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1、(10)申请公布号 CN 103620435 A (43)申请公布日 2014.03.05 CN 103620435 A (21)申请号 201280031232.2 (22)申请日 2012.06.20 11171354.1 2011.06.24 EP G01R 33/18(2006.01) (71)申请人 克里斯蒂安 - 阿尔伯特 - 基尔大学 地址 德国基尔 (72)发明人 恩诺拉格 迪尔克迈纳斯 埃克哈德匡特 (74)专利代理机构 北京集佳知识产权代理有限 公司 11227 代理人 丁永凡 田军锋 (54) 发明名称 磁致伸缩的层系统 (57) 摘要 本发明提出一种磁致伸缩的层系统， 。
2、所述层 系统包括由反铁磁 （AFM） 层和直接设置在所述反 铁磁 （AFM） 层上的磁致伸缩的铁磁 （FM） 层构成的 至少一个层序列， 其中层序列具有相关联的交换 偏置 （EB） 场， 其中 FM 层的 EB 感应的磁化强度在 不存在外部磁场的情况下位于85%和100%之间的 范围中并且其中在平行于 （AFM） 层和 （FM） 层的平 面之内， 由 EB 场方向和在不存在外部磁场的情况 下具有最大压磁系数的磁致伸缩方向所围成的角 opt位于 10和 80之间的范围中。 (30)优先权数据 (85)PCT国际申请进入国家阶段日 2013.12.24 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/E。
3、P2012/061860 2012.06.20 (87)PCT国际申请的公布数据 WO2012/175567 DE 2012.12.27 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 11 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书11页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103620435 A CN 103620435 A 1/2 页 2 1. 一种包括至少一个层序列的层系统 （403， 404， 405， 406） ， 所述层序列由下述层构 成 ： - 反铁磁 （AFM） 层 （403， 405） 和 - 直接设置在所述反铁。
4、磁 （AFM） 层上的磁致伸缩的、 铁磁 （FM） 层 （404， 406） ， 其中所述层序列具有相关联的交换偏置 （EB） 场， -其中所述FM层的EB感应的磁化强度在不存在外部磁场的情况下位于85%和100%之 间的范围中， 并且 - 其中在平行于所述 （AFM） 层和所述 （FM） 层的平面之内， 由 EB 场方向与在不存在外部 磁场的情况下具有最大压磁系数的磁致伸缩方向所围成的角 opt位于 10和 80之间的 范围中。 2.根据权利要求1所述的层系统， 其特征在于， 所述角opt位于45和75之间的范 围中。 3. 根据权利要求 1 和 2 所述的层系统， 其特征在于， 至少一个所。
5、述层序列的所述 （AFM） 层的厚度位于 3nm 至 8nm 的范围中。 4.根据权利要求1至3中的任一项所述的层系统， 其特征在于， 至少一个所述层序列的 所述 （FM） 层的厚度位于 15nm 至 25nm 的范围中。 5.根据权利要求1至4中的任一项所述的层系统， 其特征在于， 在层序列之内的下述比 例 ： （AFM） 层的厚度 :（FM） 层的厚度 位于 1:8 至 1:2 之间的范围中。 6. 根据权利要求 5 所述的层系统， 其特征在于， 在层系统之内的不同的层序列的 （AFM） 层的所述厚度和 （FM） 层的所述厚度是相同的。 7. 根据权利要求 1 至 6 中的任一项所述的层系。
6、统， 其特征在于， 由 （AFM） 层和 （FM） 层 构成的至少一个所述层序列无衬底地构成。 8. 根据权利要求 1 至 7 中的任一项所述的层系统， 其特征在于， 至少一个所述层序列 的所述 （AFM） 层由从下述材料中选出的材料构成或包含这种材料， 所述材料包括 ： Mn70Ir30、 Pt50Mn50， Fe50Mn50。 9. 根据权利要求 1 至 8 中的任一项所述的层系统， 其特征在于， 至少一个所述层序列 的所述 （FM） 层由从下述材料中选出的材料构成或包含这种材料， 所述材料包括 ： Co50Fe50、 Co40Fe40B20、 Fe70Co8B12Si10、 Tb35Fe。
