МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ-ГРАДИОМЕТР Российский патент 2012 года по МПК H01L43/08 

Изобретение относится к области магнитных датчиков и может быть использовано в тахометрах, устройствах неразрушающего контроля, датчиках перемещения, датчиках для измерения постоянного и переменного магнитного поля, электрического тока, биодатчиках.

Известен магниторезистивный преобразователь магнитного поля с четной вольт-эрстедной характеристикой (ВЭХ), в котором тонкопленочные магниторезистивные полоски в соседних плечах мостовой схемы расположены перпендикулярно друг другу (Н.П.Васильева, С.И.Касаткин, Н.Н.Аверин, A.M.Муравьев, А.Н.Носков. Разработка тонкопленочных двухслойных магниторезистивных датчиков // Приборы и системы управления. 1995. №2. С.24-26). Конструкция такого магниторезистивного преобразователя является компактной, ВЭХ формируется благодаря топологии мостовой схемы, при этом с возрастанием внешнего магнитного поля ВЭХ преобразователя выходит в насыщение. Недостатком магниторезистивного преобразователя является то, что он реагирует, как и все преобразователи, на все однородные и неоднородные магнитные поля, действующие на него. Часто же стоит задача выделить слабое неоднородное магнитное поле на фоне большого однородного магнитного поля.

Данный недостаток устранен в магниторезистивном преобразователе-градиометре (С.И.Касаткин, A.M.Муравьев. Магниторезистивная головка-градиометр // Патент РФ №2366038). Недостатками этого магниторезистивного преобразователя-градиометра являются нечетная ВЭХ и ее спад при увеличении магнитного поля. В настоящее время существует ряд задач, в первую очередь для пороговых преобразователей, когда необходимо сохранять сигнал при больших локальных магнитных полях.

Задачей, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является создание магниторезистивного преобразователя-градиометра с четной ВЭХ, выходящей в насыщение с ростом магнитного поля.

Указанный технический результат достигается тем, что в магниторезистивном преобразователе-градиометре, содержащем подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположены соединенные в мостовую схему немагнитными низкорезистивными перемычками тонкопленочные магниторезистивные полоски, содержащие каждая верхний и нижний защитные слои, между которыми расположена ферромагнитная пленка, а поверх тонкопленочных магниторезистивных полосок расположен изолирующий слой, тонкопленочные магниторезистивные полоски в первом и четвертом плечах мостовой схемы расположены перпендикулярно тонкопленочным магниторезистивным полоскам второго и третьего плеч мостовой схемы, причем первое и второе плечи мостовой схемы расположены от третьего и четвертого плечей мостовой схемы на расстоянии не менее удвоенной длины тонкопленочной магниторезистивной полоски. Тонкопленочные магниторезистивные полоски могут содержать две ферромагнитные пленки, между которыми расположен разделительный слой.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что при перпендикулярном расположении тонкопленочных магниторезистивных полосок в первом и четвертом плечах относительно их расположения во втором и третьем плечах мостовой схемы преобразователя-градиометра однородное магнитное поле не вызывает появление сигнала считывания на выходе мостовой схеме, т.е. это схема градиометра. А наличие достаточного расстояния между парами плеч позволяет только одной паре плеч преобразователя-градиометра реагировать на локальное неоднородное магнитное поле, причем его ВЭХ является четной с насыщением при возрастании магнитного поля.

Изобретение поясняется чертежами: на фиг.1 представлена структура магниторезистивного преобразователя-градиометра в разрезе; на фиг.2 показана топология магниторезистивного преобразователя-градиометра (вид сверху), на фиг.3 представлена теоретическая ВЭХ преобразователя-градиометра.

Магниторезистивный преобразователь-градиометр содержит подложку 1 (фиг.1) с диэлектрическим слоем 2, на котором расположены тонкопленочные магниторезистивные полоски, состоящие каждая из защитных слоев 3, 4, ферромагнитных пленок 5, 6 и разделительного слоя 7. Сверху расположен защитный слой 8.

Магниторезистивный преобразователь-градиометр представляет собой мостовую схему (фиг.2) из рядов тонкопленочных магниторезистивных полосок в плечах 9-12 (первое-четвертое плечи) и низкорезистивных перемычек, последовательно соединяющих тонкопленочные магниторезистивные полоски в мостовую схему.

Заявляемое изобретение относится к магниторезистивным преобразователям-градиометрам магнитного поля на основе металлических многослойных ферромагнитных наноструктур с анизотропным магниторезистивным эффектом. При этом виде магниторезистивного эффекта изменение сопротивления ферромагнитной пленки в магнитном поле пропорционально sin²φ, где φ - угол между вектором намагниченности М ферромагнитной пленки тонкопленочной магниторезистивной полоски и направлением протекающего в ней сенсорного тока.

