RU2279737C1

RU2279737C1 - Variable-resistance transducer

Info

Publication number: RU2279737C1
Application number: RU2005104408/28A
Authority: RU
Inventors: гилев Владимир Владимирович Д (RU); Владимир Владимирович Дягилев; Сергей Иванович Касаткин (RU); Сергей Иванович Касаткин; Андрей Михайлович Муравьев (RU); Андрей Михайлович Муравьев; Алексей Алексеевич Резнев (RU); Алексей Алексеевич Резнев; Александр Николаевич Сауров (RU); Александр Николаевич Сауров; Юрий Александрович Чаплыгин (RU); Юрий Александрович Чаплыгин
Priority date: 2005-02-18
Filing date: 2005-02-18
Publication date: 2006-07-10

Abstract

FIELD: automatic equipment, applicable in tachometers, devices of non-destructive inspection, displacement transducers, transducers for measurement of static and variable magnetic fields, electric current.

SUBSTANCE: all the thin-film variable-resistance strips in the variable-resistance transducer are oriented at an angle of 45 deg. relative to the axis of light magnetization, and the working sections of the control conductor are connected in the form of a meander.

EFFECT: reduced dimensions of the transducer, which makes it possible its cost and expand the field of its application.

4 dwg

Description

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано в тахометрах, устройствах неразрушающего контроля, датчиках перемещения, датчиках для измерения постоянного и переменного магнитного поля, электрического тока.The invention relates to the field of automation and can be used in tachometers, non-destructive testing devices, displacement sensors, sensors for measuring a constant and alternating magnetic field, electric current.

Известны магниторезистивные датчики, чувствительный элемент которых состоит из магниторезистивной полоски (Pat USA №4847568, 1989) с так называемыми полюсами Барбера. Полюс Барбера представляет собой низкорезистивный шунт, сформированный на поверхности магниторезистивной полоски под углом 45° к ее длине. В соседних плечах мостовой схемы полюс Барбера в магниторезистивных полосках имеет противоположное направление (±45°) для формирования нечетной вольт-эрстедной характеристики (ВЭХ).Known magnetoresistive sensors, the sensitive element of which consists of a magnetoresistive strip (Pat USA No. 4847568, 1989) with the so-called Barber poles. The Barber pole is a low-resistance shunt formed on the surface of a magnetoresistive strip at an angle of 45 ° to its length. On the adjacent shoulders of the bridge circuit, the Barber pole in the magnetoresistive strips has the opposite direction (± 45 °) to form an odd volt-oersted characteristic (HEC).

Недостатки такого датчика связаны с самими полюсами Барбера, которые необходимы для создания характеристики вход-выход. Кроме технологических сложностей, связанных с созданием полюсов Барбера, в таких магниторезистивных датчиках принципиально невозможно использовать магнитные сплавы с повышенной величиной поля магнитной анизотропии для сдвига диапазона измеряемых магнитных полей в область больших значений. Магниторезистивные датчики с магнитными сплавами с пониженным полем анизотропии, в которых применяются полюса Барбера, обладают повышенным гистерезисом, магнитным шумом и ТКС. Для устранения влияния гистерезиса на результаты измерения магнитного поля в таком датчике необходимо сформировать планарную катушку большого размера. При пропускании через нее импульса тока в катушке создается магнитное поле вдоль оси легкого намагничивания (ОЛН).The disadvantages of such a sensor are associated with the Barber poles themselves, which are necessary to create an input-output characteristic. In addition to the technological difficulties associated with the creation of Barber poles, it is fundamentally impossible to use magnetic alloys with an increased magnetic anisotropy field in such magnetoresistive sensors to shift the range of measured magnetic fields to a region of large values. Magnetoresistive sensors with magnetic alloys with a reduced anisotropy field, in which the Barber poles are used, have increased hysteresis, magnetic noise and TCS. To eliminate the effect of hysteresis on the results of measuring the magnetic field in such a sensor, it is necessary to form a planar coil of large size. When a current pulse is passed through it, a magnetic field is created in the coil along the axis of easy magnetization (OLS).

