МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G01B7/06 

Изобретение относится к электронной технике и электротехнике и может быть использовано, в частности, в качестве датчиков магнитного поля или тензодатчиков.

Известен магниторезистивный элемент [акц. з. Японии N 58-47767, G 11 B 5/30, пр. 20.11.75, публ. 25.10.83.], выполненный в виде одиночной полосы пленки из магниторезистивного сплава на изолирующей подложке. Ось легкого намагничивания направлена вдоль полосы.

Однако подобный элемент имеет малую чувствительность и, как правило, имеет малое сопротивление, что создает трудности при соединении его с электронной измеряющей схемой.

Известен способ получения пленок магниторезистивных сплавов диодным распылением в атмосфере аргона. Для повышения качества: уменьшения удельного сопротивления, увеличения магниторезистивного отношения, необходимо проводить дополнительный отжиг [Hill E.W., Birtwistle J.K. Sputtered permanent magnet arrays for MR sensor bias. - JEEE Trans. on Magnetics, 1987, v. MAG-23, N 5, pt. 1, p. 2419-2421].

Однако получаемая пленка имеет примесь аргона и обладает низким качеством.

Известен также магниторезистивный элемент, принятый за прототип, состоящий из изолирующей подложки и нанесенной на нее пленки из магниторезистивного сплава в виде структуры, состоящей из четырех меандров, соединенных по мостовой схеме, так что полосы меандров, образующих соседние плечи моста, взаимно перпендикулярны. [J. Appl. Phys. 69(8), 15 April 1991, pp. 5631-5633]. Толщина магниторезистивной пленки равна 25 Нм. При наличии магнитного смещения он может работать как магниторезистивный датчик. При этом диапазон его работы и чувствительности определяются величиной магнитного смещения.

Недостатком такого элемента является необходимость большой величины поля магнитного смещения для работы его в качестве магниторезистивного датчика. В результате значительно уменьшается чувствительность магниторезистивного датчика.

Известен также принятый за прототип способ нанесения в вакууме пленки магниторезистивного сплава на изолирующую подложку, помещенную в магнитное поле, с последующим формированием структуры [Journal of Magnetism and Magnetice Materials 97 (1991), 171-177. North-Holland].

При этом напыление приходится проводить на нагретую до 350^oC подложку и затем медленно охлаждать со скоростью 100^o С/час, что значительно влияет на производительность.

Однако полученный элемент не удовлетворяет современным требованиям промышленности из-за своей невысокой чувствительности.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения чувствительности магниторезистивного элемента при достаточно широком диапазоне его работы, за счет повышения качества магниторезистивной пленки, снижения поля анизотропии и увеличения магниторезистивного отношения, а также расширяет область его применения.

Поставленная задача решается тем, что в магниторезистивном элементе, состоящем из изолирующей подложки и нанесенной на нее пленки из магниторезистивного сплава в виде структуры, состоящей из четырех меандров, соединенных по мостовой схеме, так что полосы меандров, образующих соседние плечи моста, взаимно перпендикулярны, новым является то, что пленка имеет толщину не менее 60 Нм и ось легкого намагничивания ее зафиксирована на всей поверхности элемента в одном направлении, причем ось легкого намагничивания магниторезистивной пленки составляет угол менее 90^o с продольной осью полос меандров.

Для использования его в качестве магниторезистивного датчика собственное намагничивание всех полос меандров зафиксировано в одном направлении и совпадает с осью легкого намагничивания пленки.

Для получения магниторезистивного элемента в способе, включающем нанесение в вакууме пленки магниторезистивного сплава на изолирующую подложку, помещенную в магнитное поле, с последующим формированием структуры, новым является то, что нанесение пленки проводят лазерным напылением с вращающейся мишени, вакуум поддерживают на уровне не хуже 6,6•10^-5 Па, а формирование структуры проводят с помощью ионноплазменного травления через фоторезистивную маску в соответствии с заданным направлением оси легкого намагничивания полученной пленки.

