ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ НАНОЭЛЕМЕНТ
HIGH-FREQUENCY MAGNETOSENSITIVE NANOELEMENT

Изобретение относится к области магнитных наноэлементов на основе многослойных металлических наноструктур с магниторезистивным эффектом и может быть использовано для преобразования высокочастотного магнитного поля в электрический сигнал.
Известны высокочастотные магниторезистивные головки считывания для магнитных дисков и цифровые гальванические развязки (http://www.nve.com). В этих устройствах используется магниточувствительный наноэлемент в виде магниторезистивной полоски на основе многослойной ферромагнитной наноструктуры. Особенностями этих наноэлементов являются большая величина считываемого магнитного поля и его импульсный характер. Таким образом, от подобных магниточувствительных наноэлементов не требуются линейность вольт-эрстедной характеристики (ВЭХ) и высокая чувствительность.
Известен высокочастотный магниточувствительный наноэлемент на основе тонкопленочной магниторезистивной полоски (С.И.Касаткин, Д.В.Вагин, О.П.Поляков, П.А.Поляков, Частотные характеристики однослойных анизотропных магниторезистивных наноэлементов // АиТ. 2008. №10. С.168-175) с осью легкого намагничивания (ОЛН), направленной под углом к длине полоски. Недостатком амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) подобных наноэлементов является ее пиковый характер, что приводит к небольшому частотному диапазону характеристики.
Задачей, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является создание высокочастотного магниточувствительного наноэлемента с заданной амплитудно-частотной характеристикой на основе магниторезистивной наноструктуры с планарным протеканием сенсорного тока.
Указанный технический результат достигается тем, что в высокочастотном магниточувствительном наноэлементе, содержащем подложку с диэлектрическим слоем, верхний и нижний защитные слои, между которыми расположена ферромагнитная пленка с осью легкого намагничивания, направленной под углом к продольной оси тонкопленочной магниторезистивной полоски, над тонкопленочной магниторезистивной полоской сформирован первый изолирующий слой с планарным проводником, закрытым вторым изолирующим слоем, поверх которого расположен поверхностный защитный слой, тонкопленочная магниторезистивная полоска состоит из тонкопленочных магниторезистивных участков различной ширины и длины, причем длина и ширина указанных тонкопленочных магниторезистивных участков разнится в пределах от полутора до трех раз.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что тонкопленочная магниторезистивная полоска с ОЛН, направленной под углом к ее длине, обладает АЧХ в виде пика, при этом положение пика, амплитуда и его форма зависят от топологии тонкопленочной магниторезистивной полоски. Соединяя тонкопленочные магниторезистивные полоски различной длины и ширины, можно изменять форму АЧХ и обеспечить ее заранее заданный вид. При этом направление ОЛН ферромагнитной пленки под углом к длинным сторонам тонкопленочной магниторезистивной полоски позволяет формировать заданную АЧХ без применения дополнительного постоянного магнитного поля.
Изобретение поясняется чертежами: на фиг.1 представлен высокочастотный магниточувствительный наноэлемент в разрезе; на фиг.2 показана конструкция высокочастотного магниточувствительного наноэлемента, вид сверху; на фиг.3 приведены теоретические АЧХ анизотропной магниторезистивной полоски с шириной 10 и 30 мкм, на фиг.4 приведены теоретические АЧХ анизотропной магниторезистивной полоски с шириной 10 и 20 мкм; на фиг.5 приведена теоретическая АЧХ высокочастотного магниточувствительного наноэлемента с тонкопленочными магниторезистивными полосками шириной 10 и 30 мкм.
Высокочастотный магниточувствительный наноэлемент содержит подложку 1 (фиг.1) с диэлектрическим слоем 2, тонкопленочную магниторезистивную полоску, содержащую верхний 3 и нижний защитные 4 слои, между которыми расположена ферромагнитная пленка 5. Поверх тонкопленочной магниторезистивной полоски расположен первый изолирующий слой 6, на котором сформирован проводник 7 с рабочей частью, расположенной над тонкопленочной магниторезистивной полоской. Выше расположен верхний защитный слой 8.
Конструктивно высокочастотный магниточувствительный наноэлемент состоит из тонкопленочной магниторезистивной полоски, состоящей из нескольких участков различной длины и ширины 8, 9 (фиг.2) с присоединенными низкорезистивными перемычками 10, 11. Над тонкопленочной магниторезистивной полоской расположен проводник set/reset 12 для устранения влияния гистерезиса.
0
Высокочастотные свойства ферромагнитной пленки определяются проявлением ферромагнитного резонанса. Теоретические исследования ферромагнитных пленок показывают, что пик f ее частотной характеристики определяется ферромагнитным резонансом и равен
s
0
k
0
0
0
0
где γ - гиромагнитное отношение, M - намагниченность насыщения, Н - постоянное магнитное поле, H - поле магнитной анизотропии. Знак «+» соответствует случаю совпадения направления оси легкого намагничивания (ОЛН) ферромагнитной пленки и Н, «-» - когда ОЛН перпендикулярна Н. Из (1) следует, что существует низкочастотный резонанс при перпендикулярном расположении ОЛН и Н, что позволяет изучать резонансное поведение ферромагнитных пленок при низких частотах и установить связь с квазистатическими измерениями. Экспериментальные исследования частотных характеристик FeNiCoB пленок показали, что f достигает 2-3 ГГц.