7、65。 10. 一种用于测量磁场的磁电式 （ME） 传感器， 其特征在于具有与至少一个压电层机械 耦合的、 根据权利要求1至9中的任一项所述的至少一个层系统， 其中所述传感器的预设的 测量方向与所述层系统的 EB 场的方向基本上围成所述角 opt。 11.一种用于制造根据权利要求10所述的ME传感器的方法， 所述方法至少包括下述方 法步骤 ： i） 将面衬底 （401） 用电接触的压电体 （402） 来覆层 ； ii） 施加根据权利要求 1 至 9 中的任一项所述的层系统 （403， 404， 405， 406） ， 其中所述 EB 场的方向通过预设外部磁场来确定 ； iii） 确定所述 ME。
8、 传感器的测量方向， 其中所述测量方向位于平行于所述反铁磁层和 权 利 要 求 书 CN 103620435 A 2 2/2 页 3 磁致伸缩的所述铁磁层的平面之内， 并且压电系数在所述测量方向上在不存在外部磁场的 情况下比在所述 EB 场的方向上更大。 12. 根据权利要求 11 所述的方法， 其中所述测量方向确定为在平行于所述反铁磁层和磁致伸缩的所述铁磁层的平面之 内的方向， 在所述方向上在不存在外部磁场的情况下压电系数是最大的。 13. 根据权利要求 11 所述的方法， 所述方法还具有下述方法步骤 ： 将已覆层的面衬底分割为矩形条带， 其中所述矩形条带的长的轴线在所述测量方向上 延伸并且。
9、与所述 EB 场的预先已知的方向围成在预先检查中已知的角 opt。 权 利 要 求 书 CN 103620435 A 3 1/11 页 4 磁致伸缩的层系统 技术领域 0001 本发明涉及一种磁致伸缩的层系统以及一种用于制造磁致伸缩的层系统的方法。 本发明还涉及磁电式传感器。 背景技术 0002 在外磁场的作用下， 材料的构型变化和 / 或体积变化称为材料的磁致伸缩。在构 型变化的情况下， 所述构型变化通过在所施加的磁场的方向上的长度变化进行， 其伴随垂 直于场方向的、 由体积得到的长度变化 （焦耳磁致伸缩） 。长度能够取决于材料在场方向上 增加或减小， 这称为正的或负的磁致伸缩。 0003 。
10、原则上， 也能够认为在所有的铁磁材料或亚铁磁材料中存在磁致伸缩。在一些材 料中， 磁致伸缩的尺寸足够大到使得这些材料获得作为 “磁致伸缩的材料” 的技术含义。在 此， 作为示例列举出 ： 铁磁过渡金属 （Fe， Ni， Co） 及其合金， 稀土 Tb， Dy， Sm 与铁磁过渡金属 的化合物 （例如 TbFe2， SmFe2， TbDyFe） 或者还有主要包含呈变化的份额的元素 Fe， Co， B 或 Si 的铁磁玻璃， 所谓的磁性的金属玻璃。 0004 磁致伸缩的长度变化的原因归因于磁的基本偶极子沿着外磁场的定向。 根据现有 的知识， 所述磁致伸缩的长度变化在室温下能够最高为 2.5mm/m。
11、=2500ppm。但是， 在铁磁的 形状记忆合金中通过将马氏体变体以场感应的方式再定向而实现最多大约 10% 的更大的 伸展。 0005 原则上， 磁致伸缩不与外部磁场场强线性相关地进行。 更确切地说， 例如存在饱和 场强 Hs， 另一方面能够证实， 材料不再有进一步的长度变化。因此， 所有的基本偶极子已经 完全地朝场方向定向， 并且场强的进一步提高不再引起材料的反应。 0006 此外， 磁致伸缩相对于磁场换向是不变的， 即当磁化的初始配置相同并且不考虑 磁滞效应时相同场强的两个彼此相反地定向的场产生相同的长度变化。 0007 磁致伸缩曲线 （H） 描述材料 （或由材料构成的体） 沿具有由于在。
12、材料中的畴分布 的变化而引起的场强 H 的磁场方向的磁致伸缩的长度变化。 0008 在不具有磁滞的最简单的情况下， （H） 延伸穿过原点 （在不具有场的情况下没 有变化） 并且相对于 H=0 对称。对于 H 的大的绝对值 （|Hs|） 而言， 所述 （H） 应有 （正的 或负的） 饱和值。其在文献中称为 “压磁系数” 的导数 d/dH 在 H=0 和 H=Hs之间具有两 个极值， 所述极值位于 H=HB。因此， 磁致伸缩曲线的拐点位于这里， 并且在所述拐点的周 围即对于 H=HB的小的场变化磁致伸缩是近似线性的并且最大限度敏感的。 0009 但是通常， 磁致伸缩的材料也显示出或多或少明显的磁滞。
