СВЕРХВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ МАГНИТНЫЙ МИКРОДАТЧИК Российский патент 2021 года по МПК G01R33/02 

Область техники

[001] Настоящее изобретение относится к технологии улучшения характеристик чувствительности датчика на эффекте вращения спинов с гигагерцовой частотой (GHz spin rotation, GSR) посредством использования детектирования нарастающих импульсов.

В данном случае GSR-датчик представляет собой сверхвысокочувствительный магнитный микродатчик на основе эффекта вращения спинов с гигагерцовой частотой.

Уровень техники

[002] К высокочувствительным магнитным микродатчикам относятся горизонтальный феррозондовый (FG) датчик, вертикальный FG-датчик, датчик на эффекте Холла, датчик на эффекте гигантского магнитосопротивления (GMR), датчик на эффекте туннельного магнитосопротивления (TMR), датчик на эффекте магнитоимпеданса (MI), GSR-датчик, датчик высокочастотного несущего сигнала и т.п. Эти датчики в настоящее время широко используются в смартфонах, транспортных средствах, медицинском лечении, роботах и т.п. GSR-датчик превосходит остальные из вышеописанных датчиков по чувствительности и размерам и привлекает наибольшее внимание.

[003] Для достижения удаленного управления движущимся устройством в условиях in-vivo в настоящее время проводится исследование по обнаружению положения и направления с помощью трехмерного магнитного датчика, использующего GSR-датчик.

Предпочтительно датчик является миниатюрным, чтобы его можно было расположить в движущемся устройстве. Однако чувствительность детектирования ухудшается обратно пропорционально размерам датчика. Кроме того, в связи с ограничением выбора источника питания возникла необходимость в уменьшении расхода мощности во время измерений.

Список цитируемой литературы

Патентная литература

[004] Патентная литература 1: Патент Японии № 5839527

Раскрытие сущности изобретения

Техническая проблема

[005] В качестве способа детектирования с использованием GSR-датчика известны два следующих способа: детектирование нарастающих импульсов и детектирование спадающих импульсов. При детектировании нарастающих импульсов чувствительность магнитного поля приблизительно в 2,5 раза выше, чем при детектировании спадающих импульсов, что укорачивает длительность импульса и уменьшает расход мощности. Однако линейность составляет приблизительно от 1 до 2% и уступает той, которая обеспечивается при детектировании спадающих импульсов и составляет 0,5% или ниже.

Задача изобретения состоит в максимальном использовании преимуществ детектирования нарастающих импульсов с обеспечением при этом линейности 0,5% или ниже.

[006] Выходное напряжение катушки индуктивности (далее именуемое как напряжение катушки индуктивности) GSR-датчика включает в себя два вида напряжения: индуцированное напряжение, зависящее от импульсного тока (далее именуемое как «напряжение а»), и напряжение а, зависящее от внешнего магнитного поля (далее именуемое как «напряжение b»). Если сравнивать детектирование нарастающих импульсов и детектирование спадающих импульсов, то два пика напряжения наиболее близко расположены друг с другом в случае детектирования спадающих импульсов, и влияние импульсного тока при этом больше. Более того, эффект MI изменяет импеданс магнитных проводов с помощью магнитного поля. В результате, на «напряжение а», зависящее от импульсного тока, также влияет магнитное поле, и оно не может быть подавлено с легкостью. Другими словами, если на «напряжение а» не влияет магнитное поле, «напряжение а» может быть измерено при H = 0 Гс, а действующее напряжение b может быть, таким образом, обнаружено подавлением «напряжения а».

[007] Исследование по удалению индуцированного напряжения, зависящего от импульсного тока, из напряжения катушки индуктивности, найденного при детектировании нарастающих импульсов, проводится на протяжении 20 лет. Однако это остается неразрешенной сложной проблемой.

