МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ДАТЧИК
MAGNETORESISTIVE SENSOR

Изобретение относится к области магнитных наноэлементов на основе многослойных металлических наноструктур с магниторезистивным эффектом и может быть использовано для измерения магнитного поля в измерительных комплексах, научном и медицинском приборостроении, устройствах диагностики печатных плат и микросхем, биообъектов (бактерий, вирусов, токсинов и ДНК).
Известны магниторезистивные датчики магнитного поля с линейной вольт-эрстедной характеристикой (ВЭХ), формируемой магнитным полем, создаваемым током в проводнике управления, расположенном над тонкопленочными магниторезистивными полосками (Касаткин С.И., Киселева И.Д., Лопатин В.В., Муравьев A.M., Попадинец Ф.Ф., Сватков А.В. Магниторезистивный датчик // Патент РФ. 1999. №2139602). Однако для работы данного датчика магнитного поля требуется достаточно большая величина тока в проводнике управления.
Этот недостаток существенно уменьшен в магниторезистивном датчике магнитного поля с магнитомягкой пленкой над проводником управления (Касаткин С.И., Муравьев A.M. Магниторезистивный датчик // Патент РФ. 2001. №2175797). Однако для правильной и оптимальной работы такого датчика магнитного поля надо подгонять толщину магнитомягкой пленки под конкретные параметры устройства.
Задачей, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является создание магниторезистивного датчика магнитного поля на основе металлической ферромагнитной наноструктуры с планарным протеканием сенсорного тока, имеющего линейную ВЭХ с небольшим током в проводнике управления и параметрами магнитожесткой пленки, не зависящими от топологии конструкции датчика.
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 тонкопленочные магниторезистивные полоски, содержащие каждая верхний и нижний защитные слои, между которыми расположены две ферромагнитные пленки с осью легкого намагничивания вдоль длины тонкопленочной магниторезистивной полоски, между которыми расположен разделительный слой, поверх тонкопленочных магниторезистивных полосок расположен первый изолирующий слой, на котором сформирован проводник управления с рабочими частями, расположенными над тонкопленочными магниторезистивными полосками вдоль каждой полоски, второй изолирующий слой, и защитный слой, на всей поверхности проводника управления расположена магнитожесткая пленка, причем ее коэрцитивная сила не менее чем втрое превышает поле магнитной анизотропии ферромагнитной пленки, а векторы намагниченности магнитожесткой пленки в соседних плечах мостовой схемы направлены перпендикулярно оси легкого намагничивания антипараллельно друг другу. На всей поверхности проводника управления магниторезистивного датчика может располагаться вспомогательный слой хрома, а на поверхности магнитожесткой пленки может располагаться дополнительный защитный слой.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что магнитожесткие полоски на поверхности проводника управления создают постоянные магнитные поля, разворачивающие векторы намагниченности магниторезистивных полосок и не зависящие от тока в проводнике управления и, тем самым, существенно уменьшающие величину этого тока, необходимого для этой же цели. Вспомогательный слой хрома увеличивает коэрцитивную силу магнитожестких полосок, что упрощает требования к созданию магнитожесткой пленки.
Изобретение поясняется чертежами: на фиг.1 представлен магниторезистивный датчик с вспомогательным слоем хрома и магнитожесткой пленкой на поверхности проводника управления в разрезе; на фиг.2 показана конструкция магниторезистивного датчика, вид сверху.
Магниторезистивный датчик магнитного поля содержит подложку 1 (фиг.1) с диэлектрическим слоем 2, тонкопленочные магниторезистивные полоски, содержащие нижний 3 и верхний 4 защитные слои, между которыми расположены ферромагнитные пленки 5 и 6, разделенные слоем 7. Поверх тонкопленочных магниторезистивных полосок расположен первый изолирующий слой 8, на котором сформирован проводник управления 9 с рабочими частями, расположенными над тонкопленочными магниторезистивными полосками вдоль каждого их ряда. На поверхности проводника управления 9 последовательно расположены вспомогательный слой хрома 10, магнитожесткая пленка 11 и защитный слой 12. Выше расположен верхний защитный слой 13.
Конструктивно, магниторезистивный датчик магнитного поля состоит из четырех тонкопленочных магниторезистивных полосок 14-17 (фиг.2) мостовой схемы. Эти полоски 14-17 соединены в мостовую схему немагнитными низкорезистивными перемычками 18-21. В низкорезистивных перемычках выполнены контактные площадки 22-25. Над тонкопленочными магниторезистивными полосками 14-17 расположен проводник управления 26 с контактными площадками 27-28, вспомогательным слоем хрома 10, магнитожесткой пленкой 11 и защитным слоем 12, причем проводник управления 26, вспомогательный слой хрома 10, магнитожесткая пленка 11 и защитный слой 12 имеют одну топологию.
