МАГНИТОРЕЗИСТИВНАЯ ГОЛОВКА-ГРАДИОМЕТР
MAGNETORESISTIVE HEAD-GRADIOMETRE

Изобретение относится к области магнитных наноэлементов на основе многослойных металлических наноструктур с магниторезистивным эффектом и может быть использовано в датчиках магнитного поля и тока, головках считывания с магнитных дисков и лент, устройствах диагностики печатных плат и микросхем, биообъектов (бактерий, вирусов, токсинов и ДНК), идентификации информации, записанной на магнитные ленты, считывания информации, записанной магнитными чернилами.
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 данный датчик магнитного поля реагирует на однородное магнитное поле, т.е. не является градиометром.
Известна магниторезистивная головка-градиометр (Касаткин С.И., Муравьев A.M. Магниторезистивная головка-градиометр. Патент РФ №2366038). В этой головке-градиометре линейная ВЭХ формируется магнитным полем, создаваемым током в проводнике управления, расположенном над тонкопленочными магниторезистивными полосками. Недостатком такого устройства является достаточно большой ток в проводнике управления, достигающий десятков миллиампер, что ограничивает применение линеек и матриц из подобных магниторезистивных головок-градиометров.
Задачей, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является создание магниторезистивной головки-градиометра на основе металлической ферромагнитной наноструктуры с планарным протеканием сенсорного тока, имеющей линейную ВЭХ и позволяющей измерять локальные магнитные поля на больших площадях, не реагируя на действующее на нее однородное магнитное поле.
Указанный технический результат достигается тем, что в магниторезистивной головке-градиометре, содержащей подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположены соединенные в мостовую схему немагнитными низкорезистивными перемычками четыре ряда последовательно соединенных такими же перемычками в каждом плече мостовой схемы тонкопленочных магниторезистивных полосок, содержащих каждая верхний и нижний защитные слои, между которыми расположена ферромагнитная пленка, первый изолирующий слой поверх тонкопленочных магниторезистивных полосок, на котором сформирован проводник с рабочими частями, расположенными над тонкопленочными магниторезистивными полосками, второй изолирующий слой, планарная катушка и защитный слой, при этом все тонкопленочные магниторезистивные полоски расположены в один ряд, а ближайший к краю подложки ряд тонкопленочных магниторезистивных полосок удален от трех остальных рядов тонкопленочных магниторезистивных полосок на расстояние не менее десяти периодов повторения этих рядов, во всех тонкопленочных магниторезистивных полосках ось легкого намагничивания ферромагнитной пленки направлена под углом 45° относительно продольной оси тонкопленочной магниторезистивной полоски, а рабочие части проводника расположены поперек тонкопленочных магниторезистивных полосок.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что расположение оси легкого намагничивания (ОЛН) ферромагнитной пленки в тонкопленочных магниторезистивных полосках мостовой схемы уже формирует линейную ВЭХ головки-градиометра. Проводник необходим для подачи импульса set/reset, устанавливающего каждый раз одно и тоже магнитное состояние тонкопленочных магниторезистивных полосок на выходе магниторезистивной головки-градиометра при воздействии на нее однородного и локального магнитного поля. Расположение его рабочих частей поперек тонкопленочных магниторезистивных полосок увеличивает эффективность магнитного поля, создаваемого импульсом тока set/reset, благодаря тому, что размагничивающие магнитные поля вдоль длины тонкопленочной магниторезистивной полоски в десятки раз меньше полей поперек полоски. Поэтому для установки одного и того же магнитного состояния полоски при действии импульса тока set/reset требуется существенно меньшая его амплитуда.
Последовательное соединение плеч мостовой схемы формирует градиометр, т.е. отсутствие сигнала считывания при воздействии на головку однородного магнитного поля. При наличии локального магнитного поля около рабочего плеча мостовой схемы головки-градиометра возникает сигнал считывания в соответствии с ее линейной ВЭХ.
Изобретение поясняется чертежами: на фиг.1 представлена магниторезистивная головка-градиометр с ферромагнитной пленкой в тонкопленочной магниторезистивной полоске в разрезе; на фиг.2 показана конструкция магниторезистивной головки-градиометра, вид сверху; на фиг.3 приведена осциллограмма экспериментальной ВЭХ магниторезистивной головки-градиометра.
