RU2453949C1

RU2453949C1 - Magnetoresistive gradiometer transducer

Info

Publication number: RU2453949C1
Application number: RU2011107156/28A
Authority: RU
Inventors: Сергей Иванович Касаткин (RU); Сергей Иванович Касаткин; Андрей Михайлович Муравьев (RU); Андрей Михайлович Муравьев; Владимир Викторович Амеличев (RU); Владимир Викторович Амеличев
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2012-06-20

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention can be used in tachometers, nondestructive inspection devices, displacement sensors, sensors for measuring constant and variable magnetic fields, electric current and biosensors. The magnetoresistive gradiometer transducer has a substrate with a dielectric layer on which there are thin-film magnetoresistive strips connected by nonmagnetic low-resistance connecting links into a bridge circuit, each strip having a top and a bottom protective layer with a ferromagnetic film in between. There is an insulating layer on top of the thin-film magnetoresistive strips. The thin-film magnetoresistive strips in the first and fourth arms of the bridge circuit lie perpendicular to the thin-film magnetoresistive strips of the second and third arms of the bridge circuit, wherein the first and second arms of the bridge circuit lie from the third and fourth arms of the bridge circuit at a distance not less than twice the length of the thin-film magnetoresistive strip.

EFFECT: invention enables design of a magnetoresistive gradiometer transducer with an even voltage versus oersted curve which goes into saturation with increase in magnetic field.

2 cl, 3 dwg

Description

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

Известен магниторезистивный преобразователь магнитного поля с четной вольт-эрстедной характеристикой (ВЭХ), в котором тонкопленочные магниторезистивные полоски в соседних плечах мостовой схемы расположены перпендикулярно друг другу (Н.П.Васильева, С.И.Касаткин, Н.Н.Аверин, A.M.Муравьев, А.Н.Носков. Разработка тонкопленочных двухслойных магниторезистивных датчиков // Приборы и системы управления. 1995. №2. С.24-26). Конструкция такого магниторезистивного преобразователя является компактной, ВЭХ формируется благодаря топологии мостовой схемы, при этом с возрастанием внешнего магнитного поля ВЭХ преобразователя выходит в насыщение. Недостатком магниторезистивного преобразователя является то, что он реагирует, как и все преобразователи, на все однородные и неоднородные магнитные поля, действующие на него. Часто же стоит задача выделить слабое неоднородное магнитное поле на фоне большого однородного магнитного поля.A magnetoresistive magnetic field transducer with an even volt-oersted characteristic (VEC) is known, in which thin-film magnetoresistive strips in adjacent shoulders of the bridge circuit are perpendicular to each other (N.P. Vasilieva, S.I. Kasatkin, N.N. Averin, AM Muraviev , AN Noskov. Development of thin-film two-layer magnetoresistive sensors // Instruments and control systems. 1995. No. 2. P.24-26). The design of such a magnetoresistive converter is compact, the HEC is formed due to the topology of the bridge circuit, and with an increase in the external magnetic field, the HEC converter saturates. The disadvantage of a magnetoresistive transducer is that it reacts, like all transducers, to all homogeneous and inhomogeneous magnetic fields acting on it. Often the task is to isolate a weak inhomogeneous magnetic field against a background of a large uniform magnetic field.

Данный недостаток устранен в магниторезистивном преобразователе-градиометре (С.И.Касаткин, A.M.Муравьев. Магниторезистивная головка-градиометр // Патент РФ №2366038). Недостатками этого магниторезистивного преобразователя-градиометра являются нечетная ВЭХ и ее спад при увеличении магнитного поля. В настоящее время существует ряд задач, в первую очередь для пороговых преобразователей, когда необходимо сохранять сигнал при больших локальных магнитных полях.This disadvantage is eliminated in a magnetoresistive transducer-gradiometer (S.I. Kasatkin, A.M. Muravyov. Magnetoresistive head-gradiometer // RF Patent No. 2366038). The disadvantages of this magnetoresistive transducer-gradiometer are the odd VEC and its decline with increasing magnetic field. Currently, there are a number of tasks, primarily for threshold converters, when it is necessary to store a signal at high local magnetic fields.

Задачей, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является создание магниторезистивного преобразователя-градиометра с четной ВЭХ, выходящей в насыщение с ростом магнитного поля.The problem posed and solved by the present invention is the creation of a magnetoresistive transducer-gradiometer with an even HEC, which saturates with increasing magnetic field.

