Магниторезистивный датчик

 

Изобретение относится к технике магнитометрии и может найти применение при создании магнитометров расширенного частотного диапазона работы. Техническим результатом изобретения является создание многослойного тонкопленочного магниторезистивного датчика из ферромагнитных материалов на основе анизотропного магниторезистивного эффекта, имеющего расширенный рабочий частотный диапазон. Сущность изобретения: между управляющим проводником и магниторезистивными элементами с проводниками связи, изолированно от них посредством первого и второго изолирующих слоев, проложен электроэкранирующий слой из немагнитного высокоэлектропроводящего металла. При этом толщина электроэкранирующего слоя выбрана меньшей, чем глубина скин-слоя в данном металле на верхней частоте выбранного рабочего диапазона. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к технике магнитометрии и может быть использовано при создании магнитоэлектрических преобразователей, в частности тонкопленочных магниторезистивных, с расширенным частотным диапазоном работы.

Известен тонкопленочный магниторезистивный датчик, содержащий магниторезистивные элементы, объединенные проводниками связи с контактными площадками, поверх которых через первый электроизолирующий слой проложен управляющий проводник /1/. Управляющий проводник используется для создания в магниторезистивных элементах как постоянных, переменных, так и импульсных управляющих магнитных полей. Недостатком такого датчика является небольшой динамический диапазон, характерный для магниторезистивных элементов с полюсами Барбера.

Известен также магниторезистивный датчик /2/ на многослойных тонкопленочных магниторезистивных элементах, выполненных из ферромагнитных материалов, объединенных проводниками связи в мостовую схему, имеющую контактные площадки. Магниторезистивный датчик имеет управляющий проводник, проходящий над магниторезистивными элементами. Между управляющим проводником и магниторезистивными элементами находится электроизолирующий слой. Пропускание постоянного тока через управляющий проводник позволяет привести датчик в рабочее состояние и формирует в нем линейную (S-образную) статическую вольт-эрстедную характеристику повышенного динамического диапазона. При этом магниторезистивный датчик имеет максимальную чувствительность, когда управляющий ток составляет величину в десятки миллиампер. В ряде случаев требуется уменьшение потребляемой датчиком мощности при уменьшении времени измерения. Для этого применяется импульсный управляющий ток. Недостатком данного устройства является невозможность применения импульсов управляющего тока длительностью, меньшей двух микросекунд, т.к. по фронтам импульса на выходе датчика формируются выбросы значительной амплитуды. Эти выбросы обусловлены емкостной составляющей выходного напряжения, связанной с наличием паразитной проходной емкости, формирующейся управляющим проводником и магниторезистивными элементами, разделенными электроизолирующим слоем. Чем выше частота входного сигнала (короче длительность импульса), тем больше вклад паразитного сигнала.

Известно также техническое решение, связанное с электроэкранированием высоковольтной обмотки от низковольтной в трансформаторах. Для этого используется тонколистовой неферромагнитный металл с высокой электропроводностью. Электроэкран соединен с нулевым потенциалом и не позволяет при повреждении изоляции высоковольтной обмотки попасть высокому напряжению на низковольтную обмотку и повредить ее. При этом магнитную связь между обмотками электроэкран не нарушает.

Техническим результатом изобретения является получение датчика с расширенным диапазоном рабочих частот.

Указанный технический результат достигается тем, что магниторезистивный датчик, содержит четыре многослойных тонкопленочных магниторезистивных элемента из ферромагнитных материалов, объединенные гальванически проводниками связи в мостовую схему, связанную с контактными площадками, и управляющий проводник, проложенный через первый изолирующий слой над магниторезистивными элементами, поверх первого изолирующего слоя нанесен электроэкранирующий слой, полностью перекрывающий площадь, занимаемую магниторезистивными элементами и связывающими их проводниками; а между электроэкранирующим слоем и управляющим проводником проложен второй изолирующий слой.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что наличие электроэкранирующего слоя приводит, ввиду его гальванического заземления (наличия нулевого потенциала), к закорачиванию емкостных токов смещения, протекающих через проходную емкость. Тем самым экранируется электрическое поле от управляющего проводника.

Толщина электроэкранирующего слоя выбирается меньшей толщины скин-слоя в данном металле на верхней частоте выбранного рабочего диапазона. Это приводит к прохождению через указанный слой магнитного поля от тока в управляющем проводнике, практически без ослабления, во всем рабочем диапазоне частот от нулевой до верхней частоты.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана структура предлагаемого магниторезистивного датчика в разрезе, на фиг.2 представлена топология магниторезистивного датчика с электроэкранирующим слоем (вид сверху), на фиг.3 приведены осциллограммы импульса тока в управляющем проводнике (а) и напряжения на выходе датчика в измерительной диагонали моста (б).

