RU2175797C1

RU2175797C1 - Magnetoresistive transducer

Info

Publication number: RU2175797C1
Application number: RU2000127962/28A
Authority: RU
Inventors: С.И. Касаткин; А.М. Муравьев
Original assignee: Институт проблем управления РАН
Priority date: 2000-11-08
Filing date: 2000-11-08
Publication date: 2001-11-10

Abstract

FIELD: automatic control; tachometers, non-destructive test equipment, displacement transducers for dc and ac field and current measurements. SUBSTANCE: novelty in magnetoresistive transducer is that thin-film magnetic structure built up of at least one magnetic field is placed above control conductor. Thin-film magnetic structure may be built up of two magnetic films with high-resistance thin-film nonmagnetic interlayer in-between. EFFECT: reduced control current through conductor which decreases input power and heating and increases sensitivity. 2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано в техометрах, устройствах неразрушающего контроля, датчиках перемещения, датчиках для измерения постоянного и переменного магнитного поля, электрического тока. The invention relates to the field of automation and can be used in technometers, non-destructive testing devices, displacement sensors, sensors for measuring a constant and alternating magnetic field, electric current.

Известны магниторезистивные датчики, чувствительный элемент которых состоит из двухслойных магнитных пленок (патент РФ N 2066504, М.кл.⁵ H 01 L 43/08). Наличие двух магниторезистивных слоев в магниторезистивной полоске резко уменьшает величину размагничивающих полей магнитных пленок, что значительно понижает гистерезис и позволяет использовать топологию с взаимно перпендикулярным расположением тонкопленочных магниторезистивных полосок, входящих в соседние плечи мостовой схемы. Недостатком такого датчика является наличие у него четной вольт-эрстедной характеристики (ВЭХ) с нулевой чувствительностью при внешнем магнитном поле H=0. Вследствие этого, для работы в линейном диапазоне характеристики требуется введение дополнительного постоянного магнитного поля смещения, а поперечная относительно оси легкого намагничивания (ОЛН) магнитной пленки ориентация продольных осей магниторезистивных полосок в двух плечах из четырех увеличивает гистерезис.Known magnetoresistive sensors, the sensitive element of which consists of two-layer magnetic films (RF patent N 2066504, Mcl ⁵ H 01 L 43/08). The presence of two magnetoresistive layers in the magnetoresistive strip sharply reduces the magnitude of the demagnetizing fields of the magnetic films, which significantly reduces the hysteresis and allows the use of a topology with a mutually perpendicular arrangement of thin-film magnetoresistive strips included in the adjacent shoulders of the bridge circuit. The disadvantage of this sensor is that it has an even volt-oersted characteristic (HEC) with zero sensitivity with an external magnetic field H = 0. As a result, the operation in the linear range of the characteristic requires the introduction of an additional constant magnetic displacement field, and the orientation of the longitudinal axes of the magnetoresistive strips in two of the four arms transverse relative to the axis of easy magnetization of the magnetic film increases the hysteresis.

Эти недостатки устранены в магниторезистивном датчике, все чувствительные элементы которого ориентированы вдоль ОЛН, и в котором используется проводник управления, проходящий над тонкопленочными магниторезистивными полосками, что позволяет формировать нечетную ВЭХ при минимальном гистерезисе (Патент РФ N 2139602, М.кл.⁵ H 01 L 43/08). Недостатком такого датчика является достаточно высокая величина тока управления в проводнике, что понижает технические характеристики датчика.These disadvantages are eliminated in a magnetoresistive sensor, all of its sensitive elements are oriented along the OLR, and in which a control conductor passing over thin-film magnetoresistive strips is used, which allows the formation of an odd HEC with minimal hysteresis (RF Patent N 2139602, Mcl. ⁵ H 01 L 43/08). The disadvantage of this sensor is a sufficiently high value of the control current in the conductor, which reduces the technical characteristics of the sensor.

Задачей, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является создание магниторезистивного датчика с уменьшенной величиной тока управления в проводнике, что улучшает такие основные характеристики устройства, как потребляемая мощность, нагрев и чувствительность. The problem posed and solved by the present invention is the creation of a magnetoresistive sensor with a reduced value of the control current in the conductor, which improves such basic characteristics of the device as power consumption, heating and sensitivity.

