Магниторезистивный датчик (варианты)

 

Изобретение относится к области элементов автоматики и может быть использовано в тахометрах, устройствах неразрушающего контроля, датчиках перемещения, датчиках для измерения постоянного и переменного магнитного поля, электрического тока. Техническим результатом изобретения является создание магниторезистивного датчика с синусоидальной зависимостью напряжения считывания от угла и тем самым расширение области применения датчиков. Сущность: в магниторезистивном датчике, содержащем подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположены соединенные в мостовую схему немагнитными низкорезистивными перемычками 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. Каждое плечо мостовой схемы состоит из четного числа тонкопленочных магниторезистивных полосок. Все тонкопленочные магниторезистивные полоски, образующие мостовую схему, расположены в виде единого планарного столбца, и смежными концами последовательно соединены между собой. Концы крайних в планарном столбце тонкопленочных магниторезистивных полосок посредством немагнитной низкорезистивной перемычки соединены между собой. Проводник управления состоит из двух контактных площадок, вспомогательных участков, рабочих участков, расположенных над каждой тонкопленочной магниторезистивной полоской вдоль нее. При этом две контактные площадки соединены вспомогательными участками с верхними рабочими участками верхнего и нижнего плечей мостовой схемы, рабочих участков, соединенных между собой вспомогательными участками таким образом, что верхние рабочие участки верхнего плеча двух соседних пар плеч мостовой схемы соединены с нижним рабочим участком нижнего плеча, а нижние рабочие участки верхнего плеча соединены с верхними рабочими участками нижнего плеча. Нижний рабочий участок нижнего плеча верхней пары плеч соединен вспомогательным участком с верхним рабочим участком верхнего плеча нижней пары плеч. Второй конец верхнего рабочего участка нижнего плеча верхней пары плеч соединен со вторым концом нижнего рабочего участка верхнего плеча нижней пары плеч. Второй конец нижнего рабочего участка верхнего плеча верхней пары плеч мостовой схемы соединен с нижним рабочим участком нижнего плеча нижней пары плеч мостовой схемы. Возможен вариант, когда плечи мостовой схемы расположены планарно двумя столбцами по два плеча. 2 с.п. ф-лы, 7 ил.

Предлагается группа изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом и относящихся к объектам одного вида (варианты).

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

Известны магниторезистивные датчики, чувствительный элемент которых состоит из двухслойных магнитных пленок (патент РФ №2066504, М.кл.⁵ Н 01 L 43/08). Наличие двух магниторезистивных слоев в тонкопленочной 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 в точке с нулевым внешним магнитным полем (Н=0). Как следствие, 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 тонкопленочных магниторезистивных полосок в двух плечах из четырех увеличивает гистерезис характеристики.

Эти недостатки устранены в магниторезистивном датчике, все тонкопленочные магниторезистивные полоски 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 №2139602, М.кл.⁵ Н 01 L 43/08).

Недостатками такого магниторезистивного датчика являются отклонение зависимости напряжения считывания от угла (ВУХ) датчика от косинусоидального вида относительно внешнего магнитного поля постоянной величины, направленного под углом к направлению измерения из-за асимметричности его магнитного состояния относительного внешнего магнитного поля.

Задачами, поставленными и решаемыми настоящим изобретением, являются создание магниторезистивного датчика с симметричным магнитным состоянием относительно направления внешнего магнитного поля. Это позволит создать магниторезистивный датчик с косинусоидальной зависимостью ВУХ и, тем самым, расширить области применения магниторезистивного датчика.

Указанный технический результат достигается тем, что в магниторезистивном датчике, содержащем подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположены соединенные в мостовую схему немагнитными низкорезистивными перемычками 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, каждое плечо мостовой схемы состоит из четного числа тонкопленочных магниторезистивных полосок, все тонкопленочные магниторезистивные полоски, образующие мостовую схему, расположены в виде единого планарного столбца и смежными концами последовательно соединены между собой немагнитными низкорезистивными перемычками, концы крайних в планарном столбце тонкопленочных магниторезистивных полосок посредством немагнитной низкорезистивной перемычки соединены между собой, проводник управления состоит из двух контактных площадок, вспомогательных участков, рабочих участков, расположенных над каждой тонкопленочной магниторезистивной полоской вдоль нее, при этом две контактные площадки соединены вспомогательными участками с верхними рабочими участками верхнего и нижнего плечей мостовой схемы, рабочие участки соединены между собой вспомогательными участками таким образом, что верхние рабочие участки верхнего плеча двух соседних пар плеч мостовой схемы соединены с нижним рабочим участком нижнего плеча, а нижние рабочие участки верхнего плеча соединены с верхними рабочими участками нижнего плеча, нижний рабочий участок нижнего плеча верхней пары плеч мостовой схемы соединен вспомогательным участком с верхним рабочим участком верхнего плеча нижней пары плеч, второй конец верхнего рабочего участка нижнего плеча верхней пары плеч соединен со вторым концом нижнего рабочего участка верхнего плеча нижней пары плеч, а второй конец нижнего рабочего участка верхнего плеча верхней пары плеч мостовой схемы соединен с нижним рабочим участком нижнего плеча нижней пары плеч мостовой схемы.

