МАГНИТОРЕЗИСТИВНАЯ ГОЛОВКА-ГРАДИОМЕТР Российский патент 2014 года по МПК H01L43/08 B82B1/00 

Изобретение относится к области магнитных наноэлементов на основе многослойных металлических наноструктур с магниторезистивным эффектом и может быть использовано в датчиках магнитного поля и тока, головках считывания с магнитных дисков и лент, устройствах диагностики печатных плат и микросхем, биообъектов (бактерий, вирусов, токсинов и ДНК), идентификации информации, записанной на магнитные ленты, считывания информации, записанной магнитными чернилами.

Известна магниторезистивная головка-градиометр (RU 2366038, 27.08.2009). В этой головке-градиометре линейная вольт-эрстедная характеристика (ВЭХ) формируется магнитным полем, создаваемым током в проводнике управления, расположенном над тонкопленочными магниторезистивными полосками. Недостатком такого устройства является достаточно большая величина тока в проводнике управления, достигающая десятков миллиампер, что ограничивает применение линеек и матриц из подобных магниторезистивных головок-градиометров.

Известна магниторезистивная головка-градиометр (RU 2403652, 10.11.2010). В этой головке-градиометре линейная ВЭХ формируется за счет расположения оси легкого намагничивания (ОЛН) ферромагнитной пленки под 45° к оси полоски. Недостатком этой магниторезистивной головки-градиометра является сложность проверки ее работоспособности, т.к., будучи градиометром, она слабо реагирует на однородное магнитное поле и необходимо подавать локальное магнитное поле, величина которого в области рабочих полосок мостовой схемы головки сильно зависит от удаленности источника локального магнитного поля от рабочих полосок.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание в магниторезистивной головке-градиометре на основе металлической ферромагнитной наноструктуры с планарным протеканием сенсорного тока, имеющей линейную ВЭХ и позволяющей измерять локальные магнитные поля, не реагируя на действующее на нее однородное магнитное поле, калибровочного проводника для определения работоспособности магниторезистивной головки-градиометра.

Указанный технический результат достигается тем, что в магниторезистивной головке-градиометре, содержащей подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположены соединенные в мостовую схему немагнитными низкорезистивными перемычками четыре ряда последовательно соединенных такими же перемычками в каждом плече мостовой схемы тонкопленочных магниторезистивных полосок, содержащих каждая верхний и нижний защитные слои, между которыми расположена ферромагнитная пленка, причем во всех тонкопленочных магниторезистивных полосках ось легкого намагничивания ферромагнитной пленки направлена под углом 45° относительно продольной оси тонкопленочной магниторезистивной полоски, первый изолирующий слой поверх тонкопленочных магниторезистивных полосок, на котором сформирован проводник с двумя контактами с рабочими частями, расположенными над тонкопленочными магниторезистивными полосками с рабочими частями проводника, расположенными над тонкопленочными магниторезистивными полосками, второй изолирующий слой и защитный слой, при этом все тонкопленочные магниторезистивные полоски расположены в один ряд, а ближайший к краю подложки ряд тонкопленочных магниторезистивных полосок удален от трех остальных рядов тонкопленочных магниторезистивных полосок на расстояние не менее десяти периодов повторения этих рядов, второй изолирующий слой снабжен калибровочным проводником, размещенным над рабочими тонкопленочными магниторезистивными полосками мостовой схемы.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в магниторезистивной головке-градиометре сформирован планарный калибровочный проводник с заданным расположением относительно рабочего плеча мостовой схемы и известным коэффициентом преобразования тока в магнитное поле. При подаче в калибровочный проводник заданного тока в плече рабочих полосок создается известное локальное магнитное поле, что позволяет определить работоспособность магниторезистивной головки-градиометра.

Последовательное соединение плеч мостовой схемы формирует градиометр, т.е. отсутствие сигнала считывания при воздействии на магниторезистивную головку-градиометр однородного магнитного поля. Это делает невозможным проверку работоспособности магниторезистивной головки-градиометра однородным магнитным полем, а только локальным. При наличии локального магнитного поля около рабочего плеча мостовой схемы головки-градиометра возникает сигнал считывания в соответствии с ее линейной ВЭХ. Но проверка локальным магнитным полем, создаваемым внешним источником, является неточной из-за меняющегося расстояния между этим источником и рабочими магниторезистивными полосками магниторезистивной головки-градиометра. Формирование в магниторезистивной головке-градиометре встроенного планарного калибровочного проводника позволяет точно определить магнитное поле, создаваемое током в этом проводнике и действующее на магниторезистивные полоски.

