Островковый магниторезистивный датчик Российский патент 2024 года по МПК H10N50/10 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к устройствам (датчикам) для обнаружения (регистрации) слабых магнитных полей, и может быть использовано для контроля величины индукции магнитного поля в различных устройствах.

Уровень техники

Известен магниторезистивный датчик [US 4949039], в котором чувствительным элементом является многослойное тонкопленочное покрытие. Данное устройство состоит как минимум из двух сплошных слоев ферромагнитных металлов (в качестве которых могут использоваться Fe, Ni или Co), разделенных неферромагнитными (Cr, Ru или Au). Слой немагнитного материала подбирается таким образом, чтобы ферромагнетики имели антипараллельное направление спин-поляризации. При наложении внешнего магнитного поля, магнитные слои постепенно намагничиваются параллельно, уменьшая электрическое сопротивление структуры в целом. Кроме того, устройство работает по механизму продольного дрейфа электронов.

Среди недостатков известного решения можно выделить большой магнитный гистерезис, который можно объяснить размагничивающими полями, и узкий рабочий интервал магнитных полей, который ограничивается полем магнитного насыщения.

Еще одним примером магниторезистивного датчика [US 6002553] является многослойная тонкопленочная структура так же состоящая из чередующихся слоев, в качестве которых могут использоваться Fe, Ni или Co, разделенные антиферромагнитными слоями металлов (Cu или Ag).

Однако, отличительной особенностью данного датчика является возможность пропускать сенсорный ток по одному из двух механизмов: поперечный или продольный дрейф носителей. При поперечном дрейфе наблюдается более высокая чувствительность, чем при продольном, что добавляет весомое преимущество этой модели, но все равно остаются существенные недостатки в виде большого гистерезиса, зависимости выходного сигнала от ориентации внешнего магнитного поля и небольшим рабочим диапазоном измеряемых магнитных полей.

Схожей по строению и материалам слоев является модель датчика [Патент RU 2334306], состоящая из двух сплошных магнитомягких слоев FeNi, разделенных слоем полупроводникового карбида кремния SiC, защищенных высокорезистивными немагнитными металлами (Ti или Ta). На границе раздела двух слоев (полупроводникового и магнитомягкого) образуется очень тонкий, толщиной в несколько атомных слоев, интерфейс, обладающий нелинейным свойством перемагничивания в зависимости от величины прикладываемого поля. Такой интерфейс имеет иную коэрцитивную силу, чем FeNi. Данное строение обеспечивает зависимость величины индукции перемагничивания от прикладываемого внешнего магнитного поля.

Известное устройство обладает небольшим рабочим диапазоном измеряемых полей и зависимостью результирующего сигнала от ориентации внешнего магнитного поля, дополнительным недостатком является неудобство считывания выходного сигнала.

Вышеуказанные недостатки частично устраняются при использовании датчика [Патент EP 0629998], который имеет одно весомое отличие от предыдущих устройств - островковые слои ферромагнитных материалов вместо сплошных. При этом антиферромагнитные прослойки остаются сплошными и разделяют слои наноостровов. Таким образом, кластерное строение устройства обеспечивает такому датчику меньший гистерезис и снижение зависимости выходного сигнала от ориентации поля. Однако малая объемная доля ферромагнитного материала в структуре датчика приводит к уменьшению количества электронов проводимости, рассеивающих энергию в антиферромагнитной среде, и, как следствие, к снижению величины магниторезистивного эффекта и чувствительности устройства.

Еще одним аналогом является датчик [RU 2409515], структура которого состоит из кластера сплошных магнитомягких слоев FeNi, разделенных между собой окислом никеля и кластера островковых слоев тех же материалов. Между ферромагнитными нанокластерами и антиферромагнитным диэлектрическим материалом возникает эффект обменного смещения, в результате чего система нанокластеров ведет себя как магнитожесткий материал.