Работа магниторезистивного преобразователя-градиометра происходит следующим образом. Рассмотрим случай многослойной наноструктуры с двумя ферромагнитными пленками 5 и 6. При отсутствии внешнего магнитного поля и сенсорного тока в мостовой схеме векторы намагниченности ферромагнитных пленок 5 и 6 (фиг.1) в двух рядах тонкопленочных магниторезистивных полосок плечей 9-12 (фиг.2) устанавливаются вдоль оси легкого намагничивания (ОЛН) ферромагнитных пленок антипараллельно друг другу. ОЛН направлена вдоль длины тонкопленочных магниторезистивных полосок одной из пар плеч мостовой схемы. При подаче в мостовую схему преобразователя-градиометра сенсорного тока появится постоянный сигнал считывания, определяемый технологическим разбалансом его мостовой схемы, и незначительно изменится направление векторов намагниченности ферромагнитных пленок 5 и 6 тонкопленочных магниторезистивных полосок. Однородное внешнее магнитное поле Н, перпендикулярное ОЛН, приведет к развороту векторов намагниченности ферромагнитных пленок 5 и 6 тонкопленочных магниторезистивных полосок в плечах 9-12 по направлению Н. В тонкопленочных магниторезистивных полосках 9 и 12 плечах мостовой схемы угол между направлением сенсорного тока и векторами намагниченности ферромагнитных пленок 5 и 6 возрастет, в полосках 10 и 11 плеча - угол уменьшится. В соответствии с анизотропным магниторезистивным эффектом магнитосопротивление 9 и 12 плеч мостовой схемы возрастет, а 10 и 11 плеч - уменьшится. Это означает отсутствие сигнала считывания на выходе мостовой схемы при внешнем однородном магнитном поле, т.е. данная конструкция магниторезистивного преобразователя соответствует градиометру.

Действие локального магнитного поля Н_Л на два рабочих плеча приведет к развороту векторов намагниченности ферромагнитных пленок 5 и 6 тонкопленочных магниторезистивных полосок в плечах 9 и 10 по направлению Н_Л. На балластные плечи 11 и 12 Н_Л не действует и сигнала считывания они не дают. В рабочих плечах 9 и 10 изменение магнитосопротивления приводит к сигналу считывания. Ввиду квадратичной зависимости изменения магнитосопротивления при анизотропном магниторезистивном эффекте ВЭХ преобразователя-градиометра будет четной и выходить в насыщение с ростом локального магнитного поля.

На фиг.3 приведена теоретическая четная ВЭХ магниторезистивного преобразователя-градиометра на основе двухслойных FeNiCo₆ ферромагнитных пленок 5 и 6 толщиной 12 нм с размерами тонкопленочной магниторезистивной полоски 14×260 мкм² для локального магнитного поля, действующего на два рабочих плеча 9 и 10 при напряжении питания 10 В. Величина анизотропного магниторезистивного эффекта - 2%. ВЭХ данного преобразователя-градиометра аналогична ВЭХ обычного преобразователя, но ввиду того, что рабочими плечами являются только два плеча, в отличие от четырех рабочих плеч обычного магниторезистивного преобразователя, величина сигнала считывания и чувствительность преобразователя-градиометра вдвое меньше обычного преобразователя.

Таким образом, предложенный магниторезистивный преобразователь-градиометр магнитного поля с перпендикулярно расположенными тонкопленочными магниторезистивными полосками в рабочих и балластных парах плеч мостовой схемы, разнесенных друг относительно друга, обладает заявленными свойствами. Преобразователь-градиометр не реагирует на внешнее однородное магнитное поле и обладает четной ВЭХ с ее насыщением при возрастании внешнего локального магнитного поля, действующего на рабочую пару плеч мостовой схемы преобразователя-градиометра.

Изобретение может быть использовано в тахометрах, устройствах неразрушающего контроля, датчиках перемещения, датчиках для измерения постоянного и переменного магнитного поля, электрического тока, биодатчиках. Магниторезистивный преобразователь-градиометр содержит подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположены соединенные в мостовую схему немагнитными низкорезистивными перемычками тонкопленочные магниторезистивные полоски, содержащие каждая верхний и нижний защитные слои, между которыми расположена ферромагнитная пленка. Поверх тонкопленочных магниторезистивных полосок расположен изолирующий слой, тонкопленочные магниторезистивные полоски в первом и четвертом плечах мостовой схемы расположены перпендикулярно тонкопленочным магниторезистивным полоскам второго и третьего плеч мостовой схемы, причем первое и второе плечи мостовой схемы расположены от третьего и четвертого плечей мостовой схемы на расстоянии не менее удвоенной длины тонкопленочной магниторезистивной полоски. Изобретение обеспечивает возможность создания магниторезистивного преобразователя-градиометра с четной ВЭХ, выходящей в насыщение с ростом магнитного поля. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Магниторезистивный преобразователь-градиометр, содержащий подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположены соединенные в мостовую схему немагнитными низкорезистивными перемычками тонкопленочные магниторезистивные полоски, содержащие каждая верхний и нижний защитные слои, между которыми расположена ферромагнитная пленка, а поверх тонкопленочных магниторезистивных полосок расположен изолирующий слой, отличающийся тем, что тонкопленочные магниторезистивные полоски в первом и четвертом плечах мостовой схемы расположены перпендикулярно тонкопленочным магниторезистивным полоскам второго и третьего плеч мостовой схемы, причем первое и второе плечо мостовой схемы расположены от третьего и четвертого плеча мостовой схемы на расстоянии, не менее удвоенной длины тонкопленочной магниторезистивной полоски.

2. Магниторезистивный преобразователь-градиометр по п.1, отличающийся тем, что тонкопленочные магниторезистивные полоски содержат две ферромагнитные пленки, между которыми расположен разделительный слой.