RU2436200C1 - Magnetoresistive sensor - Google Patents
Magnetoresistive sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2436200C1 RU2436200C1 RU2010145328/28A RU2010145328A RU2436200C1 RU 2436200 C1 RU2436200 C1 RU 2436200C1 RU 2010145328/28 A RU2010145328/28 A RU 2010145328/28A RU 2010145328 A RU2010145328 A RU 2010145328A RU 2436200 C1 RU2436200 C1 RU 2436200C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- film
- magnetoresistive
- thin
- strips
- rows
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
Description
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.The invention relates to the field of magnetic sensors and can be used in tachometers, non-destructive testing devices, displacement sensors, sensors for measuring a constant and alternating magnetic field, electric current.
Известен магниторезистивный датчик, в котором проводник управления с рабочими частями, расположенными над тонкопленочными магниторезистивными полосками вдоль каждого их ряда соединен в виде меандра, а все тонкопленочные магниторезистивные полоски ориентированы под 45° относительно оси легкого намагничивания (ОЛН) (В.В.Дягилев, С.И.Касаткин, A.M.Муравьев, А.А.Резнев, А.Н.Сауров, Ю.А. Чаплыгин. Магниторезистивный датчик // Патент РФ №2279737). Конструкция такого магниторезистивного датчика является компактной и вольт-эрстедная характеристика (ВЭХ) формируется благодаря асимметрии топологии соседних плеч мостовой схемы. Недостатком этого магниторезистивного датчика является его асимметричная угловая ВЭХ характеристика, вызванная асимметричной топологией мостовой схемы. Этот недостаток ограничивает область применения магниторезистивного датчика, в частности, его применение в электронном компасе.A magnetoresistive sensor is known in which the control conductor with the working parts located above the thin-film magnetoresistive strips along each row is connected in the form of a meander, and all thin-film magnetoresistive strips are oriented at 45 ° relative to the axis of easy magnetization (OLN) (V.V. Diaghilev, C .I. Kasatkin, AM Muravyov, A. A. Reznev, A. N. Saurov, Yu. A. Chaplygin, Magnetoresistive Sensor // RF Patent No. 2279737). The design of such a magnetoresistive sensor is compact and a volt-oersted characteristic (HEC) is formed due to the asymmetry of the topology of the adjacent arms of the bridge circuit. The disadvantage of this magnetoresistive sensor is its asymmetric angular SEC characteristic, caused by the asymmetric topology of the bridge circuit. This disadvantage limits the scope of the magnetoresistive sensor, in particular, its use in the electronic compass.
Данный недостаток устранен в магниторезистивном датчике, у которого в двух соседних рядах тонкопленочные магниторезистивные полоски ориентированы под углом 45° относительно оси легкого намагничивания, а в двух других соседних рядах тонкопленочные магниторезистивные полоски ориентированы под углом -45° относительно оси легкого намагничивания (В.В.Амеличев, А.И. Галушков, В.В.Дягилев, С.И.Касаткин, A.M.Муравьев, А.А.Резнев, А.Н.Сауров, B.C.Суханов Магниторезистивный датчик // Патент РФ №2312429). Недостатком этого магниторезистивного датчика является большое размагничивающее магнитное поле, создаваемое составляющей вектора намагниченности ферромагнитной пленки, направленной перпендикулярно длине тонкопленочной магниторезистивной полоски. Это размагничивающее магнитное поле отклоняет вектор намагниченности ферромагнитной пленки полоски от оптимального угла в 45° между вектором намагниченности и направлением сенсорного тока, уменьшает чувствительность датчика и линейность его ВЭХ и может даже привести к неработоспособности магниторезистивного датчика.This disadvantage is eliminated in a magnetoresistive sensor, in which in two adjacent rows thin-film magnetoresistive strips are oriented at an angle of 45 ° relative to the axis of easy magnetization, and in two other adjacent rows of thin-film magnetoresistive strips are oriented at an angle of -45 ° relative to the axis of easy magnetization (V.V. Amelichev, A.I. Galushkov, V.V. Diaghilev, S.I. Kasatkin, AM Muravyov, A. A. Reznev, A. N. Saurov, BC Sukhanov Magnetoresistive sensor // RF Patent No. 2312429). The disadvantage of this magnetoresistive sensor is a large demagnetizing magnetic field created by the magnetization vector component of the ferromagnetic film directed perpendicular to the length of the thin-film magnetoresistive strip. This demagnetizing magnetic field deflects the magnetization vector of the ferromagnetic film of the strip from the optimum angle of 45 ° between the magnetization vector and the direction of the sensor current, reduces the sensitivity of the sensor and the linearity of its VEC and can even lead to the inoperability of the magnetoresistive sensor.