Указанный технический результат достигается тем, что в магниторезистивном датчике, содержащем подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположены соединенные в мостовую схему тонкопленочные магниторезистивные полоски с ориентированной вдоль них осью легкого намагничивания, изолирующий слой поверх тонкопленочных магниторезистивных полосок, на котором над тонкопленочными магниторезистивными полосками вдоль них расположен проводник управления, и защитный слой, над проводником управления между ним и защитным слоем расположена тонкопленочная магнитная структура из по меньшей мере одной магнитомягкой пленки с осью легкого намагничивания, направленной вдоль оси легкого намагничивания тонкопленочных магниторезистивных полосок. При этом в тонкопленочной магнитной структуре, содержащей две магнитные пленки, они разделены высокорезистивным тонкопленочным немагнитным слоем. The indicated technical result is achieved in that in a magnetoresistive sensor containing a substrate with a dielectric layer on which thin-film magnetoresistive strips connected to the bridge circuit are arranged with an axis of easy magnetization oriented along them, an insulating layer on top of the thin-film magnetoresistive strips, on which over the thin-film magnetoresistive strips a control conductor is located, and a protective layer is located above the control conductor between it and the protective layer onkoplenochnaya magnetic structure of at least one soft magnetic films with easy axis oriented along the easy axis of the magnetoresistive thin film strips. Moreover, in a thin-film magnetic structure containing two magnetic films, they are separated by a high-resistance thin-film non-magnetic layer.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что над проводником управления располагается дополнительная тонкопленочная магнитная структура, которая усиливает магнитное поле проводника управления. При этом уменьшается необходимый ток управления, и за счет дополнительного замыкания размагничивающих магнитных полей тонкопленочной магниторезистивной полоски и тонкопленочной магнитной структуры повышается чувствительность магниторезистивного датчика. The essence of the proposed technical solution lies in the fact that an additional thin-film magnetic structure is located above the control conductor, which enhances the magnetic field of the control conductor. This reduces the necessary control current, and due to the additional closure of the demagnetizing magnetic fields of a thin-film magnetoresistive strip and a thin-film magnetic structure, the sensitivity of the magnetoresistive sensor increases.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структура магниторезистивного датчика в разрезе, на фиг. 2 изображена многослойная тонкопленочная магнитная структура в разрезе, на фиг. 3 показана топология магниторезистивного датчика (вид сверху), а на фиг. 4 приведены теоретические ВЭХ магниторезистивного датчика с пермаллоевыми тонкопленочными магниторезистивными полосками без пермаллоевой тонкопленочной магнитной структуры над проводником управления (а) и с ней (б). The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a magnetoresistive sensor; FIG. 2 shows a cross-sectional multilayer thin film magnetic structure, FIG. 3 shows the topology of the magnetoresistive sensor (top view), and FIG. Figure 4 shows the theoretical SEC of a magnetoresistive sensor with permalloy thin-film magnetoresistive strips without permalloy thin-film magnetic structure above the control conductor (a) and with it (b).

Магниторезистивный датчик содержит подложку 1 (фиг. 1) с диэлектрическим слоем 2, на котором расположены четыре тонкопленочные магниторезистивные полоски, состоящие каждая из защитных слоев 3, 4, двух магнитных пленок 5, 6, разделенных немагнитным слоем 7 из высокорезистивного материала, расположенный поверх тонкопленочных магниторезистивных полосок изолирующий слой 8, на котором над тонкопленочными магниторезистивными полосками вдоль них расположен проводник управления 9, поверх которого расположена тонкопленочная магнитная структура 10 в виде по меньшей мере одной магнитомягкой пленки с ОЛН, направленной вдоль ОЛН тонкопленочных магниторезистивных полосок, и верхний защитный слой 11. В более сложном случае (фиг. 2) для улучшения замыкания размагничивающих магнитных полей тонкопленочная магнитная структура может состоять из двух магнитных пленок 12, 14, разделенных высокорезистивным тонкопленочным немагнитным слоем 13. The magnetoresistive sensor contains a substrate 1 (Fig. 1) with a dielectric layer 2, on which four thin-film magnetoresistive strips are located, each consisting of a protective layer 3, 4, two magnetic films 5, 6, separated by a non-magnetic layer 7 of highly resistive material, located on top of the thin-film material magnetoresistive strips an insulating layer 8, on which above the thin-film magnetoresistive strips along them there is a control conductor 9, on top of which is a thin-film magnetic structure 10 in the form of at least one magnetically soft film with an OLD directed along the OLD of thin-film magnetoresistive strips, and the upper protective layer 11. In a more complex case (Fig. 2), to improve the closure of demagnetizing magnetic fields, the thin-film magnetic structure can consist of two magnetic films 12, 14 separated by a high-resistivity thin-film non-magnetic layer 13.