Таким образом, наличие островковых слоев повышает чувствительность, а сплошные слои поддерживают количество туннелирующих электронов на нужном уровне, что не приводит к значительному уменьшению диапазона измеряемых полей. Структура обладает относительно высоким значением чувствительности (по сравнению с предыдущими моделями) и малой инерционностью, что позволяет измерять высокочастотные магнитные поля, но имеет и недостатки, в качестве которых можно выделить зависимость выходного сигнала от ориентации поля и гистерезис порядка десятых долей Эрстед.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является магниторезистивный датчик [RU 2316078], который в качестве рабочего элемента так же использует наноостровковый кластер. Структура датчика представляет из себя минимум два контактирующих островковых слоя, сделанных из материалов с большой разностью значений коэрцитивных сил. В качестве магнитомягкого материала используется FeNi, а в качестве магнитожесткого - CoNi. Островковый кластер окружен защитным диэлектрическим материалом, который создает спиновый клапан, повышающий чувствительность устройства. Толщина островков составляет менее 1 нм, а латеральные размеры лежат в диапазоне 10…15 нм. При наложении внешнего магнитного поля магнитомягкий материал изменяет направление спин-поляризации, а магнитожесткий остается намагниченным в исходном направлении. В итоге носители заряда, дрейфуя из FeNi в CoNi, рассевают свою энергию.

Размеры структур соизмеримы с размерами доменов данных материалов, что позволяет избежать инерционности в процессе перемагничивания. Данный факт делает модели, представленные в этом патенте, оптимальным выбором для измерения переменных магнитных полей. Маленькие размеры островков уменьшили количество электронов, участвующих в образовании сенсорного тока, что привело к снижению магниторезистивного эффекта и чувствительности, а также уменьшился диапазон измеряемых магнитных полей. Недостаток в виде зависимости выходного сигнала от ориентации поля так же присутствует в данном устройстве.

Раскрытие изобретения

Технический результат заключается в возможности регистрации слабых магнитных полей индукцией 0,02…200 мкТл с точностью порядка 1 нТл при давлении от 10⁵ Па до 10^-3 Па и температуре от минус 100° до плюс 350°C.

Технический результат достигается за счет формирования многослойной тонкой пленки из 2…20 чередующихся островковых слоев магнитомягкого (Ni) и магнитожесткого (Co) металлов, которые будут разделены диэлектрической прослойкой из Al₂O₃ для предотвращения смешивания и создания потенциального барьера. Таким образом, при параллельной намагниченности слоев кластера электроны будут в большом количестве туннелировать сквозь слои. Наложение внешнего магнитного поля приведет к изменению направления спин-поляризации островкового слоя Ni и возникновению антипараллельной намагниченности слоев, носители заряда практически не будут туннелировать. Количество дрейфующих частиц напрямую зависит от степени перемагниченности магнитомягкого материала.

Сущность изобретения заключается в том, что островковый магниторезистивный датчик состоит из ферромагнитных слоев чередующихся магнитомягких металлов (Ni) и магнитожестких металлов (Co), ферромагнитные слои являются островковыми пленками, при этом в качестве основания выступает диэлектрическая подложка из стекла, керамики или ситалла, а сверху и снизу массива слоев расположены проводящие медные контактные площадки. Между островковыми ферромагнитными слоями датчик содержит диэлектрическую прослойку из Al₂O₃. Датчик может содержать дополнительно титановые покрытия на контактных площадках. Латеральные размеры островков слоя Co преимущественно составляют 60…80 нм, латеральные размеры островков слоя Ni преимущественно составляют 90…120 нм, толщина диэлектрической прослойки из Al₂O₃ преимущественно составляет 20…40 нм.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана схема островкового магниторезистивного датчика без воздействия магнитного поля (верхний рисунок) и помещенного в магнитное поле (нижний рисунок). Последовательно сформированные на диэлектрической подложке (5) островковые слои Co (2) и Ni (3), между которыми расположена прослойка Al₂O₃ (4). Для подключения питания сверху и снизу массива слоев сформированы медные контактные площадки (1). При совпадении спин-поляризации слоев (2) и (3) электроны туннелируют по всем слоям (верхний рисунок), сопротивление структуры низкое. При наложении внешнего магнитного поля слой (3) частично, либо полностью изменяет свою спин-поляризацию, электроны туннелируют преимущественно по верхним слоям (нижний рисунок), сопротивление структуры увеличивается.

Фиг. 2 - структурная схема стенда тестирования образцов.

Фиг 3 - схема тестовых образцов датчиков с островковыми (слева) и сплошными (справа) слоями.

Фиг. 4 - экспериментальные зависимости относительного изменения электрического сопротивления от величины внешнего магнитного поля для образцов с островковыми (слева) и сплошными (справа) слоями.

