МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ДАТЧИК Российский патент 2008 года по МПК H01L43/08 

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

Известны магниторезистивные датчики, чувствительный элемент которых выполнен из многослойной магнитной пленки, состоящей из чередующихся сплошных слоев ферромагнитного и неферромагнитного металлов с толщиной нанометрового диапазона, причем намагниченности соседних слоев ферромагнитного металла в отсутствие внешнего магнитного поля ориентированы антипараллельно. Такого типа металлические многослойные наноструктуры, как было впервые показано в работе [М.N.Baibich, J.М.Broto, A.Fert et al., Giant magnetoresistance of (001) Fe/(001)Cr magnetic superlattices, Phys. Rev. Lett., 1988, 61, 2472], характеризуются в отличие от однородных (объемных) металлов и сплавов необычно большим магнитосопротивлением, т.е. уменьшением электрического сопротивления при наложении магнитного поля. Уменьшение электрического сопротивления многослойной наноструктуры связано с изменением под действием поля магнитного упорядочения ферромагнитных слоев от антипараллельного (в ряде случаев неколлинеарного) к параллельному и может составлять десятки процентов. Столь существенное изменение магнитосопротивления получило название гигантского магниторезистивного эффекта (ГМРЭ, GMR), а пленочные материалы, обладающие этим эффектом, стали называться наноструктурами с ГМРЭ и они сразу же привлекли к себе внимание как базовые материалы для разработки новых типов магниторезистивных датчиков.

Известен магниторезистивный датчик [Патент США №4949039], у которого чувствительный элемент состоит минимум из двух сплошных слоев ферромагнитного металла (используются Fe, Co, Ni и сплавы на их основе), разделенных сплошным слоем из неферромагнитного металла (используются Au, Cr, V, Ru) такой толщины, чтобы соседние слои ферромагнитного металла имели антипараллельное направление намагниченности. Если такой датчик поместить в магнитное поле, то по мере увеличения напряженности магнитного поля вектора намагниченности ферромагнитных слоев будут переходить (поворачиваться) из антипараллельной ориентации в параллельную, совпадающую при достижении магнитного насыщения с направлением поля. Поскольку при переходе к параллельной ориентации намагниченности соседних ферромагнитных слоев происходит уменьшение рассеяния электронов проводимости, т.е. уменьшение электрического сопротивления пленки, то, пропуская через датчик электрический ток постоянной величины, можно по изменению выходного напряжения на датчике, обусловленному изменением под действием магнитного поля электрического сопротивления его чувствительного элемента, судить о величине напряженности магнитного поля.

Основными недостатками датчика с чувствительным элементом на основе магнитных пленок, названных в указанном патенте, являются большой магнитный гистерезис, обусловленный размагничивающими полями, резко выраженная зависимость выходного сигнала датчика от ориентации плоскости его чувствительного элемента относительно направления внешнего поля, узкий рабочий интервал магнитных полей (интервал ограничен полем магнитного насыщения, которое у многослойных магнитных пленок со сплошными слоями обычно не более 20-25 кЭ).

Известен также магниторезистивный датчик [Патент США №6002553], в котором чувствительный элемент также состоит из многослойной магнитной пленки, представляющей собой чередующиеся сплошные слои ферромагнитного и неферромагнитного металлов с толщиной нанометрового диапазона. Ферромагнитные слои изготавливаются из Fe или из Со или из Ni или из их сплавов, таких как пермаллой, а неферромагнитные слои - из Cu или из Ag, или из других немагнитных проводников.

Преимуществом этого датчика является то, что рабочий ток в нем может пропускаться как в плоскости слоев (вариант CIP - current in plane - этот вариант использован в датчиках описанного выше аналога), так и поперек слоев (вариант СРР - current perpendicular to the plane). В варианте CPP, в отличие от варианта CIP, электроны проводимости практически все участвуют в прохождении через ферромагнитные слои, поэтому величина магнитосопротивления, а следовательно, и выходного напряжения, в этом случае при тех же исходных параметрах датчика оказывается значительно больше, что обеспечивает датчику более высокую чувствительность.

Однако несмотря на повышение чувствительности датчика те недостатки, что указаны для первого аналога, в частности большой магнитный гистерезис, связанный с размагничивающими полями, резко выраженная зависимость выходного сигнала датчика от ориентации плоскости чувствительного элемента относительно направления внешнего магнитного поля, узкий рабочий интервал магнитных полей, здесь также имеют место.

