei Temperaturen um 600°C das Gefüge noch kontrolliert vergröbert.

Aus dem so erhaltenen Material werden Plättchen der Abmessungen 20 mm × 5 mm × 1 mm herausgeschnitten. Diese besitzen ein spinodal entmischtes makroskopisch anisotropes feindisperses Gefüge gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Gefügebild. Das Gefüge weist eine Fe- und Co-reiche, ferromagnetische Phase M und eine Al- und Ni-reiche Phase N auf. Dabei liegt die Phase M als Ausscheidung innerhalb der Phase N vor. Mit 110, 200 und 011 sind in Fig. 1 die vorliegenden kristallographischen Richtungen gekennzeichnet.

Die Plättchen weisen unter der Einwirkung eines externen Magnetfeldes bei unterschiedlichen Feldstärken µ₀H_ext(T) die aus dem Diagramm gemäß Fig. 2 ersichtlichen relativen Widerstandsänderungen

Δρ/ρ(%) = [ρ_(H) - ρ₍₀₎]/ρ₍₀₎

auf, wobei µ₀ die magnetische Feldkonstante, Hext die externe magnetische Feldstärke, ρ der spezifische Widerstand, ρ_(H) der im Feld H gemessene spezifische Widerstand und ρ₍₀₎ der im Nullfeld (H = 0) gemessene spezifische Widerstand der Plättchen sind.

Das Diagramm ergibt sich aus den Meßdaten im Falle der Einwirkung des Magnetfeldes senkrecht zur Längsachse der M- Phasen-Ausscheidungen und wurde bei statischer Anordnung der Plättchen im Magnetfeld und bei Raumtemperatur gemessen. Aus der Kurve gemäß Fig. 2 ist beispielsweise entnehmbar, daß die Plättchen unter senkrechter Einwirkung eines Magnetfeldes bei 1,0 T eine relative Widerstandsänderung Δρ/ρ von 1,6% und bei 0,5 T von 1,4% aufweisen.

Im Falle einer drehbaren Anordnung der Plättchen, bei der sich das Sensorplättchen frei im einwirkenden Magnetfeld in die leichte Richtung drehen kann, wird der GMR-Effekt erhöht. So erhöht sich der GMR-Effekt um den Faktor 3 bei Raumtemperatur und bei einer Temperatur von nur 10 K sogar um den Faktor 50.

Für hohe Magnetfelder im Bereich von 1 bis 16 T besitzen die Plättchen die aus dem Diagramm gemäß Fig. 3 ersichtlichen Δρ/ρ- Werte. Das Diagramm zeigt, daß das Material bei Raumtemperatur im Feldbereich zwischen 1 und 16 Tesla unter senkrechter Einwirkung eines Magnetfeldes eine relative Widerstandsänderung Δρ/ρ mit Werten zwischen 1,2 und 4,2% aufweist.

Beim Einsatz dieses Materials ist zu beachten, daß es eine Sättigungspolarisation J_S von etwa 0,7 T besitzt. Deshalb ist das während der Messung im Material wirksame Feld H auf Grund von Entmagnetisierungseffekten etwas kleiner als das äußere Feld H_e, und zwar mit H = H_e - µ₀ ^-1DJ_S, worin D der Entmagnetisierungsfaktor des jeweiligen Plättchens ist. Diese Gegebenheiten lassen sich bei der Eichung des zu bauenden Hochfeldmagnetsensors leicht berücksichtigen.

Beispiel 2

Dieses Beispiel betrifft eine Legierung, die aus 28,5 Masse-% Fe, 14 Masse-% Ni, 38 Masse-% Co, 8 Masse-% Al, 3 Masse-% Cu, 8 Masse-% Ti und 0,5 Masse-% herstellungstechnisch bedingter Zusätze und Verunreinigungen besteht. Diese Legierung wird in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt und verarbeitet.

Die erhaltenen Plättchen weisen ein entmischtes feindisperses Gefüge auf, in dem eine Fe- und Co-reiche, ferromagnetische Phase M und eine Al- und Ni-reiche, nicht magnetische Phase N vorliegen. Die GMR-Eigenschaften entsprechen den in Beispiel 1 beschriebenen. Die Plättchen sind beispielsweise verwendbar für magnetische Feldstärkesensoren, magnetische Feldrichtungs sensoren oder magnetische Positionssensoren.

Claims

1. Werkstoff für Supermagnetwiderstands-Sensoren, hergestellt aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Aluminium-Basis-Legierung, bestehend aus (in Gew.-%)
15 bis 85 Fe
15 bis 30 Ni
5 bis 40 Co
7 bis 15 Al
0 bis 6 Cu
0 bis 8 Ti
und gegebenenfalls enthaltenen geringen herstellungstechnisch bedingten Zusätzen und Verunreinigungen,
mit einem räumlich entmischten Gefüge, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit den ferromagnetischen Elementen Fe und Co angereicherte, teilweise oder vollständig nanostrukturierte Phase M und eine mit den übrigen Elementen der Legierung angereicherte, teilweise oder vollständig nanostrukturierte Phase N vorliegen, wobei die Phase M in Form von Ausscheidungen überwiegend innerhalb von Bereichen der Phase N angeordnet ist.

2. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phase N mit einem Anteil von 0,5 bis 30 Gew.-% in kleinen räumlichen Bereichen von weniger als 50 nm Durchmesser in einer homogenen polykristallinen Matrix angeordnet ist, die aus der Phase M besteht.

3. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus 49,5 Gew.-% Fe, 15 Gew.-% Ni, 24 Gew.-% Co, 8 Gew.-% Al, 3 Gew.-% Cu und 0,5 Gew.-% herstellungstechnisch bedingter Zusätze und Verunreinigungen besteht.