ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ НАНОЭЛЕМЕНТ
HIGH-FREQUENCY MAGNETOSENSITIVE NANOELEMENT

Изобретение относится к области магнитных наноэлементов на основе многослойных металлических наноструктур с магниторезистивным эффектом и может быть использовано для преобразования высокочастотного магнитного поля в электрический сигнал.
Известны высокочастотные магниторезистивные головки считывания для магнитных дисков и цифровые гальванические развязки (http://www.nve.com). В этих устройствах используется магниточувствительный наноэлемент в виде магниторезистивной полоски на основе многослойной ферромагнитной наноструктуры. Особенностями этих наноэлементов являются большая величина считываемого магнитного поля и его импульсный характер. Таким образом, от подобных магниточувствительных наноэлементов не требуются линейность вольт-эрстедной характеристики (ВЭХ) и высокой чувствительности.
Известен высокочастотный магниточувствительный наноэлемент на основе тонкопленочной магниторезистивной полоски (С.И. Касаткин, Д.В. Вагин, О.П. Поляков, П.А. Поляков. Частотные характеристики однослойных анизотропных магниторезистивных наноэлементов // Автоматика и Телемеханика. 2008. №10. С.168-175) с осью легкого намагничивания, направленной под углом к длине полоски. Недостатком подобных наноэлементов является пиковый характер их амплитудно-частотной характеристики, что приводит к небольшому частотному диапазону характеристики.
Задачей, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является создание высокочастотного магниточувствительного наноэлемента на основе магниторезистивной наноструктуры с планарным протеканием сенсорного тока, с плавной амплитудно-частотной характеристикой и позволяющего преобразовать магнитное поле в электрический сигнал.
Указанный технический результат достигается тем, что в высокочастотном магниточувствительном наноэлементе, содержащем подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположен тонкопленочный магниторезистивный элемент, содержащий верхний и нижний защитные слои, между которыми расположена ферромагнитная пленка с осью легкого намагничивания, направленной под углом к параллельным сторонам тонкопленочного магниторезистивного элемента, над которым сформирован изолирующий слой с расположенным на нем планарным проводником, поверх которого расположен поверхностный защитный слой, тонкопленочный магниторезистивный элемент выполнен в форме тонкопленочной магниторезистивной призмы, наклонные стороны которой расположены вдоль оси проводника, при этом между планарным проводником и поверхностным защитным слоем расположены дополнительные изолирующий слой и планарный проводник. Высокочастотный магниточувствительный наноэлемент может содержать несколько последовательно изготовленных тонкопленочных магниторезистивных призм различной длины и размеров параллельных сторон.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что основой высокочастотного магниточувствительного наноэлемента является тонкопленочная призма с наклонными частями этой призмы, расположенными вдоль протекания тока, и направленной под углом к параллельным сторонам призмы осью легкого намагничивания. Такая форма наноэлемента позволяет обеспечить заданную, в определенных пределах, плавную, без провалов амплитудно-частотную характеристику (АЧХ). При этом направление оси легкого намагничивания ферромагнитной пленки под углом к параллельным сторонам тонкопленочной призмы позволяет формировать заданную АЧХ характеристику без применения дополнительного постоянного магнитного поля.
Изобретение поясняется чертежами: на фиг.1 представлен высокочастотный магниточувствительный наноэлемент в разрезе; на фиг.2 показана конструкция высокочастотного магниточувствительного наноэлемента, вид сверху; на фиг.3 показана конструкция высокочастотного наноэлемента из нескольких тонкопленочных магниторезистивных призм, вид сверху; на фиг.4 приведены теоретические АЧХ анизотропных магниторезистивных полосок с шириной 10 и 30 мкм длиной 100 и 130 мкм и АЧХ высокочастотного магниточувствительного наноэлемента с размерами параллельных сторон 10 и 30 мкм длиной 100 мкм.
Высокочастотный магниточувствительный наноэлемент содержит подложку 1 (фиг.1) с диэлектрическим слоем 2, тонкопленочную магниторезистивную призму, содержащую верхний 3 и нижний защитные 4 слои, между которыми расположена ферромагнитная пленка 5. Поверх тонкопленочной магниторезистивной призмы расположен первый изолирующий слой 6, на котором сформирован проводник 7 с рабочей частью, расположенной над тонкопленочной магниторезистивной призмой. Выше расположены второй изолирующий слой 8, проводник 9 и верхний защитный слой 10.
Конструктивно, высокочастотный магниточувствительный наноэлемент состоит из тонкопленочной магниторезистивной призмы 11 (фиг.2) с присоединенными низкорезистивными немагнитными перемычками 12-13 для подключения сенсорного тока. Над тонкопленочной магниторезистивной призмой 11 расположен проводник set/reset 14 для устранения влияния гистерезиса на результаты измерения магнитного поля и проводник 15, управляющий формой АЧХ и чувствительностью высокочастотного магниторезистивного наноэлемента.
Высокочастотный магниточувствительный наноэлемент может состоять из нескольких тонкопленочных магниторезистивных призм 16, 17 с различными размерами, расположенных вплотную друг к другу (фиг.3) с низкорезистивными немагнитными перемычками 18, 19.