Магниторезистивный датчик представляет собой мостовую схему (фиг. 3) из четырех тонкопленочных магниторезистивных полосок 15-18, четырех проводников 19-22, соединяющих тонкопленочные магниторезистивные полоски в мостовую схему. Четыре контактные площадки 23-26 в вершинах мостовой схемы соединены с проводниками 19-22. Сверху расположен проводник управления 27 с нанесенной поверх него тонкопленочной магнитной структурой. Проводник управления проходит над тонкопленочными магниторезистивными полосками 15-18 и имеет контактные площадки 28, 29. The magnetoresistive sensor is a bridge circuit (Fig. 3) of four thin-film magnetoresistive strips 15-18, four conductors 19-22 connecting the thin-film magnetoresistive strips into a bridge circuit. Four pads 23-26 at the tops of the bridge circuit are connected to conductors 19-22. On top is a control conductor 27 with a thin film magnetic structure deposited on top of it. The control conductor passes over the thin-film magnetoresistive strips 15-18 and has contact pads 28, 29.

В настоящее время существуют анизотропные, спин-вентильные и спин-туннельные магниторезистивные датчики. Заявляемое изобретение относится ко всем видам этих датчиков. В качестве примера рассмотрим магниторезистивный датчик с анизотропным магниторезистивным эффектом. Currently, there are anisotropic, spin-valve and spin-tunnel magnetoresistive sensors. The claimed invention relates to all types of these sensors. As an example, consider a magnetoresistive sensor with an anisotropic magnetoresistive effect.

Работа магниторезистивного датчика происходит следующим образом. При отсутствии внешнего магнитного поля, тока в проводнике управления 27 и сенсорного тока в мостовой схеме, векторы намагниченности магнитных пленок 5, 6 в тонкопленочных магниторезистивных полосках 15-18 и тонкопленочной магнитной структуры 10 устанавливаются вдоль ОЛН антипараллельно друг другу. При подаче через контактные площадки 23, 25 сенсорного тока в мостовую схему магниторезистивного датчика этот ток в каждой магниторезистивной полоске разбивается на два тока, протекающих через слои 5 и 6, причем ток в одном слое каждой магниторезистивной полоски создает в пленке другого слоя магнитное поле, перпендикулярное ОЛН, причем эти поля взаимно антипараллельны. Эти магнитные поля немного отклоняют векторы намагниченности в магнитных пленках 5, 6 от ОЛН в противоположных направлениях, что не нарушает замыкание размагничивающих магнитных полей. Воздействием магнитного поля, создаваемого сенсорным током в магниторезистивных полосках 15-18 на тонкопленочную магнитную структуру, можно пренебречь, по причине небольшой величины этого тока. Поскольку исходные величины сопротивлений тонкопленочных магниторезистивных полосок согласованы, а изменения их сопротивлений за счет отклонения векторов намагниченности под действием сенсорного тока одинаковы, баланс моста не нарушается, и разность потенциалов на контактных площадках 24, 26 равна нулю. В реальных условиях всегда существует технологический разбаланс, достигающий (приблизительно) ±1% от сопротивления мостовой схемы, влияние которого легко устраняется в усилителе считывания. The operation of the magnetoresistive sensor is as follows. In the absence of an external magnetic field, current in the control conductor 27 and sensor current in the bridge circuit, the magnetization vectors of the magnetic films 5, 6 in the thin-film magnetoresistive strips 15-18 and the thin-film magnetic structure 10 are installed along the OLS antiparallel to each other. When a sensor current is supplied through contact pads 23, 25 to a bridge circuit of a magnetoresistive sensor, this current in each magnetoresistive strip is divided into two currents flowing through layers 5 and 6, and the current in one layer of each magnetoresistive strip creates a magnetic field perpendicular to the film of the other layer OLN, and these fields are mutually antiparallel. These magnetic fields slightly deflect the magnetization vectors in magnetic films 5, 6 from the OLS in opposite directions, which does not violate the closure of the demagnetizing magnetic fields. The influence of the magnetic field created by the sensor current in the magnetoresistive strips 15-18 on the thin-film magnetic structure can be neglected due to the small value of this current. Since the initial values of the resistances of thin-film magnetoresistive strips are consistent, and the changes in their resistances due to the deviation of the magnetization vectors under the action of the sensor current are the same, the bridge balance is not disturbed, and the potential difference at the contact pads 24, 26 is zero. In real conditions, there is always a technological imbalance reaching (approximately) ± 1% of the resistance of the bridge circuit, the effect of which is easily eliminated in the readout amplifier.

