Магниторезистивный преобразователь-градиометр

Авторы патента:

Муравьев Андрей Михайлович (RU)

Касаткин Сергей Иванович (RU)

Амеличев Владимир Викторович (RU)

H01L43/08 - резисторы, управляемые магнитным полем

Владельцы патента RU 2453949:

Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН (RU)

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.

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.

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.

Похожие патенты:

Магниторезистивный датчик // 2436200

Магниторезистивный датчик // 2433507

Изобретение относится к области магнитных наноэлементов на основе многослойных металлических наноструктур с магниторезистивным эффектом и может быть использовано для измерения магнитного поля в измерительных комплексах, научном и медицинском приборостроении, устройствах диагностики печатных плат и микросхем, биообъектов (бактерий, вирусов, токсинов и ДНК).

Высокочастотный магниточувствительный наноэлемент // 2433422

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.

Магниторезистивная головка-градиометр // 2403652

Изобретение относится к области магнитных наноэлементов на основе многослойных металлических наноструктур с магниторезистивным эффектом. .

Туннельный магниторезистивный элемент // 2392697

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к элементной базе спинтроники - новой области развития современной электроники, поскольку в его работе используются механизмы спин-зависимого электронного транспорта.

Магниторезистивный пороговый наноэлемент // 2377704

Изобретение относится к области магнитных наноэлементов и может быть использовано в датчиках магнитного поля и тока, запоминающих и логических элементах, гальванических развязках на основе многослойных металлических наноструктур с магниторезистивным эффектом.

Магниторезистивная головка-градиометр // 2366038

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 и вирусов), идентификации информации, записанной на магнитные ленты, считывания информации, записанной магнитными чернилами.

Магниторезистивный датчик // 2347302

Изобретение относится к области автоматики и магнитометрии и может быть использовано в датчиках перемещений, устройствах измерения электрического тока и магнитных полей.

Линейный магниторезистивный датчик // 2347301

Магниторезистивный пороговый наноэлемент // 2342738

Изобретение относится к области магнитных наноэлементов и может быть использовано в датчиках магнитного поля и тока, запоминающих и логических элементах, гальванических развязках на основе многослойных наноструктур с магниторезистивным эффектом.

Система и способ создания магнитной оперативной памяти // 2464672

Ячейка запоминающего устройства и способ формирования магнитного туннельного перехода (mtj) ячейки запоминающего устройства // 2469441

Магниторезистивный преобразователь // 2483393

Изобретение относится к измерительной технике

Магниторезистивный датчик // 2495514

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах контроля и измерения перемещений, магнитного поля и электрического тока. Магниторезистивный датчик содержит замкнутую мостовую измерительную схему из четырех магниторезисторов, сформированных из пленки ферромагнитного металла, проводник перемагничивания, сформированный в виде меандра из пленки немагнитного металла, и двухслойный проводник управления, сформированный в виде плоской катушки и состоящий из слоя немагнитного металла и слоя ферромагнитного металла. Изобретение обеспечивает уменьшение энергопотребления магниторезистивного датчика. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Магниторезистивная головка-градиометр // 2506665

Изобретение относится к области магнитных наноэлементов. 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, первый изолирующий слой поверх тонкопленочных магниторезистивных полосок, на котором сформирован первый планарный проводник с рабочими частями, расположенными над тонкопленочными магниторезистивными полосками, и второй изолирующий слой, второй планарный проводник, проходящий над и вдоль рабочей тонкопленочной магниторезистивной полоски, и защитный слой, при этом все тонкопленочные магниторезистивные полоски расположены в один ряд, во всех тонкопленочных магниторезистивных полосках ОЛН ферромагнитной пленки направлена под углом 45° относительно продольной оси тонкопленочной магниторезистивной полоски, а рабочее плечо мостовой схемы, ближайшее к краю головки-градиометра, удалено от трех балластных плеч мостовой схемы, ширина балластной тонкопленочной магниторезистивной полоски в N раз меньше ширины рабочей тонкопленочной магниторезистивной полоски, а балластный ряд мостовой схемы состоит из набора N параллельно соединенных тонкопленочных магниторезистивных полосок. Изобретение обеспечивает ослабление действующего на магниторезистивную головку-градиометр локального магнитного поля и увеличение чувствительности. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Способ изготовления высокочувствительного сенсора "магниторезистивная головка-градиометр" // 2506666