Задачей, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является создание магниторезистивного датчика с оптимальным направлением вектора намагниченности ферромагнитной пленки в тонкопленочной магниторезистивной полоске, что увеличит чувствительность датчика и линейность его ВЭХ.The problem posed and solved by the present invention is the creation of a magnetoresistive sensor with the optimal direction of the magnetization vector of the ferromagnetic film in a thin-film magnetoresistive strip, which will increase the sensitivity of the sensor and the linearity of its SEC.
Указанный технический результат достигается тем, что в магниторезистивном датчике, содержащем подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположены соединенные в мостовую схему немагнитными низкорезистивными перемычками четыре ряда линейно расположенных и последовательно соединенных этими перемычками тонкопленочных магниторезистивных полосок, каждая из которых содержит нижний и верхний защитные слои, между которыми расположена магнитомягкая пленка, первый изолирующий слой поверх тонкопленочных магниторезистивных полосок, на котором сформирован проводник управления с рабочими частями, расположенными над тонкопленочными магниторезистивными полосками вдоль каждого их ряда и соединенными в виде меандра, второй изолирующий слой, планарная катушка, рабочие части которой расположены вдоль оси легкого намагничивания и защитный слой, причем тонкопленочные магниторезистивные полоски в двух соседних рядах ориентированы под углом 45° относительно оси легкого намагничивания, а в двух других соседних рядах - под углом -45° относительно оси легкого намагничивания, при этом противоположными плечами мостовой схемы являются соответственно два внешних и два внутренних ряда магниторезистивных полосок на поверхности проводника управления расположена магнитожесткая пленка. При этом на всей поверхности проводника управления расположен вспомогательный слой хрома, а на всей поверхности магнитожесткой пленки расположен дополнительный защитный слой.The indicated technical result is achieved in that in a magnetoresistive sensor containing a substrate with a dielectric layer, on which are located four rows of thin-film magnetoresistive strips linearly connected and connected in series by these jumpers with non-magnetic low-resistance jumpers, each of which contains the lower and upper protective layers, between which there is a soft magnetic film, the first insulating layer on top of thin-film magnetoresistive strips, on which a control conductor is formed with working parts located above the thin-film magnetoresistive strips along each row and connected in the form of a meander, a second insulating layer, a planar coil, the working parts of which are located along the axis of easy magnetization and a protective layer, the thin-film magnetoresistive strips in two adjacent rows oriented at an angle of 45 ° relative to the axis of easy magnetization, and in two other adjacent rows at an angle of -45 ° relative to the axis of easy magnetization, at In this case, the opposite shoulders of the bridge circuit are, respectively, two external and two internal rows of magnetoresistive strips on the surface of the control conductor, a magnetically rigid film. Moreover, an auxiliary chromium layer is located on the entire surface of the control conductor, and an additional protective layer is located on the entire surface of the magnetically rigid film.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что противоположно намагниченные импульсом set/reset магнитожесткие пленки, расположенные на поверхности проводника управления создают постоянные магнитные поля, противоположно направленные относительно оси легкого намагничивания магнитомягкой пленки. Эти магнитные поля удерживают противоположно направленные векторы намагниченности магнитомягких пленок магниторезистивных полосок в соседних плечах мостовой схемы магниторезистивного датчика вдоль оси легкого намагничивания, т.е. обеспечивают режим работы с максимальной чувствительностью и линейностью. Это позволяет уменьшить ширину магниторезистивных полосок и создавать магниторезистивные датчики, работоспособные в новом рабочем диапазоне по магнитному полю.The essence of the proposed technical solution lies in the fact that magnetically rigid films opposite to the set / reset pulse magnetized on the surface of the control conductor create constant magnetic fields oppositely directed relative to the axis of easy magnetization of the soft magnetic film. These magnetic fields hold the oppositely directed magnetization vectors of the soft magnetic films of the magnetoresistive strips in the adjacent shoulders of the bridge circuit of the magnetoresistive sensor along the axis of easy magnetization, i.e. provide an operating mode with the maximum sensitivity and linearity. This allows you to reduce the width of the magnetoresistive strips and create magnetoresistive sensors, operable in the new working range of the magnetic field.
