Диссертация (1098006), страница 28

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 28)

На рисунках представлен поперечный срез системы по центральной линиивдоль длинной оси. В процессе литографии использовался положительный фоторезист,так что шаблон недиагонального МИ элемента напрямую переносился на поверхностьпленок. Химическое травление использовалось для удаления металлических частей дляообразования нужной структуры. Использование Au пленок в качестве внутренних слоеви контактов более предпочтительнее, так позволяет получить более четкие края структурпри травлении. Фотографии образцов показаны на Рисунке 5.23.194(a)НижнийLower Au(a)Au coilслойlayerкатушки(б)O32Oнаполнитель(b)Al2Al3 fill layer(в) Нижний слой фоторезистор(c) Lower photo-resist isolation layer(г) Напыление NiFe/Au/NiFe пленки, Показаны(d) NiFe/Au/NiFeтакжеAu контактыMI sandwich layersrevealing the Au bonding pads(д)слой фоторезиста(e) ВерхнийUpper photo-resistisolation layer(е) Верхний(f)Upper Au AucoilслойlayerкатушкиLayersAuAl2O3фоторезистPhoto-resistNiFeРисунок 5.22.

Изображение основных стадий производства NiFe/Au/NiFe пленкис планарной катушкой. Показан поперечный срез системы по центральной линии вдольдлинной оси.195Рисунок 5.23. Фотографии образцов МИ планарного элемента с катушкой. (а)- 5мм, (б)- 2 мм.

Ширина в плоскости- 50 μm , толщина структуры- 1.5 μм . Катушка имеет23 витка (a) и 10 витков (б) with, ширина между витками- 50 μm . Увеличенный видэлемента с катушкой представлен на (в).5.4.2 Экспериментальные результаты по недиагональному импедансу в планарныхсистемах.Недиагональный импеданс  zy (или  yz ) измерялсяс помощью векторногоанализатора цепей (Hewlett-Packard 8753E), посредством определения S21 - параметра(двух-портовый режим измерений). Такая же конфигурация использовалась дляизмерения недиагонального импеданса в проводах (см.

раздел 3.3.4). Электрическаясхема ячейки для недиагонального импеданса соответствует Рисунку 3.8б. Измеренияпроводились в частотном интервале 4—100 МГц, что соответствует практическиважному диапазону частот. Результаты измерений для частоты 100 МГц представленына Рисунке 5.24. Для других частот недиагональный импеданс показывает аналогичноеповедение по отношению к внешнему полю и постоянному току.В отсутствиипостоянного тока смещения, S21 - параметр практически не зависит от внешнего поля,так как при наличии доменной структуры недиагональный импеданс пленки мал(перекрестные процессы намагничивания практически компенсируются в доменах с196противоположны направлением намагниченности). Под воздействием постоянного токасмещения, устраняющего доменную структуру, недиагональный импеданс имеетантисимметричное поведение по отношению к внешнему полю.

Наличие гистерезисасвязано с остаточной доменной структурой.Рисунок 5.24. Полевые зависимости недиагонального импеданса, выраженныечерез S21-параметрРеальная часть- (а), мнимая часть – (б). Частота измерений – 100МГц. Образец соответствует изображенному на Рисунке 5.23 (a).Аналогичное антисимметричное поведение недиагонального импеданса впроводах с циркулярной анизотропией обсуждалось в главе 3. На Рисунке 5.25представленытеоретическиезависимости zy ( H ex ) длятрехслойнойпленкиспоперечной анизотропией в мегагерцовой области частот, которые также являютсяантисимметричными относительно внешнего поля.

Расчет проводился для магнитныхслоев без доменной структуры, поэтому действие дополнительного постоянного токаприводит к уменьшению недиагонального МИ эффекта.197Рисунок 5.25. Полевые зависимости недиагонального импеданса  zy   yz ,нормализованного на импеданс немагнитной пленки  0 . Показано влияние поперечногополя H b , которое генерируется постоянным током. Реальная часть- (а), мнимая часть(б). Расчет выполнялся при следующих параметрах:   900 , M 0  500 Гс, H K  9 Э , 1 1018 с-1,  2 4.5 1016 с-1, 2d1  d 2   1.5  м ,   0.2 ,   2  107 (рад/с)/Э.5.5 Применение недиагонального импеданса для разработкивысокочувствительных сенсоровВ этом разделе обсуждаются вопросы использования недиагонального импедансадляразработкивысокочувствительныхсенсоров[160,295-301].Именноэтаконфигурация имеет ряд преимуществ и большой потенциал для развития.

Прежде всеговыходной недиагональный сигнал является антисимметричным относительно внешнегополя, то есть возможно определение величины и направления внешнего поля. Также,амплитуду выходного сигнала можно увеличить с помощью оптимального числа витковв детектирующей катушке, или используя несколько МИ элементов, соединенныхпараллельнов однойхарактеристикишумакатушке [296-298].

Такой[173-175]. Это связаносподходтем,позволяетчтонаулучшитьданномэтапечувствительность МИ сенсора (и разрешение) ограничены шумовыми характеристикамиэлектронной схемы, которые оказываются значительно выше, чем внутренниемагнитные шумы МИ элемента [176]. Следовательно, разрешение МИ сенсоров может198быть улучшено с помощью увеличения чувствительности выходного напряжения(конечно, до уровня, при котором шумы от различных источников становятсясравнимы).Для того, чтобы реализовать недиагональный МИ статическая намагниченностьдолжна быть геликоидальной.

