Магниторезистивный датчик

 

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано в тахометрии, датчиках перемещений, устройствах измерения постоянного и переменного магнитного поля. Сущность: магниторезистивный датчик, содержащий подложку, на которой последовательно расположены первая магнитная пленка, разделительная пленка, вторая магнитная пленка, проводниковый и защитный слои, отличающийся тем, что на противоположной разделительной пленке поверхности по меньшей мере одной из магнитных пленок расположен дополнительный защитный слой, выполненный из материала, идентичного по своим физико-химическим свойствам материалу разделительной пленки и устойчивого к воздействиям технологического процесса образования топологии проводникового слоя, причем толщина дополнительного защитного слоя не превышает толщины разделительной пленки. 5 ил.

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано в тахометрах, датчиках перемещений, устройствах измерения постоянного и переменного магнитного поля.

Известны магниторезистивные датчики, чувствительный элемент которых состоит из однослойных магнитных пленок (патент США N 4847584 М.кл.⁴ H 01 L 43/00). Недостатками таких датчиков являются низкая чувствительность и высокий гистерезис, вызванные большими размагничивающими полями магнитной пленки, возникающими на ее краях.

Эти недостатки устранены в магниторезистивном датчике, чувствительный элемент которого содержит двуслойные магнитные пленки (авторское свидетельство N 1807534 М.кл.⁵ G 11 C 11/14). Наличие двух магнитных пленок, разделенных немагнитной прослойкой, приводит к практически полному замыканию магнитного потока и, таким образом, отсутствию размагничивающих магнитных полей. Недостатком такого датчика является изменение магнитных характеристик магнитных пленок из-за их окисления кислородом, содержащегося в защитном слое.

Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационной надежности устройства.

Технический результат достигается тем, что в магниторезистивном датчике, содержащем подложку, на которой последовательно расположены первая магнитная пленка, разделительная пленка, вторая магнитная пленка, проводниковый и защитный слой, на противоположной разделительной пленке поверхности по меньшей мере одной из магнитных пленок расположен дополнительный защитный слой, выполненный из материала, идентичного по своим физико-химическим свойствам материалу разделительной пленки и устойчивого к воздействиям технологического процесса образования топологии проводникового слоя, причем толщина дополнительного защитного слоя не превышает толщины разделительной пленки.

Существенными отличительными признаками в указанной выше совокупности являются наличие дополнительного защитного слоя, расположенного на противоположной разделительной пленке поверхности по меньшей мере одной из магнитных пленок и выполненного из материала, идентичного по своим физико-химическим свойствам материалу разделительной пленки и устойчивого к воздействиям технологического процесса образования топологии проводникового слоя, причем толщина дополнительного защитного слоя не превышает толщины разделительной пленки.

Выполнение одного или двух дополнительных защитных слоев, примыкающих непосредственно к магнитной пленке, из материала, идентичного материалу разделительной пленки и устойчивого к воздействиям, сопровождающим создание топологии проводникового слоя, обеспечивает появление у устройства нового свойства, предопределяющего положительный эффект и состоящего в повышении стабильности характеристик магнитных пленок, что увеличивает эксплуатационную надежность магниторезистивного датчика.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 и 2 показаны соответственно два варианта выполнения заявляемой структуры датчика в разрезе, на фиг. 3 приведена принципиальная схема датчика, на фиг. 4 и 5 показана топология магниторезистивных полосок меандра, составляющих датчик.

Магниторезистивный датчик состоит из подложки 1 (фиг. 1), на которой расположены первая магнитная пленка 2, разделительная пленка 3, вторая магнитная пленка 4, образующие чувствительный элемент, дополнительный защитный слой (слои) 5, слой проводников с контактами 6 и защитный слой 7. Цифрой 8 обозначен дополнительный диэлектрический слой на подложке. При его наличии перед первой магнитной пленкой 2 формируют дополнительный защитный слой 5, а затем все последующие слои (фиг. 2).

