Тонкоплівкові датчики магнітного поля: фізичні принципи роботи і технологія виготовлення чутливих елементів

Размещено на http://allbest.ru/

Размещено на http://allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

Факультет електроніки та інформаційних технологій

Комплексна курсова робота

ТОНКОПЛІВКОВІ ДАТЧИКИ МАГНІТНОГО ПОЛЯ: ФІЗИЧНІ ПРИНЦИПИ РОБОТИ І ТЕХНОЛОГІЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ЧУТЛИВИХ ЕЛЕМЕНТІВ



РЕФЕРАТ

Об'єктами досліджень комплексної курсової роботи є тонкоплівкові датчики магнітного поля.

Мета роботи полягає у дослідженні найактуальніших методів виготовлення датчиків магнітного поля на основі тонких плівок, та визначенні їх переваг і недоліків.

Дана курсова робота складається з двох розділів: фізичні процеси в датчиках магнітного поля і конструктивно - технологічні особливості датчиків магнітного поля. У першому розділі описуються основні поняття, загальна характеристика фізичних принципів і ефектів на яких працюють чутливі елементи та роль у цьому матеріалу з яких вони виготовляються. У другому розділі розглядається характеристика найбільш перспективних наслідків ГМО ефекту, їх особливості, переваги та недоліки і сфери застосування.

У результаті проведеного літературного аналізу встановлено, що людство потребує все більшого об'єму пам'яті для цифрових приладів. Але при цьому прилади повинні мати все менші розміри, споживати якомога менше електроенергії, мати високу міцність і щільність запису. Одним із способів задовольнити ці потреби є вдосконалення датчиків для зчитування інформації та виготовлення принципово нових пристроїв її збереження, все це дозволяє зробити використання та більш глибоке дослідження явища гігантського магнітоопору(ГМО).



ЗМІСТ

ВСТУП

РОЗДІЛ 1. ФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ В ДАТЧИКАХ МАГНІТНОГО ПОЛЯ

1.1 Явище гігантського магнітоопору

1.2 Класифікація матеріалів для виготовлення чутливих елементів датчика

РОЗДІЛ 2. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСОБЛИВОСТІ ДАТЧИКІВ МАГНІТНОГО ПОЛЯ

2.1 Мультишари із антиферомагнітним упорядкуванням

2.2 Спін - вентилі із фіксованим шаром

2.3 Спін - залежні тунельні структури

2.4 Області застосування магнітних датчиків

ВИСНОВКИ

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ



ВСТУП

В даний час магнітна мікро- та наноелектроніка, що базується на останніх результатах фундаментальних фізичних досліджень і займається розробкою тонкоплівкових інтегральних магнітних пристроїв і елементів: магнітних дисків і стрічок запам'ятовуючих пристроїв, магнітних головок і різних типів датчиків, стала одним з важливих напрямків у техніці.

На сьогоднішній день в світі спостерігається бум у розробці і дослідженні магніторезистивних елементів, пов'язаний з відкритим у 1988 р. Альбертом Фертом (Albert Fert) і Петером Грюнбергом (Peter Grunberg), явища гігантського магнітоопору (ГМО). Активно ведуться розробки запам'ятовуючих елементів для однокристальних магніторезистивних запам'ятовуючих пристроїв з довільною вибіркою, головок зчитування, датчиків магнітних полів, гальванічних розв'язок і спінових транзисторів. Розглядається можливість створення нейрочіпа на основі магніторезистивних елементів [1].

Найбільший практичний інтерес представляють структури з спін-вентильними та спін-тунельними ГМО ефектами з причини їх прояву при прикладенні малих магнітних полів. Розробка елементів на основі цих ефектів має велике значення, так як дозволить, з одного боку, різко збільшити щільність записуваної і зчитуваної інформації, та підвищити чутливість уже відомих сенсорів, а з іншого - створити нові види тонкоплівкових магніторезистивних елементів [2].

Метою роботи є дослідження різних методів виготовлення магніточутливих елементів для магнітних датчиків, та визначення їх переваг і недоліків.



РОЗДІЛ 1. ФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ В ДАТЧИКАХ МАГНІТНОГО ПОЛЯ

1.1 Явище гігантського магнітоопору

Ефект гігантського магнітоопору у 1988 році незалежно один від одного описали вчений Університету Париж - 11 Альберт Ферт і професор Інституту фізики твердого тіла при науково - дослідницькому центрі у Юліх Петер Грюнберг. [3].

Суть ефекту ГМО полягає в суттєвому зменшенні опору багатошарової структури, яка складається з шарів феромагнетиків товщиною в декілька нанометрів і шарів немагнітних металів такої ж товщини, що чергуються між собою, під дією на неї магнітного поля. Основною характеристикою ГМО є коефіцієнт магнітоопору, який визначається за формулою (1.1) [4].

(1.1)

де - опір при відсутності магнітного поля, - опір у магнітному полі Н.

