RU2495514C1

RU2495514C1 - Magnetoresistive sensor

Info

Publication number: RU2495514C1
Application number: RU2012118207/28A
Authority: RU
Inventors: Людмила Анатольевна Ажаева; Андрей Викторович Веселов; Алексей Борисович Грабов; Сергей Иванович Касаткин; Людмила Владимировна Сергеева; Владимир Иванович Суханов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение измерительной техники"
Priority date: 2012-05-03
Filing date: 2012-05-03
Publication date: 2013-10-10

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: magnetoresistive sensor includes a closed bridge measuring circuit of four magnetoresistors formed of a film of ferromagnetic metal, a remagnetisation conductor made in the form of a meander from film of non-magnetic metal and a two-layer control conductor made in the form of a flat coil and consisting of a layer of non-magnetic metal and a layer of ferromagnetic metal.

EFFECT: reduction of power consumption of a magnetoresistive sensor.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам, а именно к магниторезистивным датчикам, основанным на использовании анизотропного магниторезистивного эффекта, и может быть использовано в измерительной технике в устройствах контроля и измерения магнитных полей, электрических токов и линейных перемещений.The invention relates to devices, namely, magnetoresistive sensors, based on the use of an anisotropic magnetoresistive effect, and can be used in measurement technology in devices for monitoring and measuring magnetic fields, electric currents and linear displacements.

Известен магниторезистивный датчик магнитного поля с нечетной передаточной характеристикой, содержащий мостовую измерительную схему из четырех магниторезисторов, сформированных из пленки магнитомягкого ферромагнитного металла (Патент US №4847568, 1989).Known magnetoresistive magnetic field sensor with an odd transfer characteristic, containing a bridge measuring circuit of four magnetoresistors formed from a film of magnetically soft ferromagnetic metal (US Patent No. 4847568, 1989).

Магниторезисторы в таком датчике представляют собой полоски, изготовленные методами литографии из пленки магнитомягкого ферромагнитного металла, ориентированные вдоль оси легкого намагничивания (ОЛН) исходной пленки. С целью формирования нечетной передаточной характеристики на поверхности полосок нанесены, так называемые, полосы Барбера, представляющие собой низкорезистивные шунты из немагнитного металла, ориентированные под углом 45° к длине полоски. Благодаря наличию низкорезистивных шунтов электрический ток в полосках течет примерно под углом 45° к длине полоски и, соответственно, к ОЛН полоски. В соседних плечах мостовой схемы полосы Барбера в магниторезистивных полосках под углом ±45° к длине полоски. Благодаря этому в отсутствие магнитного поля угол между направлением тока и намагниченностью полосок в соседних плечах моста составляет примерно ±45°. При появлении магнитного поля в направлении перпендикулярном направлению ОЛН угол между направлением тока и намагниченностью полосок в соседних плечах моста изменяется в разные стороны (в одних уменьшается, а в других увеличивается), что, в свою очередь, ведет к уменьшению и увеличению сопротивления магниторезисторов в соседних плечах и, соответственно, к изменению разбаланса мостовой схемы.The magnetoresistors in such a sensor are strips made by lithography methods from a film of magnetically soft ferromagnetic metal, oriented along the axis of easy magnetization (OLS) of the original film. In order to form an odd transfer characteristic, the so-called Barber bands are applied to the surface of the strips, which are low-resistance shunts made of non-magnetic metal oriented at an angle of 45 ° to the length of the strip. Due to the presence of low-resistance shunts, the electric current in the strips flows at an angle of approximately 45 ° to the length of the strip and, accordingly, to the OLS of the strip. In the adjacent shoulders of the bridge circuit of the Barber strip in magnetoresistive strips at an angle of ± 45 ° to the length of the strip. Due to this, in the absence of a magnetic field, the angle between the direction of the current and the magnetization of the strips in the adjacent shoulders of the bridge is approximately ± 45 °. When a magnetic field appears in the direction perpendicular to the OLS direction, the angle between the current direction and the magnetization of the strips in the adjacent shoulders of the bridge changes in different directions (decreases in some and increases in others), which, in turn, leads to a decrease and increase in the resistance of magnetoresistors in neighboring shoulders and, accordingly, to a change in the imbalance of the bridge circuit.

