EP0647323A1 - Detecteur de champ magnetique - Google Patents

Detecteur de champ magnetique

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EP0647323A1
EP0647323A1 EP93913193A EP93913193A EP0647323A1 EP 0647323 A1 EP0647323 A1 EP 0647323A1 EP 93913193 A EP93913193 A EP 93913193A EP 93913193 A EP93913193 A EP 93913193A EP 0647323 A1 EP0647323 A1 EP 0647323A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layers
magnetic
magnetic field
openings
electrodes
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP93913193A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Patrick Thomson-Csf Scpi Etienne
Alain Thomson-Csf Scpi Schuhl
Alain Thomson-Csf Scpi Friederich
Régis Thomson-CSF SCPI CABANEL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thomson CSF SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Thomson CSF SA filed Critical Thomson CSF SA
Publication of EP0647323A1 publication Critical patent/EP0647323A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/093—Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
    • G11B5/127—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
    • G11B5/33—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only
    • G11B5/39—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects
    • G11B5/3903—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects using magnetic thin film layers or their effects, the films being part of integrated structures

Definitions

  • the invention relates to a magnetic field detector and in particular a magnetic field detector with a magnetoresistive effect, namely a detector using the variation in resistivity of at least part of the detector as a function of a variation in magnetic field to which this subject is subjected. sensor part.
  • Sensors using the magnetoresistive effect are implemented in various magnetic recording reading systems. These sensors are made of a ferromagnetic alloy with high magnetoresistance which is placed in the
  • the alloys with strong magnetoresistance currently used are generally ferromagnetic alloys based on nickel, such as alloys of the type
  • the sensitive element of the sensor consists of a magnetic metallic multilayer
  • the object of the invention is to obtain a magnetoresistive type sensor sensitive to very weak magnetic fields.
  • the invention therefore relates to a magnetic field detector, characterized in that it comprises at least an alternation of layers of magnetic material and of layers of non-magnetic material, one or more openings passing through the alternation of layers, at least two electrodes placed on the sides of the alternating layers, facing one another with respect to the alternating layers so that at least one electrical path can exist between the two electrodes.
  • FIG. 7 an alternative embodiment in which the openings are filled with a non-magnetic or magnetic material in order to modify the coupling properties between the magnetic layers.
  • the invention makes it possible to produce a sensor for weak magnetic fields with magnetoresistive effect and with additional lateral coupling by using for the sensor a material based on multilayers.
  • the material shown in FIG. 1a is a multilayer made up of alternating layers of magnetic materials 1, l ', 1 "and non-magnetic 2, 2', 2".
  • the material is etched so as to obtain sides which then allow additional lateral coupling between the different magnetic layers of the multilayer (FIG. 1b).
  • the invention consists in etching the magnetoresistive element of the sensor, with patterns creating discontinuities in the structure. These discontinuities can have the double action, on the one hand of modifying the process of displacement of the walls of the magnetic domains, and on the other hand of introducing an additional coupling in the case where the film composing the sensor is based on multilayer material .
  • the two effects result in a modification of the field for which the magnetoresistance of the layer is maximum. This can then improve the magnetic field sensitivity of the magnetoresistive sensors.
  • Figure 2 shows an example of an etched pattern to increase the magnetoresistance at low field.
  • the walls of the magnetic domains are blocked by the etching patterns.
  • the grains delimited by these walls form magnetic monodomains. This collection of large magnetic moments is known for its high susceptibility in weak fields, in other words the system reacts to weaker fields.
  • FIG. 3 represents a perspective view of the sensor according to the invention making it possible to locate the elements of the sensor with respect to each other.
  • the openings are substantially perpendicular to the planes of layers 1 to 2 '.
  • electrodes 3 and 4 On the sides 6 and 7 of the layers 1 to 2 ′ are located electrodes 3 and 4 making it possible to connect an apparatus (not shown) for measuring the resistance of the layers 1 to 2 ′ according to the plane of these layers.
  • this magnetic field must have a significant value component located parallel to the planes of the layers.
  • the openings such as 5 may have different shapes so as to produce in the layers openings of different shapes.
  • the strip-shaped openings join the two electrodes 3 and 4. However, they could stop before the sides 6 and 7 which carry the electrodes.
  • the coupling force depends on the width of the bands and the thickness of the magnetic layers: for example, considering bands of 5 ⁇ m wide, with individual layers of iron of 2 nm thick, separated by non-magnetic layers of the same thickness, the lateral coupling between the layers is of the order of a hundred Gauss. With such a device, the layers are in the absence of magnetic field in an anti-parallel alignment. It takes a field of 100 Oe to place them in a parallel alignment and thus obtain the maximum magnetoresistance.
  • the strength of the coupling is directly related to the length of the edges of the discontinuities, relative to the surface of the sample.
  • it is the perimeter of the holes which determines the strength of this coupling.
  • the principle of the invention applies on the one hand to multilayers having in the absence of etching, a ferromagnetic type coupling between the magnetic layers, and on the other hand when the magnetic layers are not coupled together, as this is the case in Fe / Ag, Co / Ag systems.
  • the parameters of the engraved patterns will be calculated so that the additional anti-ferromagnetic coupling just cancels the ferromagnetic coupling so that the result of the two is a weak coupling of anti-ferromagnetic type.
  • the coupling could be as weak as desired.
  • the essential interest of the present invention comes from the great maneuverability of the type of coupling considered. Indeed, it is possible to decrease or increase the strength of the coupling simply by varying the shape of the etching patterns, the length of the flanks, or the spacing between the successive magnetic layers of the multilayer material. As in addition to the above-mentioned couplings, there is a direct coupling between the pieces of film located on either side of an etching pattern ( Figure 5) acting up to distances of the order of a few microns, it is possible to adjust the coupling by varying the width d of the openings.
  • the shape of the cutting edges can be optimized to increase the interactions between the different parts of the material separated by the openings. It is therefore important to define angles less than 90 degrees in order to allow the field lines to close.
  • polygonal patterns having angles at substantially 60 degrees create a leakage field on the current transport lines.
  • the strength of the additional lateral coupling by filling the etching holes with a material 9 whose magnetic permeability is different from that of air (FIG. 7).
  • the material can be non-magnetic but it can also be magnetic depending on whether one wishes to strengthen or decrease the coupling.

