ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ НАНОЭЛЕМЕНТ Российский патент 2011 года по МПК G01R33/09 H01L43/08 B82B1/00 

Описание патента на изобретение RU2433422C1

Изобретение относится к области магнитных наноэлементов на основе многослойных металлических наноструктур с магниторезистивным эффектом и может быть использовано для преобразования высокочастотного магнитного поля в электрический сигнал.

Известны высокочастотные магниторезистивные головки считывания для магнитных дисков и цифровые гальванические развязки (http://www.nve.com). В этих устройствах используется магниточувствительный наноэлемент в виде магниторезистивной полоски на основе многослойной ферромагнитной наноструктуры. Особенностями этих наноэлементов являются большая величина считываемого магнитного поля и его импульсный характер. Таким образом, от подобных магниточувствительных наноэлементов не требуются линейность вольт-эрстедной характеристики (ВЭХ) и высокой чувствительности.

Известен высокочастотный магниточувствительный наноэлемент на основе тонкопленочной магниторезистивной полоски (С.И. Касаткин, Д.В. Вагин, О.П. Поляков, П.А. Поляков. Частотные характеристики однослойных анизотропных магниторезистивных наноэлементов // Автоматика и Телемеханика. 2008. №10. С.168-175) с осью легкого намагничивания, направленной под углом к длине полоски. Недостатком подобных наноэлементов является пиковый характер их амплитудно-частотной характеристики, что приводит к небольшому частотному диапазону характеристики.

Задачей, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является создание высокочастотного магниточувствительного наноэлемента на основе магниторезистивной наноструктуры с планарным протеканием сенсорного тока, с плавной амплитудно-частотной характеристикой и позволяющего преобразовать магнитное поле в электрический сигнал.

Указанный технический результат достигается тем, что в высокочастотном магниточувствительном наноэлементе, содержащем подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположен тонкопленочный магниторезистивный элемент, содержащий верхний и нижний защитные слои, между которыми расположена ферромагнитная пленка с осью легкого намагничивания, направленной под углом к параллельным сторонам тонкопленочного магниторезистивного элемента, над которым сформирован изолирующий слой с расположенным на нем планарным проводником, поверх которого расположен поверхностный защитный слой, тонкопленочный магниторезистивный элемент выполнен в форме тонкопленочной магниторезистивной призмы, наклонные стороны которой расположены вдоль оси проводника, при этом между планарным проводником и поверхностным защитным слоем расположены дополнительные изолирующий слой и планарный проводник. Высокочастотный магниточувствительный наноэлемент может содержать несколько последовательно изготовленных тонкопленочных магниторезистивных призм различной длины и размеров параллельных сторон.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что основой высокочастотного магниточувствительного наноэлемента является тонкопленочная призма с наклонными частями этой призмы, расположенными вдоль протекания тока, и направленной под углом к параллельным сторонам призмы осью легкого намагничивания. Такая форма наноэлемента позволяет обеспечить заданную, в определенных пределах, плавную, без провалов амплитудно-частотную характеристику (АЧХ). При этом направление оси легкого намагничивания ферромагнитной пленки под углом к параллельным сторонам тонкопленочной призмы позволяет формировать заданную АЧХ характеристику без применения дополнительного постоянного магнитного поля.

Изобретение поясняется чертежами: на фиг.1 представлен высокочастотный магниточувствительный наноэлемент в разрезе; на фиг.2 показана конструкция высокочастотного магниточувствительного наноэлемента, вид сверху; на фиг.3 показана конструкция высокочастотного наноэлемента из нескольких тонкопленочных магниторезистивных призм, вид сверху; на фиг.4 приведены теоретические АЧХ анизотропных магниторезистивных полосок с шириной 10 и 30 мкм длиной 100 и 130 мкм и АЧХ высокочастотного магниточувствительного наноэлемента с размерами параллельных сторон 10 и 30 мкм длиной 100 мкм.

