Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Датчики магнитного поля. Учебное пособие
.pdf
ростом напряженности изменяется от 180
0
до 00 при достижении поля
насыщения.
Для обеспечения эффекта необходимы как минимум два слоя
ферромагнетика.
В результате такого перестроения магнитных моментов
электрическое сопротивление материала резко уменьшается (рис. 22),
так как его величина при параллельном построении моментов атомов
намного ниже, чем у исходной.
Рис. 22. Зависимость электросопротивления от магнитного поля
для магнитных мультислоёв Fe/Cr
Амплитуда гигантского магнитосопротивления зависит от
индивидуальных характеристик материалов, из которых состоят слои,
а также от их толщины. Оптимальная толщина промежуточного
немагнитного слоя находится в диапазоне 10-20 А.
На данный момент известны следующие основные типы
мультислойных структур:
Мультислои, в которых соседние ферромагнитные слои
связаны между собой антиферромагнитными (Fe/Cr).
Мультислои, состоящие из ферромагнитных слоёв,
обладающих различными коэрцитивными силами (Ni80Fe20/Cu/Co/Cu).
41
Спин-вентильные сэндвичи. В таких структурах в качестве
немагнитного слоя толщиной 15-50 А используются благородные
металлы (Cu, Ag, Au). Ферромагнитные слои толщиной 15-50 А
изготавливают из сплава Ni80Fe
, причем один из слоёв спаривают со
20
слоем из антиферромагнитного FeMn. В результате получается
структура типа Ni80Fe20/Cu/Ni80Fe20/FeMn. Преимуществом таких
сэндвичей являются низкие поля насыщения (2-4 Э) при которых
возникает гигантское магнитосопротивление.
Гранулированные пленки и структуры. В таких структурах
ферромагнитные зерна размером в несколько нанометров вкраплены
в немагнитную матрицу. Когда внешнее магнитное поле отсутствует,
в материале наблюдается беспорядочная ориентация магнитных
моментов зерен. Внешнее магнитное поле ориентирует магнитные
моменты в зернах параллельно. Такие структуры могут быть созданы
совместным напылением несмешивающихся ферромагнитных и
немагнитных материалов в одиночном толстом слое меди или
кобальта.
4.2. Конструкции датчиков на основе гигантского
магнитосопротивления
В зависимости от используемых материалов существует
множество разновидностей ГМС датчиков. Одной из таких
разновидностей являются анизотропные магниторезистивные
наноэлементы (АМР)[12]. В рамках данного направления создаются
запоминающие устройства, логические наноэлементы, датчики
магнитного поля и тока, гальванические развязки, спиновые
транзисторы, биосенсоры.
Такие элементы обладают рядом достоинств:
энергонезависимостью, неограниченным числом циклов перезаписи,
широким температурным диапазоном и радиационной стойкостью.
АМР датчики используются для измерения магнитного поля.
Базируются они, как правило, на однослойной Ti(Ta)-FeNiCo-Ti(Ta) и
многослойных Ti(Ta)-FeNiCo-Ti(Ta)-I’Ni(FeNiCo)-Ti(Ta)
наноструктурах. Для датчиков с пониженной верхней границей
42
измеряемого поля используется пермаллой, для датчиков с
повышенной верхней границей – FeNiCo.
Конструктивно такие датчики состоят из подложки из ситалла
или окисленного кремния, на поверхности которой сформирована
мостовая схема из четырёх МР полосок Ta(Ti)-FeNi-Ta(Ti)-FeNiTa(Ti), соединенных алюминиевыми или медными проводками. Вся
конструкция сверху покрыта изолирующим слоем SiO
, а над
2
полосками МР сформирован проводник управления (рис. 23)[13].
Рис. 23. АМР датчик с проводником управления
АМР датчики позволяют решать задачи магнитной локации,
когда необходимо обнаружить объект, обладающий дипольным
моментом, а также его координаты и ориентацию в пространстве.
Ещё одним применением АМР датчиков является создание
пространственно-векторной мыши для интерактивных систем
объемного геометрического моделирования.
АМР датчики нередко относят к классу пленочных
магниторезистивных датчиков, однако по своей конструкции они
гораздо ближе к датчикам на ГМС.
Спин-вентильные МР датчики (СВМР) позволяют обнаружить
парамагнитную микрогранулу с радиусом 500 нм. Такие датчики
имеют структуру NiFeCo/CoFe/CuAgAu/CoFe/NiFeCo с эффектом в
43
13 % в поле насыщения 300 Э. Датчики выполняются в виде полосок
длиной 2 мкм и шириной 100, 150, 250 и 400 нм.
