Отчет по учебной практике
GMR-датчики. Глаза, нервы, мозг электронных систем
жүктеу/скачать 0,59 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- 2.1 Суть GMR
- Рисунок 5. Структура AMR, GMR, TMR элементов
| 2. GMR-датчики. Глаза, нервы, мозг электронных систем
Гигантский магниторезистивный эффект (Giant Magnetoresistance – GMR) в 1988 году независимо друг от друга описали ученый Университета Париж-11 Альберт Ферт и профессор Института физики твердого тела при Научно-исследовательском центре в Юлихе (ФРГ) Петер Грюнберг. В 2007 году работы А.Ферта и П.Грюнберга были отмечены Нобелевской премией по физике. Суть эффекта – существенное уменьшение (на 10–20%) удельного сопротивления многослойных структур магнитных и немагнитных металлов даже при незначительном изменении внешнего магнитного поля. В основе этого явления лежит квантовая характеристика электрона – собственный момент количества движения, или спин. Разработка методов изготовления элементов с нанометровыми размерами позволила создавать устройства, в которых успешно используется это свойство электрона. Было положено начало новому научному направлению – так называемой спинтронике. К элементам спинтроники и относятся GMR-датчики. Появление датчиков на основе GMR-эффекта привело к резкому увеличению плотности записи жестких дисков компьютеров. Но сегодня это не единственная область их применения. Благодаря малым размерам и низкой потребляемой мощности, а также высокой робастности в неблагоприятных условиях и относительно низкой стоимости GMR-датчики все шире применяются в промышленных, автомобильных электронных системах и диагностическом медицинском оборудовании. Рисунок 4. Design and details of GMR sensorhttps://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fwww.researchgate.net%2Ffigure%2FDesign-and-details-of-GMR-sensor_fig1_271197379&psig=AOvVaw0hqOdOzyUcq7P94vjSPybe&ust=1681190256261000&source=images&cd=vfe&ved=0CA4QjRxqFwoTCPibzvLHnv4CFQAAAAAdAAAAABAD 2.1 Суть GMR GMR-эффект заключается в значительном уменьшении сопротивления многослойной структуры, состоящей из чередующихся слоев ферромагнетиков толщиной в несколько нанометров и немагнитных металлов такой же толщины, при воздействии на нее сильного магнитного поля [1–3]. Гигантский магниторезистивный эффект обусловлен волновыми свойствами электрона, в том числе и собственным моментом количества движения (спином), не связанным с реальным вращением электрона. Спин порождает определенный магнитный момент электрона, а значит, обусловливает его взаимодействие с внешним магнитным полем. Электрон может находиться в двух спиновых состояниях, которым соответствуют собственное "вращение" электронов по часовой стрелке или против нее. Таким образом, спин электронов проводимости в GMR-структуре может иметь только два направления: по направлению внешнего магнитного поля (условно спин направлен вверх) и против его направления (спин направлен вниз). Как известно, электрическое сопротивление проводников возникает в основном из-за рассеяния свободных электронов проводимости на атомах, отклонившихся со своего положения вследствие тепловых колебаний. Рассеяние электронов проводимости в GMR-структуре определяется их спиновой поляризацией в ферромагнитных металлах. Электроны проводимости, направление спина которых совпадает с направлением внутреннего магнитного поля ферромагнетика, испытывают меньшее сопротивление при движении, чем электроны, спин которых ориентирован навстречу внутреннему магнитному полю. Последние чаще сталкиваются с атомами среды и испытывают при движении большее сопротивление. В первом случае электрическое сопротивление среды меньше, чем во втором. В результате электрический ток в ферромагнитном металле формируют электроны со спином по направлению намагниченности материала и против него. Рисунок 5. Структура AMR, GMR, TMR элементов