NL8303305A - Dunne-film-magnetometer. - Google Patents

Description

X Sch/gn/2,CME

Korte aanduiding: Dunne-film-magnetometer

De uitvinding betreft een dunne-film-magnetometer, omvattende: een dunne film van ferromagnetisch materiaal met een in het vlak van de film liggende anisotropie-as van bekende oriëntatie, middelen voor het opwekken van een 5 magnetisch hulp-wisselveld met een component in het vlak van de film, middelen voor het detecteren van veranderingen van de magnetisatie in de film.

Een dergelijke magnetometer is bekend. Twee hoofdtypen worden onderscheiden. In type I is het hulpwisselveld gericht 10 loodrecht op de anisotropie-as; in type II parallel aan deze as. In beide typen worden veranderingen van de magnetisatie-komponent loodrecht op de richting van het magnetisch hulpwisselveld gedetekteerd. Genoemde veranderingen worden veroorzaakt door een te meten magneetveldkomponent in het 15 vlak van de film, loodrecht op de richting van het hulpwisselveld. Bij de bekende magnetometers zijn de middelen voor het detecteren van veranderingen van de magnetisatie in de film uitgevoerd als detectiespoel, die gekoppeld is met een meetinstrument, dat in staat is, de als gevolg van die 20 magnetisatieveranderingen in de spoel geïnduceerde spanning waar te nemen en eventueel in reeds geïnterpreteerde vorm weer te geven.

Het gebruik van een detectiespoel heeft het nadeel, dat een spoel noodzakelijkerwijze relatief grote afmetingen 25 bezit, hetgeen het nadeel met zich meebrengt dat een dergelijke magnetometer zich niet gemakkelijk leent voor miniaturisatie.

Een verder nadeel van het gebruik van een spoel is, dat ·—· hij een gevoeligheid voor magnetisatieveranderingen vertoont, 30 die afneemt, naarmate de frekwentie van het magnetische hulp-wisselveld afneemt. In verband daarmee is het bij de bekende magnetometers noodzakelijk, gebruik te maken van een altijd zo hoog mogelijke frekwentie.

8303305 -2- , * ' %

De uitvinding beoogt een magnetometer van het dunne-film-type zodanig uit te voeren, dat hij zich leent voor miniaturisatie onder gebruikmaking van bekende technieken, zoals halfgeleidertechnieken.

5 Een verder doel van de uitvinding is het verschaffen van een magnetometer, waarvan de gevoeligheid niet afhankelijk is van de frekwentie van het aangelegde magnetische hulp-wissel-veld.

Ter bereiking van bovengenoemde doelstellingen verschaft 10 de uitvinding in het algemeen een magnetometer van het in de aanhef vermelde type, die het kenmerk vertoont dat het ferro-magnetische materiaal van het type is, dat een anisotroop magnetoresistief effect, zoals het planaire Hall-effect of het planaire magnetoresistieve effect, vertoont, dat een bron 15 aanwezig is voor het door de film sturen van een elektrische stroom, dat de detectiemiddelen zijn ingericht voor het waarnemen van de spanning over de beide aansluitingen van de dunne ferromagnetische film (bij toepassing van het planaire magnetoweerstand-effekt) of over de beide Hall-spannings-20 kontakten (bij toepassing van het planair Hall-effekt), welke spanning representatief is voor een component van een te meten magnetisch veld in de richting loodrecht op die van het hulpwisselveld, en dat het magnetische hulp-wisselveld een zodanige sterkte bezit, dat het het ferromagnetische 25 materiaal in verzadiging brengt. De planaire-Hall-spanning of magnetoweerstandsspanning is afhankelijk van de hoek tussen de magnetisatierichting en de stroomrichting. Deze hoek (die lokaal verschillende waarden kan hebben) wordt enerzijds bepaald door de momentane sterkte en de richting van het 30 hulpwisselveld en anderzijds de sterkte en de richting (als constant beschouwd gedurende één periode van het hulpwisselveld) van een te meten veld, ook wel aan te duiden als signaalveld. De gemeten spanning, die kan worden beschouwd als de som over een groot aantal "microscopische" 35 spanningen, zodat een uitmiddeling van de lokale variaties plaatsvindt, bevat dus onder meer informatie betreffende het te meten signaalveld.

