NL8101962A

NL8101962A - Magnetische sensor.

Info

Publication number: NL8101962A
Application number: NL8101962A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1981-04-22
Filing date: 1981-04-22
Publication date: 1982-11-16
Also published as: EP0063397A1; EP0063397B1; JPS649649B2; CA1212996A; JPS57181425A; EP0063397B2; DE3268489D1; US4686472A

Description

4 -ψ EHN 10.016 1 N.V. Philips' Gloeilanpenfabrieken te Eindhoven.

Magnetische sensor.

De uitvinding heeft betrekking op een magnetische sensor welke gebruik maakt van het magnetoweerstandseffect van twee pp kleine afstand evenwijdig ten opzichte van elkaar gelegen, magnetostatisch, gekoppelde, vlakke lagen van electrisch geleidend, ferronagnetisch materiaal met een 5 gemakkelijke as voor de magnetisatie in het vlak van de laag, die een responsie in de vorm van een electrische weerstandsvariatie geven pp het aanleggen van een aangeboden magnetisch veld met een component in het vlak van de lagen. Een niet-limitatieve opsomming van dergelijke materialen, omvattende in het bijzonder ferrcmagnetische nikkel-legeringen, kan men 10 vinden in het artikel "The anisotropy in the magnetoresistance of some nickel alloys" dat is gepubliceerd in het tijdschrift "Physica", Vol, XXV, 1959, bladzijden 702-720.

Sensoren die worden gevormd uit een laag van deze materialen en gebruik maken van deze eigenschap, zijn in wezen gevoelig voor de 15 waarde van een magnetische flux, onafhankelijk ervan of deze flux varieert of niet. Ze kunnen worden toegepast in magneetveldmeters, magnetische linealen en als magnetische leeskpp voor het uitlezen van magnetische registratiedragers. In het laatste geval maken ze het uitlezen mogelijk van registratiedragers die met een willekeurige relatieve verplaats ings- 20 snelheid, een snelheid nul inbegrepen, ten opzichte van de leeskcp bewegen. Ze maken het bovendien mogelijk cm zeer uitgestrekte frequentie-responsies, van nul tot enkele tientallen megahertz te hebben alsmede cm een amplitude van het leessignaal te hebben, die aanzienlijk groter is dan die welke men kan verkrijgen van inductieve sensoren, die slechts gevoelig zijn voor variaties van de magnëische flux. Ferrcmagnetische lagen met een magnetoweerstandseffect herten echter hetbezwaar, dat ze een geringe gevoeligheid bezitten voor kleine magneetvelden. In het Amerikaanse octrooischrift 3.860.695 is beschreven dat men aan dit bezwaar tegemoet kan kernen, door gebcuik te maken van een sensor met on twee evenwijdig ten opzichte van elkaar gelegen vlakke magnetoweer-stardlagen, die in serie net een, een kanstante spanning bezittende, spanningsbron zijn verbonden, terwijl de over hun uiteinden staande 8101962

* ÏC

& . ' *· f 1 .

EHN TO.016 2 spanningen aan een verschilversterker worden toegevoerd. De lagen bezitten gelijke electrische en magnetische eigenschappen, en dikte-afiietingen, waarbij tussen de lagen een isolatielaag van tenminste 300 R dik is aangebracht, die de lagen electrisch ten opzichte van elkaar iso-5 leert en een zekere magnetostatische koppeling tussen de lagen bewerkstelligt, terwijl de lagen in tegengestelde richtingen lopende meet-strcnen voeren, waarbij de meetstroaa door elke laag de betrokken laag bekrachtigt en de andere laag door het daarin geïnduceerde magneetveld magnetisch voorinstelt. Onder voor instellen wordt hier verstaan dat 10 de magnetisatierichting in een laag in afwezigheid van een uitwendig magnetisch veld zodanig wordt ingesteld, dat deze een hoek van ongeveer 45° maakt met de passagerichting van de electrische stroom, waardoor het werkpunt naar het gebied met de grootste helling van de electrische weerstand-uitwendig veld functie wordt verplaatst. Dit betekent dat bij 15 een klein magnetisch signaal van een registratiemedium een zo groot mogelijke weerstandsverandering optreedt.. (De passagerichting van de straten is steeds evenwijdig aan de grootste afmeting van elke laag.)

