СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ГИСТЕРЕЗИСА НА РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ Российский патент 2000 года по МПК G01R33/09 H01L43/08 

Изобретение относится к области магнитных датчиков и может быть использовано в тонкопленочных многослойных магниторезистивных (МР) датчиках. Наличие гистерезиса приводит к зависимости результатов измерения магнитного поля магниторезистивным датчиком от величины предыдущего измеренного магнитного поля, что приводит к неоднозначности измерений. Таким образом, уменьшение гистерезиса - одно из основных условий работоспособности МР датчиков.

Известен принятый нами за прототип способ устранения влияния гистерезиса на результаты измерения магнитного поля в тонкопленочных однослойных МР датчиках (см. S. Tumansky. A new type of magnetoresistive magnetometer, analysis of circuit principles. IEEE Trans.Magn. 1984. V.20. N5. P. 1720-1722). Устранение влияния гистерезиса согласно этому способу достигается действием постоянного магнитного поля вдоль оси легкого намагничивания (ОЛН) магниточувствительных элементов МР датчика.

Недостатками этого способа являются наличие постоянного магнитного поля вдоль оси легкого намагничивания (ОЛН), что снижает чувствительность датчика и усложняет его конструкцию. Кроме того, этот способ применим только для однослойных МР датчиков.

Техническим результатом изобретения является уменьшение воздействия гистерезиса на результаты измерения магнитного поля многослойным МР датчиком.

Указанный технический результат достигается тем, что перед началом измерения магнитного поля, направленного поперек оси легкого намагничивания магниточувствительных элементов измерительного МР датчика, на магниточувствительные элементы многослойного МР датчика воздействуют вспомогательным импульсным магнитным полем, имеющим одинаковую величину во всех магниточувствительных элементах магниторезистивного датчика и превышающим заданное максимальное значение измеряемого магнитного поля, и направляют это вспомогательное импульсное магнитное поле поперек ОЛН МР датчика.

Сущность изобретения состоит в том, что предлагаемый способ устранения влияния гистерезиса обеспечивает перемагничивание магниточувствительных элементов МР датчика в процессе измерения по одной и той же кривой независимо от магнитного поля, действовавшего на МР датчик до начала измерения.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана четная характеристика вход-выход многослойного МР датчика, на фиг. 2 - нечетная характеристика вход-выход многослойного МР датчика, а на фиг.3 приведена топология МР датчика с нечетной характеристикой вход-выход.

В настоящее время разработаны многослойные МР датчики с четными (фиг. 1) и нечетными (фиг. 2) характеристиками вход-выход. На обеих характеристиках виден гистерезис, возникающий из-за зависимости перемагничивания многослойных магнитных полосок от действовавшего на них ранее магнитного поля.

Рассмотрим для примера работу МР датчика с нечетной характеристикой вход-выход и воздействие на него предлагаемого способа уменьшения влияния гистерезиса на результаты измерения магнитного поля. Многослойный МР датчик с нечетной характеристикой (фиг. 3) состоит из четырех магниточувствительных элементов 1-4 в виде многослойных МР полосок с ОЛН, направленной вдоль полосок, составляющих плечи мостовой схемы и соединенных низкорезистивными перемычками 5-8. Над магниточувствительными элементами расположен управляющий проводник 9 в виде меандра. Перемычки 5-8 соединяют магниточувствительные элементы 1-4 таким образом, что под прямой ветвью управляющего проводника 9 находится одна пара противоположных по электрической схеме плеч моста, а под обратной ветвью - другая. Многослойная анизотропная МР полоска состоит из двух МР пленок, разделенных для устранения обменного взаимодействия немагнитным высокорезистивным слоем из титана или нитрида титана и защищенных с обеих сторон защитными пленками титана или нитрида титана.

Работа измерительного многослойного МР датчика происходит следующим образом. В отсутствие магнитного поля вектора намагниченности МР пленок направлены вдоль МР полосок и перпендикулярно друг другу. Через магниточувствительные элементы 1-4 протекает сенсорный ток, а через управляющий проводник 9 - управляющий ток. Под действием магнитного поля, создаваемого управляющим током, вектора намагниченности в магниточувствительных элементах, расположенных под прямой и обратной ветвями управляющего проводника, отклоняются на угол ± ϕ. Под действием измеряемого магнитного поля, направленного поперек ОЛН, вектора намагниченности обеих магнитных пленок всех чувствительных элементов поворачиваются в его направлении, что приводит к уменьшению сопротивления одной пары магниточувствительных элементов, например 1 и 2, и увеличению сопротивления другой пары - 3 и 4. При противоположном направлении измеряемого магнитного поля изменения сопротивлений имеют обратные знаки. Таким образом формируется нечетная характеристика вход-выход. На зависимость сигнала от магнитного поля, кроме вращения под его действием векторов намагниченности, влияет движение доменных границ, зависящее, в свою очередь, от исходного их расположения, т.е. от величины ранее действовавшего магнитного поля. Таким образом возникает явление гистерезиса, т.е. зависимость сигнала от предыстории процесса измерения.

