МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2007, том 36, № 2, с. 103-108
ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ ^^^^^^^^^^ И МИКРОСТРУКТУР
УДК 621.382
ОДНОСЛОЙНЫЕ АНИЗОТРОПНЫЕ МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЕ ДАТЧИКИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ И ТОКА
С НАКЛОННЫМИ ПОЛОСКАМИ
© 2007 г. В. В. Дягилев1, А. Н. Сауров1, А. А. Резнёв2, С. И. Касаткин3, А. М. Муравьёв3
1НПК Технологический Центр МИЭТ 2НИИ ФСБ РФ 3Институт проблем управления Российской АН E-mail: Serkasat@ipu.rssi.ru Поступила в редакцию 12.04.2006 г.
Рассмотрены результаты теоретических, экспериментальных и технологических исследований однослойных анизотропных магниторезистивных датчиков магнитного поля нового типа с магнито-чувствительным элементом в виде набора полос, выполненных наклонно по отношению к оси легкого намагничивания. Основным отличием предложенного датчика является встречное расположение векторов намагниченности магнитных полосок соседних плеч мостовой схемы датчика. Это позволило существенно уменьшить размеры датчика.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в мире разрабатываются и выпускаются магниторезистивные (МР) датчики магнитного поля на основе анизотропного (АМР), спин-вентильного и спин-туннельного эффектов [1]. Величина анизотропного МР-эффекта не превышает 2.0-2.5%, величины двух последних, относящихся к гигантскому МР-эффекту - от 4% до 70%. Для изготовления элементов на гигантском МР-эффекте требуется современное напылитель-ное оборудование. Кроме МР-датчиков, в мире начат промышленный выпуск МР запоминающих устройств с произвольной выборкой (MRAM): фирмой Motorola в конце 2003 г. начат выпуск 4-Мбитного энергонезависимого MRAM [2]. Активно ведутся разработки логических элементов и спиновых транзисторов, на основе которых и МР запоминающих элементов с гигантским МР-эффектом планируется разработка специализированных МР-процессоров без полупроводниковых элементов [3].
Несмотря на значительные успехи в разработке спин-вентильных датчиков, анизотропные МР-датчики по причине своей технологической простоты, дешевизны и высоких технических характеристик не потеряли своей перспективности. Известны однослойные анизотропные МР-датчики, выпускаемые фирмами Honeywell и Philips, чувствительный элемент которых состоит из МР-по-лоски с так называемыми полюсами Барбера и расположен вдоль оси легкого намагничивания. Полюс Барбера представляет собой низкорези-стивный шунт, сформированный на поверхности МР-полоски под углом 45° к ее продольной оси. В
соседних плечах мостовой схемы для формирования нечетной вольт-эрстедной характеристики (ВЭХ). полюса Барбера имеют противоположные направления (+45° и -45°).
Недостатки такого датчика связаны с самими полюсами Барбера, которые необходимы для формирования ВЭХ. Кроме технологических сложностей, связанных с созданием полюсов Барбера, в таких МР-датчиках принципиально невозможно использовать магнитные сплавы с повышенной величиной поля магнитной анизотропии для сдвига диапазона измеряемых магнитных полей в область больших значений. МР-датчики на основе магнитных сплавов с пониженным полем анизотропии, в которых применяются полюса Барбера, обладают повышенными 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 катушку импульса тока на МР-полоски действует магнитное поле, направленное вдоль оси легкого намагничивания.
Недостаток, связанный с наличием полюсов Барбера, устранен в МР-датчике, все МР-полоски которого в соседних плечах мостовой схемы расположены взаимно перпендикулярно и под углами +45° и -45° к оси легкого намагничивания [4]. При такой конструкции МР-датчика полюса Бар-бера 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 оси легкого намагничивания с целью устранения влияния гистерезиса.
Другим способом, позволяющим избавиться от необходимости формирования полюсов Бар-бера и, что значительно более важно, многократно уменьшить гистерезис в анизотропных MP-датчиках, является создание многослойных анизотропных MP-датчиков [5, 6]. В то же время многослойность магнитной структуры усложняет технологию изготовления устройств, в связи с чем однослойные датчики с наклонными полосками представляют практический интерес для изготовителей подобных элементов.
КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ
Новизна заключается в том, что все MP-полоски в датчике расположены под углом 45° относительно оси легкого намагничивания, а проходящий над ними проводник управления имеет компактную форму меандра. Это означает, что при пропускании через проводник управления перед измерением магнитного поля импульсов тока для устранения влияния гистерезиса на результаты измерения (называемых в литературе импульсами set/reset) MP-полоски в соседних плечах мостовой схемы будут перемагничиваться в противоположные стороны. Как будет показано ниже, такое расположение векторов намагниченности в мостовой схеме MP-датчика в совокупности с расположением самих полосок относительно оси легкого намагничивания создает нечетную ВЭХ.
