МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ДАТЧИК
MAGNETORESISTIVE SENSOR

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, 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 оси легкого намагничивания (ОЛН) (В.В.Дягилев, С.И.Касаткин, A.M.Муравьев, А.А.Резнев, А.Н.Сауров, Ю.А. Чаплыгин. Магниторезистивный датчик // Патент РФ №2279737). Конструкция такого магниторезистивного датчика является компактной и вольт-эрстедная характеристика (ВЭХ) формируется благодаря асимметрии топологии соседних плеч мостовой схемы. 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.
Данный недостаток устранен в магниторезистивном датчике, у которого 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 (В.В.Амеличев, А.И. Галушков, В.В.Дягилев, С.И.Касаткин, A.M.Муравьев, А.А.Резнев, А.Н.Сауров, B.C.Суханов Магниторезистивный датчик // Патент РФ №2312429). Недостатком этого магниторезистивного датчика является большое размагничивающее магнитное поле, создаваемое составляющей вектора намагниченности ферромагнитной пленки, направленной перпендикулярно длине тонкопленочной магниторезистивной полоски. Это размагничивающее магнитное поле отклоняет вектор намагниченности ферромагнитной пленки полоски от оптимального угла в 45° между вектором намагниченности и направлением сенсорного тока, уменьшает чувствительность датчика и линейность его ВЭХ и может даже привести к неработоспособности магниторезистивного датчика.
Задачей, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является создание магниторезистивного датчика с оптимальным направлением вектора намагниченности ферромагнитной пленки в тонкопленочной магниторезистивной полоске, что увеличит чувствительность датчика и линейность его ВЭХ.
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 и последовательно соединенных этими перемычками тонкопленочных магниторезистивных полосок, каждая из которых содержит нижний и верхний защитные слои, между которыми расположена магнитомягкая пленка, первый изолирующий слой 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, причем тонкопленочные магниторезистивные полоски в двух соседних рядах ориентированы под углом 45° относительно оси легкого намагничивания, а в двух других соседних рядах - под углом -45° относительно оси легкого намагничивания, при этом противоположными плечами мостовой схемы являются соответственно два внешних и два внутренних ряда магниторезистивных полосок на поверхности проводника управления расположена магнитожесткая пленка. При этом на всей поверхности проводника управления расположен вспомогательный слой хрома, а на всей поверхности магнитожесткой пленки расположен дополнительный защитный слой.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что противоположно намагниченные импульсом set/reset магнитожесткие пленки, расположенные на поверхности проводника управления создают постоянные магнитные поля, противоположно направленные относительно оси легкого намагничивания магнитомягкой пленки. Эти магнитные поля удерживают противоположно направленные векторы намагниченности магнитомягких пленок магниторезистивных полосок в соседних плечах мостовой схемы магниторезистивного датчика вдоль оси легкого намагничивания, т.е. обеспечивают режим работы с максимальной чувствительностью и линейностью. Это позволяет уменьшить ширину магниторезистивных полосок и создавать магниторезистивные датчики, работоспособные в новом рабочем диапазоне по магнитному полю.
Изобретение поясняется чертежами: на фиг.1 представлена структура магниторезистивного датчика в разрезе; на фиг.2 показана топология магниторезистивного датчика (вид сверху).
Магниторезистивный датчик содержит подложку 1 (фиг.1) с диэлектрическим слоем 2, на котором расположены четыре ряда магниторезистивных полосок, состоящих каждая из защитных слоев 3, 4 и магнитомягкой пленки 5. Сверху расположен первый изолирующий слой 6, на котором над магниторезистивными полосками вдоль каждого ряда сформирован проводник управления 7, на поверхности которого расположены вспомогательный слой хрома 8, магнитожесткая пленка 9 и защитный слой 10. Далее расположены второй изолирующий слой 11, планарная катушка 12 с верхним защитным слоем 13.
Магниторезистивный датчик представляет собой мостовую схему (фиг.2) из четырех рядов магниторезистивных полосок 14-17, низкорезистивных перемычек, соединяющих магниторезистивные полоски в мостовую схему. Проводник управления выполнен в виде меандра, рабочие части которого 18-21 проходят над рядами 14-17 магниторезистивных полосок, и имеет контактные площадки 22 и 23.