Оценим толщину магнитожесткой пленки 11. 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 11, w - ширина проводника управления 26.
K
P
S
K
Величина магнитного поля Н, необходимого для отклонения вектора намагниченности ферромагнитных пленок 5, 6 на 45° от оси легкого намагничивания определяется суммой поля магнитной анизотропии Н этих пленок и создаваемых ими магнитных размагничивающих полей Н. Для типичных значений w=40 мкм, M=1000 Гс, Н=10 Э величина Н составляет величину около 20-25 Э. Из (1) следует, что d=0,1 мкм, что является реальной величиной для вакуумного напыления металлических ферромагнитных пленок. Нами, методом вакуумного напыления, получены Сr(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 11 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 11. В то же время нельзя сильно увеличивать коэрцитивную силу магнитожесткой пленки 11, так как это приводит к росту требуемой для ее намагничивания амплитуды импульса тока в проводнике управления 26.
Работа магниторезистивного датчика магнитного поля происходит следующим образом. В исходном состоянии векторы намагниченности ферромагнитных пленок тонкопленочных магниторезистивных полосок 14-17 направлены вдоль ОЛН антипараллельно друг другу. Под действием постоянного магнитного поля, создаваемого магнитожесткими пленками 11 и направленного перпендикулярно ОЛН, векторы намагниченности тонкопленочных полосок 14-17 разворачиваются в направлении этого постоянного магнитного поля. Перед началом работы в проводник управления 26 подается импульс тока, создающий магнитное поле, превышающее коэрцитивную силу магнитожесткой пленки и намагничивающий магнитожесткую пленку 11 перпендикулярно ОЛН ферромагнитных пленок 5, 6 тонкопленочных магниторезистивных полосок 14-17 и антипараллельно друг другу. При этом угол отклонения векторов намагниченности ферромагнитных пленок 5, 6 должно составлять приблизительно 45°, что соответствует максимальной чувствительности и линейности ВЭХ магниторезистивного датчика.
Для считывания сигнала в мостовую схему с тонкопленочными магниторезистивными полосками 14-17 магниторезистивного датчика подается постоянный сенсорный ток. Перед началом измерения векторы намагниченности ферромагнитной пленки 5, 6 в тонкопленочных магниторезистивных полосках 14-17 направлены антипараллельно друг другу и отклонены от ОЛН ферромагнитной пленки приблизительно на 45°. Ввиду разброса параметров магниторезистивного датчика, в первую очередь, ферромагнитных пленок 5, 6 и магнитожестких пленок 11, угол отклонения ферромагнитных пленок 5, 6 - не оптимальный. Поэтому в проводник 16 подается постоянный ток нужной полярности, позволяющий отклонить векторы намагниченности ферромагнитных пленок 5, 6 на оптимальный, относительно оси легкого намагничивания, угол 45°. Величина этого тока в несколько раз меньше, чем в прототипе, так как требуется только небольшой доворот векторов намагниченности ферромагнитных пленок 5, 6, а не полный разворот этих векторов намагниченности.
2
Магнитные поля, создаваемые магнитожесткими пленками 11 в соседних плечах мостовой схемы направлены антипараллельно друг другу. Это приводит к отклонению векторов намагниченности ферромагнитных пленок 5, 6 соседних плеч мостовой схемы в противоположных направлениях. При воздействии на мостовую схему внешнего однородного магнитного поля векторы намагниченности ферромагнитных пленок 5, 6 будут отклоняться в направлении этого магнитного поля, но, в двух плечах векторы намагниченности будут приближаться к оси тонкопленочных магниторезистивных полосок (направлению сенсорного тока), а в двух других - отклоняться. Изменение магнитосопротивления в анизотропном магниторезистивном эффекте пропорционально cosφ, где φ - угол между направлением сенсорного тока в тонкопленочной магниторезистивной полоске и вектором намагниченности ферромагнитной пленки. При этом в одной паре плеч мостовой схемы магнитосопротивление будет увеличиваться, а в другой паре плеч - уменьшаться. Это приведет к разбалансу мостовой схемы и появлению на ее двух вершинах электрического сигнала считывания.
Таким образом, в предлагаемом магниторезистивном датчике многократно уменьшен ток в проводнике управления, что существенно улучшает его технические характеристики за счет уменьшения потребляемой мощности и нагрева, а также возможности использования такого магниторезистивного датчика в линейке или матрице датчиков.