магниторезистивный датчик

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.

Описание изобретения к патенту

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.