Решение проблемы

[008] Изобретатели обнаружили, что, если два магнитных провода расположены в одной катушке индуктивности, а импульсный ток приложен в противоположных направлениях, индуцированное катушкой индуктивности напряжение при детектировании нарастающих импульсов становится равным 0, когда H = 0 Гс (см. ФИГ. 7). Признано, что, если электрический ток приложен в противоположных направлениях в случае, когда существует магнитное поле Н, напряжение катушки индуктивности не изменяется, и происходит детектирование лишь «напряжения b» (см. ФИГ. 8). Другими словами, «напряжение а», по всей видимости, исчезает.

Кроме того, при измерении «напряжения b» одновременно с изменением магнитного поля было обнаружено, что напряжение выводится линейно и симметрично по отношению к положительному/отрицательному направлению магнитного поля с линейностью 0,3% или ниже, что является превосходным результатом.

Даже когда магнитное поле Н отлично от нуля, «напряжение а» исчезает. Это, по всей видимости, связано с тем, что импеданс двух проводов изменяется симметрично относительно магнитного поля Н, вне зависимости от направления электрического тока, и, таким образом, их импеданс остается постоянно одним и тем же, и импульсный ток, текущий в двух проводах, остается одним и тем же, что подавляет влияние на их катушки индуктивности даже при изменении магнитного поля (см. ФИГ. 9).

[009] В случае детектирования нарастающих импульсов такое детектирование выполняется с нарастанием, что обеспечивает длительность импульса в 1 нс (1 наносекунду) или меньше. Между тем, в случае детектирования спадающих импульсов такое детектирование требуется выполнять после того, как нарастающее напряжение катушки индуктивности полностью ослаблено. Таким образом, длительность импульса требуется поддерживать равной приблизительно 10 нс. Следовательно, если используется детектирование нарастающих импульсов, расход импульсного тока может составлять 1/10 или меньше.

[0010] Напряжение катушки индуктивности элемента, включающего в себя два магнитных провода согласно изобретению, в два раза больше, чем напряжение катушки индуктивности элемента, включающего в себя один магнитный провод. Более того, напряжение катушки индуктивности при детектировании нарастающих импульсов в 2,5 раза больше, чем напряжение катушки индуктивности при детектировании спадающих импульсов (см. ФИГ. 10). По сравнению с GSR-датчиком, описанным в патентной литературе 1, напряжение катушки индуктивности в пять раз больше в элементе с теми же размерами.

[0011] Получено подтверждение того, что связь между напряжением катушки индуктивности и внешним магнитным полем является такой же, как и равенство для GSR-датчика, описанного в патентной литературе 1. Другими словами,

Vs = Vo×2L×πD×p×Nc×f×sin(πH/2Hm) … (1).

[0012] В данном равенстве Vs - напряжение катушки индуктивности, а Vo - константа пропорциональности, определяемая магнитной проницаемостью провода, магнитными свойствами материалов провода при изменении плотности магнитного потока насыщения, а также импульсным током. Для получения максимального выходного напряжения катушки индуктивности в качестве константы параметров управления: L - длина провода, D - диаметр провода, p - глубина скин-слоя для импульсного тока, Nc - число витков в катушке индуктивности, f - частота импульса, H - внешнее магнитное поле, Hm - напряженность внешнего магнитного поля.

[0013] Применяя арксинус-преобразование к обеим частям равенства (1) и называя результирующее значение преобразованным напряжением V', получим следующие равенства (2) и (3):

V' = arcsin(Vs/Vo×2L×πD×p×Nc×f) = (π×1/2Hm) H … (2)

H = 2Hm/π×V' … (3)

H находится из равенства (3).

V' изменяется линейно от -Hm до +Hm относительно магнитного поля H. Диапазон измерений равен Hm и приблизительно в четыре раза больше, чем в случае без использования арксинус-преобразования. Следует отметить, что, когда Vx = a(1-Δ)Hx, линейность P задается как P = 100×Δ (%).

Другим словами, линейность определяется на основании величины Δ отклонения от равенства Vx = aHx, когда Δ = 0.

[0014] Кроме того, получено подтверждение того, что линейность составляет 0,2%, что предпочтительнее, чем 0,5% при величине отклонения спадающего импульса GSR-датчика (см. ФИГ. 12).

