МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
MAGNETORESISTIVE CONVERTER

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в конструкции датчиков магнитного поля.
Известно изобретение по патенту Великобритании №2081973 (МПК H01L 43/04, опубл. 24.02.1982 г.), в котором описано техническое решение магниторезистивного преобразователя, содержащего размещенные на подложке два концентратора, между которыми размещен магниточувствительный элемент в виде соединенных по мостовой схеме магниторезистивных полосок.
Известно изобретение по патенту РФ №2181460 (МПК F17D 5/06, F16L 55/48, опубл. 20.04.2002 г.), в котором описано техническое решение магниторезистивного преобразователя, содержащего размещенные на подложке два концентратора, между которыми размещен магниточувствительный элемент в виде соединенных по мостовой схеме магниторезистивных полосок. Данное техническое решение может быть использовано в качестве прототипа.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании миниатюрного датчика магнитного поля с высокой чувствительностью, широким динамическим диапазоном и стабильно воспроизводимыми параметрами при его изготовлении.
Технический результат, получаемый при реализации заявляемого изобретения, выражается в увеличении относительной чувствительности к слабому магнитному полю (до 1 мТл) и повышении соотношения сигнал/шум.
Для достижения вышеуказанного технического результата магниторезистивный преобразователь содержит выполненный на подложке магниточувствительный элемент в виде соединенных по мостовой схеме магниторезистивных полосок, расположенный между двух концентраторов, в качестве подложки использован кремниевый кристалл с выполненными в нем по меньшей мере двумя заглублениями, в которых размещены планарные концентраторы, магниточувствительный элемент размещен на поверхности кристалла в области между заглублениями, над магниточувствительным элементом размещена планарная катушка первого типа, выполненная с возможностью формирования магнитного поля вдоль оси легкого намагничивания магниторезистивных полосок, отделенная от магниточувствительного элемента первым слоем диэлектрика, над которой размещена планарная катушка второго типа, выполненная с возможностью формирования магнитного поля, перпендикулярного оси легкого намагничивания магниторезистивных полосок, отделенная от первой планарной катушки вторым слоем диэлектрика, причем величина зазора между концентраторами h составляет не более чем 2 толщины концентратора b и не менее чем 0,06 длины концентратора L.
В частном случае выполнения изобретения в каждом плече мостовой схемы соединены по меньшей мере две магниторезистивные полоски.
В частном случае выполнения изобретения магниторезистивные полоски выполнены виде магниторезистивных полосок с анизотропным магниторезистивным эффектом.
В частном случае выполнения изобретения магниторезистивные полоски выполнены в виде магниторезистивных полосок с гигантским магниторезистивным эффектом.
В частном случае выполнения изобретения величина зазора между концентраторами h составляет 1,5-2 толщины концентратора b и 0,07-0,1 длины концентратора.
В частном случае выполнения изобретения концентраторы выполнены из магнитомягкого ферромагнитного материала со значением относительной магнитной проницаемости не менее 1000.
В частном случае выполнения изобретения толщина первого слоя диэлектрика не более 1,5 мкм. В частном случае выполнения изобретения толщина второго слоя диэлектрика не более 2 мкм.
Отличительными признаками являются: использование в качестве подложки кремниевого кристалла с выполненными в нем по меньшей мере двумя заглублениями, в которых размещены планарные концентраторы, размещение магниточувствительного элемента на поверхности кристалла в области между заглублениями, размещение над магниточувствительным элементом планарной катушки первого типа, выполненной с возможностью формирования магнитного поля вдоль оси легкого намагничивания магниторезистивных полосок, отделенной от магниточувствительного элемента первым слоем диэлектрика, размещение над планарной катушкой первого типа планарной катушки второго типа, выполненной с возможностью формирования магнитного поля, перпендикулярного оси легкого намагничивания магниторезистивных полосок, отделенной от первой планарной катушки вторым слоем диэлектрика, причем величина зазора между концентраторами h составляет не более чем 2 толщины концентратора b и не менее чем 0,06 длины концентратора L.
Магниторезистивный преобразователь выполнен на основе мостовой схемы включения тонкопленочных резисторов в виде магниторезистивных полосок, например с анизотропным магниторезистивным эффектом, который заключается в способности ферромагнитной (FeNiCo) пленки изменять свое сопротивление в зависимости от взаимной ориентации протекающего через нее тока и направления ее вектора намагниченности. Внешнее магнитное поле поворачивает вектор намагниченности пленки на некоторый угол, величина которого зависит от направления и величины этого поля. Что приводит к изменению сопротивления пленки и изменению соответственно выходного напряжения магниторезистивного моста.