03 n - ^ n *5 V V v yj y.j \j yyj J'&ÈÈiÊtk· .. ______________ * * -3-

Het zal duidelijk zijn, dat een meetinstrument kan worden toegepast voor het meten van de detectie-spanning en het zodanig, bijvoorbeeld elektronisch, interpreteren, dat een uitlezing wordt verkregen, die rechtstreeks de sterkte 5 van de component van het te meten magnetische veld in de richting van de anisotropie-as geeft.

Ter verkrijging van een zo hoog mogelijke gevoeligheid verdient die uitvoering de voorkeur, waarbij de anisotropie-as in hoofdzaak een hoek van een voorafgekozen waarde maakt 10 met de richting van de elektrische stroom door de film, welke hoek voor het planaire Hall-effect een waarde van 0* en voor het magnetoweerstandseffect een waarde van 45* bezit.

Het ferromagnetische materiaal kan met voordeel permalloy zijn met een verhouding van ongeveer 80% nikkel en 20% 15 ijzer en bij voorkeur 81% nikkel en 19% ijzer.

Voor het opwekken van een magnetisch hulp-wisselveld kan gebruik worden gemaakt van een spoel en een wisselstroom-generator voor het sturen daardoor.

De tot nog toe besproken magnetometer is slechts 20 geschikt voor het meten van een magnetische-veldsterkte-component in slechts één richting. Het zal duidelijk zijn, dat dit geen volledige ruimtelijke informatie biedt over sterkte en richting van een magnetisch veld.

Voor een zo goed mogelijke werking van de magnetometer 25 bezit de film bij voorkeur een dikte in de grootte-orde van 100 nm.

Teneinde een magnetisch veld volledig eenduidig, zowel voor wat betreft zijn grootte als zijn richting te kunnen bepalen kan volgens de uitvinding gebruik worden gemaakt van 30 8*. «r - ·.-* I · -4- een uitvoering, die is gekenmerkt door drie dunne films van ferromagnetisch materiaal met onderlinge loodrechte oriëntaties, aan elk van welke films een individuele stroombron en individuele detectiemiddelen zijn toegevoegd. In het bijzon-5 der kan de magnetometer is dit geval zodanig van opbouw zijn, dat de magnetische hulpwisselvelden voor elk van de drie films door één gemeenschappelijke bron worden opgewekt, die zodanig is geplaatst en georiënteerd dat de richtings-vectoren door het daardoor opgewekte magnetisch veld ter 10 plaatse van de films in hoofdzaak in het vlak van die films liggen. In verband met de ruiseigenschappen wordt de voorkeur gegeven aan magnetometers van het type I.

Essentieel voor de werking van de magnetometer volgens de uitvinding van dit type is, dat tenminste een deel van de 15 film verzadigd wordt. Naarmate de amplitude van het hulpveld groter wordt, wordt door het afnemen van de hysterese de reproduceerbaarheid van de magnetometer beter. Naarmate de amplitude van het hulpveld boven een bepaalde minimale waarde toeneemt, neemt de gevoeligheid van de magnetometer af.

20 Naarmate de amplitude van het hulpveld toeneemt, neemt de (ongewenste) gevoeligheid van de magnetometer voor de signaalveld-component, d.w.z. de component van het te meten magneetveld, parallel aan het hulpveld, af ten opzichte van de gevoeligheid van de loodrecht daarop staande signaalveld-25 component.

Voor een juist begrip van de uitvinding volgt nu een korte algemene beschouwing over het basisprincipe van de onderhavige magnetometer.