Указанный технический результат достигается тем, что в магниторезистивном преобразователе-градиометре, содержащем подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположены соединенные в мостовую схему немагнитными низкорезистивными перемычками тонкопленочные магниторезистивные полоски, содержащие каждая верхний и нижний защитные слои, между которыми расположена ферромагнитная пленка, а поверх тонкопленочных магниторезистивных полосок расположен изолирующий слой, тонкопленочные магниторезистивные полоски в первом и четвертом плечах мостовой схемы расположены перпендикулярно тонкопленочным магниторезистивным полоскам второго и третьего плеч мостовой схемы, причем первое и второе плечи мостовой схемы расположены от третьего и четвертого плечей мостовой схемы на расстоянии не менее удвоенной длины тонкопленочной магниторезистивной полоски. Тонкопленочные магниторезистивные полоски могут содержать две ферромагнитные пленки, между которыми расположен разделительный слой.The indicated technical result is achieved in that in a magnetoresistive transducer-gradiometer containing a substrate with a dielectric layer, on which thin-film magnetoresistive strips connected to a bridge circuit with non-magnetic low-resistance jumpers are located, containing each upper and lower protective layers, between which a ferromagnetic film is located, and on top of the thin-film magnetoresistive strips is an insulating layer, thin-film magnetoresistive strips in the first and fourth pl At the ends of the bridge circuit, perpendicular to the thin-film magnetoresistive strips of the second and third shoulders of the bridge circuit are arranged, the first and second shoulders of the bridge circuit are located from the third and fourth shoulders of the bridge circuit at a distance of at least twice the length of the thin-film magnetoresistive strip. Thin-film magnetoresistive strips may contain two ferromagnetic films, between which a separation layer is located.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что при перпендикулярном расположении тонкопленочных магниторезистивных полосок в первом и четвертом плечах относительно их расположения во втором и третьем плечах мостовой схемы преобразователя-градиометра однородное магнитное поле не вызывает появление сигнала считывания на выходе мостовой схеме, т.е. это схема градиометра. А наличие достаточного расстояния между парами плеч позволяет только одной паре плеч преобразователя-градиометра реагировать на локальное неоднородное магнитное поле, причем его ВЭХ является четной с насыщением при возрастании магнитного поля.The essence of the proposed technical solution lies in the fact that when the thin-film magnetoresistive strips are perpendicular to the first and fourth arms relative to their location in the second and third arms of the transducer-gradiometer bridge circuit, a uniform magnetic field does not cause a read signal to appear at the output of the bridge circuit, i.e. This is a gradiometer circuit. And the presence of a sufficient distance between the pairs of shoulders allows only one pair of shoulders of the transducer-gradiometer to respond to a local inhomogeneous magnetic field, and its SEC is even with saturation with increasing magnetic field.

Изобретение поясняется чертежами: на фиг.1 представлена структура магниторезистивного преобразователя-градиометра в разрезе; на фиг.2 показана топология магниторезистивного преобразователя-градиометра (вид сверху), на фиг.3 представлена теоретическая ВЭХ преобразователя-градиометра.The invention is illustrated by drawings: in Fig.1 shows the structure of a magnetoresistive transducer-gradiometer in section; figure 2 shows the topology of the magnetoresistive transducer-gradiometer (top view), figure 3 presents the theoretical VEC of the transducer-gradiometer.

Магниторезистивный преобразователь-градиометр содержит подложку 1 (фиг.1) с диэлектрическим слоем 2, на котором расположены тонкопленочные магниторезистивные полоски, состоящие каждая из защитных слоев 3, 4, ферромагнитных пленок 5, 6 и разделительного слоя 7. Сверху расположен защитный слой 8.The magnetoresistive transducer-gradiometer contains a substrate 1 (Fig. 1) with a dielectric layer 2 on which thin-film magnetoresistive strips are located, each consisting of protective layers 3, 4, ferromagnetic films 5, 6 and the separation layer 7. On top is a protective layer 8.

Магниторезистивный преобразователь-градиометр представляет собой мостовую схему (фиг.2) из рядов тонкопленочных магниторезистивных полосок в плечах 9-12 (первое-четвертое плечи) и низкорезистивных перемычек, последовательно соединяющих тонкопленочные магниторезистивные полоски в мостовую схему.Magnetoresistive transducer-gradiometer is a bridge circuit (figure 2) of the rows of thin-film magnetoresistive strips in the shoulders 9-12 (the first and fourth shoulders) and low-resistance jumpers, sequentially connecting thin-film magnetoresistive strips in the bridge circuit.