https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fferrite.ru%2Fdocs%2Fuglovye-datchiki-tmr-tdk-%2F&psig=AOvVaw2GnJ08dsAIzXjLrKXkzI7G&ust=1681189411302000&source=images&cd=vfe&ved=0CA4QjRxqFwoTCLj7juPEnv4CFQAAAAAdAAAAABAI Таким образом, в основе GMR-эффекта лежит поляризация спина электронов проводимости в ферромагнетиках и "спиновая зависимость" рассеяния электронов. Но как воспользоваться "внутренним миром" ферромагнетика для манипуляции сопротивлением? Тут на помощь и пришли структуры, состоящие из чередующихся слоев ферромагнетиков и немагнитных металлов. Простейшая GMR сэндвич-структура с нефиксированной ориентацией собственного магнитного поля содержит два слоя мягкого магнитного материала (сплавы железа, никеля, кобальта) толщиной от 4 до 6 нм, разделенных слоем немагнитного проводящего материала (например, меди) обычно толщиной 3–5 нм. При тщательном подборе материала и толщины немагнитного слоя ориентации магнитных полей слоев ферромагнетиков вследствие возникновения антиферромагнитной связи противоположны. Как правило, слои такой структуры формируются в виде узких полосок шириной несколько микрометров. При прохождении тока в такой структуре спин элкетронов в одном из слоев ферромагнетика совпадает с ориентацией его собственного магнитного поля. Во втором ферромагнитном слое, ориентация магнитного поля которого противоположна спину, электроны активно рассеиваются, и полное электрическое сопротивление структуры будет большим, поскольку электроны с "правильным" для этого слоя спином уже почти все рассеяны в первом слое. Если же такую сэндвич-структуру поместить в достаточно сильное внешнее магнитное поле (35–50 Э), преодолевающее антиферромагнитную связь, магнитные поля обоих ферромагнитных слоев окажутся однонаправленными, и вклад электронов, спин которых ориентирован по полю, в общий ток существенно увеличится. Для них структура практически окажется коротко замкнутой. Во сколько раз увеличится ток, обусловленный электронами со спином, ориентированным по магнитному полю, и уменьшится ток электронов с противоположно ориентированным спином, зависит от свойств материалов структуры. Но в любом случае увеличение тока превысит его уменьшение, и в результате суммарное сопротивление уменьшится. Если же поле убрать, чередование магнитной ориентации слоев восстановится. Подача внешнего магнитного поля перпендикулярно длине полосок не вызовет ощутимого GMR-эффекта вследствие наличия размагничивающих полей, обусловленных чрезвычайно малой шириной полосок, формирующих структуру. Важный параметр GMR-датчика – коэффициент гигантского магниторезистивного эффекта, или выраженное в процентах отношение относительного изменения сопротивления к минимальному сопротивлению (или сопротивлению насыщения) ∆R/R. Для сэндвич-структур это отношение составляет 4–9%, а магнитное поле насыщения – 30–50 Э. Помимо простейшей сэндвич-структуры существуют многослойные структуры с многочисленными чередующимися слоями проводящих магнитных и немагнитных материалов. В таких структурах GMR-эффект выражен сильнее (обычно ∆R/R = 12–16%), чем в сэндвич-конструкции. Правда, при этом для насыщения (уменьшения сопротивления) требуется большее внешнее магнитное поле – 250 Э. Толщина слоев меньше, чем в трехслойной структуре (обычно 1,5–2 нм), и она имеет критическое значение. Лишь при определенной толщине разделительного немагнитного слоя электроны проводимости вызовут атниферромагнитную связь магнитных слоев. В противном случае связь магнитных полей слоев структуры — ферромагнитная, и GMR-эффект не возникает. Для создания головок, способных работать при слабых магнитных полях, было предложено "фиксировать" (to pin) направление магнитного поля одного слоя сэндвич-структуры, с тем чтобы при наложении внешнего магнитного поля изменение ориентации в слое с нефиксированным магнитным полем относительно ориентации в слое с фиксированным полем приводило к ощутимому изменению сопротивления структуры. Для получения фиксированной ориентации в структуру добавляется четвертый так называемый обменный слой сильного