De dunne film van ferromagnetisch materiaal wordt onder 30 invloed van het magnetisch hulp-wisselveld periodiek afwisselend in onderling tegengestelde richtingen gemagnetiseerd. Deze wisselingen vinden gedeeltelijk plaats door rotatie van de magnetisatievector in het vlak van de film. In dit verband wordt de aandacht erop gevestigd dat de film zeer dun is en 35 in de praktijk veelal een dikte bezit in de grootte-orde van 100 nm. De bedoelde rotatie kan, zoals duidelijk zal zijn, in 8303303 -5- # « principe in twee richtingen verlopen, namelijk met de wijzers van de klok mee of tegen de wijzers van de klok in.

De anisotropie-richting in de film kan lokaal afwijkingen van de gemiddelde waarde vertonen. Dit verschijnsel wordt 5 aangeduid met "hoekdispersie". Dit heeft tot gevolg, dat bij een gegeven richting van het hulpveld sommige gebiedjes een voorkeur voor de ene rotatierichting hebben en andere voor de andere richting. Indien behalve een wisselend hulpveld, loodrecht, op of parallel aan de anisotropie-as, geen 10 uitwendig veld wordt aangelegd, zullen beide soorten gebiedjes elk de helft van het filmoppervlak in beslag nemen.

Indien nu een magnetische- veldcomponent, d.w.z. een component van het te meten veld, in het vlak van de film en wel loodrecht op de richting van het hulpveld aanwezig is, 15 zal één van de twee rotatierichtingen bevoordeeld worden, waardoor het totaaloppervlak van de gebiedjes, passend bij de bevoordeelde richting, in afhankelijkheid van de sterkte van het te meten veld zal toenemen.

Gemiddeld over de hele film wordt een magnetisatiecom-20 ponent loodrecht op de richting van het hulpveld, waargenomen, die varieert met de dubbele frekwentie van het hulpveld en waarvan de amplitude en fase afhankelijk is van respectievelijk de sterkte en de richting van het te meten veld.

25 Zoals boven reeds gezegd, worden in de tot nog toe gebruikelijke magnetometers de bedoelde magnetisatieveran-deringen inductief, d.w.z. door een detectiespoel, gedetecteerd.

Volgens de uitvinding wordt nu gebruik gemaakt van een 30 ander type detectie, dat is gebaseerd op een planair galvano-magnetisch effect, waaronder gerekend kunnen worden het planaire Hall-effect en het planaire magnetoresistieve effect.

In dit verband wordt ter toelichting opgemerkt, dat in 35 permalloy de soortelijke weerstand, gemeten in een aan de magnetisatievector evenwijdige richting, een andere waarde heeft dan in een loodrecht op de vector staande richting. Dit o u c o 0 3 * If -6- heeft onder andere tot gevolg dat in een Hall-configuratie een dwarsspanning optreedt die bepaald wordt door de hoek die de magnetisatievector maakt met de richting van de stroom door de film.

5 De figuren 3 en 4 tonen de planaire-Hall-spanning VpH

of magnetoweerstandsspanning VMW bij linksom draaien en rechtsom draaien als functie van de sterkte van het aangelegde hulpwisselveld H . Hieruit blijkt dat tegengesteld roterende gebiedjes tegengestelde bijdragen tot de totaal-10 spanning leveren, zodanig dat de amplitude van de totaal-spanning een maat is voor de onderlinge verhouding tussen beide soorten gebiedjes en daarmee voor de sterkte voor het te meten magneetveld. Omkering van de richting van het te meten veld, veroorzaakt een spanning met tegenstelde fase.

15 In een magnetometer van het type II wijken de spanningsvormen af van die geschetst in figuren 3 en 4, maar ook hier geldt dat ontkeren van de rotatierichting een omkering van het spanningsverloop als functie van het hulpwisselveld ten gevolge heeft.

20 Indien nu de amplitude van de signaalspanning V wordt s

weergegeven als functie van de signaalveldsterkte H

S

(waarbij de amplituden van spanningen met tegengestelde fase worden voorgesteld met tegengesteld teken), wordt het verband volgens fig. 5 verkregen.