Структура датчика представляет собой мостовую схему четырех магнитосопротивлений 9-12, имеющих разные характеристики по сравнению с соседними относительно внешнего магнитного поля и четырех контактов 13-16 в вершинах мостовой схемы (фиг. 3). Различные зависимости изменения сопротивления элементов 9-12 объясняются тем, что каждое магнитосопротивление представляет собой меандр с длинными полосками, причем соседние меандры повернуты относительно друг друга на 90^o (фиг. 4 и 5). Такая топология приводит к большим размагничивающим магнитным полям, возникающих при перемагничивании в полосках меандра, где ОЛН магнитных пленок направлена поперек полосок меандра (фиг. 4) и существенно меньшим (приблизительно в b/a раз, где b длина полоски меандра, а a ее ширина) в случае, когда ОЛН направлена вдоль полоски меандра.

Работа магниторезистивного датчика происходит следующим образом. При отсутствии внешнего магнитного поля и постоянного тока в датчике, протекающего через контакты 13, 15, намагниченность в магниторезистивных элементах 9-12 устанавливается в двуслойных магнитных пленках вдоль оси легкого намагничивания (ОЛН) и антипараллельно друг другу. При пропускании постоянного тока черед датчик воздействием магнитных полей, направленных поперек полоски и создаваемых токами, протекающими в двух магнитных пленках, можно пренебречь, т.к. эти поля много меньше поля магнитной анизотропии.

Пусть внешнее магнитное поле подается в плоскости датчика под углом к ОЛН. В идеальном случае, когда толщины магнитных пленок одинаковы, размагничивающих магнитных полей нет и перемагничивание происходит когерентным вращением намагниченности. Под действием внешнего магнитного поля вектор намагниченности в пленках отклоняется на угол b<, при этом изменение сопротивления в магниторезистивных элементах 10, 12 пропорционально , а в элементах 9, 11 cos². Таким образом, разность напряжений на контактах 14, 16 будет пропорциональна (cos²-sin²) или sin2, т.е. при малых величинах b) напряжение сигнала считывания пропорционально углу отклонения, которое, в свою очередь, пропорционально внешнему магнитному полю. Токи, протекающие через разделительную пленку 3 и дополнительный защитный слой 5, много меньше токов, протекающих через две магнитные пленки, ввиду того, что разделительная пленка 3 и дополнительный защитный слой 5, имеющий толщину не более толщины разделительной пленки, выполнены из резистивных материалов, т.е. не происходит шунтирования магнитосопротивлений балластными сопротивлениями резистивных слоев. Дополнительный защитный слой 5 с подобной толщиной выполняет свою основную функцию, минимально шунтируя магниторезистивные пленки.

В то же время введение дополнительного защитного слоя резко увеличивает эксплуатационную надежность датчика, т.е. устраняет процессы окисления в магнитных пленках 2, 4, возникающих из-за наличия кислорода в диэлектрическом покрытии и защитном слое 7 (одним из распространенных в микроэлектронике материалов, применяемых для создания изолирующих и защитных слоев, является двуокись кремния SiO₂). Процессы окисления магнитной пленки приводят к ее необратимому разрушению и значительным изменениям параметров пленки.

Таким образом, применение дополнительного защитного слоя из того же материала, что и разделительная пленка, приводит к увеличению эксплуатационной надежности магниторезистивного датчика и практически не усложняет технологию его изготовления, т.к. напыление дополнительного слоя производится в одном цикле с нанесением магнитных пленок и разделительной пленки.

Выполнение дополнительного защитного слоя из материала (например, Ti, Ta), устойчивого к воздействиям, сопровождающим изготовление слоя проводников с контактами (например, Al, Cr-Cu-Cr), позволяет изготавливать проводниковый слой с контактами без использования изолирующего слоя, что значительно упрощает технологию изготовления магниторезистивного датчика.

Таким образом, при тех же технических характеристиках предлагаемое устройство обладает повышенной эксплуатационной надежностью.

Формула изобретения

Магниторезистивный датчик, содержащий подложку, на которой последовательно расположены первая магнитная пленка, разделительная пленка, вторая магнитная пленка, проводниковый и защитный слои, отличающийся тем, что на противоположной разделительной пленке поверхности по меньшей мере одной из магнитных пленок расположен дополнительный защитный слой, выполненный из материала, идентичного по своим физико-химическим свойствам материалу разделительной пленки и устойчивого к воздействиям технологического процесса образования топологии проводникового слоя, причем толщина дополнительного защитного слоя не превышает толщины разделительной пленки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5