Перечисленные недостатки значительно уменьшены в магниторезистивном датчике [Патент ЕПВ №0629998], являющемся наиболее близким к заявляемому изобретению.

Чувствительный элемент этого датчика, расположенный на диэлектрической подложке, выполнен из многослойной магнитной пленки, состоящей из чередующихся слоев ферромагнитного и неферромагнитного металлов с толщиной нанометрового диапазона, при этом каждый слой ферромагнитного металла выполнен дискретным и состоит из ферромагнитных частиц - кластеров. Слои ферромагнитного металла отделены друг от друга слоями неферромагнитного металла, толщина каждого из которых меньше длины свободного пробега электронов проводимости. В качестве ферромагнитного металла в этом датчике используют Fe, Co, Ni и магнитные сплавы на их основе, а в качестве неферромагнитного металла - Ag, Au, Cu, Pd, Rh и сплавы на их основе.

Каждый слой ферромагнитного металла в чувствительном элементе выполняется дискретным, т.е. состоящим из ферромагнитных частиц-кластеров, и отделяется от соседнего такого же кластерного слоя прослойкой (слоем) неферромагнитного металла, заполняющего пространство не только между кластерными слоями, но и между кластерами в кластерном слое. Толщина немагнитного слоя должна быть меньше длины свободного пробега электронов проводимости. Выполнение слоя ферромагнитного металла не сплошным, а кластерным привело к уменьшению магнитной анизотропии и размагничивающих полей, а это, в свою очередь, уменьшило величину магнитного гистерезиса у чувствительного элемента и уменьшило зависимость выходного сигнала от ориентации плоскости этого элемента относительно направления внешнего магнитного поля. Однако вследствие того, что слои ферромагнитного металла не сплошные, а состоят из частиц, отделенных друг от друга прослойками неферромагнитного металла, то количество электронов проводимости, которые рассеиваются на ферромагнитных слоях, уменьшилось в сравнении с магнитными пленками, имеющими сплошные ферромагнитные слои, и, следовательно, уменьшилась величина магниторезистивного эффекта и чувствительность датчика к магнитному полю, которые и без того в магнитных многослойных пленках с очень тонкими слоями ферромагнитного металла малы. Эту ситуацию не улучшает даже использование авторами изобретения-прототипа для формирования неферромагнитных слоев в кластерно-слоистой наноструктуре металлов с низким удельным электрическим сопротивлением (Cu, Ag и других).

В основу заявляемого изобретения положена задача повышения чувствительности датчика в области низких температур, уменьшения зависимости выходного сигнала датчика от его ориентации относительно направления внешнего магнитного поля, расширения диапазона рабочих магнитных полей вплоть до сильных (100 кЭ) за счет обеспечения многослойной магнитной пленке суперпарамагнитных свойств и Кондо-подобного поведения электрического сопротивления.

Поставленная задача решается тем, что в магниторезистивном датчике, включающем минимум один чувствительный элемент, расположенный на диэлектрической подложке, выполненный из многослойной магнитной пленки, состоящей из чередующихся слоев ферромагнитного и неферромагнитного металлов с толщиной нанометрового диапазона, при этом каждый слой ферромагнитного металла выполнен дискретным и состоит из ферромагнитных частиц - кластеров из Fe или Со, или Ni или из магнитных сплавов на их основе, а толщина каждого слоя из неферромагнитного металла меньше длины свободного пробега электронов проводимости, но не менее 7Å, согласно изобретению, в качестве неферромагнитного металла применяют переходный металл, атомы которого находятся в обменной связи с атомами кластеров ферромагнитного металла, для обеспечения многослойной магнитной пленке суперпарамагнитных свойств и Кондо-подобного эффекта.

При этом:

- в качестве неферромагнитного металла используют Cr или Mn;

- чувствительные элементы соединены в мостовую схему проводниками из немагнитного металла;

- чувствительные элементы выполнены в виде меандров, расположенных попарно один в другом;

- одна пара меандров выполнена нечувствительной к магнитному полю.