Для МР полосок появляется влияние размагничивающих магнитных полей
X
Y
Z
0
k
0
0
0
где N - размагничивающий фактор вдоль длины полоски, N - вдоль ширины полоски, N - перпендикулярно плоскости пленки. Из (2) следует, что f определяется H, Н и размагничивающими магнитными полями. Экспериментальные исследования частотных характеристик полосок на основе пермаллоя и Fe для совпадения направлений ОЛН и Н показали, что f достигает 4 и 11 ГГц соответственно.
6
k
6
s
k
0
Ввиду того, что при использовании планарной мультичипной технологии в рамках одного чипа можно менять только размеры анизотропной магниторезистивной полоски, представляет интерес рассмотреть частотные характеристики однослойных анизотропных магниторезистивных FeNiCo полосок с различными ширинами при малом внешнем переменном магнитном поле h (h<<H) для случая, когда h перпендикулярно длине полоски. Ток через полоску 1 мА. Проанализируем свойства однослойной FeNiCoполоски с M=900 Гс, H=10 Э, направленным под углом 60° к длине полоски при воздействии переменного магнитного поля с h=0,01 Э, величиной анизотропного магниторезистивного эффекта Δρ/ρ=2%. На фиг.3 приведены частотные характеристики AMP полоски с толщиной ферромагнитной пленки δ=25 нм для ширины полоски 10 и 30 мкм, длина полосок - 130 и 100 мкм соответственно. Видно, что характеристики представляют собой пики приблизительно одинаковой амплитуды, при этом существует сильная зависимость положения и амплитуды пика от ширины полоски. Пики расположены на 0,8 и 1,5 ГГц для ширины тонкопленочной магниторезистивной полоски 30 и 10 мкм соответственно. Отношение амплитуды сигнала в пике и постоянного h достигает 3. Амплитуда пика для ширины полоски 30 мкм втрое больше амплитуды пика для ширины полоски 10 мкм. Увеличение значения f и уменьшение амплитуды пиков с уменьшением ширины ферромагнитной пленки полоски объясняется увеличением размагничивающих магнитных полей на краях полоски в соответствии с (2) и уменьшением чувствительности полоски. Амплитуда пика прямо пропорциональна длине полоски с фиксированной шириной, а положение пика определяется величиной ширины этой полоски. На фиг.4 приведены частотные характеристики AMP полоски с толщиной ферромагнитной пленки δ=25 нм для ширины полоски 10 и 20 мкм, длина полосок - 130 и 100 мкм соответственно. Видно, что пик сигнала полоски шириной 20 мкм находится на частоте около 1,0 ГГц. Эти зависимости позволяют, в определенных пределах, формировать заранее заданную АЧХ высокочастотного магниточувствительного наноэлемента.
На фиг.5 приведена АЧХ высокочастотного магниточувствительного наноэлемента, состоящего из двух тонкопленочных магниторезистивных полосок длиной 100 мкм и шириной 10 и 30 мкм, толщиной 25 нм. Видно, что АЧХ содержит приблизительно равные пики, что позволяет расширять АЧХ высокочастотного магниточувствительного наноэлемента до диапазона приблизительно 0,7-1,7 ГГц по уровню 0,7.
Перед началом работы векторы намагниченности ферромагнитной пленки 5 в тонкопленочных магниторезистивных полосках 8, 9 повернуты приблизительно вдоль ОЛН, развернутой на 45° относительно длины полоски. Такое направление векторов намагниченности соответствует максимальной чувствительности высокочастотного магниточувствительного наноэлемента. Периодически в проводник 7 подается импульс set/reset одной полярности, магнитное поле которого приводит векторы намагниченности тонкопленочных магниторезистивных полосок 8, 9 в одинаковое магнитное состояние и устраняет тем самым влияние гистерезиса на результаты измерения.
Для преобразования высокочастотного магнитного поля в электрический сигнал в тонкопленочные магниторезистивные полоски 8, 9 подается постоянный электрический ток. Высокочастотное магнитное поле, действующее на высокочастотный магниточувствительный наноэлемент, приводит к изменению направления векторов намагниченности ферромагнитной пленки 5, что изменяет магнитосопротивление тонкопленочных магниторезистивных полосок 8, 9, и появлению электрического сигнала считывания. Анализ показал, что для используемой конструкции высокочастотного магниточувствительного наноэлемента, магнитных сплавов и техпроцесса длина и ширина магниторезистивных участков разнится в пределах от полутора до трех раз.
Таким образом, предложенный высокочастотный магниточувствительный наноэлемент на основе тонкопленочных магниторезистивных полосок обладает требуемой АЧХ, обладая высокими техническими характеристиками.