25 Voor grotere waarden van Hs treedt al snel verzadiging op: het meetbereik van de magnetometer is beperkt. Als oplossing hiervoor kan gebruik worden gemaakt van een op zichzelf bekende compensatie-meetmethode. Volgens deze meetmethode wordt een veld aangelegd, waarvan de richting tegengesteld is 30 aan die van het signaalveld. De signaalspanning wordt nu gebruikt om de sterkte van het compensatieveld nauwkeurig gelijk te maken aan de signaalveldsterkte. De magnetometer dient hierbij slechts als nul-detector. De lineariteit wordt slechts bepaald door de spoel, dan wel de stroomstrip waarmee 35 het compensatieveld wordt opgewekt.

Tot nog toe is slechts een vergelijking gemaakt tussen de inductieve detectiemethode volgens de bekende techniek en 83QÖ305

» V

-7- de detectie zoals voorgesteld, door de uitvinding. Ten opzichte van het "normale" Hall-effect bezit de voorgestelde magnetometer volgens de uitvinding nog twee belangrijke voordelen: hij bezit een grotere gevoeligheid en is vrij van 5 (temperatuurafhankelijke) offset-spanning.

Als toepassingsgebieden kan worden gedacht aan de constructie van kompassen, het opsporen van magnetiseerbare massa’s (bijvoorbeeld stalen pijpleidingen) door het detecteren van plaatselijke verstoringen van het aardmagnetisch 10 veld, het opsporen van magnetische massa's enz.

De uitvinding zal nu worden toegelicht aan de hand van de tekening van twee willekeurige uitvoeringsvoorbeelden van type I, waartoe de uitvinding niet is beperkt. In de tekening tonen: 15 Pig. 1 een sterk geschematiseerd perspectivisch aanzicht van een magnetometer, die slechts voor een veldcomponent inéén richting werkzaam is? en

Fig. 2 een sterk.geschematiseerd perpectivisch aanzicht van een tweede uitvoeringsvoorbeeld van de magnetometer 20 volgens de uitvinding, die in staat is öm volledige informatie te bieden over een magnetisch veld.

Pig. 3 en 4 schematische grafische weergaven van de planaire-Hall-spanning of de magnetoweerstandsspanning voor respectievelijk linksom en rechtsom draaiende magnetische 25 gebieden?

Pig. 5 een grafische weergave van de signaalspanning als functie van de signaalveldsterkte?

Fig. 6 een voorbeeld van een configuratie die met voordeel kan worden toegepast bij gebruikmaking van het 30 magnetoweerstandseffect?

Fig. 7 een configuratie die met voordeel kan worden toegepast bij gebruikmaking van het planaire-Hall-effect? en

Fig. 8 een schematische weergave van een magnetometer met een stroomstrip voor het opwekken van het magnetische 35 hulpveld.

Fig. 1 toont een eerste uitvoeringsvoorbeeld van een ö ” r ~ ” Λ Γ\ O V -J ^ j w -8-

V

algemeen met het verwijzingsgetal 1 aangeduide magnetometer. Deze omvat een dunne film 2 van permalloy, waarvan de gemiddelde anisotropie-as 3 met een onderbroken lijn is aangegeven.

5 Verder omvat de magnetometer 1 een spoel 4 met of zonder kern, die wordt bekrachtigd door een wisselstroomgenerator 5. De as 6 van de spoel 4 ligt in het vlak van de film 2.

De film 2 is, zoals uit fig. 1 blijkt, in hoofdzaak rechthoekig van opbouw en enigszins langwerpig. Aan de korte. 10 zijden zijn elektroden 7, 8 aangebracht die dienen voor het verbinden van een stroombron 9 met de film 2, zodanig dat daardoor een stroom zal vloeien in de met pijlen 10 aangeduide richting.

