RU2436200C1 - Magnetoresistive sensor - Google Patents

Abstract

FIELD: physics. ^ SUBSTANCE: magnetoresistive sensor has a substrate with a dielectric layer on which there are four rows of thin-film magnetoresistive strips connected into a bridge circuit by nonmagnetic low-resistance jumpers, said strips being arranged linearly and series-connected by said jumpers and each having bottom and top protective layers between which there is a magnetically soft film, a first insulating layer on top of the thin-film magnetoresistive strips, on which a control conductor is formed with working parts lying above the thin-film magnetoresistive strips along each of the rows and connected in form of a meander, a second insulating layer, a planar coil whose working parts lie along the easy magnetic axis and a protective layer, wherein thin-film magnetoresistive strips in two neighbouring rows lie at an angle of 45 relative the easy magnetic axis, and in two other neighbouring rows - at an angle of -45 relative the easy magnetic axis, where opposite arms of the bridge circuit are respectively two outer and two inner rows of the magnetoresistive strips, and there is a magnetically hard film on the surface of the control conductor. ^ EFFECT: obtaining a magnetoresistive sensor with optimum direction of the magnetisation vector of the ferromagnetic film in the thin-film magnetoresistive strip, which increases sensitivity of the sensor and linearity of its volt-oersted characteristics. ^ 2 dwg

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 dielectric layer 2 on which four rows of magnetoresistive strips are located, each consisting of protective layers 3, 4 and a soft magnetic film 5. On top is the first insulating layer 6, on which above the magnetoresistive strips along each a control conductor 7 is formed on the surface of which an auxiliary chromium layer 8, a magnetically rigid film 9, and a protective layer 10 are located. Next, a second insulating layer 11, a planar coil 12 with an upper protective layer are located layer 13.

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 contact pads 22 and 23.

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 rigid film 9, which is necessary to improve the characteristics of the magnetoresistive sensor. The magnitude of the constant magnetic field H created by it in the thin-film magnetoresistive strips 14-17 located below it is determined by the expression

где M_S 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 rigid film 9, w is the width of the control conductor 7.

Величина магнитного поля Н, необходимого для отклонения вектора намагниченности ферромагнитной пленки 5 на 45° от оси легкого намагничивания, определяется суммой поля магнитной анизотропии H_K этой пленки и создаваемых ею магнитных размагничивающих полей H_P. Для типичных значений w=200 мкм, M_S=1000 Гс, H_K=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 ferromagnetic film 5 by 45 ° from the axis of easy magnetization is determined by the sum of the magnetic anisotropy field H _{K of} this film and the magnetic demagnetizing fields H _P generated by it. For typical values w = 200 μm, M _S = 1000 G, H _K = 10 Oe, the value of H is about 20-25 Oe. From (1) it follows that d = 0.4 μm, which is a real value for vacuum deposition metallic ferromagnetic films. We, using the vacuum deposition method, obtained Cr (30 nm) -CoNi (100 nm) nanostructures with a coercive force of about 170 Oe, which is more than enough for their use as magnetically hard films in a magnetoresistive sensor. The minimum coercive force of the magnetically rigid film 9 should be no less than 1.5 times the maximum total magnetic fields that occur during operation of the sensor, including external magnetic fields to prevent demagnetization of the magnetically rigid film 9. At the same time, the coercive force of the magnetically rigid film 9 cannot be greatly increased. since this leads to an increase in the amplitude of the current pulse required for its magnetization in the control conductor 7.

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 contact pads 22 and 23 to the control conductor 7, the magnetic field created by it will act along the RID on the rows of thin-film magnetoresistive strips 14 and 16 and the magnetically rigid film 9 located above them in one direction, and on the rows of thin-film magnetoresistive strips 15 and 17 and a magnetically rigid film 9 located above them in the opposite direction. Under the influence of a magnetic field created by a current pulse in the control conductor, the magnetization vectors and the magnetically rigid film 9 located above them are magnetized in opposite directions. In this case, the magnetic fields generated by oppositely magnetized magnetically rigid films 9 will be directed oppositely to each other and support the directions of the magnetization vectors in the rows of thin-film magnetoresistive strips 14 and 16, 15 and 17 relative to the OLF of the ferromagnetic film. This reduces the harmful effect of the demagnetizing magnetic field on the direction of the magnetization vectors of these strips and, thus, to maintain the optimal angle of the magnetization vectors to achieve maximum sensitivity and linearity of the magnetoresistive sensor.

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 chromium 8 is necessary to increase the adhesion and coercive force of the magnetically rigid film 9. The protective layer 10 protects the surface of the magnetically rigid film 9 from oxidation and exposure to it during the formation of the upper insulating and conductive layers 11-13.

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)

1. Магниторезистивный датчик, содержащий 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, отличающийся тем, что на поверхности проводника управления расположена магнитожесткая пленка.1. A magnetoresistive sensor containing a substrate with a dielectric layer on which four rows of thin-film magnetoresistive strips linearly connected and connected in series by these jumpers are located in a bridge circuit with non-magnetic low-resistance jumpers, each of which contains a lower and upper protective layer, between which there is a soft magnetic film, the first insulating layer over thin-film magnetoresistive strips on which a control conductor with working parts is formed In the case of arches 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 are 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, while the opposite shoulders of the bridge circuit are respectively two external and two internal series magnetoresistive strips, characterized in that the hard magnetic film disposed on the control surface of the conductor. 2. Магниторезистивный датчик по п.1, отличающийся тем, что на всей поверхности проводника управления расположен вспомогательный слой хрома.2. The magnetoresistive sensor according to claim 1, characterized in that an auxiliary layer of chromium is located on the entire surface of the control conductor. 3. Магниторезистивный датчик по п.1, отличающийся тем, что на всей поверхности магнитожесткой пленки расположен дополнительный защитный слой. 3. The magnetoresistive sensor according to claim 1, characterized in that an additional protective layer is located on the entire surface of the magnetically rigid film.

Images