Автореферат (Эффект магнитоимпеданса в ферромагнитных микроструктурах и композитных средах), страница 6

Тогдавыражение для импеданса упрощается и принимает вид:k 02 d 1 d 2 ( 12 d 12 )k 02 d 22 (sin2   ~ cos2  )  zz   0 1 q1  ,3 3( 1 d 1  2 d 2 ) 2 d 2k 02 d 22( ~  1)sin cos zy   yz   0q2,2(12)~ sin 2  )] q , yy   0[k 02 d 1 d 2  k 02 d 22 (cos2   3q1 3d12 12  3d1d 2 1 2  d 22 22 q  2d1 1  d 2 2 q  d1 1  d 2 2, 2, 3,d 2 2d 2 21d1   2d 2   2 d 2где  0  c 4  1d1   2 d 2  соответствует продольному статическому импедансу наединицу длины, q1,2,3 - нормализационные константы.

Уравнения (12) показывают, что втонких пленках импеданс ˆ является линейной функцией проницаемости, то есть имеетиндуктивную природу. Аналитическое представление (12) позволяет сделать важныевыводы относительно роли внутреннего немагнитного слоя. В приближении 1 1 > 2 2нормализационныепараметры1,2,3 > 1,тоестьониопределяютусилениечувствительности импеданса по сравнению с двуслойной магнитной пленкой (1 = 0).Рисунокизменение10.Относительногоимпеданса∆/ =|(( ) − (0))/(0)| от частоты (влогарифмическом масштабе) для рядаd1 d . 2  4.5  1016 c 1 .РассматриваетсяструктуразначенийCoFeSiB/Cu/CoFeSiB.Это указывает на то, что в качестве внутреннего слоя необходимо использоватьблагородный метал с высокой проводимостью 1 > 2 , такой как Cu, Ag или Au.

Результатытеоретического анализа поведения импеданса трехслойных пленок представлены наРисунке10. Расчет проводился, используя точные решения для случая аморфныхмагнитных слоев на основе Со с поперечной анизотропией. Импеданс Z ( H ex ) имеетмаксимум вблизи ~ , который связан с поведением поперечной проницаемости. Тоесть рассматривается максимальное изменение импеданса. Прежде всего следует отметить,что относительные изменения импеданса оказываются очень значительными (сотнипроцентов) в широком интервале частот для относительно тонких пленок (порядкамикрона). Если же толщина немагнитного слоя уменьшается, то уменьшается и изменениеимпеданса. Если проводящего слоя нет, то МИ отношение падает до десятков % причастотах в 100 МГц. При более низких частотах изменение импеданса чисто магнитныхпленок толщиной несколько микрон было бы незначительным.Значительное внимание уделяется исследованию влияния ширины пленки на МИ.Это имеет большое значение для практических приложений.

Если пленка считаетсябесконечной в плоскости, магнитный поток, индуцируемый переменным током, заключенв магнитных слоях. В действительности, в реальной пленке конечной ширины магнитныйпоток выходит из магнитных слоев и протекает через проводящий слой. Этот процессприводит к уменьшению МИ отношения, если ширина пленки сравнима с некоторымкритическим параметром ∗ , который зависит как от толщин слоев, так и от магнитнойпроницаемости [35]. Это явление аналогично снижению эффективности индуктивныхзаписывающих головок [36-37].Рисунок 11. Частотные зависимостиМИ отношения(Z / Z  Z ( H K )  Z (0) / Z (0) 100%)при различных значениях ширины пленки .Расчет сделан для двух толщин (a): 2d =1 μm, (b): 2d = 0.1 μm.Рисунок 11 представляет частотныезависимости МИ отношения при различныхзначениях ширины пленки b для двухтолщин d  0.5 m и d  0.1 m (d1  d 2 ).

Для широкой пленки ( b  100 m дляd  0.5 m и b  10 m для d  0.1 m )результат оказывается очень близким кполученному в приближении бесконечной ширины. При уменьшении b , МИ отношениеначинает быстро падать: например, при 150 MHz для 100 m -пленки Z / Z достигаетболее 300%, и падает до 70% для b  10 m при этой же частоте. Влияние ширины пленкина МИ оказывается более существенным при низких частотах, так как критическийпараметр b* уменьшается с увеличением частоты. Влияние толщины для узких пленокприводит к тому, что частотные характеристики не показывают плоского участка, а МИотношение постепенно увеличивается. Так для приведенного примера Z / Z достигает200% при частоте 900 MHz.Экспериментальные результаты с трехслойными пленками, где магнитные слоипредставлены аморфными сплавами на основе Со подтверждают выводы теории означительном увеличении МИ эффекта за счет использования сильно проводящих слоев.МИ отношение достигает 250% на частотах порядка 50 МГц, как видно из Рисунка 12.Снижение МИ отношения при увеличении частоты уже обусловлено влиянием импедансаизмерительной ячейки.