Высокочастотный магниточувствительный наноэлемент содержит подложку 1 (фиг.1) с диэлектрическим слоем 2, тонкопленочную магниторезистивную призму, содержащую верхний 3 и нижний защитные 4 слои, между которыми расположена ферромагнитная пленка 5. Поверх тонкопленочной магниторезистивной призмы расположен первый изолирующий слой 6, на котором сформирован проводник 7 с рабочей частью, расположенной над тонкопленочной магниторезистивной призмой. Выше расположены второй изолирующий слой 8, проводник 9 и верхний защитный слой 10.

Конструктивно, высокочастотный магниточувствительный наноэлемент состоит из тонкопленочной магниторезистивной призмы 11 (фиг.2) с присоединенными низкорезистивными немагнитными перемычками 12-13 для подключения сенсорного тока. Над тонкопленочной магниторезистивной призмой 11 расположен проводник set/reset 14 для устранения влияния гистерезиса на результаты измерения магнитного поля и проводник 15, управляющий формой АЧХ и чувствительностью высокочастотного магниторезистивного наноэлемента.

Высокочастотный магниточувствительный наноэлемент может состоять из нескольких тонкопленочных магниторезистивных призм 16, 17 с различными размерами, расположенных вплотную друг к другу (фиг.3) с низкорезистивными немагнитными перемычками 18, 19.

Перед началом работы векторы намагниченности ферромагнитной пленки 5 в тонкопленочной магниторезистивной призме 11 развернуты приблизительно вдоль оси легкого намагничивания, развернутой на 45° вдоль параллельных сторон призмы. Это направление векторов намагниченности соответствует линейной ВЭХ высокочастотного магниточувствительного наноэлемента с максимальной чувствительностью и оптимальной АЧХ. Периодически в проводник set/reset 14 подаются импульсы тока set/reset, магнитное поле которых приводят векторы намагниченности тонкопленочной магниторезистивной призмы 11 в одинаковое магнитное состояние и устраняющие тем самым влияние гистерезиса на результаты измерения магнитного поля. Для получения максимальной чувствительности в проводник 15 подается постоянный ток нужной полярности. Постоянное магнитное поле, создаваемое током в проводнике 15 и действующее на ферромагнитную пленку 5 призмы, доворачивает векторы намагниченности этой ферромагнитной пленки до оптимального угла, соответствующего максимальной чувствительности высокочастотного магниточувствительного наноэлемента.

Для преобразования магнитного поля в электрический сигнал в тонкопленочную магниторезистивную призму 11 через низкорезистивные перемычки 12, 13 подается постоянный электрический (сенсорный) ток. Высокочастотное магнитное поле, действующее на высокочастотный магниточувствительный наноэлемент, приводит к изменению направления векторов намагниченности ферромагнитной пленки 5, что изменяет магнитосопротивление тонкопленочной магниторезистивной призмы 11, и появлению электрического сигнала считывания.

Высокочастотные свойства ферромагнитной пленки определяются проявлением ферромагнитного резонанса. Теоретические исследования ферромагнитных пленок показывают, что пик f0 ее частотной характеристики определяется ферромагнитным резонансом и равен

где γ - гиромагнитное отношение, MS - намагниченность насыщения, Н0 - постоянное магнитное поле, НK - поле магнитной анизотропии. Знак «+» соответствует случаю совпадения направления оси легкого намагничивания (ОЛН) ферромагнитной пленки и Н0, «-» - когда ОЛН перпендикулярна Н0. Из (1) следует, что существует низкочастотный резонанс при перпендикулярном расположении ОЛН и Н0, что позволяет изучать резонансное поведение ферромагнитных пленок при низких частотах и установить связь с квазистатическими измерениями. Экспериментальные исследования частотных характеристик FeNiCoB пленок показали, что f0 достигает 2-3 ГГц.

Для МР полосок появляется влияние размагничивающих магнитных полей

где NX - размагничивающий фактор вдоль длины полоски, NY - вдоль ширины полоски, NZ - перпендикулярно плоскости пленки. Из (2) следует, что f0 определяется НK, Н0 и размагничивающими магнитными полями. Экспериментальные исследования частотных характеристик полосок на основе пермаллоя и Fe для совпадения направления ОЛН и Н0 показали, что f0 достигает 4 и 11 ГГц соответственно.