Выполнение чувствительного элемента из многослойной магнитной пленки, состоящей из чередующихся слоев ферромагнитного металла, выполненных дискретными из ферромагнитных частиц-кластеров Fe или Со, или Ni или магнитных сплавов на их основе, при форме, размерах и концентрации в слое столь малых, что каждый кластер еще остается ферромагнитной частицей, но магнитостатического взаимодействия между кластерами уже не происходит, и слоев неферромагнитного металла с толщиной каждого слоя меньше длины свободного пробега электронов проводимости, но не менее 7Å, выполненного из переходного металла, атомы которого находятся в обменной связи с атомами кластеров ферромагнитного металла, обеспечило многослойной магнитной пленке свойства суперпарамагнетика, у которого отсутствует магнитный гистерезис вплоть до азотных и гелиевых температур.

Отметим, что указанная толщина слоев неферромагнитного металла - "не менее 7Å" соответствует экспериментально определенной средней граничной толщине атомного металлического слоя, менее которой слой может уже оказаться не сплошным, что приведет к локальным соединениям ниже и выше расположенных слоев ферромагнитного металла.

Суперпарамагнетики - это вещества, состоящие из совокупности отделенных друг от друга ферромагнитных (либо ферримагнитных) наноразмерных частиц (кластеров), размещенных в немагнитной или слабо магнитной матрице [Физическая энциклопедия, т.5, Москва, Издательство «Советская энциклопедия», 1998 г., с.25]. Материал матрицы по агрегатному состоянию может быть как жидкостью, так и твердым телом (аморфным или кристаллическим). По электропроводности этот материал может быть диэлектриком, полупроводником, либо металлом. Каждая ферромагнитная частица в суперпарамагнетике обычно состоит из нескольких десятков, сотен, а порой даже тысяч атомов ферромагнитного металла и ее результирующий магнитный момент (μ) может составлять по величине несколько десятков или даже сотен магнетонов Бора (μ_Б) - для сравнения отметим, что атом Fe имеет магнитный момент, равный 2,2 μ_Б. Если частицы, кластеры имеют сферическую, эллипсоидальную или близкую к ним форму, а расстояние между ними такое, что магнитостатическое взаимодействие частиц друг с другом отсутствует, то во внешнем магнитном поле совокупность (иногда ее называют ансамбль) таких частиц ведет себя аналогично атомам парамагнитного вещества и полевая зависимость намагниченности этой совокупности кластеров может быть описана известной функцией Ланжевена, применимой к парамагнетикам

M/M_S=cth(μH/kT)-kT/μH,

где M - намагниченность образца при температуре Т, M_S - намагниченность насыщения, k - константа Больцмана, μ - магнитный момент кластера. В данном уравнении μ означает магнитный момент уже не отдельного атома, как в случае парамагнетика, а отдельного кластера.

Парамагнитные вещества не имеют магнитного гистерезиса, а их намагниченность изменяется линейно в достаточно большом диапазоне магнитных полей (у некоторых парамагнетиков - до нескольких сотен кЭ) и не зависит от направления магнитного поля относительно образца.

Свидетельством того, что материал обладает суперпарамагнитными свойствами в широком интервале температур, является не только совпадение его кривой намагничивания (зависимости М(Н)) с функцией Ланжевена, но и выполнение принципа суперпозиции кривых намагничивания, полученных при различных температурах, т.е. их совпадение при графическом построении в виде зависимости М(Н/Т).

Многослойная магнитная пленка, слои ферромагнитного металла в которой состоят из отдельных кластеров, будет проявлять свойства, характерные для идеального суперпарамагнетика, а именно отсутствие магнитного гистерезиса, совпадение зависимости М(Н) с функцией Ланжевена, выполнение принципа суперпозиции изотерм намагничивания, в том случае, если кластеры имеют сферическую, эллипсоидальную или близкую к ним форму, а их концентрация в кластерном слое такова, что магнитостатическое взаимодействие между соседними кластерами отсутствует. Следует отметить, что такие кластеры в слоях из ферромагнитного металла, разделенных сплошными слоями неферромагнитных металлов, указанных в наиболее близком к заявляемому техническом решении, практически невозможно получить с помощью обычных методов приготовления магнитных многослойных пленок, например магнетронного напыления, молекулярно-лучевой эпитаксии, электролитического осаждения. Основная причина этого в том, что кластеры на начальных стадиях формирования слоев в магнитной пленке получаются обычно двумерными, т.е. плоскими островками, и для получения из них трехмерных, т.е. объемных, кластеров необходимо дальнейшее осаждение атомов ферромагнитного металла, а это приводит к увеличению не только толщины, но и площади островков, и как следствие - к уменьшению расстояния между кластерами и появлению магнитостатического взаимодействия между ними и магнитного гистерезиса у пленки. В итоге, многослойные магнитные пленки, указанные в техническом решении, взятом за прототип, не имеют магнитных свойств, характерных для идеальных суперпарамагнетиков.