13、， 进而磁致伸缩曲线的 分布曲线也与早期状况相关。尤其在在外部场中循环时发现 ： 从较大的场或较小的场起接 近特定的场强 H0造成差别。在此存在两个可测量的长度变化 （H0） ， 但是所 述长度变化也相对于 H=0 对称地示出 ： （-H0） 和 （H0） 。例如 从 US 2004/0126620A1 中已知的是， 多层的复合材料由磁致伸缩的和压电的材料层形成， 说 明 书 CN 103620435 A 4 2/11 页 5 即所谓的磁电的复合层。此外， 其非常适合于将磁致伸缩的材料由于机械耦合的长度变化 传递到压电材料上， 并且在那引起电极化状态的变化。由结构引起的电荷位移 （压电效应） 。
14、产生可测量的电场或直接检测磁致伸缩进而间接检测外部的磁场的测量电压。 这种复合物 能够形成磁场传感器的基础， 所述磁场传感器通常称为磁电式传感器或简称为 ME 传感器。 0010 如果检测到非常小的磁场， 即要形成非常敏感的磁致伸缩的层， 那么为此必须设 有足够量的磁致伸缩的材料。根据所有的经验显示， 立方毫米量级的材料体积适宜检测微 微特斯拉的磁通密度。利用根据之前所述内容应保持限制为几十纳米的磁致伸缩的层厚 度，“交换偏置的 （exchange-biased） ” ME传感器的制造首先对于小的场而言是并不期望的。 0011 在下文中，“在零场中的压磁系数” 用作表征磁致伸缩的层的术语。因此。
15、， 在本文的 意义上， 这意味着在不存在外部的磁场时或简称在零场中的 d/dH 的绝对值。 发明内容 0012 本发明的目的是， 提出一种磁致伸缩的层系统， 所述磁致伸缩的层系统适合于制 造高灵敏性的 ME 传感器。 0013 所述目的通过一种层系统来实现， 所述层系统包括 ： 至少一个反铁磁 （AFM） 层和 直接设置在所述反铁磁层上的磁致伸缩的铁磁 （FM） 层， 并且具有交换偏置 （EB） 场， 其特征 在于在零场中 FM 层的 EB 感应的磁化强度大于 85% 且小于 100%， 在层平面中的角 opt， 所 述角由 EB 场方向和在零场中具有最大压磁系数的磁致伸缩方向围成， 所述角位。
16、于 10和 80之间。从属权利要求给出该层系统的有利的设计方案。 0014 上文提到的最大压磁系数处于与如同传统地通过永磁体辅助的磁致伸缩的层的 材料的压磁系数相同的量级。 0015 本发明基于的认知是， 如果事先通过 EB 场引入磁各向异性， 那么在零场中的压磁 系数与在 FM 层中的应发生磁致伸缩的方向 （磁致伸缩方向） 相关。就此而言， 在零场中的压 磁系数取决于所述方向与在层平面中的 EB 场方向所围成的角。对本质上既不与 EB 场方向 一致也不垂直于 EB 场方向的方向而言， 所述压磁系数具有最大值。所述方向能够通过测量 最大压磁系数来识别。 0016 磁化强度解释为比例 M（H） 。
17、/M（Hs） ， 其中 M（H） 表示在外部场 H 中的能测量的磁 化并且 M（Hs） 表示饱和磁化。因此， 在零场中的磁化强度是 M（H=0） /M（Hs） 。 0017 根据本发明的层系统具有特性 ： 0.85M（H=0） /M（Hs） 1 进而具有至少一个 FM 层 （层磁矩） 的净磁化。磁化强度能够被测量， 其方式为 ： 首先确定层磁矩的方向和绝对值并且 此后沿着所述方向记录磁滞曲线。层磁矩的方向同时是所施加的交换偏置场的方向。 0018 根据本发明的层系统的特征在于交换偏置场方向上的磁滞曲线， 所述磁滞曲线在 纵坐标 H=0 的一侧上显示出已经接近完全磁化。尤其， 至少一个磁致伸缩的。
18、 FM 层在零场中 就已经通过交换偏置而磁化为至少85%。 但是， 所述FM层不应被完全磁化， 因为这已经意味 着强的 EB 钉扎 （pinning） ， 使得元磁体的缺乏的可移动性对想要的磁致伸缩产生不利的影 响。因此， 根据本发明在层系统中设立的 EB 场 HBEB的绝对值的选择具有上限。 0019 根据本发明的层系统示出在零场中沿着层平面中的与 EB 场的方向围成角 opt的 方向的最大压磁系数， 其中 opt位于 10和 80之间。在优选的设计方案中可见， 角 opt 位于 45和 75之间。所述角间接地通过 EB 场的绝对值来确定。就此而言， 所提到的角 说 明 书 CN 10362。
