Магниторезистивный датчик

 

Изобретение относится к области автоматики и магнитометрии и может быть использовано для регистрации механических перемещений, измерения постоянных и переменных магнитных полей. Техническим результатом изобретения является получение датчика повышенной чувствительности с нечетной вольт-эрстедной характеристикой. Сущность: ось легкого намагничивания во всех тонкопленочных магниторезистивных полосках ориентирована поперек полосок в одном направлении. Управляющий проводник проложен через изолирующий слой поверх полосок, в поперечном по отношению к ним направлении, вдоль направления ориентации их осей легкого намагничивания. 4 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области автоматики и магнитометрии, может быть использовано для регистрации механических перемещений, постоянных и переменных магнитных полей.

Известен магниторезистивный датчик, чувствительный элемент которого состоит из четырех тонкопленочных магниторезистивных полосок (магниторезисторов), объединенных в мостовую схему. При этом две полоски имеют продольную ориентацию оси легкого намагничивания (ОЛН), а две другие - поперечную (патент РФ 2066504, МКИ H 01 L 43/08).

Основным недостатком такого датчика является четная вольт-эрстедная характеристика, требующая для нормальной работы дополнительного магнитного смещения и относительно высокого гистерезиса.

Эти недостатки устранены в магниторезистивном датчике (патент РФ 2139602 С1, МКИ H 01 L 43/08), имеющем четыре тонкопленочных магниторезистора с продольной ориентацией осей легкого намагничивания, объединенных в мостовую схему. Магниторезисторы в виде полосок ориентированы в одном направлении. Поверх магниторезисторов через изолирующий слой проложен управляющий проводник.

К недостаткам данного устройства можно отнести относительно невысокую чувствительность к магнитному полю.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является исправление указанного недостатка.

Сущность заключается в следующем. Магниторезистивный датчик, выполненный по мостовой схеме, содержит четыре тонкопленочных двухслойных магниторезистора, обладающих анизотропным эффектом и выполненных в виде полосок из ферромагнитного материала, геометрически ориентированных в одном направлении. При этом ось легкого намагничивания во всех полосках ориентирована поперек полосок в одном направлении. Управляющий проводник проложен через изолирующий слой поверх полосок, в поперечном по отношению к ним направлении, вдоль направления ориентации их ОЛH.

На фиг.1 представлена электрическая схема предлагаемого МРД.

Тонкопленочные двухслойные магниторезистивные полоски 1, 2, 3, 4 ориентированы своей длиной в одном направлении, каждая от начала к концу, причем ОЛН ориентированы в них в поперечном направлении. Полоски соединены в мостовую схему. Проводником 5 соединены с контактной площадкой 9 начало полоски 1 и конец полоски 4; проводником 6 - с контактной площадкой 10 - начало полоски 2 и конец полоски 3; проводником 7 - с контактной площадкой 11 - конец полоски 1 и начало полоски 3; проводником 8 - с контактной площадкой 12 - конец полоски 2 и начало полоски 4.

Управляющий проводник 13 с контактными площадками 14, 15 проложен через изолирующий слой (например, SiO₂) толщиной до 2 мкм последовательно над полосками, причем управляющий проводник 13 вначале идет от контактной площадки 14 поперек полосок 1 и 2 параллельно их ОЛН, а затем проходит к контактной площадке 15 последовательно над полосками 3 и 4 антипараллельно их ОЛН.

Магниторезистивные полоски 1, 2, 3, 4 имеют два слоя из ферромагнитного сплава 16 и 17, разделенные высокорезистивной немагнитной прослойкой 18, например, из Ti или TiN (фиг.2). Полоски 1, 2, 3, 4 напылены на изолирующей подложке 19. Через изолирующий слой 20 проложен управляющий проводник 21, покрытый сверху изоляцией 22. Длина полосок относится к их ширине от 5:1 до 20:1. Суммарная толщина трех слоев 16, 17, 18 полосок не превышает 1 мкм.