Een nadeel van deze bekende configuratie is, dat de meetstroom een vaste waarde moet hebben, die zodanig is dat de in de lagen geïnduceerde 20 magnetisatierichtingeri inderdaad een hoek. van ongeveer 45° maken met de stroom. Dit brengt bovendien met zich mee dat in de praktijk door de spreiding in eigenschappen van de lagen de meetstroom in iedere magnetische sensor apart ingesteld moet worden.. Een verder nadeel van deze bekende configuratie is, dat in verband met de eis dat de twee in serie geschakel-25 de magnetoresistieve lagen volledig electrisch van elkaar geïsoleerd moeten zijn, hun afstand niet kleiner kan zijn dan ongeveer 300 £r omdat bij dunnere lagen de kans dat er ongewenste doorverbindingen optreden aanzienlijk is. Bij deze afstand is de magnetostatische koppeling tussen de lagen niet optimaal, en is een betrekkelijk grote meetstroom 30 nodig om de voor de gewenste voorinstelling benodigde draaiing van de magnetisaties te realiseren. Een nadeel is ook, dat twee. uiteinden,.van de magnetoweerstandlagen van de bekende sensor afzonderlijk met een verschilversterker moeten worden verbonden, wat de vervaardiging van de magnetische leeskop in dunne film techniek extra gecompliceerd maakt.

35 Aan de uitvinding ligt de opgave ten grondslag een magnetische sensor met grote gevoeligheid voor kleine velden te verschaffen die een in wezen eenvoudige opbouw paart aan de mogelijkheid cm elke gewenste meetstroom te gebruiken, waarbij de gebruikte meetstroom bovendien rela- 81 0 1 9 6 2 ___________ * EHN 10.016 3 tief laag is.

De sensor volgens de uitvinding heeft daartoe als kenmerk, dat in bedrijf de magnetoweerstandlagen in dezelfde richting lopende stromen voeren en parallel met de ingangsklemmen van een detectieschakeling zijn 5 verbonden.

Door de parallelschakeling van de magnetoweerstandlagen zijn eventuele kortsluitingen via de tussenlaag niet van belang en kan deze zo dun gemaakt werden als nodig is voor een optimale magnetostatische koppeling van de lagen. In het algemeen zal de dikte kleiner dan 1000. £ 10 zijn, en in het bijzonder kleiner dan 300 2, de dikte van de isolatielaag van de bekende leeskop, waardoor een aanzienlijk sterkere magneto-statische koppeling dan daar tussen de lagen optreedt. In het bijzonder kan men nu een electrische geleider met een dikte kleiner dan 100 2 als tussenlaag namen, waardoor slechts één van de lagen behoeft te 15 worden verbonden met zcwel een bron van neetstroon als net een uitlees— schakeling, wat een uiterst eenvoudige opbouw in zich houdt. Door de sterke magnetostatische koppeling waardoor de vormardsotropie sterk wordt gereduceerd, staan de magnetisafes van de lagen in alle gevallen antiparallel. Bij een bepaalde, lage, minimumwaarde van de meets troon 20 zal de magnetisatie in de rusttoestand van een laag loodrecht staan op de stroon als de gemakkelijke assen voor de magnetisatie evenwijdig zijn aan de lengte assen, terwijl voor elke waarde van de nee ts troon, hoe klein ook, dit het geval kan zijn als de ^makkelijke assen voor de magnetisatie loodrecht staan op de lengte assen.

25 Een en ander betekent, dat als een (klein) uitwendig magnetisch veld vrordt aangeboden dat evenwijdig is aan de richting van de magnetisaties in rusttoestand in de lagen, één van de magnetisaties zal draaien (de andere staat al in de "goede" richting), terwijl als een (klein) magnetisch veld wordt aangeboden dat loodrecht staat op de richting van 30 de magnetisties in rusttoestand in de lagen beide magnetisaties naar de "goede" richting zullen draaien. In beide gevallen blijkt, als de parallelweerstand van de lagenconfiguratie wordt gemeten, de electrische weerstand-uitfcéndig magnetisch veld functie een zeer bijzonder karakter te hebben.

