МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
MAGNETORESISTIVE CONVERTER

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 преобразователи 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 преобразователе магнитного поля с магнитомягкой наноструктурой над проводником управления (Касаткин С.И., Муравьев А.М. Магниторезистивный датчик. // Патент РФ. 2001. №2175797). Однако для правильной и оптимальной работы такого преобразователя магнитного поля надо на поверхности проводника получать магнитомягкие наноструктуры, что усложняет технологию изготовления, особенно при невысокой толщине этих наноструктур.
Задачей, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является создание магниторезистивного преобразователя магнитного поля на основе металлической ферромагнитной наноструктуры с планарным протеканием сенсорного тока, имеющего линейную ВЭХ с параллельно намагниченными магнитожесткими пленками наномагнитов.
Указанный технический результат достигается тем, что в магниторезистивном преобразователе, содержащем подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположены соединенные в мостовую схему немагнитными низкорезистивными перемычками четыре попарно и параллельно расположенные относительно друг друга 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 тонкопленочных магниторезистивных полосок вдоль каждой полоски, на поверхности первого изолирующего слоя расположены четыре наномагнита в виде прямоугольных магнитожестких полосок и расположенных вдоль них, содержащая каждая вспомогательный слой хрома с нанесенной поверх него магнитожесткой пленкой с коэрцитивной силой, не менее чем втрое превышающей поле магнитной анизотропии ферромагнитной пленки и защитный слой, при этом наномагниты расположены в один ряд с расстоянием, равным ширине полоски наномагнита, а период повторения наномагнитов равен удвоенному периоду повторения тонкопленочных магниторезистивных полосок, причем тонкопленочные магниторезистивные полоски расположены симметрично между соседними наномагнитами или относительно ширины магнитожесткой полоски магнита. В магниторезистивном преобразователе между наномагнитами и проводником управления может располагаться дополнительный изолирующий слой.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что для создания над парами магнитожестких полосок постоянного магнитного поля для формирования у магниторезистивного преобразователя магнитного поля линейной нечетной ВЭХ V(H)=-V(-H) наномагниты расположены в один ряд с расстоянием, равным ширине полоски наномагнита, а период повторения наномагнитов равен удвоенному периоду повторения тонкопленочных магниторезистивных полосок, причем тонкопленочные магниторезистивные полоски расположены симметрично между соседними наномагнитами или относительно ширины магнитожесткой полоски магнита. Такая топология магниторезистивного преобразователя позволяет создать магнитное поле наномагнитов, антипараллельно направленное в соседних тонкопленочных магниторезистивных полосках, что и создает линейную нечетную ВЭХ магниторезистивного преобразователя.
3
Изобретение поясняется чертежами: на фиг.1 представлен магниторезистивный преобразователь в разрезе; на фиг.2 показана конструкция магниторезистивного преобразователя, вид сверху; на фиг.3 показано теоретическое распределение магнитного поля, создаваемое наномагнитами с размерами 960×48×0,1 мкм, намагниченными поперек их длины на высоте 3,0 мкм от тонкопленочных магниторезистивных полосок; на фиг.4 показано теоретическое распределение магнитного поля, создаваемое током 100 мА в проводнике управления шириной 24 мкм и толщиной 1 мкм на высоте 4,5 мкм от тонкопленочных магниторезистивных полосок.
Магниторезистивный преобразователь 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 расположены наномагниты из вспомогательного слоя хрома 9, магнитожесткой пленки 10 и защитного слоя 11. Поверх наномагнитов расположен второй изолирующий слой 12, на котором сформирован проводник управления 13 с рабочими частями, расположенными над тонкопленочными магниторезистивными полосками. Выше расположен верхний защитный слой 14.
Конструктивно, магниторезистивный преобразователь магнитного поля состоит из четырех тонкопленочных магниторезистивных полосок 15-18 (фиг.2) мостовой схемы. Эти полоски 15-18 соединены в мостовую схему немагнитными низкорезистивными перемычками 19-21. В низкорезистивных перемычках выполнены контактные площадки 22-25. На поверхности изолирующего слоя расположены наномагниты 26-29. Над тонкопленочными магниторезистивными полосками 15-18 и наномагнитами 26-29 расположен проводник управления 13 с контактными площадками 30, 31.