Изобретение поясняется чертежами: на фиг.1 представлена магниторезистивная головка-градиометр с ферромагнитной пленкой в тонкопленочной магниторезистивной полоске в разрезе; на фиг.2 показана конструкция магниторезистивной головки-градиометра; на фиг.3 представлена осциллограмма ВЭХ головки-градиометра.

Магниторезистивная головка-градиометр содержит подложку 1 (фиг.1) с диэлектрическим слоем 2, тонкопленочные магниторезистивные полоски, содержащие верхний 3 и нижний защитные 4 слои, между которыми расположена ферромагнитная пленка 5. Поверх тонкопленочных магниторезистивных полосок расположен первый изолирующий слой 6, на котором сформирован проводник 7 с рабочими частями, расположенными над тонкопленочными магниторезистивными полосками вдоль каждого их ряда. Выше расположен второй изолирующий слой 8, калибровочный проводник 9 верхний защитный слой 10.

Конструктивно магниторезистивная головка-градиометр (фиг.2) состоит из четырех плеч 11-14 мостовой схемы, одно из которых 11 - рабочее плечо и три балластных плеча 12-14. Для простоты на фиг.2 плечи 11-14 содержат только по одной тонкопленочной магниторезистивной полоске. Рабочее плечо 11 находится около края магниторезистивной головки-градиометра, а три балластных плеча 12-14 удалены от рабочего плеча 11. Тонкопленочные магниторезистивные полоски 11-14 соединены немагнитными низкорезистивными перемычками 15. Над тонкопленочными магниторезистивными полосками 11-14 расположен проводник 7 (фиг.2) с контактами 15 и 16 для подачи импульсов тока set/reset. Сверху расположен калибровочный проводник 9 с контактами 17 и 18.

Проверка магниторезистивной головки-градиометра проводится с помощью калибровочного проводника 9 с контактами 17 и 18. В тонкопленочные магниторезистивные полоски 11-14 магниторезистивной головки-градиометра подается постоянный сенсорный ток заданной величины для считывания сигнала с мостовой схемы. Перед началом работы в проводник 7 подается импульс тока произвольной, но одинаковой каждый раз полярности для устранения влияния гистерезиса на результаты измерения магнитного поля. Импульс тока должен быть достаточно большой величины (обычно около 1-2 А), чтобы им создать в проводнике 7 во всех тонкопленочных магниторезистивных полосках 11-14 одинаковое магнитное состояние за счет намагничивания ферромагнитных пленок тонкопленочных магниторезистивных полосок вдоль создаваемого импульсом тока магнитного поля. Тем самым и достигается устранение влияния гистерезиса на результаты измерения магнитного поля.

Через контакты 17 и 18 калибровочного проводника 9 протекает известный ток I. Этот ток создает над осью тонкопленочной магниторезистивной полоски 11 известное магнитное поле в соответствии с выражением Н=KI, где К - известный коэффициент пропорциональности (эффективность катушки), зависящий в основном от ширины калибровочного проводника и его удаленности от оси тонкопленочной магниторезистивной полоски.

Подавая ток в планарный калибровочный проводник 9, мы измеряем сигнал магниторезистивной головки-градиометра, т.е. ее ВЭХ V(I) и вычисляем ее чувствительность по току S(I). Тем самым мы определяем работоспособность собственно головки независимо от ее удаленности от источника локального магнитного поля.

После проверки работоспособности работа магниторезистивной головки-градиометра происходит следующим образом. Перед началом измерения векторы намагниченности ферромагнитной пленки 5 в тонкопленочных магниторезистивных полосках 11-14 направлены вдоль ее ОЛН, развернутой приблизительно на 45° от продольной оси полоски. Это направление векторов намагниченности соответствует линейной ВЭХ магниторезистивной головки-градиометра с максимальной чувствительностью.

По причине симметричности магнитных состояний всех четырех плеч 11-14 мостовой схемы однородное магнитное поле, одинаково действующее на все четыре магниторезистивные полоски головки-градиометра, не будет приводить к разбалансу мостовой схемы, а значит, не приведет к появлению на ее выходе сигнала считывания. В то же время воздействие однородного магнитного поля на магниторезистивные полоски приводит к изменению в них направлений векторов намагниченности, что при приближении величины однородного магнитного поля к верхнему краю линейного диапазона приведет к уменьшению чувствительности магниторезистивной головки-градиометра.