антиферромагнетика (как правило, FeMn или NiO). Такая структура получила название спинового затвора (Spin Valve — SV). Направление фиксированного магнитного поля задается путем нагрева GMR-структуры до температуры, превышающей температуру блокирования магнитного материала. При такой температуре уже не существует антиферромагнитной связи между слоями ферромагнетиков. Структура охлаждается в сильном магнитном поле, фиксирующем поле слоя. Рабочая температура спинового затвора не может превышать блокирующую температуру, поскольку в противном случае магнитное поле слоя перестает быть фиксированным. Если внешнее магнитное поле параллельно плоскости фиксированного слоя, при изменении его ориентации сопротивление структуры изменяется с высокого на низкое. При подаче внешнего поля перпендикулярно фиксированному полю сопротивление минимально при нулевом поле и велико как при положительном, так и отрицательном значении магнитного поля Для таких структур ∆R/R = 4–20%, магнитное поле насыщения – 10–80 Э. Большая чувствительность к внешним магнитным полям получена в спин-зависимых туннельных (Spin Dependent Tunneling – STD) структурах. В таких структурах слои ферромагнетиков разделены тонким слоем диэлектрика, и их сопротивление определяется значением тока, туннелирующего через барьер. Значение туннельного тока, направленного перпендикулярно слоям структуры, определяется направлениями векторов магнитных полей слоев ферромагнетиков. Согласно последним данным специалистов компании Nonvolatile Electronics (NVE), США, отношение магнитосопротивления этих элементов с пленкой окиси алюминия в качестве туннельного барьера составляет 70%, а исследователи Университета Тохоку (Япония) использовали в качестве барьера пленку оксида магния и получили отношение 355%! Напряженность магнитного поля насыщения, зависящее от материала магнитных слоев и метода обеспечения параллельной и антипараллельной ориентации, колеблется в пределах от 1,25 до 125 Э, что и обеспечивает создание чрезвычайно чувствительных магнитных датчиков. Благодаря наличию изолирующего туннелируемого слоя сопротивление этих элементов велико, и они пригодны для работы с батарейным питанием. Главные достоинства GMR-датчиков – высокая чувствительность даже к незначительному изменению магнитного поля, малые габариты, малая потребляемая мощность, простота объединения с электронными устройствами. К тому же, благодаря интенсивному электрическому сигналу, формируемому GMR-структурой, снижается и чувствительность к помехам. Эти свойства и привели к тому, что элементы на основе гигантского магниторезистивного эффекта в первую очередь нашли применение в считывающих головках жестких дисков. Это позволило примерно за десятилетие увеличить плотность записи жестких дисков с 4,1 до 100 Гбайт/кв. дюйм. При этом до сих пор изготовители считывающих головок жестких дисков отдают предпочтение структуре спинового затвора. Но считывающие головки не единственное применение гигантского магниторезстивного эффекта. GMR-датчики находят применение для считывания тока, детектирования линейного, вращательного перемещения или смещения объектов, регулировки момента впрыскивания топлива, определения положения рычага управления двигателем и др. На базе тонкопленочных структур с гигантским магнитосопротивлением, осажденных на кремниевые подложки, выполняются различные элементы датчиков – резисторы, резисторные пары, или полумосты, мосты Уитстона. Для увеличения удельного сопротивления и минимизации потребляемой мощности GMR-резисторы, как правило, выполняются в виде серпантина. В типичном датчике четыре GMR-резистора формируют мост Уитстона, выходное напряжение которого пропорционально внешнему магнитному полю. Температурный коэффициент всех резисторов, изготовленных из одного и того же материала, одинаков. Два резистора моста представляют собой активные элементы датчика, один из двух оставшихся резисторов присоединяется к источнику питания, а другой – к общему