Магниторезистивный датчик

 

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано в тахометрах, устройствах неразрушающего контроля, датчиках перемещения, датчиках для измерения постоянного и переменного магнитных полей, электрического тока. Техническим результатом изобретения является получение магниторезистивного датчика с уменьшенной величиной тока управления в проводнике, что улучшает такие основные характеристики устройства, как потребляемая мощность, нагрев и чувствительность. Сущность: новым в магниторезистивном датчике является то, что над проводником управления расположена тонкопленочная магнитная структура, состоящая из по меньшей мере одной магнитомягкой пленки. При этом тонкопленочная магнитная структура может состоять из двух магнитных пленок, разделенных высокорезистивной тонкопленочной немагнитной прослойкой. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано в техометрах, устройствах неразрушающего контроля, датчиках перемещения, датчиках для измерения постоянного и переменного магнитного поля, электрического тока.

Известны магниторезистивные датчики, чувствительный элемент которых состоит из двухслойных магнитных пленок (патент РФ N 2066504, М.кл.⁵ H 01 L 43/08). Наличие двух магниторезистивных слоев в магниторезистивной полоске резко уменьшает величину размагничивающих полей магнитных пленок, что значительно понижает гистерезис и позволяет использовать топологию с взаимно перпендикулярным расположением тонкопленочных магниторезистивных полосок, входящих в соседние плечи мостовой схемы. Недостатком такого датчика является наличие у него четной вольт-эрстедной характеристики (ВЭХ) с нулевой чувствительностью при внешнем магнитном поле H=0. Вследствие этого, для работы в линейном диапазоне характеристики требуется введение дополнительного постоянного магнитного поля смещения, а поперечная относительно оси легкого намагничивания (ОЛН) магнитной пленки ориентация продольных осей магниторезистивных полосок в двух плечах из четырех увеличивает гистерезис.

Эти недостатки устранены в магниторезистивном датчике, все чувствительные элементы которого ориентированы вдоль ОЛН, и в котором используется проводник управления, проходящий над тонкопленочными магниторезистивными полосками, что позволяет формировать нечетную ВЭХ при минимальном гистерезисе (Патент РФ N 2139602, М.кл.⁵ H 01 L 43/08). Недостатком такого датчика является достаточно высокая величина тока управления в проводнике, что понижает технические характеристики датчика.

Задачей, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является создание магниторезистивного датчика с уменьшенной величиной тока управления в проводнике, что улучшает такие основные характеристики устройства, как потребляемая мощность, нагрев и чувствительность.

Указанный технический результат достигается тем, что в магниторезистивном датчике, содержащем подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположены соединенные в мостовую схему тонкопленочные магниторезистивные полоски с ориентированной вдоль них осью легкого намагничивания, изолирующий слой поверх тонкопленочных магниторезистивных полосок, на котором над тонкопленочными магниторезистивными полосками вдоль них расположен проводник управления, и защитный слой, над проводником управления между ним и защитным слоем расположена тонкопленочная магнитная структура из по меньшей мере одной магнитомягкой пленки с осью легкого намагничивания, направленной вдоль оси легкого намагничивания тонкопленочных магниторезистивных полосок. При этом в тонкопленочной магнитной структуре, содержащей две магнитные пленки, они разделены высокорезистивным тонкопленочным немагнитным слоем.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что над проводником управления располагается дополнительная тонкопленочная магнитная структура, которая усиливает магнитное поле проводника управления. При этом уменьшается необходимый ток управления, и за счет дополнительного замыкания размагничивающих магнитных полей тонкопленочной магниторезистивной полоски и тонкопленочной магнитной структуры повышается чувствительность магниторезистивного датчика.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структура магниторезистивного датчика в разрезе, на фиг. 2 изображена многослойная тонкопленочная магнитная структура в разрезе, на фиг. 3 показана топология магниторезистивного датчика (вид сверху), а на фиг. 4 приведены теоретические ВЭХ магниторезистивного датчика с пермаллоевыми тонкопленочными магниторезистивными полосками без пермаллоевой тонкопленочной магнитной структуры над проводником управления (а) и с ней (б).