ГМО ефект обумовлений хвильовими властивостями електрона, в тому числі і власним моментом кількості руху (спіном), не зв'язаним з реальним обертанням електрона. Спін породжує певний магнітний момент електрона, а отже обумовлює його взаємодію з зовнішнім магнітним полем. Електрон може знаходитися у двох спінових станах, котрим відповідає власне «обертання» електронів за часовою стрілкою або проти неї. Таким чином спін електронів провідності в ГМО - структурі може мати тільки два напрями: за напрямом зовнішнього магнітного поля (умовно спін направлений вгору) та проти його напряму (спін направлений вниз).



Рис. 1.1. Найпростіша ГМО (сендвіч) - структура [3]:

а - у відсутності МП з АФМ конфігурацією магнітних шарів (високий опір);

б - з прикладеним МП та ФМ конфігурацією магнітних шарів (низький опір).

Як відомо електричний опір провідника виникає в основному в наслідок розсіювання вільних електронів провідності на атомах, які відхилилися від свого положення внаслідок теплових коливань. Розсіювання електронів провідності в ГМО - структурі обумовлюється їх спіновою поляризацією в феромагнітних металах.

Електрони провідності напрям спіна котрих співпадає з напрямом внутрішнього магнітного поля феромагнетика, під час руху відчувають менший опір, ніж електрони, спін котрих орієнтований на зустріч внутрішньому магнітному полю. В останньому випадку електрони частіше зіштовхуються з атомами середовища, що й обумовлює більший опір. В результаті електричний струм в феромагнітному матеріалі формують електрони зі спіном направленим за намагніченістю матеріалу та проти нього.

Таким чином, у основі ГМО - ефекту лежить поляризація спіна електронів провідності у феромагнетиках та «спінова залежність» розсіювання електронів.

1.2 Класифікація матеріалів для виготовлення чутливих елементів датчика

У магнітоупорядкованих матеріалах (феромагнетиках, феримагнетиках та антиферомагнетиках) існує значний по величині магнітний вклад у електричний опір матеріалу, він обумовлений розсіюванням електронів провідності на магнітній структурі, утвореній магнітними моментами атомів. У багатьох металевих магнетиках загальний опір визначається сумою усіх опорів, формула (1.2) [4].

(1.2)

де - опір, незалежний від температури, і викликаний розсіюванням електронів провідності на викривленнях, дефектах кристалічної гратки, та атомах домішок,

- опір, який виникає за рахунок розсіювання при електрон - електрон зіткненнях,

- опір викликаний розсіюванням електронів провідності на фононах,

- опір обумовлений розсіюванням електронів на магнітній структурі матеріалу.

Магнітний вклад у деяких матеріалах дуже великий і навіть перевищує суму усіх інших вкладів. Розсіювання електронів провідності на магнітному хаосі, пропорційне середньому значенню квадрату спіна магнітного атома, який розсіює електрони провідності. Це розсіювання максимальне у парамагнітному стані. Де магнітні моменти атомів хаотично розташовуються за різними напрямками.

У випадку рідкоземельних феро - та антиферомагнітних металів (Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm) розсіювання електронів провідності, котрими являються валентні електрони (5d - та 6s - типів ), відбувається на локалізованих 4f - електронах, які є носіями магнітного моменту іонів рідких земель, що утворюють кристалічну гратку. Таке розсіювання відбувається за рахунок так званої s - f - обмінної взаємодії електронів провідності і 4f - електронів.

У 3d - феромагнітних матеріалах (Fe, Co, Ni) окрім 4s - електронів у процесах провідності беруть учать також і магнітні 3d - електрони. Магнітний момент цих металів відображає розбалансування між кількістю 3d - електронів зі спінами, направленими «угору» (за напрямом результуючої намагніченості), та кількістю 3d - електронів зі спіном «вниз» (рис. 1.2.). Електрони, що переносять електричний струм - це електрони на рівні Фермі E_F - на верхівці зони заповнених станів.

Рис. 1.2. Залежність щільності станів N(E) у міді та кобальті, від енергії E 3d - електронів [4]

У нормальному металі, наприклад міді, N+ = N- , тому намагніченість рівна нулю і електрони провідності не поляризовані. В феромагнітних 3d - металах (Fe, Co, Ni) відбувається «перетікання» 3d - електронів із однієї зони у іншу, щоб компенсувати збільшення кінетичної енергії електронів при виникненні обмінної взаємодії між ними. Як видно з рис. 1.2., у результаті обмінного розщеплення 3d - зон у 3d - металах, зони електронів з спінами «угору» та «вниз» заповнені неоднаково і мають різну щільність станів N(E) на рівні Фермі E_F. Намагніченість І рівна просто магнітному моменту електрона , помноженому на різницю електронів в 3d - зонах (N+ - N-):

(1.3)

Суттєво, що поляризовані 3d - електрони (в усякому разі їх значна частина) приймають участь в процесах провідності разом з валентними електронами (s - и p - типу).

Для оцінки ефективності спін - поляризованого транспортування носіїв струму важливо визначити, на яких відстанях при своєму русі електрони провідності «пам'ятають» або, грубо кажучи, зберігають орієнтацію свого спіна. Характерна довжина цієї відстані пропорційна добутку середньої швидкості електрона на час спінової релаксації , протягом якого зберігається напрям спіна електрона провідності, що рухається. Не зважаючи на проблематику та складність даного питання, на основі останніх експериментальних даних можна вважати, що в багатьох металевих феромагнетиках величина перевищує 1 - 10 нм, що дозволяє при відповідних умовах спостерігати ефекти спін - поляризованого транспортування.

