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 и вирусов), идентификации информации, записанной на магнитные ленты, считывания информации, записанной магнитными чернилами.
Известны магниторезистивные градиометры, выпускаемые американской фирмой NVE (GT sensor) на основе многослойных металлических ферромагнитных наноструктур (http:\www.nve.com). Магниторезистивный градиометр выполнен по мостовой схеме, пары магниточувствительных плеч разделены по площади наноэлемента и он не реагирует на действующее на него однородное магнитное поле. Недостатком этого градиометра является невозможность его использования для измерения локальных магнитных полей, создаваемых на поверхности протяженных объектов, таких как работающие печатная плата и микросхема.
Известны магниторезистивные головки считывания с магнитных дисков и магнитных лент (С.Х.Карпенков. Тонкопленочные накопители информации. // Изд. Радио и связь, 1993, 504 с.). Они позволяют измерять локальные магнитные поля, создаваемые магнитными доменами в магнитожестких носителях информации, на больших площадях. Особенностью таких носителей информации является отсутствие значительных однородных магнитных полей и быстрое затухание достаточно большого по величине магнитного поля доменной границы. Таким образом, перед магниторезистивной головкой считывания не стоят задачи, которые решает магниторезистивный градиометр.
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., Киселёва И.Д., Лопатин В.В., Муравьёв А.М., 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.
Задачей, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является создание магниторезистивной головки-градиометра на основе многослойной металлической 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 тонкопленочные магниторезистивные полоски, содержащие каждая верхний и нижний защитные слои, между которыми расположена ферромагнитная пленка, первый изолирующий слой поверх тонкопленочных магниторезистивных полосок, на котором сформирован проводник управления с рабочими частями, расположенными над тонкопленочными магниторезистивными полосками вдоль каждого их ряда и соединенные в виде меандра, второй изолирующий слой, планарная катушка, рабочие части которой расположены вдоль оси легкого намагничивания, и защитный слой, при этом все четыре ряда тонкопленочных магниторезистивных полосок расположены в один ряд, а ближайший к краю наноэлемента ряд тонкопленочных магниторезистивных полосок удален от трех остальных рядов тонкопленочных магниторезистивных полосок на расстояние не менее десяти периодов повторения этих рядов, проводник управления расположен одинаковым образом во всех четырех рядах тонкопленочных магниторезистивных полосок. В тонкопленочных магниторезистивных полосках между ферромагнитной пленкой и верхним защитным слоем могут быть расположены разделительный высокорезистивный слой и дополнительная ферромагнитная пленка.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что ближайший к краю магниторезистивной головки-градиометра ряд тонкопленочных магниторезистивных полосок удален от трех остальных рядов тонкопленочных магниторезистивных полосок на расстояние, не менее десяти периодов повторения этих рядов, что уменьшает локальное магнитное поле, создаваемое, например, током в проводнике в работающей печатной плате, в десятки раз. При этом проводник управления расположен одинаковым образом во всех четырех рядах тонкопленочных магниторезистивных полосок, что обеспечивает отсутствие сигнала считывания на выходе магниторезистивной головки-градиометра при воздействии на нее однородного магнитного поля.
Изобретение поясняется чертежами: на фиг.1 представлена магниторезистивная головка-градиометр с одной ферромагнитной пленкой в тонкопленочной магниторезистивной полоске в разрезе; на фиг.2 представлена тонкопленочная магниторезистивная полоска с двумя ферромагнитными пленками в разрезе; на фиг.3 показана конструкция магниторезистивной головки-градиометра, вид сверху; на фиг.4 приведена теоретическая вольт-эрстедная характеристика 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 управления 7 с рабочими частями, расположенными над тонкопленочными магниторезистивными полосками вдоль каждого их ряда и соединенные в виде меандра. Выше расположены второй изолирующий слой 8, планарная катушка 9, рабочие части которой расположены вдоль оси легкого намагничивания ферромагнитной пленки 5, и верхний защитный слой 10. Возможен вариант тонкопленочной магниторезистивной полоски (фиг.2), состоящей из нижнего 11 и верхнего 12 защитного слоя, между которыми расположены первая ферромагнитная пленка 13, разделительный высокорезистивный слой 14 и вторая ферромагнитная пленка 15.