Недостатком такого датчика является технологическая сложность создания полос Барбера. Кроме того, в таких датчиках принципиально невозможно использовать ферромагнитные сплавы с повышенным значением поля магнитной анизотропии, что сужает диапазон измеряемых магнитных полей.The disadvantage of this sensor is the technological complexity of creating Barber bands. In addition, in such sensors it is fundamentally impossible to use ferromagnetic alloys with an increased value of the magnetic anisotropy field, which narrows the range of measured magnetic fields.

Прототипом предлагаемого технического решения является магниторезистивный датчик магнитного поля, содержащий следующие электрически изолированные друг от друга и от подложки функциональные элементы: замкнутую мостовую измерительную схему из четырех магниторезисторов, сформированных из пленки магнитомягкого ферромагнитного металла, проводник перемагничивания, сформированный виде меандра из пленки немагнитного металла и проводник управления, сформированный в виде плоской катушки из пленки немагнитного металла (Патент РФ №2279737 C1, МКИ H01L 43/08).The prototype of the proposed technical solution is a magnetoresistive magnetic field sensor containing the following functional elements electrically isolated from each other and from the substrate: a closed bridge measuring circuit of four magnetoresistors formed from a film of magnetically soft ferromagnetic metal, a magnetization reversal conductor, formed as a meander from a film of non-magnetic metal and a conductor control formed in the form of a flat coil of a film of non-magnetic metal (RF Patent No. 2279737 C1, CI H01L 43/08).

Магниторезисторы в таком датчике состоят из коротких полосок магнитомягкого ферромагнитного металла, соединенных последовательно низкорезистивными перемычками из немагнитного металла и ориентированных в соседних плечах моста под углом ±45° к оси легкого намагничивания (ОЛН) исходной пленки. Благодаря такому решению угол между намагниченностью полосок и ОЛН в соседних плечах моста в отсутствие внешнего поля составляет примерно ±45°, а при появлении магнитного поля в направлении, перпендикулярном ОЛН, начинает изменяться в противоположных направлениях, что, в свою очередь, ведет к изменению разбаланса мостовой схемы пропорционально значению напряженности магнитного поля.Magnetoresistors in such a sensor consist of short strips of soft magnetic ferromagnetic metal connected in series by low-resistive bridges made of non-magnetic metal and oriented in adjacent shoulders of the bridge at an angle of ± 45 ° to the axis of easy magnetization (OLS) of the original film. Due to this solution, the angle between the magnetization of the strips and the OLI in the adjacent shoulders of the bridge in the absence of an external field is approximately ± 45 °, and when a magnetic field appears in the direction perpendicular to the OLI, it begins to change in opposite directions, which, in turn, leads to a change in the imbalance bridge circuit is proportional to the value of the magnetic field strength.

Проводники перемагничивания и управления в таком датчике изготовлены из немагнитного металла. При этом проводник управления формируется в виде планарной катушки и используется для уменьшения начального сигнала (технологического разбаланса) его мостовой измерительной схемы. Для этого по проводнику управления пропускают постоянный ток. При прохождении тока вокруг рабочих полосок проводника управления возникает магнитное поле, которое приводит к изменению разбаланса мостовой схемы. Значение и направление тока, пропускаемого по проводнику управления, определяют при калибровке датчика в зависимости от значения и знака технологического разбаланса мостовой схемы. Это значение, как правило, выбирают таким, чтобы начальный сигнал (разбаланс мостовой измерительной схемы) датчика был близким к нулю при заданном (обычно нулевом) значении внешнего магнитного поля.Conductors of magnetization reversal and control in such a sensor are made of non-magnetic metal. In this case, the control conductor is formed in the form of a planar coil and is used to reduce the initial signal (technological imbalance) of its bridge measuring circuit. To do this, direct current is passed through the control conductor. With the passage of current around the working strips of the control conductor, a magnetic field arises, which leads to a change in the imbalance of the bridge circuit. The value and direction of the current passed through the control conductor is determined when calibrating the sensor, depending on the value and sign of the technological imbalance of the bridge circuit. This value, as a rule, is chosen so that the initial signal (imbalance of the bridge measuring circuit) of the sensor is close to zero for a given (usually zero) value of the external magnetic field.

