МОДУЛЬ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Полезная модель относится к области производства микроэлектронных изделий и может быть использована в конструкциях датчиков и преобразователей магнитного поля, электрического тока, контроля перемещения и угла поворота объекта, для устройств управления и автоматизации.
Известен магниторезистивный датчик по патенту РФ №2436200 (МПК H01L 43/08, опубл. 10.12.2011 г. ), который содержит подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположены соединенные в мостовую схему немагнитными низкорезистивными перемычками четыре ряда линейно расположенных и последовательно соединенных этими перемычками тонкопленочных магниторезистивных полосок, каждая из которых содержит нижний и верхний защитные слои, между которыми расположена магнитомягкая 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 соединенными в виде меандра, второй изолирующий слой, планарная катушка, рабочие части которой расположены вдоль оси легкого намагничивания и защитный слой, причем тонкопленочные магниторезистивные полоски в двух соседних рядах ориентированы под углом 45° относительно оси легкого намагничивания, а в двух других соседних рядах - под углом -45° относительно оси легкого намагничивания, при этом противоположными плечами мостовой схемы являются соответственно два внешних и два внутренних ряда магниторезистивных полосок на поверхности проводника управления расположена магнитожесткая пленка.
Известен магниторезистивный датчик тока по патенту РФ №2533747 (МПК G01R 33/09, H01L 43/08, опубл. 20.11.2014 г. ), который содержит замкнутую мостовую измерительную схему, проводники перемагничивания и управления. Мостовая схема состоит из четырех магниторезисторов, сформированных из пленки ферромагнитного металла в виде полосок, ориентированных под углом 45° к оси легкого намагничивания ферромагнитной пленки и расположенных парами в два ряда. Проводник перемагничивания выполнен в виде плоской прямоугольной петли, а проводник управления - в виде плоской прямоугольной катушки, рабочие полоски которых перпендикулярны друг другу. Проводники расположены над парами магниторезисторов так, что векторы магнитной индукции поля, возникающего в месте расположения магниторезисторов при прохождении тока по проводникам перемагничивания и управления, направлены в противоположные стороны, причем рабочие полоски проводника управления параллельны оси легкого намагничивания ферромагнитной пленки, из которой изготовлены магниторезисторы.
Известен магниторезистивный датчик по патенту РФ №2495514 (МПК H01L 43/08, опубл. 10.10.2013 г. ), содержит замкнутую мостовую измерительную схему из четырех магниторезисторов, сформированных из пленки ферромагнитного металла, проводник перемагничивания, сформированный в виде меандра из пленки немагнитного металла, и двухслойный проводник управления, сформированный в виде плоской катушки и состоящий из слоя немагнитного металла и слоя ферромагнитного металла. Измерительная схема магниторезистивного датчика представляет собой замкнутый мост, содержащий четыре магниторезистора в виде коротких полосок ферромагнитного металла, соединенных низкорезистивными перемычками из немагнитного металла и ориентированных под углом ±45° к оси легкого намагничивания (ОЛН) исходной пленки и контактные площадки.
Известен магниторезистивный датчик, описанный в патенте РФ №2536317 (МПК H01L 43/12, опубл. 20.12.2014 г. ), содержащий подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположены соединенные в мостовую схему магниторезистивные элементы, над магниторезистивными элементами размещена планарная катушка первого типа, выполненная с возможностью формирования магнитного поля перпендикулярно оси легкого намагничивания магниторезистивных элементов, отделенная от магниторезистивных элементов первым слоем диэлектрика, над планарной катушкой первого типа размещена планарная катушка второго типа, выполненная с возможностью формирования магнитного поля вдоль оси легкого намагничивания магниторезистивных элементов, отделенный от планарной катушки первого типа вторым слоем диэлектрика.
Задача, на решение которой направлена полезная модель состоит в создании модуля для измерения параметров магнитного поля с высокой чувствительностью, широким динамическим диапазоном и низким уровнем шума.
Технический результат, получаемый при реализации заявляемой полезной модели, выражается в повышении соотношения сигнал/шум.