Изобретение поясняется чертежами: на фиг.1 представлена структура магниторезистивного датчика в разрезе; на фиг.2 показана топология магниторезистивного датчика (вид сверху).The invention is illustrated by drawings: in Fig.1 shows the structure of a magnetoresistive sensor in section; figure 2 shows the topology of the magnetoresistive sensor (top view).
Магниторезистивный датчик содержит подложку 1 (фиг.1) с диэлектрическим слоем 2, на котором расположены четыре ряда магниторезистивных полосок, состоящих каждая из защитных слоев 3, 4 и магнитомягкой пленки 5. Сверху расположен первый изолирующий слой 6, на котором над магниторезистивными полосками вдоль каждого ряда сформирован проводник управления 7, на поверхности которого расположены вспомогательный слой хрома 8, магнитожесткая пленка 9 и защитный слой 10. Далее расположены второй изолирующий слой 11, планарная катушка 12 с верхним защитным слоем 13.The magnetoresistive sensor contains a substrate 1 (Fig. 1) with a
Магниторезистивный датчик представляет собой мостовую схему (фиг.2) из четырех рядов магниторезистивных полосок 14-17, низкорезистивных перемычек, соединяющих магниторезистивные полоски в мостовую схему. Проводник управления выполнен в виде меандра, рабочие части которого 18-21 проходят над рядами 14-17 магниторезистивных полосок, и имеет контактные площадки 22 и 23.The magnetoresistive sensor is a bridge circuit (figure 2) of four rows of magnetoresistive strips 14-17, low-resistance jumpers connecting the magnetoresistive strips into a bridge circuit. The control conductor is made in the form of a meander, the working parts of which 18-21 pass over the rows of 14-17 magnetoresistive strips, and has
Заявляемое изобретение относится к магниторезистивным датчикам с анизотропным магниторезистивным эффектом. При этом виде магниторезистивного эффекта изменение сопротивления ферромагнитной пленки в магнитном поле пропорционально sin2φ, где φ - угол между вектором намагниченности ферромагнитной пленки тонкопленочной магниторезистивной полоски и направлением протекающего в ней сенсорного тока.The claimed invention relates to magnetoresistive sensors with an anisotropic magnetoresistive effect. In this form of the magnetoresistive effect, the change in the resistance of the ferromagnetic film in the magnetic field is proportional to sin 2 φ, where φ is the angle between the magnetization vector of the ferromagnetic film of the thin-film magnetoresistive strip and the direction of the sensor current flowing through it.
Оценим толщину магнитожесткой пленки 9, необходимую для улучшения характеристик магниторезистивного датчика. Величина создаваемого ею в расположенных под нею тонкопленочных магниторезистивных полосках 14-17 постоянного магнитного поля Н определяется выражениемLet us evaluate the thickness of the magnetically
где MS и d - намагниченность насыщения и толщина магнитожесткой пленки 9, w - ширина проводника управления 7.where M S and d are the saturation magnetization and the thickness of the magnetically
Величина магнитного поля Н, необходимого для отклонения вектора намагниченности ферромагнитной пленки 5 на 45° от оси легкого намагничивания, определяется суммой поля магнитной анизотропии HK этой пленки и создаваемых ею магнитных размагничивающих полей HP. Для типичных значений w=200 мкм, MS=1000 Гс, HK=10 Э величина Н составляет величину около 20-25 Э. Из (1) следует, что d=0,4 мкм, что является реальной величиной для вакуумного напыления металлических ферромагнитных пленок. Нами, методом вакуумного напыления, получены Cr(30 нм)-CoNi(100 нм) наноструктуры с коэрцитивной силой около 170 Э, что более чем достаточно для их использования в качестве магнитожестких пленок в магниторезистивном датчике. Минимальная коэрцитивная сила магнитожесткой пленки 9 должна не менее чем в 1,5 раза превышать максимальные суммарные магнитные поля, возникающие при работе датчика, включая внешние магнитные поля для исключения размагничивания магнитожесткой пленки 9. В то же время нельзя сильно увеличивать коэрцитивную силу магнитожесткой пленки 9, так как это приводит к росту требуемой для ее намагничивания амплитуды импульса тока в проводнике управления 7.The magnitude of the magnetic field H required to deviate the magnetization vector of the
