Магниторезистивный датчик

Изобретение относится к области автоматики и магнитометрии и может быть использовано в датчиках перемещений, устройствах измерения электрического тока и магнитных полей. Магниторезистивный датчик содержит подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположены соединенные в мостовую схему немагнитными проводящими перемычками тонкопленочные магниторезистивные полоски с полюсами Барбера. Два плеча моста Уинстона содержат подгоночные сопротивления в виде параллельных магниторезистивных полосок, соединенных в параллель. Подгоночное сопротивление содержит проводник, параллельный его магниторезистивным полоскам и соединенный с ними проводящими перемычками, расположенными на одинаковом расстоянии друг от друга, определяемом минимальным шагом подгонки. Направление перемычек совпадает с направлением полюсов Барбера. Изобретение обеспечивает упрощение процесса компенсации технологического разбаланса мостовой схемы и получение датчика с уменьшенными размерами. 1 ил.

 

Изобретение относится к области автоматики и магнитометрии и может быть использовано в датчиках перемещений, устройствах измерения электрического тока и магнитных полей.

Известны анизотропные магниторезистивные (AMP) датчики магнитного поля, описанные в ряде патентов фирмы Honeywell (Michael 3. Caruso and Tamara Bratland, Honeywell SSES, Carl H.Smith and Robert Schneider, Nonvolatile Electronics, Jnc), http://www.sensorsmag.com, которым присуще наличие технологического разбаланса мостовой схемы, содержащей тонкопленочные магниторезисторы. Это обусловлено технологической неточностью напыления и травления пленок, которые приводят к неравенству сопротивлений моста.

Для устранения разбаланса моста предлагается несколько методов, основанных на использовании схемных решений с использованием дополнительных тонкопленочных элементов или электронных компонентов в схеме обработки сигнала (катушек смещения, микропроцессора, электронной обратной связи).

Использование этих методов позволяет устранить разбаланс моста, но усложняет процесс изготовления датчика и отбирает заметную часть питания, что снижает чувствительность датчика.

Известны также пат. РФ №2186440, кл. H01L 43/08 от 16 февраля 2001 г. и пат. РФ №2216822, кл. H01L 43/08 от 9 апреля 2002 г., в которых вместо катушки для той же цели используются управляющие проводники, но эти решения имеют те же недостатки, что и предыдущие.

Эти недостатки частично устранены в магниторезистивном датчике (США №4847584, кл. H01L 43/00 от 11 июля 1989 г.), взятом за прототип. Датчик содержит подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположены соединенные в мостовую схему немагнитными проводящими перемычками тонкопленочные магниторезистивные полоски с полюсами Барбера, а два плеча моста Уинстона содержат подгоночные сопротивления в виде параллельных магниторезистивных полосок разной длины в количестве 10 шт., соединенных в параллель.

Подгонка осуществляется перерезанием этих полосок, т.е. исключением одного или нескольких сопротивлений из параллельной цепи и тем самым увеличением значения подгоночного сопротивления.

Недостатком такого датчика является сложность подгонки, т.к. заранее невозможно определить какую полоску необходимо перерезать и достаточно трудно это осуществить, когда полоска находится в середине подгоночного сопротивления. Кроме того, подгоночное сопротивление имеет большие размеры (˜10 магниторезистивных полосок), сравнимые с размерами собственно плеча моста, и имеет нерабочую часть, которая, тем не менее, может оказывать влияние на процесс перемагничивания.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является упрощение процесса компенсации технологического разбаланса мостовой схемы и получение датчика с уменьшенными размерами, что позволит понизить стоимость датчика и расширит 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 проводящими перемычками тонкопленочные магниторезистивные полоски с полюсами Барбера, причем два плеча моста Уинстона содержат подгоночные сопротивления в виде параллельных магниторезистивных полосок, соединенных в параллель, подгоночное сопротивление содержит проводник, параллельный его магниторезистивным полоскам и соединенный с ними проводящими перемычками, расположенными на одинаковом расстоянии друг от друга, определяемом минимальным шагом подгонки, а направление перемычек совпадает с направлением полюсов Барбера.

