ДАТЧИК СЛАБОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ОСНОВЕ СВЕРХПРОВОДЯЩЕЙ ПЛЕНКИ Российский патент 2005 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 × 10 мм × 5 мкм, сравнительно небольшую критическую температуру Т_c˜90 К и рабочую температуру, то есть температуру жидкого азота Т≈77 К, которая близка к критической. Это вызывает повышение плотности нежелательного шума и соответственно увеличение пороговой чувствительности по магнитному полю δВ и пороговой чувствительности по магнитному потоку δФ. Для данного датчика была реализована пороговая чувствительность по магнитному полю δВ≈10 нТл и пороговая чувствительность по магнитному потоку δФ≈δВ×А˜250Ф₀, где А - площадь чувствительной части датчика; Ф₀=2×10^-15 Вб - квант магнитного потока.

Как обычно магниточувствительный элемент реагирует на магнитный поток Ф и для конкретного физического механизма магниточувствительности величина δФ имеет конкретное значение, которое остается независимым от массо-габаритов датчика. Уменьшение пороговой чувствительности по магнитному полю δВ возможно за счет увеличения площади чувствительного элемента, то есть δВ=δФ/А.

Для регистрации локальных магнитных полей дипольного типа на маленьких размерах пространственного разрешения (например, на площади ≤5 мм²) требуется, чтобы сам пленочный датчик также был локальным, то есть с площадью ≤5 мм². Поэтому характерной локальностью сверхпроводящие пленочные датчики, предложенные в работах [1, 2], не обладают. Типичный датчик на основе ВТСП пленки системы Y-Ba-Cu-O имел размеры 5 мм × 10 мм × 5 мкм, площадь чувствительного элемента А=50 мм², δВ=10 нТл и δФ=(δВ×А)=250 Ф₀ [1]. Датчик на основе ВТСП пленки системы Y-Ba-Cu-O имел размеры 10 мм × 20 мм × 0,28 мкм, площадь чувствительного элемента А=200 мм² δВ≥10 нТл и δФ=(δВ×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 и по магнитному полю.

Наиболее близким техническим решением является конструкция датчика слабого магнитного поля на основе пленки ВТСП материала системы Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O [3]. Размеры чувствительного элемента - площадь A≈100 мм², уровень пороговой чувствительности по магнитному полю - δВ˜2 нТл, уровень пороговой чувствительности по потоку δФ=δВ×А˜100 Ф₀. К недостаткам известного датчика слабого магнитного поля относятся высокие уровни пороговой чувствительности по магнитному полю - δВ≥2 нТл и пороговой чувствительности по потоку - δФ≥100 Ф₀.

Целью предлагаемого изобретения является понижение пороговой чувствительности по магнитному полю и понижение пороговой чувствительности по магнитному потоку сверхпроводящего пленочного датчика слабого магнитного поля.

Поставленная цель достигается тем, что в известном датчике слабого магнитного поля на основе сверхпроводящей пленки, включающем диэлектрическую подложку, в качестве магниточувствительного элемента использована гэтероэпитаксиальная ниобиевая пленка, а в качестве подложки - сапфир.

Датчик слабого магнитного поля на основе ВТСП пленочного материала состава Bi_1,7Pb_0,4Sr₂Са₂Cu₃О_х (прототип) работает на физическом механизме - изменении остаточного сопротивления при рабочей температуре Т, то есть при температуре жидкого азота Т=77 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-Pb-Sr-Ca-Cu-O_x [4, 5]. При этом резистивность в пленках в основном определяется ее магнитосопротивлением.

Физический механизм резистивности предлагаемого датчика слабого магнитного поля обусловлен появлением напряжения на пленке при изменении граничного краевого магнитного барьера под влиянием магнитного поля. Этот механизм заключается в том, что на границах (поверхности, края) во внешнем магнитном поле или при транспортном токе в пленке образуются и накапливаются магнитные вихри Абрикосова, которые под влиянием магнитного барьера Бина-Ливингстона притягиваются к границам пленки [6]. При определенном значении внешнего магнитного поля Н≥Н_S, где Н_S - магнитное поле подавления граничного магнитного барьера, указанный барьер подавляется, и магнитные вихри резким образом переходят внутрь пленки. При этом магнитные вихри проходят с одной границы (например, с одного края) через пленку до второй границы (например, до второго края), где они аннигилируются. Это относится к однополярным магнитным вихрям, а в случае противополярных магнитных вихрей (например, магнитные вихри, созданные транспортным током) они заходят с обеих границ внутрь пленки, двигаются к середине пленки, где и аннигилируются.

Любое движение магнитных вихрей индуцирует напряжение на пленке, что легко контролируется. Такой характер индицирования резистивности не связан с нарушением сверхпроводящего состояния пленки, то есть с фазовым переходом, и величина индуцированного напряжения в основном определяется скоростью движения магнитных вихрей.

