CC BY
32sensors functionality in hard environments in the temperature range from minus 60 up to +150 °C based on the thermal tests results has been demonstrated. The temperature coefficient of sensitivity was minus 0.35% °C. The sensors have been tested in the angle, speed and phase sensors in the automotive industry. The characteristics of the developed sensors have shown that they match the characteristics of the sensors produced by the leading world firms.
Keywords: anisotropic magnetoresistive effect, AMR, magnetic field sensor, magnetic thin film, angular position sensor, rotation sensor, phase sensor.
Введение. Создание устройств измерения магнитного поля на основе тонких магнитных пленок представляет значительный интерес. Эффект изменения сопротивления металлов, в частности железа и никеля, в магнитном поле открыт достаточно давно, однако длительное время это явление практически не использовалось в технике. Развитие технологии получения тонких металлических пленок и обнаружение эффекта маг-нитосопротивления в пленках сплавов железо - никель, никель - кобальт открыли возможность создания на основе этих пленок эффективных устройств измерения магнитного поля. Высокая чувствительность к магнитному полю стимулировала интерес к ним сначала как к детекторам цилиндрических магнитных доменов (ЦМД) в устройствах памяти, затем как к основе построения головок считывания информации с магнитных носителей. Первое направление не получило развития в связи с прекращением работ по созданию ЦМД-устройств, второе развивалось в основном по пути использования гигантского магниторезистивного эффекта (ГМР-эффект) [1].
Существует разновидность магниторезистивного эффекта, называемая анизотропным магниторезистивным эффектом (АМР-эффект), который в настоящее время используется в качестве основы для построения высокоэффективных устройств измерения магнитного поля. Этот эффект наблюдается в анизотропных магнитных пленках, при этом величина изменения сопротивления составляет от 1,5 до 3,9 % в зависимости от материала тонкой магнитной пленки [2-4]. Преобразователи на основе АМР-эффекта представляют собой один слой резистивного материала, тогда как преобразователи на основе ГМР-эффекта предполагают наличие нескольких магнитных слоев с различными свойствами [5]. В последнее время появились сообщения о создании новых преобразователей, состоящих из периодически чередующихся наноостровковых слоев магниторезисторов, в частности (FeNi-Co)N, где N - количество парных слоев, которые при том же значении магнитосопротивления 2-3% способны регистрировать сверхмалые магнитные поля ~ 10-6 Э [6, 7]. Все это свидетельствует о больших потенциальных возможностях подобных преобразователей [8].
Характеристики тонких пленок пермаллоя. В Научно-технологическом центре «Нано- и микросистемная техника» МИЭТ получены тонкие пленки пермаллоя (сплав 80% Ni 20% Fe), обладающего магниторезистивным эффектом ~ 2,2 % [9, 10]. Коэрцитивная сила пленок составляет ~ 80 А/м, а поле анизотропии ~ 400 А/м. Пленки пермаллоя получены магнетронным распылением и после напыления их магниторезистивный эффект составлял ~ 1,0 %. Отжиг в вакууме в магнитном поле 12 кА/м в течение 3 ч позволил уменьшить удельное сопротивление пленки и увеличить магниторезистивный эффект до 2,2 %, не оказав существенного влияния на магнитные параметры пленки.
На основе полученных пленок разработаны преобразователи магнитного поля с четной и нечетной передаточной характеристикой. Структуры представляют собой четыре магниторезистора, соединенных в мостовую схему. Такое расположение магнито-резисторов позволяет получить выходной сигнал, составляющий десятки милливольт
на фоне напряжения питания порядка нескольких вольт, а также минимизировать отрицательное воздействие изменения температуры окружающей среды.
Преобразователи с четной передаточной характеристикой. Преобразователь с четной передаточной характеристикой представляет собой четыре магниторезистора в виде полоски тонкой магнитной пленки толщиной 0,03 мкм с контактными площадками из алюминия толщиной ~ 0,6 мкм. Магниторезисторы в разных плечах моста повернуты друг относительно друга на 90°, в результате чего обеспечивается изменение сопротивления всех резисторов при воздействии планарного магнитного поля. Передаточная характеристика такого преобразователя приведена на рис.1. Характерная особенность данного преобразователя состоит в практически полном отсутствии линейных участков. Преобразователи обладают высоким выходным сигналом (~ 20 мВ/В), однако их характеристика нелинейна, что создает серьезные трудности при измерении магнитных полей, и не позволяет определять полярность магнитного поля.