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Abstract

Ce détecteur comporte une alternance de couches en matériau magnétique (1, 1', 1'') et de couches en matériau non magnétique (2, 2', 2''). Une ou plusieurs ouvertures (5) traversent l'alternance de couches. Deux électrodes (3, 4) placées sur deux flancs opposés de l'alternance de couches permettant de mesurer la résistivité entre ces deux électrodes. Le fait de prévoir les ouvertures (5) a pour effet d'accroître la sensibilité du déctecteur en champs faibles. Différentes formes d'ouvertures peuvent être prévues. Application: têtes de lecture magnétique.

Description

DETECTEUR DE CHAMP MAGNETIQUE
L'invention concerne un détecteur de champ magnétique et notamment un détecteur de champ magnétique à effet magnétorésistif, à savoir un détecteur utilisant la variation de résistivité d'une partie au moins du détecteur en fonction d'une variation de champ magnétique auquel est soumise cette partie de capteur.
Des capteurs utilisant l'effet magnétorésistif sont mis en oeuvre dans divers systèmes de lecture d'enregistrement magnétique . Ces capteurs sont réalisés en un alliage ferromagnétique à forte magnétorésistance qui est placé dans le
10 circuit magnétique d'une tête de lecture . Dans ce cas , on détecte les variations de la résistance électrique du capteur lors du passage de la bande . Les alliages à forte magnétorésistance actuellement utilisés sont en général des alliages ferromagnétiques à base de nickel, tels que les alliages de type
15 NiFe ou NiCo, pour lesquels la magnétorésistance à température ambiante correspond à une variation de résistance de quelques pour cent.
Dans des capteurs plus récents, l'élément sensible du capteur est constitué par une multicouche métallique magnétique
20 monocristalline formée d'un empilement de couches d'un matériau magnétique, la multicouche étant réalisée de telle sorte que les couches en matériau magnétique présentent une situation de type anti- ferromagnétique en l'absence de champ extérieur et que la transition entre l'état d'arrangement anti -parallèle et l'état
~ ** d'arrangement parallèle se réalise sur un intervalle de champ magnétique faible .
Ainsi, en utilisant certains types de matériaux magnétiques et non magnétiques , associés selon une structure spécifique, on a pu observer une magnétorésistance géante se
30 produisant dans un domaine de champ restreint, ce qui permet donc son utilisation comme élément sensible d'un capteur à effet magnétorésistif . Cette forte magnétorésistance observée notamment dans le cadre des multicouches métalliques magnétiques telles que Fe/Cr est due à la transition sous champ magnétique entre les deux états d'aimantation du système, à savoir l'état où l'alternance des aimantations des couches magnétiques est anti-parallèle et l'état où toutes ces aimantations sont parallèles .
Le principal inconvénient de ces capteurs reste la haute valeur du champ magnétique H nécessaire pour faire
S transiter les aimantations de l'état anti- parallèle à l'état parallèle . En effet, la sensibilité du capteur se mesure par la pente de variation de la magnétorésistance en fonction du champ magnétique . La valeur élevée de H relativise l'avantage que constitue la magnétorésistance géante de ces matériaux .
L'objet de l'invention est d'obtenir un capteur de type magnétorésistif sensible à de très faibles champs magnétiques . L'invention concerne donc un détecteur de champ magnétique, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une alternance de couches en matériau magnétique et de couches en matériau non magnétique , une ou plusieurs ouvertures traversant l'alternance de couches, au moins deux électrodes placées sur des flancs de l'alternance de couches, en vis-à-vis l'une de l'autre par rapport à l'alternance de couches de telle façon qu'au moins un chemin électrique puisse exister entre les deux électrodes .
Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent :
- les figures la, lb et 2 , un exemple de réalisation simplifié du dispositif selon l'invention ;
- la figure 3 , une vue en perspective du dispositif de l'invention ;
- la figure 4, un dispositif dans lequel les ouvertures sont des rainures ;
- la figure 5 , une figure explicative concernant les ouvertures : - la figure 6, une variante de réalisation dans laquelle les ouvertures sont de forme polygonale ;
- la figure 7, une variante de réalisation dans laquelle les ouvertures sont remplies d'un matériau non magnétique ou magnétique afin de modifier les propriétés de couplage entre les couches magnétiques .
L'invention permet de réaliser un capteur de champs magnétiques faibles à effet magnétorésistif et à couplage latéral supplémentaire en utilisant pour le capteur un matériau à base de multicouches .
Le matériau représenté en figure la est une multicouche constituée de couches alternées de matériaux magnétiques 1, l' , 1" et non magnétiques 2, 2', 2" . Dans l'application considérée, le matériau est gravé de manière à obtenir des flancs qui permettent alors un couplage latéral supplémentaire entre les différentes couches magnétiques de la multicouche (figure lb) .
L'invention consiste à graver l'élément magnétorésistif du capteur, avec des motifs créant des discontinuités dans la structure. Ces discontinuités peuvent avoir la double action, d'une part de modifier le processus de déplacement des parois des domaines magnétiques, et d'autre part d'introduire un couplage supplémentaire dans le cas où le film composant le capteur est à base de matériau multicouches . Les deux effets ont pour conséquence une modification du champ pour lequel la magnétorésistance de la couche est maximale . Cela peut améliorer alors la sensibilité en champ magnétique des capteurs magnétorésistif s .
