CC BY
9Научная статья УДК 681.586.78 doi:10.24151/1561-EDN: APJFPO
i-2023-28-4-500-508
Двухосевой однокристальный АМР-преобразователь
магнитного поля
А. А. Баранов, А. Б. Грабов, Д. Ю. Обижаев, С. А. Жукова
Центральный научно-исследовательский институт химии и механики, г. Москва, Россия
mail@cniihm.ru
Аннотация. Магнитометры, основанные на анизотропном магниторези-стивном (АМР) эффекте, лидируют по массогабаритным характеристикам, энергопотреблению и чувствительности. Перспективна идея двухосевого АМР-преобразователя магнитного поля в однокристальном исполнении. В работе для целей магнитометрической навигации рассмотрены разработанные и изготовленные двухосевые однокристальные анизотропные преобразователи магнитного поля на основе тонких пленок Ni80Fe20 со смешанной анизотропией. Описана технология их изготовления и представлены результаты исследования характеристик преобразователей. Достигнутая чувствительность по каждой оси составляет 1,58 мВ/(Э-В), начальный разбаланс моста AU = 20 мВ.
Ключевые слова: анизотропный магниторезистивный эффект, АМР-преобразователь, магнитное поле
Для цитирования: Баранов А. А., Грабов А. Б., Обижаев Д. Ю., Жукова С. А. Двухосевой однокристальный АМР-преобразователь магнитного поля // Изв. вузов. Электроника. 2023. Т. 28. № 4. С. 500-508. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2023-28-4-500-508. - EDN: APJFPO.
© А. А. Баранов, А. Б. Грабов, Д. Ю. Обижаев, С. А. Жукова, 2023
Original article
Two-axis single-chip AMR transducer of magnetic field
A. A. Baranov, A. B. Grabov, D. Yu. Obizhaev, S. A. Zhukova
Central Scientific-Research Institute of Chemistry and Mechanics, Moscow, Russia
mail@cniihm.ru
Abstract. Magnetometers based on anisotropic magnetoresistive (AMR) effect are lead in physical data, energy consumption and sensitivity. The idea of two-axis single-chip AMR transducer of magnetic field is promising. In this work, the two-axis single-chip anisotropic transducers of magnetic field based on Ni80Fe20 thin films with mixed anisotropy, developed for magnetometry navigation purposes, are considered. Their manufacturing technique and sensor characteristics studying results are described. The realized sensitivity on every axis is 1.58 mV/(Oe-V) with beginning bridge unbalance AU = 20 mV.
Keywords: anisotropic magnetoresistive effect, AMR transducer, geomagnetic field
For citation: Baranov А. А., Grabov A. B., Obizhaev D. Yu., Zhukova S. A. Two-axis single-chip AMR transducer of magnetic field. Proc. Univ. Electronics, 2023, vol. 28, no. 4, pp. 500-508. https://doi.org/ 10.24151/1561-5405-2023-28-4-500-508. -EDN: APJFPO.
Введение. Надежная система ориентации и навигации летательных аппаратов и других подвижных платформ должна интегрировать в себе как минимум три независимых дублирующих навигационных канала [1]. Если, например, в навигационной системе летательного аппарата [2] первый канал выдает навигационную информацию по внешним искусственным ориентирам GPS или ГЛОНАСС, второй канал - бесплатформенная инерциальная навигационная система - формирует информационный поток по внутреннему стандарту, то навигационный сигнал третьего канала должен формироваться естественными физическими полями Земли, в частности геомагнитным полем, которое может обеспечить двух- или трехкоординатный магнитометр, находящийся на борту летательного аппарата.
Анализ возможных физических принципов магнитометрии в геомагнитной области показывает, что по массогабаритным характеристикам, энергопотреблению и чувствительности лидируют магнитометры на анизотропном магниторезистивном (АМР) эффекте [3]. Принцип действия АМР-преобразователей основан на изменении сопротивления в тонких пленках пермаллоя Ni81Fe19. Для возникновения АМР-эффекта пленки должны обладать осевой магнитной анизотропией [4].
Перспективна идея двухосевого АМР-преобразователя магнитного поля в однокристальном исполнении [5]. В таких двухосевых однокристальных АМР-преобра-зователях отсутствует погрешность измерений, обусловленная неортогональностью расположения осей чувствительности, характерная для двухосевых магнитометров, изготовленных на основе сборок одноосевых преобразователей. Кроме того, однокристальное исполнение двухосевых АМР-преобразователей магнитного поля позволяет снизить электропотребление путем формирования единой планарной катушки (Set/Reset) для одновременного перемагничивания двух преобразователей.