Недостатком известного магниторезистивного датчика является его большое энергопотребление, обусловленное необходимостью задавать достаточно большой ток в проводнике управления для уменьшения начального сигнала датчика с большим по абсолютной величине значением технологического разбаланса. Указанный недостаток в свою очередь обусловлен низкой чувствительностью мостовой измерительной схемы датчика к току в его проводнике управления.A disadvantage of the known magnetoresistive sensor is its high power consumption, due to the need to set a sufficiently large current in the control conductor to reduce the initial sensor signal with a large absolute value of the technological imbalance. This drawback, in turn, is due to the low sensitivity of the bridge measuring circuit of the sensor to the current in its control conductor.

Задачей, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является: уменьшение энергопотребления магниторезистивного датчика.The problem posed and solved by the present invention is: reducing the energy consumption of the magnetoresistive sensor.

Указанный технический результат достигается тем, что в магниторезистивный датчик, содержащий мостовую измерительную схему из четырех магниторезисторов, сформированных из пленки ферромагнитного металла, проводники перемагничивания и управления, сформированные из пленки немагнитного металла введен дополнительный элемент, а именно на проводнике управления сформирован дополнительный слой из такого же ферромагнитного металла, что и магниторезисторы,The specified technical result is achieved by the fact that in the magnetoresistive sensor containing a bridge measuring circuit of four magnetoresistors formed from a film of a ferromagnetic metal, magnetization reversal and control wires formed from a film of a non-magnetic metal an additional element is introduced, namely, an additional layer of the same is formed on the control conductor ferromagnetic metal, like magnetoresistors,

Кроме того, ось легкого намагничивания дополнительного слоя ферромагнитного металла ориентирована параллельно оси легкого намагничивания пленки, из которой сформированы магниторезисторы. Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом устройстве создан двухслойный проводник управления, состоящий из слоя немагнитного металла с высокой проводимостью и слоя ферромагнетика. При этом рабочие полоски проводника (планарной катушки) управления ориентированы вдоль ОЛН магниторезисторов. В отсутствие тока в проводнике управления намагниченность ферромагнитного слоя в рабочих полосках управляющей катушки ориентирована вдоль ОЛН, т.е. вдоль длины рабочих полосок проводника управления. При пропускании тока по проводнику управления под воздействием магнитного поля, возникающего вокруг рабочих полосок, вектор намагниченности ферромагнитного слоя разворачивается в направлении, перпендикулярном полоске и тем самым усиливает компоненту вектора магнитного поля, созданного током. Такое техническое решение обеспечивает увеличение магнитного поля вокруг проводника управления соответствующего одному и тому же значению тока в проводнике управления и тем самым, повышение чувствительности мостовой измерительной схемы к току в проводнике управления. При этом благодаря тому, что дополнительный слой изготавливается из того же магнитомягкого ферромагнитного металла, что и магниторезисторы, не происходит увеличение гистерезиса выходного сигнала датчика.In addition, the axis of easy magnetization of an additional layer of ferromagnetic metal is oriented parallel to the axis of easy magnetization of the film from which the magnetoresistors are formed. The essence of the invention lies in the fact that in the proposed device created a two-layer control conductor, consisting of a layer of non-magnetic metal with high conductivity and a layer of ferromagnet. At the same time, the working strips of the conductor (planar coil) of the control are oriented along the magnetoresistor OLS. In the absence of current in the control conductor, the magnetization of the ferromagnetic layer in the working strips of the control coil is oriented along the OLS, i.e. along the length of the working strips of the control conductor. When the current is passed through the control conductor under the influence of a magnetic field arising around the working strips, the magnetization vector of the ferromagnetic layer is rotated in the direction perpendicular to the strip and thereby enhances the component of the magnetic field vector created by the current. Such a technical solution provides an increase in the magnetic field around the control conductor corresponding to the same current value in the control conductor and thereby, increasing the sensitivity of the bridge measuring circuit to the current in the control conductor. Moreover, due to the fact that the additional layer is made of the same soft magnetic ferromagnetic metal as the magnetoresistors, there is no increase in the hysteresis of the sensor output signal.

