Гиганский магниторезестивный эффект

 

Рисунок 6-Датчик на основе моста Уитстона с GMR-резисторами. D1-ширина зазора между концентраторами; D2-длина концентратора. Опорные резисторы    R2и R3 расположены под концентраторами.

 

 

 

Поскольку спинтронные датчики  – резисторные элементы, потребляемая ими мощность при непрерывной  подаче питания велика. Так, ток моста  на основе датчиков с общим сопротивлением 5 кОм при подаче напряжения 2,8 В  превышает 500 мкА, что недопустимо  для компонентов систем с батарейным питанием. Для минимизации потребляемой мощности производится выборка сигнала датчика с малым коэффициентом заполнения. А так как время отклика спинтронных датчиков мало благодаря отсутствию движущихся деталей, время выборки может составлять 10 мкс и даже менее. В этом случае средний ток датчика не превышает 0,1 мА, и его мощность пренебрежимо мала по сравнению с мощностью, потребляемой схемой управления.

Спинтронные датчики на основе моста  Уитстона, работающие в режиме гистерезиса (в отсутствие тока смещения) или  линейном режиме (при токе смещения ~40 мА), могут выполняться и на STD-структурах. Режим гистерезиса  устанавливается в случаях, когда  при превышении напряженности магнитного поля определенного уровня, скажем ±1 Э, требуется существенное изменение  сигнала. Линейный режим идеален  для регистрации небольших изменений  магнитного поля.[5]

 

 

 

2.4 Применение GMR-датчиков

 

 Существует множество областей  применения GMR-датчиков. В промышленном  оборудовании они используются  для обнаружения намагниченных  объектов, отверстий в пластинах  ферромагнетиков, регистрации присутствия  или отсутствия проводящих элементов,  наличия в них дефектов, наличия  оксида железа в черной краске  банкнот, для нахождения подземных  проводящих труб и даже непроводящих  водяных труб, для измерения электрического  тока. В медицине они используются  для контроля магнитных полей,  возбуждаемых физиологическими  функциями организма, контроля  положения тела, особенно головы, для получения биопроб и измерения  ДНК или концентрации антител в крови пациента.

 

 

2.4.1 GMR-датчики. GMR/MEMS-датчик ускорения

 

Как видно, GMR-структуры изготавливаются  методами нанотехнологии. Поэтому не удивительны работы по объединению  их с микро- и нанокомпонентами. И  здесь интерес представляет GMR/MEMS-датчик ускорения, разработанный специалистами  Лаборатории реактивных двигателей Калифорнийского института технологии, Космического центра Линдона Джонсона, Университета Райса и Исследовательского центра Лэнгли. До сих пор датчики  ускорения в основном выполняются  на основе электромеханических, пьезоэлектрических, пьезорезистивных и емкостных элементов. Данных о GMR-датчиках ускорения пока мало.

Рассматриваемый GMR/MEMS-датчик ускорения  содержит мембрану из нитрида кремния  толщиной 0,5 мкм, формируемую объемной обработкой кремниевой подложки; магнитно-твердую  тонкую пленку, напыленную поверх мембраны, и GMR-элемент, изготовленный путем  вакуумного напыления пленок на вторую кремниевую подложку. При сборке GMR/MEMS-датчика  оба кристалла соединяются методом  анодной сварки. Датчик определяет ускорение, регистрируя изменение  магнитного поля, вызванное смещением  мембраны с магнитно-твердой пленкой.

Типичная структура GMR-элемента — Si-SiO2-Ta-Cu-Co-FeN-Ta. Слой кобальта между проводящим слоем меди и пермаллоя предотвращает  смешение меди и пермаллоя, наблюдаемое  при температуре датчика менее 200°С. Толщина слоев GMR-структуры  составляла 30–40 нм. В качестве материала  магнитно-твердой пленки использовался CoCrTaPt, FePt или CoPt.

 

 

2.4.2 Угловые датчики

 

Технология гигантского магнитосопротивления нашла коммерческое применение во многом благодаря небольшой американской компании NVE, первые разработки которой  проводились в рамках программы  перспективной технологии (Advanced Technology Program – ATP) Национального института  по стандартам и технологиям (National Institute of Standards and Technology – NIST). При поддержке NIST специалистами компании NVE на базе GMR-резистора со структурой спинового вентиля создан датчик, регистрирующий угловое положение в пределах 360° [4]. Структура SV-датчика, как указывалось ранее, благодаря возможности получения большого выходного сигнала, малым размерам и простоте освоения массового производства нашла широкое применение в головках считывания. Это и послужило стимулом к созданию другого типа магнитного датчика, а именно углового датчика, не требующего физического контакта для формирования входного сигнала и отличающегося высокой износостойкостью.