Эксперимент. На первом этапе на подложках КДБ (100) термически формировали окисленный слой толщиной ~ 2 мкм. На слой БЮ2 магнетронным напылением наносили трехслойную тонкопленочную ферромагнитную структуру Ть№8аРе20-Т1 (25 - 35 - 25 нм). Магнетронное напыление проходило при температуре 300 °С и в однородном магнитном поле напряженностью 420 Гс.
Магниты и нагреватель сконструированы с учетом их тепловой развязки. На рис. 1 приведена 3Б-модель подложкодержателя, содержащего два антипараллельных магнита и кварцевый нагреватель. При испытаниях подложкодержателя на воздухе, т. е. при наличии конвективной теплопередачи, при температуре на столике около 300 °С температура магнитов равна 85 °С.
Рис. 1. Оснастка для осаждения ферромагнитных пленок в магнитном поле c возможностью нагрева подложки до 350 °С Fig. 1. Tools for the ferromagnetic films deposition in magnetic field with the opportunity of substrate heating up to 350 °C
Измерения локальных значений АМР-эффекта (dR/R), поверхностного сопротивления Rs, коэрцитивной силы Нс и поля анизотропии Нk по всей поверхности напыленной анизотропной пленки проводили шестизондовым методом [6] (рис. 2-4). Зависимости dR/R, Rs, Hc и Hk от угла поворота пластины 0 относительно оси катушек измеряли также шестизондовым методом. Как показано в работе [6], измерения зависимостей вида dRJR = _Д0) и Нс = _Д0) - это метод поиска оси легкого намагничивания в ферромагнитных пленках. Направление максимума dR/R или Нс соответствует направлению магнитной анизотропии пленки, а для случая технической размагниченности - направлению оси легкого намагничивания (см. рис. 2).
Рис. 2. Зависимость электрического сопротивления от магнитного поля для одиночного магнито-резистора размером 50 х 6000 мкм: 1 и 2 - кривые
прямого и обратного хода соответственно Fig. 2. Dependence of electrical resistivity with magnetic field for the single magnetoresistor 50 х 6000 mkm: 1 and 2 - forward and reverse curves, respectively
Рис. 3. Зависимость уровня АМР-эффекта от угла поворота подложки для пленки Ni80Fe20,
измеренная шестизондовым методом Fig. 3. Dependence of AMR effect level with substrate's turn angle for Ni80Fe20 film measured by the six-probes method
0,060
0,050
0,040
0,030
0,020
0,010
0,000
M
ft
HI
'i uVL
If ? vl'
-60
-40
-20
0
20
Магнитное поле, Э
40
60
6,16
6,4
6,42
6,53
6,42
6,34
6,39
6,51
6,38
6,35
6,36
>,41 6,28
6,51 6,42
6,53
6,35
6,36
6,28
6,16
6,4
6,38
6,27
6,23
5,95
Рис. 4. Исследование характеристик осажденных пленок на шестизондовой станции: а - вольт-эрстедные кривые; б - карта распределения dR/R по поверхности пленки Fig. 4. Studying of deposited thin films characteristics at six-probe station: a - Volt-Oersted curves; b - map of dR/R's distribution on the film surface
На втором этапе из тонкопленочной анизотропной структуры Ть№80Ре20-Т1 с использованием фотолитографии формировали топологию АМР-сенсора геомагнитного поля (рис. 5). АМР-преобразователь представляет собой мостовую схему из четырех магниторезисторов с шунтирующими полосками из алюминия и имеет планарную катушку перемагничивания. Предусмотрены подгоночные узлы для минимизации начального разбаланса моста. На сформированном АМР-преобразователе измеряли отклонение начального разбаланса мостовой схемы от нуля и чувствительность в диапазоне ±40 Э.
lP
Рис. 5. Общий вид топологии АМР-преобразователя геомагнитного поля Fig. 5. General view of the geomagnetic field AMR sensor topology
Результаты и их обсуждение. АМР-эффект в пленке растет с увеличением температуры подложки и напряженности поля, создаваемого магнитами. При температуре нагревателя 300 °С и магнитуде поля 420 Гс достигнуто значение dR/R = 2,67 %. (рис. 4, б).
Как показано на рис. 2, в выращенной пленке имеется четыре максимума на зависимости dR/R = f(6). Следовательно, имеют место два направления анизотропии, оси которых направлены ортогонально друг к другу. Это так называемая смешанная анизотропия [7]. Преобразователь, изготовленный на основе пленки со смешанной анизотропией, должен также иметь и две ортогональные оси чувствительности.
