Магниторезистивный датчик магнитного поля Российский патент 2020 года по МПК G01R33/02 

Изобретение относится к области автоматики и магнитометрии и может быть использовано при изготовлении датчиков перемещений, устройств измерения электрического тока и магнитных полей, а именно, магнитометров, электронных компасов и т.п.

Наиболее близким устройством к заявленному техническому решению и выбранным в качестве прототипа признан датчик магнитного поля с интегральными катушками (US 5952825, кл. G01R 33/02, опубл. 14.09.1999), содержащий мостовую измерительную схему из магниторезисторов, сформированных на диэлектрической подложке из пленки магнитомягкого ферромагнитного металла с нанесенными на резисторы низкорезистивными шунтами из немагнитного металла, ориентированными под углом 45 градусов к длине полоски, катушку Off/Set из пленки проводящего материала.

Недостатком известного датчика магнитного поля является использование сложного оборудования и технологии для изготовления многослойной структуры из магнитных, изоляционных и проводящих слоев, а также невозможность использования альтернативных способов создания анизотропии (в частности использования магнитоупругой энергии анизотропии) и, соответственно, расширения диапазона контролируемых полей из-за отсутствия непосредственного доступа к магниторезистивной структуре, закрытой последующими изоляционными и проводящими слоями (для катушек).

Целью предлагаемого изобретения является упрощение технологии изготовления датчика за счет исключения промежуточных изолирующих слоев и расширение диапазона контролируемых полей за счет увеличения анизотропии благодаря дополнительной энергии магнитоупругой анизотропии.

Поставленная цель достигается тем, что в магниторезистивном датчике магнитного поля, содержащем мостовую измерительную схему из магниторезисторов, сформированную на диэлектрической подложке из пленки магнитомягкого ферромагнитного металла с нанесенными на резисторы низкорезистивными шунтами из немагнитного металла, ориентированными под углом 45 градусов к длине полоски, катушку Off/Set из пленки проводящего материала, дополнительно введен слой компаунда, нанесенного в магнитном поле, на магниторезистивную структуру, катушка Off/Set нанесена с обратной стороны подложки, по отношению к магниторезисторам, а в качестве материала магниторезисторов используется сплав с отрицательным коэффициентом магнитострикции.

Связь вновь вводимых признаков и достижения цели заключается в следующем.

Поскольку полимеризация компаунда происходит в магнитном поле, направленном по оси легкого намагничивания (ОЛН), а магниторезистивная пленка имеет отрицательный коэффициент магнитострикции, происходит ее сжатие (уменьшение длины) в направлении ОЛН. После окончания полимеризации магнитное поле выключается и пленка стремится восстановить прежнюю длину (удлиниться). Это приводит к тому, что возникают напряжения сжатия в магниторезистивной пленке в направлении длины.

Магнитоупругая энергия, определяемая величиной напряжений и магнитострикцией пленки, определяется, как (напр. Вонсовский С.В. Магнетизм. - М: Наука, 1971, (стр. 780, формула 23.20))

где:

- σ - вектор результирующих напряжений;

- λ - коэффициент магнитострикции материала пленки;

- ϕ - угол между вектором намагниченности I и вектором напряжений σ.

Взаимное расположение векторов намагниченности I и напряжений σ представлено на рисунке (см. фиг.2).

Из соотношения (1) следует, что энергетически выгодное состояние (минимум энергии) при σ меньше 0 (напряжения сжатия) и λ меньше 0 (отрицательный коэффициент магнитострикции) реализуется при ϕ равно 0, то есть при параллельном расположении векторов и напряжений. Таким образом формируется магнитоупругая анизотропия, что увеличивает энергию анизотропии в пленке, которая теперь состоит из 2 частей формирующих ось легкого намагничивания в направлении длины пленочного элемента, а именно: магнитостатической энергии определяемой относительными размерами магниторезистивного элемента и энергии магнитоупругой анизотропии.

