МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ДАТЧИК

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к магниторезистивным датчикам, основанным на использовании анизотропного магниторезистивного эффекта, и может быть использовано в устройствах контроля напряженности магнитного поля и бесконтактного контроля электрического тока.

Известен магниторезистивный датчик напряженности магнитного поля с нечетной передаточной характеристикой, содержащий мостовую измерительную схему из четырех магниторезисторов, сформированных из пленки магнитомягкого ферромагнитного металла (Патент US №4847584, МКИ H01L 43/00).

Магниторезисторы в таком датчике представляют собой полоски, изготовленные методами литографии из пленки магнитомягкого ферромагнитного сплава, соединенные последовательно низкорезистивными перемычками из немагнитного металла и 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 ориентированы 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 выходного сигнала (разбаланса) мостовой схемы.

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 их диапазон измерения.

Известен магниторезистивный датчик напряженности магнитного поля с нечетной передаточной характеристикой, содержащий следующие, электрически изолированные друг от друга и от подложки функциональные элементы: замкнутую мостовую измерительную схему из четырех магниторезисторов, сформированных из пленки магнитомягкого ферромагнитного сплава, проводник перемагничивания, сформированный в виде меандра из пленки немагнитного металла и проводник управления, сформированный в виде плоской катушки из пленки немагнитного металла (Патент РФ №2279737 С1, МКИ H01L 43/08).

В известном датчике магниторезисторы состоят из параллельных друг другу полосок магнитомягкого ферромагнитного сплава, соединенных последовательно низкорезистивными перемычками из немагнитного металла и ориентированных под углом +45° или -45° к оси легкого намагничивания (ОЛН) исходной пленки. Полоски ферромагнитного металла всех четырех резисторов моста параллельны друг другу и сгруппированы в четыре ряда, каждый из которых образует один магниторезистор. Четыре рабочие полоски меандра проводника перемагничивания расположены над четырьмя магниторезисторами так, что направление тока проводника управления над соседними магниторезисторами ориентировано в противоположные стороны. Благодаря такому решению после прохождения импульса тока по проводнику перемагничивания намагниченность полосок в соседних плечах моста устанавливается вдоль ОЛН и ориентирована в противоположные стороны. В отсутствие внешнего магнитного поля угол между направлением тока и намагниченностью полосок составляет примерно 45°. При воздействии внешнего магнитного поля в направлении, перпендикулярном ОЛН, угол между направлением тока и намагниченностью полосок в полосках соседних магниторезисторов начинает изменяться в противоположных направлениях. Благодаря этому сопротивления соседних резисторов изменяются в разные стороны (в одном увеличивается, а в другом уменьшается), что ведет к изменению выходного сигнала мостовой схемы. Датчик может использоваться для измерения напряженности магнитного поля разного направления (разного знака). При смене направления (знака) магнитного поля меняется и знак выходного сигнала.

Недостатком этого датчика является большая нелинейность передаточной характеристики при измерении магнитного поля разного знака из-за различия абсолютных значений коэффициента передачи такого датчика для магнитного поля разного знака. Использование линейной функции для описания передаточной характеристики этого датчика приводит к увеличению погрешности измерений.

Прототипом предлагаемого технического решения является магниторезистивный датчик, содержащий следующие электрически изолированные друг от друга и от подложки, функциональные элементы: замкнутую мостовую измерительную схему из четырех магниторезисторов, сформированных из пленки магнитомягкого ферромагнитного сплава, проводник перемагничивания, сформированный в виде меандра из пленки немагнитного металла, и проводник управления, сформированный в виде плоской катушки из пленки немагнитного металла (Нано- и микросистемная техника, №2, 2010, стр. 22-24).

В известном датчике магниторезисторы представляют собой четыре ряда параллельных друг другу магниторезистивных полосок из магнитомягкого ферромагнитного сплава, соединенных последовательно низкорезистивными перемычками из немагнитного металла. При этом в одной паре соседних магниторезисторов полоски ориентированы к оси легкого намагничивания исходной пленки под углом +45°, а в другой паре - под углом -45°. Четыре рабочие полоски меандра проводника перемагничивания расположены над четырьмя магниторезисторами и соединены между собой в виде меандра. Благодаря такому решению ток в рабочих полосках проводника управления над соседними магниторезисторами направлен в противоположные стороны. После прохождения импульса тока по проводнику перемагничивания намагниченность полосок устанавливается вдоль ОЛН и ориентирована в соседних магниторезисторах в противоположные стороны. При воздействии внешнего магнитного поля, направленного поперек ОЛН, все вектора намагниченности полосок поворачиваются в его направлении, причем в двух магниторезисторах угол между вектором намагниченности и направлением тока в полосках увеличивается, а в двух других - уменьшается. Благодаря этому сопротивление магниторезисторов изменяется в разные стороны (у двух увеличивается, а у двух других уменьшается). Магниторезисторы соединены в мостовую измерительную схему полосками из немагнитного металла таким образом, чтобы сопротивление соседних плеч мостовой измерительной схемы изменялось в противоположные стороны. Для этого проводники из немагнитного металла, соединяющие магниторезисторы в мостовую схему, в месте пересечения размещены в разных слоях многослойной пленочной структуры датчика. Такой датчик обладает нечетной, практически линейной передаточной характеристикой.

