RU2568148C1 - Magnetoresistive converter - Google Patents
Magnetoresistive converter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2568148C1 RU2568148C1 RU2014133072/28A RU2014133072A RU2568148C1 RU 2568148 C1 RU2568148 C1 RU 2568148C1 RU 2014133072/28 A RU2014133072/28 A RU 2014133072/28A RU 2014133072 A RU2014133072 A RU 2014133072A RU 2568148 C1 RU2568148 C1 RU 2568148C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetoresistive
- concentrators
- strips
- magnetic field
- concentrator
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в конструкции датчиков магнитного поля.The invention relates to microelectronics and can be used in the construction of magnetic field sensors.
Известно изобретение по патенту Великобритании №2081973 (МПК H01L 43/04, опубл. 24.02.1982 г.), в котором описано техническое решение магниторезистивного преобразователя, содержащего размещенные на подложке два концентратора, между которыми размещен магниточувствительный элемент в виде соединенных по мостовой схеме магниторезистивных полосок.The invention is known according to British patent No. 2081973 (IPC H01L 43/04, published on February 24, 1982), which describes the technical solution of a magnetoresistive converter containing two concentrators placed on a substrate, between which a magnetically sensitive element is placed in the form of magnetoresistive connected over a bridge circuit stripes.
Известно изобретение по патенту РФ №2181460 (МПК F17D 5/06, F16L 55/48, опубл. 20.04.2002 г.), в котором описано техническое решение магниторезистивного преобразователя, содержащего размещенные на подложке два концентратора, между которыми размещен магниточувствительный элемент в виде соединенных по мостовой схеме магниторезистивных полосок. Данное техническое решение может быть использовано в качестве прототипа.The invention is known according to the patent of the Russian Federation No. 2181460 (IPC F17D 5/06, F16L 55/48, published on 04/20/2002), which describes the technical solution of a magnetoresistive converter containing two concentrators placed on a substrate, between which a magnetically sensitive element is placed in the form bridge-connected magnetoresistive strips. This technical solution can be used as a prototype.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании миниатюрного датчика магнитного поля с высокой чувствительностью, широким динамическим диапазоном и стабильно воспроизводимыми параметрами при его изготовлении.The problem to which the invention is directed, is to create a miniature magnetic field sensor with high sensitivity, a wide dynamic range and stably reproducible parameters in its manufacture.
Технический результат, получаемый при реализации заявляемого изобретения, выражается в увеличении относительной чувствительности к слабому магнитному полю (до 1 мТл) и повышении соотношения сигнал/шум.The technical result obtained by the implementation of the claimed invention is expressed in an increase in the relative sensitivity to a weak magnetic field (up to 1 mT) and an increase in the signal-to-noise ratio.
Для достижения вышеуказанного технического результата магниторезистивный преобразователь содержит выполненный на подложке магниточувствительный элемент в виде соединенных по мостовой схеме магниторезистивных полосок, расположенный между двух концентраторов, в качестве подложки использован кремниевый кристалл с выполненными в нем по меньшей мере двумя заглублениями, в которых размещены планарные концентраторы, магниточувствительный элемент размещен на поверхности кристалла в области между заглублениями, над магниточувствительным элементом размещена планарная катушка первого типа, выполненная с возможностью формирования магнитного поля вдоль оси легкого намагничивания магниторезистивных полосок, отделенная от магниточувствительного элемента первым слоем диэлектрика, над которой размещена планарная катушка второго типа, выполненная с возможностью формирования магнитного поля, перпендикулярного оси легкого намагничивания магниторезистивных полосок, отделенная от первой планарной катушки вторым слоем диэлектрика, причем величина зазора между концентраторами h составляет не более чем 2 толщины концентратора b и не менее чем 0,06 длины концентратора L.To achieve the above technical result, the magnetoresistive transducer contains a magnetically sensitive element on the substrate in the form of magnetoresistive strips connected via a bridge circuit located between two concentrators, a silicon crystal with at least two recesses made in it, in which planar concentrators are magnetically sensitive, is used as a substrate the element is placed on the surface of the crystal in the region between the recesses, above the magnetosensor The first element contains a planar coil of the first type, configured to form a magnetic field along the axis of easy magnetization of magnetoresistive strips, separated from the magnetically sensitive element by a first dielectric layer, above which a planar coil of the second type is placed, configured to form a magnetic field perpendicular to the axis of easy magnetization of magnetoresistive strips separated from the first planar coil by a second dielectric layer, the gap between the concent h proof operation is not more than the thickness of the hub 2 and b is not less than 0.06 concentrator length L.
