ДАТЧИК СЛАБОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ Российский патент 2004 года по МПК H01L39/16 

Изобретение относится к области криоэлектроники, в частности к области создания тонкопленочных криогенных устройств на сверхпроводниках.

Известен датчик слабого магнитного поля (В≥10^-8 Тл), содержащий диэлектрическую подложку, сверхпроводящую пленку в виде меандра из пленки высокотемпературного сверхпроводящего (ВТСП) материала на основе системы Y-Ba-Cu-O [1].

Недостатком данного датчика является то, что он имеет большие габаритные размеры - 5 мм х 10 мм х5 мкм, сравнительно небольшая критическая температура Т_c ~ 90 К и рабочая температура, то есть температура жидкого азота Т≈77,4 К находится близко к критической. Это вызывает повышение плотности нежелательного шума и соответственно ухудшения пороговой чувствительности по магнитному полю δВ и пороговой чувствительности по магнитному потоку δФ. Для данного датчика была получена экспериментальная чувствительность - δB≈10 нТл и δФ≈δB•А~250 Ф₀, где А - площадь чувствительной части датчика, Ф₀=2•10^-15Вб - квант магнитного потока.

Как обычно, магниточувствительный элемент реагирует на магнитный поток Ф и, для конкретного датчика величина δФ остается независимой от его массо-габаритов. Тогда уменьшение порога чувствительности по магнитному полю δB возможно за счет увеличения площади чувствительного элемента, то есть δB= δФ/A. Как видим, одновременно с понижением B увеличивается площадь чувствительного элемента, поэтому такой элемент или с большой площадью приемной антенны не может быть использован для регистрации локального магнитного поля в пространственных размерах гораздо меньше размеров самого датчика. Поэтому для регистрации локальных магнитных полей дипольного типа на маленьких размерах пространственного разрешения (≤5 мм²) требуется, чтобы сам пленочный датчик также был локальным, то есть с площадью ≤5 мм². В этой связи характерной локальностью сверхпроводящие пленочные датчики, предложенные в работах [1, 2] не обладают. Действительно, датчик на основе ВТСП пленки системы Y-Ba-Cu-O имели размеры 5 мм х 10 мм х 5 мкм, площадь чувствительного элемента А=50 мм², δB=10 нТл и δФ=(δB•А)=250 Ф₀ [1]. Датчик на основе ВТСП пленки системы Y-Ba-Cu-O имел размеры 10 ммх20 ммх0,28 мкм, площадь чувствительного элемента А=200 мм² δB≥10 нТл и δФ=(δB•А)=500 Ф₀ [2].

Недостатками данных ВТСП пленочных датчиков слабого магнитного поля являются большие габаритные размеры чувствительного участка и высокие пороговые чувствительности по магнитному потоку.

Наиболее близким техническим решением является конструкция датчика слабого магнитного поля на основе пленки ВТСП материала системы Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O [3], которые были приготовлены пленки методом высокочастотного (ВЧ) магнетронного распыления на подложках из оксида магния MgO (ориентация (100)). Испарение производилось из трех независимых тиглей, содержащих различные смеси: 1) Bi_0,5Pb_0,5O_x; 2) CaCu_0,75O_x; 3) SrCu_0,75O_x. Один цикл распыления состоял из временных интервалов, соответствующих распылению с каждого тигля: 1) ~ 6 с; 2) ~ 59,5 с; 3) 34,5 с. Напыление желаемой пленки толщиной ~ 2 мкм состояло из 400 таких циклов. В дальнейшем приготовленная пленочная структура отжигалась в атмосфере при температуре ~ 860^oС в течение 160 ч, и на них формировался топологический рисунок в виде меандра с размерами: ширина 0,6 мм, длина 140 мм.

Недостатками данного датчика являются большие размеры чувствительного элемента, площадь А≈100 мм², высокий уровень пороговой чувствительности по потоку δФ=δВ•А ~ 100 Ф₀, сложная технология приготовления.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение габаритов чувствительного участка и понижение пороговой чувствительности по магнитному потоку ВТСП датчика слабого магнитного поля.