Преобразователи с нечетной передаточной характеристикой. Более широкие возможности имеют преобразователи магнитного поля с нечетной передаточной характеристикой, общий вид такого преобразователя показан на рис.2,а. Структура представляет собой полоску магнитной пленки толщиной 0,03 мкм, на которой под углом 45° к оси магнитной пленки расположены тонкие полоски материала (алюминия) с высокой проводимостью. Это позволяет линеаризовать характеристику и сделать ее нечетной (рис.2,б). В силу этих обстоятельств преобразователи с нечетной передаточной характеристикой получили более широкое распространение по сравнению с традиционными датчиками Холла.
ее сс
«
0
1
з
СЕ
10 Л" ■
8 '
6 4
4 1*
2
-1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1:5
.*-2
-4
-6
• л < •' -8
Магнитное поле, кА/м
Рис.2. Фрагмент топологии преобразователя с нечетной передаточной характеристикой (а) и его
передаточная характеристика (б): - чувствительность 3,4 (мВ/В)/(кА/м) ^ = 10 мкм,
а = 15 мкм, 5 = 6 мкм);.....чувствительность 9,7 (мВ/В)/(кА/м) (^ = 40 мкм, а = 6 мкм, 5 = 6 мкм)
Разработанные преобразователи имеют различную геометрию, в частности разные ширину магнитного слоя, размеры полосок и расстояния между ними. В результате проведенных исследований установлена однозначная связь геометрии структуры и ее
чувствительности. Чувствительность преобразователя определяется как отношение величины выходного сигнала (напряжения разбаланса моста при воздействии магнитного поля) к величине магнитного поля, при котором проводились измерения, на линейном участке характеристики. Величина выходного сигнала обычно берется как отношение к напряжению питания структуры. Исследованные структуры имеют широкий спектр значений чувствительности - от 3,4 до 9,7 (мВ/В)/(кА/м). Установлено, что преобразователи с шириной магнитной полосы (пермаллоя) 30 и 40 мкм и расстоянием между полосками алюминия 6 и 10 мкм имеют наибольшие значения чувствительности (рис.2,6). Графики на рис.2,б сняты при поле подмагничивания (вдоль полосы пермаллоя), равном 1 кА/м, что необходимо для подавления явления гистерезиса передаточной характеристики. Однако приложение такого поля оказывает и негативное влияние: приводит к уменьшению чувствительности.
Проведены измерения при различных значениях поля подмагничивания, результаты которых показаны на рис.3. Из рисунка видно, что на одном и том же преобразователе, изначально имеющем чувствительность 9,7 (мВ/В)/(кА/м) в поле подмагничивания 1 кА/м, может быть достигнута чувствительность 23,7 (мВ/В)/(кА/м) при уменьшении поля подмагничивания до 0,1 кА/м. Иными словами, чувствительность структуры с одной и той же геометрией может быть изменена в достаточно широких пределах с помощью поля подмагничивания. Важным обстоятельством является то, что при поле смещения всего 0,3 кА/м, гистерезис не превышает значения 1%. Преобразователи с такими значениями чувствительности могут быть использованы в самых различных областях, начиная с регистрации магнитных полей до построения на их основе различных датчиков, таких как датчики тока, оборотов, линейного и углового перемещения и др. Преобразователи с высоким значением чувствительности (23,7 (мВ/В)/(кА/м)) пригодны для построения на их основе магнитометрических датчиков, способных измерять магнитное поле Земли, и по характеристикам (таблица) соответствуют аналогичным преобразователям ведущих мировых фирм [11-15].
8
6 0,1 I А/м .о ' ь
4 Ж' 0,5.®* , о*" 1,0
2 •а'
0
-0,6 -0,4 -0,2 0,2 0,4 0,6
с X -4
,<з * * А-' -6
ж' ■ Л-' -8
-10
Магнитное поле, кА/м
Рис.3. Передаточная характеристика в зависимости от поля подмагничивания:
- чувствительность 9,7 (мВ/В)/(кА/м);.....чувствительность 15,0 (мВ/В)/(кА/м);
---чувствительность 23,7 (мВ/В)/(кА/м)
Сравнение разработанного преобразователя магнитного поля с нечетной характеристикой с зарубежными и отечественными аналогами
Преобразователь Чувствительность, Рабочее поле, кА/м Литературный
(мВ/В)/(кА/м) источник
МРС10Н (разработанный) 23,7 ±0,10 -
HMC1001 (Honeywell) 40 ±0,16 [12]
KMZ10A1 (Philips) 22,0 ±0,05 [13]
МРЧЭ237 (ОАО «НПО ИТ» 6,3 ±1,6 [14]
(г. Королёв)
АМРП на основе FeNi 8,8 ±0,25 [15]
(НПК «Технологический
центр», г. Москва)
Преобразователи угла поворота. На основе анизотропных магниторезистивных структур разработан преобразователь угла поворота. Следует отметить, что в качестве такого преобразователя может использоваться и описанная структура. Однако такая структура может обеспечить измерение угла только в диапазоне 0-90° (±45°), что в большинстве случаев недостаточно. Поэтому разработан преобразователь, представляющий собой два магниторезистивных моста, повернутых друг относительно друга на 45° (рис.4,а). Передаточная характеристика этого преобразователя представляет собой два синусоидальных сигнала, сдвинутых на 45° (рис.4,б). Дальнейшая обработка этих сигналов микропроцессором позволяет получить линейную функцию зависимости выходного сигнала преобразователя от угла поворота магнитного поля.