Для обеспечения более равномерной толщины магниторезистивной пленки форму мишени выбирают таким образом, чтобы пучок распыляемых частиц перемещался по поверхности подложки.

Мишень может быть составлена из секторов чистых металлов, причем соотношение величин секторов выбирают таким, чтобы обеспечить необходимый состав получаемой пленки, а скорость вращения мишени выбирают такой, чтобы толщина напыляемого материала за один оборот мишени не превышала 2 Нм.

Пример 1
Магниторезистивная пленка состава Ni₉₀Fe₁₀ напыляется лазерным напылением в вакууме 6,6•10^-5 Па на окисленную кремниевую подложку. Распыляемая мишень выполняется в виде диска из сплава Ni₉₀Fe₁₀. Магнитное поле величиной 0,002 T вдоль поверхности подложки обеспечивается постоянными магнитами, расположенными снаружи камеры. Скорость вращения мишени равна 4 об/мин, при этом за один оборот наносится слой металла, примерно равный 1 Нм. Время напыления составляет 20 мин. При этом толщина магниторезистивной пленки составляет 80±10 Нм. В дальнейшем методами фотолитографии из металлической пленки на поверхности подложки изготавливается структура, состоящая из четырех меандров, соединенных по мостовой схеме, так что полосы меандров, образующих соседние плечи моста, перпендикулярны. При этом фотолитографию проводят так, что ось легкого намагничивания магниторезистивной пленки, заданная направлением магнитного поля при напылении составляет угол 45^o с направлением полос меандров.

Кремниевая пластина разделяется на отдельные структуры и к контактным площадкам припаиваются выводы, после этого наносится защитное покрытие.

Подобный магниторезистивный элемент может использоваться как тензодатчик. При деформировании элемента вдоль/поперек полос меандров происходит поворот оси легкого намагничивания, а следовательно, и направления намагниченности, что приводит к разбалансу моста и появлению сигнала в мостовой схеме. Коэффициент преобразования при этом может достигать К=1000. Для известных металлических тензодатчиков К=2 [Измерение деформации аппаратуры фирмы Брюль и Къер, 1976 г. Джон Воган, "Брюль и Къер".] Для полупроводниковых К= 100 - 200, при этом полупроводниковые датчики очень чувствительны к изменениям температуры [Ильинская Л. С. , Помарьков А.Н. Полупроводниковые тензодатчики. - Л.: Энергия, 1966].

Пример 2. Магниторезистивный элемент, описанный в примере 1, при приложении магнитного поля (снабжением его микромагнитами вдоль оси легкого намагничивания) имеет одно направление намагничивания всех полос меандров, совпадающее с осью легкого намагничивания, может использоваться как магниторезистивный датчик. В этом случае он имеет следующие характеристики:
S = 1,8 мВ/Вэ,
H_max = ±8 э,
H_{смещения} = 5 э,
Для аналогичного прибора фирмы "Philiрs" KMZ10A:
S = 1,27 мВ/Вэ,
H_max = ±6,3 э,
H_{смещения} = 6,3 э
Пример 3. Аналогично примеру 1, но в качестве магниторезистивного сплава использован состав с большой константой наведенной магнитной анизотропии, Ni₈₀Co₂₀. Подобный магниторезистивный элемент, имеющий одно направление намагничивания всех полос меандров, может работать в качестве магниторезистивного датчика без магнитного смещения микромагнитами. При этом характеристики:
S = 0,7 мВ/Вэ,
H_max = ±25 э,
H_{смещения} = 0.

Для сравнения аналогичный магниторезистивный датчик фирмы "Philips" KMZ11B1 имеет следующие характеристики:
S = 0,32 мВ/Вэ,
H_max = ± 25 э,
H_{смещения} = 25 э [Проспект фирмы "Philips" Magnetoresistive sensors and modules for contactlees rotational-sheed position sensing"].