Поставленная цель достигается тем, что в известном датчике слабого магнитного поля, содержащем диэлектрическую подложку из оксида магния, магниточувствительный элемент из пленки ВТСП материала в виде меандра, имеющий выделенные площадки для потенциальных и токовых контактов, магниточувствительный элемент выполнен из пленки ВТСП материала состава Bi_1,7Pb_0,4Sr₂Ca₂Cu₃O_x.

Датчик слабого магнитного поля на основе ВТСП пленочного материала состава Bi_1,7Pb_0,4Sr₂Ca₂Cu₃O_x работает на физическом механизме - изменение остаточного сопротивления при рабочей температуре Т, то есть при температуре жидкого азота Т=77,4 К в зависимости от внешнего слабого магнитного поля в интервале - В=1 нТл÷1 мТл.

Физический механизм основан на магниточувствительности джозефсоновских переходов, которые в большом количестве образуются на границах гранул ВТСП в пленочном материале состава Bi_1,7Pb_0,4Sr₂Ca₂Cu₃O_x [4].

На диэлектрической подложке из оксида магния (MgO) с ориентацией (100) образуется текстурированная пленка ВТСП материала стехиометрического состава Bi_1,7Pb_0,4Sr₂Ca₂Cu₃O_x. Размер подложки 10 ммх10 ммх0,3 мм. Пленка осаждалась методом ВЧ магнитного распыления мишени - керамического ВТСП массивного материала состава Bi_1,7Pb_0,4Sr₂Ca₂Cu₃O_x. Толщина пленки ~ 0,5 мкм. Методом фотолитографии на пленке формировалась полоса в виде меандра 2 с размерами: ширина полосы 0,2 мм, зазор - 0,2 мм. Площадь пленки 2,2 ммх2,2 мм, вид чувствительного элемента показан на фиг.1, где 1 - подложка из MgO (100), 2 - пленка на основе ВТСП материала; 3 -- серебряные площадки, потенциальные контакты; 4 - серебряные площадки, токовые контакты.

В дальнейшем приготовленная структура отжигалась в атмосфере при температуре ~ 860^oС в течение 50 ч. После завершения технологического процесса полученная пленка меандра имела критическую температуру в пределах ~ (102К-110К) и высокую резистивную магниточуствительность ~ 100 Ом/Тл, приведенная на квадрат поверхности пленки при температуре кипения жидкого азота. После отжига на концах полоски вжигались в серебряные площадки для токовых 3, потенциальных 4 контактов, как показано на фиг.1. Размер контактных площадок составлял 0,2 ммх0,3 мм и расстояние между ними - 0,4 мм. Остаточное удельное сопротивление ρ₇₇(0) при температуре жидкого азота Т=77,4К и при отсутствии внешнего магнитного поля В=0 имело значение ρ₇₇(0) ≈ 2 мкОмсм. Остаточное сопротивление датчика составляло R₇₇(0) ~ 2,5 Ом. На фиг.2 показаны типичные вольт-амперные характеристики при Т=77,4К при различных значениях В. Получены зависимости - R(В) ~ I^(1,5-1,7); dR□/dB ~ 100 Ом/Тл при I= 1 мА, где R□=R(B) w/L - сопротивление датчика на единице длины L полоски, I - величина транспортного тока полоски. Для датчика реализована магниточувствительность S=ΔU/ΔB ~ 60 В/Тл при Т=77,4К, I=1 мА, В≤0,1 мТл. Измерения шумовых характеристик показали, что при приведенных параметрах Т, I и В достигается минимальная плотность шумового напряжения N_u при частоте 100 Гц - N_u≤3,2•10^-8 В/(Гц)^1/2. Отсюда следует разрешение по магнитному полю N_B=N_u/S ~ 3,2•10^-8/60 ~ 0,53 нТл/(Гц)^1/2 при частоте 100 Гц или порог чувствительности по магнитному полю - δB=N_B•10 ~ 5 нТл. Соответственно порог чувствительности по магнитному потоку для предложенного датчика будет δФ=δВ•А ~ 10Ф₀ (где А ~ 5 мм² - площадь чувствительной части датчика).