Недостаток, связанный с созданием полюсов Барбера, устранен в магниторезистивном датчике, все магниторезистивные полоски которого в соседних плечах мостовой схемы расположены под углами ±45° к ОЛН (В.И.Левашов и др. Квазимонодоменный магниторезистивный датчик // Микроэлектроника. Т.28. №2, С.131, 1999). При такой конструкции магниторезистивного датчика полюса Барбера не требуются, а ВЭХ формируется благодаря асимметрии топологии соседних плеч мостовой схемы. Недостатком такого датчика является сохранение необходимости формировать планарную катушку большого размера для создания магнитного поля вдоль ОЛН для устранения влияния гистерезиса.The disadvantage associated with the creation of the Barber poles was eliminated in the magnetoresistive sensor, all magnetoresistive strips of which in the adjacent shoulders of the bridge circuit are located at angles of ± 45 ° to the OLS (V.I. Levashov et al. Quasi-single-domain magnetoresistive sensor // Microelectronics. V.28. No. 2, P.131, 1999). With such a design, a magneto-resistive sensor does not require Barber poles, and a VEC is formed due to the asymmetry of the topology of the adjacent arms of the bridge circuit. The disadvantage of this sensor is that it remains necessary to form a large planar coil to create a magnetic field along the OLS to eliminate the effect of hysteresis.

Задачей, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является создание магниторезистивного датчика с уменьшенными размерами, что позволит понизить стоимость датчика и расширит область его применения.The task posed and solved by the present invention is the creation of a magnetoresistive sensor with reduced dimensions, which will reduce the cost of the sensor and expand its scope.

Указанный технический результат достигается тем, что в магниторезистивном датчике, содержащем подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположены соединенные в мостовую схему немагнитными низкорезистивными перемычками четыре ряда последовательно соединенных этими перемычками тонкопленочных магниторезистивных полосок, с верхним и нижним защитными слоями, первый изолирующий слой поверх тонкопленочных магниторезистивных полосок, на котором сформирован проводник управления с рабочими частями, расположенными над тонкопленочными магниторезистивными полосками вдоль каждого их ряда перпендикулярно оси легкого намагничивания, второй изолирующий слой, планарная катушка, рабочие части которой расположены вдоль оси легкого намагничивания и защитный слой, все тонкопленочные магниторезистивные полоски ориентированны под 45° относительно оси легкого намагничивания, а рабочие части проводника управления соединены в виде меандра.The indicated technical result is achieved in that in a magnetoresistive sensor containing a substrate with a dielectric layer on which four rows of thin-film magnetoresistive strips connected by a bridge with non-magnetic low-resistance jumpers are connected to the bridge circuit, with the upper and lower protective layers, the first insulating layer on top of the thin-film magnetos strips on which the control conductor is formed with working parts located above the thin-film and magnetoresistive strips along each row perpendicular to the axis of easy magnetization, a second insulating layer, a planar coil, the working parts of which are located along the axis of easy magnetization and a protective layer, all thin-film magnetoresistive strips are oriented at 45 ° relative to the axis of easy magnetization, and the working parts of the control conductor are connected in the form of a meander.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что все магниторезистивные полоски в датчике расположены под углом 45° относительно ОЛН, а проходящий над ними проводник управления имеет компактную форму меандра. Это означает, что при прохождении через проводник управления перед измерением магнитного поля импульсы тока для устранения влияния гистерезиса на результаты измерения, называемые в литературе импульсами set/reset, будут перемагничивать магниторезистивные полоски в соседних плечах мостовой схемы в противоположные стороны. Как будет показано ниже, такое направление векторов намагниченности в мостовой схеме магниторезистивного датчика в совокупности с направлением самих полосок относительно ОЛН создает нечетную ВЭХ.The essence of the proposed technical solution lies in the fact that all the magnetoresistive strips in the sensor are located at an angle of 45 ° relative to the OLR, and the control conductor passing above them has a compact meander shape. This means that when passing through the control conductor before measuring the magnetic field, current pulses to eliminate the influence of hysteresis on the measurement results, referred to in the literature as set / reset pulses, will magnetize magnetoresistive strips in the adjacent shoulders of the bridge circuit in opposite directions. As will be shown below, such a direction of the magnetization vectors in the bridge circuit of the magnetoresistive sensor in combination with the direction of the strips themselves with respect to the OLR creates an odd HEC.