19、0435 A 5 3/11 页 6 度限制是对 HEB的有利的限制。 0020 尤其， 借助于根据本发明的层系统能够制造ME传感器， 所述ME传感器具有固有的 辅助场和高的压磁系数以及在零场中的高的磁电电压系数， 但仅具有小的或甚至完全不具 有杂散场 （Streufeld） 。这种 ME 传感器具有预设的测量方向， 所述测量方向基本上与层系 统的 EB 场的方向围成角 opt。所述角为最小 10和最高 80。所述角优选位于 45和 75之间。 0021 为了制造 ME 传感器， 在本领域技术人员的能力范围内根据本发明的层系统能够 也被多次重复地沉积在彼此之上进而形成层堆 （ “layer st。
20、ack” ） 。 有利的能够是， 在具有根 据本发明设立的交换偏置的重复的 AFM/FM 双层之间设有非磁性的中间层。在下文中进一 步阐述中间层的目的。 附图说明 0022 此外， 也借助于下面的附图来详细解释本发明。在此示出 ： 0023 - 图 1 示出具有在 EB 场的方向上通过交换偏置 （EB） 辅助的磁致伸缩的层的层堆 的磁滞曲线 ； 0024 - 图 2 示出图 1 中的层堆的对在磁场和 EB 场方向之间的不同的角的磁致伸缩曲 线， 其对压磁系数的角度相关性加以说明 ； 0025 - 图 3 示出在 EB 辅助的和永磁辅助的磁致伸缩的层之间的杂散场的计算出的对 比 ； 0026 -。
21、 图 4 示出根据本发明的一个实施例的层系统 ； 0027 - 图 5 示出根据本发明的一个实施例的磁电式传感器 ； 以及 0028 - 图 6 示出根据本发明的一个实施例的方法的流程图。 具体实施方式 0029 ME 传感器的灵敏度的一个重要的方面是磁致伸缩相对于小的磁场 （小于纳特， 1 特斯拉 =010.000 奥斯特） 的程度。第二方面是电压响应对于磁场变化的线性。在测量 目的的意义上优化这两个方面， 当达到复合材料的磁致伸缩的层设立为， 使得其对于非常 小的待测量的磁场显示出与否则在磁致伸缩曲线的拐点的区域中可比的压磁系数 d/dH。 0030 能够有利的是， 沿着层设立所谓的辅助场。
22、。辅助场应是在时间上恒定的并且在传 感器的区域中是均匀的， 并且沿着磁致伸缩应被优化的方向延伸。相关于 ME 传感器， 这是 待确定测量场的分量的测量方向。 辅助场也称为偏置磁场并且根据上文尽可能在整个层中 具有绝对值 HB。 0031 “不被辅助的” （即不受辅助场影响的） 并且不预先磁化的磁致伸缩的层具有对称 于 H=0 的磁致伸缩曲线并且在零场中具有实际上为零的压磁系数。如果与此相对地根据现 有技术在层中设立强度为 HB的辅助场， 那么用于基本偶极子的定向的有利于能量的优选方 向磁各向异性和在零场中的压磁系数是方向相关的。因此， 所述压磁系数在辅助 场的方向上具有最大值。 0032 辅助。
23、场能够电磁地产生或通过设置永磁材料来产生。 在产生电磁的辅助场时引入 新的能够将传感器装置的信噪比变差的噪声源。 直接设置在边缘上或甚至设置在磁致伸缩 说 明 书 CN 103620435 A 6 4/11 页 7 的层之内的永磁的应用允许所谓的 “自偏置的” ME 传感器的制造， 所述 “自偏置的” ME 传感 器能够检测非常小的测量场 （也参见例如 EP 0 729 122 A1） 。 0033 然而， 所有具有 “自偏置” （固有的辅助场） 的目前已知的磁致伸缩的层具有不同于 零的净磁化进而也在其周围产生杂散磁场 （ “stray fields” ） 。 当多个磁致伸缩的元件以紧 密相邻。
24、的方式设置， 例如以用于空间分辨的磁场测量的 ME 传感器阵列的方式设置时， 这尤 其是不利的。此外， 传感器和辅助场发生器的单片集成是对微型化的额外的障碍。此外， 传 感器相对于辅助场装置的每个相对运动由于已经最小的场不均匀性而造成另一噪声源。 0034 ME 传感器阵列是新一代的生物磁性探测器的良好的候选， 所述生物磁性探测器在 重要的应用领域中可以立即取代以往的 SQUID（超导量子干涉器件） 技术。例如， 能够 优选空间分辨地并且使用不同的场分量为被测试者检测心电图或还有脑电波的磁场 并且原则上计算回所产生的电流分布 （源重建） 。在未来甚至可设想的是， 经由磁性检测的 脑电波图案来控。