На фиг.1 представлена в разрезе структура датчика. На фиг.2 показан топологический рисунок датчика (вид сверху).Figure 1 presents in section the structure of the sensor. Figure 2 shows a topological drawing of the sensor (top view).

Магниторезистивный датчик содержит (фиг.1) подложку 1, на которой расположены следующие функциональные элементы магниторезистивного датчика: пленочные магниторезисторы, состоящие из слоя ферромагнитного металла 2 и защитных слоев 3 и 4, проводник перемагничивания 5, сформированный из пленки немагнитного металла и двухслойный проводник управления, состоящий из слоя немагнитного металла 6 и слоя ферромагнитного металла 7. Все функциональные элементы изолированы диэлектриком 8 друг от друга и подложки.The magnetoresistive sensor contains (Fig. 1) a substrate 1 on which the following functional elements of the magnetoresistive sensor are located: film magnetoresistors, consisting of a layer of ferromagnetic metal 2 and protective layers 3 and 4, a magnetization reversal conductor 5 formed from a film of non-magnetic metal and a two-layer control conductor, consisting of a layer of non-magnetic metal 6 and a layer of ferromagnetic metal 7. All functional elements are insulated by dielectric 8 from each other and the substrate.

Измерительная схема магниторезистивного датчика (фиг.2) представляет собой замкнутый мост, содержащий четыре магниторезистора R1, R2, R3 и R4 в виде коротких полосок ферромагнитного металла, соединенных низкорезистивными перемычками из немагнитного металла и ориентированных под углом ±45° к оси легкого намагничивания (ОЛН) исходной пленки и контактные площадки 9-12. Проводник перемагничивания 5, сформированный в виде меандра, рабочие полоски которого проходят над магниторезисторами, содержит контактные площадки 13 и 14. Проводник управления сформирован в виде планарной катушки и содержит контактные площадки 15 и 16. Рабочие полоски планарной катушки расположены над магниторезисторами и ориентированы вдоль ОЛН ферромагнитной пленки, из которой изготовлены магниторезисторы. ОЛН ферромагнитной пленки, нанесенной на управляющую катушку, ориентирована вдоль рабочих полосок катушки, т.е. параллельно ОЛН ферромагнитной пленки, из которой изготовлены магниторезисторы.The measuring circuit of the magnetoresistive sensor (Fig. 2) is a closed bridge containing four magnetoresistors R1, R2, R3 and R4 in the form of short strips of ferromagnetic metal connected by low-resistance jumpers made of non-magnetic metal and oriented at an angle of ± 45 ° to the axis of easy magnetization (OLN) ) the original film and pads 9-12. The magnetization reversal conductor 5, formed in the form of a meander, whose working strips pass above the magnetoresistors, contains contact pads 13 and 14. The control conductor is formed in the form of a planar coil and contains contact pads 15 and 16. The working strips of the planar coil are located above the magnetoresistors and are oriented along the OLM of the ferromagnetic the film from which the magnetoresistors are made. The OLF of the ferromagnetic film deposited on the control coil is oriented along the working strips of the coil, i.e. parallel to the OLF of the ferromagnetic film from which the magnetoresistors are made.