Спиновой затвор имел структуру Ta-NiFeCo-CoFe-Cu-CoFe-Ru-CoFe-CrMnPt. Напряженность магнитного поля фиксированного слоя с трехслойной синтетической  антиферромагнитной структурой (Synthetic Antiferromagnet – SAF) состава CoFe-Ru-CoFe превышала 500 Э (максимальное значение, используемое при испытаниях). Такое значение обусловлено нулевым конечным магнитным  моментом в результате сильной встречно-параллельной связи между двумя слоями CoFe одинаковой толщины через тонкий слой рутения. Обменный слой, обеспечивающий фиксированную  ориентацию магнитного поля SAF-структуры, – CrMnPt – отличался высокими температурой блокировки и термической стабильностью  после отжига при температуре 250°С в течение часа. В качестве мягкого  магнитного материала со свободно ориентированным  полем, не вызывающего деградацию GMR-датчика, использовалась двухслойная структура NiFeCo–CoFe. Коэрцитивная сила вдоль оси  легкого намагничивания поля этого  слоя составляла ~4 Э.

Сопротивление SV-резистора R зависит  от угла θ между свободно ориентированным  и фиксированным магнитными полями: R/Rp = 1 + 1/2GMR(1 - cosθ), где Rp – минимальное  сопротивление структуры при  параллельной ориентации обоих полей  и GMR — максимальный коэффициент  гигантского магниторезистивного  эффекта. При подаче внешнего магнитного поля, напряженность которого больше, чем у поля насыщения слоя со свободной  ориентацией, и меньше, чем у фиксированного поля, свободное поле ориентируется  соответственно внешнему магнитному полю. Таким образом, значение магнитосопротивления будет определяться косинусом угла θ. Но изменение сопротивления точно определяется в диапазоне от 0 до 180°. Для получения датчика углового положения на диапазон 360° необходим второй резистор со структурой спинового вентиля и с задержкой сигнала относительно первого на 90°. Сопротивление одного будет определять cosθ, сопротивление второго – sinθ.

Для компенсации теплового дрейфа, неизбежного при работе прибора  в реальных условиях, как правило, датчик измерения углового положения  на основе SV-резисторов выполняется  в виде двух полумостов Уитстона. Полное сопротивление одного полумоста  в такой схеме равно значениям  включенных последовательно сопротивлений SV-резисторов, причем сопротивление  одного плеча полумоста зависит  от -sinθ, а сопротивление второго  плеча – от sinθ. Аналогично, сопротивление  второго полумоста равно значениям  включенных последовательно сопротивлений  спиновых затворов, зависящих от -cosθ  и cosθ. Напряжение на такой мост подается от одного источника питания на постоянное или переменное напряжение. А выходные сигналы полумостов выводятся самостоятельно (рис.7), а не как дифференциальный сигнал двух узлов, как обычно в GMR-датчиках на основе моста Уитстона.

В угловом датчике совместно  с GMR-элементом используется дискообразный  постоянный магнит, поле которого параллельно  его плоскости. Магнит крепится на вращающемся  валу и располагается вблизи датчика (рис.8). Как указывалось ранее, при  вращении магнита сопротивление GMR-элемента является функцией косинуса или синуса угла между вращающимся постоянным магнитом и неподвижным датчиком.

 

 

Рисунок 7-Конфигурация (а) и схема(б) углового датчика

 

 

 

 

GMR-элемент на основе моста  Уитстона с SV-резисторами монтировался  в безвыводной корпус размером 3×3×0,9 мм. Номинальное сопротивление  каждого из резисторов, изготовленных  на одном кристалле, равно 1,5 кОм. Испытания датчика показали, что точность измерения углового  положения составляет ~1°, диапазон  рабочих температур – -40…150°С. Датчик найдет применение в  промышленных и автомобильных  системах.

В 2007 году компания Infineon – крупнейший производитель микросхем датчиков для автомобильных систем безопасности – сообщила о создании микросхемы углового датчика на основе спиновых вентилей модели TLE 5010 [5]. Микросхема датчика  измерения углового положения в  пределах 360° содержит два моста  Уитстона для измерения значений косинуса и синуса угла между приложенным  магнитным полем (постоянного магнита) и полем свободного слоя GMR-элемента. Кроме того, в нее входят температурный датчик для точного расчета угла в диапазоне температур от -40 до 150°С, два АЦП для получения данных в цифровом виде, фильтры, несколько стабилизаторов напряжения, каждый со своим детектором пониженного напряжения и перенапряжения, а также встроенная схема управления и предварительной обработки сигналов (рис.9). Значение углового положения точно рассчитывает внешний восьмиразрядный микроконтроллер, присоединяемый к микросхеме датчика через последовательный SSC-интерфейс со скоростью передачи данных 2 Мбит/с. К SSC-интерфейсу микроконтроллера могут подключаться несколько микросхем TLE 5010. Команда синхронизации присоединенной микросхемы пересылается микроконтроллером.