25、制设备 （例如假肢） 。然而， 超导的 SQUID 依靠极度的冷却， 而 ME 传感器即 使在室温下也达到微微特斯拉范围中的灵敏性。杂散场主导影响的问题还有待解决。 0035 在 由 Vopsaroiu 等 人 所 著 的 论 文 “A new magnetic recording read head technology based on magneto-electric effect”,J.Phys.D:Appl. Phys.40(2007)5027-5033 中得到的建议是 ： 代替经由根据现有技术的磁阻， 经由微型化的 ME 传感器读取磁性存储介质。 0036 可能的是， 相对大的、 。
26、引入存储介质中的磁矩 （数位代表其定向） 也能够在磁致伸 缩的材料的非常薄的层中就已经引起能压电测量的长度变化。为此， 磁致伸缩的层应被带 入有利的工作点。这能够通过与反铁磁 （AFM） 层的交换相互作用来实现， 所述反铁磁层直 接设置在磁致伸缩的铁磁 （FM） 层上或设置在磁致伸缩的铁磁 （FM） 层之下。 0037 FM/AFM 交换相互作用在文献中称为 “交换偏置” （EB）并且自其 1956 被发 现起在理论上和实验中被密集地研究。至今， 不存在关于实现所述 “交换偏置”的通 用模型， 但是已确认的是， 所述交换偏置是在 AFM 和 FM 相 （Phase）之间的界面效应 。因此， E。
27、B 效应具有短的作用范围， 所述作用范围基本上通过 磁交换长度 （在大多数材料中为几纳米至几十纳米） 来确定。 0038 EB 效应尤其在数字存储技术中用于所谓的 “钉扎 （pinning） ” 磁化的层， 例如在制 造读出磁头或 “磁性随机存储器” （MRAM） 的 “磁性隧道结” 时使用。通过 “钉扎” 将 FM 层的 一次性设立的磁化固定或稳定。这例如通过在磁场中 FM/AFM 双层 （ “bilayer” ） 退火 （ “场 退火 （field annealing） ” ） 来实现， 其中首先低于居里温度， 以便固定在 FM 层中的偶极子 的定向。在尼尔温度下进一步冷却时， AFM 层。
28、的偶极子也被排列进而在 FM 层中产生磁的、 单向的各向异性。在 FM 层中的偶极子的扭转或翻转由此变得困难， 这在磁滞曲线沿着各向 异性位移时最明显地显示出。位移 HEB的程度称为交换偏置场 （强） 。 0039 关于交换偏置的其他信息以及具有反铁磁材料的多个表格 （尤其是表格 2-4） 例如从 Nougs 和 Schuller 的同名的概要文章 （Journal of Magnitism and Magnetic Materials192（1999） 203-232） 中得到。 0040 在弃用试验电流的情况下也足以测量磁阻的读出磁头的设计方案是对依赖受限 制的能量电池的移动式计算机非常有。
29、吸引力的。 0041 至今为止， 没有具有基于 AFM 的辅助场的 ME 传感器是已知的。因为 “自偏置的” ME 说 明 书 CN 103620435 A 7 5/11 页 8 传感器尤其被研究用于检测非常小的磁场， 这并不奇怪， 因为在所述设计方案的实施中可 预期一些问题 ： 0042 EB 效应越大， 磁致伸缩的 FM 层越薄。通常， 非常薄的 FM 层借助于几百 Oe 量级的 HEB在一个方向上被完全钉扎。在实践中， 这样被钉扎的层不再显示出相关的磁场的磁致伸 缩， 尤其不在钉扎方向上显示出相关的磁场的磁致伸缩。 0043 已知地， 随着 FM 层的层厚度增加， HEB减小。FM 层能。
30、够具有有利于磁致伸缩地设立 的、 邻近于 AFM/FM 界面的区域。而更远的层区域不由 EB 检测。因此， 当 FM 层的厚度选为 过大时， 不利于在 FM 层中借助于 EB 实现均匀的磁化。 0044 磁致伸缩的层用于执行器或以结合压电层用作磁电式传感器。在这两种情况下， 借助于磁致伸缩的层的层厚度来测量效应的大小 （执行器） 或灵敏性 （磁电式传感器） 。 0045 本发明的出发点是下述认知， 设立在 AFM/FM 双层中的 EB 场的绝对值根据目前的 知识通常理论上不能被预测， 而是只能通过实验事后借助于磁滞曲线来确定。仅 EB 场的方 向能够事先通过选择退火场 （Einkhlfelde。