Проведені у 1988 - 1994 роках дослідження [5] показали, що ГМО ефект існує у багатьох магнітних мультишарах з загальною формулою Ф₁/П/Ф₂, де Ф₁ та Ф₂ позначають шари 3d - феромагнітного металу, а П - шар не феромагнітного перехідного металу:

- ванадій (V);

- хром (Cr);

- ніобій (Nb);

- молібден (Mo);

- рутеній (Ru);

- реній (Re);

- осмій (Os);

- іридій (Ir);

- благородні метали мідь, срібло, золото (Cu, Ag, Au).

Товщина феромагнітних шарів зазвичай становить 4 - 6 нм, а оптимальний розмір проміжного шару складає 1 - 2 нм. ГМО спостерігався в магнітних мультишарах при зміні відносної орієнтації магнітних моментів шарів від антипаралельної до паралельної, як це показано на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Принципова схема провідності у багатошаровій структурі Co/Cu/Co, для паралельної (а) та антипаралельної (б) орієнтації векторів намагніченості [6]



РОЗДІЛ 2. КОНСТРУКТИВНО -ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСОБЛИВОСТІ ДАТЧИКІВ МАГНІТНОГО ПОЛЯ

2.1 Мультишари із антиферомагнітним упорядкуванням

Уперше ГМО був знайдений у штучно створеній магнітній мультишаровій структурі Fe/Cr у 1988 році [7]. Величина при Т = 4,2 К у магнітному полі Н ~ 20 кОе перевищувала 90%. У мультишарах Fe/Cr феромагнітні шари Fe з товщиною ~ 3 нм чергувалися з не феромагнітними шарами хрому Cr товщиною 0,9 - 1,8 нм (рис. 2.1.).

Рис. 2.1. Атомні шари Fe і Cr в багатошаровій структурі. Стрілки показують напрямки магнітних моментів атомів Fe [4]

Було знайдено, що магнітні моменти атомів Fe в межах одного шару паралельні, а магнітні моменти сусідніх шарів Fe орієнтовані антипаралельно (антиферомагнітно). У магнітному полі, перевищуючому поле насичення H_S і прикладеному у площині шарів, антиферомагнітний обмінний зв'язок між магнітними моментами шарів Fe руйнується і усі магнітні моменти атомів Fe виявляються паралельні один одному (рис. 2.1.).

Недоліком такої структури є те, що магнітне поле котре викликає даний перехід, складає доволі велике значення Н ? 20 кОе. У результаті стрибкоподібної переорієнтації магнітних моментів, електричний опір різко зменшується (рис. 2.2.), так як його величина при паралельній орієнтації моментів (у феромагнітній структурі) на багато нижча, ніж у антиферомагнітній.

Рис. 2.2. Залежність електричного опору R від МП для магнітних мультішарів Fe/Cr при Т = 4,2 К [4]

Позбутися вище вказаного недоліка можна використовуючи мультишарові структури, які складаються з магнітних шарів, що мають різні коерцитивні сили, наприклад Ni₈₀Fe₂₀/Cu/Co/Cu. Тут під дією магнітного поля, магнітна конфігурація змінюється від антипаралельного розташування магнітних моментів до паралельного. Величина поля підбирається проміжною між двома значеннями коерцитивної сили, котрими володіють різні магнітні шари.

Перевагою таких структур являється порівняно низькі значення полів насичення, при яких спостерігається амплітуда ГМО. Зазвичай ці поля складають Н_S ~ (4 - 50) Ое. Варто зазначити, що амплітуда ГМО залежить від індивідуальних характеристик матеріалів, із яких складаються парні шари Ф/П, а також критичною є ширина цих слоїв, так як взаємодія сусідніх шарів Ф відбувається тільки при товщині шару П ? 1 - 2 нм.

2.2 Спін - вентилі із фіксованим шаром

Для створення датчиків здатних працювати у слабких магнітних полях, було запропоновано «фіксувати» (to pin) напрям магнітного поля одного з шарів сендвіч структури, для того щоб при прикладанні зовнішнього магнітного поля зміна орієнтації у шарі з нефіксованим полем відносно орієнтації у шарі з фіксованим полем призводило до суттєвої зміни опору структури. Для одержання фіксованої орієнтації до структури додається так званий обмінний шар сильного антиферомагнетика (як правило, FeMn або NiO). Така структура отримала назву спінового вентиля (Spin Valve - SV)(рис. 2.3.).

Рис. 2.3. Структура спінового вентиля [3]

Напрям фіксованого магнітного поля задається шляхом нагрівання структури до температури, що перевищує температуру блокування магнітного матеріалу. При такій температурі вже не існує антиферомагнітного зв'язку між шарами феромагнетиків. Структура охолоджується у сильному магнітному полі, фіксуючому поле шару. Робоча температура спінового вентиля не може перевищувати температуру блокування, оскільки в протилежному випадку магнітне поле шару перестає бути фіксованим.

Якщо зовнішнє магнітне поле паралельно площині фіксованого шару, при зміні його орієнтації, опір структури змінюється з високого на низький (рис. 2.4.).

