МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ДАТЧИК Российский патент 1999 года по МПК H01L43/08 

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано в тахометрах, датчиках перемещений, устройствах измерения постоянного и переменного магнитного поля.

Известны магниторезистивные датчики, чувствительный элемент которых состоит из однослойных магнитных пленок (патент США N 4847584 М.кл.⁴ H 01 L 43/00). Недостатками таких датчиков являются низкая чувствительность и высокий гистерезис, вызванные большими размагничивающими полями магнитной пленки, возникающими на ее краях.

Эти недостатки устранены в магниторезистивном датчике, чувствительный элемент которого содержит двухслойные магнитные пленки (патент РФ N 2066504 М.кл.⁶ H 01 L 43/08). Наличие двух магнитных пленок, разделенных немагнитной прослойкой, приводит к замыканию магнитного потока и, таким образом, к уменьшению размагничивающих магнитных полей. Недостатком такого датчика является наличие у него четной вольт-эрстедной характеристики (ВЭХ), имеющей два линейных рабочих участка с коэффициентами преобразования S разного знака (фиг. 1). Вследствие этого, во-первых, для однозначной передачи датчиком формы и знака сигнала, требуется введение дополнительного постоянного поля смещения H₀, определяющего положение рабочей точки на линейном участке ВЭХ, а во-вторых, уменьшается линейный рабочий участок. Кроме того, ВЭХ имеет относительно высокий гистерезис из-за больших размагничивающих полей в двух магниторезистивных полосках, в которых ось легкого намагничивания (ОЛН) расположена вдоль их ширины (поперечно ориентированные полоски).

Техническим результатом изобретения является получение датчика с нечетной ВЭХ, не требующей для работы дополнительного магнитного смещения, с расширенным линейным участком и уменьшенным гистерезисом.

Указанный технический результат достигается тем, что четыре идентичные магниторезистивные полоски, имеющие ОЛН вдоль их длины (продольно ориентированные полоски), соединены в мостовую схему. Полоски соединены таким образом, что постоянный электрический ток, пропущенный через управляющий проводник, которым дополнительно снабжен датчик, формирует две пары магниторезисторов с разной чувствительностью каждой из пар к величине и направлению регистрируемого магнитного поля.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что тонкопленочные магниторезистивные полоски ориентированы своей длиной в одном направлении, каждая от начала к концу, причем ОЛН всех полосок ориентирована в том же направлении. При этом проводниками соединены начала первой и четвертой полосок, концы второй и третьей полосок, конец первой с началом третьей, а начало второй с концом четвертой полоски. Поверх полосок нанесен дополнительный изолирующий слой, по которому проложен управляющий проводник, поочередно проходящий над каждой из полосок: от начала к концу - над первой и второй полосками и от конца к началу - над третьей и четвертой.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 2 показана структура магниторезистивной полоски заявляемого магниторезистивного датчика в разрезе, на фиг. 3 показана топология магниторезистивного датчика (вид сверху), на фиг. 4 приведена экспериментальная ВЭХ предлагаемого магниторезистивного датчика.

Магниторезистивный датчик состоит из подложки 1 (фиг. 2) с диэлектрическим слоем 2, на котором расположены четыре тонкопленочных магниторезистивных полоски, состоящие из защитных слоев 3, 4, двух магнитных пленок 5, 6, разделенных немагнитным слоем 7 из высокорезистивного материала; изолирующего слоя 8, управляющего проводника 9 и защитного слоя 10.

Структура магниторезистивного датчика с анизотропным магниторезистивным эффектом представляет собой мостовую схему (фиг. 3) из четырех магниторезистивных полосок 11 - 14, четырех проводников 15 - 18, соединяющих магниторезистивные полоски в мостовую схему, четырех контактных площадок 19 - 22 в вершинах мостовой схемы, соединенных с проводниками 15 - 18, и управляющего проводника 23, проходящего над магниторезистивными полосками и имеющего контактные площадки 24, 25.