В области сплавов железа и никеля (пермаллоев), сплавы с отрицательной магнитострикцией расположены выше 80% по содержанию никеля, что позволяет сохранить высокую магнитную проницаемость и магниторезистивный эффект, (напр. Боровик Е.С., Еременко В.В., Мильнер А.С. Лекции по магнетизму. 3-е изд., переработанное и дополненное. - М: ФИЗМАТЛИТ, 2005-512 с. (стр. 154, рис. 11.8)).

Таким образом за счет введения новых признаков, а именно покрытия компаундом, полимеризумым в магнитном поле, и использования магнитного материала с отрицательной магнитострикцией обеспечивается увеличение поля анизотропии и, соответственно, диапазона контролируемых полей, что подтверждает существенность указанных признаков.

Формирование катушек "Off/Set" с обратной стороны подложки позволяет уйти от изолирующего слоя, отделяющего катушки от магниторезистивной структуры и, тем самым, обеспечить непосредственный контакт магниторезистивных полосок с компаундом. Без этого признака невозможно осуществление способа. Отсутствие необходимости формирования изолирующего слоя, кроме того, существенно упрощает структуру датчика и технологию его изготовления. Удаление катушек от магниторезистивных полосок на толщину изолирующей подложки несущественно сказывается на величине магнитного поля, так как поле определяется магнитодвижущей силой J * W (J - амплитуда силы тока в импульсе, W - количество витков) и длиной магнитной силовой линии, которая при расположении катушек с обратной стороны подложки увеличивается на толщину подложки. Например, при размере структуры моста Уинстона 4 мм и толщине подложки 0,5 мм, длина магнитной силовой линии увеличится на 12,5%.

Кроме того, при включении восстанавливающего магнитного поля "Оff/Set" в направлении ОЛН, магниторезистивный элемент за счет магнитострикции снова укорачивается в течение времени действия поля, уменьшается величина напряжений и, соответственно, поля анизотропии и корцитивной силы, в результате чего для восстановления состояния пленки требуется меньшее по амплитуде магнитное поле, что частично компенсирует удаление катушки от магниторезистивной структуры при переносе ее на другую сторону подложки.

Описание датчика в статике.

Заявленное техническое решение поясняется фиг.1, где представлена структура датчика (а - первая сторона подложки, б - вторая сторона).

Датчик содержит изолирующую подложку 1, магниторезистивные элементы с полюсами Барбера 2, контактные площадки 3, 4 из проводящего материала для подачи питания, контактные площадки 5, 6 из проводящего материала для съема сигнала, проводники 7 для замыкания магниторезистивных элементов и соединения их с контактными площадками, компаунд 8, покрывающий магниторезистивную структуру, площадки 9 с переходными отверстиями для подключения катушки "Off/Set", катушку 10 "Off/Set", на обратной стороне подложки.

Датчик работает следующим образом.

При подаче напряжения на контактные площадки 3, 4 через магниторезистивную структуру протекает ток питания. При отсутствии измеряемого поля Н (фиг. 1а) намагниченность направлена по оси легкого намагничивания (ОЛН) и в силу того, что угол между намагниченностью и токами в плечах моста 3-5 и 5-4 составляет, благодаря полюсам Барбера, одинаковые по модулю и разные по знаку углы 45 градусов сопротивления указанных плечей одинаковы. Аналогично, одинаковы сопротивления плечей 3-6 и 6-4.

При подаче измеряемого поля Н угол между намагниченностью и токами в плече моста 3-5 увеличивается, соответственно уменьшается его сопротивление, а угол между намагниченностью и токами в плече моста 5-4 уменьшается и сопротивление его увеличивается. В цепи 3-6-4, в силу обратного расположения полюсов Барбера по отношению к цепи 3-5-4, увеличивается сопротивление плеча 3-6 и уменьшается сопротивление плеча 6-4. В результате на выходных площадках 5, 6 появляется сигнал разбаланса моста, коррелирующий с величиной измеряемого поля Н и имеющий нечетную характеристику.