Авторами данной заявки на примере многослойных кластерно-слоистых наноструктур Fe/Cr показано, что двумерным островковым кластерам ферромагнитного металла (в данном случае кластерам Fe) можно обеспечить необходимую для идеального суперпарамагнетика объемную: сферическую, эллипсоидальную или близкую к ним форму, если атомы этих кластеров и соседствующие с ними атомы слоев неферромагнитного металла (в данном случае - Cr) будут иметь обменную связь. В этом случае атомы неферромагнитного металла (Cr), расположенные в многослойной пленке ниже и выше двумерных кластеров из ферромагнитного металла (Fe), вовлекаются, благодаря обменной связи, в создание объемного ферромагнитного кластера. Такие кластеры содержат, как показали выполненные авторами данной заявки мессбауэровские исследования, внутреннюю часть из атомов Fe и переферийную часть из атомов Fe и Cr в виде квазибинарных твердых растворов FeCr, обладающих, как и чистое Fe, ферромагнитными свойствами (фиг.4).

Таким образом, при обеспечении многослойной магнитной пленке, из которой изготавливаются чувствительные элементы в заявляемом магниторезистивном датчике, суперпарамагнитных свойств достигаются два очень важных преимущества, в сравнении с магниторезистивным датчиком наиболее близкого решения, а именно - устраняется магнитный гистерезис, что повышает точность измерений датчика, и обеспечивается независимость выходного сигнала датчика от его ориентации относительно магнитного поля, поскольку идеальный суперпарамагнетик изотропен и намагничивается одинаково при любом направлении магнитного поля. Это второе преимущество устраняет необходимость в процессе измерений отслеживать, учитывать и сохранять ориентацию плоскости пленки в датчике относительно направления внешнего магнитного поля. Отсутствие магнитного гистерезиса у магниторезистивных датчиков расширяет их функциональные возможности. Такого типа датчики можно уже использовать для магнитной дефектоскопии и магнитометрии в очень слабых магнитных полях.

Еще одно важное достоинство многослойных кластерно-слоистых наноструктур, обладающих ГМРЭ и суперпарамагнитными свойствами, к которым относится многослойная магнитная пленка заявляемого магниторезистивного датчика, заключается в том, что зависимость их магнитосопротивления от напряженности внешнего магнитного поля является линейной, опять же вследствие их кластерной, суперпарамагнитной структуры, в несколько раз большем диапазоне полей, чем у многослойных магнитных пленок, имеющих сплошные ферромагнитные и неферромагнитные слои. Это открывает возможность использовать предлагаемые в данном изобретении многослойные магнитные пленки также и для изготовления более широкодиапазонных (до 100 кЭ и более) магниторезистивных датчиков магнитного поля - датчиков сильных постоянных и импульсных магнитных полей.

Как было обнаружено авторами предлагаемого изобретения, многослойные кластерно-слоистые пленки (например, Fe/Cr), у которых атомы кластеров ферромагнитного металла (в данном случае - Fe) и атомы неферромагнитных слоев (в данном случае - Cr) находятся в обменной связи, обладают не только суперпарамагнитными свойствами, что наглядно подтверждается экспериментальными данными, приведенными на фиг.1, но и проявляют уникальные особенности электрических свойств, выявленные при исследовании температурной зависимости электрических свойств большой серии магнитных многослойных пленок Fe/Cr. Одна из этих особенностей состоит в том, что электрическое сопротивление многослойной магнитной пленки, например, Fe/Cr, из которой выполнены чувствительные элементы заявляемого магниторезистивного датчика, при понижении температуры вначале уменьшается, как и присуще металлам, а затем, начиная с некоторой температуры Т_к, зависящей от размеров и концентрации кластеров Fe в ферромагнитных слоях, ведет себя аномально, а именно начинает возрастать и при низких температурах может оказаться по величине даже больше, чем оно было при комнатной температуре (см. кривую при Н=0, на фиг.2).