La figure 2 montre un exemple de motif gravé permettant d'augmenter la magnétorésistance à faible champ . Dans cet exemple les parois des domaines magnétiques sont bloquées par les motifs de gravure . Les grains délimités par ces parois forment des monodomaines magnétiques . Cette collection de gros moments magnétiques est connue pour sa forte susceptibilité en champs faibles , en d'autres termes le système réagit à des champs plus faibles .
La figure 3 représente une vue en perspective du capteur selon l'invention permettant de situer les éléments du capteur les uns par rapport aux autres .
On trouve, dans ce capteur, l'empilement de couches 1 , 2, l' , 2' , . . . et les ouvertures tels que 5 traversant ces couches . De façon préférentielle, les ouvertures sont sensiblement perpendiculaires aux plans des couches 1 à 2' . Sur les flancs 6 et 7 des couches 1 à 2' sont situées des électrodes 3 et 4 permettant de connecter un appareil (non représenté) pour mesurer la résistance des couches 1 à 2' selon le plan de ces couches .
Les couches 1 , l' étant en matériau magnétique et les couches 2 , 2' étant en matériau non magnétique il existe un couplage anti- ferromagnétique entre les couches 1 et l' . En l'absence d'application de champ magnétique la résistance mesurée entre les électrodes est minimale .
Sous l'effet d'un champ magnétique extérieur, le champ magnétique dans les différentes couches en matériau magnétique s'aligne selon la direction de ce champ magnétique et la résistance entre les électrodes augmente . De préférence, il faut que ce champ magnétique possède une composante de valeur importante située parallèlement aux plans des couches .
Les ouvertures telles que 5 peuvent avoir des formes différentes de façon à réaliser dans les couches des ouvertures de formes différentes .
C'est ainsi que les ouvertures peuvent être réalisées sous forme de bandes comme cela est représenté en figure 4.
Sur cette figure, les ouvertures sous forme de bandes joignent les deux électrodes 3 et 4. Cependant, elles pourraient s'arrêter avant les flancs 6 et 7 qui portent les électrodes .
Dans le cas de ces bandes , la force de couplage dépend de la largeur des bandes et de l'épaisseur des couches magnétiques : par exemple, en considérant des bandes de 5 μm de large, avec des couches individuelles de fer de 2nm d'épaisseur, séparées par des couches non magnétiques de même épaisseur, le couplage latéral entre les couches est de l'ordre de la centaine de Gauss . Avec un tel dispositif , les couches sont en l'absence de champ magnétique dans un alignement anti- parallèle . Il faut un champ de 100 Oe pour les placer dans un alignement parallèle et donc obtenir la magnétorésistance maximale .
Il est important de noter que la force du couplage est directement reliée à la longueur des bords des discontinuités, rapportée à la surface de l'échantillon . Ainsi, pour un motif de gravure du type de celui de la figure 1 , c'est le périmètre des trous qui détermine la force de ce couplage .
Le principe de l'invention s'applique d'une part aux multicouches présentant en l'absence de gravure, un couplage de type ferromagnétique entre les couches magnétiques, et d'autre part lorsque les couches magnétiques ne sont pas couplées entre elles, comme c'est le cas dans les systèmes Fe/Ag, Co/Ag . Dans le premier cas, les paramètres des motifs gravés seront calculés pour que le couplage anti-ferromagnétique supplémentaire annule juste le couplage ferromagnétique afin que la résultante des deux soit un faible couplage de type anti-ferromagnétique . Dans le second cas, le couplage pourra être aussi faible que voulu . Il est à noter toutefois , que dans les deux cas , le couplage résultant de type anti-ferromagnétiqτιe doit être supérieur à toutes les autres énergies magnétiques mises en jeu dans les couches minces ; l'anisotropie , et la coercivité, etc . . . Dans les meilleurs systèmes cette valeur limite peut être de l'ordre du
Gauss .
L'intérêt essentiel de la présente invention provient de la grande maniabilité du type de couplage considéré . En effet, il est possible de diminuer ou d'augmenter la force du couplage simplement en faisant varier la forme des motifs de gravure , la longueur des flancs , ou l'espacement entre les couches magnétiques successives du matériau multicouche . Comme en plus des couplages sus-cités, il existe un couplage direct entre les morceaux de film situés de part et d'autre d'un motif de gravure (figure 5) agissant jusqu'à des distances de l'ordre de quelques microns, il est possible d'ajuster le couplage en faisant varier la largeur d des ouvertures .
La forme des flancs de découpe peut être optimisée pour augmenter les interactions entre les différentes parties du matériau séparées pas les ouvertures . Il est alors important de définir des angles inférieurs à 90 degrés afin de permettre aux lignes de champs de se refermer . Dans l'exemple de réalisation de cette extension de l'invention, présentée sur la figure G, des motifs poligonaux présentant des angles à sensiblement 60 degrés créent un champ de fuite sur les lignes de transport de courant .
Dans un autre prolongement de l'invention, il est possible de modifier la force du couplage supplémentaire latéral, en remplissant les trous de gravure par un matériau 9 dont la perméabilité magnétique est différente de celle de l'air (figure 7) . Le matériau peut être non magnétique mais il peut également être magnétique suivant que l'on désire renforcer ou diminuer le couplage .