Возможен вариант, когда плечи мостовой схемы расположены планарно двумя столбцами по два плеча, каждое плечо мостовой схемы состоит из четного числа тонкопленочных магниторезистивных полосок, расположенных в виде планарного столбца и смежными концами с одной стороны последовательно соединенных между собой немагнитными низкорезистивными перемычками, вторые концы в планарном столбце тонкопленочных магниторезистивных полосок посредством немагнитных низкорезистивных перемычек соединены со вторыми концами тонкопленочных магниторезистивных полосок соседних плеч мостовой схемы, проводник управления состоит из двух контактных площадок, вспомогательных участков, рабочих участков, расположенных над каждой тонкопленочной магниторезистивной полоской вдоль нее, при этом две контактные площадки соединены вспомогательными участками с верхним и нижним рабочими участками верхнего и нижнего плечей одного столбца плеч мостовой схемы, рабочие участки соединены между собой вспомогательными участками таким образом, что все смежные концы двух рядов столбцов рабочих участков соединены друг с другом, вторые концы верхних и нижних рабочих участков верхнего и нижнего плеч мостовой схемы, расположенных в противоположном от контактных площадок столбце, соединены друг с другом, а вторые концы нижнего рабочего участка верхнего плеча и верхнего рабочего участка нижнего плеча ближайшего к контактным площадкам столбца соединены друг с другом.

Проводник управления проходит над тонкопленочными магниторезистивными полосками таким образом, что магнитное поле, создаваемое током в проводнике, во всех тонкопленочных магниторезистивных полосках каждого плеча направлено в одну сторону, а магнитное поле, создаваемое протекаемым в соседних тонкопленочных магниторезистивных полосках каждого плеча мостовой схемы сенсорным током, направлено в противоположные стороны. Таким образом, суммарный сигнал считывания, будет усреднен и асимметричность магнитного состояния магниторезистивного датчика относительно направления внешнего магнитного поля исчезает.

Изобретение поясняется чертежами: на фиг.1 представлена структура магниторезистивного датчика в разрезе; на фиг.2 показан первый вариант топологии магниторезистивного датчика (вид сверху); на фиг.3 показан второй вариант топологии магниторезистивного датчика (вид сверху); на фиг.4 показаны направления векторов намагниченности в двух тонкопленочных магниторезистивных полосках с противоположным протеканием сенсорного тока I_s при отсутствии сенсорного тока, тока в проводнике управления I_с и внешнего магнитного поля Н (а), при наличии I_s (б), при наличии I_s и I_c (в) и при наличии обоих токов и внешнего магнитного поля Н, направленного под углом к ОЛН (г); на фиг.5 приведены теоретические ВУХ магниторезистивного датчика с одной тонкопленочной магниторезистивной полоской в плече мостовой схемы (а) и косинусоидальной зависимостью (б); на фиг.6 приведены зависимости отклонения угловой характеристики сигнала считывания магниторезистивного датчика с одной тонкопленочной магниторезистивной полоской в плече мостовой схемы от косинусоидальной зависимости (а) и с двумя тонкопленочными магниторезистивными полосками в плече мостовой схемы от косинусоидальной зависимости (б); на фиг.7 приведены теоретические ВУХ магниторезистивного датчика с двумя тонкопленочными магниторезистивными полосками в плече мостовой схемы (а) и косинусоидальной зависимостью (б).