GSR-датчик усиливает электромагнитную связь между магнитным проводом и катушкой индуктивности при расстоянии между магнитным проводом и внутренним диаметром катушки индуктивности, равном 3 мкм или меньше. Кроме того, согласно изобретению, такая же связь поддерживается всюду, за исключением расстояния между двумя магнитными проводами.

[0015] Используется та же самая электронная схема, что и в патентной литературе 1. Частота импульса в импульсном токе, прикладываемом к магнитному проводу, составляет от 0,2 ГГц до 4 ГГц. Импульсный ток имеет силу, необходимую для создания на поверхности магнитного провода циркулярного магнитного поля, в более чем 1,5 раза превышающего поле магнитной анизотропии.

Напряжение катушки индуктивности, возникающее в момент импульсного питания, подается в схему выборки и хранения через совместимую с импульсами буферную схему. При небольшом числе витков катушки индуктивности напряжение катушки индуктивности может подаваться непосредственно в схему выборки и хранения.

[0016] Нарастающий импульс детектируется с использованием электронного переключателя во время пика выходного сигнала катушки индуктивности. «Напряжение а» отсутствует, и, таким образом, временная продолжительность пикового напряжения остается постоянной вне зависимости от магнитного поля Н. Однако, если присутствует «напряжение а», продолжительность пика изменяется в зависимости от магнитного поля Н. Таким образом, строго говоря, нет возможности управлять детектированием во время пика выходного сигнала катушки индуктивности. Это обуславливает нелинейность.

Емкость конденсатора схемы выборки и хранения составляет от 4 пФ до 100 пФ. Предпочтительно, если бы временные интервалы между включением и выключением электронного переключателя были сокращены настолько, насколько это возможно, для дополнительного уменьшения емкости конденсатора до 4-8 пФ. Таким способом напряжение во время пика сохраняется конденсатором в виде мгновенного значения напряжения. Сохраненное напряжение конденсатора выводится через программируемый усилитель.

Полезные эффекты изобретения

[0017] GSR-датчик для детектирования нарастающих импульсов обеспечивает, при одних и тех размерах элементов, в пять раз большую чувствительность детектирования магнитного поля и в 1/10 раза меньший расход мощности или еще меньший расход мощности, тем самым позволяя существенно уменьшить размеры магнитного датчика в движущемся устройстве в условиях in-vivo.

Краткое описание чертежей

[0018] На ФИГ. 1 показан вид сверху элемента GSR-датчика согласно варианту осуществления и примеру;

На ФИГ. 2 показано сечение элемента GSR-датчика вдоль линии А1-А2 на ФИГ. 1;

На ФИГ. 3 показана электронная схема согласно варианту осуществления и примеру;

На ФИГ. 4 показана диаграмма связи между длительностью импульса и прикладываемым импульсным током согласно варианту осуществления и примеру;

На ФИГ. 5 показана временная развертка напряжения катушки индуктивности при приложении импульсного тока согласно варианту осуществления и примеру;

На ФИГ. 6 показана магнитная развертка выходного сигнала согласно варианту осуществления и примеру;

На ФИГ. 7 показана диаграмма выходного напряжения V, когда два магнитных провода подвергаются воздействию импульсного тока в противоположных направлениях (направление «+» и направление «-») при внешнем магнитном поле Н = 0;

На ФИГ. 8 показана диаграмма выходного напряжения V, когда внешнее магнитное поле Н изменяется от -2 Гс до +2 Гс;

На ФИГ. 9 показана диаграмма связи между внешним магнитным полем Н и импедансом Z;

На ФИГ. 10 показана диаграмма выходного напряжения катушки индуктивности при детектировании нарастающих импульсов и детектировании спадающих импульсов с одним магнитным проводом и двумя магнитными проводами;

На ФИГ. 11 показана пояснительная диаграмма линейности Р с точки зрения изменения внешнего магнитного поля и выходного сигнала; и

На ФИГ. 12 показана диаграмма связи между магнитным полем Нх и величиной отклонения в нарастающем импульсе GSR-датчика.

Осуществление изобретения

[0019] Ниже описан вариант осуществления изобретения.