Claims

REVENDICATIONS
1. Détecteur de champ magnétique, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une alternance de couches en matériau magnétique (1, l', 1") et de couches en matériau non magnétique (2, 2', 2") , une ou plusieurs ouvertures (5) traversant l'alternance de couches, au moins deux électrodes (3, 4) placées sur des flancs de l'alternance de couches, de telle façon qu'au moins un chemin électrique puisse exister entre les deux électrodes .
2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes (3, 4) sont placées sur deux flancs opposés de l'alternance de couches en vis-à-vis l'une de l'autre par rapport à l'alternance de couches .
3. Détecteur de champ magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ouvertures (5) ont leur section parallèle au plan des couches, de forme circulaire ou poly onale .
4. Détecteur de champ magnétique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les ouvertures ont leur section de forme sensiblement carrée .
5. Détecteur de champ magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ouvertures sont des découpes allongées non parallèles au plan des électrodes .
6. Détecteur de champ magnétique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les ouvertures joignent sensiblement les deux électrodes .
7. Détecteur de champ magnétique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les ouvertures sont perpendiculaires au plan des électrodes .
8. Détecteur de champ magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque ouverture comporte un matériau (9) et dont la perméabilité magnétique est supérieure à celle de l'air.
9. Détecteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le matériau (9) de chaque ouverture est un matériau non magnétique .
10. Détecteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le matériau (9) de chaque ouverture est un matériau magnétique .
EP93913193A 1992-06-26 1993-06-25 Detecteur de champ magnetique Withdrawn EP0647323A1 (fr)

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