Для достижения вышеуказанного технического результата модуль для измерения параметров магнитного поля, содержит кристалл с магниторезистивным преобразователем, соединенным со схемой усиления, магниторезистивный преобразователь содержит соединенные в мостовую схему магниторезистивные элементы, над магниторезистивными элементами размещена планарная катушка первого типа, выполненная с возможностью формирования магнитного поля перпендикулярно оси легкого намагничивания магниторезистивных элементов, отделенная от магниторезистивных элементов первым слоем диэлектрика, над планарной катушкой первого типа размещена планарная катушка второго типа, выполненная с возможностью формирования магнитного поля вдоль оси легкого намагничивания магниторезистивных элементов, отделенная от планарной катушки первого типа вторым слоем диэлектрика, причем магниторезистивные элементы выполнены из участков магниторезистивной пленки в форме параллелограмма с острым углом 45°, имеющей ось легкой намагниченности, параллельную короткой стороне параллелограмма, соединенных между собой немагнитными металлическими перемычками, причем контактные окна к участкам магниторезистивной пленки выполнены на длинных сторонах параллелограмма таким образом, что между линями тока, протекающего между контактными окнами, и осью легкой намагниченности угол составляет 45°, выход мостовой схемы магниторезистивного преобразователя соединен с входом схемы усиления.
Отличительными признаками являются признаки выполнения магниторезистивных элементов. Магниторезистивные элементы выполняют из участков магниторезистивной пленки, имеющей ось легкой намагниченности. Участки магниторезистивной пленки выполняют в форме параллелограмма с острым углом в 45° и двумя короткими сторонами параллельными оси легкого намагничивания. Указанные участки соединены между собой немагнитными низкорезистивными металлическими перемычками через контактные окна. Контактные окна расположены на длинных сторонах параллелограмма участка из магниторезистивной пленки, таким образом, что при протекании тока между контактными окнами линии тока, образуют с осью легкой намагниченности угол 45°. Ток протекает между контактными окнами по кратчайшему пути. Кратчайший путь определяется линией соединения соответствующих контактных окон двух соседних участков, перпендикулярной длинной стороне параллелограмма.
Выполнение магниторезистивных элементов из соединенных между собой немагнитными металлическими перемычками участков магниторезистивной пленки, выполненной полосками в форме параллелограмма с острым углом в 45°, а также выполнение контактных окон к участкам магниторезистивной пленки на длинных сторонах параллелограмма обеспечивают направление линии тока носителей заряда от контакта к контакту с образованием угла 45° с осью легкого намагничивания удаленно от краевых границ участка магниторезистивного элемента.
Повышение соотношения сигнал/шум достигается за счет удаления линий тока от краев магниторезистивного элемента, где находятся флуктуирующие доменные границы Указанное выполнение магниторезистивных элементов обеспечивает протекание тока при отсутствии краевых нестабильных доменов, что значительно снижает уровень шумов. В совокупности повышается соотношение сигнал/шум, что соответственно улучшает магниточувствительность датчика.
В частном случае выполнения полезной модели контактные окна к магниторезистивному элементу выполнены на торцах и смежных с ними верхних областях магниторезистивного элемента.
В частном случае выполнения полезной модели магниторезистивная пленка, из которой формируется магниторезистивный элемент, содержит четное число ферромагнитных слоев, разделенных немагнитными слоями.
В частном случае выполнения полезной модели каждой плечо мостовой схемы, содержит, по меньше мере, два последовательно соединенных магниторезистивных элемента.
В конструкции магниторезистивного преобразователя включены две планарные катушки подмагничивания: катушка подмагничивания первого типа и катушка подмагничивания второго типа. Функциональное назначение катушки первого типа - снижение (коррекция) выходного дифференциального напряжения мостовой схемы, путем подачи тока в катушку, который создает магнитное поле перпендикулярное оси легкой намагниченности (ОЛН), т.е. вдоль его чувствительной оси. Функциональное назначение катушки второго типа - введение магниторезистивного моста в рабочее состояние, путем подачи в катушку импульса тока, создающего магнитное поле вдоль ОЛН магниторезистивной пленки. Так как магниторезистивная пленка имеет доменную структуру, а элементы, сформированные из нее - на границах домены с самопроизвольной намагниченностью, отличной от ОЛН, то для нормального функционирования магниторезистивного элемента необходимо создать магнитное поле, которое разворачивает все магнитные моменты доменов параллельно оси ОЛН.