35 Zoals hierna zal worden uiteengezet uit dit zich als een extreem, grote gevoeligheid van de magnetische leeskop volgens de uitvinding voor kleine magneetvelden,

Opgemerkt wordt dat uit het DE-Offenlegungsschrift 8101962 PHN 10.016 4 r*

C I

26 50 484 een magnetoresistieve leeskop bekend is die bestaat uit een op een substraat aangebrachte stapeling van achtereenvolgens een magnetoweerstandlaag, een niet-magnetiscbe, electrisch geleidende laag uit titanium en een magnetische voorspanlaag. De vast ingestelde stroom 5 door de magnetoweerstandlaag en de titaniumlaag wekt een magneetveld in de voorspanlaag op dat op zijn beurt via magnetostatische koppeling de magnetisatierichting van de magnetoweerstandlaag zover draait dat deze een hoek van 45° maakt met de stroom. Ter vereenvoudiging van het fabricageproces mag de magnetische voorspanlaag uit hetzelfde materiaal 10 als de magnetosreerstandlaag vervaardigd warden / doch dan wordt de expliciete eis gesteld dat hij zoveel dunner dan deze dient te. zijnr dat hij onder invloed van het. erin geïnduceerde magneetveld magnétisch verzadigd wordt en niet als magnetoweerstand kan functioneren. De- werking van de magnetische leeskop volgens de uitvinding berust er daarentegen 15 juist op dat beide magnetostatisdh gekoppelde magnetoweerstandlagen als magnetoweerstand. functioneren.

De uitvinding zal bij wijze van voorbeeld nader worden toegelicht aan de hand van de tekening.

Figuur 1 toont schematisch een magnetische sensor volgens de 20 uitvinding.

Figuur 2 toont schematisch een electrisch. aansluitschema voor de sensor van figuur 1 -

Figuur 3 toont een kromte, die het verband geeft tussen de weerstand R en het magnetisch veld H bij een bekende magnetische sensor.

25 Figuren 4 en 5 tonen kramen die het verband geven tussen de weerstand R en het magnetisch veld H bij op verschillende wijzen toege-paste sensoren volgens de uitvinding.

Figuur 6 toont, een uitvoeringsvorm van een magnetische sensor volgens de uitvinding.

30 Figuur 7 toont, een dwarsdoorsnede door de sensor van f iguur 6.

Figuur 8 toont· een met de dwarsdoorsnede van figuur. 7 overeenkomende dwarsdoorsnede door een alternatieve uitvoeringsvorm van een sensor volgens de uitvinding,.

Figuur 1 geeft bij wijze van. eenvoudige illustratie een uit-35 voerlngsvoorbeeld van een constructie van een magnetoweerstandleeskop volgens de uitvinding, welke wordt gevormd door opeenvolgende neerslagen door sputteren in een inerte atmosfeer. Om de gedachten të bepalen kan een dergelijke constructie de volgende afmetingen hebben; lengte 81 0 1 9 6 2 __ HST 10.016 5 r gelijk aan 600 ^um, breedte L2 gelijk aan 20 ^u, dikte d van de orde van 750 £ en tussenruimte L tussen de lagen van de orde van 10-300 £.

Op een substraat 10 van in dit geval thermisch geoxideerd silicium gaat men in de eerste plaats over tot de neerslag van een 5 laag 11, bijvoorbeeld van een ijzer-nikkelegering met 81% ijzer en 19% nikkel, waarvan bekend is, dat deze legering geen magnetostrictie-effect vertoont. Gedurende deze neerslag wordt een magnetisch veld met een veldsterkte van ongeveer 200 Oe aangelegd, dat een as van opmakkelijk magnetisatie EA1 in de laag 11 induceert. Men gaat vervolgens in dezelfde 10 sputter-run over tot de neerslag van een laag 15 (dikte bijvoorbeeld 10 £ tot 100 £ voor het tot stand brengen van een sterke magnetostatische koppeling tussen laag 11 en een boven op laag 15 aan te brengen tweede magnetoweerstandlaag 16). Laag 16 is bij voorkeur van hetzelfde materiaal als laag 11, en heeft ongeveer dezelfde dikte, en wordt opgebracht in 15 een magnetisch oriëntatieveld dat zodanig is, dat dit in de laag 16 een as van gemakkelijke magnetisatie EA2 induceert, die evenwijdig is aan de as in de eerste laag. De lagen 11 en 16 kunnen verschillen van dikte. Dit levert een parameter voor het instellen van bet demagnetisatie veld. De magnetisatietoestanden van de lagen (bij afwezigheid van een 20 uitwendig magneetveld) na aanleggen van een meets troon I zijn aange- s geven met M, respectievelijk M'. Boven het tot stand gebrachte vlak van de laag 16 kan men vervolgens nog verbindingsgeleiders neerslaan voor electrische aansluiting van de lagenstructuur 11, 15, 16 met een uitleesschakeling. Men kan dan overgaan tot een neerslag van een 25 beschermingslaag, bijvoorbeeld van Si02, met een dikte, welke niet van belang is voor de functionering van de magnetoweerstandlagen.