Een spanningsmeter 11 dient voor het meten van de 15 elektrische spanning over de stroombron 9, die een maat is voor de weerstand van de film 2 tussen de elektroden 7 en 8. Deze weerstand is representatief voor een component van een te meten magnetisch veld langs de anisotropie-as 3.

De aandacht wordt erop gevestigd, dat de film 2 zodanig 20 dun is dat hij wordt gedragen Soor een isolerende substraat-plaat 12. In dit uitvoeringsvoorbeeld is de dikte van de film 2 ongeveer 100 nm.

Fig. 2 toont een in zijn algemeenheid met 13 aangeduide magnetometer die is ingericht voor het geven van volledige 25 informatie over een magnetisch veld, d.w.z. zowel de grootte als de richting van dat veld ter plaatse van de meter.

De magnetometer 13 omvat drie ferromagnetische films 14, 15, 16 van dezelfde opbouw als de film 2 volgens fig. 1. De respectieve anisotropie-assen 17, 18, 19 staan loodrecht op 30 elkaar en snijden elkaar in een punt 20. Dit punt 20 ligt op de langsas 21 van een door wisselstroomgenerator 22 bekrachtigde spoel 23. Deze verzorgt het magnetische hulp-veld voor elk der drie films 14, 15, 16. Schematisch zijn enkele veldlijnen 24, 25, 26 aangeduid die het verloop 35 karakteriseren van het door spoel 23 opgewekte magneetveld in de buurt van de films 14, 15, 16. Duidelijk zal zijn, dat ook op een andere wijze de anisotropie-assen 17, 18, 19 8303303 . 1 w " -9- onderling loodrecht op elkaar kunnen staan. De configuratie volgens fig. 2 verzekert evenwel voor alle drie de films 14, 15, 16 een gelijke hulpveld-amplitude.

Voor de film 15 is een stroombron 27 en een spannings-5 meter 28 weergegeven, overeenkomstig de configuratie volgens fig. 1. Terwille van de overzichtelijkheid van fig. 2 is de betreffende schakeling voor de films 14 en 16 niet weergegeven. Het zal evenwel duidelijk zijn, dat ook aan deze twee films een dergelijke schakeling dient te zijn toegevoegd.

10 Opgemerkt wordt, dat de spanningsmeters 11 en 28 in de figuren terwille van de eenvoud zijn weergegeven als voltmeters; in de praktijk zal evenwel gebruik worden gemaakt van een elektronische signaalverwerkingseenheid, waarvan de uitgang eventueel via een interpretatie-eenheid is gekoppeld 15 met weergeefmiddelen, zoals een draaispoelmeter of cijfer- indicator; ook kan de uitgang zijn gekoppeld met een computer voor verwerking van de meetresultaten.

Fig. 6 toont een in samenhang met het magnetoweerstands-effect met voordeel toe te passen uitvoering, waarbij de 20 richting van de stroom 10 een hoek van ongeveer 45" maakt met de anisotropie-as 3. Bij deze magnetoweerstand-configuratie wordt de lengte van de ferromagnetische geleider met voordeel zo groot mogelijk gekozen, zolang de breedte van de geleider niet te klein wordt (er treedt een, het hulpveld tegen-25 werkend, demagnetiserend veld op, waarvan de sterkte evenredig is met de verhouding tussen dikte en breedte van de film).

Fig. 7 toont een configuratie die kan worden toegepast bij het planaire-Hall-effect. De richting van de elektrische 30 stroom 10 maakt een hoek van 0" met de anisotropie-as 3. De breedte van de film wordt met voordeel zo groot mogelijk gekozen, zolang de verhouding tussen lengte en breedte niet veel kleiner wordt dan 2 (kortsluiteffect van Hall-spanning door stroomcontacten).

