Магниточувствительный сенсор со сниженным показателем коэрцитивной силы (варианты)

Группа изобретений относится к области электротехники. Магниточувствительный сенсор содержит магнитный элемент с чувствительным слоем и заданным направлением намагниченности и элемент, формирующий внешнее магнитное поле, воздействующее на упомянутый магнитный элемент, при этом элемент, формирующий внешнее магнитное поле, выполнен с возможностью формирования смещенного магнитного поля относительно упомянутого направления намагниченности чувствительного слоя в диапазоне 4°-10° ±10%. Технический результат – снижение коэрцитивной силы магнитного сенсора. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Заявленное изобретение относится к области электротехники, в частности к примерам изготовления магниточувствительных сенсоров, обладающих сниженным показателем коэрцитивной силы.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Измерение слабых магнитных полей, создаваемых микро- и наноразмерными элементами, является большой проблемой во многих медицинских и технических применениях, таких как магнитоэнцефалография, обнаружение магнитных наночастиц, считывание информации в жестких дисках или обнаружение тока утечки в интегральных схемах. Для осуществления вышеописанных задач были предложены различные методы обнаружения, такие как датчики Холла, сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства (superconducting quantum interference devices - SQUID) и элементы, работающие на эффекте магнетосопротивления. В последнем случае устройства на основе магнитного туннельного перехода (англ. MTJ - Magnetic Tunnel Junction), состоящего из двух ферромагнетиков, разделенных тонким туннельным барьером, является многообещающими, т.к обладают большим туннельным магнетосопротивления (TMR) и большим диапазоном обнаружения при комнатной температуре. [1] (http://przyrbwn.icm.edu.p1/APP/PDF/127/a127z2p109.pdf)

Магнитные сенсорные выключатели - это устройства, которые реагируют на внешнее магнитное поле, где это поле может генерироваться, когда магнит приближается к устройству. Например, в качестве таких устройств можно рассматривать ячейку памяти MTJ. Сопротивление этих устройств будет изменяться от Roff (отсутствие сопротивления) до Ron (наличие сопротивления), в зависимости от значения внешнего поля (Н). Это изменение сопротивления достигается, когда направление намагничивания «чувствительного слоя» изменяется от одного направления к противоположному направлению.

Коэрцитивная сила представляет собой размагничивающее внешнее магнитное поле напряженностью Н, которое необходимо приложить к магнитному элементу, например, ферромагнетику, предварительно намагниченному до насыщения, чтобы довести до нуля его намагниченность М или индукцию магнитного поля В внутри.

Кроме того, магнитные параметры чувствительного слоя будут определять электрические характеристики устройства переключения магнитного датчика. Одним из этих параметров является коэрцитивное поле (Hc), которое определяет минимальное требуемое внешнее поле переключения.

Величина коэрцитивной силы непосредственно связана с размером магнитного элемента, на который осуществляется воздействие внешнего поля Н, для осуществления переключения его состояния. Особенно это является критичным для магниточувствительных сенсоров, работающих на основе эффекта MTJ), применяемых в различных технических устройствах, особенно микроэлектронике, где размер элементной базы играет доминирующую роль.

На Фиг. 1 представлен пример работы стандартного магнитного переключателя (10), содержащего по меньшей мере один слой магнитного материала с изменяемой ориентацией вектора намагниченности (свободный слой) и по меньшей мере один слой с фиксированным направлением вектора намагниченности (опорный слой), разделенных тонким слоем диэлектрика. Направление опорного слоя может определяться с помощью высокотемпературного отжига в сильном магнитном поле. Когда внешнее магнитное поле (Н) превышает коэрцитивную силу свободного слоя, то он перемагничивается, изменяя электрическое сопротивление ячейки MTJ, и занимает одно из стабильных состояний минимальной энергии: θ=0° или θ=180°. При этом внешнее магнитное поле (Н) прикладывается в указанном направлении.

Из уровня техники известен пример изготовления элементов памяти ячеек MTJ, которые содержат опорный слой, туннельный барьер, сформированный над опорным слоем и магниточувствительный элемент, сформированный над туннельным барьером, и которые могут быть направлены таким образом, чтобы изменять угол воздействия внешнего магнитного поля (US 20160163962 А1, 09.06.2016).

Однако данное решение не подходит для реализации, применительно к магнитным сенсорам, а также представляет относительно сложную техническую реализацию архитектурного воплощения принципа изменения направления прилагаемого внешнего магнитного поля.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Заявленное изобретение направлено на решение технической проблемы, обеспечивающей создание более миниатюрных магнитных сенсоров за счет снижения коэрцитивной силы, требуемой для их переключения, что позволит переключателю магнитного датчика изменять сопротивление при небольшом внешнем поле (Н).

Техническим результатом является снижение коэрцитивной силы магнитного сенсора, за счет изменения направления действующего внешнего магнитного поля.

Заявленный результат в первом варианте реализации достигается за счет реализации магниточувствительного сенсора, содержащего магнитный элемент с чувствительным слоем и заданным направлением намагниченности, и элемент, формирующий внешнее магнитное поле, воздействующее на упомянутый магнитный элемент, при этом элемент, формирующий внешнее магнитное поле, выполнен с возможностью формирования смещенного магнитного поля относительно упомянутого направления намагниченности чувствительного слоя в диапазоне 4°-10° ±10%.

По второму варианту осуществления заявленного изобретения, магниточувствительный сенсор содержит магнитный элемент с чувствительным слоем и заданным направлением намагниченности, и элемент, формирующий внешнее магнитное поле, воздействующее на упомянутый магнитный элемент, при этом магнитный элемент с чувствительным слоем выполнен с анизотропией формы, обеспечивающей смещение внешнего магнитного поля относительно упомянутого направления намагниченности чувствительного слоя в диапазоне 4°-10° ±10%.