Предлагаемый магниторезистивный датчик работает следующим образом. Мостовая измерительная схема с помощью контактов 9 и 10 подключается к генератору напряжения, а с помощью контактов 10 и 12 к измерительному прибору (например, вольтметру). При отсутствии внешнего поля и тока в проводнике управления векторы намагниченности полосок, из которых состоят магниторезисторы устанавливаются вдоль ОЛН. (Магнитными полями вокруг магниторезисторов, вызванными измерительным током протекающим по плечам моста можно пренебречь, в силу их малости).The proposed magnetoresistive sensor operates as follows. The bridge measuring circuit is connected to the voltage generator using contacts 9 and 10, and to the measuring device (for example, a voltmeter) using contacts 10 and 12. In the absence of an external field and current in the control conductor, the magnetization vectors of the strips that make up the magnetoresistors are installed along the OLS. (The magnetic fields around the magnetoresistors caused by the measuring current flowing along the shoulders of the bridge can be neglected, due to their smallness).

При подаче через контактные площадки 13 и 14 в проводник перемагничивания короткого импульса тока, создаваемое им магнитное поле будет действовать вдоль ОЛН на полоски магниторезисторов R1 и R3 в одном направлении, а на полоски магниторезисторов R2 и R4 в противоположном направлении. Под действием магнитного поля, созданного импульсом тока в проводнике перемагничивания, векторы намагниченности полосок в магниторезисторах R1 и R3 и магниторезисторах R2 и R4 установятся в противоположных направлениях.When a short current pulse is applied through the contact pads 13 and 14 to the magnetization reversal conductor, the magnetic field created by it will act along the OLS on the strips of magnetoresistors R1 and R3 in one direction, and on the strips of magnetoresistors R2 and R4 in the opposite direction. Under the action of a magnetic field created by a current pulse in the magnetization reversal conductor, the magnetization vectors of the strips in the magnetoresistors R1 and R3 and magnetoresistors R2 and R4 are set in opposite directions.

Установившийся после прохождения такого импульса тока выходной сигнал мостовой измерительной схемы является начальным сигналом (технологическим разбалансом мостовой схемы) магниторезистивного датчика. Его значение может быть уменьшено практически до нуля с помощью подачи постоянного тока в катушку управления. Полярность и значение этого тока определяется знаком и значением начального сигнала мостовой схемы.After the passage of such a current pulse, the output signal of the bridge measuring circuit is the initial signal (technological imbalance of the bridge circuit) of the magnetoresistive sensor. Its value can be reduced to almost zero by supplying direct current to the control coil. The polarity and value of this current is determined by the sign and value of the initial signal of the bridge circuit.

При появлении внешнего магнитного поля в направлении перпендикулярном ОЛН сопротивление магниторезисторов R1, R3 и R2, R4 начинает изменяться в противоположных направлениях, что ведет к изменению разбаланса мостовой схемы пропорционально значению напряженности магнитного поля.When an external magnetic field appears in the direction perpendicular to the OLR, the resistance of the magnetoresistors R1, R3 and R2, R4 begins to change in opposite directions, which leads to a change in the imbalance of the bridge circuit in proportion to the value of the magnetic field strength.

Заявляемое техническое решение позволяет уменьшить абсолютное значение тока в проводнике управления необходимое для настройки начального сигнала датчика, и тем самим уменьшить на (50-80)% энергопотребление датчика.The claimed technical solution allows to reduce the absolute value of the current in the control conductor necessary to configure the initial signal of the sensor, and thereby reduce (50-80)% of the power consumption of the sensor.

Claims

1. A magnetoresistive sensor containing a bridge measuring circuit of four magnetoresistors formed from a film of a ferromagnetic metal, magnetization and control conductors formed from a film of a non-magnetic metal, characterized in that an additional layer of the same ferromagnetic metal is formed on the control conductor as the magnetoresistors.

2. The magnetoresistive sensor according to claim 1, characterized in that the axis of easy magnetization of an additional layer of ferromagnetic metal is oriented parallel to the axis of easy magnetization of the film from which the magnetoresistors are formed.