г. Киев, ул. Северо-Сырецкая 1-3
т. (044) 400-00-46 т/ф. (044) 594-26-75

Принцип работы GMR-устройств, магнитоустойчивость и чувствительность

(Application Bulletin AB-13)

Принцип работы микросхем серии IsoLoop фирмы NVE основан на  эффекте супермагниторезистивности (Giant Magneto-resistive - GMR effect). GMR-эффект наблюдается в тонкопленочных структурах, состоящих как минимум из двух магнитных слоев, разделенных тонким немагнитным проводящим слоем. (Рис 1). Сопротивление таких структур мало, если векторы магнитных полей слоев имеют одно направление, и велико, если слои намагничены в противоположных направлениях.

Разница в сопротивлении этих двух состояний может составлять 4% - 10% от полного сопротивления материала. Суммарная толщина тонкопленочных структур составляет несколько сот ангстрем при толщине некоторых слоев в несколько атомов.

Упрощенно GMR-эффект можно объяснить следующим образом.

 Источником электрического сопротивления являются центры рассеяния для электронов проводимости. Чем выше плотность центров рассеяния, тем выше сопротивление материала. Условия для движения электронов в GMR-слоях зависят от их  спиновой ориентации и от того, в каком из слоев эта ориентация является определяющей (соответствующей намагниченности слоя).

Рис 1a. Сопротивление мало

Если магнитные слои намагничены в одном направлении (Рис. 1a), электроны проводимости с высокой вероятностью могут достичь соседнего слоя, т.к. их спиновая ориентация соответствует большинству электронов в нем.

И напротив, если слои намагничены в противоположных направлениях (Рис 1b), большинство электронов одного слоя претерпевает сильное рассеивание при переходе в соседний, так как их спиновая ориентация не соответствует направлению магнитного поля соседнего слоя.

Рис 1b. Сопротивление велико

Таким образом, сопротивление GMR структуры мало, когда векторы намагниченности соседних слоев однонаправлены и велико, когда векторы намагниченности противоположны.

В микросхемах изоляторов фирмы NVE используются  4 GMR-резистора в мостовой схеме. Выходной сигнал такого сбалансированного моста пропорционален величине и направлению магнитного поля.

Магнитоустойчивость и чувствительность

Фирма NVE использует для своих GMR-устройств магнитную структуру, известную как спиновый вентиль(Spin Valve).

В наиболее простом виде спиновый вентиль состоит из двух слоев, сцепленного (pinned layer)  и независимого (free layer), разделенного немагнитным проводящим слоем.

Сцепленный слой связан с  нижележащим антиферромагнетиком процессом обменной связи  (Exchange Coupling - когда атомы двух слоев делят между собой электроны с параллельными спинами). Эта связь обеспечивает намагничивание слоя в фиксированном направлении, поэтому иногда слой называют фиксирующим.

Независимый (без подмагничивания) слой изменяет направление подмагничивания при сравнительно невысоком значении напряженности магнитного поля (<2 mT). Т.к сцепленный слой подмагничен, для его перемагничивания требуется довольно большое поле (>40 mT).

Структура типового спинового вентиля показана на Рис.2a

Рис 2a. Простой спиновый вентиль

На Рис.2b показана передаточная характеристика  типового спинового вентиля.

Рис. 2b Принцип действия спинового вентиля

При отсутствии внешнего магнитного поля слои намагничены в одном направлении, поэтому сопротивление спинового вентиля мало.

При небольшом возрастании магнитного поля независимый слой меняет направление намагниченности и слои перестают быть однонаправленными по намагниченности. Сопротивление спинового вентиля возрастает.

Дальнейшее увеличение напряженности магнитного поля может перемагничивать связанный слой (имеется значительный гистерезис), что приводит к снижению сопротивления. В серии микросхем IsoLoop этот участок характеристики R(H) не используется, т.е. рабочий участок напряженности H - начальный, до гистерезиса.

На Рис.3 показана блок-схема  IL7xx-серии.

Драйвер катушки индуктивности возбуждает вокруг нее магнитное поле в соответствии с входным цифровым сигналом. Выходное напряжение чувствительного к магнитному полю моста приложено ко входу компаратора, который формирует на выходе логические уровни.

Рис. 3 Упрощенная структурная схема серии IL7xx

При переходе от низкого входного уровня к высокому и обратно (low-to-high-to-low) на выходе чувствительного к магнитному полю моста формируется выходной сигнал, показанный на Рис.4.

Рис. 4 Отклик моста на входной перепад от низкого  уровня к высокому и обратно

Размытой полосой на Рис 4 отмечена область пороговых значений компаратора.

Заметим, что когда ток катушки равен нулю (магнитное поле равно нулю), имеется два устойчивых состояния, соответствующих низкому и высокому уровням.

Магнитоустойчивость

Устойчивость к внешнему магнитному полю обеспечивается за счет мостовой конструкции чувствительного элемента (дифференциальный сигнал) и его экранирования. Магнитный экран перекрывает всю область чувствительного моста, как показано на  Рис 5.

Рис.5 Топология интегральной схемы

Защита от внешних полей эффективна до тех пор пока их значения не достигнут величин, при которых магнитные материалы заходят в область насыщения. Когда магнитный экран насыщен, он становится прозрачным для внешних полей и не обеспечивает их ослабления. При этом насыщаются и GMR-резисторы, не обеспечивая разностного сигнала на выходе моста.

Предельно допустимые значения

Предельно допустимые значения внешних магнитных полей для  промышленности, коммерции, передачи данных, быта, медицины, - определены в требованиях электромагнитной совместимости (European Electromagnetic Compliance)  EN50081, EN50082 и EN600001. Микросхемы IsoLoop для худших случаев ориентации относительно внешних полей имеют запас по стойкости, раза в три превышающий эти требования.  А при оптимальной ориентации - раз в 7.

Ниже перечислены характеристики и методы, используемые для оценки магнитоустойчивости и чувствительности изоляторов  IsoLoop.

EN50081-1 Residential, Commercial & Light Industrial Methods EN55022, EN55014

EN50082-2 Industrial Environment Methods EN61000-4-8 (Power Frequency Magnetic Field Immunity), EN61000-4-9 (Pulsed Magnetic Field), EN61000-4-10 (Damped Oscillatory Magnetic Field)

Важно заметить, что микросхемы IsoLoop наиболее чувствительны к постоянным магнитным полям. Характеристики фактически улучшаются при больших частотах внешних электромагнитных полей. Это совсем не так для изоляторов с трансформаторной связью, чьи характеристики резко ухудшаются при частотах внешних полей уже около 100kHz.

Таблица1 иллюстрирует преимущество IsoLoop над требованиями EN.

На графике видно, что для изоляторов IsoLoop частота внешнего магнитного поля не имеет значения, тогда как для изоляторов с трансформаторной связью допустимая величина внешних полей с ростом частоты снижается (зависимость черного цвета; остальные цвета - см. Табл.1)

Табл.1

 

 

 

On-Axis Direction

                                                                                                                                                Частота магнитного поля (Гц)