Также, уменьшение чувствительности с увеличением частотысвязано с проблемами калибровки, которая становится очень существенной на высокихчастотах для длинных образцов.240250f(МГц):f(МГц):502004030120Z/Z(%)Z/Z(%)1602002080601507010010405010100(а)(б)0-60-40-200204060Магнитное поле, Hex (Э)-60-40-200204060Магнитное поле, Hex (Э)Рисунок 12. МИ характеристики пленок Co70.2Fe7.8B22/Cu/Co70.2Fe7.8B22приразличных частотах: 1 – 40 MHz (a), 50 -100 MHz (б).При использовании аморфных слоев CoSiB и Au внутреннего слоя удалосьзначительно снизить эффективное поле анизотропии и разброс осей анизотропии. Врезультате наблюдаются очень узкие МИ характеристики. Для пленок шириной 100 m идлиной 5 мм достигается рекордная чувствительность порядка 40%/Э на частоте 60 МГц.Однако если ширина пленки снижена до 50 m, МИ отношение и чувствительность падают.В пятой главе приводятся результаты по асимметричному и недиагональному МИ.Интенсивные исследования в области МИ в большой степени обусловлены потенциаломприменения этого эффекта для созданиясверхчувствительных сенсорных элементов.Одним из важнейших параметров сенсорных систем является линейность.

Между тем,характеристики диагонального МИ не являются линейными и не зависят от направлениямагнитного поля. Это может вызвать сложности для конструирования сенсорных систем.Для формирования линейного отклика в окрестности нулевого поля оказывается важнымполучение ассиметричного МИ эффекта по отношению к внешнему полю . НамипредложеныдваосновныхмеханизмаполученияассиметричногоМИ(АМИ):«статический» за счет определенной конфигурации статической намагниченности и«динамический» за счет смешивания диагональных и недиагональных компонент тензораповерхностногонедиагональныйимпеданса.МИ.Также,вАсимметричныйэтойМИ,главеболееподробнообусловленныйисследуетсяоднонаправленнойанизотропией и полем сдвига, возникающими в кристаллических поверхностных слоях,подробно исследовался в [38-39].

Мы также не рассматриваем возможность асимметрииза счет обменных взаимодействий [40], так как с нашей точки зрения этот вклад несущественен для рассматриваемых микроструктур.При высоких частотах, соответствующих сильному скин-эффекту, распределениетокав магнитном проводнике и, соответственно, импеданс зависят от конфигурациистатической намагниченности. Следовательно, полевые зависимости импеданса связанны скривыми статической намагниченности. Асимметричные по отношению к внешнемумагнитному полю кривые намагничивания обуславливают асимметрию импедансныххарактеристик.Этобылопродемонстрированнодляпроводасгеликоидальнойанизотропией [41-42], а также для трехслойной пленки со скрещенной анизотропией [43] вприсутствие дополнительного постоянного тока .

Заметим, что в этом случае все жетребуется дополнительное постоянное воздействие. Но использование для этого тока, а неполя, практически более удобно. Асимметричное намагничивание может быть такжеосуществлено с помощью дополнительных слоев из магнитного материала со значительнобольшей коэрцитивностью, создающего постоянное подмагничивающее поле [44].АМИ может быть получен с помощью дополнительного высокочастотногомагнитного поля hex [45], которое по величине соответствует полю возбуждения, то есть неприводиткдополнительнымзатратамэнергии.Такоеповедениесвязанносвысокочастотными перекрестными процессами намагничивания [46-47], например,возбужденияциркулярнойнамагниченностипродольныммагнитнымполем.Сувеличением частоты, вклады в напряжение за счет hex и тока i оказываются сравнимыми,и характер зависимости напряжения, измеряемого на концах провода, от H ex становитсяасимметричным.

В терминах матрицы поверхностного импеданса это соответствует вкладунедиагональной компоненты в напряжение, измеряемое на МИ элементе. Например, еслипровод возбуждается высокочастотным токомi и магнитным полем hex , котороегенерируется тем же током в катушке, намотанной на провод ( hex  4 n i / c , n - числовитков на единицу длины) измеряемое напряжение определяется какVz  ez (a)l 2li( zz  2  n a  z )ca(13)Результирующие напряжение имеет асимметричный характер по отношению к внешнемумагнитному полю, как показано на Рисунке 13 для провода с циркулярной анизотропией(хотя квази-статические процессы намагниченности являются симметричными).

Такойметод получения АМИ особенно важен для создания так называемых «auto-biased»линейных сенсоров.2a2а=120= 120  мmf =f =8 8МГцMHzмАI Ib==100100 mAbVin=10 мВV = 10 mV5экспериментin43z| V / V | x 10 -162in-10проводе,вприсутствииасполя,создаваемого катушкой, и сравнение с0H , Oe10наэкспериментальноезначение напряжения при отрицательномK-20Асимметричное поведениевыходного напряжения, измеряемого нанормированаexperimenttheory ( = 900 , H = 55OeЭ)013.теорией. I b  100 мА. Теоретическая криваятеория1Рисунок.20поле насыщения.Hexex (Э)В пятой главе также более подробно исследуется недиагональный импеданс как впланарных системах, так и цилиндрических магнетиках. Обсуждается технология созданияпланарногоэлементасвнешнейкатушкойвединомпроцессенапыленияифотолитографии.

Такая система была реализована при использовании трехслойной пленкиNiFe/Au/NiFe , которая находится внутри пленочной катушки, имеющей наклонные витки.И внутренняя пленка, и катушка получаются в процессе rf напыления [48]. В магнитныхслоях наводится поперечная анизотропия. Геликоидальная намагниченность, котораянеобходима для недиагонального МИ, устанавливается постоянным током, которыйустраняет доменную структуру.