Предложенный нами датчик слабого магнитного поля на основе пленки ВТСП материала состава Bi_1,7Pb_0,4Sr₂Ca₂Cu₃O_x имеет низкий порог чувствительности по магнитному потоку ~ 10Ф₀ (в прототипе ~ 10Ф₀), небольшие габаритные размеры, площадь чувствительной поверхности - ~ 5 мм² (в прототипе ~ 100 мм²), и простая методика приготовления - ВЧ магнетронное распыление из керамической мишени ВТСП материала, отжиг в атмосфере - ≤50 ч, (в прототипе - ВЧ магнетронное распыление из тиглей в течение > 11 ч, и отжиг - ~ 160 ч).

Следует отметить, что предложенный датчик слабого магнитного поля рассчитан для регистрации проекции внешнего магнитного поля на ось плоскости чувствительного элемента, то есть когда В перпендикулярно поверхности датчика. В других направлениях, по оси Х и по оси Y магнитосопротивление (магниточувствительность) существенно меньше, чем по направлению перпендикулярно. Наше исследование показало, что в типичных пленках магнитосопротивление намного раз больше по направлению перпендикулярно поверхности датчика, чем параллельно его поверхности. Поэтому предложенный датчик может определить проекцию и направление измеряемого магнитного поля. В этом отношении предложенный датчик аналогичен магниторезистивному датчику на основе пленки пермолоя, в котором выделенное направление (ось легкого намагничивания) имеет сильное магнитосопротивление, а по другим направлениям магнитосопротивление пренебрежимо мало.

Предлагаемый пленочный датчик слабого магнитного поля по сравнению с прототипом имеет ряд преимуществ:
- низкий уровень пороговой чувствительности по магнитному потоку - 10Ф₀, в прототипе ~ 100Ф₀;
- маленькие габариты ~ 5 мм², в прототипе ~ 100 мм²;
- пленка тонкая ~ 0,5 мкм (в прототипе ~ 2 мкм), текстурированная однородная, позволяет на их основе сделать датчик еще меньших размеров, имеющий более низкий уровень пороговой чувствительности по магнитному потоку - <10Ф₀;
- простота изготовления.

Предлагаемое изобретение позволяет создать на базе пленок ВТСП материала состава Bi_1,7Pb_0,4Sr₂Ca₂Cu₃O_x датчики слабого магнитного поля, имеющие небольшие массогабариты и низкие пороговые чувствительности по магнитному потоку и по магнитному полю.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Shintaku H. et at. Low noise operation of novel magnetic sensor using ceramic high Tc Superconductor film. Proc. 2^nd ISS'89, ISTEC, Tsucuba, Japan, pp.999-1003.

2. Itoh M. et al. Characteristics of highly sensitive magnetic sensor constructed of thick HTS film. IEEE Transactions and Supercond., 1999. Vol. 9, 2, pp. 3085-3088.

3. Tsukamoto К. et al. Magnetic detector using Bi0Pb-Sr-Ca-Cu-O superconductive film. Japan joum. Appl. Phys., 1991, vol.30, 4B, April, pp.L 686-L 689. Прототип.

4. Grigorashvily Y.E. et al. Formation of thin Bi(Pb)-Sr-Ca-Cu-O films by ex situ sputtering Supercond. Sci. TechnoL, 1999, vol.12, pp.270-273.

Использование: в области создания тонкопленочных криогенных устройств на сверхпроводниках. Сущность изобретения: датчик слабого магнитного поля состоит из диэлектрической подложки на основе оксида магния, магниточувствительного элемента из пленки высокотемпературного сверхпроводящего (ВТСП) материала состава Bi_1,7Pb_0,4Sr₂Ca₂Cu₃O_x, выполненного в виде меандра. Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритов чувствительного участка датчика и понижение пороговой чувствительности по магнитному потоку ВТСП датчика слабого магнитного поля. 2 ил.

Датчик слабого магнитного поля, содержащий диэлектрическую подложку из оксида магния, магниточувствительный элемент из пленки высокотемпературного сверхпроводящего (ВТСП) материала в виде меандра, имеющий выделенные площадки для потенциальных и токовых контактов, отличающийся тем, что магниточувствительный элемент выполнен из пленки ВТСП материала состава Bi_1,7Pb_0,4Sr₂Ca₂Cu₃O_x.