Рис. 2.4. Залежність опору спінового вентиля від напруженості зовнішнього МП, направленого паралельно площині фіксованого шару. Коефіцієнт ГМО - 6% [3]

При прикладанні зовнішнього магнітного поля перпендикулярно полю фіксованого шару, опір мінімальний при нульовому полі і великий при позитивному і від'ємному значенні магнітного поля (рис. 2.5.). Для таких структур , а магнітне поле насичення складає ~ 10 Ое.



Рис. 2.5. Залежність опору спінового вентиля від напруженості зовнішнього МП, направленого перпендикулярно до площини фіксованого шару. Коефіцієнт ГМО - 2,4% [3]

Перевагою датчиків з використанням таких структур є те, що так як феромагнітні шари дуже слабко зв'язані, то зміна конфігурації магнітних моментів від антипаралельної до паралельної відбувається в малих магнітних полях, це забезпечує високу чутливість таких структур. За декілька років, що пройшли з моменту відкриття спінових вентилів, було створено і досліджено біля 11 видів спінових вентилів з різноманітною структурою. Так, наприклад, додавання тонкого прошарку Ru підвищує термостабільність сенсорів. Використання кобальтового ферита у якості ізолюючого магнітожорсткого шару зменшує шунтуючий ефект, що підвищує величину ГМО [8].

2.3 Спін - залежні тунельні структури

Велику чутливість к зовнішнім магнітним полям отримана у спін - залежних тунельних (Spin Dependent Tunneling - STD) структурах (рис. 2.6.). У таких структурах шари феромагнетиків розділені тонким шаром діелектрика (< 2 нм), зазвичай Al₂O₃, що дозволяє електрону просочуватися через цей бар'єр, а їх опір визначається значенням струму тунелювання. Процес тунелювання обумовлений хвильовими властивостями електрона. Імовірність тунелювання залежить від довжини хвилі та енергії електрона. Так як у феромагнетику енергія електронів з орієнтацією спіна «вгору» та «вниз» різні, то саме це призводить до спін - залежного тунельного ефекту. Значення тунельного струму, який направлений перпендикулярно шарам структури, визначається напрямом векторів магнітних полів шарів феромагнетиків [9].

Рис. 2.6. Структура STD - елемента [3]

Відповідно до останніх даних отриманих від спеціалістів компанії Nonvolatile Electronics (NVE), США, відношення магнітоопору цих елементів з плівкою окису алюмінію в якості тунельного бар'єру, складає 70 % (при кімнатній температурі), а дослідники із Університету Тохоку (Японія) використали в якості бар'єру плівку оксиду магнію і отримали відношення 355% ! Також, у якості використання їх як бар'єрного шару, проводяться дослідження потенціальних можливостей і інших матеріалів наприклад: Ta₂O₅, GaAs, ZnS, MgO.

Напруженість магнітного поля насичення таких структур, яка залежить від матеріалу магнітних шарів та методів одержання паралельної та антипаралельної орієнтації, коливається у межах від 1,25 до 125 Ое, що і забезпечує створення надзвичайно чутливих магнітних датчиків. Завдяки наявності ізолюючого тунельного шару опір цих елементів великий, і вони придатні для роботи з батарейним живленням.

2.4 Області застосування магнітних датчиків

Головні переваги ГМО - датчиків - висока чутливість навіть до незначних змін зовнішнього магнітного поля, малі габарити, мала споживана потужність, простота об'єднання з електронними пристроями. До того ж, завдяки інтенсивному електричному сигналу, який формує ГМО - структура, знижується і чутливість до завад. Ці властивості і призвели до того, що елементи на основі ГМО ефекту в першу чергу знайшли застосування у зчитуючи головках жорстких дисків. Це дозволило приблизно за десятиріччя збільшити щільність запису жорстких дисків з 4,1 до більш ніж 100 Гбайт/дюйм². При цьому до сих пір виробники зчитуючих головок жорстких дисків надають перевагу структурі спінового затвора. Хоча інтенсивно ведуться розробки по використанню STD - структури як для зчитуючи головок жорстких дискыв, так і у якості базових елементів магніторезистивної оперативної пам'яті (MRAM).

MRAM виглядає досить перспективною і багатообіцяючою, у порівнянні з іншими типами енергонезалежної пам'яті. Так час вибірки даних у MRAM може становити < 10 нс, що у 5 разів менше ніж у флеш - пам'яті, а час запису - < 2 нс (на три порядки менший ніж у флеш - пам'яті). При цьому енергоспоживання магніторезистивної пам'яті у два разі менше ніж у флеш та оперативної пам'яті DRAM.

Сьогодні розробки MRAM ведуться декількома фірмами: Motorola, IBM, Infineon, Cypress semiconductor, TSMC, а також спільно NEC і Toshiba. Схема комірки MRAM пам'яті, у якої перемагнічування виконується за методом Савченко (US Patent 6.545.906), розробленому у компанії Motorola, представлена на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Елементарна комірка MRAM пам'яті [8]

Комірка пам'яті сформована на перетині розрядної та числової шин. Кожна комірка складається з STD - структури, котра відповідає за збереження інформації, і транзистора, за допомогою якого організована адресація. Існують схеми, у яких транзистор може бути замінений діодом або зовсім відсутній.