В частном случае выполнения изобретения в каждом плече мостовой схемы соединены по меньшей мере две магниторезистивные полоски.In the particular case of the invention, at least two magnetoresistive strips are connected in each arm of the bridge circuit.
В частном случае выполнения изобретения магниторезистивные полоски выполнены виде магниторезистивных полосок с анизотропным магниторезистивным эффектом.In the particular case of the invention, the magnetoresistive strips are made in the form of magnetoresistive strips with an anisotropic magnetoresistive effect.
В частном случае выполнения изобретения магниторезистивные полоски выполнены в виде магниторезистивных полосок с гигантским магниторезистивным эффектом.In the particular case of the invention, the magnetoresistive strips are made in the form of magnetoresistive strips with a giant magnetoresistive effect.
В частном случае выполнения изобретения величина зазора между концентраторами h составляет 1,5-2 толщины концентратора b и 0,07-0,1 длины концентратора.In the particular case of the invention, the gap between the concentrators h is 1.5-2 the thickness of the concentrator b and 0.07-0.1 the length of the concentrator.
В частном случае выполнения изобретения концентраторы выполнены из магнитомягкого ферромагнитного материала со значением относительной магнитной проницаемости не менее 1000.In the particular case of the invention, the concentrators are made of soft magnetic ferromagnetic material with a relative magnetic permeability of at least 1000.
В частном случае выполнения изобретения толщина первого слоя диэлектрика не более 1,5 мкм. В частном случае выполнения изобретения толщина второго слоя диэлектрика не более 2 мкм.In the particular case of the invention, the thickness of the first dielectric layer is not more than 1.5 μm. In the particular case of carrying out the invention, the thickness of the second dielectric layer is not more than 2 μm.
Отличительными признаками являются: использование в качестве подложки кремниевого кристалла с выполненными в нем по меньшей мере двумя заглублениями, в которых размещены планарные концентраторы, размещение магниточувствительного элемента на поверхности кристалла в области между заглублениями, размещение над магниточувствительным элементом планарной катушки первого типа, выполненной с возможностью формирования магнитного поля вдоль оси легкого намагничивания магниторезистивных полосок, отделенной от магниточувствительного элемента первым слоем диэлектрика, размещение над планарной катушкой первого типа планарной катушки второго типа, выполненной с возможностью формирования магнитного поля, перпендикулярного оси легкого намагничивания магниторезистивных полосок, отделенной от первой планарной катушки вторым слоем диэлектрика, причем величина зазора между концентраторами h составляет не более чем 2 толщины концентратора b и не менее чем 0,06 длины концентратора L.Distinctive features are: the use of a silicon crystal as a substrate with at least two recesses made in it, in which planar concentrators are placed, the placement of a magnetically sensitive element on the crystal surface in the region between the recesses, and the placement of a planar coil of the first type above the magnetically sensitive element configured to form magnetic field along the axis of easy magnetization of magnetoresistive strips, separated from the magnetically sensitive element entom by the first dielectric layer, placed above a planar coil of the first type, a planar coil of the second type, configured to form a magnetic field perpendicular to the axis of easy magnetization of the magnetoresistive strips, separated from the first planar coil by a second dielectric layer, and the gap between the concentrators h is not more than 2 the thickness of the hub b and not less than 0.06 of the length of the hub L.