Работа магниторезистивного датчика происходит следующим образом. При отсутствии внешнего магнитного поля, тока в управляющем проводнике 23 и постоянного тока питания в магниторезистивном датчике, намагниченность в магниторезистивных полосках 11 - 14 устанавливается вдоль ОЛН и антипараллельна друг другу в магнитных пленках 5, 6. При подведении напряжения питания к контактам 19, 21, воздействием магнитных полей, создаваемых токами питания моста, протекающими по обеим магнитным пленкам 5, 6 полосок 11 - 14 можно пренебречь, т.к. эти поля много меньшей поля магнитной анизотропии. Поскольку исходные значения сопротивления полосок 11 - 14 равны, мост сбалансирован и разность потенциалов на контактах 20, 22 равна нулю. При подаче в управляющий проводник 23 через контакты 24, 25 постоянного тока, создаваемое им магнитное поле будет действовать перпендикулярно ОЛН, в одном направлении для магниторезистивных полосок 11, 13 и в противоположном для магниторезистивных полосок 12, 14. Под действием магнитного поля, создаваемого током управляющего проводника, векторы намагниченности в магниторезистивных полосках 11, 13 отклонятся от направления ОЛН на угол +φ, а в магниторезистивных полосках 12, 14 - на угол -φ по направлению управляющего поля. Поскольку знак угла φ отклонения вектора намагниченности не влияет на резистивные качества полосок, разность потенциалов в измерительной диагонали моста, т.е. на контактах 20, 22, равна нулю.

Вектор напряженности измеряемого магнитного поля ориентируется перпендикулярно ОЛН, т.е. поперек магниторезистивных полосок 11 - 14. Под действием этого поля все векторы намагниченности полосок развернутся в направлении его ориентации, причем, в зависимости от направления измеряемого поля, у двух магниторезистивных полосок значение угла φ уменьшится, а у двух других - увеличится. Это означает, что сопротивление двух противоположно расположенных плеч моста увеличится, а двух других - уменьшится, что приведет в разбалансу моста и появлению выходного сигнала, полярность которого будет зависеть от направления измеряемого магнитного поля. При этом ВЭХ будет проходить через ноль и обе ветви ее будут составлять суммарный линейный участок, величина которого вдвое превышает величину линейного участка у прототипа, что расширяет динамический диапазон измеряемых магнитных полей.

Отсутствие в данном изобретении по сравнению с прототипом поперечно ориентированных магнитных полосок приводит к уменьшению гистерезиса ВЭХ датчика. Это вызвано тем, что поля размагничивания, ответственные за появление гистерезисных эффектов, в продольно ориентированных полосках меньше, чем в поперечно ориентированных полосках (Суху Р. Магнитные тонкие планки. - М.: Мир, 1967 г. - с. 394).

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано в тахометрах, датчиках перемещений, устройствах измерения постоянного и переменного магнитных полей. Техническим результатом изобретения является получение датчика с нечетной вольт-эрстедной характеристикой, не требующей постоянного смещения, с расширенным линейным участком и уменьшенным гистерезисом. Сущность: датчик, выполненный по мостовой схеме, содержит четыре однонаправленно от начала к концу ориентированные двуслойные тонкопленочные магниторезистивные полоски. Полоски соединены проводниками следующим образом: начала первой и четвертой, концы второй и третьей, конец первой с началом третьей и начало второй с концом четвертой. Поверх мостовой схемы расположен дополнительный изолирующий слой, а по нему проложен управляющий проводник, который последовательно идет над первой и второй полосками от начала к концу, а над третьей и четвертой полосками - от конца к началу. Пропускание электрического тока по управляющему проводнику приводит к такой установке в полосках векторов намагниченности, что внешнее регистрируемое магнитное поле в одной паре полосок в итоге увеличивает сопротивление, а в другой - уменьшает. При противоположном направлении внешнего магнитного поля характер изменения сопротивлений полосок в парах меняется на противоположный. Такое изменение сопротивления приводит к появлению знакопеременной разности потенциалов в измерительной диагонали моста. Для обеспечения описанного поведения датчика в магнитном поле, а также для уменьшения гистерезиса полоски выполнены с однонаправленной осью легкого намагничивания, ориентированной вдоль полосок. 4 ил.

Магниторезистивный датчик с тонкопленочными магниторезистивными полосками, соединенными в мостовую схему, в которой все полоски имеют ось легкого намагничивания, причем у одной пары полосок ось легкого намагничивания ориентирована вдоль каждой из полосок, отличающийся тем, что ось легкого намагничивания другой пары полосок ориентирована вдоль каждой из полосок, а поверх всех полосок через изолирующий слой проложен управляющий проводник.