31、r） 的方向来准确地选择。而 EB 场的绝对值能 够通过 FM 层的层厚度的变化来改变 ； 所述绝对值随着层厚度的增长而减小。 0046 如果首先依照Vopsaroiu等人的建议， 那么必须产生EB场， 所述EB场的绝对值HEB 刚好对应于压磁系数为最大的辅助场强 HB， 以便设立在 EB 场的方向上的灵敏性。然而， HEB 和HB不能彼此无关地变化， 因为HEB和HB随着FM层的厚度而变化， 并且不清楚的是， 对于任 意的层厚度而言究竟是否能够满足条件 HEB=HB， 以及如果满足， 那么实际的实施方案有多复 杂。 0047 因此， 本发明的核心内容是， 设立一种具有磁致伸缩的 FM 层的 。
32、AFM/FM 层系统， 所 述磁致伸缩的 FM 层通过 EB 场引入到限定的磁性状态中， 并且然后沿着在层平面中的不同 于 EB 场方向的方向寻找磁致伸缩。在此发现特征在于在零场中的最大压磁系数的方向， 并 且所述方向与EB场方向围成角opt， 所述角位于10和80之间。 优选地， opt位于45 和 75之间。 0048 根据本发明的层系统能够用气相沉积法 “物理气相沉积 （physical vapour deposition） 例如溅射” 来制造。 0049 AFM 层的厚度能够根据现有技术来选择， 使得 AFM 层厚度的进一步提高不再对 FM 层中的 EB 场的绝对值产生影响。为此， 通。
33、常为几纳米的层厚度是足够的。但是， AFM 层厚 度也能够选择为更小的， 只要所述层厚度能够构成仅一个稳定的反铁磁相。现有技术力求 尽可能高的 EB 场， 以便钉扎 FM 层。而在本发明中， 具有上限的 EB 场强是适宜的。FM 层的 厚度确定交换偏置场强 HEB。 0050 本领域技术人员能够通过初步试验易于明白， 对于 AFM/FM 层系统的特定的材料 选择是否能够设立本发明的意义上的交换偏置， 以及用何种层厚度能够实现所述交换偏 置。 0051 例如， 本领域技术人员能够生产具有不同的 FM 层厚度的一组样品， 否则生成同样 地制备的 AFM 层， 将其在相同的条件下在磁场中依次在居里温。
34、度和尼尔温度下冷却并且随 后例如用振动样品磁强计沿着退火方向记录磁滞曲线。 0052 推荐的是， 使样品在已冷却的状态下首先经受几次磁极转换， 以便引起交换偏置 的所谓的训练效应 （Trainingseffekt） 。由此， EB 场在几次循环之内达到稳定的终值。 说 明 书 CN 103620435 A 8 6/11 页 9 0053 因此， 样品的磁滞的检查应得出至少一个、 通常多个磁滞曲线， 所述磁滞曲线显示 出 ： 一个或多个样品在零场中就已经处于磁饱和附近。 根据本发明， 对于限定的磁性状态而 言需要 85% 的最小磁化强度。 0054 根据本发明优选的样品是其中刚好出现下述情况的那。
35、个样品 ： 即所述样品具有绝 对值最小的 EB 场， 其足以用于在零磁场中的样品的 FM 层的至少 85% 的磁化。通过所述限 制， EB 场不设立为大到使得偶极子不再是可运动的并且不再会受小的磁场的影响。从所描 述的预先检查中能够直接读出用于根据本发明的层系统的适合的层厚度。 0055 作为第一实施例， 根据本发明的层系统能够如下实现 ： 0056 2nm 厚的钽层和设置在其上的 2nm 厚的铜层形成用于反铁磁磁体的种子层 （Keimschicht） 。在种子层上沉积有厚度通常优选位于 3nm 和 8nm 之间的、 更特别优选的并 且在此示例地为 5nm 厚的由 Mn70Ir30（以 % 计。
36、） 构成的 AFM 层。磁致伸缩的 FM 材料 Fe50Co50 设置在厚度通常优选位于 15nm 和 25nm 之间的、 更特别优选的并且在此示例地为 20nm 厚的 层中的 AFM 层上。 0057 在此要指出的是， 一方面存在于实际上任意的衬底上构成 AFM 相的多晶体的 AFM 材料， 并且另一方面也存在为此需要衬底的特定的结晶的排列 （ “结构” ） 的 AFM 材料。如果 不存在所述材料， 那么能够通过设置附加的种子层来应对。 在实施例中， 单晶体的钽具有的 目的是，“清除” 衬底的结构或使设置在所述衬底之上的材料不可见。因此， 沉积在其上的铜 层提供用于在锰 - 铱合金中构成 A。
37、FM 相的有利的衬底。 0058 所述实施例的层系统能够具有相同的材料选择， 如同所述材料选择在 G.Reiss、 D.Meyners 的论文 “Logic based on magnetic tunnel junctions” ， J.Phys.:Condens. Matter19(2007),165220(12pp) 中所描述的那样。 0059 第一实施例的层系统能够通过重复构成为层堆， 因为钽的 “消除结构的” 作用也出 现在重复层次序时。钽在每次重复时设置在磁致伸缩的 FM 层上。 0060 作为第二实施例， 实现具有总共 40 次重复的 Ta/Cu/Mn70Ir30/Fe50Co50。