Магниторезистивный датчик содержит подложку 1 (фиг.1) с диэлектрическим слоем 2, на котором расположено 4N тонкопленочные магниторезистивные полоски, состоящие каждая из защитных слоев 3, 4, две ферромагнитные пленоки 5, 6, разделенные немагнитным разделительным слоем 7 из высокорезистивного материала. Сверху полосок расположен изолирующий слой 8, на котором над тонкопленочными магниторезистивными полосками вдоль них сформирован проводник управления 9 с изолирующим слоем 10. Магниторезистивный датчик представляет собой мостовую схему (фиг.2) из четырех плеч, содержащих N (на фиг.2 показан случай N=2) тонкопленочных магниторезистивных полосок 11-18, расположенных в один ряд. Восемь немагнитных низкорезистивных перемычек 19-26 соединяют тонкопленочные магниторезистивные полоски в мостовую схему и обеспечивают соединение выводов моста с четырьмя контактными площадками 27-30. Проводник управления состоит из восьми рабочих участков 31-38, проходящих над тонкопленочными магниторезистивными полосками 11-18, соединенных вспомогательными участками проводника управления 39-45, и имеет контактные площадки 46, 47.

Возможен другой вариант конструкции магниторезистивного датчика (фиг.3). Плечи мостовой схемы расположены в два ряда. Восемь немагнитных низкорезистивных перемычек 48-55 соединяют тонкопленочные магниторезистивные полоски в мостовую схему и обеспечивают соединение выводов мостовой схемы с четырьмя контактными площадками 56-59. Проводник управления состоит из четырех рабочих участков 60-63, проходящих над тонкопленочными магниторезистивными полосками 48-55, соединенных вспомогательными участками проводника управления 64-66, и имеет контактные площадки 67, 68.

Заявляемое изобретение относится к магниторезистивным датчикам с планарным протеканием сенсорного тока через тонкопленочные магниторезистивные полоски (анизотропным и спин-вентильным магниторезистивным эффектом).

Для определенности рассмотрим работу для случая анизотропного магниторезистивного эффекта.

Принцип действия двух конструкций магниторезистивного датчика одинаков, поэтому рассмотрим его работу на примере первой конструкции. Работа магниторезистивного датчика происходит следующим образом. При отсутствии внешнего магнитного поля, тока в проводнике управления (фиг.2) и сенсорного тока в мостовой схеме векторы намагниченности магнитных пленок 5 и 6 (фиг.1) в тонкопленочных магниторезистивных полосках 11-18 (фиг.2) устанавливаются вдоль ОЛН взаимно антипараллельно (фиг.3а). При подаче через контактные площадки 27, 29 сенсорного тока в мостовую схему магниторезистивного датчика этот ток в каждой тонкопленочной магниторезистивной полоске протекает, в основном, через ферромагнитные пленки 5, 6 (фиг.1). При этом сенсорный ток в ферромагнитных пленках 5, 6 каждой тонкопленочной магниторезистивной полоски создает в соседней ферромагнитной пленке той же полоски взаимно перпендикулярные магнитные поля, ортогональные ОЛН. Эти магнитные поля отклоняют от ОЛН векторы намагниченности в ферромагнитных пленках 5, 6 в противоположном направлении. В нечетных 11, 13, 15, 17 и четных 12, 14, 16, 18 тонкопленочных магниторезистивных полосках одного плеча, благодаря топологии их соединения (фиг.2), направление сенсорного тока противоположно и, следовательно, противоположны по направлению создаваемые ими магнитные поля. Это приводит к противоположному по направлению отклонению на угол ± α векторов намагниченности в ферромагнитных пленках 5, 6 нечетной и четной тонкопленочных магниторезистивных полосок в одном плече мостовой схемы (фиг.3б). Поскольку исходные величины сопротивлений тонкопленочных магниторезистивных полосок согласованы, а изменения их сопротивлений за счет отклонения векторов намагниченности в ферромагнитных пленках 5, 6 под действием сенсорного тока одинаковы, баланс моста не нарушается, и разность потенциалов на контактных площадках 28, 30 (фиг.2) равна нулю.

При подаче через контактные площадки 46, 47 в проводник управления постоянного тока управления создаваемое им магнитное поле будет действовать перпендикулярно ОЛН, причем на тонкопленочные магниторезистивные полоски 11-12 и 15-16 двух противоположных плеч мостовой схемы в одном направлении, а на полоски 13-14 и 17-18 двух других плеч - в противоположном направлении. Под действием магнитного поля, создаваемого током в рабочих проводниках 31, 34, 35, 38, векторы намагниченности ферромагнитных пленок 5, 6 в 11, 14, 15, 18 тонкопленочных магниторезистивных полосках отклонятся от ОЛН на углы ± ϕ 5 и ± ϕ 6. Под действием магнитного поля, создаваемого током в рабочих проводниках 32, 33, 36, 37, векторы намагниченности ферромагнитных пленок 5, 6 в тонкопленочных магниторезистивных полосках 12, 13, 16, 17 отклонятся от ОЛН на углы ± ψ 5 и ± ψ 6 (фиг.3в, г).