Следует отметить, что одна или две, или более конфигураций, произвольным образом выбранные из описания, могут быть объединены в конфигурацию изобретения. Наиболее предпочтительный вариант осуществления зависит от объекта и требуемых характеристик.

[0020] GSR-датчик, который является сверхвысокочувствительным магнитным микродатчиком согласно изобретению, включает в себя:

элемент детектирования магнитного поля, включающий в себя два проводящих магнитных провода для детектирования магнитного поля, расположенных рядом друг с другом на подложке, круглую катушку индуктивности, намотанную вокруг двух магнитных проводов, два электрода для подачи питания на провода и два электрода для детектирования напряжения катушки индуктивности, средство для приложения импульсного тока к магнитным проводам, схему для детектирования напряжения катушки индуктивности, возникающего при приложении импульсного тока к магнитным проводам в противоположных направлениях, и средство для преобразования напряжения катушки индуктивности во внешнее магнитное поле Н;

при этом магнитный провод обладает полем магнитной анизотропии 20 Гс или менее, имеет двухфазную магнитную доменную структуру из поверхностного магнитного домена с циркулярной ориентацией спинов и из магнитного домена центральной жилы с продольной ориентацией спинов; и

импульсный ток, приложенный к магнитному проводу, имеет частоту импульса от 0,2 ГГц до 4 ГГц и силу, необходимую для создания циркулярного магнитного поля, более чем в 1,5 раза превышающего поле анизотропии на поверхности провода; и

катушка индуктивности имеет шаг намотки 10 мкм или менее. Средний внутренний диаметр катушки индуктивности предпочтительно составляет 35 мкм или меньше.

В случае, когда скомпоновано множество пар проводов, расстояние между катушкой индуктивности и магнитным проводом предпочтительно составляет от 1 мкм до 5 мкм.

[0021] Более того, в GSR-датчике, который является сверхвысокочувствительным магнитным микродатчиком согласно изобретению, импульсный ток прикладывается к магнитному проводу, и циркулярно-ориентированный спин, наклоненный в осевом направлении, подвергается сверхвысокоскоростному вращению в осевом магнитном поле провода в поверхностном магнитном домене для получения только изменения намагниченности в осевом направлении провода вследствие явлений сверхвысокоскоростного вращения, возникающих при вращении, и выполнения преобразования в поле Н с использованием равенства (1):

Vs = Vo×2L×πD×p×Nc×f×sin(πH/2Hm) … (1),

где

Vs - выходное напряжение катушки индуктивности, и Vo - константа пропорциональности, и в качестве константы параметров управления: L - длина провода, D - диаметр провода, p - глубина скин-слоя для импульсного тока, Nc - число витков в катушке индуктивности, f - частота импульса, Hm - напряженность внешнего магнитного поля для получения максимального выходного напряжения катушки индуктивности.

[0022] Кроме того, GSR-датчик, который является сверхвысокочувствительным магнитным микродатчиком согласно изобретению, дополнительно включает в себя электронную схему, включающую в себя схему генерирования импульсов для генерирования импульсного тока, входную схему для подачи напряжения катушки индуктивности, совместимую с импульсами буферную схему, схему выборки и хранения с электронным переключателем для детектирования пикового напряжения в выходном сигнале напряжения катушки индуктивности и конденсатором с емкостью от 4 до 100 пФ для сохранения пикового напряжения, и программируемый усилитель для усиления перед АЦ (аналого-цифровым) преобразованием.

[0023] Вариант осуществления изобретения будет описан подробно со ссылкой на ФИГ. 1-6.

Элемент 1 GSR-датчика (далее именуемый как элемент) включает в себя на подложке 10 два магнитных провода (21 и 22), одну катушку 3 индуктивности, намотанную вокруг двух магнитных проводов, два электрода (24 и 25) для подачи питания на провода, два электрода (34 и 35) для детектирования напряжения катушки индуктивности, соединительную часть между магнитными проводами и электродами для подачи питания на провода, а также соединительную часть между катушкой индуктивности и электродами для детектирования напряжения катушки индуктивности. Более того, элемент 1 включает в себя средство 23 для приложения импульсного тока к двум магнитным проводам (21 и 22) в противоположных направлениях. Также элемент 1 дополнительно включает в себя схему 5 для детектирования напряжения катушки индуктивности, возникающего при приложении импульсного тока, и средство для преобразования напряжения катушки индуктивности во внешнее магнитное поле. Внешнее магнитное поле Н и напряжение Vs катушки индуктивности связаны посредством математической зависимости в вышеописанном равенстве (1).