2
Заявляемое изобретение относится к магниторезистивным датчикам с анизотропным магниторезистивным эффектом. При этом виде магниторезистивного эффекта изменение сопротивления ферромагнитной пленки в магнитном поле пропорционально sinφ, где φ - угол между вектором намагниченности ферромагнитной пленки тонкопленочной магниторезистивной полоски и направлением протекающего в ней сенсорного тока.
Оценим толщину магнитожесткой пленки 9, необходимую для улучшения характеристик магниторезистивного датчика. Величина создаваемого ею в расположенных под нею тонкопленочных магниторезистивных полосках 14-17 постоянного магнитного поля Н определяется выражением
S
где M и d - намагниченность насыщения и толщина магнитожесткой пленки 9, w - ширина проводника управления 7.
K
P
S
K
Величина магнитного поля Н, необходимого для отклонения вектора намагниченности ферромагнитной пленки 5 на 45° от оси легкого намагничивания, определяется суммой поля магнитной анизотропии H этой пленки и создаваемых ею магнитных размагничивающих полей H. Для типичных значений w=200 мкм, M=1000 Гс, H=10 Э величина Н составляет величину около 20-25 Э. Из (1) следует, что d=0,4 мкм, что является реальной величиной для вакуумного напыления металлических ферромагнитных пленок. Нами, методом вакуумного напыления, получены Cr(30 нм)-CoNi(100 нм) наноструктуры с коэрцитивной силой около 170 Э, что более чем достаточно для их использования в качестве магнитожестких пленок в магниторезистивном датчике. Минимальная коэрцитивная сила магнитожесткой пленки 9 должна не менее чем в 1,5 раза превышать максимальные суммарные магнитные поля, возникающие при работе датчика, включая внешние магнитные поля для исключения размагничивания магнитожесткой пленки 9. В то же время нельзя сильно увеличивать коэрцитивную силу магнитожесткой пленки 9, так как это приводит к росту требуемой для ее намагничивания амплитуды импульса тока в проводнике управления 7.
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 14-17 (фиг.2) устанавливаются вдоль ОЛН. При подаче через контактные площадки 22 и 23 в проводник управления 7 импульса тока, создаваемое им магнитное поле будет действовать вдоль ОЛН на ряды тонкопленочных магниторезистивных полосок 14 и 16 и расположенную над ними магнитожесткую пленку 9 в одном направлении, а на ряды тонкопленочных магниторезистивных полосок 15 и 17 и расположенную над ними магнитожесткую пленку 9 - в противоположном направлении. Под действием магнитного поля, создаваемого импульсом тока в проводнике управления, векторы намагниченности и расположенная над ними магнитожесткая пленка 9 перемагнитятся в противоположные стороны. При этом магнитные поля, создаваемые противоположно намагниченными магнитожесткими пленками 9, будут направлены противоположно друг другу и поддерживать направления векторов намагниченности в рядах тонкопленочных магниторезистивных полосок 14 и 16, 15 и 17 относительно ОЛН ферромагнитной пленки. Это уменьшает вредное влияние размагничивающего магнитного поля на направление векторов намагниченности этих полосок и, таким образом, сохранять оптимальный угол векторов намагниченности для достижения максимальной чувствительности и линейности магниторезистивного датчика.
Магниторезистивный датчик измеряет магнитное поле, перпендикулярное ОЛН. Под действием этого магнитного поля все векторы намагниченности рядов тонкопленочных магниторезистивных полосок 14-17 повернутся в его направлении, причем в двух рядах 14 и 16 тонкопленочных магниторезистивных полосок угол между векторами намагниченности и протекающим в этой полоске сенсорным током увеличится, а в двух других, 15 и 17, - 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.
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.
Вспомогательный слой хрома 8 необходим для увеличения адгезии и величины коэрцитивной силы магнитожесткой пленки 9. Защитный слой 10 защищает поверхность магнитожесткой пленки 9 от окисления и воздействия на нее при формировании верхних изолирующих и проводниковых слоев 11-13.
Таким образом, предложенный магниторезистивный датчик с подслоем хрома и магнитожесткой пленкой на поверхности проводника управления с двумя парами линейно расположенных и одинаково сформированных под углами ±45° к ОЛН рядов тонкопленочных магниторезистивных полосок, соединенных в мостовую схему таким образом, что противоположными плечами мостовой схемы являются два внешних и два внутренних ряда магниторезистивных полосок, обладает максимальной чувствительностью и линейностью нечетной ВЭХ.