Работа магниторезистивного датчика происходит следующим образом. При отсутствии внешнего магнитного поля, тока в проводнике управления (фиг.2) и сенсорного тока в мостовой схеме векторы намагниченности магнитной пленки 5 (фиг.1) в рядах магниторезистивных полосок 14-17 (фиг.2) устанавливаются вдоль ОЛН. При подаче через контактные площадки 22 и 23 в проводник управления 7 импульса тока, создаваемое им магнитное поле будет действовать вдоль ОЛН на ряды тонкопленочных магниторезистивных полосок 14 и 16 и расположенную над ними магнитожесткую пленку 9 в одном направлении, а на ряды тонкопленочных магниторезистивных полосок 15 и 17 и расположенную над ними магнитожесткую пленку 9 - в противоположном направлении. Под действием магнитного поля, создаваемого импульсом тока в проводнике управления, векторы намагниченности и расположенная над ними магнитожесткая пленка 9 перемагнитятся в противоположные стороны. При этом магнитные поля, создаваемые противоположно намагниченными магнитожесткими пленками 9, будут направлены противоположно друг другу и поддерживать направления векторов намагниченности в рядах тонкопленочных магниторезистивных полосок 14 и 16, 15 и 17 относительно ОЛН ферромагнитной пленки. Это уменьшает вредное влияние размагничивающего магнитного поля на направление векторов намагниченности этих полосок и, таким образом, сохранять оптимальный угол векторов намагниченности для достижения максимальной чувствительности и линейности магниторезистивного датчика.The operation of the magnetoresistive sensor is as follows. In the absence of an external magnetic field, current in the control conductor (Fig. 2) and sensor current in the bridge circuit, the magnetization vectors of the magnetic film 5 (Fig. 1) in the rows of magnetoresistive strips 14-17 (Fig. 2) are installed along the OLR. When a current pulse is applied through the
Магниторезистивный датчик измеряет магнитное поле, перпендикулярное ОЛН. Под действием этого магнитного поля все векторы намагниченности рядов тонкопленочных магниторезистивных полосок 14-17 повернутся в его направлении, причем в двух рядах 14 и 16 тонкопленочных магниторезистивных полосок угол между векторами намагниченности и протекающим в этой полоске сенсорным током увеличится, а в двух других, 15 и 17, - уменьшится. Это означает, что сопротивления одной пары противоположных плеч мостовой схемы датчика увеличатся, а другой - уменьшатся. Таким образом, мостовая схема разбалансируется, и на выходе магниторезистивного датчика магнитного поля появится выходной сигнал, полярность которого зависит от направления измеряемого магнитного поля, при этом, как будет показано ниже, ВЭХ магниторезистивного датчика - нечетная.A magnetoresistive sensor measures a magnetic field perpendicular to the OLR. Under the influence of this magnetic field, all the magnetization vectors of the rows of thin-film magnetoresistive strips 14-17 will rotate in its direction, and in two rows of 14 and 16 thin-film magnetoresistive strips, the angle between the magnetization vectors and the sensor current flowing in this strip will increase, and in the other two, 15 and 17 - will decrease. This means that the resistance of one pair of opposite arms of the sensor bridge circuit will increase, and the other will decrease. Thus, the bridge circuit will be unbalanced, and an output signal will appear at the output of the magnetoresistive magnetic field sensor, the polarity of which depends on the direction of the measured magnetic field, and, as will be shown below, the VEH of the magnetoresistive sensor is odd.
Для устранения влияния гистерезиса на результаты измерения магнитного поля необходимо применять тот же алгоритм, что и для магниторезистивных датчиков с полюсами Барбера. Полный цикл измерения магнитного поля состоит из двух измерений, при этом перед каждым измерением в проводник управления подается импульс тока set/reset противоположной полярности, перемагничивающий векторы намагниченности магниторезистивных полосок.To eliminate the effect of hysteresis on the results of magnetic field measurements, it is necessary to apply the same algorithm as for magnetoresistive sensors with Barber poles. The full cycle of magnetic field measurement consists of two measurements, with a set / reset current pulse of opposite polarity, magnetizing magnetization vectors of magnetoresistive strips being fed to the control conductor before each measurement.