Осуществление изобретения

Островковый магниторезистивный датчик состоит из ферромагнитных слоев чередующихся магнитомягких металлов (Ni) и магнитожестких металлов (Co). Ферромагнитные слои являются островковыми пленками, при этом в качестве основания выступает диэлектрическая подложка из стекла, керамики или ситалла, а сверху и снизу массива слоев расположены проводящие медные контактные площадки. Датчик между островковыми ферромагнитными слоями содержит диэлектрическую прослойку из Al₂O₃.

Датчик может дополнительно содержать титановые покрытия на контактных площадках.

Латеральные размеры островков слоя Co преимущественно составляют 60…80 нм, латеральные размеры островков слоя Ni преимущественно составляют 90…120 нм, толщина диэлектрической прослойки из Al₂O₃ преимущественно составляет 20…40 нм.

Подключение такого образца реализовывается к медным контактам, располагающимся сверху и снизу массива слоев. Такое расположение электродов обеспечит поперечный дрейф электронов и соответственно высокую чувствительность датчика. Эффект спин-туннельного магнитосопротивления также повышает чувствительность структуры.

В заявленном решении толщина, латеральные размеры и среднее расстояние между структурами составляют 50...70 нм, 150...200 нм, 4...10 нм, соответственно. Увеличенные размеры структур обеспечат большое количество дрейфующих частиц, что повысит магниторезистивный эффект и увеличит диапазон измеряемых полей. Кроме того, наличие островковых слоев (а не сплошных) нивелирует инерционность при перемагничивании, что позволит данному датчику измерять высокочастотные магнитные поля и снизит величину гистерезиса. Таким образом, такое строение датчика усиливает достоинства и частично, либо полностью убирает недостатки устройств, рассматриваемых выше.

Датчик слабых магнитных полей на островковых наноструктурах представляет из себя многослойную островковую тонкую пленку. На диэлектрической подложке (5) последовательно формируются островковый слой Ni (3), прослойка Al₂O₃ (4), островковый слой Co (2). Количество ферромагнитных слоев датчика может варьироваться в зависимости от условий применения устройства (преимущественно от 2 до 20). Сверху и снизу массива слоев формируются медные контактные площадки (1) для подключения питания. При совпадении спин-поляризации слоев (2) и (3) электроны туннелируют по всем слоям, сопротивление структуры низкое. При наложении внешнего магнитного поля, слой (3) частично, либо полностью изменяет свою спин-поляризацию, электроны туннелируют преимущественно по верхним слоям, сопротивление структуры увеличивается.

Устройство может работать в диапазоне давлений 10⁵-10^-3 Па. Для исправного функционирования датчика его температура не должна превышать плюс 350°C. Для наиболее эффективной работы устройства измеряемые магнитные поля должны лежать в диапазоне 0,02-200 мкТл. Измерение магнитных полей возможно с точностью 1 нТл.

То, что латеральные размеры островков в слоях соответственно равны диаметрам однодоменности, приводит к большой разности коэрцитивных сил, что в свою очередь влечет за собой повышенную чувствительность и более широкий диапазон измеряемых магнитных полей.

То, что латеральные размеры островков равны размерам доменов используемых материалов, позволяет снизить величину магнитного гистерезиса и зависимость выходного сигнала от внешнего магнитного поля

То, что устройство содержит в себе диэлектрическую прослойку из Al₂O₃, позволяет создать спиновый клапан, регулирующий количество туннелирующих электронов.

То, что слои выполнены в островковой фазе, снижает инерционность перемагничивания, что значительно уменьшает влияние ориентации магнитного поля на значение выходного сигнала.

То, что в датчике могут быть расположены титановые покрытия на контактных площадках, позволяет снизить влияние механических деформаций при подключении измерительного оборудования и эксплуатации датчика.

То, что в датчике диэлектрическая подложка выполнена из стекла, керамики или ситалла позволяет формировать разную геометрию контактных площадок (сформировать нижнюю контактную площадку требуемой формы и толщины, соответствующей верхней контактной площадке), при этом подложка не влияет на функционирование датчика. А также на одной диэлектрической подложке из стекла, керамики или ситалла можно сформировать топологии для разных датчиков, они не будут влиять друг на друга, так как подложка не проводит ток.

Пример

Представлен пример тестирования заявленного островкового датчика слабых магнитных полей.

Сформировано и протестировано несколько образцов датчиков с островковыми и сплошными слоями. В представляемом примере представлено два ферромагнитных слоя (фиг. 3). У датчика с островковыми слоями латеральный размер островков и толщина островкового слоя Ni составляла соответственно 60…80 нм и 20…30 нм. Для Co латеральный размер островков и толщина островкового слоя составляла соответственно 90…120 нм и 20…30 нм. Толщина прослойки Al₂O₃ находится в диапазоне 20…40 нм. У датчика со сплошными слоями толщина слоев Co и Ni в среднем составила 50…90 нм, прослойка Al₂O₃ сформирована толщиной 40…60 нм.