Изобретение поясняется чертежами: на фиг.1 представлена структура магниторезистивного датчика в разрезе; на фиг.2 показана топология магниторезистивного датчика (вид сверху); на фиг.3 приведены теоретические ВЭХ V(H) магниторезистивного датчика с 1) пермаллоевыми магниторезистивными полосками, 2) FeNiCo магниторезистивными полосками; на фиг.4 приведены теоретические зависимости чувствительности S(H) магниторезистивного датчика с 1) пермаллоевыми магниторезистивными полосками, 2) FeNiCo магниторезистивными полосками.The invention is illustrated by drawings: in Fig.1 shows the structure of a magnetoresistive sensor in section; figure 2 shows the topology of the magnetoresistive sensor (top view); figure 3 shows the theoretical VEH V (H) magnetoresistive sensor with 1) permalloy magnetoresistive strips, 2) FeNiCo magnetoresistive strips; figure 4 shows the theoretical dependence of the sensitivity S (H) of a magnetoresistive sensor with 1) permalloy magnetoresistive strips, 2) FeNiCo magnetoresistive strips.

Магниторезистивный датчик содержит подложку 1 (фиг.1) с диэлектрическим слоем 2, на котором расположены четыре ряда магниторезистивных полосок, состоящие каждая из защитных слоев 3, 4 и ферромагнитной пленки 5. Сверху расположен первый изолирующий слой 6, на котором над магниторезистивными полосками вдоль каждого ряда сформирован проводник управления 7 со вторым изолирующим слоем 8. Далее расположена планарная катушка 9 с верхним защитным слоем 10.The magnetoresistive sensor contains a substrate 1 (Fig. 1) with a dielectric layer 2, on which four rows of magnetoresistive strips are located, each consisting of protective layers 3, 4 and a ferromagnetic film 5. On top is the first insulating layer 6, on which above the magnetoresistive strips along each a row, a control conductor 7 is formed with a second insulating layer 8. Next is a planar coil 9 with an upper protective layer 10.

Магниторезистивный датчик представляет собой мостовую схему (фиг.2) из четырех рядов магниторезистивных полосок 11-14, перемычек 15, соединяющих магниторезистивные полоски в мостовую схему. Проводник управления выполнен в виде меандра, рабочие части которого 16-19 проходят над рядами 11-14 магниторезистивных полосок, и имеет контактные площадки 20 и 21.The magnetoresistive sensor is a bridge circuit (figure 2) of four rows of magnetoresistive strips 11-14, jumpers 15 connecting the magnetoresistive strips into a bridge circuit. The control conductor is made in the form of a meander, the working parts of which 16-19 pass over the rows 11-14 of the magnetoresistive strips, and has contact pads 20 and 21.

Заявляемое изобретение относится к магниторезистивным датчикам с анизотропным магниторезистивным эффектом.The claimed invention relates to magnetoresistive sensors with an anisotropic magnetoresistive effect.

Работа магниторезистивного датчика происходит следующим образом. При отсутствии внешнего магнитного поля, тока в проводнике управления (фиг.2) и сенсорного тока в мостовой схеме векторы намагниченности магнитной пленки 5 (фиг.1) в рядах магниторезистивных полосок 11-14 (фиг.2) устанавливаются вдоль ОЛН. При подаче через контактные площадки 20 и 21 в проводник управления импульса тока создаваемое им магнитное поле будет действовать вдоль ОЛН на ряды магниторезистивных полосок 11 и 13 в одном направлении, а на ряды магниторезистивных полосок 12 и 14 - в противоположном. Под действием магнитного поля, создаваемого импульсом тока в проводнике управления, векторы намагниченности в рядах магниторезистивных полосок 11 и 13, 12 и 14 перемагнитятся в противоположные стороны. В реальных условиях всегда существует технологический разбаланс, достигающий приблизительно ±1% от сопротивления мостовой схемы, влияние которого можно устранить в усилителе считывания. Но лучшим решением является устранение технологического разбаланса с помощью подачи постоянного тока в планарную катушку 9. Полярность и величина тока определяется знаком и величиной разбаланса мостовой схемы магниторезистивного датчика. При этом упрощаются требования к усилителю считывания. Поскольку при анизотропном магниторезистивном эффекте знак угла отклонения вектора намагниченности не влияет на характер изменения сопротивления магниторезистивных полосок, то перемагничивание магниторезистивных полосок при подаче импульса тока в проводник управления к дополнительному разбалансу мостовой схемы датчика не приведет.The operation of the magnetoresistive sensor is as follows. In the absence of an external magnetic field, current in the control conductor (Fig. 2) and sensor current in the bridge circuit, the magnetization vectors of the magnetic film 5 (Fig. 1) in the rows of magnetoresistive strips 11-14 (Fig. 2) are installed along the OLR. When a current pulse is supplied through the contact pads 20 and 21 to the control conductor, the magnetic field created by it will act along the RID on the rows of magnetoresistive strips 11 and 13 in one direction, and on the rows of magnetoresistive strips 12 and 14 in the opposite direction. Under the influence of a magnetic field created by a current pulse in the control conductor, the magnetization vectors in the rows of magnetoresistive strips 11 and 13, 12 and 14 are magnetized in opposite directions. In real conditions, there is always a technological imbalance, reaching approximately ± 1% of the resistance of the bridge circuit, the effect of which can be eliminated in the read amplifier. But the best solution is to eliminate technological imbalance by supplying direct current to the planar coil 9. The polarity and magnitude of the current is determined by the sign and magnitude of the imbalance of the bridge circuit of the magnetoresistive sensor. This simplifies the requirements for a read amplifier. Since in the case of an anisotropic magnetoresistive effect, the sign of the angle of deviation of the magnetization vector does not affect the nature of the change in the resistance of the magnetoresistive strips, the magnetization reversal of the magnetoresistive strips when a current pulse is applied to the control conductor does not lead to additional imbalance of the sensor bridge circuit.