Заявляемое изобретение относится к магниторезистивным преобразователям-градиометрам магнитного поля на основе металлических многослойных ферромагнитных наноструктур с анизотропным магниторезистивным эффектом. При этом виде магниторезистивного эффекта изменение сопротивления ферромагнитной пленки в магнитном поле пропорционально sin²φ, где φ - угол между вектором намагниченности М ферромагнитной пленки тонкопленочной магниторезистивной полоски и направлением протекающего в ней сенсорного тока.The claimed invention relates to magnetoresistive transducers-gradiometers of a magnetic field based on metal multilayer ferromagnetic nanostructures with an anisotropic magnetoresistive effect. In this form of the magnetoresistive effect, the change in the resistance of the ferromagnetic film in the magnetic field is proportional to sin ² φ, where φ is the angle between the magnetization vector M of the ferromagnetic film of the thin-film magnetoresistive strip and the direction of the sensor current flowing through it.

Работа магниторезистивного преобразователя-градиометра происходит следующим образом. Рассмотрим случай многослойной наноструктуры с двумя ферромагнитными пленками 5 и 6. При отсутствии внешнего магнитного поля и сенсорного тока в мостовой схеме векторы намагниченности ферромагнитных пленок 5 и 6 (фиг.1) в двух рядах тонкопленочных магниторезистивных полосок плечей 9-12 (фиг.2) устанавливаются вдоль оси легкого намагничивания (ОЛН) ферромагнитных пленок антипараллельно друг другу. ОЛН направлена вдоль длины тонкопленочных магниторезистивных полосок одной из пар плеч мостовой схемы. При подаче в мостовую схему преобразователя-градиометра сенсорного тока появится постоянный сигнал считывания, определяемый технологическим разбалансом его мостовой схемы, и незначительно изменится направление векторов намагниченности ферромагнитных пленок 5 и 6 тонкопленочных магниторезистивных полосок. Однородное внешнее магнитное поле Н, перпендикулярное ОЛН, приведет к развороту векторов намагниченности ферромагнитных пленок 5 и 6 тонкопленочных магниторезистивных полосок в плечах 9-12 по направлению Н. В тонкопленочных магниторезистивных полосках 9 и 12 плечах мостовой схемы угол между направлением сенсорного тока и векторами намагниченности ферромагнитных пленок 5 и 6 возрастет, в полосках 10 и 11 плеча - угол уменьшится. В соответствии с анизотропным магниторезистивным эффектом магнитосопротивление 9 и 12 плеч мостовой схемы возрастет, а 10 и 11 плеч - уменьшится. Это означает отсутствие сигнала считывания на выходе мостовой схемы при внешнем однородном магнитном поле, т.е. данная конструкция магниторезистивного преобразователя соответствует градиометру.The operation of the magnetoresistive transducer-gradiometer is as follows. Consider the case of a multilayer nanostructure with two ferromagnetic films 5 and 6. In the absence of an external magnetic field and sensor current in the bridge circuit, the magnetization vectors of the ferromagnetic films 5 and 6 (Fig. 1) in two rows of thin-film magnetoresistive strips of arms 9-12 (Fig. 2) are installed along the axis of easy magnetization (OLS) of the ferromagnetic films antiparallel to each other. OLN is directed along the length of thin-film magnetoresistive strips of one of the pairs of shoulders of the bridge circuit. When a sensor current is fed into the bridge circuit of the transducer-gradiometer, a constant reading signal appears, determined by the technological imbalance of its bridge circuit, and the direction of the magnetization vectors of ferromagnetic films 5 and 6 of thin-film magnetoresistive strips changes slightly. A uniform external magnetic field H, perpendicular to the OLS, will lead to the reversal of the magnetization vectors of the ferromagnetic films 5 and 6 of the thin-film magnetoresistive strips in the arms 9-12 in the direction N. films 5 and 6 will increase, in strips 10 and 11 of the shoulder - the angle will decrease. In accordance with the anisotropic magnetoresistive effect, the magnetoresistance of the 9th and 12th arms of the bridge circuit will increase, while the 10th and 11th arms will decrease. This means that there is no read signal at the output of the bridge circuit with an external uniform magnetic field, i.e. This design of the magnetoresistive transducer corresponds to a gradiometer.