Другая особенность электрических свойств многослойной суперпарамагнитной пленки, например, Fe/Cr, из которой выполнены чувствительные элементы заявляемого магниторезистивного датчика, заключается в том, что температурные аномалии электрического сопротивления при наложении внешнего магнитного поля уменьшаются и с ростом его напряженности исчезают совсем (см. на фиг.2 кривые при Н=10, 30, 50, 90 кЭ) подобно тому, как это наблюдается у сплавов, обладающих эффектом Кондо [Физическая энциклопедия, т.2, Москва, Издательство «Советская энциклопедия», 1990, с.438]. Наблюдаемое аномальное поведение электрического сопротивления многослойных магнитных пленок, обладающих суперпарамагнитными свойствами, при изменении температуры и напряженности магнитного поля получило название Кондо-подобного эффекта [см. статью V.V.Ustinov, L.N.Romashev, M.A.Milayev, A.V.Korolev, T.P.Krinitsina and A.M.Burkhanov. Kondo-like effect in the resistivity of superparamagnetic cluster-layered Fe/Cr nanostructures. - JMMM, May 2006, v.300, N1, p.148-152].

Практическая ценность обнаруженного на многослойных магнитных кластерно-слоистых пленках Кондо-подобного эффекта состоит в том, что этот эффект обеспечивает существенное (в несколько раз) увеличение магнитосопротивления пленки при низких температурах, особенно при азотных и гелиевых температурах, в сравнении с магнитосопротивлением кластерно-слоистых пленок при комнатной температуре, а следовательно, и увеличение чувствительности изготовленных из такой пленки магниторезистивных датчиков.

Таким образом, заявляемый в данном изобретении магниторезистивный датчик, чувствительный элемент которого изготовлен из многослойной магнитной пленки, обладающей суперпарамагнитными свойствами и Кондо-подобным эффектом, имеет следующие преимущества перед датчиком, заявленным в прототипе:

- отсутствие магнитного гистерезиса, что приводит к повышению точности измерений;

- повышение точности измерений вследствие того, что выходной сигнал датчика не зависит от ориентации его чувствительного элемента относительно направления магнитного поля;

- расширение диапазона рабочих магнитных полей вплоть до сильных (100 кЭ и более);

- значительное, например, для многослойных магнитных пленок Fe/Cr, - в десять и более раз, увеличение чувствительности магниторезистивного датчика в области низких (азотных и гелиевых) температур.

В заявляемом магниторезистивном датчике чувствительные элементы, выполняемые из многослойной магнитной пленки, обладающей суперпарамагнитными свойствами и Кондо-подобным эффектом, могут быть изготовлены в виде полосок или в виде меандров и использоваться либо как отдельные самостоятельные элементы, либо объединенными друг с другом, например, в мостовую схему. Выбор этих вариантов зависит от назначения датчика и требуемой чувствительности.

Авторы заявляемого изобретения предлагают для обеспечения высокой чувствительности датчика, изготовляемого на основе многослойных магнитных пленок, выполнять чувствительные элементы в виде двух пар меандров, вложенных друг в друга (фиг.5), и соединять их в мостовую схему (фиг.6), при этом одна пара меандров в мостовой схеме выполняется нечувствительной к магнитному полю. Выполнение чувствительных элементов в мостовой схеме в виде вложенных друг в друга меандров позволяет достичь лучшей идентичности плеч моста по электрическому сопротивлению, а следовательно, более высокой чувствительности датчика и точности измерений.

Изобретение поясняется чертежами:

На фиг.1 представлены типичные зависимости намагниченности (М) многослойной магнитной кластерно-слоистой пленки Fe/Cr от напряженности магнитного поля, деленной на значение температуры образца при измерении его намагниченности. Измерения намагниченности образца выполнены при пяти различных температурах. Совпадение измеренных изотерм намагниченности с функцией Ланжевена (сплошная линия), а также их совпадение при графическом построении в виде зависимостей М(Н/Т), т.е. выполнение принципа суперпозиции, свидетельствует о суперпарамагнетизме многослойной магнитной пленки.