Это естественно реализуется в системах с геликоидальноймагнитной анизотропией и использовалось ранее в элементах, работающих на принципеinverse Wiedemann effect [290-291, 302-303]. В случае циркулярной анизотропии дляреализациинедиагональногоМИнеобходимоиспользоватьдополнительноециркулярное поле (ток). Для практических применений второй метод имеетпреимущества, поскольку он дает линейное поведение около нулевого поля без offset.Кроме того, устранение доменной структуры с помощью циркулярного поля благотворно влияет не уменьшение шумов.5.5.1 Недиагональный импеданс в аморфных CoFeSiB микропроводах состеклянной оболочкойВ аморфных микропроводах на основе Со с отрицательной магнитострикциейформируется циркулярная магнитная структура, для которой характерны маленькиезначения поля коэрцитивности при циркулярном перемагничивании.

В этих проводахлегко реализуется недиагональный МИ, и они очень перспективны как сенсорныеэлементы.НаРисунке5.26представленыэкспериментальныезависимостинедиагонального импеданса в микропроводах состава Co66.94Fe3.83Ni1.44B12.29Si15.56(выраженные через измеряемый 21 - параметр) для различных значений постоянноготока . Максимум недиагонального импеданса увеличивается с увеличением , так какувеличивается объем провода с однодоменной геликоидальной намагниченностью.Реальная и мнимая части недиагонального импеданса изменяют знак при изменениизнакаполя,имеждуположительнымиотрицательнымпикомизменениенедиагонального импеданса практически линейное.

Интервал поля с линейнымповедением импеданса увеличивается с увеличением : для =30 мА этот интервалсоставляет 2 Э.199Рисунок 5.26. Недиагональный импеданс вединицахS21-параметрадляразличныхзначений постоянного тока смещения .ИспользовалсямикропроводCo66.94Fe3.83Ni1.44B12.29Si15.56диаметром22составаобщимcмикронаидиаметромметаллической жилы 19.6 микрона.В реальных случаях магнитная анизотропия не является строго циркулярной,тогда при нулевом внешнем поле недиагональный импеданс не обращается в ноль, каквидно из Рисунка 5.27, на которым представлены теоретические полевые зависимостинедиагонального импеданса для угла анизотропии 82°.Рисунок5.27.Полевыенедиагональногомикропроводазависимостиимпедансасгеликоидальнойанизотропией (угол легкой оси- 82° поотношению к оси провода). Параметрырасчета: частота- 10 МГц, / = 0.7,0 =500G, = 2.5 Э ,удельноесопротивление - 100 Ом ∙ см, = 10м.200Недиагональный сигнал при нулевом поле может быть скомпенсирован, используяположительный и отрицательный ток смещения, как показано на Рисунке 5.28.MHbРисунок5.28.Иллюстрацияметодаустранения offset-сигнала, связанного сzM1 zотклонениеманизотропииотциркулярного направления.HbПри = 0, статическая намагниченность направлена под углами и 1 =− + по отношению к оси z, в случае положительного и отрицательного полясмещения, соответственно.Под действием , соответствующие импедансныехарактеристики изменяются противоположным образом (по отношению к offsetуровню).

Таким образом, при вычитании недиагональных сигналов напряжения приположительном и отрицательном поле смещения постоянный сигнал при нулевом полеустраняется. Для этого может использоваться методика, разработанная для устраненияoffset сигнала в ортогональных fluxgates [304-306].5.5.2 Импульсное возбуждениеДля практических применений предложено использовать импульсноевозбуждениеМИпровода,прикоторомавтоматическиприсутствуютнизкочастотные и высокочастотные компоненты возбуждающего магнитногополя.МИ недиагональный сенсор, использующий такое возбуждение, былразработандляпримененийвмобильныхустройствах[156].Времянарастания (спада) импульса может быть порядка нс, что соответствует ГГцчастотам.

На Рисунке 5.29 представлены формы сигналов возбуждающего тока инедиагонального сигнала напряжения. В присутствии магнитного поля, выходной сигналимеет два пика противоположной полярности, которые поменяются местами приизменении знака поля. В этом случае выходной сигнал характеризуется амплитудамипиков и их полярностью, то есть также позволяет определять амплитуду и направлениевнешнего поля. Такой сигнал выпрямляется с помощью электронной схемы, содержащейцифровой переключатель и интегрирующую цепочку.

В результате получается гладкая201кривая выходного сигнала в зависимости от внешнего поля, как показано на Рисунок5.30, которая уже может использоваться как сенсорная характеристика.Рисунок 5.29. Форма импульсного тока в проводе (а) и форма выходного сигнала,снимаемого с катушки (б). Время нарастания (спада) импульса тока – порядка 20 нс, чтосоответствует частоте возбуждения 50 МГц.Рисунок 5.30.

Преобразованный и усиленный сигнал с катушки при импульсномвозбуждении.ИспользовалсяCo66.94Fe3.83Ni1.44B12.29Si15.56провод,импедансныехарактеристики которого представлены на Рисунке 5.26.5.5.3 Гармоническое возбуждениеГармоническое возбуждение может быть предпочтительней, так как позволяетреализовать резонансные условия в детектирующей схеме, при которой частотавозбуждения соответствует частоте LC-в катушке, которая имеет паразитную емкость.202Выходной сигнал, снимаемый с катушки, пропорционален числу витков в катушке.Однако при частоте возбуждения, соответствующей LC- резонансу, напряжение резковозрастает.

Характеристики

Список файлов диссертации