Магниторезистивный преобразователь

Полезная модель относится к микроэлектронике и может быть использована в конструкции датчиков магнитного поля. 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. Магниточувствительный элемент 4 размещен на поверхности кристалла в области между заглублениями 2. 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. Технический результат, получаемый при реализации заявляемого изобретения, выражается в увеличении относительной чувствительности к слабому магнитному полю (до 1 мТл) и повышении соотношения сигнал/шум. 7 п. ф-лы, 4 фиг.

МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к микроэлектронике и может быть использована в конструкции датчиков магнитного поля.

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.

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.

Задача, на решение которой направлена полезная модель, состоит в создании миниатюрного датчика магнитного поля с высокой чувствительностью, широким динамическим диапазоном и стабильно воспроизводимыми параметрами при его изготовлении.

Технический результат, получаемый при реализации заявляемой полезной модели, выражается в повышении соотношения сигнал/шум.

Повышение соотношения сигнал/шум соответственно улучшает чувствительность датчика.

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.

В частном случае выполнения полезной модели в каждом плече мостовой схемы соединено, по меньшей мере, две магниторезистивные полоски.

В частном случае выполнения полезной модели магниторезистивные полоски выполнены в виде магниторезистивных полосок с анизотропным магниторезистивным эффектом.

В частном случае выполнения полезной модели магниторезистивные полоски выполнены в виде магниторезистивных полосок с гигантским магниторезистивным эффектом.

В частном случае выполнения полезной модели концентраторы выполнены из магнитомягкого ферромагнитного материала со значением относительной магнитной проницаемости не менее 1000. В частном случае выполнения полезной модели толщина первого слоя диэлектрика не более 1,5 мкм, а толщина второго слоя диэлектрика не более 2 мкм.

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.

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.

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, а вторая - с возможностью формирования магнитного поля перпендикулярного оси легкого намагничивания магниторезистивных полосок (катушки первого и второго типов). 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 предназначен 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. Использование двух вышеописанных планарных катушек обеспечивает уменьшение уровня шума.

Для увеличения крутизны вольт-эрстедной характеристики магниторезистивного преобразователя при сохранении довольно широкого линейного диапазона в целях увеличения соотношения сигнал/шум используются концентраторы магнитного поля. Сформированные заглубления позволяют разместить концентраторы магнитного поля максимально близко к чувствительной части магниторезистивного преобразователя. Концентраторы магнитного поля на основе магнитомягких ферромагнитных материалов с высокой магнитной проницаемостью позволяют усилить полезный сигнал.

Совместное использование планарных концентраторов, расположенных в сформированных углублениях в кристалле, размещение магниточувствительного элемента на поверхности кристалла в области между заглублениями, размещение над магниточувствительным элементом планарных катушек разных типов: с возможностью формирования магнитного поля вдоль (первая катушка) и перпендикулярно (вторая катушка) оси легкого намагничивания магниторезистивных полосок, обеспечивают получение синергетического эффекта по увеличению соотношения сигнал/шум, т.к. с одной стороны обеспечивается увеличение величины полезного сигнала, а с другой стороны уменьшается уровень шума.

Полезная модель поясняется следующими чертежами.

Фиг. 1 схематичное изображение магниторезистивного преобразователя;

Фиг. 2 разрез А-А фиг.1;

Фиг. 3 послойная структура магниточувствительного элемента;

Фиг. 4 мостовая схема соединения магниторезистивных полосок.

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). Магниточувствительный элемент 4 размещен на поверхности кристалла в области между заглублениями 2.

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).

На фиг. 3 изображена послойная структура магниточувствительного элемента. На кремниевом кристалле (подложке) 1 выполнен слой комбинированного изолирующего диэлектрика 9, над которым расположен 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 с первой планарной катушки 5. Затем через диэлектрический слой 8 расположен слой второй планарной катушки 7.Сверху пассивирующий слой комбинированного диэлектрика 12.

Магниточувствительный элемент выполнен в виде соединенных по мостовой схеме магниторезистивных полосок (фиг. 4).

Концентраторы изготавливаются из холоднокатаной пермаллоевой ленты. Концентраторы магнитного поля позволяют увеличить величину относительной чувствительности датчиков к внешнему магнитному полю до 2,5 и более мВ/В×Э.

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.

Был получен опытный образец с высокой характеристикой сигнал/шум при величине относительной чувствительности к слабому магнитному полю до 1 мТл.

1. Магниторезистивный преобразователь, содержащий выполненный на подложке магниточувствительный элемент в виде соединенных по мостовой схеме магниторезистивных полосок, расположенный между двух концентраторов, отличающийся тем, что 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.

2. Магниторезистивный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что в каждом плече мостовой схемы соединено, по меньшей мере, две магниторезистивные полоски.

3. Магниторезистивный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что магниторезистивные полоски выполнены в виде магниторезистивных полосок с анизотропным магниторезистивным эффектом.

4. Магниторезистивный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что магниторезистивные полоски выполнены в виде магниторезистивных полосок с гигантским магниторезистивным эффектом.

5. Магниторезистивный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что концентраторы выполнены из магнитомягкого ферромагнитного материала со значением относительной магнитной проницаемости не менее 1000.

6. Магниторезистивный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что толщина первого слоя диэлектрика не более 1,5 мкм.

7. Магниторезистивный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что толщина второго слоя диэлектрика не более 2 мкм.

РИСУНКИ