На фиг.2 представлены зависимости электрического сопротивления многослойной магнитной кластерно-слоистой пленки Fe/Cr от температуры (Т), измеренные при отсутствии магнитного поля Н=0 и в магнитном поле различной напряженности (Н равнялось 10, 30, 50 и 90 кЭ). Значения электрического сопротивления для удобства сопоставления его температурных зависимостей, полученных в полях разной напряженности, приведены в относительных координатах R_T/R_300K, где R_300K - электросопротивление при Т=300 К. На фиг.2 видно, что электрическое сопротивление многослойной магнитной кластерно-слоистой пленки Fe/Cr в отсутствие магнитного поля (кривая при H=0) с понижением температуры вначале уменьшается, а затем возрастает и при температуре жидкого гелия оно по величине становится даже больше, чем было при комнатной температуре. При наложении магнитного поля рост электрического сопротивления многослойной магнитной кластерно-слоистой пленки в области низких температур подавляется и исчезает в полях выше 90 кЭ. Представленные результаты типичны для многослойных суперпарамагнитных кластерно-слоистых пленок Fe/Cr и являются иллюстрацией Кондо-подобного поведения их электрического сопротивления.

На фиг.3 представлена температурная зависимость относительного магнитосопротивления r_T/r_300K многослойной суперпарамагнитной кластерно-слоистой пленки Fe/Cr, обладающей Кондо-подобным поведением электрического сопротивления (см. фиг.2). Измерения магнитосопротивления выполнены в постоянном магнитном поле напряженностью 90 кЭ. Из представленной зависимости видно, что магнитосопротивление пленки r_T (а следовательно, и ее чувствительность к магнитному полю) возрастает при охлаждении до азотных и гелиевых температур более чем в десять раз в сравнении с ее магнитосопротивлением r_300K при комнатной температуре. Отметим, что магнитосопротивление многослойных магнитных пленок Fe/Cr, не обладающих суперпарамагнитными свойствами и Кондо-подобным эффектом, увеличивается при таком охлаждении лишь только в два-три раза. Таким образом, заявляемые магниторезистивные датчики, содержащие чувствительные элементы из многослойных магнитных пленок, обладающих суперпарамагнитными свойствами и Кондо-подобным поведением электрического сопротивления и вследствие этого имеющих большее магнитосопротивление и повышенную чувствительность к магнитному полю при низких температурах, являются особенно перспективными для использования в криогенной и космической магнитометрии.

На фиг.4 показана структура многослойной магнитной кластерно-слоистой пленки, обладающей суперпарамагнитными свойствами и Кондо-подобным эффектом, используемой для изготовления чувствительных элементов в заявляемом магниторезистивном датчике.

На фиг.5 показана схема чувствительного элемента, выполненного в виде пары вложенных друг в друга меандров.

На фиг.6 показана топология магниторезистивного датчика, чувствительный элемент которого выполнен в виде двух пар вложенных друг в друга меандров, соединенных в мостовую схему, причем одна пара меандров в мостовой схеме выполняется нечувствительной к магнитному полю.

Магниторезистивный датчик (см. фиг.5 и 6) содержит диэлектрическую подложку 1 с размещенными на ней чувствительными элементами, каждый из которых выполнен из многослойной магнитной пленки (фиг.4), состоящей из чередующихся сплошных слоев 2 неферромагнитного металла и дискретных, кластерных слоев 3 ферромагнитного металла, состоящих из ферромагнитных кластеров, каждый из которых имеет внутреннюю часть 4 (ядро), образованную из атомов ферромагнитного металла (например, Fe), и периферийную часть 5, образующуюся в виде твердого раствора из атомов ферромагнитного металла (Fe) и находящихся с ними в прямой обменной связи атомов неферромагнитного металла (например, Cr), сверху магнитная пленка покрывается слоем 6 диэлектрического материала.

Чувствительные элементы выполнены в виде двух пар вложенных друг в друга меандров 7, 8 и 9, 10, соответственно, соединенных в мостовую схему низкоомными немагнитными дорожками 11, с использованием вспомогательных и основных контактных площадок 12 и 13, 14, 15, 16, соответственно. Вспомогательные контактные площадки 12 предназначены для подключения к отдельным меандрам 7, 8 и 9, 10 в мостовой схеме при определении их электрического сопротивления и приведения пары меандров в состояние, нечувствительное к магнитному полю. Основные контактные площадки 13, 14, 15 и 16 служат для подачи питающего напряжения и снятия выходного, т.е. измеряемого сигнала.

Выполнение чувствительных элементов, объединенных по мостовой схеме в виде вложенных друг в друга меандров, позволяет достичь лучшей идентичности плеч моста по электрическому сопротивлению, а следовательно, более высокой чувствительности датчика и точности измерений.