De verbindingsgeleiders kunnen van Mo/&u/Mo zijn, maar men kan ze ook vormen van hetzelfde materiaal als de magnetoweerstandlagen, in welk geval ze gelijktijdig warden gevormd met deze lagen, wat het 30 aantal neerslagen reduceert.

Uit het bovenstaande blijkt dat op eenvoudige wijze een magnetische leeskqp volgens de uitvinding gerealiseerd kan warden. Bij toepassing van een laag 15 van niet-magnetisch, electrisch isolerend materiaal, zoals SiC^, dienen daarin twee' vensters aangebracht te worden 35 cm de lagen 11 en 16 electrisch door te verbinden, waardoor de constructie een weinig gecompliceerder wordt.

Zoals figuur 2 toont zijn de magnetostatisch gekoppelde lagen 11 en. 16 verbonden met respectievelijk geleiders 23 en 24 die zijn aan- 8101962 C * ’ ' * « c PHN 10.016 6 gesloten op een stroombron 25. Mat 15 wordt een niet-magnetisch electrisch geleidende laag weergegeven die ervoor zorgt dat geen exchange koppeling tussen de lagen 11 en 16 optreedt. In het onderhavige geval is als materiaal voor de laag 15 molybdeen gebruikt, doch ook titanium en 5 andere niet-magnetische electrisch geleidende materialen zijn bruikbaar. De lagen 11, 15 en 16 zijn via geleiders 27 en 28 parallel verbonden met een versterker 29 die een uitgangssignaal V "levert dat weerstandsveranderingen van de lagenstructuur 11, 15 en 16 als geheel representeert. De weerstandsveranderingen AR van een enkellaags magne-10 toweerstandselement als functie van een magnetisch veld H is afgebeeld in figuur 3. Bij de. tot de stand der techniek behorende magnetische leeskop met de twee met een verschilversterker verbonden magneto— statisch gekoppelde magnetoweerstandselementen is het ene element voorgespannen in het werkpunt 30 van de karakteristiek in figuur 3 en 15 de ander in werkpunt. 31. Zoals hieronder uiteengezet zal worden werkt de magnetische leeskqp volgens de uitvinding geheel anders , wat tot een duidelijk andere en steilere karakteristiek leidt, zoals figuren 4 en 5 tonen.

Bij een voldoende grote meetstrocm I zullen de magnetistie-

S

20 richtingen M en. M' (zie figuur 1) in. plaats van antiparallel in de lengterichting (demagnetisatie energie is. minimaal), antiparallel in de dwars-richting. gaan liggen (demagnetisatie: energie. + energie in veld. H

o ten gevolge van I is. minimaal).

Als Hg niet al te sterk is zal. voor. een klein aangelegd veld 25 Ha in de dwarsrichting, dus antiparallel aan één der magnetisatierichtingen, de magnetisatie in de betreffende laag verdraaien, waarbij. de weerstand, toeneemt voor verdraaiingen tot 90° om bij nog grotere Ha vervolgens af te nemen, voor een veld in de tegengestelde richting gebeurt hetzelfde met de andere laag, wat dankzij de electrische parallelschakeling 30 van beide lagen resulteert in een overdrachtsfunctie welke gelijk is voor beide veldrichtingen (zie figuur 4).

Een veel sterker koppel wordt uitgeoefend indien het aangelegde veld onder 90° in plaats van 180° en 0° met de magnetisatierichtingen wordt gelegd, resulterend in een nog hogere gevoeligheid. In beide lagen 25 neemt de weerstand weer toe, zonder nu echter voor- nog grotere velden weer af te nemen, aangezien de magnetisaties in hun eindtoestand parallel aan H , dus ook parallel aan de stroom door de lagen, staan α (zie figuur 5). De hoge gevoeligheid wordt gedemonstreerd door de 81 0 1 9 6 2 __ EHN 10.016 7 ' % r ^ grotere steilheid van de curve van figuur 5 vergeleken met die van figuur 4. De steilheid van beide curven is bovendien aanzienlijk groter dan de steilheid in de werkpunten 30, 31 van de curve van figuur 3.