35 Fig. 8 toont een geïntegreerde magnetometer, die werkt op basis van het planaire-Hall-effect. Hij omvat een siliciumsubstraat 29, een daarop aangebrachte laag silicium 8 ó H “ -10- « dioxide, een dunne-film 31 van permalloy met eindaanslui-tingen 32, 33, middenaansluitingen 34, 35 (zie ook fig. 7), een strook 36 van geleidend materiaal voor het via aansluitingen 37, 38 door de strook 36 voeren van een wisselstroom 5 voor opwekking van een transversaal magnetisch hulpwissel-veld.

Het zal duidelijk zijn dat de uitvinding zich niet tot de getekende uitvoeringsvoorbeelden beperkt en dat vele wijzigingen en aanpassing aan specifieke eisen mogelijk zijn, 10 zonder dat daardoor het kader van de uitvinding wordt overschreden.

8 o ύ 5 5 ύ

Claims (9)

1. Dunne-film-magnetometer, omvattende: een dunne film van ferromagnetisch materiaal met een in het vlak van de film liggende anisotropie-as van bekende oriëntatie, 5 middelen voor het opwekken van een magnetisch hulp-wis- selveld met een component in het vlak van de film, en middelen voor het detecteren van veranderingen van de magnetisatie in de film, met het kenmerk, 10 dat het ferromagnetische materiaal van het type is, dat een anisotroop magnetoresistief effect, zoals het planaire Hall-effect bij voorkeur of het planaire magnetoresistieve effect, vertoont, dat een bron aanwezig is voor het door de film 15 sturen van een elektrische stroom, dat de detectiemiddelen zijn ingericht voor het waarnemen van de spanning over de beide aansluitingen van de * dunne ferromagnetische film (toepassing van het planaire magnetoweerstand-effect) of over de beide Hall-spannings-20 contacten (bij toepassing van het planaire Hall-effect), welke spanning representatief is voor een component van een te meten magnetisch veld in een richting loodrecht op die van het hulpwisselveld, en dat het magnetische hulp-wisselveld een zodanige sterkte 25 bezit, dat het het ferromagnetische materiaal in verzadiging brengt.

2. Magnetometer volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de anisotropie-as in hoofdzaak een hoek van een voorafgekozen waarde maakt met de richting van de elektrische 30 stroom door de film, welke hoek voor het planaire Hall-effect bij voorkeur een waarde van 0° en voor het magnetoweerstands-effect bij voorkeur een waarde van 45° bezit. W* *i ï—™ *-· 8 1: ü - ; ^ ^ > Γ “ -12-

3. Magnetometer volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het ferromagnetische materiaal permalloy is met een verhouding van ongeveer 80% nikkel en 20% ijzer en bij voorkeur 81% nikkel en 19% ijzer.

4. Magnetometer volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de middelen voor het opwekken van het magnetische hulp-wisselveld een spoel en een wisselstroomgenerator voor het sturen van een stroom daardoor omvatten. 10

5, Magnetometer volgens conclusie 1-3, met het kenmerk, dat de middelen voor het opwekken van het magnetische hulpwisselveld een langwerpige strook van elektrisch geleidend materiaal en een wisselstroomgenerator voor het sturen van een stroom daardoor omvatten.

6. Magnetometer volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de dikte van de film ferromagnetisch materiaal in de grootte-orde van 100 nm ligt.

7. Magnetometer volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat voor toepassing van het magneto- 20 weerstandseffect de film een meandervorm vertoont.

8. Magnetometer volgens één der voorgaande conclusies, gekenmerkt door drie dunne films van ferromagnetisch materiaal met onderlinge loodrechte oriëntaties, aan elk van welke films een individuele stroombron en individuele 25 detectiemiddelen zijn toegevoegd.

9. Magnetometer volgens conclusie 4 en 8, met het kenmerk, dat de middelen voor het opwekken van het magnetische hulpwisselveld voor elk van de drie films slechts één gemeenschappeliijke spoel omvatten, die zodanig 30 is geplaatst en georiënteerd dat de richtingsvectoren door het daardoor opgewekte magnetisch veld ter plaatse van de films in hoofdzaak in het vlak van die films liggen. — »<··» r.~* ''J 8. y o v j