Рассмотренный механизм входа и выхода магнитных вихрей через границы сверхпроводника в практических образцах трудно реализуется. Некоторыми факторами, сильно влияющими на граничный магнитный барьер и движение магнитных вихрей, являются: на поверхностях, на краях в реальной пленке различные нарушения, выступы, впадины, царапины и другие нарушения, сильно понижающие граничный магнитный барьер. Поэтому рассмотренный эффект не происходит. Различные нарушения, неоднородности и дефекты становятся эффективными центрами задержания магнитных вихрей внутри реальной пленки, что не позволяет магнитным вихрям, оказавшимся внутри пленки, свободно продвинуться от одной границы до другой, несмотря на то, что они уже преодолели граничный магнитный барьер.

Рассмотрим аналитически появление напряжения (резистивности) на сверхпроводящей пленке. При вязком движении магнитных вихрей Абрикосова на пленке падает напряжение:

где R - сопротивление, I - измерительный ток, I_с - критический ток пленки считается что при I≤I_с величина U=0. Согласно (1) магниточувствительность S_u=dU/dB пленки определяется зависимостями I_с(В) и R(B). Очевидно, чем больше наклон α=(dI_c/dB) кривой I_с(В), тем больше S_u, то есть магниточувствительность пленки.

Хорошо известно, что при механизме краевого магнитного барьера в широких пленках (w≫λ_⊥, где w - ширина пленки, λ_⊥ - эффективная глубина проникновения магнитного поля) при В≈0 реализуется максимальное значение:

где μ₀=4π·10^-7 Гн/м - магнитная постоянная.

В работе [6] было показано, что в гэтероэпитаксиальных (ГЭС) пленках ниобия реализуется механизм резистивности, обусловленный существованием краевого магнитного барьера. Аналогичные пленки используются для разработки и приготовления резистивного датчика слабого магнитного поля на основе сверхпроводящей ниобиевой пленки.

На диэлектрической подложке из сапфира (Al₂О₃) с ориентацией (1012) пленка ниобия наносится из молекулярных пучков в сверхвысоком вакууме. Осаждение осуществляется на прогреваемой подложке при температуре 1170 К. Толщина пленки имеет значение ˜ 30 нм. Пленка имеет структуру, близкую к монокристаллической. Топологический рисунок формировался методом фотолитографии и имел форму мостика: длина l=500 мкм, ширина w=10 мкм. Берега мостика имеют размеры 1×2 мм и к ним подсоединяются токовые и потенциальные контакты. При температуре жидкого гелия и при измерительном токе I-I_с=10 мА получается значение для α˜6 А/Тл и магниточувствительность Su˜80 В/Тл. Режим работы подбирается таким образом, чтобы рассеиваемая мощность на датчике не превосходила 1 мВт.

Аналитический расчет согласно выражениям (1), (2) дает магниточувствительность

Было учтено, что величина (dR/dB)(I-I_c) гораздо меньше, чем величина (Rα), а также R=ρl/dw, где ρ - остаточное удельное электросопротивление пленки, l, d - длина и толщина пленки соответственно.

На фиг.1 показана схематическая конструкция датчика слабого магнитного поля, где 1 - диэлектрическая подложка из монокристаллического сапфира, 2 - пленка из ГЭС ниобия, 3 - серебряные площадки для потенциальных контактов, 4 - серебряные площадки для токовых контактов.

На фиг.2 приведена типичная зависимость изменения регистрируемого напряжения u от изменяющегося внешнего магнитного поля В (без экранировки магнитного поля Земли), записанная при температуре жидкого гелия. Видно, что зависимость u(В) является линейной и она пересекается с осью В в месте, соответствующем к магнитному полю Земли, ˜35 мкТл. При постоянном токе измерения, при регистрации напряжения на датчике с точностью ΔU=±0,1 мкВ были получены характеристики: пороговая чувствительность по магнитному полю δB=ΔU/S_u˜1 нТл; пороговая чувствительность по магнитному потоку δФ=(δВ×А) - 0,02 Ф₀. При переменном токе измерения с помощью нановольтметра приведенные показатели улучшаются более чем на порядок. Действительно, измерения шумовых характеристик показали, что минимальная плотность шумового напряжения предусилителя N_u при полосе частоты 100 Гц - Nu≤3×10^-9 В/(Гц)^1/2, а собственная плотность шума сверхпроводящего датчика еще меньше. Поэтому разрешение по магнитному полю N_в=N_u/S˜3×10^-9/80˜0,04 нТл/(Гц)^1/2 при полосе частоты 100 Гц или порог чувствительности по магнитному полю δВ=N_B×10˜0,4 нТл. Соответственно порог чувствительности по магнитному потоку для предложенного датчика будет δФ=δВ×А˜0,001Ф₀ (где А ˜ 0,005 мм² - площадь чувствительной части датчика).