[0024] <Структура элемента>

Структура элемента 1 показана на ФИГ. 1 и ФИГ. 2.

Размеры элемента 1 составляют от 0,07 мм до 0,4 мм в ширину и от 0,25 мм до 1 мм в длину, что соответствует размерам подложки 10. В центральной части элемента 1 подложка 10 имеет канавку шириной от 20 до 60 мкм и глубиной от 2 до 20 мкм, с тем чтобы два магнитных провода (21 и 22) были ориентированы и расположены параллельно друг другу. Два магнитных провода (21 и 22) расположены рядом друг с другом на расстоянии от 1 до 5 мкм. Предпочтительно, если магнитные провода (21 и 22) изолированы друг от друга с помощью изоляционного материала в виде, например, изоляционной перегородки.

[0025] <Магнитный провод>

Магнитный провод 2 изготовлен из аморфного сплава CoFeSiB и имеет диаметр от 5 до 20 мкм. Периферия магнитного провода 2 предпочтительно покрыта изоляционным материалом, таким, например, как изоляционное стекло. Длина составляет от 0,07 до 1,0 мм.

Магнитный провод 2 обладает полем магнитной анизотропии от 20 Гс или менее, имеет двухфазную магнитную доменную структуру из поверхностного магнитного домена с циркулярной ориентацией спинов и из магнитного домена центральной жилы с осевой ориентацией спинов.

[0026] <Катушка индуктивности>

В катушке 3 индуктивности число витков катушки индуктивности составляет предпочтительно от 6 до 180 штук, а шаг намотки - 5 мкм. Расстояние между катушкой 3 индуктивности и магнитным проводом 2 предпочтительно составляет 3 мкм или меньше. Средний внутренний диаметр катушки индуктивности предпочтительно составляет от 10 до 35 мкм.

[0027] <Способ изготовления элемента>

Способ изготовления элемента описывается со ссылкой на ФИГ. 2.

Монтаж электродов выполняют на нижней обмотке 31 и поверхности подложки вдоль канавки 11, образованной на подложке 10. Затем создают изоляционную перегородку 41 в центральной части канавки 11 для обеспечения двухканавочной формы, и каждый из двух магнитных проводов 21 и 22, покрытый стеклом, укладывают в нее. Далее изоляционный защитный слой наносят на всю поверхность подложки. Таким способом магнитные провода 21 и 22 фиксируют в канавке 11. Изоляционный защитный слой наносят понемногу на верхнюю часть магнитных проводов 21 и 22. В этой части формируют верхнюю обмотку 32 с помощью технологии фотолитографии.

В случае, когда используют магнитные провода 2, не покрытые стеклом, требуется предварительно нанести изоляционный материал 4 для предотвращения электрического контакта между нижней обмоткой 31 и магнитными проводами 21 и 22.

[0028] При изготовлении катушки индуктивности углубленную нижнюю обмотку 31 формируют вдоль поверхности канавки и по обеим сторонам от канавки 11 на подложке 10. Выступающую верхнюю обмотку 32 электрически соединяют с нижней обмоткой через контактную часть 33 для формирования спиральной катушки 3 индуктивности.

[0029] На концах двух магнитных проводов 21 и 22 удаляют стекло, служащее в качестве изоляционной пленки, чтобы обеспечить электрическое соединение посредством осаждения паров металла.