Магниторезистивный датчик (фиг. 1) содержит четыре магниторезистивных элемента 1, выполненных в виде двухслойных тонкопленочных магниторезистивных полосок, обладающие анизотропным магниторезистивным эффектом. Полоски вытянуты вдоль одного направления и имеют продольно ориентированные оси легкого намагничивания. При этом ось чувствительности датчика направлена перпендикулярно осям легкого намагничивания, в плоскости расположения магниторезистивных элементов 1. Все четыре магниторезистивные элемента 1 соединены проводниками связи 2 в мостовую схему, связанную с контактными площадками 3. Магниторезистивные элементы 1 и проводники связи 2 покрыты первым электроизолирующим слоем 4, например, из двуокиси кремния. Поверх первого электроизолирующего слоя 4 нанесен электроэкранирующий слой 5, выполненный из немагнитного высокопроводящего металла, например алюминия. Электроэкранирующий слой 5 покрыт вторым электроизолирующим слоем 6, поверх которого проложен управляющий проводник 7.

На фиг. 2 показана топология предлагаемого магниторезистивного датчика. Электроэкранирующий слой 5 покрывает полностью магниторезистивные элементы 1 и проводники связи 2, не закрывая контактные площадки 3. Электроэкранирующий слой 5 имеет толщину, меньшую глубины скин-слоя на верхней частоте рабочего диапазона.

Внешнее, измеряемое магнитное поле 8 (постоянное или медленноменяющееся в сравнении с частотой подаваемых на управляющий проводник импульсов) направлено вдоль оси чувствительности датчика.

На фиг.3 приведены фотографии осциллограмм: импульса тока в управляющем проводнике 7 длительностью около 100 не (фиг.3а) и импульса напряжения в измерительной диагонали моста (фиг.3б), который сформировался при воздействии на магниторезистивный датчик внешнего магнитного поля 8.

Отметим, что работа магниторезистивного датчика в течение действия импульса тока в управляющем проводнике 7 аналогична работе прототипа. Под действием импульса тока, протекающего через управляющий проводник 7, вокруг последнего формируется круговое магнитное поле, воздействующее на магниторезистивные элементы 1. Одновременное действие на магниторезисторы 1 импульсного магнитного поля от управляющего проводника 7 и внешнего измеряемого магнитного поля 8 приводит к тому, что мостовая схема разбалансируется и на измерительной диагонали (может быть использована любая, тогда на другую подается напряжение питания моста) появляется выходное напряжение длительностью, равной длительности импульса тока в управляющем проводнике 7, и амплитудой, пропорциональной величине внешнего магнитного поля 8. Поскольку управляющий проводник 7 и электроэкранирующий слой 5 совместно со вторым электроизолирующим слоем 6 образуют конденсатор, характеризующийся величиной емкостного сопротивления, то, следовательно, импульсный ток в управляющем проводнике 7 имеет утечку за счет тока смещения, причем тем больше, чем короче длительность импульсов и выше их частота следования, т.е. чем шире частотный спектр колебаний, формирующих эту последовательность импульсов. При гальваническом заземлении (нулевом потенциале) электроэкранирующего слоя 5 происходит предотвращение попадания тока смещения с управляющего проводника 7 на магниторезистивные элементы 1 и проводники связи 2.

Толщина электроэкранирующего слоя 5 составила величину порядка 0,5 мкм, что меньше глубины скин-слоя ~ 1 мкм в алюминии на частоте 100 МГц. Это позволило, при общей толщине промежутка между магниторезистивными элементами 1 с проводниками связи 2 и управляющим проводником 7 в 2-3 мкм, получить надежную регистрацию полезного сигнала на контактных площадках 3 измерительной диагонали моста от внешнего магнитного поля 8. Величина внешнего магнитного поля 8 составляла единицы эрстед при длительности импульсов тока в управляющем проводнике 7 в ~100 нс.

Использованная литература 1. Заявка Германии, ДЕ 4319146 A1, G 01 R 33/022, 1994 г.

2. Патент РФ, RU 2139602 C1, H 01 L 43/08, 1999 г.

Формула изобретения

1. Магниторезистивный датчик, содержащий четыре многослойных тонкопленочных магниторезистивных элемента из ферромагнитных материалов, объединенные гальванически проводниками связи в мостовую схему, связанную с контактными площадками, и управляющий проводник, проложенный через первый изолирующий слой над магниторезистивными элементами, отличающийся тем, что поверх первого изолирующего слоя нанесен электроэкранирующий слой, полностью перекрывающий площадь, занимаемую магниторезистивными элементами и связывающими их проводниками, а между электроэкранирующим слоем и управляющим проводником проложен второй изолирующий слой.

2. Магниторезистивный датчик по п.1, отличающийся тем, что электроэкранирующий слой выполнен из высокоэлектропроводящего немагнитного металла и имеет толщину, меньшую величины скин-слоя в данном металле на верхней частоте рабочего диапазона.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3