Наличие компаунда, полимеризация которого проходит в магнитном поле направленном по ОЛН, создающего вкупе с отрицательной магнитострикцией сжимающие напряжения вдоль направления ОЛН, приводит к возникновению магнитоупругой энергии, минимум которой достигается при направлении намагниченности параллельном ОЛН, что увеличивает поле анизотропии и, соответственно диапазон контролируемых полей Н.

При подаче восстанавливающих импульсов магнитного поля, формируемых катушкой "Off/Set", в силу отрицательной магнитострикции происходит уменьшение длины пленки и уменьшение сжимающих напряжений в ней, соответственно уменьшение магнитоупругой энергии и поля анизотропии в момент действия восстанавливающего импульса, что позволяет использовать для восстановления меньшие по амплитуде импульсы магнитного поля.

Пример конкретного осуществления.

На первую сторону изолирующей подложки из поликора толщиной 0,5 мм напылялся пермаллой с отрицательной константой магнитострикции и фотолитографией с кислотным травлением, формировались магниторезистивные элементы.

Во втором цикле с обоих сторон подложки напылялся слой ванадий-аллюминий и фотолитографией с использованием щелочного травления производилось формирование проводников, контактных площадок и полюсов Барбера с первой стороны подложки и катушек "Off/Set" с другой ее стороны. Использование покрытия ванадий-аллюминий связано с тем, что оба металла (ванадий используется в качестве адгезионного подслоя) травятся при фотолитографии в щелочном травителе, что обеспечивает (при травлении магниторезистивного сплава в кислотном травителе) селективность травления и существенно упрощает технологию.

На магниторезистивную структуру непосредственно наносился компаунд ЭЗК-6, который полимеризовался в магнитном поле создаваемом постоянным магнитом обеспечивающим магнитное поле не менее 200 А/м в направлении ОЛН.

Полученный датчик характеризуется максимально простой и малой по трудоемкости технологией изготовления: всего два цикла напыления и фотолитографии (для магнитного слоя и проводящего) и нанесение компаунда в магнитном поле.

Поле анизотропии (диапазон контролируемых полей) увеличился на 20%. Сравнительные измерения проводились до покрытия компаундом и после покрытия.

Изобретение относится к области автоматики и магнитометрии. Магниторезистивный датчик магнитного поля, содержащий мостовую измерительную схему из магниторезисторов, сформированных на диэлектрической подложке из пленки магнитомягкого ферромагнитного металла с нанесенными на резисторы низкорезистивными шунтами из немагнитного металла, ориентированными под углом 45 градусов к длине полоски, катушку Off/Set из пленки проводящего материала, при этом с целью расширения диапазона контролируемых полей и упрощения технологии изготовления катушка нанесена с обратной стороны подложки по отношению к магниторезисторам, сформированная магниторезистивная структура покрыта компаундом, нанесенным в магнитном поле, а в качестве материала магниторезисторов используется сплав с отрицательным коэффициентом магнитострикции. 3 ил.

Магниторезистивный датчик магнитного поля, содержащий мостовую измерительную схему из магниторезисторов, сформированных на диэлектрической подложке из пленки магнитомягкого ферромагнитного металла с нанесенными на резисторы низкорезистивными шунтами из немагнитного металла, ориентированными под углом 45 градусов к длине полоски, катушку Off/Set из пленки проводящего материала, отличающийся тем, что с целью расширения диапазона контролируемых полей и упрощения технологии изготовления, катушка нанесена с обратной стороны подложки по отношению к магниторезисторам, сформированная магниторезистивная структура покрыта компаундом, нанесенным в магнитном поле, а в качестве материала магниторезисторов используется сплав с отрицательным коэффициентом магнитострикции.