[0030] <Монтажная структура магнитного провода и катушки индуктивности>

В монтажной структуре магнитного провода 2 входной электрод (+) 24 провода соединен с верхней частью магнитного провода 21, а нижняя часть магнитного провода 21 соединена с нижней частью магнитного провода 22 через соединительную часть 23 проводов, как показано на ФИГ. 1. Верхняя часть магнитного провода 22 соединена с выходным электродом (-) 25 провода. Эта соединительная часть 23 проводов обеспечивает нисходящий поток импульсного тока из верхней части в нижнюю часть в магнитном проводе 21, а также восходящий поток импульсного тока из нижней части в верхнюю часть (в противоположном направлении в сравнении с направлением в магнитном проводе 21) в магнитном проводе 22.

[0031] В монтажной структуре катушки 3 индуктивности выходной электрод (+) 34 катушки индуктивности соединен с нижней торцевой частью катушки 3 индуктивности, а верхняя торцевая часть катушки 3 индуктивности соединена с заземляющим электродом (-) 35 катушки индуктивности, как показано на ФИГ. 1.

[0032] <Электронная схема>

Электронная схема 5 включает в себя схему 51 генерирования импульсов для генерирования импульсного тока, входную схему 53 для подачи напряжения катушки индуктивности, совместимую с импульсами буферную схему 54, схема выборки и хранения с электронным переключателем 56 для детектирования пикового напряжения в выходном сигнале напряжения катушки индуктивности и конденсатором с емкостью от 4 до 100 пФ для сохранения пикового напряжения, а также усилитель 58. Усилитель 58 включает в себя программируемый усилитель для усиления перед АЦ преобразованием.

Более того, элемент GSR-датчика соединен с возможностью вывода напряжения катушки индуктивности электронной схемы 5.

[0033] При частоте импульса в импульсном токе от 0,2 до 4 ГГц сила импульсного тока составляет от 50 до 200 мА, а продолжительность импульса – от 0 до 2 нс. На ФИГ. 4 показана связь между истечением времени подачи питания и приложением импульсного тока, когда импульсный ток прикладывают к элементу GSR-датчика. В примере, показанном на ФИГ. 4, импульсный ток нарастает за 0,5 нс от начала подачи питания, и это состояние приложенного импульсного тока поддерживается для заданной продолжительности импульса 0,5 нс. Как только такая подача питания прекращается, импульсный ток спадает за 0,5 нс.

[0034] <Сигнал напряжения катушки индуктивности>

На ФИГ. 5 показана временная развертка напряжения катушки индуктивности при приложении вышеописанного импульсного тока.

Согласно изобретению, детектируют продолжительность пикового напряжения. Электронный переключатель включается и выключается многократно с временем замыкания-размыкания от 0,1 до 1,5 нс.

[0035] Емкость конденсатора схемы выборки и хранения составляет от 4 до 100 пФ, и АЦ преобразование электронной схемы составляет от 14 до 16 бит. Следует отметить, что для сокращения продолжительности включения и выключения электронного переключателя предпочтительно выбрать емкость конденсатора, равную от 4 до 8 пФ.

На выходе катушки индуктивности чувствительность составляет от 50 мВ/Гс до 3 В/Гс в диапазоне измерений от 3 до 100 Гс с синусоидальным выходным сигналом, как показано на ФИГ. 6. Линейность составляет 0,3 % или ниже.

[0036] <Пример>

На ФИГ. 1 показан вид сверху элемента GSR-датчика согласно примеру. На ФИГ. 2 показано его сечение. На ФИГ. 5 показана электронная схема. GSR-датчик согласно изобретению включает в себя элемент 1 GSR-датчика, имеющий два магнитных провода (21 и 22), одну катушку 3 индуктивности, намотанную вокруг двух магнитных проводов, два электрода (24 и 25) для подачи питания на провода и два электрода (34 и 35) для детектирования напряжения катушки индуктивности, средство для приложения импульсного тока к магнитному проводу 2, схему для детектирования напряжения катушки индуктивности, возникающего при приложении импульсного тока, и средство для преобразования напряжения катушки индуктивности во внешнее магнитное поле Н. Внешнее магнитное поле Н и напряжение катушки индуктивности связаны посредством математической зависимости, показанной в вышеописанном равенстве (1).

[0037] Размеры элемента 1 составляют 0,12 мм в длину и 0,20 мм в ширину. Канавка 11 на подложке 10 имеет ширину 40 мкм и глубину 8 мкм. Расстояние между проводами составляет 3 мкм.