Ввиду того, что при использовании планарной мультичипной технологии в рамках одного чипа можно менять только размеры тонкопленочной магниторезистивной призмы, представляет интерес рассмотреть частотные характеристики однослойных анизотропных магниторезистивных FeNiCo призм с различными основаниями и высотой. Внешнее высокочастотное магнитное поле h мало (h<<НK) и перпендикулярно высоте призмы. Ток через призму 1 мА. Проанализируем свойства однослойной FeNiCo20 призмы с MS=1050 Гс, НK=20 Э и осью легкого намагничивания, направленной под углом 60° к длине полоски при воздействии переменного магнитного поля с h=0,01 Э. Величина анизотропного магниторезистивного эффекта составляет Δρ/ρ=2%. Размеры оснований призмы 10 и 30 мкм, высота - 100 мкм.

На фиг.4 приведены АЧХ высокочастотного магниточувствительного наноэлемента в форме тонкопленочной магниторезистивной призмы (сплошная линия) и в форме двух прямоугольных полосок различной длины и ширины (130×10 мкм2 и 100×30 мкм2). Видно, что АЧХ высокочастотного магниточувствительного наноэлемента в форме тонкопленочной магниторезистивной призмы имеет куполообразный вид без провалов по сравнению с АЧХ наноэлемента в форме прямоугольных полосок, несмотря на то, что эта форма уже была оптимизирована. Частотный диапазон обеих АЧХ приблизительно тот же, т.к. он в значительной мере определяется не формой наноэлемента, а физическими свойствами ферромагнитной пленки.

Используя две и более последовательно соединенных тонкопленочных магниторезистивных призм различных размеров (фиг.3), можно скорректировать форму АЧХ высокочастотного магниточувствительного наноэлемента в виде набора подобных призм.

Таким образом, предложенный высокочастотный магниточувствительный наноэлемент на основе тонкопленочной магниторезистивной призмы обладает плавной изменяемой АЧХ характеристикой, обладая высокими техническими характеристиками и поддающимися теоретическому анализу, что позволяет предварительно рассчитывать АЧХ такого наноэлемента.

Похожие патенты RU2433422C1

название год авторы номер документа
ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ НАНОЭЛЕМЕНТ 2009
  • Касаткин Сергей Иванович
  • Вагин Дмитрий Вениаминович
RU2391747C1
МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ДАТЧИК 2010
  • Касаткин Сергей Иванович
  • Муравьев Андрей Михайлович
  • Амеличев Владимир Викторович
  • Гамарц Илья Андреевич
  • Поломошнов Сергей Александрович
RU2433507C1
МАГНИТОРЕЗИСТИВНАЯ ГОЛОВКА-ГРАДИОМЕТР 2008
  • Касаткин Сергей Иванович
  • Муравьев Андрей Михайлович
RU2366038C1
МАГНИТОРЕЗИСТИВНАЯ ГОЛОВКА-ГРАДИОМЕТР 2009
  • Касаткин Сергей Иванович
  • Муравьев Андрей Михайлович
  • Амеличев Владимир Викторович
  • Гамарц Илья Андреевич
RU2403652C1
МАГНИТОРЕЗИСТИВНАЯ ГОЛОВКА-ГРАДИОМЕТР 2012
  • Амеличев Владимир Викторович
  • Касаткин Сергей Иванович
  • Костюк Дмитрий Валентинович
  • Муравьев Андрей Михайлович
RU2506665C1
МАГНИТОРЕЗИСТИВНАЯ ГОЛОВКА-ГРАДИОМЕТР 2013
  • Касаткин Сергей Иванович
  • Муравьев Андрей Михайлович
RU2521728C1
МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ 2011
  • Касаткин Сергей Иванович
  • Муравьев Андрей Михайлович
  • Амеличев Владимир Викторович
RU2483393C1
МАГНИТНЫЙ НЕЙРОН 2001
  • Касаткин С.И.
RU2199780C1
МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ДАТЧИК 2010
  • Касаткин Сергей Иванович
  • Муравьев Андрей Михайлович
  • Амеличев Владимир Викторович
  • Решетников Иван Александрович
  • Гаврилов Роман Олегович
RU2436200C1
МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ДАТЧИК (ВАРИАНТЫ) 2003
  • Касаткин С.И.
  • Муравьев А.М.
  • Ходжаев В.Д.
  • Ажаева Л.А.
RU2236066C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 433 422 C1