Магниторезистивный преобразователь выполнен на основе мостовой схемы включения тонкопленочных резисторов в виде магниторезистивных полосок, например с анизотропным магниторезистивным эффектом, который заключается в способности ферромагнитной (FeNiCo) пленки изменять свое сопротивление в зависимости от взаимной ориентации протекающего через нее тока и направления ее вектора намагниченности. Внешнее магнитное поле поворачивает вектор намагниченности пленки на некоторый угол, величина которого зависит от направления и величины этого поля. Что приводит к изменению сопротивления пленки и изменению соответственно выходного напряжения магниторезистивного моста.The magnetoresistive converter is made on the basis of a bridge circuit for connecting thin-film resistors in the form of magnetoresistive strips, for example, with an anisotropic magnetoresistive effect, which consists in the ability of a ferromagnetic (FeNiCo) film to change its resistance depending on the relative orientation of the current flowing through it and the direction of its magnetization vector. An external magnetic field rotates the magnetization vector of the film by a certain angle, the magnitude of which depends on the direction and magnitude of this field. Which leads to a change in the film resistance and a change in the output voltage of the magnetoresistive bridge, respectively.
В магниторезистивном преобразователе над магниторезистивными полосками размещены две планарные катушки, одна из которых выполнена с возможностью формирования магнитного поля вдоль оси легкого намагничивания магниторезистивных полосок (обозначенная как катушка первого типа), а вторая - с возможностью формирования магнитного поля, перпендикулярного оси легкого намагничивания магниторезистивных полосок (обозначенная как катушка второго типа). Поле, создаваемое катушкой первого типа, используется для компенсации технологического разбаланса мостового датчика или для полной компенсации измеряемого поля при использовании датчика в измерениях с обратной связью. Катушка второго типа предназначена для создания поля в направлении оси легкого намагничивания и используется для борьбы с одним из серьезных недостатков магниторезистивных датчиков - наличием гистерезиса, т.е. зависимости результатов текущего измерения от величины магнитного поля, ранее действовавшего на датчик.Two planar coils are placed in the magnetoresistive transducer above the magnetoresistive strips, one of which is configured to form a magnetic field along the axis of easy magnetization of the magnetoresistive strips (designated as the first type coil), and the second to form a magnetic field perpendicular to the axis of easy magnetization of the magnetoresistive strips ( designated as a coil of the second type). The field created by the first type of coil is used to compensate for the technological imbalance of the bridge sensor or to completely compensate for the measured field when using the sensor in feedback measurements. The second type of coil is designed to create a field in the direction of the axis of easy magnetization and is used to combat one of the serious drawbacks of magnetoresistive sensors - the presence of hysteresis, i.e. the dependence of the results of the current measurement on the magnitude of the magnetic field previously acting on the sensor.
Для увеличения крутизны вольт-эрстедной характеристики магниторезистивного преобразователя при сохранении довольно широкого линейного диапазона и высокого соотношения сигнал/шум используются концентраторы магнитного поля. Концентраторы магнитного поля на основе магнитомягких ферромагнитных материалов с высокой магнитной проницаемостью позволяют значительно увеличить величину относительной чувствительности к внешнему магнитному полю.To increase the steepness of the volt-oersted characteristic of the magnetoresistive converter while maintaining a fairly wide linear range and a high signal to noise ratio, magnetic field concentrators are used. Magnetic field concentrators based on soft magnetic ferromagnetic materials with high magnetic permeability can significantly increase the relative sensitivity to an external magnetic field.
Зависимость между величиной зазора и геометрическими размерами концентратора подобрана исходя из максимального увеличения концентрации магнитного поля в области магниточувствительного элемента.The relationship between the size of the gap and the geometric dimensions of the hub is selected based on the maximum increase in the concentration of the magnetic field in the region of the magnetically sensitive element.
Изобретение поясняется следующими чертежами:The invention is illustrated by the following drawings:
Фиг.1 - схематичное изображение магниторезистивного преобразователя.Figure 1 is a schematic illustration of a magnetoresistive transducer.
Фиг.2 - разрез А-А фиг. 1.FIG. 2 is a section aa of FIG. one.
Фиг.3 - послойная структура магниточувствительного элемента.Figure 3 - layer structure of the magnetically sensitive element.
Фиг.4 - мостовая схема соединения магниторезистивных полосок.Figure 4 - bridge connection of magnetoresistive strips.