При подаче в проводник управления 27 через контактные площадки 28, 29 постоянного тока управления создаваемое им магнитное поле будет действовать перпендикулярно ОЛН в одном направлении на тонкопленочные магниторезистивные полоски 15, 17 и в обратном направлении - на части магнитной структуры 10, расположенные над этими полосками. На тонкопленочные магниторезистивные полоски 16, 18 и магнитную структуру над этими полосками магнитное поле, создаваемое током управления, будет действовать в противоположном направлении. Под действием магнитного поля, создаваемого током управления, векторы намагниченности в тонкопленочных магниторезистивных полосках 15, 17 отклонятся от ОЛН на угол +φ, а в тонкопленочных магниторезистивных полосках 16, 18 - на угол -φ. Поскольку знак угла отклонения вектора намагниченности не влияет на характер изменения сопротивления тонкопленочных магниторезистивных полосок, то к разбалансу мостовой схемы это не приведет. В частях магнитной структуры вектора намагниченности повернутся на углы ±φ, но в противоположных направлениях. When applying a control current 27 to the control conductor 27 through the contact pads 28, 29, the magnetic field created by it will act perpendicularly to the ONF in one direction on the thin-film magnetoresistive strips 15, 17 and in the opposite direction on the parts of the magnetic structure 10 located above these strips. On thin-film magnetoresistive strips 16, 18 and the magnetic structure above these strips, the magnetic field generated by the control current will act in the opposite direction. Under the action of the magnetic field created by the control current, the magnetization vectors in the thin-film magnetoresistive strips 15, 17 deviate from the OLS by an angle of + φ, and in thin-film magnetoresistive strips 16, 18 by an angle of -φ. Since the sign of the angle of deviation of the magnetization vector does not affect the nature of the change in resistance of thin-film magnetoresistive strips, this will not lead to an imbalance of the bridge circuit. In parts of the magnetic structure, the magnetization vectors rotate by angles ± φ, but in opposite directions.

Таким образом, размагничивающие магнитные поля, создаваемые тонкопленочной магнитной структурой, будут всегда совпадать по направлению с магнитным полем, создаваемым током управления, т.е. будет происходить как бы усиление этого магнитного поля. С другой стороны, будет происходить частичное замыкание размагничивающих магнитных полей тонкопленочных магниторезистивных полосок 15-18 и магнитной структуры 10. Это приведет к уменьшению полей перемагничивания обеих структур, что означает увеличение чувствительности магниторезистивного датчика к магнитному полю. Thus, the demagnetizing magnetic fields generated by the thin-film magnetic structure will always coincide in direction with the magnetic field created by the control current, i.e. amplification of this magnetic field will occur. On the other hand, there will be a partial closure of the demagnetizing magnetic fields of thin-film magnetoresistive strips 15-18 and the magnetic structure 10. This will lead to a decrease in the magnetization reversal fields of both structures, which means an increase in the sensitivity of the magnetoresistive sensor to the magnetic field.

На фиг. 4 приведены ВЭХ магниторезистивного датчика без тонкопленочной магнитной структуры (а) и с ней (б). Оптимальные параметры магниторезистивного датчика следующие: ширина тонкопленочной магниторезистивной полоски 14 мкм, ширина проводника 22 мкм и длина 1 мм, толщина магниторезистивной пленки 12 нм, толщина магнитной пленки структуры 30 нм, поле анизотропин 5 Э при величине сенсорного тока 5 мА. Оптимальное значение тока в проводнике при отсутствии тонкопленочной магнитной структуры равно 50 мА, что соответствует максимальной чувствительности датчика 1,0 мВ/(ВхЭ). Оптимальное значение тока в проводнике управления при наличии тонкопленочной магнитной структуры толщиной 6 нм равно 40 мА, что соответствует максимальной чувствительности датчика 3,3 мВ/(ВхЭ). Можно видеть, что при наличии тонкопленочной магнитной структуры необходимая величина тока управления уменьшается, а чувствительность в области малых полей возрастает приблизительно втрое. Анализ показывает, что использование двухслойной тонкопленочной магнитной структуры менее эффективно, хотя тоже приводит к увеличению чувствительности. In FIG. Figure 4 shows the VEC of a magnetoresistive sensor without a thin-film magnetic structure (a) and with it (b). The optimal parameters of the magnetoresistive sensor are as follows: the width of the thin-film magnetoresistive strip is 14 μm, the width of the conductor is 22 μm and the length is 1 mm, the thickness of the magnetoresistive film is 12 nm, the thickness of the magnetic film of the structure is 30 nm, the anisotropin field is 5 Oe with a sensor current of 5 mA. The optimal current value in the conductor in the absence of a thin-film magnetic structure is 50 mA, which corresponds to a maximum sensor sensitivity of 1.0 mV / (VhE). The optimal current value in the control conductor in the presence of a 6 nm thick thin-film magnetic structure is 40 mA, which corresponds to a maximum sensor sensitivity of 3.3 mV / (VhE). It can be seen that, in the presence of a thin-film magnetic structure, the required control current decreases and the sensitivity in the field of small fields increases approximately threefold. Analysis shows that the use of a two-layer thin-film magnetic structure is less effective, although it also leads to an increase in sensitivity.