Магниторезистивный датчик содержит подложку 1 (фиг. 1) с диэлектрическим слоем 2, на котором расположены четыре тонкопленочные магниторезистивные полоски, состоящие каждая из защитных слоев 3, 4, двух магнитных пленок 5, 6, разделенных немагнитным слоем 7 из высокорезистивного материала, расположенный поверх тонкопленочных магниторезистивных полосок изолирующий слой 8, на котором над тонкопленочными магниторезистивными полосками вдоль них расположен проводник управления 9, поверх которого расположена тонкопленочная магнитная структура 10 в виде по меньшей мере одной магнитомягкой пленки с ОЛН, направленной вдоль ОЛН тонкопленочных магниторезистивных полосок, и верхний защитный слой 11. В более сложном случае (фиг. 2) для улучшения замыкания размагничивающих магнитных полей тонкопленочная магнитная структура может состоять из двух магнитных пленок 12, 14, разделенных высокорезистивным тонкопленочным немагнитным слоем 13.

Магниторезистивный датчик представляет собой мостовую схему (фиг. 3) из четырех тонкопленочных магниторезистивных полосок 15-18, четырех проводников 19-22, соединяющих тонкопленочные магниторезистивные полоски в мостовую схему. Четыре контактные площадки 23-26 в вершинах мостовой схемы соединены с проводниками 19-22. Сверху расположен проводник управления 27 с нанесенной поверх него тонкопленочной магнитной структурой. Проводник управления проходит над тонкопленочными магниторезистивными полосками 15-18 и имеет контактные площадки 28, 29.

В настоящее время существуют анизотропные, спин-вентильные и спин-туннельные магниторезистивные датчики. Заявляемое изобретение относится ко всем видам этих датчиков. В качестве примера рассмотрим магниторезистивный датчик с анизотропным магниторезистивным эффектом.

Работа магниторезистивного датчика происходит следующим образом. При отсутствии внешнего магнитного поля, тока в проводнике управления 27 и сенсорного тока в мостовой схеме, векторы намагниченности магнитных пленок 5, 6 в тонкопленочных магниторезистивных полосках 15-18 и тонкопленочной магнитной структуры 10 устанавливаются вдоль ОЛН антипараллельно друг другу. При подаче через контактные площадки 23, 25 сенсорного тока в мостовую схему магниторезистивного датчика этот ток в каждой магниторезистивной полоске разбивается на два тока, протекающих через слои 5 и 6, причем ток в одном слое каждой магниторезистивной полоски создает в пленке другого слоя магнитное поле, перпендикулярное ОЛН, причем эти поля взаимно антипараллельны. Эти магнитные поля немного отклоняют векторы намагниченности в магнитных пленках 5, 6 от ОЛН в противоположных направлениях, что не нарушает замыкание размагничивающих магнитных полей. Воздействием магнитного поля, создаваемого сенсорным током в магниторезистивных полосках 15-18 на тонкопленочную магнитную структуру, можно пренебречь, по причине небольшой величины этого тока. Поскольку исходные величины сопротивлений тонкопленочных магниторезистивных полосок согласованы, а изменения их сопротивлений за счет отклонения векторов намагниченности под действием сенсорного тока одинаковы, баланс моста не нарушается, и разность потенциалов на контактных площадках 24, 26 равна нулю. В реальных условиях всегда существует технологический разбаланс, достигающий (приблизительно) ±1% от сопротивления мостовой схемы, влияние которого легко устраняется в усилителе считывания.

При подаче в проводник управления 27 через контактные площадки 28, 29 постоянного тока управления создаваемое им магнитное поле будет действовать перпендикулярно ОЛН в одном направлении на тонкопленочные магниторезистивные полоски 15, 17 и в обратном направлении - на части магнитной структуры 10, расположенные над этими полосками. На тонкопленочные магниторезистивные полоски 16, 18 и магнитную структуру над этими полосками магнитное поле, создаваемое током управления, будет действовать в противоположном направлении. Под действием магнитного поля, создаваемого током управления, векторы намагниченности в тонкопленочных магниторезистивных полосках 15, 17 отклонятся от ОЛН на угол +ϕ, а в тонкопленочных магниторезистивных полосках 16, 18 - на угол -ϕ. Поскольку знак угла отклонения вектора намагниченности не влияет на характер изменения сопротивления тонкопленочных магниторезистивных полосок, то к разбалансу мостовой схемы это не приведет. В частях магнитной структуры вектора намагниченности повернутся на углы ±φ, но в противоположных направлениях.