38、- 层系统的磁 致伸缩的层堆如在第一实施例中所描述的那样。所述层堆具有 1200nm 的总厚度， 其中体积的三分之二由磁致伸缩的材料构成。因此， 能够将每平方厘米横截面大约 108m3 的磁致伸缩的材料沉积到衬底上， 这位于高灵敏性的 ME 传感器的常规设计的范围中， 所述 ME 传感器借助于薄层技术来制造。 0061 根据本发明的层系统能够通过对衬底 （例如硅晶片） 的覆层来产生， 并且此后作为 整体从衬底剥离。因此， 所述层系统能够构成为不具有衬底的。 0062 在下面的概览表中列举了其他适合于实现本发明的材料系统。层厚度 （尤其用于 设定 HEB） 和相对于具有在零场中的最大压磁系数的 。
39、EB 场方向的角能够借助于如上文所述 的样品来确定。在表格中， 元素的下标表示以原子百分比为单位 （以 % 计） 的混合比例。进 一步的指示从表格的脚注得到。 0063 说 明 书 CN 103620435 A 9 7/11 页 10 0064 说 明 书 CN 103620435 A 10 8/11 页 11 0065 说 明 书 CN 103620435 A 11 9/11 页 12 0066 图 1 示出根据第二实施例的层堆的沿在设立交换偏置时所应用的退火场的方向 测量出的磁滞曲线。在 H=0 的纵轴线的一侧上由于所施加的 EB 场而在层堆中存在 FM 层的 至少 85% 的磁化是根据本。
40、发明的层系统的特征。 0067 如已经提到的， 层堆的形成是本领域技术人员常见的。 同样， 本领域技术人员例如 从 US 2011/062955 A1 中已知的是， ME 传感器能够实现为以交替的顺序分别包括多个磁致 伸缩层的和压电层的层堆。 因此， 也可能的是， 制造以交替的顺序具有压电层和根据本发明 的磁致伸缩层系统的 ME 传感器。 0068 替选地， 如上文所描述的构成为重复的根据本发明的层系统的磁致伸缩的层堆也 能够作为整体与各个压电层连接， 以便制成 ME 传感器。所述可能性由于明显更简单的光刻 结构化在金属的 / 传导的磁致伸缩的情况下是优选的。 0069 如果检查根据第二实施例。
41、的层堆的以相对于 EB 场的所施加的方向的不同的角 0 90的磁致伸缩， 那么确定了磁致伸缩曲线现在取决于 进行位移并且也改变 了其质的分布曲线。 0070 图 2 示出用于第二实施例的沿着相对于 EB 方向转动角 opt=36、 54、 72和 90的方向测量出的磁致伸缩曲线。在此， 当 FM 层的偶极子刚好垂直于引起磁致伸缩的磁 场的方向定向时， 90的情况对应于磁致伸缩曲线的已知的对称特性。 在其他的情况下， 表 现出非对称性以及尤其在H=0时或多或少的增加d/dH。 在零场中具有最大压磁系数d/ dH 的方向在此在 opt=54的情况下得到。 0071 所施加的EB场的方向 （所述方向。
42、借助于磁滞曲线关于H的最大位移的出现也能够 在制成层系统之后的任意时间被确定） 与在层平面中的能够在零场中测量出最大压磁系数 的方向的偏差位于10和80之间的角， 优选为位于45和75之间的角， 这是根据本发 明的层系统的另一特征。 0072 角opt的精确的值不能笼统地给出， 而是要对每个具体的层系统在预先给出 材料和层厚度时借助于磁致伸缩的角分辨的检查来测量所述值。然而， 对于所述层系 统仅一次性确定所述值。如果产生具有与已经已知的层系统略有偏差的层系统， 那么会需 要 opt的匹配。 0073 由于能够后续设定 opt， 所施加的 EB 场的精确的绝对值不是太重要。如果将 HEB 设立为。
43、比所需的略大， 即尤其， 在零场中至少一个 FM 层的磁化强度超过 85%， 那么找到以略 说 明 书 CN 103620435 A 12 10/11 页 13 大于角 opt的在零场中具有最大压磁系数的方向。 0074 如果存在多种可能性例如在预先检查时的多个样品用于设立引起在零 场中的FM层的根据本发明适合的磁化强度的EB场， 那么有利的是， 从这些可能性中选出将 角 opt带入到位于 45和 75之间的区间中的可能性。 0075 在一定程度上， opt的寻找对应于 EB 场在辅助方向上的精调。在 Vopsaroiu 等人 所述的情况下这种精调的缺失至今阻碍实际实施。现在， 借助于在此描述。