Структурно анизотропный MP-датчик представляет собой подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположены четыре ряда MP-полосок, состоящих из защитных слоев и ферромагнитной пленки. Сверху расположен первый изолирующий слой, на котором над MP-полосками вдоль каждого ряда сформирован проводник управления в виде меандра со вторым изолирующим слоем. Далее расположена планарная катушка с верхним защитным слоем. Катушка предназначена для устранения технологического разбаланса при измерении постоянного магнитного поля путем подачи в нее постоянного тока и создания магнитного поля вдоль направления измеряемого поля.
Перемычки соединяют MP-полоски каждого ряда в меандры, а четыре меандра - в мостовую схему (рис. 1). Проводник управления выполнен в виде меандра, рабочие части которого проходят над рядами MP-полосок.
Pабота анизотропного MP-датчика происходит следующим образом. При отсутствии внешнего магнитного поля, тока в проводнике управления (рис. 1) и сенсорного тока в мостовой схеме векторы намагниченности магнитной пленки в рядах MP-полосок устанавливаются вдоль оси легкого намагничивания. При подаче в провод-
ник управления импульса тока создаваемое им магнитное поле действует вдоль оси легкого намагничивания на два ряда MP-полосок в одном направлении, а на два других ряда - в противоположном. Под действием магнитного поля, создаваемого импульсом тока в проводнике управления, векторы намагниченности в двух парах рядов MP-полосок повернутся в противоположные стороны. В реальных условиях всегда существует технологический разбаланс, достигающий приблизительно ±1% от сопротивления мостовой схемы. Влияние технологического разбаланса можно устранить в усилителе считывания. Но лучшим решением является применение постоянного тока в планарной катушке.
Полярность и величина тока определяются знаком и величиной разбаланса мостовой схемы MP-датчика. При этом облегчаются требования к усилителю считывания. Поскольку при анизотропном MP-эффекте знак угла отклонения вектора намагниченности не влияет на характер изменения сопротивления MP-полосок, то перемаг-ничивание MP-полосок при подаче импульса тока в проводник управления к дополнительному разбалансу мостовой схемы датчика не приводит.
Анизотропный MP-датчик измеряет магнитное поле, перпендикулярное оси легкого намагничивания. Под действием этого магнитного поля все векторы намагниченности рядов MP-полосок поворачиваются в его направлении, причем в двух рядах MP-полосок угол между вектором намагниченности и осью легкого намагничивания увеличивается, а в двух других - уменьшается. Следовательно, увеличиваются и уменьшаются углы между векторами намагниченности и направлениями тока в полосках, т.е. сопротивления одной пары противоположных плеч мостовой схемы датчика увеличиваются, а другой - уменьшаются. Таким образом, мостовая схема разба-лансируется, и на выходе MP-датчика магнитного поля появляется выходной сигнал, полярность которого зависит от направления измеряемого магнитного поля, при этом, как будет показано ниже, ВЭХ MP-датчика - нечетная.
Для устранения влияния гистерезиса на результаты измерения магнитного поля необходимо применять тот же алгоритм, что и для MP-дат-чиков с полюсами Барбера. Полный цикл измерения магнитного поля состоит из двух измерений, перед каждым измерением в проводник управления подается импульс тока, перемагничивающий MP-полоски, а полярности импульсов противоположны (set и reset). После выполнения двух измерений их результаты складываются.
«
ч о к
о о £
о «
&
о
Ось легкого намагничивания
Рис. 1. Анизотропный МР-датчик: 1 - МР-полоски; 2 - перемычки; 3 - контактные площадки; 4 - проводник управления.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАБОТОСПОСОБНОСТИ
В настоящее время в анизотропных МР-датчи-ках применяются пермаллоевые ^е№) и FeNiCo МР-полоски. Пермаллой позволяет уменьшить пороговые значения измеряемого магнитного поля приблизительно до 0.1 мЭ, достигнуть величин чувствительности порядка 1-3 мВ/(В X Э). Верхний диапазон измеряемого магнитного поля достигает 2-6 Э. Использование сплава FeNiCo позволяет сдвинуть диапазон измеряемого магнитного поля в область больших полей приблизительно до 3-5 раз. При этом во столько же раз падает чувствительность, но уменьшаются магнитные шумы и ТКС. Анализ работоспособности анизотропных МР-датчиков проводился с использованием теории микромагнетизма. Направление векторов намагниченности магнитной полоски рассчитывалось из минимума ее энергии, включающей
энергии магнитной анизотропии, магнитостатиче-скую и во внешнем магнитном поле [1]. Используемая модель, когда принимается однородное по всей площади полоски расположение векторов намагниченности - упрощенная. Она приводит к завышению значений чувствительности МР-датчика. Реально в ферромагнитной полоске всегда существует, по крайней мере, двумерное распределение векторов
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.