Реферат патента 2011 года ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ НАНОЭЛЕМЕНТ

Изобретение относится к области магнитных наноэлементов на основе многослойных металлических наноструктур с магниторезистивным эффектом и может быть использовано для преобразования высокочастотного магнитного поля в электрический сигнал. Технический результат: плавное изменение амплитудно-частотной характеристики. Сущность: наноэлемент содержит подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположен тонкопленочный магниторезистивный элемент. Магниторезистивный элемент содержит верхний и нижний защитные слои, между которыми расположена ферромагнитная пленка с осью легкого намагничивания, направленной под углом к параллельным сторонам тонкопленочного магниторезистивного элемента. Над тонкопленочным магниторезистивным элементом сформирован изолирующий слой с расположенным на нем планарным проводником, поверх которого расположен поверхностный защитный слой. Тонкопленочный магниторезистивный элемент выполнен в форме тонкопленочной магниторезистивной призмы, наклонные стороны которой расположены вдоль оси проводника, при этом между планарным проводником и поверхностным защитным слоем расположены дополнительные изолирующий слой и планарный проводник. Наноэлемент может содержать несколько последовательно изготовленных тонкопленочных магниторезистивных призм различной длины и размеров параллельных сторон. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула изобретения RU 2 433 422 C1

1. Высокочастотный магниточувствительный наноэлемент, содержащий подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположен тонкопленочный магниторезистивный элемент, содержащий верхний и нижний защитные слои, между которыми расположена ферромагнитная пленка с осью легкого намагничивания, направленной под углом к параллельным сторонам тонкопленочного магниторезистивного элемента, над которым сформирован изолирующий слой с расположенным на нем планарным проводником, поверх которого расположен поверхностный защитный слой, отличающийся тем, что тонкопленочный магниторезистивный элемент выполнен в форме тонкопленочной магниторезистивной призмы, наклонные стороны которой расположены вдоль оси проводника, при этом между планарным проводником и поверхностным защитным слоем расположены дополнительные изолирующий слой и планарный проводник.

2. Высокочастотный магниточувствительный наноэлемент по п.1, отличающийся тем, что он содержит несколько последовательно изготовленных тонкопленочных магниторезистивных призм различной длины и размеров параллельных сторон.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2011 года RU2433422C1

МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ПОРОГОВЫЙ НАНОЭЛЕМЕНТ 2007
  • Касаткин Сергей Иванович
  • Муравьев Андрей Михайлович
RU2342738C1
МНОГОСЛОЙНАЯ ТОНКОПЛЕНОЧНАЯ МАГНИТОРЕЗИСТИВНАЯ НАНОСТРУКТУРА 2007
  • Касаткин Сергей Иванович
  • Муравьев Андрей Михайлович
  • Пудонин Федор Алексеевич
RU2334306C1
МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ПОРОГОВЫЙ НАНОЭЛЕМЕНТ 2008
  • Касаткин Сергей Иванович
  • Муравьев Андрей Михайлович
RU2377704C1
МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ДАТЧИК 2006
  • Амеличев Владимир Викторович
  • Галушков Александр Иванович
  • Дягилев Владимир Владимирович
  • Касаткин Сергей Иванович
  • Муравьев Андрей Михайлович
  • Резнев Алексей Алексеевич
  • Сауров Александр Николаевич
  • Суханов Владимир Сергеевич
RU2312429C1
МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ДАТЧИК (ВАРИАНТЫ) 2003
  • Касаткин С.И.
  • Муравьев А.М.
  • Ходжаев В.Д.
  • Ажаева Л.А.
RU2236066C1
Способ приготовления мыла 1923
  • Петров Г.С.
  • Таланцев З.М.
SU2004A1
JP 2008010509 A, 17.01.2008
JP 2003110162 A, 11.04.2003.

RU 2 433 422 C1

Авторы

Касаткин Сергей Иванович

Вагин Дмитрий Вениаминович

Даты

2011-11-10Публикация

2010-03-19Подача