Конструкция преобразователя магнитного поля на основе наноструктур, обладающих гигантским магниторезистивным эффектом

Полезная модель относится к микроэлектронике и может быть использована в конструкциях датчиков магнитного поля и магнитополупроводниковых микросистем.
Известны изобретения по патентам Российской Федерации №2216822 (МПК H01L 43/08, опубл. 20.11.2003), №2483393 (МПК H01L 43/08, В82В 1/00, опубл. 27.05.2013), в которых описаны магниторезистивные датчики с линейной нечетной вольт-эрстедной характеристикой (ВЭХ) магниторезистивного преобразователя магнитного поля, содержащие мостовые схемы и магнитные системы. В описанных датчиках магниторезистивные элементы выполнены из полосок металлических пленок с анизотропным магниторезистивным эффектом.
Известен магниторезистивный преобразователь магнитного поля по патенту Российской Федерации на полезную модель №150181 (МПК Н01L 43/00, опубл. 10.02.2015), содержащий магниточувствительный элемент, выполненный на поверхности кристалла из магниторезисторов, соединенных по мостовой схеме с расположением активных плеч между двумя концентраторами магнитного поля из магнитомягкого материала, которые размещены в заглублениях, выполненных в кристалле, магниторезисторы выполнены из многослойных структур с гигантским магниторезистивным эффектом. Данное техническое решение может быть использовано в качестве прототипа. Недостатком таких преобразователей магнитного поля является четная передаточная характеристика, которая не позволяет определить направление напряженности магнитного поля.
Техническая проблема, на решение которой направлена полезная модель, состоит в создании преобразователя магнитного поля, обеспечивающего возможность определения направления напряженности магнитного поля.
Технический результат, получаемый при реализации заявляемой полезной модели, выражается в обеспечении возможности определения направления вектора магнитного поля за счет формирования нечетной выходной характеристики преобразователя магнитного поля с сохранением его чувствительности без увеличения энергопотребления.
Для достижения вышеуказанного технического результата в магниторезистивном преобразователе магнитного поля, содержащем четыре магниторезистора, выполненных на поверхности кристалла, соединенных слоем алюминия в мостовую схему Уинстона с расположением активных плеч между двумя концентраторами магнитного поля из магнитомягкого материала, которые размещены в заглублениях, выполненных в кристалле, где магниторезисторы выполнены из многослойных тонкопленочных наноструктур с гигантским магниторезистивным эффектом, дополнительно вдоль концентраторов магнитного поля размещены экраны, выполненные из магнитомягкого материала, причем опорные (неактивные) плечи магниторезистивного преобразователя магнитного поля расположены под экранами, а также на обратной стороне кристалла дополнительно установлен магнит, таким образом, что полюса магнита расположены под концентраторами магнитного поля.
Установка магнита на обратной стороне кристалла позволяет сместить рабочую точку ВЭХ так, что получится нечетная выходная характеристика преобразователя магнитного поля. В преобразователе магнитного поля два активных плеча размещены в зазоре между двумя концентраторами магнитного поля, которые увеличивают величину магнитного поля, а два других плеча находятся под экранами и являются опорными. Экраны магнитного поля, выполненные из магнитомягкого материала, размещенные вдоль концентраторов магнитного поля над опорными плечами обеспечивают экранирование и сохранение чувствительности преобразователя магнитного поля без увеличения энергопотребления.
Полезная модель поясняется следующими чертежами.
Фиг. 1 - схематичное изображение расположения магниторезисторов;
Фиг. 2 - схематичное изображение преобразователя;
Фиг. 3 - схематичное изображение преобразователя разрез А-А.
Конструкция преобразователя магнитного поля на основе наноструктур, обладающих гигантским магниторезистивным эффектом, содержит кристалл 1 и четыре магниторезистора, выполненных на поверхности кристалла, соединенных слоем алюминия в мостовую схему Уинстона с расположением активных плеч 2 между двумя концентраторами магнитного поля 3 из магнитомягкого материала и опорных плеч 4, расположенных под экранами 5 (фиг. 1-3). Концентраторы магнитного поля 3 размещены в заглублениях 6, выполненных в кристалле 1. Вдоль концентраторов магнитного поля 3 размещены экраны 5, выполненные из магнитомягкого материала. На обратной стороне кристалла 1 дополнительно установлен магнит 7 с расположением полюсов магнита под концентраторами магнитного поля 3. Магниторезисторы выполнены из многослойных тонкопленочных наноструктур с гигантским магниторезистивным эффектом. Гигантский магниторезистивный эффект наблюдается в многослойных структурах, содержащих нанослои из ферромагнитных материалов (на основе сплавов Fe, Ni, Со), чередующихся с нанослоями из проводящих металлов Cu, Ag, Au или сплавов на их основе.
Активное и опорное плечи конструкции преобразователя магнитного поля на основе наноструктур, обладающих гигантским магниторезистивным эффектом, содержат четыре магниторезистивных элемента, соединенных слоем алюминия в мостовую схему Уинстона.
Концентраторы магнитного поля изготавливаются из холоднокатаной пермаллоевой ленты или электрохимическим осаждением из раствора. Заглубления 6 в кристалле 1 формируются методом плазмохимического травления с высоким аспектным соотношением (Bosch-процесс). Сформированные заглубления 6 позволяют разместить концентраторы магнитного поля 3 максимально близко к чувствительной части магниточувствительного элемента.
Применяемые в преобразователях магнитного поля многослойные тонкопленочные наноструктуры с гигантским магниторезистивным эффектом обеспечивают четную выходную характеристику, что означает то же самое изменение в сопротивлении для любого направления магнитного поля. При этом, при воздействии магнитного поля на все плечи выходной сигнал будет равняться нулю, поэтому в заявленном преобразователе магнитного поля используется два активных и два опорных плеча. Активные плечи размещены в зазоре между двумя концентраторами магнитного поля, которые увеличивают напряженность внешнего магнитного поля, а два других, опорных плеча, располагаются под специализированными экранами из пермаллоя и являются экранированными от магнитного поля. Для смещения рабочей точки ВЭХ, на обратной стороне кристалла размещается магнит с расположением полюсов магнита под концентраторами магнитного поля. Таким образом, происходит формирование нечетной выходной характеристики.