Преобразователь магнитного поля с повышенной чувствительностью на анизотропных тонкопленочных магниторезисторах (варианты)
MAGNETIC FIELD CONVERTER WITH INCREASED SENSITIVITY ON ANISOTROPIC THIN-FILM MAGNETORESISTORS (VERSIONS)

Изобретение относится к области автоматики и магнитометрии и может быть использовано для регистрации постоянных и переменных магнитных полей.
Известны устройства для регистрации магнитного поля, представляющие собой тонкопленочные анизотропные магниторезисторы, включенные в мостовую схему (US 8884610, US 8547087 RU 2495514 С1, 10.10.2013, US 5055786 A, 08.10.1991).
Наиболее близким по конструктивным признакам заявляемому является устройство, представляющее собой магниторезисторы в виде полосок магнитного материала, на которые нанесены шунтируюшие полоски из проводящего материала под углом 45° к продольной оси полосок (RU 2533747 С1, 20.11.2014). Недостатком данного устройства является относительно невысокая чувствительность его к магнитному полю в силу того, что намагниченность на краях магнитной полоски ориентирована под углом к линиям тока значительно меньше 45°, что обусловлено геометрическим расположением шунтирующих полос, т.е. эти участки реагируют на магнитное поле слабее, чем центральные области.
Техническим результатом данного технического решения является повышение чувствительности к магнитному полю.
Указанный результат достигается тем, что форма магнитной полосы, на которой находится шунтируюшая полоска, полностью повторяет форму шунтирующей полоски. В результате распределение намагниченности в магнитном слое существенно отличается от однородного распределения в классическом магниторезисторе. В частности, в областях магнитного слоя, находящихся под шунтирующей полоской, возникают неоднородности распределения намагниченности, приводящие к изменению распределения намагниченности в областях магнитной полоски между шунтирующими полосками и, в частности, на краях магнитной полоски. В результате угол между вектором намагниченности и линиями тока становится близким к 45° на большей площади магнитной полосы. В связи с этим большая область магнитной полоски между шунтами будет эффективно реагировать на магнитное поле, что приводит к повышению чувствительности магниторезистора и преобразователя в целом. Чувствительность (S) магниторезистивного преобразователя определяется выражением
,
где ΔR - изменение сопротивления в магнитном поле,
R - сопротивление магниторезистора,
Н к - поле анизотропии.
На фиг. 1 показан график изменения сопротивления магниторезистора, полученный в результате расчета, проведенного на основе микромагнитной модели, учитывающей неоднородное распределение намагниченности, из которого видно, что для структуры с магнитным слоем, повторяющим форму шунтирующей полоски, изменение сопротивления имеет большую величину по сравнению с классической структурой, т.е. графики имеют различный наклон. В соответствии с (1) чувствительность S преобразователя с такой структурой также будет больше, чем классической.
На фиг. 2 показаны передаточные характеристики для классического магниторезистора и заявляемого с одинаковой геометрией. Характеристика 4 имеет больший наклон, что свидетельствует о большей чувствительности устройства.
На фиг. 3 показано заявляемое устройство. Магниторезистивный слой 1 выполнен в конфигурации, полностью совпадающей с конфигурацией проводящего слоя 2, и вся площадь под шунтирующими полосками заполнена магнитным материалом.
На фиг. 4 показан второй вариант заявляемого устройства. На магниторезистивный слой 1, выполненный в конфигурации, полностью совпадающей с конфигурацией проводящего слоя 2, нанесен слой диэлектрического материала 3, в котором выполнены окна по форме шунтирующих проводников, в которых, в свою очередь, выполнены шунтирующие проводники 2.
Технически устройство реализовано следующим образом. На пластину кремния, на которой предварительно был сформирован изолирующий слой, напылен слой пермаллоя (80%Ni20%Fe) толщиной 0,03 мкм, на котором методом фотолитографии сформирован рисунок в виде полосок с регулярными поперечными расширениями в форме шунтов. Затем напылялся слой алюминия, на котором также методом фотолитографии формировался рисунок проводящих элементов в виде поперечных шунтов. Изготовленное устройство имело следующие топологические размеры: ширина магнитной полоски - 10 мкм, ширина шунтирующей полоски - 6 мкм, расстояние между шунтирующими полосками - 10 мкм.
На фиг. 5 показана передаточная характеристика устройства, где для сравнения приведена характеристика классического устройства с такими же топологическими размерами. Хорошо видно, что характеристика заявляемого устройства имеет наклон, значительно превышающий наклон характеристики классического устройства, что свидетельствует о большей чувствительности заявляемого устройства. Расчет чувствительности на линейном участке характеристики дает следующие значения: для заявляемого устройства - 11,3 мВ/В/кА/м, тогда как для классического - только 4,2 мВ/В/кА/м. Таким образом, подтверждается факт увеличения чувствительности более чем в 2,5 раза.