В магниторезистивном преобразователе над магниторезистивными полосками размещены две планарные катушки, одна из которых выполнена с возможностью формирования магнитного поля вдоль оси легкого намагничивания магниторезистивных полосок (обозначенная как катушка первого типа), а вторая - с возможностью формирования магнитного поля, перпендикулярного оси легкого намагничивания магниторезистивных полосок (обозначенная как катушка второго типа). Поле, создаваемое катушкой первого типа, используется для компенсации технологического разбаланса мостового датчика или для полной компенсации измеряемого поля при использовании датчика в измерениях с обратной связью. Катушка второго типа предназначена для создания поля в направлении оси легкого намагничивания и используется для борьбы с одним из серьезных недостатков магниторезистивных датчиков - наличием гистерезиса, т.е. зависимости результатов текущего измерения от величины магнитного поля, ранее действовавшего на датчик.
Для увеличения крутизны вольт-эрстедной характеристики магниторезистивного преобразователя при сохранении довольно широкого линейного диапазона и высокого соотношения сигнал/шум используются концентраторы магнитного поля. Концентраторы магнитного поля на основе магнитомягких ферромагнитных материалов с высокой магнитной проницаемостью позволяют значительно увеличить величину относительной чувствительности к внешнему магнитному полю.
Зависимость между величиной зазора и геометрическими размерами концентратора подобрана исходя из максимального увеличения концентрации магнитного поля в области магниточувствительного элемента.
Изобретение поясняется следующими чертежами:
Фиг.1 - схематичное изображение магниторезистивного преобразователя.
Фиг.2 - разрез А-А фиг. 1.
Фиг.3 - послойная структура магниточувствительного элемента.
Фиг.4 - мостовая схема соединения магниторезистивных полосок.
Магниторезистивный преобразователь содержит кремниевый кристалл 1 с выполненными в нем по меньшей мере двумя заглублениями 2, в которых  размещены планарные металлические концентраторы 3, и магниточувствительный элемент 4 (фиг. 1, 2). Между двумя заглублениями 2 образуется выступ. Магниточувствительный элемент 4 размещен на поверхности кристалла в области между заглублениями 2. Планарные металлические концентраторы выполнены длиной L и толщиной b, причем величина зазора между концентраторами h составляет не более чем 2 толщины концентратора b и не менее чем 0,06 длины концентратора L. Предпочтительно, величина зазора между концентраторами h составляет 1,5-2 толщины концентратора b и 0,07-0,1 длины концентратора L.
Над магниточувствительным элементом 4 размещена планарная катушка первого типа 5, выполненная с возможностью формирования магнитного поля вдоль оси легкого намагничивания магниторезистивных полосок, отделенная от магниточувствительного элемента первым слоем диэлектрика 6, над которой размещена планарная катушка второго типа 7, выполненная с возможностью формирования магнитного поля, перпендикулярного оси легкого намагничивания магниторезистивных полосок, отделенная от планарной катушки первого типа вторым слоем диэлектрика 8 (фиг. 3).
На фиг. 3 изображена послойная структура магниточувствительного элемента. На кремниевом кристалле (подложке) 1 выполнен слой комбинированного изолирующего диэлектрика 9, над которым расположен слой магниторезистивный слой 4, включающий в себя нижний и верхний защитные слои Ti, содержащий мостовую схему из магниторезистивных полосок. Затем через межслойный диэлектрический слой 10 выполнен контактный слой 11 из алюминия, содержащий контакты к магниторезисторам. Над ним диэлектрический слой 6, над которым расположен слой первой планарной катушки 5. Затем через диэлектрический слой 8 расположен второй планарной катушки 7. Сверху пассивирующий слой комбинированного диэлектрика 12.
Магниточувствительный элемент выполнен в виде соединенных по мостовой схеме магниторезистивных полосок (фиг. 4).
Концентраторы изготавливаются из магнитомягкого ферромагнитного материала со значением относительной магнитной проницаемости не менее 1000. Концентраторы могут быть изготовлены, например, из холоднокатаной пермаллоевой ленты.
Толщина первого слоя диэлектрика 6 составляет не более 1,5 мкм, а толщина второго слоя диэлектрика 8 не более 2 мкм.
Концентраторы магнитного поля позволяют увеличить величину относительной чувствительности датчиков к внешнему магнитному полю до 2,5 и более мВ/В×Э.
Заглубления 2 в кремнии 1 формируются методом плазмохимического травления с высоким аспектным соотношением (Bosch-процесс). Сформированные заглубления 2 позволяют разместить концентраторы магнитного поля 3 максимально близко к чувствительной части магниторезистивного преобразователя 4.
Был выполнен датчик, где величина зазора между концентраторами h составляла 500 мкм, толщина концентратора b=350 мкм, а длина концентратора L=7,9 мм. При указанном выполнении магниторезистивного преобразователя согласно изобретению была достигнута чувствительность от 2,5 мВ/(В×Э).