После изготовления образцы были протестированы на стенде контроля (фиг. 2), который состоял из постоянного магнита N52, пикоамперметра Keythley 6485 и блока питания. У поверхности магнита величина индукции составляла 1420 мТл. Величина магнитного поля вблизи поверхности образца пересчитывалась, исходя из допущения, что величина индукции обратно пропорциональна квадрату расстояния до исходной точки в однородной среде. Рабочее напряжение блока питания составляло 0,1 В. С помощью пикоамперметра считывались и записывались в буфер обмена значения силы тока, протекающего через образец. Данные значения использовались для вычисления сопротивления чувствительной части датчика по закону Ома.

В результате обработки измерений были построены графики зависимости относительного изменения электрического сопротивления от величины внешнего магнитного поля вблизи поверхности датчика для структуры с островковыми и сплошными слоями (фиг. 4). По данным зависимостям видно, что средняя величина магнитосопротивления у датчика с островковыми слоями составляет 9,10%, в то время как у датчика со сплошными слоями - 3,23%. То есть, островковая конфигурация датчика позволяет измерять магнитные поля с большей чувствительностью, чем конфигурация со сплошными слоями. Это происходит из-за того, что во время прохождения через массив слоев электроны дольше пребывают в состоянии туннелирования, переходя между островками через диэлектрик, и соответственно больше подвержены влиянию внешнего магнитного поля. Данный механизм обеспечивает почти в три раза большую чувствительность островковой структуры датчика по сравнению с образцом со сплошными слоями. Помимо этого, при уменьшении островка Ni и Co достигают первого и второго критического диаметра однодоменности, увеличивая коэрцитивную силу Co и уменьшая коэрцитивную силу Ni. Большая разность коэрцитивных сил обеспечивает большую чувствительность разрабатываемого устройства.

Источники информации:

1. Патент US 4949039 МПК G01N 19/02, приоритет 30.07.70, опубл. 24.12.2005.

2. Патент US 6002553, МПК G01N3/56, приоритет 24.04.20, опубл. 14.02.2021.

3. Патент RU 2334306, МПК G01N19/02, приоритет 18.01.02, опубл. 23.07.2003.

4. Патент EP 0629998, МПК G01N3/56, приоритет 12.08.99, опубл. 22.08.2000.

5. Патент RU 2316078, МПК G01N4/54, приоритет 07.10.20, опубл. 11.02.2021.

6. Патент RU 2409515, МПК G01N3/56, приоритет 06.11.19, опубл. 21.02.2021.

Изобретение может быть использовано для контроля величины индукции магнитного поля в различных устройствах. Сущность изобретения заключается в том, что островковый магниторезистивный датчик состоит из ферромагнитных слоев чередующихся металлов магнитомягкого Ni и магнитожесткого Co, при этом ферромагнитные слои являются островковыми пленками, в качестве основания использована диэлектрическая подложка из стекла, керамики или ситалла, а сверху и снизу массива слоев расположены проводящие медные контактные площадки. Между островковыми ферромагнитными слоями датчик содержит диэлектрическую прослойку из Al₂O₃. Технический результат заключается в возможности регистрации слабых магнитных полей индукцией 0,02…200 мкТл с точностью порядка 1 нТл при давлении от 10⁵ Па до 10^-3 Па и температуре от минус 100°C до плюс 350°C. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Островковый магниторезистивный датчик, состоящий из массива ферромагнитных слоев в виде островковых пленок Ni и Co на диэлектрической подложке, отличающийся тем, что ферромагнитные слои являются чередующимися островковыми пленками магнитомягкого Ni и островковыми пленками магнитожесткого Co, между островковыми ферромагнитными слоями выполнена диэлектрическая прослойка из Al₂O₃, диэлектрическая подложка выполнена из стекла, керамики или ситалла, а сверху и снизу массива слоев расположены проводящие медные контактные площадки.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит титановые покрытия на контактных площадках.

3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что латеральные размеры островков слоя Co составляют 60…80 нм, латеральные размеры островков слоя Ni составляют 90…120 нм, толщина диэлектрической прослойки из Al₂O₃ составляет 20…40 нм.