Магниторезистивный датчик измеряет магнитное поле, перпендикулярное ОЛН. Под действием этого магнитного поля все вектора намагниченности рядов магниторезистивных полосок 11-14 повернутся в его направлении, причем в двух рядах магниторезистивных полосок угол поворота векторов относительно ОЛН увеличится, а в двух других - уменьшится. Это означает, что сопротивления одной пары противоположных плеч мостовой схемы датчика увеличатся, а другой - уменьшатся. Таким образом, мостовая схема разбалансируется, и на выходе магниторезистивного датчика магнитного поля появится выходной сигнал, полярность которого зависит от направления измеряемого магнитного поля, при этом, как будет показано ниже, ВЭХ магниторезистивного датчика - нечетная. Для устранения влияния гистерезиса на результаты измерения магнитного поля необходимо применять тот же алгоритм, что и для магниторезистивных датчиков с полюсами Барбера. Полный цикл измерения магнитного поля состоит из двух измерений, при этом перед каждым измерением в проводник управления подается импульс set/reset противоположной полярности, перемагничивающий магниторезистивные полоски.A magnetoresistive sensor measures a magnetic field perpendicular to the OLR. Under the influence of this magnetic field, all the magnetization vectors of the rows of magnetoresistive strips 11-14 will turn in its direction, and in two rows of magnetoresistive strips the angle of rotation of the vectors relative to the OLI will increase, and in the other two it will decrease. This means that the resistance of one pair of opposite arms of the sensor bridge circuit will increase, and the other will decrease. Thus, the bridge circuit will be unbalanced, and an output signal will appear at the output of the magnetoresistive magnetic field sensor, the polarity of which depends on the direction of the measured magnetic field, and, as will be shown below, the VEH of the magnetoresistive sensor is odd. To eliminate the effect of hysteresis on the results of magnetic field measurements, it is necessary to apply the same algorithm as for magnetoresistive sensors with Barber poles. The full cycle of magnetic field measurement consists of two measurements, with a set / reset pulse of opposite polarity reversing magnetizing magnetoresistive strips being applied to the control conductor before each measurement.