В случае, когда плечи мостовой схемы магниторезистивного датчика состоят из одной тонкопленочной магниторезистивной полоски, магнитное состояние такого датчика уже асимметрично и при отсутствии внешнего магнитного поля. Углы векторов намагниченности тонкопленочных магниторезистивных полосок нечетных плеч составляют ± ϕ 5 и ± ϕ 6, а четных плеч - ± ψ 5 и ± ψ 6. Однако в линейном диапазоне ВЭХ магниторезистивного датчика эта асимметрия не проявляется, а становится заметной только в ВУХ датчика.

В случае двух тонкопленочных магниторезистивных полосок в каждом плече мостовой схемы происходит суммирование сигналов от полосок с различным магнитным состоянием. Первое и третье плечи содержат тонкопленочные магниторезистивные полоски с углами ϕ 5, ϕ 6 и ψ 5, ψ 6 векторов намагниченности. Второе и четвертое плечи содержат тонкопленочные магниторезистивные полоски с углами ϕ 5, -ϕ 6 и -ψ 5, -ψ 6 векторов намагниченности. Видно, что магнитное состояние такого магниторезистивного датчика для ВЭХ в линейном диапазоне полностью симметричное.

Асимметричность магнитного состояния тонкопленочных магниторезистивных полосок датчика появляется либо при отклонении направления внешнего магнитного поля Н от перпендикулярного к ОЛН направления на угол β (β =0 - основной режим измерения внешнего магнитного поля), либо при отклонении направления ОЛН от длины тонкопленочной магниторезистивной полоски. Физической причиной появления асимметричного магнитного состояния в магниторезистивном датчике с четным числом тонкопленочных магниторезистивных полосок в каждом плече мостовой схемы остается, как и для датчика с одной полоской в плече, асимметрия магнитного состояния датчика относительно внешнего магнитного поля. В линейном диапазоне эта асимметрия не проявляется, но при направлении внешнего магнитного поля под углом β >0 асимметрия проявляется, но, как будет показано ниже, в несколько раз меньше.

Зависимость изменения сопротивления R ферромагнитной пленки Δ R от угла β между вектором намагниченностью пленки М и внешнего магнитного поля Н для анизотропного магниторезистивного эффекта

Δ R=(Δ ρ /ρ )Rcos²β

где (Δ ρ /ρ ) - величина анизотропного магниторезистивного эффекта.

Для теоретического анализа был выбран магниторезистивный датчик с используемыми в практике размерами тонкопленочной магниторезистивной полоски 14× 1000 мкм², толщиной пермаллоевой пленки 12 нм, полем магнитной анизотропии 3 Э, намагниченностью насыщения 800 Гс, шириной проводника управления 22 мкм и напряжением питания датчика 5 В. Величина внешнего магнитного поля Н=0,4 Э выбрана равной магнитному полю Земли, что соответствует большому числу применений магниторезистивного датчика, в первую очередь, в качестве измерительного элемента электронного компаса. Предварительный анализ работоспособности магниторезистивного датчика при поле Н, перпендикулярном ОЛН, показал, что оптимальный ток в проводнике управления, обеспечивающий максимальную чувствительность датчика, равен 35 мА. Эта величина тока использовалась при последующих расчетах ВУХ магниторезистивного датчика.

Теоретический анализ ВУХ магниторезистивного датчика с одной тонкопленочной магниторезистивной полоской в плече мостовой схемы (фиг.4а) показывает существенное различие в характеристиках выходного сигнала для этого случая и косинусоидальной зависимостью (фиг.4б). Одним из основных отличий является небольшой рост величины сигнала датчика при малых углах, что приводит к большим углам различия - до ° (фиг.5а). ВУХ магниторезистивного датчика с двумя тонкопленочными магниторезистивными полосками (фиг.6а) практически полностью совпадает с косинусоидальной зависимостью (фиг.6б) - максимальное отличие составляет 0,8° при углах 45° и 135° (фиг.5б), что позволяет решать задачи, связанные с определением угла между магниторезистивным датчиком и исследуемым объектом, в том числе с созданием электронного компаса.