На чертеже показана топология магниторезистивного датчика (вид сверху).

Магниторезистивный датчик представляет собой мостовую схему, каждое плечо 1 которой состоит из магниторезистивных полосок с полюсами Барбера 2, соединенных проводящими немагнитными перемычками 3 в меандровую структуру и подгоночного сопротивления 4, состоящего из магниторезистивных полосок 5, проводника 6, проводящих перемычек 7 и контактных площадок 8, 9; контактных площадок моста 10, 11.

Компенсация технологического разбаланса мостовой схемы происходит следующим образом.

Замеряют сопротивление между контактными площадками 8 и 11. Оно должно составлять величину в два раза большую, чем сопротивление моста. В случае большого отклонения, подгоняют сопротивление 4, разрезая последовательно перемычки 7 по линии А. Получается ряд последовательно включенных сопротивлений одинаковой величины. Для более тонкой подгонки разрезают проводник по линии Б. Получают ряд последовательно соединенных параллельных сопротивлений одинаковой величины. Один рез задает шаг подгонки, который зависит от длины резистивной части и числа магниторезистивных полосок в подгоночном сопротивлении. Длина резистивной части ограничена разрешающей способностью режущего инструмента, а число магниторезистивных полосок - величиной технологического разбаланса с возможностями напылительного оборудования и фотолитографии.

Далее замеряют сопротивление между контактными площадками 9 и 11 и повторяют подгонку так же, как и в предыдущем случае.

Пример использования предлагаемого устройства.

Необходимо было изготовить мост с R=1000 Ом и разбалансом 0,05% (типичное значение для датчика Honeywell). Удельное поверхностное сопротивление составляло Ширина полоски - 50 мкм. Общая длина плеча составляла 10 мм, и оно состояло из 5 магниторезистивных полосок по 2 мм длиной с сопротивлением 200 Ом.

Подгоночное сопротивление состояло из 3 магниторезистивных полосок 50 мкм шириной, проводника шириной 50 мкм и перемычек шириной 10 мкм, расположенных на расстоянии 10 мкм друг от друга. Отклонение сопротивления моста от номинала обычно составляло ˜40 Ом. Разрезая перемычки по линии А получали добавку в 1 Ом от одного реза. На длине полоски имеется 40 перемычек, что дает доставку 40 Ом. Далее осуществлялась более точная подгонка. Для этого резали проводник по линии Б лазерным лучом ⊘10 мкм, получали два сопротивления, соединенных в параллель, т.е. 0,5 Ом, что от 1000 Ом составляет 0,05%.

В случае необходимости точность подгонки можно повысить либо увеличивая ширину полоски, либо увеличивая их количество в подгоночном сопротивлении.

Таким образом, можно констатировать, что предлагаемая конструкция подгоночного сопротивления имеет более компактную форму по сравнению с прототипом. Другой особенностью является возможность подгонки сопротивления моста путем разрезания проводника или перемычек, не затрагивая магниторезистивные полоски, чем исключается возможность возникновения негативного влияния размагничивающих полей. Равное расстояние между перемычками определяет шаг (точность) подгонки, что упрощает процесс компенсации технологического разбаланса мостовой схемы, тем более что проводник находится с краю и более доступен для режущего инструмента.

Магниторезистивный датчик, содержащий подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположены соединенные в мостовую схему немагнитными проводящими перемычками тонкопленочные магниторезистивные полоски с полюсами Барбера, причем два плеча моста Уинстона содержат подгоночные сопротивления в виде параллельных магниторезистивных полосок, соединенных в параллель, отличающийся тем, что подгоночное сопротивление содержит проводник, параллельный его магниторезистивным полоскам, включенный между плечами моста и их общей контактной площадкой, и соединенный с ними проводящими перемычками, расположенными на одинаковом расстоянии друг от друга, определяемом минимальным шагом подгонки, а направление перемычек совпадает с направлением полюсов Барбера.