 

 

Рисунок 8-Конструкция углового датчика с постоянным магнитом

 

 

Структура SV-резисторов формируется  с высокой точностью поверх микросхемы, выполненной по 0,25-мкм КМОП-технологии.

Предназначена микросхема для систем определения угла поворота автомобиля, бесщеточных двигателей, поворотных переключателей, универсальных автомобильных  устройств определения углового положения. Срок службы углового датчика, по предварительным данным компании Infineon, составляет 15 лет.

 

 

2.4.3 Магнитные датчики для средств получения биопроб

 

Развитие технологии спинтроники  позволило усовершенствовать средства получения биопроб. Уже в начале 2005 года на рынке медицинского оборудования появились малогабаритные магнитные  датчики, объединенные с микросхемами и способные работать при комнатной  температуре (в отличие от современных  устройств на основе сверхпроводящих  квантовых интерференционных датчиков). Одно из самых перспективных направлений  развития таких элементов – создание спинтронных биодатчиков типа лаборатории  на кристалле для систем биомедицинского  анализа.

В основе метода биоанализа с помощью  магнитных датчиков лежит возможность  присоединения магнитных меток  к определенному исследуемому веществу с помощью специфического биохимического соединения. Вещество с присоединенными  метками захватывается GMR-датчиком, который затем подсчитывает число  меток. Пример такой системы –  разработанная учеными Университета штата Айова совместно со специалистами  компании NVE микроструйная система  с интегрированным GMR-датчиком, регистрирующим скорость потока и размеры капель ферромагнитной жидкости объемом в  несколько пиколитров (10-12 л), а также частоту их образования [6].

 

 

Рисунок 9-Блок-схема углового датчика TLE5010. VRG-стабилизатор напряжения   GMR-элементов

 

 

Интегрированная платформа на базе кремниевой микросхемы включала три  набора датчиков, каждый из которых  представляет собой мост Уитстона с SV-датчиками размером 20×4 мкм. Спиновой вентиль имел структуру Ta/NiFeCo/Ta/NiFeCo/CoFe/Cu(25Å)/CoFe/CrPtMn. Считывающие резисторы моста  располагались непосредственно  под каналом шириной 13 мкм и  глубиной 18 мкм. Через канал пропускалась струя (длиной 5 мкм) микропробы, содержащей ~5•108 магнитных наночастиц размером 10 нм. Опорные GMR-датчики моста были защищены слоем диэлектрического полимера марки Cyclotene компании Dow Chemical. Основание  микроструйного канала отделялось от GMR датчика слоем нитрида кремния  толщиной 300 нм. В полимерной крышке системы микрообработкой формировался канал шириной 30 мкм и глубиной 25 мкм, располагаемый перпендикулярно  микроструйному каналу. В результате в области пересечения двух каналов  возможен переход струи из одного канала в другой. Готовая система  лаборатории на кристалле монтировалась  на печатную плату, и к ее входным отверстиям подсоединялись впрыскивающие микрокапилляры. В области перекрытия двух каналов возникал чередующийся поток несмешивающихся жидкостей с различными наночастицами. Система помещалась между полюсами миниатюрного электромагнита, поле которого параллельно "чувствительной" оси GMR-элемента (ось, перпендикулярная продольной оси GM-элементов). Магниторезистивная чувствительность SV-датчиков составляла 0,077%/Э. Скорость потока определялась путем корреляции сигналов двух мостов. Ее расчетное значение было равно 19,0±0,4 мм/с, что хорошо согласуется со скоростью накачки насоса – 21±2 мм/с.

Таким образом, была показана возможность  применения GMR-датчиков для обнаружения  и анализа различных биохимических  проб. Точность биохимического анализа  лаборатории на кристалле высокая. Но достигается она за счет более  сложной конструкции датчика.

На Международной конференции  по твердотельным схемам 2007 года (International Solid-State Circuits Conference – ISSCC) представители  Стэнфордского университета сообщили о разработке высокоплотной матрицы GMR-датчика, интегрированной со стандартной КМОП-микросхемой . Прибор предназначен для обнаружения гибридизации ДНК и может примененяться в обычных врачебных кабинетах, а не больших централизованных лабораториях. В предлагаемом методе иммобилизованные на поверхности GMR-датчиков рецепторы отлавливают изучаемые ДНК, после чего в систему лаборатории на кристалле вводятся магнитные наночастицы со специальным покрытием, используемым для выявления ДНК при нерадиоактивной гибридизации in-situ (на месте). Эти частицы захватываются гибридизованными ДНК, и GMR-элементы фиксируют вызванное наночастицами изменение магнитного поля.