Магниторезистивный датчик

Изобретение может быть использовано в тахометрах, устройствах неразрушающего контроля, датчиках перемещения, датчиках для измерения постоянного и переменного магнитного поля, электрического тока. Датчик содержит подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположены соединенные в мостовую схему немагнитными низкорезистивными перемычками четыре ряда линейно расположенных последовательно соединенных этими перемычками тонкопленочных магниторезистивных полосок, с верхним и нижним защитными слоями. Первый изолирующий слой поверх тонкопленочных магниторезистивных полосок, на котором сформирован проводник управления с рабочими частями, расположенными над тонкопленочными магниторезистивными полосками вдоль каждого их ряда перпендикулярно оси легкого намагничивания, второй изолирующий слой, планарная катушка, рабочие части которой расположены вдоль оси легкого намагничивания, и защитный слой. В двух соседних рядах тонкопленочные магниторезистивные полоски ориентированы под углом 45° относительно оси легкого намагничивания, а в двух других соседних рядах тонкопленочные магниторезистивные полоски ориентированы под углом -45° относительно оси легкого намагничивания. Противоположными плечами мостовой схемы являются два внешних и два внутренних ряда магниторезистивных полосок. Датчик согласно изобретению имеет симметричную угловую вольт-эрстедную характеристику, что позволяет расширить область его применения. 3 ил.

 

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

Известен магниторезистивный датчик, все магниторезистивные полоски которого в соседних плечах мостовой схемы расположены под углами ±45° к оси легкого намагничивания (ОЛН) (В.И.Левашов и др. Квазимонодоменный магниторезистивный датчик // Микроэлектроника. Т.28. №2, С.131. 1999.). При такой конструкции магниторезистивного датчика вольт-эрстедная характеристика (ВЭХ) формируется благодаря асимметрии топологии соседних плеч мостовой схемы. Недостатком такого датчика является необходимость формировать планарную катушку большого размера для создания магнитного поля вдоль ОЛН для устранения влияния гистерезиса на результаты измерения магниторезистивным датчиком магнитного поля.

Этот недостаток устранен в магниторезистивном датчике, в котором проводник управления с рабочими частями, расположенными над тонкопленочными магниторезистивными полосками вдоль каждого их ряда соединен в виде меандра, а все тонкопленочные магниторезистивные полоски ориентированы под 45° относительно ОЛН (Патент России №2279737, МПК H01L 43/08. Магниторезистивный датчик, дата публикации 10.07.2006 г.). Недостатком этого магниторезистивного датчика является его асимметричная угловая ВЭХ характеристика, вызванная асимметричной топологией мостовой схемы. Этот недостаток ограничивает область применения магниторезистивного датчика, в частности его применение в электронном компасе.

Задачей, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является расширение области применения датчика.

Технический результат выражается в создании магниторезистивного датчика с симметричной угловой ВЭХ, что позволяет расширить область его применения.

Указанный технический результат достигается тем, что в магниторезистивном датчике, содержащем подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположены соединенные в мостовую схему немагнитными низкорезистивными перемычками четыре ряда линейно расположенных последовательно соединенных этими перемычками тонкопленочные магниторезистивные полоски, с верхним и нижним защитными слоями, первый изолирующий слой поверх тонкопленочных магниторезистивных полосок, на котором сформирован проводник управления с рабочими частями, расположенными над тонкопленочными магниторезистивными полосками вдоль каждого их ряда перпендикулярно оси легкого намагничивания, второй изолирующий слой, планарная катушка, рабочие части которой расположены вдоль оси легкого намагничивания и защитный слой, в двух соседних рядах тонкопленочные магниторезистивные полоски ориентированы под углом 45° относительно оси легкого намагничивания, а в двух других соседних рядах тонкопленочные магниторезистивные полоски ориентированы под углом -45° относительно оси легкого намагничивания, при этом противоположными плечами мостовой схемы являются два внешних и два внутренних ряда магниторезистивных полосок.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что когда в двух соседних рядах, являющихся плечами мостовой схемы, тонкопленочные магниторезистивные полоски ориентированы под углом 45° относительно оси легкого намагничивания, а в двух других соседних рядах тонкопленочные магниторезистивные полоски ориентированы под углом -45° относительно оси легкого намагничивания, то благодаря такой топологии магниторезистивный датчик имеет симметричную угловую ВЭХ. При этом для формирования нечетной линейной ВЭХ, противоположными плечами мостовой схемы, в которой все четыре ряда полосок линейно расположены, являются два внешних и два внутренних ряда магниторезистивных полосок. Это решение означает, что сохраняется, как и в прототипе, компактная топология магниторезистивного датчика. При прохождении через проводник управления, перед измерением магнитного поля импульсы тока для устранения влияния гистерезиса на результаты измерения, называемые в литературе импульсами set/reset, будут перемагничивать магниторезистивные полоски в соседних плечах мостовой схемы в противоположные стороны. Такое направление векторов намагниченности в мостовой схеме магниторезистивного датчика в совокупности с направлением самих полосок относительно ОЛН создает нечетную линейную ВЭХ.

Изобретение поясняется чертежами: на фиг.1 представлена структура магниторезистивного датчика в разрезе; на фиг.2 показана топология магниторезистивного датчика (вид сверху); на фиг.3 приведена экспериментальная угловая ВЭХ V(ϕ) магниторезистивного датчика для поля Земли.