[0038] Магнитный провод (21 и 22) изготовлен из аморфного сплава CoFeSiB, покрытого стеклом, с диаметром 10 мкм и толщиной 1 мкм или меньше.

Поле магнитной анизотропии составляет 15 Гс.

[0039] В катушке 3 индуктивности число витков равно 14 штукам с шагом намотки 5 мкм. Средний внутренний диаметр катушки 3 индуктивности равен 30 мкм, и расстояние между катушкой 3 индуктивности и магнитным проводом 2 составляет 2 мкм.

[0040] В структуре элемента магнитные провода (21 и 22), покрытые стеклом, погружены в канавку 11, образованную на подложке 10, наполовину в диаметре. Нижняя обмотка 31 расположена на внутренней поверхности канавки 11, а верхняя обмотка 32 расположена над магнитными проводами. Нижняя обмотка 31 и верхняя обмотка 32 зафиксированы посредством изоляционной смолы и соединены посредством стыковой части 33 на поверхности подложки.

Между каждой из обеих торцевых частей катушки 3 индуктивности и каждым из электродов катушки индуктивности предусмотрена часть электрического соединения в виде проводящей пленки, полученной осаждением паров металла.

В магнитных проводах 2 и электродах после удаления стеклянного покрывающего материала на верхней поверхностной части у торцевой части магнитных проводов сформирована электрическая стыковая часть в виде проводящей пленки, полученной осаждением паров металла, между поверхностью провода с удаленным покрытием и электродом.

Более того, соединительная часть 23 между двумя магнитными проводами 21 и 22 также подвергается электрическому соединению посредством такой же обработки.

[0041] Элемент 1 GSR-датчика располагается в электронной схеме 5, и его питание осуществляется схемой 51 генерирования импульсов с шириной импульса 0,8 нс при частоте импульса 1 ГГц и силой импульсного тока 120 мА. Продолжительность включения и выключения электронного переключателя равна 0,2 нс. Емкость конденсатора схемы выборки и хранения составляет 6 пФ.

[0042] 16 бит получают посредством АЦ преобразования. Более того, при синусоидальном выходном сигнале чувствительность составляет 200 мВ в диапазоне измерений 90 Гс. При этом расход мощности составляет 0,3 мВт, а линейность - 0,2 %.

Промышленная применимость

[0043] Изобретение обеспечивает более высокую чувствительность и более низкий расход мощности GSR-датчика. Изобретение предполагается использовать в тех случаях, когда требуются сверхмалые размеры и высокая производительность, например, в движущемся устройстве в условиях in-vivo.

Список ссылочных обозначений

[0044] 1 - элемент GSR-датчика

10 - подложка

11 - канавка

2 - магнитный провод

21 - один из двух магнитных проводов

22 - другой из двух магнитных проводов

23 - соединительная часть проводов

24 - входной электрод (+) провода

25 - выходной электрод (-) провода

3 - катушка индуктивности

31 - нижняя обмотка

32 - верхняя обмотка

33 - стыковая часть

34 - выходной электрод (+) катушки индуктивности

35 - заземляющий электрод (-) катушки индуктивности

4 - изоляционная смола

41 - изоляционная перегородка

5 - электронная схема

51 - схема генерирования импульсов

52 - элемент GSR-датчика

53 - входная схема

54 - буферная схема

55 - схема выборки и хранения

56 - электронный переключатель

57 - конденсатор

58 - усилитель

Изобретение относится к области высокочувствительных магнитных микродатчиков. Сущность изобретения заключается в том, что два магнитных провода используются для одной катушки индуктивности и импульсный ток прикладывается к ним в противоположных направлениях, индуцированное катушкой индуктивности напряжение при детектировании нарастающих импульсов становится равным нулю, импульсный ток, прикладываемый к магнитному проводу, обладающему полем магнитной анизотропии 20 Гс или менее, а также имеющему двухфазную магнитную доменную структуру из поверхностного магнитного домена с циркулярной ориентацией спинов и из магнитного домена центральной жилы с продольной ориентацией спинов, имеет частоту импульса от 0,2 до 4,0 ГГц и силу, необходимую для создания циркулярного магнитного поля, в более чем 1,5 раза превышающего поле анизотропии, на поверхности провода. Обеспечены чувствительность магнитного поля и линейность, которые улучшают детектирование нарастающих импульсов, при этом улучшая линейность детектирования нарастающих импульсов до 0,5 % или ниже. 2 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Сверхвысокочувствительный магнитный микродатчик, содержащий:

элемент детектирования магнитного поля, включающий в себя два проводящих магнитных провода для детектирования магнитного поля, расположенных рядом друг с другом на подложке, круглую катушку индуктивности, намотанную вокруг двух магнитных проводов, два электрода для подачи питания на провода и два электрода для детектирования напряжения катушки индуктивности;

средство для приложения импульсного тока к магнитным проводам;

схему для детектирования напряжения катушки индуктивности, возникающего при приложении импульсного тока к двум магнитным проводам в противоположных направлениях; и

средство для преобразования напряжения катушки индуктивности во внешнее магнитное поле Н, при этом

два магнитных провода для детектирования магнитного поля включают в себя первый магнитный провод и второй магнитный провод, причем первый магнитный провод и второй магнитный провод расположены параллельно друг другу,

первый магнитный провод имеет первый конец и второй конец в порядке согласно направлению импульсного тока,

второй магнитный провод имеет первый конец и второй конец в порядке согласно направлению импульсного тока,

первый конец первого магнитного провода и второй конец второго магнитного провода соответственно соединены с двумя электродами для подачи питания на провода,

второй конец первого магнитного провода и первый конец второго магнитного провода соответственно соединены друг с другом,

первый магнитный провод и второй магнитный провод разделены изоляционной перегородкой, расположенной между ними в круглой катушке индуктивности,

магнитный провод обладает полем магнитной анизотропии 20 Гс или менее, имеет двухфазную магнитную доменную структуру из поверхностного магнитного домена с циркулярной ориентацией спинов и из магнитного домена центральной жилы с продольной ориентацией спинов, и

импульсный ток, прикладываемый к магнитному проводу, имеет частоту импульса от 0,2 до 4,0 ГГц и силу, необходимую для создания циркулярного магнитного поля, в более чем 1,5 раза превышающего поле анизотропии, на поверхности провода, и

катушка индуктивности имеет шаг намотки 10 мкм или менее.

2. Сверхвысокочувствительный магнитный микродатчик по п. 1, в котором обеспечена возможность приложения импульсного тока к магнитному проводу и возможность подвергать циркулярно-ориентированный спин, наклоненный в осевом направлении, сверхвысокоскоростному вращению в осевом магнитном поле провода в поверхностном магнитном домене для получения в качестве выходного сигнала катушки индуктивности только изменения намагниченности в осевом направлении провода вследствие явлений сверхвысокоскоростного вращения, возникающих при вращении, и выполнения преобразования в поле Н с использованием равенства (1):

Vs = Vo×2L×πD×p×Nc×f×sin(πH/2Hm) … (1),

где

Vs - выходное напряжение катушки индуктивности и Vo - константа пропорциональности, и в качестве константы параметров управления: L - длина провода, D - диаметр провода, p - глубина скин-слоя для импульсного тока, Nc - число витков в катушке индуктивности, f - частота импульса, Hm - напряженность внешнего магнитного поля для получения максимального выходного напряжения катушки индуктивности.

3. Сверхвысокочувствительный магнитный микродатчик по п. 1, дополнительно включающий в себя электронную схему, включающую в себя схему генерирования импульсов для генерирования импульсного тока, входную схему, совместимую с импульсами буферную схему для подачи напряжения катушки индуктивности, схему выборки и хранения с электронным переключателем для детектирования пикового напряжения в выходном сигнале напряжения катушки индуктивности и конденсатором с емкостью от 4 до 100 пФ для сохранения пикового напряжения и программируемый усилитель для усиления перед аналого-цифровым (АЦ) преобразованием.