Магниторезистивный преобразователь содержит кремниевый кристалл 1 с выполненными в нем по меньшей мере двумя заглублениями 2, в которых размещены планарные металлические концентраторы 3, и магниточувствительный элемент 4 (фиг. 1, 2). Между двумя заглублениями 2 образуется выступ. Магниточувствительный элемент 4 размещен на поверхности кристалла в области между заглублениями 2. Планарные металлические концентраторы выполнены длиной L и толщиной b, причем величина зазора между концентраторами h составляет не более чем 2 толщины концентратора b и не менее чем 0,06 длины концентратора L. Предпочтительно, величина зазора между концентраторами h составляет 1,5-2 толщины концентратора b и 0,07-0,1 длины концентратора L.The magnetoresistive transducer contains a
Над магниточувствительным элементом 4 размещена планарная катушка первого типа 5, выполненная с возможностью формирования магнитного поля вдоль оси легкого намагничивания магниторезистивных полосок, отделенная от магниточувствительного элемента первым слоем диэлектрика 6, над которой размещена планарная катушка второго типа 7, выполненная с возможностью формирования магнитного поля, перпендикулярного оси легкого намагничивания магниторезистивных полосок, отделенная от планарной катушки первого типа вторым слоем диэлектрика 8 (фиг. 3).A planar coil of the
На фиг. 3 изображена послойная структура магниточувствительного элемента. На кремниевом кристалле (подложке) 1 выполнен слой комбинированного изолирующего диэлектрика 9, над которым расположен слой магниторезистивный слой 4, включающий в себя нижний и верхний защитные слои Ti, содержащий мостовую схему из магниторезистивных полосок. Затем через межслойный диэлектрический слой 10 выполнен контактный слой 11 из алюминия, содержащий контакты к магниторезисторам. Над ним диэлектрический слой 6, над которым расположен слой первой планарной катушки 5. Затем через диэлектрический слой 8 расположен второй планарной катушки 7. Сверху пассивирующий слой комбинированного диэлектрика 12.In FIG. 3 shows a layered structure of a magnetically sensitive element. A layer of a combined insulating dielectric 9 is made on a silicon crystal (substrate) 1, over which a layer of a
Магниточувствительный элемент выполнен в виде соединенных по мостовой схеме магниторезистивных полосок (фиг. 4).The magnetosensitive element is made in the form of magnetoresistive strips connected by a bridge circuit (Fig. 4).
Концентраторы изготавливаются из магнитомягкого ферромагнитного материала со значением относительной магнитной проницаемости не менее 1000. Концентраторы могут быть изготовлены, например, из холоднокатаной пермаллоевой ленты.Hubs are made of soft magnetic ferromagnetic material with a relative magnetic permeability of at least 1000. Hubs can be made, for example, of cold-rolled permalloy tape.
Толщина первого слоя диэлектрика 6 составляет не более 1,5 мкм, а толщина второго слоя диэлектрика 8 не более 2 мкм.The thickness of the first layer of dielectric 6 is not more than 1.5 μm, and the thickness of the second layer of dielectric 8 is not more than 2 μm.
Концентраторы магнитного поля позволяют увеличить величину относительной чувствительности датчиков к внешнему магнитному полю до 2,5 и более мВ/В×Э.Concentrators of a magnetic field make it possible to increase the relative sensitivity of the sensors to an external magnetic field to 2.5 or more mV / V × Oe.
Заглубления 2 в кремнии 1 формируются методом плазмохимического травления с высоким аспектным соотношением (Bosch-процесс). Сформированные заглубления 2 позволяют разместить концентраторы магнитного поля 3 максимально близко к чувствительной части магниторезистивного преобразователя 4.Depths 2 in
Был выполнен датчик, где величина зазора между концентраторами h составляла 500 мкм, толщина концентратора b=350 мкм, а длина концентратора L=7,9 мм. При указанном выполнении магниторезистивного преобразователя согласно изобретению была достигнута чувствительность от 2,5 мВ/(В×Э).A sensor was made where the gap between the concentrators h was 500 μm, the thickness of the concentrator was b = 350 μm, and the length of the concentrator was L = 7.9 mm. With the indicated embodiment of the magnetoresistive converter according to the invention, a sensitivity of 2.5 mV / (V × E) was achieved.