Під час запису струм, який протікає по розрядній і числовій шинам, наводить перехресне магнітне поле, котре змінює магнітний стан вільного шару. При зчитування через комірку пропускають струм. Величина цього струму залежить від орієнтації векторів намагнічування магнітних шарів структури: при паралельній конфігурації опір переходу мінімальний. Це відповідає логічному «0». При антипаралельній орієнтації намагніченостей опір великий, тунельний струм малий - це логічна «1».

З використанням розглянутої вище схеми комірки, компанією Motorola у 2004 році були створені чіпи MRAM - пам'яті ємністю 4 Мб, з часом доступу 25 нс [10]. В той же час компанії Infinion та IBM представили експериментальний чіп MRAM - пам'яті ємністю 16 Мб. Планується що 2013 року ємність MRAM - пам'яті буде збільшена до 10 Гб, а час доступу зменшений до 8 нс[9].

Пристрій для зчитування і запису інформації для жорстких дисків з використанням датчика на основі ГМО - структури представлений на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Конструкція пристрою зчитування та запису інформації [4]:

1 - магнітна доріжка;

2, 4 - магнітні екрани;

3 - магніторезистивний датчик;

5 - індуктивна котушка.

На рис. 2.8. можна спостерігати магнітну доріжку 1, на якій записана інформація. Кожна намагнічена ділянка доріжки містить один біт інформації. Запис виконується записуючим індуктивним елементом 5, який розміщується у магнітному екрані 4. Через індуктивний елемент 5 протікає струм запису. Магнітні поля від намагнічених ділянок доріжки змінюють опір чутливого ГМО - датчика 3, котрий екранується магнітним екраном 2. Струм з датчика 3 подається на підсилюючий пристрій. При переміщенні магнітної доріжки відносно головки, датчик 3 реєструє магнітне поле від намагнічених ділянок доріжки і тим самим виконує процес зчитування інформації [11].

Але зчитуючи головки та елементи пам'яті не єдине застосування ГМО ефекту. ГМО - датчики знаходять застосування для зчитування струму, детектування лінійного, обертального переміщення або зміщення об'єктів, у регулюванні моментів вприскування палива, визначення положення важеля керування двигуна і т.д.

На базі тонкоплівкових структур з ГМО, осаджених на кремнієвій підкладці, виготовляються різні елементи датчиків - резистори, резисторні пари, напівмости, мости Уітстона. У типовому датчику чотири ГМО - резистора формують міст Уітстона, вихідна напруга якого пропорційна зовнішньому магнітному полю. Температурний коефіцієнт всіх резисторів, виготовлених із одного і того ж матеріалу, однаковий. Два резистори моста представляють собою активні елементи датчика, один із двох резисторів, що залишилися приєднується до джерела живлення, а інший до загального потенціалу. Зверху цих «пасивних» резисторів, виконуючих функції опорних елементів, наносять невеликі екрани з пермалою товщиною ~ 100 нм, які захищають їх від дії зовнішнього магнітного поля. Поверхневий опір усіх чотирьох резисторів однаковий. Зміна опору активних ГМО - резисторів такого моста на 10% викликає зміну його вихідної напруги на 5%.

Для підвищення чутливості датчика у ряді випадків використовуються додаткові структури з пермалою, які виконують функцію концентраторів магнітного потоку. Активні резистори розміщуються в зазорі між концентраторами (рис. 2.9.).



Рис 2.9. Датчик на основі моста Уітстона з використанням ГМО - резисторів[3]:

D1 - ширина зазору між концентраторами;

D2 - довжина концентратора;

R1 - R4 - активні резистори розміщенні в зазорі між концентраторами;

R2 - R3 - опорні резистори розміщенні під концентраторами.

Відношення розміру зазору між концентраторами до довжини одного з них приблизно визначає на скільки напруженість магнітного поля, впливає на ці резистори, більше напруженості прикладеного магнітного поля. Концентратори можуть виконувати і роль екранів, якщо розмістити і два інших резистори під ними. Чутливість моста можна варіювати, змінюючи зазор між концентраторами та їх довжину. Використання концентраторів дозволяє на основі ГМО - структури з полем насичення 300 Ое створювати датчики з полем насичення 15, 50 і 100 Ое. Розмір датчика компанії NVE на основі моста Уітстона з концентраторами і загальним опором 5 кОм, змонтованого у восьми вивідний корпус SIOC, становить 6х4,9 мм.

Оскільки спінтронні датчики - резисторні елементи, споживана ними потужність при неперервній подачі живлення, велика. Так, струм мосту на основі датчиків з загальним опором 5 кОм при підведенні напруги 2,8 В перевищує 500 мкА, що є недопустимо для компонентів систем з батарейним живленням. Для мінімізації споживаної потужності виконується вибірка сигналу датчика з малим коефіцієнтом заповнення. А так як час відгуку спін тронних датчиків малий завдяки відсутності рухомих деталей, час вибірки може складати 10 мкс і навіть менше. В даному випадку середній струм датчика не перевищує 0,1 мА і його потужність мала у порівнянні з потужністю, споживаною схемою керування.