Магниторезистивный датчик измеряет магнитное поле, перпендикулярное ОЛН. Под действием этого магнитного поля все вектора намагниченности тонкопленочных магниторезистивных полосок 15-18 и магнитной структуры 10 повернутся в его направлении, причем в двух тонкопленочных магниторезистивных полосках угол поворота векторов относительно ОЛН увеличится, а в двух других - уменьшится. Это означает, что сопротивления одной пары противоположных плеч мостовой схемы увеличатся, а другой - уменьшатся. Таким образом мостовая схема разбалансируется, и на выходе магниторезистивного датчика на контактах 24, 26 появится выходной сигнал, полярность которого зависит от направления измеряемого магнитного поля, т.е. ВЭХ магниторезистивного датчика - нечетная. В линейной области ВЭХ датчика углы поворота векторов намагниченности тонкопленочной магнитной структуры 10 изменяется мало из-за большого влияния магнитного поля, создаваемого током управления, и при малых величинах измерительного поля положительное влияние замыкания размагничивающих магнитных полей превалирует над отрицательным фактором появления их несбалансированности под действием измеряемого магнитного поля. A magnetoresistive sensor measures a magnetic field perpendicular to the OLR. Under the influence of this magnetic field, all the magnetization vectors of thin-film magnetoresistive strips 15-18 and magnetic structure 10 will rotate in its direction, and in two thin-film magnetoresistive strips the angle of rotation of the vectors relative to the OLI will increase, and in the other two it will decrease. This means that the resistance of one pair of opposite shoulders of the bridge circuit will increase, and the other will decrease. Thus, the bridge circuit is unbalanced, and an output signal appears on the output of the magnetoresistive sensor at contacts 24, 26, the polarity of which depends on the direction of the measured magnetic field, i.e. VEC of the magnetoresistive sensor is odd. In the linear region of the SEC of the sensor, the rotation angles of the magnetization vectors of the thin-film magnetic structure 10 change little due to the large influence of the magnetic field created by the control current, and for small values of the measuring field, the positive effect of the closure of the demagnetizing magnetic fields prevails over the negative factor of the appearance of their imbalance under the influence of the measured magnetic fields.

Таким образом, теоретический анализ показывает существенное уменьшение тока управления и резкое увеличение чувствительности магниторезистивного датчика с нечетной ВЭХ при использовании тонкопленочной магнитной структуры, расположенной над проводником управления. Несмотря на усложнение конструкции магниторезистивного датчика и технологии его изготовления, для ряда задач, в первую очередь, связанных с предельно малыми измеряемыми магнитными полями, подобные датчики являются единственно возможным техническим решением для повышения их чувствительности Thus, a theoretical analysis shows a significant decrease in the control current and a sharp increase in the sensitivity of the magnetoresistive sensor with an odd HEC when using a thin-film magnetic structure located above the control conductor. Despite the complexity of the design of the magnetoresistive sensor and the technology of its manufacture, for a number of tasks, primarily related to extremely small measured magnetic fields, such sensors are the only possible technical solution to increase their sensitivity

Claims

1. A magnetoresistive sensor containing a substrate with a dielectric layer on which thin-film magnetoresistive strips are connected to the bridge circuit with an easy magnetization axis oriented along them, an insulating layer on top of the thin-film magnetoresistive strips, on which a control conductor is located above the thin-film magnetoresistive strips, and a control conductor is located along them a layer characterized in that a thin film magnetic structure is located above the control conductor between it and the protective layer of at least one soft magnetic film with an axis of easy magnetization directed along the axis of easy magnetization of thin-film magnetoresistive strips.

2. The magnetoresistive sensor according to claim 1, characterized in that in a thin-film magnetic structure containing two magnetic films, the latter are separated by a high-resistance non-magnetic thin-film layer.