Другой причиной асимметрии магнитного состояния магниторезистивного датчика является отклонение направления ОЛН в тонкопленочных магниторезистивных полосках от направления длины полоски из-за технологического разброса. Теоретический анализ ВУХ магниторезистивного датчика для отклонения ОЛН ± 5° с одной и двумя тонкопленочными магниторезистивными полосками в плече мостовой схемы показал, что максимальные отклонения угловой зависимости сигнала датчика от внешнего магнитного поля от косинусоидальной зависимости составляют 10° и 3° соответственно.

Таким образом, использование четного числа тонкопленочных магниторезистивных полосок в каждом плече мостовой схемы магниторезистивного датчика позволяет устранить асимметричность магнитного состояния датчика относительно направления внешнего магнитного поля и, тем самым, асимметричность ВУХ датчика и резко ослабить чувствительность ВЭХ датчика к технологическому разбросу направления ОЛН. Это позволяет использовать магниторезистивный датчик для задач определения как пространственных, так и угловых координат исследуемого объекта, в том числе в качестве измерительного элемента электронного компаса. Кроме того, увеличение числа тонкопленочных магниторезистивных полосок при постоянном напряжении питания увеличивает в N раз сопротивление мостовой схемы, что приводит к уменьшению в N раз величины сенсорного тока, уменьшает в N раз потребляемую мощность и несколько увеличивает чувствительность магниторезистивного датчика.

Формула изобретения

1. Магниторезистивный датчик, содержащий подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположены соединенные в мостовую схему немагнитными низкорезистивными перемычками 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 каждое плечо мостовой схемы состоит из четного числа тонкопленочных магниторезистивных полосок, все тонкопленочные магниторезистивные полоски, образующие мостовую схему, расположены в виде единого планарного столбца и смежными концами последовательно соединены между собой немагнитными низкорезистивными перемычками, концы крайних в планарном столбце тонкопленочных магниторезистивных полосок посредством немагнитной низкорезистивной перемычки соединены между собой, проводник управления состоит из двух контактных площадок, вспомогательных участков и рабочих участков, расположенных над каждой тонкопленочной магниторезистивной полоской вдоль нее, при этом две контактные площадки соединены вспомогательными участками с верхними рабочими участками верхнего и нижнего плечей мостовой схемы, рабочие участки соединены между собой вспомогательными участками таким образом, что верхние рабочие участки верхнего плеча двух соседних пар плеч мостовой схемы соединены с нижним рабочим участком нижнего плеча, а нижние рабочие участки верхнего плеча соединены с верхними рабочими участками нижнего плеча, нижний рабочий участок нижнего плеча верхней пары плеч мостовой схемы соединен вспомогательным участком с верхним рабочим участком верхнего плеча нижней пары плеч, второй конец верхнего рабочего участка нижнего плеча верхней пары плеч соединен со вторым концом нижнего рабочего участка верхнего плеча нижней пары плеч, а второй конец нижнего рабочего участка верхнего плеча верхней пары плеч мостовой схемы соединен с нижним рабочим участком нижнего плеча нижней пары плеч мостовой схемы.

2. Магниторезистивный датчик, содержащий подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположены соединенные в мостовую схему немагнитными низкорезистивными перемычками 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 плечи мостовой схемы расположены планарно двумя столбцами по два плеча, каждое плечо мостовой схемы состоит из четного числа тонкопленочных магниторезистивных полосок, расположенных в виде планарного столбца и смежными концами с одной стороны последовательно соединенных между собой немагнитными низкорезистивными перемычками, вторые концы в планарном столбце тонкопленочных магниторезистивных полосок посредством немагнитных низкорезистивных перемычек соединены со вторыми концами тонкопленочных магниторезистивных полосок соседних плеч мостовой схемы, проводник управления состоит из двух контактных площадок, вспомогательных участков и рабочих участков, расположенных над каждой тонкопленочной магниторезистивной полоской вдоль нее, при этом две контактные площадки соединены вспомогательными участками с верхним и нижним рабочими участками верхнего и нижнего плечей одного столбца плеч мостовой схемы, рабочие участки соединены между собой вспомогательными участками таким образом, что все смежные концы двух рядов столбцов рабочих участков соединены друг с другом, вторые концы верхних и нижних рабочих участков верхнего и нижнего плеч мостовой схемы, расположенных в противоположном от контактных площадок столбце, соединены друг с другом, а вторые концы нижнего рабочего участка верхнего плеча и верхнего рабочего участка нижнего плеча, ближайшего к контактным площадкам столбца, соединены друг с другом.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7