Спінтронні датчики на основі моста Уітстона, працюючі у режимі гістерезису (у відсутності струму зміщення) або лінійному режимі (при струмі зміщення ~ 40 мА), можуть виготовлятися на основі STD - структур. Режим гістерезису встановлюється у випадках, коли при перевищуванні напруженості магнітного поля певного рівня, наприклад ± 1 Ое, необхідна суттєва зміна сигналу. Лінійний режим ідеальний для реєстрування незначних змін магнітного поля. В переважній більшості датчики на STD - структурах мають наступні параметри:

- діапазон лінійності, ± 0,5 Ое;

- вихідний сигнал відносно полярності поля - двухполярний;

- чутливість по напрузі, ~ 10 - 100 мВ/В/Ое;

- рівень власних шумів на високій частоті, ~ 10 - 100 мкОе/vГц;

- шум на частоті 1 Гц, ~ 1 - 10 мкОе/vГц;

- поле насичення, ± 1 Ое;

- опір моста, 5 - 50 кОм;

- споживання потужності (хв.), 2 - 20 мВт;

- підсилення потоку 10х;

- розмір кристала, 1,65х2,14 мм;

- діапазон робочих температур -40…185^°С;

- максимальна робоча напруга 15 В.

Існує велика кількість областей застосування ГМО - датчиків. У промисловому обладнанні вони застосовуються для виявлення намагнічених об'єктів, отворів в пластинах феромагнетиків, реєстрації присутності чи відсутності провідників, наявності в них дефектів, наявності оксиду заліза у червоній фарбі банкнот, для знаходження підземних провідних магістралей і навіть не провідникових водяних труб, також для виміру електричного струму і т.д.

У медицині такі датчики застосовуються для контролю магнітних полів, збуджуваних фізіологічними функціями організму, для контролю положення тіла, особливо голови, для отримання біопроб чи виміру концентрації антитіл у крові пацієнта.

Також інтерес представляє GMR/MEMS - датчик прискорення, розроблений спеціалістами лабораторії реактивних двигунів Каліфорнійського інституту технології, космічного центру Ліндона Джонсона, університету Райса і дослідницького центру Ленглі. До сих пір датчик прискорення в основному виготовлявся на основі електромеханічних, п'єзоелектричних, пьєзорезистивних і ємнісних елементів.

Розглядаємий GMR/MEMS - датчик прискорення містить мембрану із нітриду кремнію товщиною 0,5 мкм, яка формується об'ємною обробкою кремнієвої підкладки; магніто - тверду тонку плівку, напилену поверх мембрани, і ГМО - елемент, виготовлений шляхом вакуумного напилення на другу кремнієву підкладку. При зборці датчика обидва кристали поєднуються методом анодного зварювання. Датчик визначає прискорення, реєструючи зміну магнітного поля, викликаного зміщенням мембрани з магніто - твердою плівкою.

Типова структура ГМО - елемента у таких датчиках, Si-SiO2-Ta-Cu-Co-FeNTa. Шар кобальту між провідним шаром міді і пермалою запобігає зміщенню міді і пермалою, яке спостерігається при температурі датчика менше 200^°С. товщина шарів ГМО - структури складає 30 - 40 нм. В якості матеріалу магніто - твердої плівки використовується CoCrTaPt, FePt чи CoPt.

Технологія гігантського магнітоопору знайшла комерційне застосування багато в чому завдяки невеликій американської компанії NVE, перші розробки якої проводилися рамках програми перспективної технології (Advanced Technology Program - ATP), Національного інституту по стандартам та технологіям (Національний інститут стандартів і технології - NIST). За підтримки NIST фахівцями компанії NVE на базі ГМО - резистора із структурою спінового вентиля створений датчик, що реєструє кутове положення в межах 360° [12]. Структура SV - датчика, як вказувалося раніше, завдяки можливості отримання великого вихідного сигналу, малим розмірам і простоті освоєння масового виробництва знайшла широке застосування в головках зчитування. Це і послужило стимулом до створення іншого типу магнітного датчика, а саме кутового датчика, не вимагає фізичного контакту для формування вхідного сигналу і відрізняється високою зносостійкістю.

Спіновою затвор мав структуру Ta - NiFeCo - CoFe - Cu - CoFe - Ru - CoFe - CrMnPt. Напруженість магнітного поля фіксованого шару з тришаровою синтетичною антиферомагнітною структурою(Synthetic Antiferromagnet - SAF) складу CoFe - Ru - CoFe перевищувала 500 Ое (максимальне значення, використовуване при випробуваннях) [13]. Таке значення обумовлене нульовим кінцевим магнітним моментом в результаті сильного зустрічно-паралельного зв'язку між двома шарами CoFe однакової товщини через тонкий шар рутенію. Обмінний шар, що забезпечує фіксовану орієнтацію магнітного поля SAF - структури, - CrMnPt - відрізнявся високою температурою блокування і термічною стабільністю після відпалу при температурі 250°С впродовж години. В якості м'якого магнітного матеріалу з вільно орієнтованим полем, що не викликає деградацію ГМО - датчика, використовувалася двошарова структура NiFeCo - CoFe. Коерцитивна сила уздовж осі легкого намагнічення поля цього шару складала ~ 4 Ое. Опір SV- резистора R залежить від кута и між вільно орієнтованим і фіксованим магнітними полями.

