Simulation and design of a Z-field sensitive spin polarized GMR sensor

Abstract

Magnetfeldsensoren sind in vielen unterschiedlichen Ausführungen und Anwen dungen zu nden. Sie werden zum Beispiel zur Drehzahlmessung in Autos oder auch einfach zum Auslesen von Daten auf Magnetstreifen, wie einer Kreditkarte, eingesetzt. Um Daten auslesen zu können, ist es notwendig zwischen zwei binären binären Zuständen unterscheiden zu können. In Strukturen, welche aus wenige nm dünnen, übereinander gestapelten Schichten aus Ferromagneten und Nichtmagneten aufgebaut sind, ist der Riesenmagnetowiderstand (GMR) der maßgeblich verantwortliche Eekt der Widerstandsänderung. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein neues Sensorkonzept zu entwickeln, welches auf dem Spin-Transfer-Torque beruht und es erlaubt, die Stärke und Richtung einer einzelnen Komponente eines Magnetfeldes, der z-Komponente, zu bestimmen. Dabei werden neben dem Riesenmagnetowiderstand noch der Übertrag eines Drehmoments durch spinpolarisierte Elektronen (Spin-Torque) auf die magnetische Struktur des Sensors und eine intrinsische Eigenschaft der verwendeten Materialien, die es ihnen erlaubt, ihre Magnetisierung senkrecht zu ihrer Oberäche auszurichten (PMA), ausgenutzt. Im Folgenden werden die, dem Sensor zugrundeliegenden Konzepte diskutiert und seine Funktionsweise vorgestellt. Danach folgt eine Einführung in die theoretischen Konzepte, die zur Beschreibung des Sensors notwendig sind. Im Anschluss daran werden erste Simulationen des vorgeschlagenen Sensordesigns durchgeführt, um seine Funktionsfähigkeit zu zeigen und die Kenngrößen Sensitivität S und Detektivität D zu bestimmen.

Magnetic eld sensors exist in many dierent designs, meant for many dierent applications. For example, they are used in cars to measure the rotational speed of wheels or simply read data from magnetic strips of e.g. credit cards. In order to be able to read data, it is necessary to distinguish between two binary states. In structures made of multiple, several nm thin ferromagnetic and nonmagnetic layers, the main eect responsible for a change of resistance is called giant magnetoresistance (GMR). The aim of the thesis at hand is to develop a new sensor concept based upon spin-transfer-torque, that not only distinguishes between two eld directions, but also is sensitive to the strength of one single eld component, the z-component. Beside the giant magnetoresistance, the spin-torque, which is exerted by spin polarized electrons acting on the magnetic conguration of the sensor, and an intrinsic property of the used materials, the perpendicular magnetic anisotropy (PMA), are crucial to make the sensor design viable. Following, the underlying concepts of the proposed sensor design and its principle of operation will be discussed. This is concluded with an introduction to the theoretical concepts required to properly describe the sensor. Finally, initial simulations of the proposed sensor design will be conducted in order to demonstrate its viability and determine the parameters sensitivity S and detectivty D.