Рис.4. Общий вид преобразователя угла поворота (а) и его передаточная характеристика (б)
Значительный интерес представляет исследование работы анизотропных магнито-резистивных преобразователей в широком диапазоне температур и в жестких условиях эксплуатации. Проведены измерения передаточной характеристики анизотропных преобразователей с нечетной передаточной характеристикой в диапазоне температур от - 40 до +150 °С. Результаты измерений приведены на рис.5. При увеличении температуры происходит уменьшение чувствительности преобразователя, тогда как при понижении - увеличение. Изменение чувствительности составляет -0,35 %/°С, что позволяет сделать вывод о возможности использования структур в самых жестких условиях эксплуатации как в автомобильной электронике, так и в системах специального назначения. Возможно расширение диапазона рабочих температур до +170 °С, что, однако, ограничено материалом корпуса структур.
-40 °С
у/ ,П . -А— - и ■ ■ ■ И ■ 25 Д--à-
^ * ж 125
— ¿г* . -у
•а • • о .. ■ ■ . а а 'у/
-2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 Магнитное поле, кА/м
Рис. 5. Передаточная характеристика преобразователя с нечетной передаточной характеристикой в зависимости от температуры
Заключение. Результаты, приведенные в настоящей работе (см. таблицу), дают основания считать, что разработанные магниторезистивные преобразователи могут использоваться в качестве датчиков магнитного поля для самых различных областей применения, включая автомобильную электронику и др.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России с использованием оборудования ЦКП МСТ и ЭКБ (ГК № 14.578.21.0007, уникальный идентификатор соглашения RF MEFI57814X0007).
Литература
1. Перенос спинов и микроволновые автоколебания в магнитных гетероструктурах с гигантским магнитосопротивлением / В.И. Корнеев, А.Ф. Попков, Г.Д. Демин и др. // Изв. вузов. Электроника. -2011. - № 5 (91). - C. 5-17.
2. Dibbern U. Magnetoresistive sensors // Sensors. A comprehensive survey / Ed. W.G Gopel, J. Hesse, J.N. Zemel. - N. Y.: VCH, 1989. - P. 341-380.
3. MappsD.J. Magnetoresistive sensor // Sensors and Actuators A: Physical. - 1997. - Vol. 59. - P. 9-19.
4. Hauser H., Stangl G., Janiba M., Giouroudi I. Measurements, technology and layout of sensitive anisotropic magnetoresistive sensors // J. of Electrical Engineering. - 2006. - Vol. 57. - No. 8/s. - P. 171-174.
5. B. Dieny Giant magnetoresistance in spin-valve multilayers // J. of Magnetism and Magnetic Materials. -1994. - Vol. 136, N. 3. - P. 335-359.
6. Болтаев А.П., Пудонин Ф.А., Шерстнев И.А. Особенности магнитосопротивления многослойных систем магнитных наноостровков в слабых магнитных полях // ФТТ. - 2011. - Т. 53. - № 5. - С. 892-898.
7. Boltaev A.P., Pudonin F.A., Sherstnev I.A. Conductance of island and granular metal films // Solid State Communications. - 2014. - Vol. 180. - P. 39-43.
8. Тимошенков С.П., Кульчицкий А.П. Применение МЭМС-сенсоров в системах навигации и ориентации подвижных объектов // Изв. вузов. Электроника. - 2012. - № 6 (98). - C. 51-74.
9. Магниторезистивные структуры в устройствах наноэлектроники и микросистемной техники / В.А. Беспалов, Н.А. Дюжев, А.Ф. Попков и др. // Нанотехнологии в электронике. Вып. 2. - М.: Техносфера, 2013. - С. 531-591.
10. Особенности применения магниторезистивных наноструктур в датчиках автомобильных электронных систем / В.А. Беспалов, Н.А. Дюжев, А.С. Юров и др. // Нано- и микросистемная техника. -2013. - №. 11. - C. 48-54.