Из работы (Васильева и др./ Разработка тонкопленочных двухслойных магниторезистивных датчиков // Приб. и сист. упр. - 1995. - 2. - 24-26) известно, что двухслойные магниторезисторы с поперечной ориентацией ОЛН имеют более высокую чувствительность к магнитному полю (в 2÷4 раза).

В предлагаемом магниторезистивном датчике, в отличие от прототипа, все четыре магниторезистора имеют поперечно, а не продольно, ориентированные ОЛН.

МРД (фиг.1) работает следующим образом. К контактным площадкам МРД, например, 10 и 12 подводится напряжение питания. В результате через плечи моста - полоски 1; 3 и 2; 4 течет ток питания Iп. Поскольку сопротивления полосок 1÷4 равны, напряжение между контактными площадками 9 и 11 равно нулю.

Электрический ток смещения Iп, подведенный через контактные площадки 14 и 15 к управляющему проводнику 13, создает магнитное поле смещения. Под действием этого поля вектора намагниченности в полосках 1 и 2 отклоняются на угол +ϕ от ОЛН, а в полосках 3 и 4 - на -ϕ. При этом разность потенциалов на контактах 9 и 11 останется равной нулю, так как сопротивление всех полосок 1÷4 остались равными, ввиду четности статических вольт-эрстедных характеристик каждой из полосок 1÷4. Регистрируемое магнитное поле (фиг.1) приводит к уменьшению величины угла отклонения +ϕ в полосках 1 и 2 и увеличению абсолютного значения угла отклонения -ϕ в полосках 3 и 4. При этом значения сопротивлений полосок 3 и 4 - вырастут. В результате: электрический потенциал на контактной площадке 9 увеличится, а на контактной площадке 11 - уменьшится, что приведет к появлению напряжения, пропорционального регистрируемому магнитному полю Н. Изменение направления вектора напряженности Н на 180^o приведет к падению электрического потенциала на контактной площадке 9 и росту - на площадке 11, т. е. к изменению знака величины напряжения между контактными площадками 9 и 11. Таким образом можно говорить о наличии нечетной статической вольт-эрстедной характеристики у предлагаемого МРД, которая представлена на фиг.3. Для увеличения абсолютного значения полезного сигнала на выходе МРД, реально, было увеличено электрическое сопротивление плечей моста посредством включения в каждое плечо цепочки последовательно соединенных полосок с поперечной ориентацией ОЛН (фиг.4). Сравнение чувствительностей к магнитному полю данного МРД и прототипа, имеющего аналогичное сопротивление плечей моста и выполненного одновременно, по той же технологии, показало увеличение значения чувствительности заявляемого МРД в 2,5 раза.

Следует отметить, что величина гистерезиса в предлагаемом датчике не увеличилась по сравнению с прототипом. Это вызвано тем, что вектора намагниченности в полосках предлагаемого изобретения и прототипа, под действием магнитного поля от тока в управляющем проводнике, находятся в смещенном положении, под углом к ОЛН, от которого, в свою очередь, зависит эффективное поле размагничивания, ответственное за проявления гистерезиса. При угле между вектором намагниченности и направлением ОЛН, равном 45^o, значения полей размагничивания в обоих датчиках совпадают (Суху Р. Магнитные тонкие пленки. - М. : Мир, 1967 г. - с. 394) и, следовательно, совпадают значения их гистерезиса.

Формула изобретения

Магниторезистивный датчик с нечетной статической вольт-эрстедной характеристикой, содержащий четыре тонкопленочные магниторезистивные полоски из ферромагнитных сплавов, объединенные в мостовую схему, и проложенный над ними через изолирующий слой управляющий проводник, отличающийся тем, что магниторезистивные полоски имеют поперечно ориентированные оси легкого намагничивания, сориентированы в одном направлении своей длиной от начала к концу, электрическими проводниками соединены начало первой полоски и конец четвертой, начало второй и конец третьей, начало третьей и конец первой, начало четвертой и конец второй, а управляющий проводник проложен поперек полосок: по направлению ориентации осей легкого намагничивания в первой и второй полосках, и противоположно - в третьей и четвертой полосках.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4