МАГНИТОРЕЗИСТИВНАЯ ГОЛОВКА-ГРАДИОМЕТР
MAGNETORESISTIVE GRADIOMETER HEAD

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.
Известна магниторезистивная головка-градиометр (Касаткин С.И., Муравьев A.M. Магниторезистивная головка-градиометр. Патент РФ №2366038). В этой головке-градиометре линейная вольт-эрстедная характеристика (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.
Известна магниторезистивная головка-градиометр (Касаткин С.И., Муравьев A.M. Магниторезистивная головка-градиометр. Патент РФ №2403652). В этой головке-градиометре линейная ВЭХ формируется расположением оси легкого намагничивания (ОЛН) ферромагнитной пленки под 45° относительно длины тонкопленочной магниторезистивной полоски. Недостатком такого устройства является одинаковая чувствительность к магнитному полю рабочей и трех балластных магниторезистивных полосок, что требует их значительного удаления друг от друга для получения высокого ослабления влияния локального магнитного поля на магниторезистивную головку-градиометр.
Задачей, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является создание магниторезистивной головки-градиометра на основе металлической ферромагнитной наноструктуры с планарным протеканием сенсорного тока, имеющей линейную ВЭХ.
Технический результат выражается в обеспечении компактных размеров, ослаблении действующего на магниторезистивную головку-градиометр локального магнитного поля, увеличении чувствительности.
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 первый планарный проводник с рабочими частями, расположенными над тонкопленочными магниторезистивными полосками, и второй изолирующий слой, второй планарный проводник, проходящий над и вдоль рабочей тонкопленочной магниторезистивной полоски, и защитный слой, при этом все тонкопленочные магниторезистивные полоски расположены в один ряд, во всех тонкопленочных магниторезистивных полосках ОЛН ферромагнитной пленки направлена под углом 45° относительно продольной оси тонкопленочной магниторезистивной полоски, а рабочее плечо мостовой схемы, ближайшее к краю головки-градиометра, удалено от трех балластных плеч мостовой схемы, ширина балластной тонкопленочной магниторезистивной полоски в N раз меньше ширины рабочей тонкопленочной магниторезистивной полоски, а балластный ряд мостовой схемы состоит из набора N параллельно соединенных тонкопленочных магниторезистивных полосок. Балластные тонкопленочные магниторезистивные полоски могут располагаться вдоль ОЛН ферромагнитной пленки, а их длина определяется равенством сопротивлений рабочей тонкопленочной магниторезистивной полоски и набора из N параллельно соединенных балластных тонкопленочных магниторезистивных полосок.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что тонкопленочная магниторезистивная полоска с уменьшенной в N раз шириной имеет приблизительно в N раз меньшую чувствительность к магнитному полю из-за возрастания размагничивающего магнитного поля. Таким образом, не нужно удалять балластные тонкопленочные магниторезистивные полоски от рабочих тонкопленочных магниторезистивных полосок на значительное расстояние для ослабления величины измеряемого приповерхностного магнитного поля. Одновременно такое решение увеличивает чувствительность магниторезистивной головки-градиометра из-за увеличения ослабления локального магнитного поля, действующего на магниторезистивную головку-градиометр.
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 нижний 3 и верхний защитные 4 слои, между которыми расположена ферромагнитная пленка 5. Поверх тонкопленочных магниторезистивных полосок расположен первый изолирующий слой 6, на котором сформирован первый планарный проводник 7 с рабочей частью, расположенной над тонкопленочными магниторезистивными полосками вдоль них. Выше расположены второй изолирующий слой 8, второй планарный проводник 9, проходящий над рабочей тонкопленочной магниторезистивной полоски и вдоль нее, и защитный слой 10.
Конструктивно магниторезистивная головка-градиометр состоит из четырех плеч 11-14 (фиг.2) мостовой схемы, одно из которых 11 - рабочее плечо из одной тонкопленочной магниторезистивной полоски, и три балластных плеча 12-14. Рабочее плечо 11 находится около края магниторезистивной головки-градиометра, а три балластных плеча 12-14 удалены от рабочего плеча 11. Рабочее плечо 11 содержит одну тонкопленочную полоску, а балластные плечи 12-14 содержат четыре параллельно соединенные тонкопленочные магниторезистивные полоски с шириной, в четыре раза меньшей ширины рабочей тонкопленочной магниторезистивной полоски. Тонкопленочные магниторезистивные полоски в плечах 11-14 параллельно соединены немагнитными низкорезистивными перемычками 15. Над тонкопленочными магниторезистивными полосками плеч 11-14 расположен первый планарный проводник 16. Над рабочей полоской плеча 11 сформирован второй планарный проводник 17, проходящий вдоль нее.