На основе СВМР датчиков создают биосенсоры BARC[14]. В
состав этого прибора входит микрочип с матрицей СВМР датчиков,
плата кристаллоносителя с электроникой для обнаружения
блокированных микрогранул, картридж и электромагнит. Для анализа
в образцы ДНК в процессе синтеза включают биотин. При
впрыскивании в прибор образец гибридизуется с зондами на
поверхности чипа. Затем добавляются меченые парамагнитные
гранулы, чтобы привязать их к поверхности чипа посредством
авидин-биотиновых связей. Любые другие микрогранулы не
связанные с подложкой удаляются воздействием магнитного поля.
СВМР датчики обнаруживают микрогранулы, остающейся на
поверхности. В результате прибор показывает концентрацию ДНК и
устанавливает тождество болезнетворных организмов в образце.
В спин-туннельном МР датчике (СТМР)[15] спин-туннельный
магниторезистивный эффект наблюдается при вертикальном
протекании тока через наноструктуру, состоящую из двух магнитных
плёнок, разделенных тонким диэлектрическим слоем. При
использовании в качестве диэлектрик MgO эффект может достигать
220 %.
Сотрудники фирмы IBM получили сенсор на основе CTMР
датчика с эффектом около 50 %. Датчик может чувствовать
микрогранулы фирмы «Nano Tag» на основе Fe2O
. Чувствительный
3
элемент имеет субмикронные размеры (0,3 мкм).
Ещё одной разновидностью датчиков на ГМС являются GMR
(giant magnitoresistor) датчики. По сравнению с АМР датчиками
изменение сопротивления может достигать 10-20 %.
Простейший GMR датчик состоит из тонких ферромагнитных
(Fe или Co) и немагнитной пленки (рис. 24) толщина которых не
превышает нескольких десятков нанометров[16]. Ширина полос, как
правило, не превышает нескольких микрон. В качестве выходного
параметра используется величина электрического сопротивления
между крайними пластинами ферромагнетика.
44
Датчик
Линейный
диапазон, мТл
Чувствительность,
мВ/мТл
Типичное
сопротивление,
кОм
min
max
min
max
АА002-02
0.15
1.05
30
42
5
AA003-02
0.2
1.4
20
32
5
AA004-00
0.5
3.5 9 13
5
AA005-02
1.0
7.0
4.5
6.5
5
AA006-00
0.5
3.5 9 13
30
Рис. 24. Структура GMR
К преимуществам GMR датчиков относят небольшой размер,
невысокая потребляемая мощность, температурная стабильность и
низкая цена. Недостатками являются невысокая точность, гистерезис
в характеристике датчика, и нечувствительность датчика к знаку
магнитного поля. Характеристики GMR датчиков приведены в
таблице 8.
Таблица 8. Характеристики GMR датчиков магнитного поля
Рассматриваемые датчики можно использовать в датчиках
скорости вращения, датчиках положения, для бесконтактного
измерения тока. Небольшой размер позволяют измерять слабые
магнитные поля очень маленьких объектов, а также измерять
распределение магнитного поля с высокой разрешающей
способностью.
45
GMR датчики наряду с АМР можно использовать для задач
магнитной локации.
Также их можно использовать для идентификации магнитных
карт, на которых информация записана в виде магнитных меток.
Используя интегральные матрицы GMR элементов, можно считать
картину магнитного поля карты, для чего её достаточно поднести к
датчику на расстояние нескольких миллиметров.
Также как у датчиков Холла, расположив на некотором
расстоянии вблизи GMR преобразователя постоянный магнит, можно
обнаруживать объект по вносимому им искажению поля.
Решать эту задачу также можно за счет искажения объектом
магнитного поля Земли. Если под полотном дороги расположить
GMR сенсор, то по искажению местного однородного геомагнитного
поля можно классифицировать транспортное средство (мотоцикл,
автомобиль, автобус и т.д.). Такие устройства можно использовать в
системах управления светофорами для регулирования транспортных
потоков или для указания числа свободных мест на стоянках.
Другой областью подобного применения может стать
управление шлагбаумами и семафорами на переездах. Два датчика
установленных на некотором расстоянии друг от друга позволят
обнаружить приближающийся поезд.
Используя дифференциальную схему включения двух
датчиков, расположенных на расстоянии в несколько десятков
сантиметров, можно обнаруживать железные предметы в почве или
железные руды. Если магнитное поле одного датчика будет отличным
от другого, то на выходе устройства появится сигнал.
46
5. МАГНИТНЫЕ ДАТЧИКИ НА ЭФФЕКТЕ ДЖОЗЕФСОНА
5.1. Физические основы эффекта Джозефсона
Эффект Джозефсона – явление протекания сверхпроводящего
тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два
сверхпроводника. Иллюстрация к эффекту Джозефсона приведена на
рисунке 25.
Рис. 25. Иллюстрация эффекта Джозефсона
Этот эффект был теоретически предсказан в 1962 году
английским физиком Б. Джозефсоном на основе теории
сверхпроводимости Бардина-Купера-Шриффера и сформулирован как
предположение, что куперовские пары должны за счет «туннельного»
эффекта переходить из одного сверхпроводника в другой при
нулевом напряжении. Экспериментально его подтвердили в 1963 г.