Предложенный способ устранения воздействия гистерезиса на результаты измерения магнитного поля осуществляется следующим образом. Для уменьшения воздействия гистерезиса необходимо, чтобы перемагничивание МР полосок магниточувствительных элементов 1-4, осуществляемое вращением векторов намагниченности и движением доменных границ, происходило всегда из одного состояния. Это исходное состояние определяется предварительно подаваемым дополнительным импульсным магнитным полем, превышающим заданное максимальное значение измеряемого магнитного поля с целью предотвращения влияния измеряемого магнитного поля на исходное для следующего цикла измерений состояние МР полосок. Осуществление этого условия происходит при подаче перед измерением магнитного поля импульса магнитного поля, перпендикулярного ОЛН МР полосок. Тем самым измерение магнитного поля для многослойного МР датчика с нечетной характеристикой вход-выход будет происходить только по верхней ветви характеристики. Результирующая характеристика датчика при таком использовании - нечетная, с диапазоном от величины предварительного импульсного поля до точки перегиба. Для многослойного МР датчика с нечетной характеристикой вход-выход измерение магнитного поля будет всегда проходить только по верхней кривой характеристики.

Для устранения влияния гистерезиса в МР датчике с четной характеристикой, состоящем из четырех многослойных МР полосок, соединенных в мостовую схему, причем соседние МР полоски (плечи моста) расположены перпендикулярно в плоскости относительно друг друга (именно такое подключение формирует у МР датчика четную характеристику благодаря различному отклонению векторов намагниченности перпендикулярных МР полосок под действием измеряемого магнитного поля), катушкой датчика, так же как и в случае датчика с нечетной характеристикой, создается импульс магнитного поля, превышающий заданное максимальное значение измеряемого магнитного поля, с целью предотвращения влияния измеряемого магнитного поля на исходное для следующего цикла измерений состояние МР полосок. Тем самым, измерение магнитного поля для многослойного МР датчика с четной характеристикой вход-выход будет происходить только по верхней ветви характеристики в диапазоне магнитных полей от величины предварительного импульсного поля до точки перегиба (V = 0) и по нижней ветви - левее этой точки. На практике может оказаться целесообразным использовать для измерений только первый участок
Экспериментальные исследования по измерению магнитного поля с использованием данного способа уменьшения гистерезиса МР датчиками с четными и нечетными характеристиками вход-выход при выполнении указанных ограничений относительной величины измеряемого поля показывают, что измерение магнитного поля происходит только по верхней кривой характеристик вход-выход с гистерезисом и что в результатах измерений гистерезис практически отсутствует.

Использование в тонкопленочных многослойных магниторезистивных датчиках и головках считывания. Технический результат заключается в уменьшении влияния гистерезиса на результаты измерения магнитного поля многослойным магниторезистивным датчиком. Перед началом измерения воздействуют на магниточувствительные элементы магниторезистивного датчика вспомогательным импульсным магнитным полем. Магнитное поле имеет одинаковую величину во всех магниточувствительных элементах магниторезистивного датчика и превышает заданное максимальное значение измеряемого магнитного поля. При этом вспомогательное импульсное магнитное поле направляют поперек оси легкого намагничивания многослойного магниторезистивного датчика. 3 ил.

Способ уменьшения воздействия гистерезиса на результаты измерения магнитного поля, направленного поперек оси легкого намагничивания магниточувствительных элементов измерительного магниторезистивного датчика, отличающийся тем, что перед началом измерения воздействуют на магниточувствительные элементы многослойного магниторезистивного датчика вспомогательным импульсным магнитным полем, имеющим одинаковую величину во всех магниточувствительных элементах магниторезистивного датчика и превышающим заданное максимальное значение измеряемого магнитного поля, и направляют это вспомогательное импульсное магнитное поле поперек оси легкого намагничивания магниторезистивного датчика.