Недостатком известного датчика является пониженная надежность и технологическая сложность изготовления его мостовой измерительной схемы, обусловленная необходимостью размещения проводников, соединяющих магниторезисторы в мостовую схему, в разных слоях пленочной структуры датчика.

Задачей, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является: повышение надежности и упрощение технологии изготовления измерительной схемы датчика.

Указанный технический результат достигается тем, что в магниторезистивный датчик, содержащий мостовую измерительную схему из четырех магниторезисторов, сформированных из тонкой пленки ферромагнитного сплава в виде четырех рядов, состоящих из параллельных друг другу магниторезистивных полосок, закороченных последовательно перемычками из низкорезистивного немагнитного металла и ориентированных к оси легкого намагничивания исходной пленки ферромагнитного сплава в одной паре соседних магниторезисторов под углом +45°, а в другой паре под углом -45°, проводник перемагничивания, сформированный из пленки немагнитного металла в виде меандра, четыре рабочие полоски которого проходят над магниторезисторами, согласно изобретению в проводник перемагничивания введена дополнительная полоска, проходящая между двумя парами рабочих полосок проводника перемагничивания и соединенная с ними в виде меандра.

Сущность изобретения заключается в том, что дополнительная полоска, введенная в меандр проводника перемагничивания, позволяет обеспечить одинаковое направление тока и, соответственно, одинаковое направление вектора намагниченности в парах магниторезисторов, расположенных симметрично относительно дополнительной полоски. Такое техническое решение позволяет поместить мостовую измерительную схему в одном слое многослойной пленочной структуры датчика и тем самым повысить ее надежность и упростить технологию изготовления.

На фиг. 1 показан топологический рисунок датчика (вид сверху).

Измерительная схема магниторезистивного датчика представляет собой замкнутый мост, содержащий четыре магниторезистора R1, R2, R3 и R4 в виде коротких параллельных друг другу полосок ферромагнитного металла, соединенных низкорезистивными перемычками из немагнитного металла, и контактные площадки 1, 2, 3 и 4. Полоски ферромагнитного металла во всех магниторезисторах ориентированы под углом 45° к оси легкого намагничивания (ОЛН) исходной пленки, причем полоски в паре (R1, R2) перпендикулярны полоскам в паре (R3, R4). Проводник перемагничивания 5 содержит контактные площадки 6 и 7 и имеет форму меандра, рабочие полоски которого проходят над магниторезисторами R1, R2, R3 и R4, а дополнительная полоска расположена между парами магниторезисторов (R1, R2) и (R3, R4). Проводник управления сформирован в виде планарной катушки и содержит контактные площадки 8 и 9. Рабочие полоски проводника управления расположены над магниторезисторами и ориентированы вдоль ОЛН ферромагнитной пленки, из которой изготовлены магниторезисторы. Нерабочие полоски проводника управления для уменьшения размеров датчика расположены по обе стороны магниторезисторов.

Предлагаемый магниторезистивный датчик работает следующим образом. Мостовая измерительная схема с помощью контактов 1 и 3 подключается к источнику электрического питания (например, генератору напряжения), а с помощью контактов 2 и 4 к измерительному прибору (например, вольтметру). При отсутствии внешнего поля и тока в проводнике управления векторы намагниченности полосок, из которых состоят магниторезисторы, устанавливаются вдоль ОЛН. При подаче через контактные площадки 6 и 7 в проводник перемагничивания короткого импульса тока создаваемое им магнитное поле будет действовать вдоль ОЛН на полоски магниторезисторов R1 и R4 в одном направлении, а на полоски магниторезисторов R2 и R3 в противоположном направлении. Под действием магнитного поля, созданного импульсом тока в проводнике перемагничивания, векторы намагниченности полосок в магниторезисторах R1 и R4 и установятся в одном направлении, а в магниторезисторах R2 и R3 - в другом, как показано на фиг. 1. Установившийся после прохождения такого импульса выходной сигнал мостовой измерительной схемы является начальным сигналом (технологическим разбалансом мостовой схемы) магниторезистивного датчика. 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 выходного сигнала мостовой схемы пропорционально значению напряженности магнитного поля. При пропускании тока по проводнику управления в области расположения магниторезисторов возникает однородное магнитное поле, которое может использоваться для уменьшения технологического разбаланса мостовой схемы или для компенсации паразитного магнитного поля (например, магнитного поля объекта, на котором закреплен датчик).

Заявляемое техническое решение позволяет в 1,5-2 раза повысить надежность и упростить технологию изготовления датчика благодаря размещению мостовой измерительной схемы в одном слое многослойной пленочной структуры датчика.