магниточувствительный элемент
Классы МПК: | G01R33/05 в тонкопленочных элементах H01F10/08 отличающиеся магнитными слоями |
Автор(ы): | Звездин А.К. (RU), Звездин К.А. (RU), Звездин А.А. (RU), Звездин С.А. (RU), ПЕРЛО Пьетро Джузеппе (IT) |
Патентообладатель(и): | Звездин Анатолий Константинович (RU), Звездин Константин Анатольевич (RU), Звездин Алексей Анатольевич (RU), Звездин Сергей Анатольевич (RU), ПЕРЛО Пьетро Джузеппе (IT) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2001-08-29 публикация патента:
10.08.2003 |
Изобретение относится к области электротехники, в частности к магниторезистивным считывающим элементам, и может быть использовано в компьютерной технике для считывания информации с магнитных носителей с высокой информационной плотностью, а также в сенсорной технике и автоматике. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции элемента, повышение стабильности его в работе за счет повышения магнитной чувствительности к измеряемому внешнему полю и уменьшение объема перемагничиваемой области. Магниточувствительный элемент состоит из двух пластин с перемычкой в центральной части, которые выполнены из тонкопленочного ферромагнитного материала с толщиной пленки 0,2 - 100,0 нм, при этом намагниченности в двух пластинах имеют плоскостную ориентацию вдоль перемычки и противонаправлены, а перемычка имеет ширину 1-50 нм. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6
Формула изобретения
1. Магниточувствительный элемент, включающий подложку с расположенным на ней слоем тонкопленочного ферромагнитного материала, отличающийся тем, что слой тонкопленочного ферромагнитного материала выполнен в виде двух пластин с толщиной пленки 0,2-100,0 нм с перемычкой из того же материала, расположенной в центральной части пластин, при этом намагниченности в двух пластинах имеют плоскостную ориентацию вдоль перемычки и противонаправлены, а перемычка имеет ширину 1-50 нм. 2. Магниточувствительный элемент по п.1, отличающийся тем, что две пластины и перемычка выполнены прямоугольными. 3. Магниточувствительный элемент по п.1, отличающийся тем, перемычка имеет переменную ширину. 4. Магниточувствительный элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве ферромагнитного материала могут быть использованы металлы из группы Fe, Ni, Co, или сплавы на их основе, или переходные металлы, или редкоземельные металлы, или их сплавы, или магнитные полупроводники. 5. Магниточувствительный элемент по п.1, отличающийся тем, что пластины намагничены таким образом, что доменная граница расположена в области перемычки. 6. Магниточувствительный элемент по п.1, отличающийся тем, что он выполнен осесимметричным.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к магниторезистивным считывающим элементам и может быть использовано в нано-электронике и компьютерной технике, для считывания информации с магнитных носителей с высокой информационной плотностью (магнитные диски, магнитные ленты и т.п.), а также в сенсорной технике и автоматике. В течение последних 10 лет увеличение плотности информации на магнитных носителях составляло 60% в год. В настоящее время информационная плотность в магнитных запоминающих устройствах достигает 108 бит/см2. Для считывания информации такой высокой плотности необходимо использовать считывающие элементы высокой чувствительности. Современные миниатюрные магниторезистивные считывающие сенсоры, как правило, изготовляются на основе трехслойных пленочных магниточувствительных элементов. Принцип считывания основан на эффекте гигантского магнитосопротивления. Известны магниточувствительные элементы, представляющие собой многослойные тонкопленочные структуры, состоящие из магнитных слоев, разделенных немагнитными прослойками. Сопротивление таких структур зависит от взаимной ориентации намагниченности в магнитных слоях (пат РФ 2060567, МПК Н 01 F 10/08, 2023320, Н 01 F 10/10). Недостатком этих устройств является недостаточная магнитная чувствительность к внешнему магнитному полю, зависящая от параметров элемента - его