Локальное магнитное поле, действующее на рабочее плечо 11 мостовой схемы магниторезистивной головки-градиометра, приводит к изменению направления векторов намагниченности ферромагнитной пленки 5 в области плеча 11, что изменяет магнетосопротивление этого плеча и приводит к появлению сигнала считывания. При работе магниторезистивной головки-градиометра калибровочный проводник 9 может использоваться для устранения технологического разбаланса в мостовой схеме головки подачей в проводник 9 постоянного тока нужной полярности. Технологический разбаланс мостовой схемы приводит к появлению постоянного напряжения на выходе мостовой схемы, что уменьшает рабочий диапазон измерения постоянного магнитного поля.

Аналогично магниторезистивному датчику магнитного поля с проводником управления магниторезистивная головка-градиометр будет обладать ВЭХ с линейным участком (фиг.3). На этой фигуре приведена осциллограмма экспериментальной ВЭХ магниторезистивной головки-градиометра для FeNiCo₆ тонкопленочной магниторезистивной полоски размером 20×150 мкм² и толщины ферромагнитной пленки 24 нм. Но из-за того, что в магниторезистивной головке-градиометре только одно рабочее плечо 11, ее чувствительность, по сравнению с магниторезистивным преобразователем магнитного поля с проводником управления, в несколько раз меньше и достигает величины не более 0,1-0,2 мВ/(В·Э). Реальное ослабление влияния однородного магнитного поля на сигнал магниторезистивной головки-градиометра составляет величину не менее 12-15 раз.

Таким образом, предложенная магниторезистивная головка-градиометр позволяет просто и эффективно определять ее работоспособность без применения внешнего источника локального магнитного поля за счет планарного калибровочного проводника, который используется для этого на этапе проверки работоспособности головки, а при ее работе данный проводник может использоваться для устранения технологического разбаланса мостовой схемы магниторезистивной головки-градиометра.

Изобретение может быть использовано в датчиках магнитного поля и тока, головках считывания с магнитных дисков и лент, устройствах диагностики печатных плат и микросхем, биообъектов (бактерий и вирусов), идентификации информации, записанной на магнитные ленты, считывания информации, записанной магнитными чернилами. Магниторезистивная головка-градиометр содержит подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположены соединенные в мостовую схему немагнитными низкорезистивными перемычками четыре ряда последовательно соединенных такими же перемычками в каждом плече мостовой схемы тонкопленочных магниторезистивных полосок, содержащих каждая верхний и нижний защитные слои, между которыми расположена ферромагнитная пленка, причем во всех тонкопленочных магниторезистивных полосках ось легкого намагничивания ферромагнитной пленки направлена под углом 45° относительно продольной оси тонкопленочной магниторезистивной полоски, первый изолирующий слой поверх тонкопленочных магниторезистивных полосок, на котором сформирован проводник с двумя контактами с рабочими частями, расположенными над тонкопленочными магниторезистивными полосками с рабочими частями проводника, расположенными над тонкопленочными магниторезистивными полосками, второй изолирующий слой и защитный слой, при этом все тонкопленочные магниторезистивные полоски расположены в один ряд, а ближайший к краю подложки ряд тонкопленочных магниторезистивных полосок удален от трех остальных рядов тонкопленочных магниторезистивных полосок на расстояние не менее десяти периодов повторения этих рядов, второй изолирующий слой снабжен калибровочным проводником, размещенным над рабочими тонкопленочными магниторезистивными полосками мостовой схемы. Техническим результатом изобретения является создание магниторезистивной головки-градиометра с планарным калибровочным проводником, позволяющим определять работоспособность головки без применения внешнего источника локального магнитного поля. 3 ил.

Магниторезистивная головка-градиометр, содержащая подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположены соединенные в мостовую схему немагнитными низкорезистивными перемычками четыре ряда последовательно соединенных такими же перемычками в каждом плече мостовой схемы тонкопленочных магниторезистивных полосок, содержащих каждая верхний и нижний защитные слои, между которыми расположена ферромагнитная пленка, причем во всех тонкопленочных магниторезистивных полосках ось легкого намагничивания ферромагнитной пленки направлена под углом 45° относительно продольной оси тонкопленочной магниторезистивной полоски, первый изолирующий слой поверх тонкопленочных магниторезистивных полосок, на котором сформирован проводник с двумя контактами с рабочими частями, расположенными над тонкопленочными магниторезистивными полосками с рабочими частями проводника, расположенными над тонкопленочными магниторезистивными полосками, второй изолирующий слой и защитный слой, при этом все тонкопленочные магниторезистивные полоски расположены в один ряд, а ближайший к краю подложки ряд тонкопленочных магниторезистивных полосок удален от трех остальных рядов тонкопленочных магниторезистивных полосок на расстояние не менее десяти периодов повторения этих рядов, отличающаяся тем, что второй изолирующий слой снабжен калибровочным проводником, размещенным над рабочими тонкопленочными магниторезистивными полосками мостовой схемы.