На сформированной топологии АМР-преобразователя изучен эффект влияния формы и расположения шунтирующих полосок на выходные характеристики полосковых магниторезисторов, сформированных из двухосных пленок. Из приведенных графиков на рис. 6 видно, что для двухосных пленок эффект от шунтирующих полосок действует почти так же, как и в случае одноосных, т. е. область линейности смещается к нулю.
Важная характеристика магниторезисторов - их ширина и зазор между ними. Проведены испытания трех вариантов структур барберов (120, 80 и 30 мкм). Выбрана структура шириной 120 мкм, обеспечивающая наибольшую чувствительность. На рис. 7 представлены результаты измерений трех вариантов магниторезисторов, различающихся по ширине шунтирующих полосок и их шагу. При разработке рабочего шаблона учитывали размагничивающий фактор. Принята оптимальная ширина магниторе-зистора, равная 50 мкм, что повысило чувствительность на 40 % по сравнению с 30-мкм резисторами.
Исследовали влияние на чувствительность АМР-преобразователя зазора между магниторезистивными полосками. В первом варианте топологии зазор составлял 100 мкм, во втором - 5 мкм (рис. 8). Видно, что чувствительность выше в случае более узкого зазора.
Рис. 6. Линеаризация передаточной характеристики преобразователя: а, б - линеаризованная и нелинеаризованная характеристики соответственно; в - топология Fig. 6. Transducer's transfer characteristics linearization: a, b - linearized and non-linearized characteristics, respectively; c - topology
Рис. 7. Влияние ширины магниторезистора на поле анизотропии Fig. 7. The influence between width of magnetoresistor and anisotropy field
Рис. 8. Влияние зазора между магниторезисторами шириной 50 мкм на поле анизотропии Fig. 8. The influence of the 50-^m-wide gap between magnetoresistors on the anisotropy field
На рис. 9 представлены микрофотографии кристаллов разработанного АМР-преоб-разователя магнитного поля. На рис. 10 приведены результаты измерения чувствительности АМР-преобразователя в диапазоне ±30 Э. Видно, что в области геомагнитного поля изменению выходного напряжения соответствует чувствительность 1,58 мВ/(Э-В) при начальном разбалансе моста Ди = 20 мВ.
Рис. 9. Микрофотографии кристаллов АМР-преобразователя магнитного поля Fig. 9. Micrographs of the magnetic field AMR sensor's die
Рис. 10. Вольт-эрстедная характеристика кристалла
АМР-преобразователя магнитного поля Fig. 10. Volt-Oersted curve of the magnetic field AMR transduser's die
Заключение. Исследования показали, что повышенный АМР-эффект (2,57 %) в анизотропной ферромагнитной пленке достигается в случае роста пленки при температуре подложкодержателя 300 °С и магнитуде постоянного поля 420 Гс. В пленке наблюдается смешанная анизотропия с двумя направленными ортогонально друг к другу осями легкого намагничивания. Наилучшей чувствительностью обладает АМР-преобразователь с шириной полоски 120 мкм, шагом между шунтирующими полосками 12 мкм и зазором между полосками 5 мкм.
Материалы статьи доложены на Российском форуме «Микроэлектроника 2022» (2-8 октября 2022 г., г. Сочи).
Литература
1. Бетанов В. В., Демидов А. С., Ступак Г. Г., Янчик А. Г. Теоретические основы построения автоматизированной системы организационно-технического управления космическими средствами / под ред. А. Г. Янчика. М.: Военная академия РВСН им. Петра Великого, 2002. 160 с.
2. Shorshi G., Bar-Itzhack I. Y. Satellite autonomous navigation based on magnetic field measurements // Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 1995. Vol. 18. Iss. 4. P. 843-850. https://doi.org/10.2514/3.21468
3. Three-axis digital compass IC HMC5883L by Honeywell // Farnell [Электронный ресурс]. 2010. URL: https://www.farnell.com/datasheets/1683374.pdf (дата обращения: 26.05.2023).