Вспомогательный слой хрома 8 необходим для увеличения адгезии и величины коэрцитивной силы магнитожесткой пленки 9. Защитный слой 10 защищает поверхность магнитожесткой пленки 9 от окисления и воздействия на нее при формировании верхних изолирующих и проводниковых слоев 11-13.An auxiliary layer of
Таким образом, предложенный магниторезистивный датчик с подслоем хрома и магнитожесткой пленкой на поверхности проводника управления с двумя парами линейно расположенных и одинаково сформированных под углами ±45° к ОЛН рядов тонкопленочных магниторезистивных полосок, соединенных в мостовую схему таким образом, что противоположными плечами мостовой схемы являются два внешних и два внутренних ряда магниторезистивных полосок, обладает максимальной чувствительностью и линейностью нечетной ВЭХ.Thus, the proposed magnetoresistive sensor with a chromium sublayer and a magnetically rigid film on the surface of the control conductor with two pairs of linearly arranged and equally formed at angles of ± 45 ° to OLS rows of thin-film magnetoresistive strips connected to the bridge circuit in such a way that the opposite shoulders of the bridge circuit are two external and two internal rows of magnetoresistive strips, has maximum sensitivity and linearity of the odd HEC.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010145328/28A RU2436200C1 (en) | 2010-11-08 | 2010-11-08 | Magnetoresistive sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010145328/28A RU2436200C1 (en) | 2010-11-08 | 2010-11-08 | Magnetoresistive sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2436200C1 true RU2436200C1 (en) | 2011-12-10 |
Family
ID=45405752
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010145328/28A RU2436200C1 (en) | 2010-11-08 | 2010-11-08 | Magnetoresistive sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2436200C1 (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2528116C2 (en) * | 2012-12-19 | 2014-09-10 | Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" (ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА") | Magnetoresistive sensor of movements |
RU2533747C1 (en) * | 2013-03-19 | 2014-11-20 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение измерительной техники" | Magnetoresistive current sensor |
RU2561762C1 (en) * | 2014-04-30 | 2015-09-10 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение измерительной техники" | Magnetoresistive sensor |
RU2601360C1 (en) * | 2015-07-14 | 2016-11-10 | федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-производственный комплекс "Технологический центр" МИЭТ | Magnetoresistive element |
RU2730108C1 (en) * | 2020-01-10 | 2020-08-17 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Magnetoresistive rotation angle sensor |
-
2010
- 2010-11-08 RU RU2010145328/28A patent/RU2436200C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2528116C2 (en) * | 2012-12-19 | 2014-09-10 | Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" (ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА") | Magnetoresistive sensor of movements |
RU2533747C1 (en) * | 2013-03-19 | 2014-11-20 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение измерительной техники" | Magnetoresistive current sensor |
RU2561762C1 (en) * | 2014-04-30 | 2015-09-10 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение измерительной техники" | Magnetoresistive sensor |
RU2601360C1 (en) * | 2015-07-14 | 2016-11-10 | федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-производственный комплекс "Технологический центр" МИЭТ | Magnetoresistive element |
RU2730108C1 (en) * | 2020-01-10 | 2020-08-17 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Magnetoresistive rotation angle sensor |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7064937B2 (en) | System and method for fixing a direction of magnetization of pinned layers in a magnetic field sensor | |
US7501928B2 (en) | Current sensor | |
US6642714B2 (en) | Thin-film magnetic field sensor | |
JP4131869B2 (en) | Current sensor | |
US10184959B2 (en) | Magnetic current sensor and current measurement method | |
JP3596600B2 (en) | Magnetic sensor and method of manufacturing the same | |
WO2020208907A1 (en) | Magnetoresistive element and magnetic sensor | |
JP2008197089A (en) | Magnetic sensor element and method for manufacturing the same | |
JP2006162360A (en) | Current sensor | |
JP2003121197A (en) | Rotation angle sensor | |
JPH0897488A (en) | Magnetism detector | |
RU2436200C1 (en) | Magnetoresistive sensor | |
JP7099731B2 (en) | Low noise reluctance sensor with multi-layer magnetic modulation structure | |
JP2019516094A (en) | Anisotropic magnetoresistance (AMR) sensor without set / reset device | |
JP2019132719A (en) | Magnetic detector | |
JPH11109006A (en) | Magnetic impedance sensor | |
RU2533747C1 (en) | Magnetoresistive current sensor | |
RU2279737C1 (en) | Variable-resistance transducer | |
JP4418986B2 (en) | Magnetic field detection element and magnetic field detection method using the same | |
RU2495514C1 (en) | Magnetoresistive sensor | |
RU2453949C1 (en) | Magnetoresistive gradiometer transducer | |
RU2433507C1 (en) | Magnetoresistive sensor | |
RU2312429C1 (en) | Magnetoresistive transducer | |
JP7244157B1 (en) | Magnetic sensor and magnetic detection method | |
RU2175797C1 (en) | Magnetoresistive transducer |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181109 |