В настоящее время в анизотропных магниторезистивных датчиках применяются пермаллоевые (FeNi) и FeNiCo магниторезистивные полоски. Пермаллой позволяет уменьшить пороговые значения измеряемого магнитного поля до приблизительно 0,1 мЭ, достигнуть величин чувствительности порядка 1-3 мВ/(В·Э). Верхний диапазон измеряемого магнитного поля достигает 2-6 Э. Использование FeNiCo сплава позволяет сдвинуть диапазон измеряемого магнитного поля в область более высоких полей приблизительно до 3-5 раз. При этом во столько же раз падает чувствительность, но уменьшаются магнитные шумы и ТКС. На фиг.3 приведены теоретические ВЭХ магниторезистивного датчика с пермаллоевыми (1) и с FeNiCo магниторезистивными полосками (2). Параметры магниторезистивного датчика следующие: величина анизотропного магниторезистивного эффекта - 1,5%, ширина и длина магниторезистивной полоски 20 и 300 мкм соответственно, толщина ферромагнитной пленки 20 нм, поле магнитной анизотропии пермаллоевой и FeNiCo пленок 3 и 15 Э соответственно, величина напряжения питания 5 В. Видно (фиг.3, 4), что ВЭХ пермаллоевого датчика линейна только при малых полях (до 1 Э), но чувствительность пермаллоевого датчика приблизительно втрое выше FeNiCo датчика.Currently, permalloy (FeNi) and FeNiCo magnetoresistive strips are used in anisotropic magnetoresistive sensors. Permalloy allows to reduce the threshold values of the measured magnetic field to approximately 0.1 mE, to achieve sensitivity values of the order of 1-3 mV / (V · E). The upper range of the measured magnetic field reaches 2-6 E. Using the FeNiCo alloy allows you to shift the range of the measured magnetic field to higher fields by about 3-5 times. In this case, the sensitivity decreases the same amount of time, but magnetic noise and TCS are reduced. Figure 3 shows the theoretical SEC of a magnetoresistive sensor with permalloy (1) and FeNiCo magnetoresistive strips (2). The parameters of the magnetoresistive sensor are as follows: the magnitude of the anisotropic magnetoresistive effect is 1.5%, the width and length of the magnetoresistive strip are 20 and 300 μm, respectively, the thickness of the ferromagnetic film is 20 nm, the magnetic anisotropy field of permalloy and FeNiCo films is 3 and 15 Oe, respectively, and the supply voltage is 5 V It is seen (Fig. 3, 4) that the VEC of the permalloy sensor is linear only at low fields (up to 1 Oe), but the sensitivity of the permalloy sensor is approximately three times higher than the FeNiCo sensor.

При Н>1 Э ВЭХ пермаллоевого датчика становится нелинейной и падает чувствительность. У FeNiCo датчика ВЭХ линейна до 5 Э. Проведенный анализ показывает, что чувствительность обоих типов магниторезистивных датчиков пропорциональна ширине полоски и обратно пропорциональна толщине ферромагнитной пленки.At H> 1 O, the VEC of the permalloy sensor becomes nonlinear and the sensitivity decreases. For FeNiCo, the HEC sensor is linear up to 5 Oe. The analysis shows that the sensitivity of both types of magnetoresistive sensors is proportional to the strip width and inversely proportional to the thickness of the ferromagnetic film.

Таким образом, теоретический анализ показывает, что предложенный магниторезистивный датчик с рядами магниторезистивных полосок, направленных под углом 45° к ОЛН, обладает нечетной ВЭХ с линейным участком при малых магнитных полях. При этом, ввиду того что проводник управления имеет компактную форму меандра вместо планарной катушки для магниторезистивного датчика с рядами полосок под углами ±45° к ОЛН, предлагаемый магниторезистивный датчик существенно меньше в размерах. Это позволит значительно увеличить число магниторезистивных датчиков на пластине, что уменьшит стоимость их производства и расширит области применения, в первую очередь, из-за компактности расположения таких датчиков в линейках и матрицах.Thus, a theoretical analysis shows that the proposed magnetoresistive sensor with rows of magnetoresistive strips directed at an angle of 45 ° to the wave arrester has an odd SEC with a linear section at low magnetic fields. Moreover, in view of the fact that the control conductor has a compact meander shape instead of a planar coil for a magnetoresistive sensor with rows of strips at angles of ± 45 ° to OLS, the proposed magnetoresistive sensor is significantly smaller in size. This will significantly increase the number of magnetoresistive sensors on the plate, which will reduce the cost of their production and expand the scope, primarily because of the compactness of the location of such sensors in the rulers and matrices.

Claims

A magnetoresistive sensor containing a substrate with a dielectric layer on which four rows of thin-film magnetoresistive strips connected in series with non-magnetic low-resistance jumpers are connected to the bridge circuit, with the upper and lower protective layers, the first insulating layer on top of the thin-film magnetoresistive control strips on which is formed working parts located above the thin-film magnetoresistive strips along each row perpendicular to the axis of easy magnetization, the second insulating layer, a planar coil, the working parts of which are located along the axis of easy magnetization, and a protective layer, characterized in that all thin-film magnetoresistive strips are oriented at an angle of + 45 ° or -45 ° relative to the axis of easy magnetization, and the working parts of the control conductor are connected in the form of a meander.