При поданні зовнішнього магнітного поля, напруженість якого більша, ніж у поля насичення шару з вільною орієнтацією, і менше, ніж у фіксованого поля, вільне поле орієнтується відповідно до зовнішнього магнітного поля. Таким чином, значення магнітоопору визначатиметься косинусом кута и. Але зміна опору точно визначається в діапазоні від 0 до 180°. Для отримання датчика кутового положення на діапазон 360° потрібний другий резистор із структурою спінового вентиля і із затримкою сигналу відносно першого на 90°. Опір одного визначатиме cosи, опір другого - sinи.

Для компенсації теплового дрейфу, неминучого при роботі приладу в реальних умовах, як правило, датчик виміру кутового положення на основі SV - резисторів виконується у вигляді двох півмостів Уітстона. Повний опір одного півмосту в такій схемі дорівнює значенням включених послідовно опорів SV - резисторів, причому опір одного плеча півмосту залежить від -sinи, а опір другого плеча - від sinи. Аналогічно, опір другого півмосту дорівнює значенням включених послідовно опорів спінових затворів, залежних від, -cosи і cosи. Напруга на такий міст подається від одного джерела живлення на постійну або змінну напругу. А вихідні сигнали півмостів виводяться самостійно (рис. 2.10.), а не як диференціальний сигнал двох вузлів, як завжди в ГМО - датчиках на основі моста Уітстона.

У кутовому датчику спільно з ГМО - елементом використовується дископодібний постійний магніт, поле якого паралельне його площині. Магніт кріпиться на валу, що обертається, і розташовується поблизу датчика(рис. 2.11.). Як вказувалося раніше, при обертанні магніту опір ГМО - елементу є функцією косинуса або синуса кута між постійним магнітом, що обертається, і нерухомим датчиком.

Рис. 2.10. Конфігурація (а) та схема (б) кутового датчика [3]



ГМО - елемент на основі моста Уітстона з SV - резисторами монтувався у безвивідний корпус розміром 3?3?0,9 мм. Номінальний опір кожного з резисторів, виготовлених на одному кристалі, дорівнює 1,5 кОм. Випробування датчика показали, що точність виміру кутового положення складає ~1°, діапазон робочих температур складає -40…150°С. Датчик знайде застосування в промислових і автомобільних системах [14].

Рис 2.11. Конструкція кутового датчика з постійним магнітом [3]

Розвиток технології спінтроніки дозволив удосконалити засоби отримання біопроб. Вже на початку 2005 року на ринку медичного устаткування з'явилися малогабаритні магнітні датчики, об'єднані з мікросхемами і здатні працювати при кімнатній температурі (на відміну від сучасних пристроїв на основі надпровідних квантових інтерференційних датчиків). Один з найперспективніших напрямів розвитку таких елементів - створення спінтронних біодатчиків типу лабораторії на кристалі, для систем біомедичного аналізу [15].

У основі методу біоаналізу за допомогою магнітних датчиків лежить можливість приєднання магнітних міток до певної досліджуваної речовини за допомогою специфічного біохімічного з'єднання. Речовина з приєднаними мітками захоплюється ГМО - датчиком, який потім підраховує число міток. Приклад такої системи - розроблений ученими Університету штату Айова спільно з фахівцями компанії NVE, мікроструминна система з інтегрованим ГМО - датчиком, що реєструє швидкість потоку і розміри крапель феромагнітної рідини об'ємом в декілька піколітрів(10 - 12 л), а також частоту їх утворення [16].

Інтегрована платформа на базі кремнієвої мікросхеми включала три набори датчиків, кожен з яких є мостом Уітстона з SV - датчиками розміром 20?4 мкм. Спіновий вентиль мав структуру Ta/NiFeCo/Ta/NiFeCo/CoFe/Cu(2,5нм)/CoFe/CrPtMn. Зчитуючі резистори моста розташовувалися безпосередньо під каналом шириною 13 мкм і глибиною 18 мкм. Через канал пропускався струмінь (завдовжки 5 мкм) мікропроби, що містить ~5*10⁸ магнітних наночасток розміром 10 нм. Опорні ГМО - датчики моста були захищені шаром діелектричного полімеру марки Cyclotene компанії Dow Chemical. Основа мікроструменевого каналу відділялася від ГМО - датчика шаром нітриду кремнію завтовшки 300 нм. У полімерній кришці системи мікрообробкою формувався канал шириною 30 мкм і глибиною 25 мкм, розташований перпендикулярно мікроструменевому каналу [17]. В результаті в області перетину двох каналів можливий перехід струменя з одного каналу в інший. Готова система лабораторії на кристалі монтувалася на друковану плату, і до її вхідних отворів під'єднувалися упорскуючі мікрокапіляри. У області перекриття двох каналів виникав потік рідин, що не змішувалися та чергується, з різними наночастинками. Система поміщалася між полюсами мініатюрного електромагніту, поле якого паралельне "чутливій" осі ГМО - елементу (вісь, перпендикулярна поздовжній осі ГМО - елементів)[18]. Магніторезистивна чутливість SV - датчиків складала 0,077%/Ое. Швидкість потоку визначалася шляхом кореляції сигналів двох мостів. Її розрахункове значення дорівнювало 19,0±0,4 мм/с, що добре узгоджується із швидкістю накачування насоса - 21±2 мм/с.