Claims (8)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014133072/28A RU2568148C1 (en) | 2014-08-12 | 2014-08-12 | Magnetoresistive converter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014133072/28A RU2568148C1 (en) | 2014-08-12 | 2014-08-12 | Magnetoresistive converter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2568148C1 true RU2568148C1 (en) | 2015-11-10 |
Family
ID=54537336
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014133072/28A RU2568148C1 (en) | 2014-08-12 | 2014-08-12 | Magnetoresistive converter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2568148C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2636141C1 (en) * | 2016-07-14 | 2017-11-20 | Роберт Дмитриевич Тихонов | Film system for forming magnetic field |
RU189844U1 (en) * | 2018-11-08 | 2019-06-06 | Российская Федерация, от имени которой выступает Федеральное государственное казенное учреждение "Войсковая часть 68240" | The design of the magnetic field transducer based on nanostructures with a giant magnetoresistive effect |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2081973A (en) * | 1980-08-05 | 1982-02-24 | Itt Ind Ltd | Hall effect device |
RU2181460C1 (en) * | 2001-02-06 | 2002-04-20 | ЗАО "Нефтегазкомплектсервис" | Foreign matter-in-pipe line detector |
US20110309829A1 (en) * | 2009-02-10 | 2011-12-22 | Uwe Loreit | Assembly for measuring at least one component of a magnetic field |
-
2014
- 2014-08-12 RU RU2014133072/28A patent/RU2568148C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2081973A (en) * | 1980-08-05 | 1982-02-24 | Itt Ind Ltd | Hall effect device |
RU2181460C1 (en) * | 2001-02-06 | 2002-04-20 | ЗАО "Нефтегазкомплектсервис" | Foreign matter-in-pipe line detector |
US20110309829A1 (en) * | 2009-02-10 | 2011-12-22 | Uwe Loreit | Assembly for measuring at least one component of a magnetic field |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2636141C1 (en) * | 2016-07-14 | 2017-11-20 | Роберт Дмитриевич Тихонов | Film system for forming magnetic field |
RU189844U1 (en) * | 2018-11-08 | 2019-06-06 | Российская Федерация, от имени которой выступает Федеральное государственное казенное учреждение "Войсковая часть 68240" | The design of the magnetic field transducer based on nanostructures with a giant magnetoresistive effect |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10353020B2 (en) | Manufacturing method for integrated multilayer magnetoresistive sensor | |
JP6438959B2 (en) | Single chip Z-axis linear magnetoresistive sensor | |
CN105093138B (en) | Magnetic field detection sensor and the detector for magnetic field for using it | |
US9664754B2 (en) | Single chip push-pull bridge-type magnetic field sensor | |
EP2827165B1 (en) | Magnetoresistance magnetic field gradient sensor | |
JP6220971B2 (en) | Multi-component magnetic field sensor | |
US20140327437A1 (en) | Current sensor | |
US9322889B2 (en) | Low hysteresis high sensitivity magnetic field sensor | |
JPH08508105A (en) | Sensor using magnetoresistive element | |
TW201038957A (en) | Magnetic field sensing device | |
JP2019516094A (en) | Anisotropic magnetoresistance (AMR) sensor without set / reset device | |
RU2568148C1 (en) | Magnetoresistive converter | |
RU2436200C1 (en) | Magnetoresistive sensor | |
RU150181U1 (en) | MAGNETIC CONVERTER | |
TWI460434B (en) | Semiconductor device | |
US11009569B2 (en) | Magnetic field sensing device | |
US7279891B1 (en) | Permalloy bridge with selectable wafer-anistropy using multiple layers | |
CN117075007A (en) | Z-axis magnetic field sensor and processing and preparing method thereof | |
CN107290694B (en) | Inductive magnetic sensor for inhibiting directional crosstalk and preparation method thereof | |
RU2279737C1 (en) | Variable-resistance transducer | |
US11422167B2 (en) | Integrated current sensor with magnetic flux concentrators | |
JPH01105178A (en) | Current detector | |
JP6769882B2 (en) | Magnetic sensor | |
JP6739219B2 (en) | Magnetic sensor and magnetic field detection device | |
JP7244157B1 (en) | Magnetic sensor and magnetic detection method |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160813 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20170808 |
|
PD4A | Correction of name of patent owner |