В одном из частных примеров осуществления изобретения анизотропия формы сформирована с помощью отжига в магнитном поле.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 иллюстрирует пример работы магнитного переключателя.

Фиг. 2 иллюстрирует схематичный вид ячейки MTJ.

Фиг. 3 иллюстрирует чувствительный слой с направлением намагниченности М с прилагаемым внешним полем Н под углом θ.

Фиг. 4 иллюстрирует петлю гистерезиса R(H), отображающую коэрцитивное поле (Hc) для трех различных значений прикладываемого внешнего магнитного поля Н под различным углом θ.

Фиг. 5 иллюстрирует пример ячейки MTJ с анизотропией формы.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Осуществление настоящего изобретения заключается в том, что взамен общепринятого подхода работы магнитного сенсора, когда направление внешнего магнитного поля совпадает с направлением намагниченности опорного слоя, т.е с углами переключения 0/180 градусов, предлагается использовать внешнее магнитное поле с небольшим смещением на угол θ от вектора намагниченности опорного слоя М (т.е. оси легкого намагничивания), чтобы снизить коэрцитивную силу. Например, значение угла θ=±10°, вместо θ=0°, или θ=170°/190°, вместо θ=180°.

На Фиг. 2 представлен общий вид ячейки MTJ (10). Ячейка (10) в общем случае содержит по меньшей мере один слой магнитного материала с изменяемой ориентацией вектора намагниченности (свободный слой) (110) с вектором намагниченности (11), по меньшей мере один диэлектрический барьерный слой (туннельный барьер) и по меньшей мере один составной слой (опорный слой) (120), состоящий из двух противоположно направленных магнитных слоев с фиксированными векторами намагниченности (12а), (12б). Ячейка (10) может выполняться различной формы (прямоугольная, эллиптическая, ромбовидная и т.п.).

На Фиг. 3 показан опорный слой с направлением намагниченности (М) (11) и вектором внешнего магнитного поля (Н) (12), приложенного к магнитному сенсору, которое направлено со смещением на угол θ по отношению к оси легкого намагничивания. Применение небольшого смещения внешнего поля Н (12) позволяет снизить коэрцитивное поле (Нс).

На Фиг. 4 представлен пример изменения коэрцитивного поля (Нс) при значении угла смещения θ=4° и 10° по отношению к направлению намагниченности (11) опорного слоя элемента (10). Экспериментально было доказано, что поле (Нс) зависит от угла смещения внешне прикладываемого магнитного поля (Н). При значении угла θ=4° коэрцитивная сила снижается вдвое, при θ=10° - коэрцитивная сила падает в 4 раза.

Применение данного подхода позволяет достичь минимальных значений внешнего поля для переключения свободного слоя в магниточувствительных сенсорах, что позволяет разительно снизить их размеры, в частности, для микроэлектронных элементов, таких как ячейка MTJ (10), и источника, формирующего внешнее магнитное поле (20), воздействующее на упомянутую ячейку (10).

На Фиг. 5 представлен пример изобретения по второму варианту осуществления. В данной реализации ячейка MTJ (10) выполняется с анизотропией формы, которая задает направление намагниченности (11) таким образом, что прикладываемое внешнее магнитное поле (12) будет смещаться на угол θ в диапазоне 4°-10° ±10%.

В части применения анизотропии формы, обеспечивающей направление намагниченности вдоль опорного слоя ячейки (10), может применяться технология, раскрытая в ранее полученных патентах RU 2705175 и RU 2716282. При этом может применяться указанная ранее в патентных документах различная форма ячеек MTJ (10), что обусловлено, в частности, форм-фактором конечного микроэлектронного устройства, в котором может быть воплощено настоящее техническое решение.

Анизотропия опорного слоя ячейки MTJ (10) может достигаться за счет применения технологии отжига в магнитном поле, анизотропии формы или за счет кристаллографических плоскостей.

В качестве примеров такого рода устройств можно рассмотреть магнитные сенсоры, применяемые в охранных сигнализациях, сенсоры, устанавливаемые в бытовые приборы (например, для индикации состояния открыто-закрыто), аудиоаппаратуру и др. Представленные в настоящих материалах заявки варианты реализации заявленного технического решения раскрывают предпочтительные аспекты его воплощения и не должны использоваться как ограничивающие иные, частные варианты реализации, которые являются очевидными для специалиста данной области техники, не выходящие за рамки представленного объема правовой охраны.

1. Магниточувствительный сенсор, содержащий магнитный элемент с чувствительным слоем и заданным направлением намагниченности и элемент, формирующий внешнее магнитное поле, воздействующее на упомянутый магнитный элемент, при этом элемент, формирующий внешнее магнитное поле, выполнен с возможностью формирования смещенного магнитного поля относительно упомянутого направления намагниченности чувствительного слоя в диапазоне 4°-10° ±10%.

2. Магниточувствительный сенсор, содержащий магнитный элемент с чувствительным слоем и заданным направлением намагниченности и элемент, формирующий внешнее магнитное поле, воздействующее на упомянутый магнитный элемент, при этом магнитный элемент с чувствительным слоем выполнен с анизотропией формы, обеспечивающей смещение внешнего магнитного поля относительно упомянутого направления намагниченности чувствительного слоя в диапазоне 4°-10° ±10%.

3. Сенсор по п. 2, в котором анизотропия формы сформирована с помощью отжига в магнитном поле.