американские физики П. Андерсон и Дж. Роуэлл.
Физические объекты, в которых наблюдается эффект
Джозефсона, называют джозефсоновскими контактами [17]. Для
сверхпроводящей электроники этот эффект равносилен по
значимости p-n переходу. Ряд джозефсоновских контактов приведен
на рисунке 26.
В физическом плане джозефсоновский переход представляет
собой слабую электрическую связь между двумя сверхпроводниками.
На практике переход выполняется в виде:
SIS-структуры. Сверхпроводники выполнены в виде пленок, а
роль диэлектрика выполняет тонкий слой изолятора.
47
Рис. 26. Джозефсоновские контакты: а – туннельный контакт;
б – точечный контакт; в – тонкопленочный мостик; г – мостик переменной
толщины; д – пленка сверхпроводника с узкой полоской нормального
металла; е – две близко расположенные плёнки, нанесённые на плёнку
из нормального металла или из сильнолегированного полупроводника
SNS-структуры. Два пленочных сверхпроводника
взаимодействуют через тонкий слой нормального металла.
Мостовые структуры. Два массивных сверхпроводника
взаимодействуют через узкую сверхпроводящую перемычку.
Различают стационарный и нестационарный эффекты
Джозефсона.
Стационарный эффект Джозефсона имеет место, когда
величина постоянного тока, протекающего через переход,
описывается как периодическая функция разности фаз волновых
функций электродов φ=χ1+χ2, которая называется джозефсоновской
фазой[18]. Как правило, эта функция имеет вид
(38)
При отсутствии тока, протекающего через джозефсоновский
элемент, фаза φ=0. Если через контакт протекает максимальный ток,
равный Ic, то фаза равна φ=π/2. Если величина тока, протекающего
48
через контакт, соответствует неравенству I<I
, то напряжение на
c
контакте равно нулю.
Важно отметить, что сверхпроводящий ток, протекающий через
туннельный сверхпроводящий контакт, сильно зависит от внешнего
магнитного поля. Эта зависимость описывается соотношением,
справедливым для любого сверхпроводящего кольца:
где Ф
– 2,07·10
0
-15
Вб – квант магнитного потока.
, (39)
Нестационарный эффект Джозефсона проявляется, когда
через переход пропускается ток I>Ic. В этом случае в переносе тока
через переход участвует не только сверхток I
, но и нормальная
s
компонента электрического тока In. В итоге ток через переход
является суммой токов I=Is+In и на переходе образуется падение
напряжения:
, (40)
где Rn сопротивление на переходе.
Основное соотношение Джозефсона:
, (41)
где ħ – постоянная планка, e – заряд электрона.
В этом случае на контакте будет неограниченно нарастать или
убывать джозефсоновская фаза φ и периодически меняться во
времени величина сверхтока Is. Компоненты полного тока
осциллируют во времени, и частоту этих колебаний можно описать
выражением
. (42)
Напряжение на джозефсоновском элементе будет также
осциллировать во времени с частотой, этот процесс называется
джозефсоновской генерацией. Несмотря на наличие падения
напряжения, сверхпроводимость электродов сохраняется. Такое
состояние джозефсоновского перехода называется резистивным.
49
То есть если ток, проходящий через контакт, превосходит
критический ток перехода, то контакт становится источником
высокочастотного электромагнитного излучения.
Этот эффект объясняется тем, что объединенные в пары
электроны (куперовские пары – связанное состояние двух
взаимодействующих через фонон электронов), создающие
сверхпроводящий ток при переходе через контакт, приобретают
избыточную по отношению к основному состоянию сверхпроводника
энергию. Единственная возможность для пары электронов вернуться
в основное состояние – это излучить квант электромагнитной
энергии.
5.2. Применение приборов на эффекте Джозефсона (сквиды)
Используя нестационарный эффект, можно с высокой
точностью измерять напряжение.
На эффекте Джозефсона построены сверхпроводящие
интерферометры. В таких устройствах работают два параллельных
интерферометра. Так как сверхпроводящие токи, проходящие
через такой контакт, интерферируют, то электрические параметры
перехода для такого соединения имеют сильную зависимость от
внешнего магнитного поля, что позволяет использовать такие
устройства для точного измерения магнитных полей.
Если создать условия, чтобы ток на переходе был равен
I≥(Ic)
, то среднее напряжение на интерферометре будет
max
периодически изменяться по мере роста или убывания внешнего
магнитного поля. Таким образом, магнитный поток Φe будет
преобразовываться в напряжение на переходе. Эта зависимость
называется сигнальной характеристикой двухконтактного
интерферометра, а такой датчик носит название сквида
постоянного тока [19]. Лучше всего этот эффект может
проиллюстрировать вольтамперная характеристика
интерферометра, приведённая на рисунке 27.
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]