потенциалу. Поверх этих "пассивных" резисторов, выполняющих функции опорных элементов, наносятся небольшие экраны из пермаллоя толщиной ~100 нм, защищающие их от воздействия прилагаемого магнитного поля. Поверхностное сопротивление всех четырех резисторов одинаковое. Изменение сопротивления активных GMR-резисторов такого моста на 10% вызывает изменение его выходного напряжения на 5%. Для увеличения чувствительности датчика в ряде случаев используются дополнительные структуры из пермаллоя, выполняющие функцию концентраторов магнитного потока. Активные резисторы помещаются в зазор между концентраторами. Отношение размера зазора между концентраторами к длине одного из них примерно определяет насколько напряженность магнитного поля, воздействующего на эти резисторы, больше напряженности приложенного поля. Концентраторы могут выполнять и роль экранов, если разместить два других резистора под ними. Чувствительность моста можно варьировать, изменяя зазор между концентраторами и их длину. Применение концентраторов позволяет на основе GMR-структуры с полем насыщения 300 Э создавать датчики с полем насыщения 15, 50 и 100 Э. Размер датчика компании NVE на основе моста Уитстона с концентраторами и с общим сопротивлением 5 кОм, смонтированного в восьмивыводной корпус SIOC, составляет 6×4,9 мм. Поскольку спинтронные датчики – резисторные элементы, потребляемая ими мощность при непрерывной подаче питания велика. Так, ток моста на основе датчиков с общим сопротивлением 5 кОм при подаче напряжения 2,8 В превышает 500 мкА, что недопустимо для компонентов систем с батарейным питанием. Для минимизации потребляемой мощности производится выборка сигнала датчика с малым коэффициентом заполнения. А так как время отклика спинтронных датчиков мало благодаря отсутствию движущихся деталей, время выборки может составлять 10 мкс и даже менее. В этом случае средний ток датчика не превышает 0,1 мА, и его мощность пренебрежимо мала по сравнению с мощностью, потребляемой схемой управления. Спинтронные датчики на основе моста Уитстона, работающие в режиме гистерезиса (в отсутствие тока смещения) или линейном режиме (при токе смещения ~40 мА), могут выполняться и на STD-структурах. Режим гистерезиса устанавливается в случаях, когда при превышении напряженности магнитного поля определенного уровня, скажем ±1 Э, требуется существенное изменение сигнала. Линейный режим идеален для регистрации небольших изменений магнитного поля. Датчики на STD-структурах имеют следующие параметры: * Диапазон линейности…………........……...±0,5 Э * Выходной сигнал относительно полярности поля….........двухполярный * Чувствительность по напряжению........................................~10–100 мВ/В/Э * Уровень собственных шумов на высокой частоте..................~10–100 мкЭ/√Гц * Шум на частоте 1 Гц…...…...................…..~1–10 мкЭ/√Гц * Поле насыщения…………............................±1 Э * Сопротивление моста……….....…..……….5–50 кОм * Потребляемая мощность, мин…………..2–20 мВт * Усиление потока………………......................10х * Размер кристалла………………..........……...1,65×2,14 мм * Диапазон рабочих температур…….....-40…185°С * Рабочее напряжение, макс……………....15 В Существует множество областей применения GMR-датчиков. В промышленном оборудовании они используются для обнаружения намагниченных объектов, отверстий в пластинах ферромагнетиков, регистрации присутствия или отсутствия проводящих элементов, наличия в них дефектов, наличия оксида железа в черной краске банкнот, для нахождения подземных проводящих труб и даже непроводящих водяных труб, для измерения электрического тока. В медицине они используются для контроля магнитных полей, возбуждаемых физиологическими функциями организма, контроля положения тела, особенно головы, для получения биопроб и измерения ДНК или концентрации антител в крови пациента. Каковы же последние достижения в области GMR-датчиков? жүктеу/скачать 0,59 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|