Действие локального магнитного поля Н_Л на два рабочих плеча приведет к развороту векторов намагниченности ферромагнитных пленок 5 и 6 тонкопленочных магниторезистивных полосок в плечах 9 и 10 по направлению Н_Л. На балластные плечи 11 и 12 Н_Л не действует и сигнала считывания они не дают. В рабочих плечах 9 и 10 изменение магнитосопротивления приводит к сигналу считывания. Ввиду квадратичной зависимости изменения магнитосопротивления при анизотропном магниторезистивном эффекте ВЭХ преобразователя-градиометра будет четной и выходить в насыщение с ростом локального магнитного поля.The action of the local magnetic field N _L on two working arms will lead to a reversal of the magnetization vectors of the ferromagnetic films 5 and 6 of thin-film magnetoresistive strips in the arms 9 and 10 in the direction of N _L. On ballast shoulders 11 and 12 N _{L is} not valid and they do not give a read signal. In the working arms 9 and 10, a change in the magnetoresistance leads to a read signal. In view of the quadratic dependence of the change in magnetoresistance under the anisotropic magnetoresistive effect, the HEC of the transducer-gradiometer will be even and will become saturated with increasing local magnetic field.

На фиг.3 приведена теоретическая четная ВЭХ магниторезистивного преобразователя-градиометра на основе двухслойных FeNiCo₆ ферромагнитных пленок 5 и 6 толщиной 12 нм с размерами тонкопленочной магниторезистивной полоски 14×260 мкм² для локального магнитного поля, действующего на два рабочих плеча 9 и 10 при напряжении питания 10 В. Величина анизотропного магниторезистивного эффекта - 2%. ВЭХ данного преобразователя-градиометра аналогична ВЭХ обычного преобразователя, но ввиду того, что рабочими плечами являются только два плеча, в отличие от четырех рабочих плеч обычного магниторезистивного преобразователя, величина сигнала считывания и чувствительность преобразователя-градиометра вдвое меньше обычного преобразователя.Figure 3 shows the theoretical even VEC of a magnetoresistive transducer-gradiometer based on bilayer FeNiCo ₆ ferromagnetic films of 5 and 6 with a thickness of 12 nm with the dimensions of a thin-film magnetoresistive strip 14 × 260 μm ² for a local magnetic field acting on two working arms 9 and 10 at a voltage power supply 10 V. The magnitude of the anisotropic magnetoresistive effect is 2%. The VEC of this transducer-gradiometer is similar to the VEC of a conventional transducer, but due to the fact that only two arms are the working arms, unlike the four working arms of a conventional magnetoresistive transducer, the reading signal and the sensitivity of the transducer-gradiometer are half that of a conventional transducer.

Таким образом, предложенный магниторезистивный преобразователь-градиометр магнитного поля с перпендикулярно расположенными тонкопленочными магниторезистивными полосками в рабочих и балластных парах плеч мостовой схемы, разнесенных друг относительно друга, обладает заявленными свойствами. Преобразователь-градиометр не реагирует на внешнее однородное магнитное поле и обладает четной ВЭХ с ее насыщением при возрастании внешнего локального магнитного поля, действующего на рабочую пару плеч мостовой схемы преобразователя-градиометра.Thus, the proposed magnetoresistive transducer-gradiometer of a magnetic field with perpendicularly disposed thin-film magnetoresistive strips in the working and ballast pairs of shoulders of the bridge circuit spaced relative to each other, has the declared properties. The transducer-gradiometer does not respond to an external uniform magnetic field and possesses an even HEC with its saturation with increasing external local magnetic field acting on the working pair of shoulders of the bridge circuit of the transducer-gradiometer.

Claims

1. Magnetoresistive transducer-gradiometer containing a substrate with a dielectric layer on which thin-film magnetoresistive strips are connected to the bridge circuit by non-magnetic low-resistance jumpers, each of which has an upper and lower protective layer, between which a ferromagnetic film is located, and an insulating layer is located on top of the thin-film magnetoresistive strips characterized in that the thin-film magnetoresistive strips in the first and fourth shoulders of the bridge circuit are erpendikulyarno thin film magnetoresistive strips of the second and third arms of the bridge circuit, wherein the first and second arm of the bridge circuit are located on the third and fourth arm of the bridge circuit at a distance not less than twice the length of the magnetoresistive thin film strips.

2. The magnetoresistive transducer-gradiometer according to claim 1, characterized in that the thin-film magnetoresistive strips contain two ferromagnetic films between which there is a separation layer.