Согласно (3) можно увеличить магниточувствительность датчика за счет увеличения его длины и его остаточного удельного сопротивления. Однако такое решение вопроса не всегда является возможным. С увеличением l и ρ также растет вероятность того, что на краях или внутри пленки могут образоваться неконтролируемые дефекты и нарушения. Они подавляют влияние механизма краевого магнитного барьера и соответственно магниточувствительность датчика уменьшается.

Следует отметить, что для создания аналогичного датчика слабого магнитного поля на основе пленок ВТСП материалов следует в них реализовать механизм резистивности, обусловленный краевым магнитным барьером. В этом классе материалов любые неоднородности и нарушения, имеющие даже незначительные размеры (>30 нм), существенно понижают краевой магнитный барьер, следовательно, механизм резистивности, обусловленный краевым магнитным барьером, в них трудно реализуется. Однако последние экспериментальные результаты, полученные на основе текстурированных (или монокристаллических) пленок систем Bi-Sr-Ca-Cu-O (2212), Y-Ba-Cu-O и Nd-Ba-Cu-O, свидетельствуют о том, что в них наблюдаются граничные (краевые и поверхностные) магнитные барьеры.

Таким образом, предложенный нами датчик слабого магнитного поля на основе гетероэпитаксиальной пленки ниобия имеет низкие порог чувствительности по магнитному полю - 0,4 нТл, и порог чувствительности по магнитному потоку ˜ 0,001 Ф₀ (в прототипе ˜2 нТл и ˜ 100 Ф₀ соответственно).

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, перпендикулярному поверхности датчика. 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 [7].

Предлагаемый пленочный датчик слабого магнитного поля по сравнению с прототипом имеет ряд преимуществ:

- низкий уровень пороговой чувствительности по магнитному потоку - 0,001 Ф₀, в прототипе ˜ 100 Ф₀;

- низкий уровень пороговой чувствительности по магнитному полю - 0,4 мТл, в прототипе ˜ 2 нТл;

- маленькие габариты ˜ 0,005 мм², в прототипе ˜ 100 мм².

Предлагаемое изобретение позволяет создать на основе сверхпроводящей ниобиевой пленки датчик слабого магнитного поля, имеющий небольшие массо-габариты и низкие пороговые чувствительности по магнитному потоку (≤0,001 Ф₀) и по магнитному полю (≤0,4 нТл), превосходящие своими полезными параметрами все известные датчики, кроме СКВИД приборов.

Работа выполнена в рамках гранта Т02.-02.3-3048.

Источники информации

1. Shintaku H.. et al. Low noise operation of novel mahnetic 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 BiOPb-Sr-Ca-Cu-O superconductive film. Japan journ. Appl. Phys.. 1991. vol.30. №4B. April, pp.L 686-L 689. (прототип).

4. Grigorashvily Y.E.. et al. Formatio of thin Bi(Pb)-Sr-Ca-Cu-0 films by ex situ sputtering Supercond. Sci. TechnoL. 1999. vol.12. pp.270-273.

5. Григорашвили Ю.Е, Ичкитидзе Л.П., Мингазин В.Т., Суханова Л.С. Магнитная чувствительность сверхпроводниковых пленок Bi_1,7Pb_0,4Sr₀Ca₂Cu₃O_x. Известия вузов ЭЛЕКТРОНИКА, №2, 2002 г., с.103-104.

6. Ичкитидзе Л.П., Скобелкин В.И. Особенности критического тока в слабом перпендикулярном магнитном поле в сверхпроводящих пленочных системах. /Физика низких температур, 1985, т.11, №11, с.839-846.

7. Касаткин С.И.. Васильева Н.П.. Муравьев А.М. Многослойные тонкопленочные магниторезистивные элементы. Тула. 2001. - 188 с. с илл.

8. Hakuraki., Mori Z. et al. Critical parameters in the sputter-deposition of NdBa₂Cu₃O_7-δ thin films. / Supercond. Sci. TechnoL 1999. V.12. pp.481-485.

Использование: в области криоэлектроники, для создания тонкопленочных криогенных устройств на сверхпроводниках. Сущность изобретения: датчик слабого магнитного поля содержит диэлектрическую подложку из сапфира и магниточувствительный элемент, в качестве которого использована гетероэпитаксиальная ниобиевая пленка. Техническим результатом заявленного изобретения является понижение пороговой чувствительности по магнитному полю и понижение пороговой чувствительности по магнитному потоку сверхпроводящего пленочного датчика слабого магнитного поля. 2 ил.

Датчик слабого магнитного поля на основе сверхпроводящей пленки, включающий диэлектрическую подложку, отличающийся тем, что в качестве магниточувствительного элемента использована сверхпроводящая гэтероэпитаксиальная ниобиевая пленка, а в качестве диэлектрической подложки - сапфир.