Таким образом, размагничивающие магнитные поля, создаваемые тонкопленочной магнитной структурой, будут всегда совпадать по направлению с магнитным полем, создаваемым током управления, т.е. будет происходить как бы усиление этого магнитного поля. С другой стороны, будет происходить частичное замыкание размагничивающих магнитных полей тонкопленочных магниторезистивных полосок 15-18 и магнитной структуры 10. Это приведет к уменьшению полей перемагничивания обеих структур, что означает увеличение чувствительности магниторезистивного датчика к магнитному полю.

На фиг. 4 приведены ВЭХ магниторезистивного датчика без тонкопленочной магнитной структуры (а) и с ней (б). Оптимальные параметры магниторезистивного датчика следующие: ширина тонкопленочной магниторезистивной полоски 14 мкм, ширина проводника 22 мкм и длина 1 мм, толщина магниторезистивной пленки 12 нм, толщина магнитной пленки структуры 30 нм, поле анизотропин 5 Э при величине сенсорного тока 5 мА. Оптимальное значение тока в проводнике при отсутствии тонкопленочной магнитной структуры равно 50 мА, что соответствует максимальной чувствительности датчика 1,0 мВ/(ВхЭ). Оптимальное значение тока в проводнике управления при наличии тонкопленочной магнитной структуры толщиной 6 нм равно 40 мА, что соответствует максимальной чувствительности датчика 3,3 мВ/(ВхЭ). Можно видеть, что при наличии тонкопленочной магнитной структуры необходимая величина тока управления уменьшается, а чувствительность в области малых полей возрастает приблизительно втрое. Анализ показывает, что использование двухслойной тонкопленочной магнитной структуры менее эффективно, хотя тоже приводит к увеличению чувствительности.

Магниторезистивный датчик измеряет магнитное поле, перпендикулярное ОЛН. Под действием этого магнитного поля все вектора намагниченности тонкопленочных магниторезистивных полосок 15-18 и магнитной структуры 10 повернутся в его направлении, причем в двух тонкопленочных магниторезистивных полосках угол поворота векторов относительно ОЛН увеличится, а в двух других - уменьшится. Это означает, что сопротивления одной пары противоположных плеч мостовой схемы увеличатся, а другой - уменьшатся. Таким образом мостовая схема разбалансируется, и на выходе магниторезистивного датчика на контактах 24, 26 появится выходной сигнал, полярность которого зависит от направления измеряемого магнитного поля, т.е. ВЭХ магниторезистивного датчика - нечетная. В линейной области ВЭХ датчика углы поворота векторов намагниченности тонкопленочной магнитной структуры 10 изменяется мало из-за большого влияния магнитного поля, создаваемого током управления, и при малых величинах измерительного поля положительное влияние замыкания размагничивающих магнитных полей превалирует над отрицательным фактором появления их несбалансированности под действием измеряемого магнитного поля.

Таким образом, теоретический анализ показывает существенное уменьшение тока управления и резкое увеличение чувствительности магниторезистивного датчика с нечетной ВЭХ при использовании тонкопленочной магнитной структуры, расположенной над проводником управления. Несмотря на усложнение конструкции магниторезистивного датчика и технологии его изготовления, для ряда задач, в первую очередь, связанных с предельно малыми измеряемыми магнитными полями, подобные датчики являются единственно возможным техническим решением для повышения их чувствительности

Формула изобретения

1. Магниторезистивный датчик, содержащий подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположены соединенные в мостовую схему тонкопленочные магниторезистивные полоски с ориентированной вдоль них осью легкого намагничивания, изолирующий слой поверх тонкопленочных магниторезистивных полосок, на котором над тонкопленочными магниторезистивными полосками вдоль них расположен проводник управления, и защитный слой, отличающийся тем, что над проводником управления между ним и защитным слоем расположена тонкопленочная магнитная структура из по меньшей мере одной магнитомягкой пленки с осью легкого намагничивания, направленной вдоль оси легкого намагничивания тонкопленочных магниторезистивных полосок.

2. Магниторезистивный датчик по п.1, отличающийся тем, что в тонкопленочной магнитной структуре, содержащей две магнитные пленки, последние разделены высокорезистивным немагнитным тонкопленочным слоем.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4