Работа магниторезистивной головки-градиометра происходит следующим образом. В тонкопленочные магниторезистивные полоски 11-14 магниторезистивной головки-градиометра подается постоянный сенсорный ток для считывания сигнала. Во второй планарный проводник 17 подается постоянный ток нужной полярности, позволяющий достигнуть максимальной чувствительность магниторезистивной головки-градиометра благодаря отклонению вектора намагниченности рабочей тонкопленочной магниторезистивной полоски на оптимальный угол в 45° относительно ее длины. В первый планарный проводник 16 подаются пары импульсов тока set/reset противоположной полярности для устранения влияния гистерезиса на результаты измерения магнитного поля. Импульсы тока должен быть достаточно большой величины (обычно около 1-2 А), чтобы во всех тонкопленочных магниторезистивных полосках 11-14 создать 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 плеч 11-14 должны быть направлены вдоль ее ОЛН, развернутой приблизительно на 45° от оси длины тонкопленочной магниторезистивной полоски. Но из-за действия на них размагничивающего магнитного поля, создаваемого составляющей векторов намагниченности ферромагнитной пленки 5, перпендикулярной длине тонкопленочной магниторезистивной полоски, угол отклонения векторов намагниченности будет всегда меньше. При этом из-за того, что размагничивающее магнитное поле обратно пропорционально ширине тонкопленочной магниторезистивной полоски, отклонение векторов намагниченности рабочей тонкопленочной магниторезистивной полоски и, следовательно, ее чувствительность будут больше, чем эти величины для узких балластных тонкопленочных полосок плеч 12-14. При подаче во второй планарный проводник 17 постоянного тока нужной полярности создаваемое им магнитное поле разворачивает вектор намагниченности рабочей тонкопленочной магниторезистивной полоски плеча 11 до 45°, что соответствует ее (и магниторезистивной головки-градиометра) максимальной чувствительности.
Из-за технологических и конструктивных причин в рабочей тонкопленочной магниторезистивной полоске плеча 11 вектор намагниченности ферромагнитной пленки 5 может быть направлен не под оптимальным углом 45°. Для установки оптимального угла направления вектора намагниченности в рабочей тонкопленочной полоске во второй планарный проводник 17 подается ток нужной полярности, создающий постоянное магнитное поле, доворачивающее вектор намагниченности ферромагнитной пленки 5 до угла 45°, что обеспечивает максимальную чувствительность и линейный диапазон магниторезистивной головки-градиометра. При этом чувствительность балластных полосок в плечах 12-14 в четыре раза меньше чувствительности рабочей тонкопленочной магниторезистивной полоски при условии, что их вектора намагниченности направлены под 45° относительно длины тонкопленочной магниторезистивной полоски. Реально, направления векторов намагниченности балластных полосок значительно меньше этого угла, что еще больше уменьшает их чувствительность относительно чувствительности рабочей тонкопленочной магниторезистивной полоски.
6
2
Локальное магнитное поле, действующее на рабочее плечо 11 мостовой схемы магниторезистивной головки-градиометра, приводит к изменению направления вектора намагниченности ферромагнитной пленки 5, что изменяет магнитосопротивление тонкопленочной магниторезистивной полоски и приводит к появлению сигнала считывания. Аналогично магниторезистивному датчику магнитного поля с проводником управления магниторезистивная головка-градиометр будет обладать ВЭХ с линейным участком (фиг.3). На этой фигуре приведена осциллограмма экспериментальной ВЭХ магниторезистивной головки-градиометра для размеров FeNiCo магниторезистивной полоски размером 20×120 мкм для толщины ферромагнитной пленки 25 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 мВ/(ВхЭ). Реальное ослабление влияния однородного магнитного поля на сигнал магниторезистивной головки-градиометра составляет величину около 20 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 рабочей тонкопленочной магниторезистивной полоской. Одним из ее применений является измерение приповерхностных магнитных полей, создаваемых работающей печатной платой или микросхемой.