Диссертация (1098006), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Приложенные напряженияувеличивают эффективную циркулярную анизотропию и сдвигают максимум МИ вобласть высоких частот. Однако в данном случае для практического использованиязависимости импеданса от механических напряжений необходимо дополнительноприкладывать магнитное поле.Понимание зависимости импеданса от магнитной структуры позволило увеличитьэффект до 600%. В микропроводах со стеклянной оболочкой внутренние напряжениязависят от соотношения = / диаметров металлической жилы и общегодиаметра .Как правило, чем больше это отношение, тем меньше внутренниенапряжения.
В результате, для = 0.98 удалось добиться существенного увеличенияМИ отношения, как показано на Рисунке 1.7 [8].Таким образом, возможность манипулирования магнитной структурой аморфныхпроводов помогает реализовать различные МИ характеристики.27Рисунок 1.6. МИ характеристики в Co67Fe3.85Ni1.45B11.5Si14.5Mo1.7аморфныхпроводах в стеклянной оболочке для различных значений приложенных механическихнапряжений. Диаметр металлической жилы 22 микрона, общий диаметр- 30 микрон.Рисунок 1.7. Полевые зависимости МИ для проводов с различным соотношениемдиаметра металлической жилы и общего диаметра = /. Состав проводаCo67Fe3.85Ni1.45B 11.5Si14.5Mo1.7 . Диаметр металлической жилы = 22 микрона.281.2 МИ в многослойных пленкахМагнитомягкие аморфные провода и ленты позволяли получить высокие значенияМИ и высокие чувствительности до нескольких сот процентов на Э.
Однако дляпрактических приложений, требующих миниатюризацию, совместимость с технологиейинтегральных схем, высокую повторяемость результатов, большой интерес представляетисследование МИ в тонких пленках. Поскольку МИ имеет электродинамическуюприроду и определяется зависимостью скин-слоя от магнитных свойств, в однородныхпленках толщиной несколько микрон МИ отношение в МГц области невелико исоставляет несколько процентов. Проблема решается с помощью трехслойных пленок,внутренний слой которых состоит из высоко проводящего металла (Cu, Ag, Au), авнешние слои из магнитомягкого материала.
В этом случае удается не только получитьочень большие МИ отношения, но и существенно расширить диапазон частот.Например в системе CoFeSiB/Cu(Ag)/CoFeSiB толщиной несколько микронизменение импеданса достигает 300% на частоте 10 МГц в полях порядка 10 Э [65].Между тем в однородной аморфной CoFeSiB пленке при тех же условиях измененияимпеданса оказываются незначительными.
Еще большее усиление МИ эффектадостигается за счет использования нанометровых диэлектрических слоев междумагнитным и проводящими слоями [66].Эти результаты стимулировали дальнейшие исследования МИ в неоднородныхсистемах, включая Cu-провода с напыленным или полученным электролизом внешнимNiFe слоем [67,68].Наблюдалась общая тенденция значительного увеличения МИотношения при сравнительно низких частотах за счет использования внутреннего слоя свысокой проводимостью.
Теоретические исследования этого эффекта основывались навлиянии магнитного окружения на индуктивность проводников [69-71]. Индуктивностьпроводника значительно возрастает в присутствии магнетика с высокой магнитнойпроницаемостью. Планарные элементы с внешними магнитными слоями широкоиспользуются в качестве индуктивных элементов, которые оперируют на высокихчастотах до нескольких ГГц.(Z-Z(Hs))/Z(Hs) (%)29450400350300250200150100500Hs =9 OeCoSiB/Ag/CoSiBCoSiB/Cu/CoSiBCoSiB0.1110100Frequency, MHzРисунок 1.8. Частотные зависимости МИ отношения в трехслойных пленкахCoFeSiB/Cu(Ag)/CoFeSiB .
Толщина внешних магнитных слоев – 2 микрона, толщинавнутреннего проводящего слоя – 3 микрона. Для сравнения показана частотнаязависимость МИ однородного магнитного CoFeSiB слоя толщиной 4 микрона.Существуют два основных типа плоскостных индуктивных элементов. К нимотносятся планарные катушки с магнитными сердечниками и многослойные пленки свнутренним высоко проводящем слоем и внешними магнитными слоями. Последняяструктура очень перспективна для МИ в пленочной геометрии.Однако если дляиндуктивных элементов магнитная анизотропия должна быть вдоль длинной оси пленки(то есть вдоль индуцированного тока), то МИ элементов анизотропия перпендикулярнанаправлению тока.
Также, для индуктивных элементов зависимость от внешнегомагнитного поля не представляет интереса. С другой стороны, МИ планарные элементымогут представлять интерес для реализации управляемых индуктивных элементов, вкоторых состояние с высокой индуктивностью устанавливается с помощью внешнегомагнитного поля. При уменьшении поперечных размеров в плоскости МИ элемента,изменение импеданса уменьшается. Такое поведение аналогично проблеме сниженияэффективности планарных индуктивных магнитных головок [72,73] .
Таким образом,исследования планарных индуктивных элементов показали, что они могут быть оченьперспективныдля МИ эффектов [74,75], но требуется тщательный анализ влияниягеометрии, соотношения проводимостей слоев и магнитной анизотропии. В последствии30были реализованы узкие МИ сандвичи типа NiFe/Cu/NiFe, общей толщиной околомикрона и шириной - 20-50 микрон, которые демонстрировали МИ отношение на уровне100% на частотах порядка 100 МГц [76, 77].Рисунок 1.9.