Работа магниторезистивного датчика происходит следующим образом. В одну из диагоналей мостовой схемы (контактные площадки 13, 14 либо 15, 16) подается напряжение питания, а с другой диагонали моста (контактные площадки 15, 16 либо 13, 14) снимается выходное напряжение (измеряемый сигнал). При отсутствии внешнего магнитного поля сопротивление всех четырех меандров 7, 8, 9 и 10 (плеч моста) одинаково, мостовая схема сбалансирована и выходное напряжение близко к нулю. При этом векторы намагниченности кластеров в кластерных слоях 3 под влиянием тепловой энергии хаотически разориентированы и результирующий магнитный момент (намагниченность) каждого из меандров равен нулю. При наложении внешнего магнитного поля магнитные моменты кластеров начинают ориентироваться по полю, образуется общий результирующий магнитный момент совокупности кластеров, пропорциональный напряженности магнитного поля. При этом меняются условия рассеяния электронов проводимости и изменяется электрическое сопротивление магниточувствительной пары меандров. Как результат, возникает разбаланс мостовой схемы и появляется выходной измеряемый сигнал, пропорциональный величине напряженности внешнего магнитного поля.

Наличие Кондо-подобного эффекта у суперпарамагнитных многослойных кластерно-слоистых пленок приводит к еще более существенному изменению условий рассеяния электронов проводимости, а значит и электрического сопротивления магниточувствительной пары меандров при наложении магнитного поля, что, в свою очередь, обеспечивает магниторезистивному датчику повышение чувствительности и точности измерений. Эти преимущества заявляемого магниторезистивного датчика наиболее выражены в области низких температур, где наиболее полно проявляется у суперпарамагнитных многослойных пленок Кондо-подобный эффект, т.е. специфическая зависимость их электрического сопротивления от температуры и напряженности магнитного поля. Это создает хорошие перспективы использования заявляемых магниторезистивных датчиков в криогенной и космической магнитометрии.

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано в тахометрах, устройствах неразрушающего контроля, датчиках перемещений, устройствах измерения постоянного и переменного магнитного поля, электрического тока. Магниторезистивный датчик включает минимум один чувствительный элемент, расположенный на диэлектрической подложке, выполненный из многослойной магнитной пленки, состоящей из чередующихся слоев ферромагнитного и неферромагнитного металлов с толщиной нанометрового диапазона, при этом каждый слой ферромагнитного металла выполнен дискретным и состоит из ферромагнитных частиц - кластеров из Fe или Со или Ni или из магнитных сплавов на их основе, а толщина каждого слоя из неферромагнитного металла меньше длины свободного пробега электронов проводимости, но не менее 7Å. В качестве неферромагнитного металла применяют переходный металл, атомы которого находятся в обменной связи с атомами кластеров ферромагнитного металла, для обеспечения многослойной магнитной пленке суперпарамагнитных свойств и Кондо-подобного эффекта. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности датчика в области низких температур, уменьшение зависимости выходного сигнала датчика от его ориентации относительно направления магнитного поля, расширение диапазона рабочих магнитных полей вплоть до сильных (100 кЭ). 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Магниторезистивный датчик, включающий минимум один чувствительный элемент, расположенный на диэлектрической подложке, выполненный из многослойной магнитной пленки, состоящей из чередующихся слоев ферромагнитного и неферромагнитного металлов с толщиной нанометрового диапазона, при этом каждый слой ферромагнитного металла выполнен дискретным и состоит из ферромагнитных частиц - кластеров из Fe или Со, или Ni, или из магнитных сплавов на их основе, а толщина каждого слоя из неферромагнитного металла меньше длины свободного пробега электронов проводимости, но не менее 7Å, отличающийся тем, что в качестве неферромагнитного металла применяют переходный металл, атомы которого находятся в обменной связи с атомами кластеров ферромагнитного металла, для обеспечения многослойной магнитной пленке суперпарамагнитных свойств и Кондо-подобного эффекта.2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что в качестве неферромагнитного металла используют Cr или Mn.3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что чувствительные элементы соединены в мостовую схему проводниками из немагнитного металла.4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что чувствительные элементы выполнены в виде меандров, расположенных попарно один в другом.5. Датчик по п.4, отличающийся тем, что одна пара меандров выполнена нечувствительной к магнитному полю.