5 Figuur 6 toont de toepassing van een magnetoresistieve lagen structuur 31 met twee magnetcweerstandlagen en een niet-magnetische, elektrisch geleidende tussenlaag van het in figuur 1 getoonde type in een magnetische leeskop 32 met zogenaamde fluxgeleiders 33 en 34. De lagenstructuur 31 is van verbindingsgeleiders 35 en 36 voorzien en is 10 tezamen met de fluxgeleiders 33 en 34 zodanig op een substraat 37 van (nikkel-zink)ferriet aangebracht, dat magnetische flux van een registratiemedium 38 (figuur 7) via fluxgeleider 34, lagenstructuur 31, flux-geleider 33 en ferrietsubstraat 37 naar het registratiemedium 38 wordt teruggevoerd. Figuur 8 toont een doorsnede van een alternatieve uit-15 voering, waarbij magnetoresistieve lagenstructuur 39 niet binnen fluxgeleiders 40 en 41 ligt, maar er buiten.

Figuren 6 en 7 toren bovendien nog een extra elektrische geleider 42 die voor de werking van de magnetische sensor niet noodzakelijk is, maar in bepaalde toepassingen met voordeel gebruikt kan 20 worden, bijvoorbeeld als "bias" geleider voor het induceren van een magnetisch voorinstelveld in de lagenstructuur 31, of als terugkoppel-geleider voor het induceren van een magnetisch terugkoppelveld in de lagenstructuur 31. Op zich is het voordeel van de sensor volgens de uitvinding echter dat de gevoeligheid voor kleine velden verbeterd is, zoals 25 een vergelijking van de karakteristieken van figuur 4 en figuur 5 met die van figuur 3 toont. Dit houdt bijvoorbeeld in, dat zelfs bij kleine "digitale" magneetvelden een sterke digitale puls wordt afgegeven bij elke richtingsverandering van het te meten veld. Dit maakt de sensor volgens de uitvinding bijvoorbeeld ook zeer geschikt cm te 30 worden toegepast bij het detecteren van magnetische bobbels. 1 8101962

Claims

1. Magnetische sensor die gebruik maakt van het magnetoweerstand- effect van twee op kleine afstand evenwijdig ten opzichte van elkaar gelegen, magnetostatisch gekoppelde vlakke lagen van electrisch geleidend, ferronagnetisch materiaal met een gemakkelijke as voor de magne-5 tisatie in het vlak van de laag, die een weerstandverandering geven onder invloed van een aangeboden magneetveld met een component in het vlak van de lagen, met het kenmerk, dat de magnetoweerstandlagen in bedrijf in dezelfde richting lopende stromen voeren en parallel met de ingangs-klemmen van een detectieschakeling zijn verbonden.

2. Sensor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de magneto weerstandlagen op een afstand kleiner dan 300 δ van elkaar liggen.

3. Sensor volgens conclusie T of 2, met het kenmerk, dat de magne toweerstandlagen door een tussenlaag van niet-magnetisch, electrisch geleidend materiaal van elkaar gescheiden zijn.

4. Sensor volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de dikte van de tussenlaag kleiner is dan 100 δ.

5. Sensor volgens conclusie 1, 2, 3 of 4, met het kenmerk, dat de lagen een langgerekte- vorm hebben en dat hun gemakkelijke as voor de magnetisatie evenwijdig is aan hun grootste afmeting. 25

6 . Sensor volgens, conclusie. 1, 2, 3, 4 of 5, net het kenmerk, dat de richtingen van de magnetisaties van de magnetoweerstandlagen in de rusttoestand dwars, staan op de gemakkelijke assen voor de magnetisatie.

7. Sensor volgens conclusie 1, 2, 3, 4, 5 of 6, met het kenmerk, dat de richting van het aangeboden magneetveld evenwijdig is aan de gemakke-25 lijke assen voor de magnetisatie van de. magnetoweerstandlagen.

8. Sensor volgens conclusie 1, 2, 3, 4, 5, 6 of 7, met het kenmerk, dat de richting van stroomdoorgang door de magnetoweerstandlagen dwars staat op de richting van de gemakkelijke assen voor de magnetisatie. 30 35 81019 6 2