размеров и материала, большой объем перемагничиваемого материала, сложная трехслойная структура. Известен магниточувствительный элемент (патент США 5206590, НКИ 324/252), представляющий собой 3-слойный тонкопленочный элемент, нанесенный на подложку, состоящий из двух магнитных слоев из различных материалов, отличающихся друг от друга толщиной и величиной константы анизотропии. Магнитные слои отделены друг от друга немагнитной прослойкой. При отсутствии внешнего магнитного поля направление намагниченности верхнего магнитного слоя перпендикулярно направлению намагниченности нижнего магнитного слоя. Направление намагниченности нижнего магнитного слоя постоянно. Изменение величины тока, проходящего через элемент, и напряжение регистрируются при различных величинах сопротивления. Сопротивление элемента зависит от направления намагниченности верхнего слоя, меняющегося под действием измеряемого магнитного поля. Изменение сопротивления в зависимости от взаимной ориентации намагниченности верхнего и нижнего магнитных слоев называется эффектом спинового переключения. Способ определения магнитной чувствительности элемента состоит в наложении внешнего магнитного поля, регистрации изменения сигнала - магнитного сопротивления элемента и определении магнитной чувствительности как отношения этой величины к максимально возможной величине изменения сигнала. Эта величина определяется геометрическими параметрами элемента и магнитной проницаемостью материала элемента и является неизменной для данного элемента. К недостаткам данного прототипа можно отнести многослойную конструкцию прибора и невысокую магнитную чувствительность к внешнему магнитному полю. Невысокая восприимчивость прибора описанной конструкции, в частности, объясняется тем, что для считывания информацию с плотностью записи 107 бит/см2 элемент должен иметь размеры порядка 100![магниточувствительный элемент, патент № 2210086](/images/patents/260/2210004/8226.gif)
Мs=8
![магниточувствительный элемент, патент № 2210086](/images/patents/260/2210004/8226.gif)
![магниточувствительный элемент, патент № 2210086](/images/patents/260/2210004/8226.gif)
где Мs - остаточная намагниченность;
К - константа анизотропии;
А - константа внутрислойного обмена. Фиг. 5 иллюстрирует направление намагниченности в элементе при ДГ в центре элемента. Фиг. 6 - под действием внешнего магнитного поля ДГ вышла из центра элемента. Магниточувствительный элемент по настоящему изобретению состоит из двух пластин - левой и правой, изготовленных из тонкопленочного ферромагнитного материала, соединенных тонкой перемычкой из того же материала. Толщина пленки может изменяться в зависимости от используемых материалов в пределах от 0,2 до 102 нм. Пластины могут быть, например, прямоугольной формы (фиг.1). Пластины намагничиваются в противоположном направлении, так что переходная область (доменная граница - ДГ) возникает в области перемычки (частный случай). В качестве ферромагнитводного материала могут использоваться магнитные материалы Fe, Co, Ni, сплавы на их основе, редкоземельные металлы и сплавы на их основе, а также сплавы редкоземельных металлов и металлов группы Fе (Fe, Ni, Со, Мn и др.). Также могут быть использованы магнитные полупроводники, например Ga(Mn)As. Существует критическое сочетание параметров, при котором магнитная чувствительность прибора формально обращается в бесконечность. Подбор параметров материала и геометрии осуществляются таким образом, чтобы они, с одной стороны, обеспечивали устойчивое положение доменной границы - границы намагниченности в центре перемычки и, следовательно, обеспечивали стабильность работы элемента, а с другой стороны, находились сравнительно близко к критической точке, что обеспечивает высокую чувствительность прибора к измеряемому магнитному полю. При изменении внешнего магнитного поля перемагничивается только область перемычки, что составляет только 1-5% от объема магнитной пленки прибора. Гигантский магниторезистивный эффект в приборе может превышать 60% (в других приборах порядка 