44、的机构能够制造 和应用具有在零场中的高的压磁系数的 “EB 场辅助的” 磁致伸缩的层系统。 0076 为了制造用于非常小的测量场的ME传感器， 要依靠产生辅助EB场的层堆， 以便具 有足够的磁致伸缩材料。 关于磁滞曲线的位移和在零场中的压磁系数的角相关性的结论同 样适用于单独的根据本发明的层系统， 例如适用于包括多次重复的层系统的层堆。 实际上， 甚至能够更容易地测量层堆上的磁滞和磁致伸缩。 EB场通常仅在制成层堆之后才被施加到 所述层堆中。然后， 角 opt被识别出。 0077 在 ME 传感器的情况下， 衬底例如通常是矩形条带， 例如由 Si 或由玻璃制成的条 带， 所述条带首先用压电材料。
45、覆层。衬底也能够是构成为自支撑的压电体。例如， 为了量取 电压， 复合物的下侧和上侧与电极接触。 0078 ME 传感器总是具有所绘出的轴线， 应沿着所述轴线充分利用磁致伸缩进而所述磁 致伸缩在所述轴线上应是最敏感的。在矩形条带的情况下， 这例如是更长的轴线。在将根 据本发明的层堆设置在压电体上之后， 辅助场优选通过退火施加在磁场中。 替选地， 在磁致 伸缩的材料沉积、 例如通过溅射而沉积期间， 在磁场中也能够产生固有的辅助场。 在所有情 况下， 需要将确定 EB 场的方向的磁场相对于 ME 传感器的所绘出的轴线扭转 opt。以这种 方式， 磁致伸缩的层系统刚好沿着所绘出的方向具有其在零场中的。
46、最大压磁系数， 在条带 的示例中即例如沿着纵轴线进而沿着 ME 传感器的所设有的测量方向具有其在零场中的最 大压磁系数。 0079 替选地， 层堆能够大面积地例如施加到面衬底 （例如晶片） 上， 所述面衬底预先设 有电接触的压电体。因此， 整个晶片能够在退火场中被处理并且接着在条带状的 ME 传感 器中被分割。在此， 现在要设想的是， 分割的方向指的是被分割的条带的长轴线的方 向与退火场围成的角 opt， 因此得到尽可能敏感的 ME 传感器。 0080 在此描述的磁致伸缩的层系统具有通过弃用永磁体而剧烈降低的净磁化的主要 优点。只有通过交换偏置引入的各向异性确保， 在每个磁致伸缩的层中的基本偶。
47、极子的有 利的定向产生净磁矩。然而， 所述净磁矩相对于否则需要用于辅助场的永磁体的场强是小 的。此外， 通过 EB 效应在实践中保证了偶极子定向的规律性即辅助场的均匀性， 这本 身已经是相对于现有技术的改进。 0081 因为杂散场只能用相当大的耗费来测量， 在此数字模型计算应足以说明本发明的 效应。图 3 示出邻近于铁磁的、 磁致伸缩的矩形条带平行于其纵轴线 （x 轴线） 的、 对于 a） 根 据本发明的EB预磁化 （以opt=60， 即AFM条带通过交换相互作用以相对于纵轴线60角 来钉扎偶极子） 以及对于 b） 具有沿着纵轴线的主场方向的永磁体装置所计算出的场分布。 由 AlNiCo 构成。
48、的永磁体选择为大到使得其在铁磁的矩形条带的位置上的磁场平均为 5 奥 斯特并且以不大于 10% 变化。在相邻的第二矩形条带的或者传感器的中点 （x=0） 上的磁 场在情况 a） 下大约为 2nT 并且在情况 b） 下大约为 100nT。 说 明 书 CN 103620435 A 13 11/11 页 14 0082 图 4 示出根据本发明的一个实施例的层序列 400， 所述层序列具有面衬底 401， 在 所述面衬底上存在电接触的压电体402。 在压电体402上施加有层系统， 所述层系统由变化 的层序列构成， 所述层序列由多个反铁磁层 403、 405 和多个磁致伸缩的铁磁层 404、 406 。
49、组 成。 0083 图 5 示出根据本发明的一个实施例的磁电式传感器。传感器 500 具有上文所描述 的层序列400。 电接触的压电体经由导线503连接到电路501上， 所述电路收到压电体的信 号。电路 501 能够经由接口 502 与外部的读取设备连接。 0084 图 6 示出用于制造根据本发明的一个实施例的 ME 传感器的方法的流程图。在步 骤 601 中， 面衬底的覆层借助于电接触的压电体来实现。在步骤 602 中， 实现上文所描述的 层系统的层系统的施加， 其中 EB 场的方向通过预设外部磁场来确定。然后， 在步骤 603 中， ME 传感器的测量方向确定为在平面内平行于反铁磁层和磁致伸缩的铁磁层的方向， 在。