4. Tumanski S. Thin film magnetoresistive sensors. Bristol; Philadelphia: IOP Publ., 2001. 576 p. (Series in Sensors).
5. Development of two axes magnetometer for navigation applications / P. V. Sreevidya, J. Khan, H. C. Barshilia et al. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2018. Vol. 448. P. 298-302. https ://doi. org/10.1016/j.j mmm.2017.08.064
6. Грабов А. Б. Исследование процессов токопереноса в тонкопленочных магниторезистивных структурах Ni0,76Fe0,18Co0,06 // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. 2020. Т. 7. № 1. С. 95-103. https://doi.org/10.30894/issn2409-0239.2020.7.1.95.103
7. Magnetic field-dependent shape anisotropy in small patterned films studied using rotating magnetoresistance / X. Fan, H. Zhou, J. Rao et al. // Sci. Rep. 2015. Vol. 5. Art. No. 16139. https://doi.org/10.1038/
srep16139
Статья поступила в редакцию 07.03.2023 г.; одобрена после рецензирования 06.04.2023 г.;
принята к публикации 31.05.2023 г.
Информация об авторах
Баранов Александр Александрович - кандидат технических наук, начальник лаборатории Центрального научно-исследовательского института химии и механики (Россия, 115487, г. Москва, ул. Нагатинская, 16а), mail@cniihm.ru
Грабов Алексей Борисович - ведущий инженер Центрального научно-исследовательского института химии и механики (Россия, 115487, г. Москва, ул. Нагатинская, 16а), mail@cniihm.ru
Обижаев Денис Юрьевич - кандидат технических наук, доцент, начальник отдела Центрального научно-исследовательского института химии и механики (Россия, 115487, г. Москва, ул. Нагатинская, 16а), mail@cniihm.ru
Жукова Светлана Александровна - кандидат технических наук, доцент, заместитель начальника научно-исследовательского центра Центрального научно-исследовательского института химии и механики (Россия, 115487, г. Москва, ул. Нагатинская, 16а), mail@cniihm.ru
References
1. Betanov V. V., Demidov A. S., Stupak G. G., Yanchik A. G. Theoretical basics of building the automated control system for aerospace systems organizational and technical management, ed. A. G. Yanchik. Moscow, Military Academy of Strategic Rocket Troops after Peter the Great Publ., 2002. 160 p. (In Russian).
2. Shorshi G., Bar-Itzhack I. Y. Satellite autonomous navigation based on magnetic field measurements. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1995, vol. 18, iss. 4, pp. 843-850. https://doi.org/10.2514/3.21468
3. Three-axis digital compass IC HMC5883L by Honeywell. Farnell. 2010. Available at: https://www.farnell.com/datasheets/1683374.pdf (accessed: 26.05.2023).
4. Tumanski S. Thin film magnetoresistive sensors. Bristol, Philadelphia, IOP Publ., 2001. 576 p. Series in Sensors.
5. Sreevidya P. V., Khan J., Barshilia H. C., Ananda C. M., Chowdhury P. Development of two axes magnetometer for navigation applications. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2018, vol. 448, pp. 298-302. https://doi.org/10.1016/jjmmm.2017.08.064
6. Grabov A. B. Study of current transfer processes in thin film magnetoresistive structures Ni0.76Fe0.i8Co0 06. Raketno-kosmicheskoe priborostroenie i informatsionnye sistemy = Rocket-Space Device Engineering and Information Systems, 2020, vol. 7, no. 1, pp. 95-103. (In Russian). https://doi.org/10.30894/ issn2409-0239.2020.7.1.95.103
7. Fan X., Zhou H., Rao J., Zhao X., Zhao J., Zhang F., Xue D. Magnetic field-dependent shape anisotropy in small patterned films studied using rotating magnetoresistance. Sci. Rep., 2015, vol. 5, art. no. 16139. https://doi.org/10.1038/srep16139
The article was submitted 07.03.2023; approved after reviewing 06.04.2023;
accepted for publication 31.05.2023.
Information about the authors
Alexander A. Baranov - Cand. Sci. (Eng.), Head of the Laboratory, Central Research Institute of Chemistry and Mechanics (Russia, 115487, Moscow, Nagatinskaya st., 16a), mail@cniihm.ru
Alexey B. Grabov - Senior Engineer, Central Research Institute of Chemistry and Mechanics (Russia, 115487, Moscow, Nagatinskaya st., 16a), mail@cniihm.ru Denis Yu. Obizhaev - Cand. Sci. (Eng.), Assoc. Prof., Head of Department, Central Research Institute of Chemistry and Mechanics (Russia, 115487, Moscow, Nagatinskaya st., 16a), mail@cniihm.ru
Svetlana A. Zhukova - Cand. Sci. (Eng.), Assoc. Prof., Deputy Head of the Research Center, Central Research Institute of Chemistry and Mechanics (Russia, 115487, Moscow, Nagatinskaya st., 16a), mail@cniihm.ru