20%). Магниточувствительный элемент по настоящему изобретению (см. фиг.1) работает следующим образом. Внешнее магнитное поле, приложенное к магниточувствительному элементу, выводит доменную границу (ДГ) из центра перемычки (фиг. 2). Пороговое внешнее магнитное поле Нс, необходимое для вывода доменной границы из центра перемычки в боковую пластину - левую или правую, определяется геометрическими параметрами прибора (в первую очередь длиной контакта L, его шириной b) и магнитными параметрами используемых материалов (например Со, Fe, Ni; магнитных полупроводников, например Ga(Mn)As). Способ определения магнитной чувствительности заключается в следующем. Важным свойством магниточувствительного элемента является то, что положение доменной границы можно регулировать выбором параметров материала и геометрией прибора. В частности, наблюдается эффект потери устойчивости центрального положения доменной границы при изменении параметров магниточувствительного элемента (длины или константы анизотропии). Этот эффект иллюстрируется на фиг.3, который получен на основе компьютерного моделирования уравнений микромагнетизма для магниточувствительного элемента. На фиг.3 показана линия потери устойчивости доменной стенки в центре перемычки. При приближении к ней сильно возрастает магнитная чувствительность элемента к изменению внешнего магнитного поля. Под магнитной чувствительностью в данном случае понимается отношение амплитуды выхода ДГ из центра магниточувствительного элемента к величине внешнего магнитного поля - параметр, определяющий эффективность прибора, как сенсора магнитного поля. Формально она обращается в бесконечность на линии потери устойчивости. Физические параметры материала: намагниченность насыщения (Ms), константа анизотропии (К), обменная жесткость (А) и геометрия, другими словами рабочая точка прибора, выбираются так, чтобы, с одной стороны, обеспечить состояние прибора с одним положением равновесия ДГ (в данном случае в центре контакта), а с другой стороны, обеспечить его максимальную восприимчивость и к влиянию магнитного поля. Для иллюстрации показаны возможные рабочие точки А1 и А2. Таким образом, под действием детектируемого внешнего магнитного поля доменная граница выходит из области перемычки магниточувствительного элемента и, следовательно, изменяется значение сопротивления прибора; сигнал считывания оценивается следующим образом:
![магниточувствительный элемент, патент № 2210086](/images/patents/260/2210086/2210086-2t.gif)
где R(H) - сопротивление при наличии магнитного поля;
R(0) - сопротивление без магнитного поля;
L - длина перемычки;
![магниточувствительный элемент, патент № 2210086](/images/patents/260/2210025/948.gif)
![магниточувствительный элемент, патент № 2210086](/images/patents/260/2210086/961.gif)
![магниточувствительный элемент, патент № 2210086](/images/patents/260/2210086/961.gif)
![магниточувствительный элемент, патент № 2210086](/images/patents/260/2210086/961.gif)
![магниточувствительный элемент, патент № 2210086](/images/patents/260/2210086/961.gif)
![магниточувствительный элемент, патент № 2210086](/images/patents/260/2210068/8776.gif)
Полагая
![магниточувствительный элемент, патент № 2210086](/images/patents/260/2210025/948.gif)
![магниточувствительный элемент, патент № 2210086](/images/patents/260/2210025/948.gif)
![магниточувствительный элемент, патент № 2210086](/images/patents/260/2210068/8776.gif)
![магниточувствительный элемент, патент № 2210086](/images/patents/260/2210004/916.gif)
![магниточувствительный элемент, патент № 2210086](/images/patents/260/2210068/8776.gif)
Класс G01R33/05 в тонкопленочных элементах
датчик магнитного поля - патент 2381515 (10.02.2010) | ![]() |
датчик магнитного поля - патент 2150712 (10.06.2000) | |
магнитометр - патент 2100819 (27.12.1997) | |
датчик магнитного поля - патент 2091808 (27.09.1997) | |
способ определения параметров тонких магнитных пленок - патент 2047183 (27.10.1995) | |
устройство для определения магнитных полей - патент 2019853 (15.09.1994) |