Перед началом работы векторы намагниченности ферромагнитной пленки 5 в тонкопленочной магниторезистивной призме 11 развернуты приблизительно вдоль оси легкого намагничивания, развернутой на 45° вдоль параллельных сторон призмы. Это направление векторов намагниченности соответствует линейной ВЭХ высокочастотного магниточувствительного наноэлемента с максимальной чувствительностью и оптимальной АЧХ. Периодически в проводник set/reset 14 подаются импульсы тока set/reset, магнитное поле которых приводят векторы намагниченности тонкопленочной магниторезистивной призмы 11 в одинаковое магнитное состояние и устраняющие тем самым влияние гистерезиса на результаты измерения магнитного поля. Для получения максимальной чувствительности в проводник 15 подается постоянный ток нужной полярности. Постоянное магнитное поле, создаваемое током в проводнике 15 и действующее на ферромагнитную пленку 5 призмы, доворачивает векторы намагниченности этой ферромагнитной пленки до оптимального угла, соответствующего максимальной чувствительности высокочастотного магниточувствительного наноэлемента.
Для преобразования магнитного поля в электрический сигнал в тонкопленочную магниторезистивную призму 11 через низкорезистивные перемычки 12, 13 подается постоянный электрический (сенсорный) ток. Высокочастотное магнитное поле, действующее на высокочастотный магниточувствительный наноэлемент, приводит к изменению направления векторов намагниченности ферромагнитной пленки 5, что изменяет магнитосопротивление тонкопленочной магниторезистивной призмы 11, и появлению электрического сигнала считывания.
0
Высокочастотные свойства ферромагнитной пленки определяются проявлением ферромагнитного резонанса. Теоретические исследования ферромагнитных пленок показывают, что пик f ее частотной характеристики определяется ферромагнитным резонансом и равен
S
0
K
0
0
0
0
где γ - гиромагнитное отношение, M - намагниченность насыщения, Н - постоянное магнитное поле, Н - поле магнитной анизотропии. Знак «+» соответствует случаю совпадения направления оси легкого намагничивания (ОЛН) ферромагнитной пленки и Н, «-» - когда ОЛН перпендикулярна Н. Из (1) следует, что существует низкочастотный резонанс при перпендикулярном расположении ОЛН и Н, что позволяет изучать резонансное поведение ферромагнитных пленок при низких частотах и установить связь с квазистатическими измерениями. Экспериментальные исследования частотных характеристик FeNiCoB пленок показали, что f достигает 2-3 ГГц.
Для МР полосок появляется влияние размагничивающих магнитных полей
X
Y
Z
0
K
0
0
0
где N - размагничивающий фактор вдоль длины полоски, N - вдоль ширины полоски, N - перпендикулярно плоскости пленки. Из (2) следует, что f определяется Н, Н и размагничивающими магнитными полями. Экспериментальные исследования частотных характеристик полосок на основе пермаллоя и Fe для совпадения направления ОЛН и Н показали, что f достигает 4 и 11 ГГц соответственно.
K
20
S
K
Ввиду того, что при использовании планарной мультичипной технологии в рамках одного чипа можно менять только размеры тонкопленочной магниторезистивной призмы, представляет интерес рассмотреть частотные характеристики однослойных анизотропных магниторезистивных FeNiCo призм с различными основаниями и высотой. Внешнее высокочастотное магнитное поле h мало (h<<Н) и перпендикулярно высоте призмы. Ток через призму 1 мА. Проанализируем свойства однослойной FeNiCo призмы с M=1050 Гс, Н=20 Э и осью легкого намагничивания, направленной под углом 60° к длине полоски при воздействии переменного магнитного поля с h=0,01 Э. Величина анизотропного магниторезистивного эффекта составляет Δρ/ρ=2%. Размеры оснований призмы 10 и 30 мкм, высота - 100 мкм.
2
2
На фиг.4 приведены АЧХ высокочастотного магниточувствительного наноэлемента в форме тонкопленочной магниторезистивной призмы (сплошная линия) и в форме двух прямоугольных полосок различной длины и ширины (130×10 мкм и 100×30 мкм). Видно, что АЧХ высокочастотного магниточувствительного наноэлемента в форме тонкопленочной магниторезистивной призмы имеет куполообразный вид без провалов по сравнению с АЧХ наноэлемента в форме прямоугольных полосок, несмотря на то, что эта форма уже была оптимизирована. Частотный диапазон обеих АЧХ приблизительно тот же, т.к. он в значительной мере определяется не формой наноэлемента, а физическими свойствами ферромагнитной пленки.
Используя две и более последовательно соединенных тонкопленочных магниторезистивных призм различных размеров (фиг.3), можно скорректировать форму АЧХ высокочастотного магниточувствительного наноэлемента в виде набора подобных призм.
Таким образом, предложенный высокочастотный магниточувствительный наноэлемент на основе тонкопленочной магниторезистивной призмы обладает плавной изменяемой АЧХ характеристикой, обладая высокими техническими характеристиками и поддающимися теоретическому анализу, что позволяет предварительно рассчитывать АЧХ такого наноэлемента.