Изобретение относится к области магнитных датчиков на основе многослойных наноструктур с магниторезистивным эффектом. Способ согласно изобретению включает окисление кремниевой подложки 1, формирование диэлектрического слоя 2, формирование магниторезистивной структуры, содержащей верхний 3 и нижний 4 защитные слои, между которыми расположена ферромагнитная пленка 5, формирование из трех рядов параллельных магниторезистивных полосок балластных плеч мостовой схемы и полоски рабочего плеча мостовой схемы путем жидкостного травления, причем ширина магниторезистивных полосок балластных плеч мостовой схемы в N раз меньше ширины полоски рабочего плеча, а длины магниторезистивных полосок балластных и рабочего плеча мостовой схемы равны, нанесение первого изолирующего слоя 6, вскрытие в нем контактных окон к полоскам, формирование перемычек между рядами магниторезистивных полосок балластных плеч мостовой схемы путем напыления слоя алюминия 7 и последующего плазмохимического травления, формирование второго изолирующего слоя 8, вскрытие в нем переходных окон к перемычкам, формирование планарного проводника, проходящего над рабочем плечом мостовой схемы, путем напыления слоя алюминия 9 последующего плазмохимического травления и пассивацию с образованием верхнего защитного слоя 10. Изобретение обеспечивает возможность уменьшения размеров датчика, увеличения чувствительности датчика, увеличения процента выхода годных изделий. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

Магниторезистивная головка-градиометр // 2521728

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.

Магниторезистивный датчик перемещений // 2528116

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано в интегральных линейных и угловых акселерометрах и гироскопах в качестве датчика перемещений. Технический результат: повышение точности нулевого сигнала преобразователя перемещений. Сущность: магниторезистивный датчик содержит пластину проводящего монокремния, в которой с помощью анизотропного травления выполнен подвижный объект. На разных сторонах конца подвижного объекта размещены дискретные источники магнитного поля, которые расположены напротив четырехслойных магниторезистивных структур, размещенных на разных сторонах пластины проводящего монокремния. Четырехслойные магниторезистивные структуры состоят из первого свободного ферромагнитного слоя, второго проводящего немагнитного слоя, третьего зафиксированного ферромагнитного слоя и четвертого антиферромагнитного слоя. Два свободных и два зафиксированных ферромагнитых слоя соединены в четырехплечий мост. 4 ил.

Устройство автономной регистрации импульсного магнитного поля // 2533347

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и представляет собой устройство автономной регистрации амплитуды напряженности однократного импульсного магнитного поля. Устройство содержит индукционный первичный преобразователь, резистор, отрезок тонкого провода, магниторезистивный мост и электрические соединители. Преобразователь включает концентратор магнитного поля и катушку, намотанную на концентратор. Мост, выполненный по тонкопленочной интегральной технологии, включает магниторезисторы, выполненные из ферромагнитного сплава, обладающего прямоугольной петлей гистерезиса. Катушка через резистор соединена с отрезком тонкого провода, уложенного на поверхность двух из четырех магниторезисторов, образующих противоположные плечи магниторезистивного моста. Через соединители устройство подключается к блоку считывания информации. Техническим результатом является повышение чувствительности магниторезистивного устройства к измеряемому магнитному полю, исключение влияния электрических наводок на результат измерений. 2 ил.

Магниторезистивный датчик тока // 2533747

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой магниторезистивный датчик тока и может быть использовано в устройствах бесконтактного контроля и измерения электрического тока. Датчик содержит замкнутую мостовую измерительную схему, проводники перемагничивания и управления. Мостовая схема состоит из четырех магниторезисторов, сформированных из пленки ферромагнитного металла в виде полосок, ориентированных под углом 45° к оси легкого намагничивания ферромагнитной пленки и расположенных парами в два ряда. Проводник перемагничивания выполнен в виде плоской прямоугольной петли, а проводник управления - в виде плоской прямоугольной катушки, рабочие полоски которых перпендикулярны друг другу. Проводники расположены над парами магниторезисторов так, что векторы магнитной индукции поля, возникающего в месте расположения магниторезисторов при прохождении тока по проводникам перемагничивания и управления, направлены в противоположные стороны, причем рабочие полоски проводника управления параллельны оси легкого намагничивания ферромагнитной пленки, из которой изготовлены магниторезисторы. Техническим результатом является уменьшение погрешности измерения тока, вызванной влиянием внешнего магнитного поля. 2 ил.