Конструктивно магниторезистивная головка-градиометр состоит из четырех плеч 16-19 (фиг.3) мостовой схемы, одно из которых - рабочее плечо 16 и три балластных плеча 17-19. Для простоты на фиг.3 плечи 16-19 содержат только одну тонкопленочную магниторезистивную полоску. Рабочее плечо 16 находится около края магниторезистивной головки-градиометра, а три балластных плеча 17-19 удалены от рабочего плеча 16. Над тонкопленочными магниторезистивными полосками расположен проводник управления 20.
Работа магниторезистивной головки-градиометра на примере тонкопленочной магниторезистивной полоски с одной ферромагнитной пленкой 5 происходит следующим образом. В магниторезистивную головку-градиометр подается постоянный сенсорный ток для считывания сигнала. Перед началом работы в проводник управления 20 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 управления 20 создать во всех тонкопленочных магниторезистивных полосках одинаковое магнитное состояние, чем и достигается устранение влияния гистерезиса на результаты измерения магнитного поля.
2
Данная магниторезистивная головка-градиометр предназначена для измерения локального магнитного поля тонкопленочными магниторезистивными полосками, находящимися в рабочем плече 16. Одним из ее применений является измерение локальных магнитных полей, создаваемых работающими печатной платой или микросхемой. Теоретический анализ показывает, что при удалении трех балластных плеч 17-19 мостовой схемы магниторезистивной головки-градиометра с шириной и длиной тонкопленочной магниторезистивной полоски 20×150 мкм от рабочего плеча на 3 мм, ослабление планарной и вертикальной составляющих магнитного поля, создаваемого током в проводнике шириной 150 мкм, составляет 55 и 6000 раз соответственно. С увеличением ширины проводника до 800 мкм ослабление магнитного поля уменьшается до 12 и 90 раз соответственно. Этого ослабления магнитного поля достаточно для нормального функционирования магниторезистивной головки-градиометра с работающей печатной платой или микросхемой. При использовании такой магниторезистивной головки-градиометра в магнитных дисках и лентах, где область перехода составляет единицы и доли микрона, ослабление магнитного поля будет на несколько порядков больше.
Перед началом измерения в проводник управления 20 подается постоянный электрический ток, магнитное поле которого разворачивает векторы намагниченности ферромагнитной пленки 5 в тонкопленочных магниторезистивных полосках плеч 16-19 приблизительно на 45° от ОЛН, направленной вдоль длины полоски. Это направление векторов намагниченности соответствует линейной ВЭХ магниторезистивной головки-градиометра с максимальной чувствительностью. В тоже время, так как магнитное поле, создаваемое током в балластных плечах 17-19 проводника управления 20 направлено так же, как и в тонкопленочных магниторезистивных полосках рабочего плеча 16, то из-за симметричного магнитного состояния всех четырех плеч 16-19 мостовой схемы однородное магнитное поле, действующее на магниторезистивную головку-градиометр, не будет создавать сигнал считывания на ее выходе симметрично.
6
2
Локальное магнитное поле, действующее на рабочее плечо 16 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.4). На фиг.4 приведена ВЭХ для размеров FeNiCo двухслойной магниторезистивной полоски 20×150 мкм для толщины ферромагнитной пленки 12 нм. Но из-за того, что в магниторезистивной головке-градиометре только одно рабочее плечо 16, ее чувствительность, по сравнению с магниторезистивным датчиком магнитного поля с проводником управления, будет в несколько раз меньше и достигать величины около 0,2-0,3 мВ/(ВЭХ).
Как показывают теоретические и экспериментальные исследования использование тонкопленочных магниторезистивных полосок с одной ферромагнитной пленкой 5 позволяет увеличить на десятки процентов чувствительность датчика магнитного поля, но увеличивает гистерезис по сравнению с тонкопленочными магниторезистивными полосками с двумя ферромагнитными пленками 13, 15 и разделительным высокорезистивным слоем 14.
Таким образом, предложенная магниторезистивная головка-градиометр 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.