3
Работа магниторезистивного преобразователя магнитного поля происходит следующим образом. Наномагниты 26-29, расположенные на поверхности изолирующего слоя над тонкопленочными магниторезистивными полосками 15-18, намагничены в одном направлении поперек своей длины и создают постоянное магнитное поле, направленное перпендикулярно длине этих полосок. Распределение создаваемого ими магнитного поля, действующего на тонкопленочные магниторезистивные полоски 15-18, имеет периодический вид с противоположным направлением постоянного магнитного поля. На фиг.3 приведено теоретическое распределение магнитного поля, создаваемое наномагнитами с размерами 960×48×0,1 мкм, намагниченными поперек их длины на высоте 3,0 мкм от тонкопленочных магниторезистивных полосок 15-18. Соседние тонкопленочные магниторезистивные полоски находятся в минимумах положительного и отрицательного постоянного магнитного поля наномагнитов 26-29. Под действием постоянного магнитного поля, создаваемого наномагнитами 26-29 и направленного перпендикулярно ОЛН, векторы намагниченности пар тонкопленочных магниторезистивных полосок 15, 17 и 16, 18 разворачиваются в направлении этого постоянного магнитного поля антипараллельно друг другу. Этот разворот приводит к возникновению в магниторезистивном преобразователе линейной нечетной ВЭХ и заменяет магнитное поле, создаваемое током в проводнике управления 13.
На фиг.4 показано теоретическое распределение магнитного поля, создаваемое током 100 мА в проводнике управления 13 шириной 24 мкм и толщиной 1 мкм на высоте 4,5 мкм от тонкопленочных магниторезистивных полосок 15-18. Эти параметры являются типичными для магниторезистивного преобразователя с проводником управления. Максимальное магнитное поле, создаваемое током 100 мА, составляет около 19 Э. Постоянное магнитное поле, создаваемое наномагнитами 26-29 толщиной 0,1 мкм составляет около 10 Э. Таким образом, толщина наномагнитов для создания магнитного поля, компенсирующего магнитное поле, создаваемого током в проводнике управления 13, должна быть около 0,2 мкм, что представляет собой реальную величину для вакуумно напыленных наномагнитов 26-29.
Для считывания сигнала в мостовую схему с тонкопленочными магниторезистивными полосками 15-18 магниторезистивного преобразователя подается постоянный сенсорный ток. Перед началом измерения векторы намагниченности ферромагнитных пленок 5, 6 в тонкопленочных магниторезистивных полосках 15-18 направлены антипараллельно друг другу и отклонены от ОЛН ферромагнитной пленки приблизительно на 45°. Это значение угла является оптимальным для магниторезистивного преобразователя с точки зрения получения максимальной чувствительности и линейности ВЭХ. Ввиду разброса параметров магниторезистивного преобразователя, в первую очередь ферромагнитных пленок 5, 6 и параметров наномагнитов 26-29, угол отклонения векторов намагниченности ферромагнитных пленок 5, 6 - не оптимальный. Поэтому в проводник управления 13 подается постоянный ток нужной полярности, позволяющий отклонить векторы намагниченности ферромагнитных пленок 5, 6 на оптимальный, относительно ОЛН, 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 и не будет превышать 10-15 мА.
2
Постоянное магнитное поле, создаваемое наномагнитами 26-29 в соседних плечах мостовой схемы, направлено 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. При этом в двух плечах мостовой схемы векторы намагниченности тонкопленочных магниторезистивных полосок, находящихся в противоположном по направлению относительно внешнего магнитного поля постоянном магнитном поле наномагнитов 26-29, 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 преобразователе линейная нечетная ВЭХ создается автоматически без использования тока в проводнике управления за счет постоянного магнитного поля, создаваемого наномагнитами, что существенно улучшает его технические характеристики за счет уменьшения потребляемой мощности и нагрева, а также возможности использования такого магниторезистивного преобразователя в линейке или матрице преобразователей.