датчик плівка фізичний магнітний



ВИСНОВКИ

1. Датчики з чутливими елементами на основі ГМО - ефекту набули широкого розповсюдження у багатьох сферах діяльності людини завдяки своїй високій точності і чутливості навіть при незначних магнітних полях (< 1 Oe), малим габаритним розмірам, низьким рівнем завад, високій надійності, низькій ціні, та великій перспективності розвитку.

2. Сьогодні ГМО - датчики, представлені на комерційному ринку, дозволяють перевіряти навіть грошові купюри і класифікувати транспортні засоби на відстані до декількох метрів.

3. Нова STD - технологія дозволяє розширювати сфери застосування таких датчиків і успішно замінювати ними електромеханічні пристрої більшого розміру з великим енергоспоживанням.

4. Розвиток технології гігантського магнітоопору вже привів до створення магніторезистивної оперативної пам'яті (Magnetoresistive RAM - MRAM) - одного з кандидатів на заміну сучасних ОЗП, флеш - пам'яті і навіть жорстких дисків [19].

5. Саме із за перспективності дослідження ГМО - ефекту, велика кількість вчених і цілих компаній зосередилися на цьому питанні. Це дало змогу охопити широкий спектр можливостей ГМО - ефекту, так зокрема досліджуючи даний ефект у «природно - шаруватих» [20] матеріалах у 1994 році (у манганіті лантану) був відкритий новий, набагато сильніший ефект - колосального магнітоопору, причина котрого до сих пір не вирішена до кінця, але сенсори на основі цього ефекту вже запатентовані [21].



СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Аверин H.H. Разработка тонкопленочных двухслойных магниторезистивных датчиков / Аверин H.H. Васильева Н.П., Касаткин СИ. [и др.] // Приборы и системы управления. - 1995. - № 2. - С.24-26.

2. Dieny В. Magnetotransport properties of soft spin-valve structures / Dieny В., Speriosu V.S., Metin S. [et al.] // J. Appl. Phys. -1991. - V. 69,N. 8. - P.4774-4779.

3. Юдинцев. В. GMR - датчики // ЭЛЕКТРОНИКА. - 2008. - С.52-59.

4. Никитин С.А. Гигантское магнитосопротивление // Ж. Соросовский образовательный. - 2004. - Т. 8, № 4. - С.92-98.

5. Dieny B. Giant magnetoresistance in spin-valve multilayers // J.Magn. Magn. Mater. - 1994. - V. 136. - P. 335-359.

6. Огнев А.В. Магнитная анизотропия Co/Cu/Co пленок с косвенной обменной связью / Огнев А.В., Самардак А.С., Воробьев Ю.Д. [и др.] // Физика твердого тела. - 2004. - Т. 46, № 6. - С. 1054-1057.

7. Fert А. Giant Magnetoresistance of Fe/Cr Magnetic Superlattices / Fert А., Baibich M.N., Broto J.M. [et al.] // Phys. Rev. Lett. -1988. - V. 61. - P. 2472-2475.

8. Огнев А.В. Спинтроника: физические принципы, устройства, перспективы / Огнев А.В., Самардак А.С. // Вестник ДВО РАН. - 2006. - № 4. - С.70-80.

9. Yihong Wu. Nano spintronics for data storage // Encyclopedia of nanoscience and nanotechnology. - 2004. - V. 10. - P. 1-50.

10. http://www.peakw.com/Summit2004/ - дата доступу: 01.02.2012 р.

11. Derbyshire K. Giant magnetoresistance for tomorrow's hard drives // Solid State Technol. - 1995. - V. 5. - P. 57-66.

12. http://www.nve.com/Downloads/lowfield.pdf - дата доступу: 16.04.2012 р.

13. www.nve.com/Downloads/TransMag2005f.pdf - дата доступу: 16.04.2012 р.

14. http://www.cs.cmu.edu/~sensing-sensors/readings/GMR_sensor_catalog.pdf - дата доступу: 16.04.2012 р.

15. http://www.infineon.com/cms/en/corporate/press/news/releases/2007/INFAIM200712-027.html - дата доступу: 16.04.2012 р.

16. Pekas N. Giant magnetoresistive monitoring of magnetic picodroplets in an integrated microfluidicsystem // Encyclopedia of nanoscience and nanotechnology. - 2004. - V. 10. - P. 153-160.

17. www.his.com/~iedm/general/28_2.pdf - дата доступу: 16.04.2012 р.

18. www.hindawi.com/GetArticle.aspx?doi=10.1155/2008/890293 - дата доступу: 16.02.2012 р.

19. http://en.wikipedia.org/wiki/MRAM - дата доступу: 16.04.2012 р.

20. http://elementy.ru/news/430612 - дата доступу: 16.04.2012 р.

21. http://www.patentstorm.us/patents/5835003.html - дата доступу: 16.04.2012 р.

Размещено на Allbest.ru