11. www.nxp.com (дата обращения: 26.07.2014)
12. www.honeywell.com/magneticsensors (дата обращения: 26.07.2014)
13. Magnetic field sensors data sheet. - URL: www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/17838/ PHILIPS/KMZ 10Al.html (дата обращения: 26.07.2014)
14. http://www.npoit.ru/products?view=item&item_id=134 (дата обращения: 26.07.2014)
15. Анизотропные магниторезистивные преобразователи на основе магниторезистивных наноструктур с различным содержанием кобальта / А.А. Резнев, В.В. Амеличев, С.И. Касаткин и др. // Нано- и микросистемная техника. - 2010. - Т. 115. - №. 2. - С. 22-24.
Статья поступила 1 августа 2014 г.
Дюжев Николай Алексеевич - кандидат физико-математических наук, директор Научно-технологического центра «Нано- и микросистемная техника» МИЭТ (НТЦ «НМСТ»). Область научных интересов: нано- и мембранная технологии, вакуумная и плазменная электроника, СВЧ-электроника, нано- и микроструктуры.
Мазуркин Никита Сергеевич - инженер НТЦ «НМСТ» МИЭТ. Область научных интересов: спиновый транспорт, магнетизм. E-mail: edenlab@mail.ru
Поздняков Вячеслав Сергеевич - главный конструктор СКБ ОАО «Автоэлектроника» (г. Калуга). Область научных интересов: разработка датчиков для автоэлектроники.
Юров Алексей Сергеевич - кандидат технических наук, начальник лаборатории НТЦ «НМСТ» МИЭТ. Область научных интересов: физика магнитных пленок, магнитные сенсоры, датчики на основе магнитных сенсоров.
Чиненков Максим Юрьевич - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник НТЦ «НМСТ» МИЭТ, генеральный директор ООО «СПИНТЕК» (г. Москва). Область научных интересов: магнетизм, спинтроника, магнитные ге-тероструктуры, компьютерное моделирование физических явлений.
Г
Информация для читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»
Вы можете оформить подписку на 2015 г. в редакции с любого номера. Стоимость одного номера - 1000 руб. (с учетом всех налогов и почтовых расходов).
Адрес редакции: 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокша, д. 1, МИЭТ, комн. 7231.
Тел.: 8-499-734-62-05. E-mail: magazine@miee.ru http://www.miet.rU/structure/s/894/e/12152/191
УДК 621.382
Особенности влияния тока питания на режим работы генератора на лавинно-пролетном диоде с учетом характеристик отраженного сигнала
А.В. Демьяненко
Южный федеральный университет (г. Таганрог)
Peculiarities of Supply Current Influence on Operation Modes of Oscillator on IMPATT Diode with Account of Reflected Signal
A.V. Dem'yanenko
Southern Federal University, Taganrog
Проведено теоретическое исследование влияния тока питания лавин-но-пролетного диода на режим работы генератора. В качестве дополнительных параметров, оказывающих влияние на режим его работы, рассмотрены коэффициент отражения сигнала от неоднородности в выходной линии передачи и величина временной задержки этого сигнала. Показано, что при различном соотношении этих параметров в генераторе могут возникать следующие режимы: синхронизации; с нестабильностью амплитуды; многочастотный; динамического хаоса; одночастотный; подавления колебаний. Анализ возможных режимов работы генератора на лавинно-пролетном диоде проведен на основе решения уравнения автогенератора. Полученные результаты позволяют оценить область значений параметров, при которых негативное влияние на режим работы генератора будет отсутствовать, а также области значений параметров генератора, при которых можно получить режим генерации динамического хаоса.
Ключевые слова: СВЧ-генератор; лавинно-пролетный диод; хаотические колебания; динамический хаос.
The theoretical study on the effect of the avalanche-injection diode supply current upon the oscillator operation mode has been conducted. As additional parameters, affecting its operation regime, the coefficients of signal reflection from the inhomogeneity in the output transmission line and the value of this signal time delay have been considered. It has been shown that with the different ratios of these parameters in the oscillator the following modes may occur, such as synchronization, with the amplitude instability, multi-frequency, dynamic chaos, one-frequency and oscillation suppression modes. The analysis of possible modes of the operation of the oscillator on the avalanche-injection diode has been performed based on the solution of the auto-oscillator equation. The obtained results permit to evaluate the region of the parameters, with which the negative effect upon the oscillator operation mode will be absent as well as the regions of the oscillator parameters, with which the dynamic chaos generation mode can be obtained.
Keywords: microwave oscillator, IMPATT diode, chaotic oscillation, dynamical chaos.
© А.В. Демьяненко, 2015