Пример 4. То же, что и в примере 1, но для распыления готового сплава необходимого состава мишень изготавливается в виде диска с одной плоской поверхностью, не перпендикулярной к оси вращения. Распыление производят с этой поверхности. Угол между осью вращения и плоскостью равен 80^o. Пучок распыляемых частиц при вращении мишени описывает в пространстве конус с углом при вершине, равным 20^o. Это обеспечивает более равномерную толщину пленки на поверхности подложки 80±4 Нм, а значит и меньший разброс параметров, изготавливаемых магниторезистивных элементов.

Пример 5.

Аналогично примеру 1, но для того, чтобы получить состав магниторезистивной пленки Ni₈₀Co₂₀, мишень в виде диска изготавливается из Ni с сектором Co, равным 72^o. При этом скорость вращения мишени выбирают такой, чтобы толщина напыляемого материала за один оборот мишени не превышала 2 Нм.

При напылении пленки магниторезистивного сплава из такой мишени, характеристики магниторезистивного элемента не изменяются по сравнению с напылением из сплошной мишени. Но при этом упрощается процесс изготовления мишени.

Изобретения предназначены для использования в качестве датчиков магнитного поля или тензодатчиков. Магниторезистивный элемент состоит из изолирующей подложки и нанесенной на нее пленки из магниторезистивного сплава в виде структуры, состоящей из четырех меандров, соединенных по мостовой схеме. Полосы меандров, образующих соседние плечи моста, взаимно перпендикулярны. Толщина пленки не менее 60 Нм и ось легкого намагничивания ее зафиксирована на поверхности элемента в одном направлении. Ось легкого намагничивания магниторезистивной пленки составляет угол менее 90^o с продольной осью полос меандра. Для получения магниторезистивного элемента наносят в вакууме не хуже 6,6•10^-5 Па лазерным напылением с вращающейся мишени пленки магниторезистивного сплава на изолирующую подложку, помещенную в магнитное поле. С помощью ионноплазменного травления через фоторезистивную маску формируют структуру в соответствии с заданным направлением оси легкого намагничивания полученной пленки. Магниторезистивный элемент обладает повышенной чувствительностью в широком диапазоне за счет повышенного качества магниторезистивной пленки, уменьшенного поля анизотропии и увеличенного магниторезистивного отношения. 2 с. и 3 з.п. ф-лы.

1. Магниторезистивный элемент, состоящий из изолирующей подложки и нанесенной на нее пленки из магниторезистивного сплава в виде структуры, состоящей из четырех меандров, соединенных по мостовой схеме, при этом полосы меандров, образующих соседние плечи моста, взаимно перпендикулярны, отличающийся тем, что пленка имеет толщину не менее 60 Нм и ось легкого намагничивания ее зафиксирована на всей поверхности элемента в одном направлении, причем ось легкого намагничивания магниторезистивной пленки составляет угол менее 90^o с продольной осью полос меандров. 2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что для использования его в качестве магниторезистивного датчика собственное намагничивание всех полос меандров зафиксировано в одном направлении и совпадает с осью легкого намагничивания пленки. 3. Способ получения магниторезистивного элемента, включающий нанесение в вакууме пленки магниторезистивного сплава на изолирующую подложку, помещенную в магнитное поле, с последующим формированием структуры, отличающийся тем, что нанесение пленки проводят лазерным напылением с вращающейся мишени, вакуум поддерживают на уровне не хуже 6,6 • 10^-5 Па, а формирование структуры проводят с помощью ионноплазменного травления через фоторезистивную маску с заданным направлением оси легкого намагничивания полученной пленки. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что для обеспечения более равномерной толщины магниторезистивной пленки форму мишени выбирают так, чтобы пучок распыляемых частиц перемещался по поверхности подложки. 5. Способ по п.3, отличающийся тем, что мишень составлена из секторов чистых металлов, причем соотношение величин секторов выбирают таким, чтобы обеспечить необходимый состав получаемой пленки, а скорость вращения мишени выбирают такой, чтобы толщина напыляемого материала за один оборот мишени не превышала 2 Нм.