Магниторезистивная головка-градиометр содержит подложку 1 (фиг.1), с диэлектрическим слоем 2, тонкопленочные магниторезистивные полоски, содержащие верхний 3 и нижний защитные 4 слои, между которыми расположена ферромагнитная пленка 5. Поверх тонкопленочных магниторезистивных полосок расположен первый изолирующий слой 6, на котором сформирован проводник 7 с рабочими частями, расположенными над тонкопленочными магниторезистивными полосками вдоль каждого их ряда, соединенные в виде меандра. Выше расположен второй изолирующий слой 8, планарная катушка 9 и верхний защитный слой 10.
Конструктивно магниторезистивная головка-градиометр состоит из четырех плеч 11-14 (фиг.2) мостовой схемы, одно из которых 11 - рабочее плечо и три балластных плеча 12-14. Для простоты на фиг.2 плечи 11-14 содержат только одну тонкопленочную магниторезистивную полоску. Рабочее плечо 11 находится около края магниторезистивной головки-градиометра, а три балластных плеча 12-14 удалены от рабочего плеча 11. Тонкопленочные магниторезистивные полоски 11-14 соединены немагнитными низкорезистивными перемычками 15. Над тонкопленочными магниторезистивными полосками 11-14 расположен проводник 16.
Работа магниторезистивной головки-градиометра происходит следующим образом. В тонкопленочные магниторезистивные полоски 11-14 магниторезистивной головки-градиометра подается постоянный сенсорный ток для считывания сигнала. Перед началом работы в проводник 16 подается импульс тока произвольной полярности, но одинаковой каждый раз, для устранения влияния гистерезиса на результаты измерения магнитного поля. Импульс тока должен быть достаточно большой величины (обычно около 1 А), чтобы в проводнике 16 создать во всех тонкопленочных магниторезистивных полосках 11-14 одинаковое магнитное состояние, чем и достигается устранение влияния гистерезиса на результаты измерения магнитного поля.
Перед началом измерения векторы намагниченности ферромагнитной пленки 5 в тонкопленочных магниторезистивных полосках 11-14 направлены вдоль ее ОЛН, развернутой приблизительно на 45° от оси длины полоски. Это направление векторов намагниченности соответствует линейной ВЭХ магниторезистивной головки-градиометра с максимальной чувствительностью. В то же время, из-за симметричного магнитного состояния всех четырех плеч 11-14 мостовой схемы, однородное магнитное поле, действующее на магниторезистивную головку-градиометр, не будет создавать сигнал считывания на выходе мостовой схемы. В то же время воздействие однородного магнитного поля на магниторезистивные полоски приводит к изменению в них направления векторов намагниченности, что, при приближении величины однородного магнитного поля к краю линейного диапазона, приведет к уменьшению чувствительности магниторезистивной головки-градиометра.
6
2
Локальное магнитное поле, действующее на рабочее плечо 11 мостовой схемы магниторезистивной головки-градиометра, приводит к изменению направления векторов намагниченности ферромагнитной пленки 5, что изменяет магнитосопротивление тонкопленочной магниторезистивной полоски, и появлению сигнала считывания. Аналогично магниторезистивному датчику магнитного поля с проводником управления магниторезистивная головка-градиометр будет обладать ВЭХ с линейным участком (фиг.3). На этом чертеже приведена осциллограмма экспериментальной ВЭХ магниторезистивной головки-градиометра для размеров FeNiCo магниторезистивной полоски размером 20×150 мкм для толщины ферромагнитной пленки 24 нм. Но из-за того, что в магниторезистивной головке-градиометре только одно рабочее плечо 11, ее чувствительность, по сравнению с магниторезистивным датчиком магнитного поля с проводником управления, в несколько раз меньше и достигает величины не более 0,1-0,2 мВ/(ВхЭ). Реальное ослабление влияния однородного магнитного поля на сигнал магниторезистивной головки-градиометра составляет величину около 12-15 раз.
Таким образом, предложенная магниторезистивная головка-градиометр не требует для создания линейной ВЭХ тока в проводнике, реагирует на локальное магнитное поле вблизи рабочего плеча мостовой схемы головки и не формирует сигнал считывания при воздействии на нее однородного магнитного поля, обладая высокими техническими характеристиками.
Данная магниторезистивная головка-градиометр предназначена для измерения локального магнитного поля тонкопленочными магниторезистивными полосками, находящимися в рабочем плече 11. Одним из ее применений является измерение локальных магнитных полей, создаваемых работающими печатной платой или микросхемой.