Магниторезистивный датчик содержит подложку 1 (фиг.1) с диэлектрическим слоем 2, на котором расположены четыре ряда магниторезистивных полосок, состоящие каждая из защитных слоев 3, 4 и ферромагнитной пленки 5. Сверху расположен первый изолирующий слой 6, на котором над магниторезистивными полосками вдоль каждого ряда сформирован проводник управления 7 со вторым изолирующим слоем 8. Далее расположена планарная катушка 9 с верхним защитным слоем 10.

Магниторезистивный датчик представляет собой мостовую схему (фиг.2) из четырех рядов магниторезистивных полосок 11 - 14, перемычек 15, соединяющих магниторезистивные полоски в мостовую схему. Проводник управления выполнен в виде меандра, рабочие части которого 16-19 проходят над рядами 11-14 магниторезистивных полосок и имеет контактные площадки 20 и 21.

Заявляемое изобретение относится к магниторезистивным датчикам с анизотропным магниторезистивным эффектом. При этом виде магниторезистивного эффекта изменение сопротивления магнитной пленки в магнитном поле пропорционально cos²ϕ, где ϕ - угол между вектором намагниченности магнитной пленки и направлением протекающего в ней сенсорного тока.

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 магнитной пленки 5 (фиг.1) в рядах магниторезистивных полосок 11-14 (фиг.2) устанавливаются вдоль ОЛН. При подаче через контактные площадки 20 и 21 в проводник управления импульса тока, создаваемое им магнитное поле будет действовать вдоль ОЛН на ряды магниторезистивных полосок 11 и 13 в одном направлении, а на ряды магниторезистивных полосок 12 и 14 - в противоположном направлении. Под действием магнитного поля, создаваемого импульсом тока в проводнике управления, векторы намагниченности в рядах магниторезистивных полосок 11 и 13, 12 и 14 перемагнитятся в противоположные стороны. В реальных условиях всегда существует технологический разбаланс, достигающий приблизительно ±1% от сопротивления мостовой схемы, влияние которого можно устранить в усилителе считывания. Но лучшим решением является устранение технологического разбаланса с помощью подачи постоянного тока в планарную катушку 9. Полярность и величина тока определяется знаком и величиной разбаланса мостовой схемы магниторезистивного датчика. При этом упрощаются требования к усилителю считывания. Поскольку, при анизотропном магниторезистивном эффекте, знак угла отклонения вектора намагниченности не влияет на характер изменения сопротивления магниторезистивных полосок, то перемагничивание магниторезистивных полосок при подаче импульса тока в проводник управления к дополнительному разбалансу мостовой схемы датчика не приведет.

Магниторезистивный датчик измеряет магнитное поле, перпендикулярное ОЛН. Под действием этого магнитного поля все векторы намагниченности рядов магниторезистивных полосок 11-14 повернутся в его направлении, причем в двух рядах 11 и 12 магниторезистивных полосках угол между векторами намагниченности и протекающим в магниторезистивной полоске сенсорным током увеличится, а в двух других, 13 и 14, - уменьшится. Это означает, что сопротивления одной пары противоположных плеч мостовой схемы датчика увеличатся, а другой - уменьшатся. Таким образом, мостовая схема разбалансируется, и на выходе магниторезистивного датчика магнитного поля появится выходной сигнал, полярность которого зависит от направления измеряемого магнитного поля, при этом, как будет показано ниже, ВЭХ магниторезистивного датчика - нечетная.

Если магниторезистивный датчик вращать в постоянном по величине и направлению магнитном поле в его плоскости, то благодаря тому, что два ряда магниторезистивных полосок мостовой схемы повернуты относительно ОЛН на 45°, а два других ряда - на -45°, то из-за симметрии энергии датчика с подобным расположением магниторезистивных полосок во внешнем магнитном поле, такой магниторезистивный датчик будет обладать симметричной угловой ВЭХ (фиг.3). На графике, приведенном на фиг.3, показана угловая ВЭХ магниторезистивного датчика с наклонными магниторезистивными полосками.

Для устранения влияния гистерезиса на результаты измерения магнитного поля необходимо применять тот же алгоритм, что и для магниторезистивных датчиков с полюсами Барбера. Полный цикл измерения магнитного поля состоит из двух измерений, при этом перед каждым измерением в проводник управления подается импульс тока set/reset противоположной полярности, перемагничивающий векторы намагниченности магниторезистивных полосок.

Таким образом, предложенный магниторезистивный датчик с двумя парами линейно расположенных и одинаково сформированных под углами ±45° к ОЛН рядов магниторезистивных полосок, соединенных в мостовую схему таким образом, что противоположными плечами мостовой схемы являются два внешних и два внутренних ряда магниторезистивных полосок, обладает нечетной ВЭХ с линейным участком и симметричной угловой ВЭХ.

Магниторезистивный датчик, содержащий подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположены соединенные в мостовую схему немагнитными низкорезистивными перемычками четыре ряда линейно расположенных последовательно соединенных этими перемычками тонкопленочных магниторезистивных полосок, с верхним и нижним защитными слоями, первым изолирующим слоем поверх тонкопленочных магниторезистивных полосок, на котором сформирован проводник управления с рабочими частями, расположенными над тонкопленочными магниторезистивными полосками вдоль каждого их ряда и соединенными в виде меандра, второй изолирующий слой, планарная катушка, рабочие части которой расположены вдоль оси легкого намагничивания, и защитный слой, отличающийся тем, что в двух соседних рядах тонкопленочные магниторезистивные полоски ориентированы под углом 45° относительно оси легкого намагничивания, а в двух других соседних рядах тонкопленочные магниторезистивные полоски ориентированы под углом -45° относительно оси легкого намагничивания, при этом противоположными плечами мостовой схемы являются два внешних и два внутренних ряда магниторезистивных полосок.