МИ отношение пленокFeNi(150 нм)/Cu(500нм)/FeNi(150 нм).Цифры на рисунке (а) обозначают частоты возбуждающего тока в МГц. Данныечастотной зависимости МИ соответствуют разным элементам в чипе.Планарные МИ элементы очень удобны для создания сенсорных чипов. Дизайнчипа,состоящегоизнесколькихпараллельныхFeNi/Cu/FeNiэлементовснаноразмерными слоями, реализован в работе [78] и предложен в качестве прототипабиодатчика для детектирования сразу нескольких биокомпонент.Была достигнута31чувствительность порядка 35%/Э на частотах 50-60 МГц.МИ характеристикиприведены на Рисунке 1.9.Рисунок 1.10. Схематическое изображение МИ сандвича на гибкой подложке.Подложка находится в изогнутом состоянии.Рисунок 1.11. МИ отношение для структур, представленных на Рисунке 1.10 дляразличных состояний сгиба подложки.
Данные даны для двух частот: (a) -0.5 ГГц; (b)1.1 ГГц. Состояние сгиба изменяется от нулевого радиуса до ± 7.2 cm. Наблюдаетсязначительные изменения импеданса сМИ отношением до 90% и высокаячувствительность 9.2%/Oe.Были исследованы также более сложные наноструктуры типа (permalloy/spacer)N, вкоторых промежуточные нанослои помогали улучшить магнито мягкие свойства [79,80].С помощью наноразмерных слоев можно было контролировать размер кристаллитов, чтовлияет на магнитомягкие свойства. Очень перспективны для приложений являются МИ32пленки на гибких и функциональных подложках [81-83]. На Рисунке 1.10 представленаструктураМИ пленки (NiFe/Cu/NiFe)на гибкой подложке (Kapton substrate,органический материал), разработанная для чувствительных сенсоров небольшогодавления [82].
Импедансе на микроволновых частотах определялся с помощьюспециально разработанных микро-полосковых ячеек. Это позволило провести измеренияв широком интервале частот 0.1 МГц to 3 МГц. Данные по МИ для различных уровнейсгиба подложки представлены на Рисунке 1.11. В этом случае внешнее магнитное полеиспользуется как смещающее поле для увеличения чувствительности к сгибу.Симметричные МИ пленки (магнитный слой-проводник-магнитный слой) какправило дают наибольшее МИ отношение. Однако для некоторых приложений, гденужнодетектироватьнеоднородныеполяраспределением, пленки с несимметричнойсосложныхгеометриейпространственныммогутпредставлятьинтерес, как было предложено в работе [84].
Несимметричная геометрия получается впроцессе напыления разного количества верхних и нижних слоев, как представлено наРисунке 1.12а. То есть, общая толщина верхних и нижних магнитных слоев получаетсяразличной. МИ характеристики несимметричных структур даже при одинаковой общейтолщине магнитных слоев показывают меньшую чувствительность в области низкихчастот, но могут иметь даже большую чувствительность при высоких частотах.(a)(b)Рисунок 1.12. Структура несимметричного МИ сандвича с открытым магнитнымпотоком (a).
МИ характеристики несимметричного МИ сандвича в сравнении ссимметричным(b).Внутренняявставкапоказываетобластьнаибольшейчувствительности.Таким образом, МИ в тонких пленках очень перспективен для приложений.331.3 Асимметричный МИПосколькуповедениеМИопределяетсямагнитнойструктурой,можнореализовывать различные МИ характеристики, например, асимметричные (АМИ) поотношению к внешнему магнитному полю, что имеет практическое значение дляприменений в линейных сенсорных элементах. Исследованию АМИ и механизмов,приводящих к этому эффекту, было уделено значительное внимание [85].
Прежде всеговыделяютАМИ,обусловленныйасимметричнымповедениемстатическойнамагниченности во внешнем поле [86-88]. Как правило, такое поведение статическойнамагниченности можно реализовать в проводах с геликоидальной анизотропией (илисандвичахсоспиральнойанизотропией)привоздействиидополнительногоциркулярного поля смещения. Геликоидальная анизотропия, например, может бытьнаведена посредством отжига при воздействии скручивающих напряжений. Такой АМИнаблюдался в целом ряде материалов: в аморфных лентах [89], в аморфных проволоках,отожжённых электрическим током [90-93], в аморфных микропроводах в стекляннойоболочке[94-96].
Как правило, наличие геликоидальной анизотропии само по себе неприводит к асимметричным МИ характеристикам. В отсутствие подмагничивающеготока наблюдается симметричная зависимость, например, с двумя пиками, как показанона Рисунке 1.13.Рисунок 1.13. МИ характеристики в проводе с диаметром 30 микрон (полученнымметодом in-rotating water) без подмагничивающего тока ( = 0) и в присутствии [86].Геликоидальнаяанизотропиянапряжением-20 витков/м.впроводесоздаетсявнешнимскручивающим34Наличие постоянного тока подавляет один пик, при этом чувствительность второгозначительно возрастает.
В данном случае геликоидальная анизотропия в аморфномпроводе наведена с помощью внешних скручивающих напряжений [86].Степень асимметричности зависит от частоты и величины постоянногоподмагничивающего поля. Это продемонстрировано на Рисунке 1.14 для провода снаведенной геликоидальной анизотропией [87]. Возникновение асимметрии такжесопровождается увеличением чувствительности в области малых полей.Рисунок 1.14. МИ характеристики в проводе с диаметром 50 микрон (полученнымметодом in-rotating water и подверженному отжигу при температуре 500 С искручивающих напряжениях 280 витков/м) без подмагничивающего тока ( = 0) и вприсутствии = 4.5 мА, 9 мА [87].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