Магниторезистивные элементы могут быть выполнены из участков магниторезистивной пленки, содержащей четное число ферромагнитных слоев, разделенных слоем немагнитного материала, что позволяет формировать контактные окна к магниторезистивным участкам в торцах и смежных с ними верхних областях участков магниторезистивных элементов. Наличие, по меньшей мере, двух магнитных пленок в магниторезистивных полосках, разделенных немагнитной прослойкой, приводит к замыканию магнитного потока и, таким образом, к уменьшению размагничивающих магнитных полей, т.е. к уменьшению гистерезиса.
Изобретение поясняется следующими чертежами.
Фиг. 1 схема магниторезистивного элемента;
Фиг. 2 послойная структура магниточувствительного элемента;
Фиг. 3 схема соединения магниторезистивных элементов;
Фиг. 4 схема модуля измерения параметров магнитного поля;
Фиг. 5 - электрическая принципиальная схема устройства.
Модуль для измерения параметров магнитного поля модуль для измерения параметров магнитного поля содержит магниторезистивный преобразователь, соединенный со схемой усиления.
Магниторезистивный преобразователь содержит подложку 1 с диэлектрическим слоем 2, на котором расположены соединенные в мостовую схему магниторезистивные элементы 3 (фиг. 1-3). Магниторезистивные элементы выполнены из участков магниторезистивной пленки 4, содержащей четное число ферромагнитных слоев, в форме параллелограмма с острым углом в 45°, соединенных между собой немагнитными металлическими перемычками 5. Контактные окна 6 к магниторезистивным участкам выполнены в торцах и смежных с ними верхних областях участков магниторезистивных элементов. Над магниторезистивными элементами размещена планарная катушка первого типа 7, выполненная с возможностью формирования магнитного поля перпендикулярно оси легкого намагничивания магниторезистивных элементов, отделенная от магниторезистивных элементов первым слоем диэлектрика 8, над планарной катушкой первого типа размещена планарная катушка второго типа 9, выполненная с возможностью формирования магнитного поля вдоль оси легкого намагничивания магниторезистивных элементов, отделенная от планарной катушки первого типа вторым слоем диэлектрика 10.
Магниторезистивные элементы изготавливают, по меньшей мере, из двух слоев тонкопленочного ферромагнитного материала, разделенных немагнитным слоем.
Послойная структура магниточувствительного элемента изображена на фиг. 2. На кремниевом кристалле (подложке) 1 выполнен слой комбинированного изолирующего диэлектрика 2, над которым расположен слой магниторезистивный слой 3, включающий в себя нижний и верхний защитные слои Ti. Через межслойный диэлектрический слой И выполнен контактный слой 12 из алюминия, содержащий контакты к магниторезисторам 3. Над ним диэлектрический слой 8, над которым расположен слой первой планарной катушки 7. Затем через диэлектрический слой 10 расположен слой второй планарной катушки 9. Сверху пассивирующий слой комбинированного диэлектрика 13.
На фиг. 4 показано соединение выхода мостовой схемы магниторезистивного преобразователя 14 с входом схемы усиления 15. Магниторезистивный преобразователь 14 и схема усиления 15 размещены на основании 16. Модуль закрыт крышкой 17. Принципиальная электрическая схема приведена на фиг.5.
Полезная модель поясняется следующим примером выполнения.
На кремниевом кристалле (подложке) 1 выполнен слой комбинированного изолирующего диэлектрика 2 (например, оксид кремния и нитрид кремния), над которым расположен слой магниторезистивный элемент 3 (например, FeNiCo), включающий в себя нижний и верхний защитные слои Ti. Через межслойный диэлектрический слой 11 (например, оксид кремния) выполнен контактный слой 12 из алюминия, содержащий контакты к магниторезистивным элементам. Над ним диэлектрический слой 8 (например, оксид кремния или фосфоросиликатное стекло), над которым расположен слой с планарной катушкой первого типа 7 (например, алюминий). Затем через диэлектрический слой 10 (например, оксид кремния или фосфоросиликатное стекло) расположен слой с планарной катушкой второго типа 9 (например, алюминий). Сверху пассивирующий слой комбинированного диэлектрика 13 (например, оксид кремния и фосфоросиликатное стекло). Использована схема усиления КППН 431313.001.
В реализованном согласно полезной модели магниторезистивном преобразователе достигается магниточувствительность более 500 мВ/Э.