Блог

Jul 03, 2023

Сменные датчики магнитного поля на поверхностных акустических волнах

Научные отчеты, том 13,

Том 13 научных докладов, Номер статьи: 8446 (2023) Цитировать эту статью

386 Доступов

Подробности о метриках

Магнитоупругие композиты, использующие поверхностные акустические волны, обладают большим потенциалом в качестве датчиков магнитных полей низкой частоты и очень малой амплитуды. Хотя эти датчики уже обеспечивают достаточную полосу частот для большинства приложений, их обнаруживаемость ограничивается низкочастотным шумом, генерируемым магнитоупругой пленкой. Помимо прочего, этот шум тесно связан с активностью доменных стенок, вызванной деформацией акустических волн, распространяющихся через пленку. Успешный метод уменьшения присутствия доменных стенок состоит в том, чтобы соединить ферромагнитный материал с антиферромагнитным материалом через их границу раздела и, следовательно, вызвать обменное смещение. В этой работе мы демонстрируем применение стопки обменного смещения верхнего пиннинга, состоящей из ферромагнитных слоев (Fe90Co10)78Si12B10 и Ni81Fe19, связанных с антиферромагнитным слоем Mn80Ir20. Закрытие поля рассеяния и, следовательно, предотвращение образования краевых магнитных доменов достигается за счет антипараллельного смещения двух последовательных стопок обменных смещений. Установленное антипараллельное выравнивание намагниченности обеспечивает однодоменные состояния во всей пленке. Это приводит к снижению магнитного фазового шума и, следовательно, обеспечивает пределы обнаружения всего лишь 28 пТл/Гц1/2 при 10 Гц и 10 пТл/Гц1/2 при 100 Гц.

Датчики для обнаружения магнитных полей являются важными компонентами в различных областях, таких как аэрокосмическая и автомобильная промышленность, навигация, индустрия безопасности или медицинская диагностика1. Во многих из этих приложений измеряемые сигналы генерируются искусственно, а амплитуда либо является известным пороговым значением, либо представляет интерес их угловая ориентация2. Напротив, очень высокие требования к обнаруживаемости предъявляются в биомедицинских приложениях, которые обычно демонстрируют магнитные поля очень малой амплитуды и, следовательно, требуют низкого предела обнаружения (LOD). Новаторские магнитные измерения сигналов сердца человека были проведены Дэвидом Коэном в 1960-х годах с использованием простой катушки3. Из-за очевидных ограничений пространственного разрешения и разрешения сигнала он позже переключился на более сложные методы, воспользовавшись преимуществами недавно появившихся сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств (СКВИД)4,5. Этот новый подход открыл путь к измерению минимальных магнитных полей. Однако поиск миниатюрных, экономичных и простых в использовании альтернатив системам СКВИД продолжается до сих пор. Для измерения небольших переменных магнитных полей были предложены различные альтернативные концепции датчиков, такие как магнитометры с оптической накачкой6,7, феррозондовые магнитометры8,9, датчики на основе магниторезистивных эффектов10,11 или магнитоэлектрические композиты12,13. Все они имеют свои преимущества и недостатки в отношении предела обнаружения, полосы частот, диапазона измерений, пространственного разрешения, энергопотребления, срока службы и необходимости магнитного экранирования. Все эти критерии и характеристики сенсорной системы в целом необходимо учитывать, чтобы оценить ее истинные возможности для биомагнитной диагностики14 или медицинских приложений с использованием магнитного поля, таких как картирование магнитных наночастиц15, активное обнаружение движения16 или глубокая стимуляция мозга, локализация и вращательная ориентация электродов. обнаружение17.

Датчик магнитного поля на основе поверхностных акустических волн (ПАВ) был впервые предложен в 1975 году18. Однако по сравнению с другими концепциями датчиков, такими как магниторезистивные датчики, лишь немногие исследовательские группы рассматривали этот подход19,20,21,22. Сенсоры магнитного поля на ПАВ лишь недавно приобрели интерес в качестве магнитометров для минимальных магнитных полей благодаря сочетанию устройств на волнах Лява с аморфными магнитострикционными тонкими пленками23. Принцип их работы основан на генерации на пьезоэлектрической подложке встречно-штыревых преобразователей (ВШП) акустических волн высокой частоты. Использование специфических срезов пьезоэлектрических монокристаллических подложек в сочетании с направляющим слоем с меньшей скоростью акустической волны приводит к генерации волн Лява24. Чем больше разница механических свойств подложки и направляющего слоя, тем сильнее удержание акустической волны на поверхности направляющего слоя25. Это ограничение имеет преимущество по сравнению с другими волновыми режимами, такими как волны Рэлея, поскольку воздействие на поверхность датчика оказывает большее влияние на распространяющиеся акустические волны. Такими воздействиями могут быть магнитные поля, если устройства на ПАВ покрыты магнитоэластичной пленкой, что обеспечивает возможность считывания магнитного поля. Принцип измерения основан на эффекте дельта-E, который описывает нелинейное изменение модулей упругости при намагничивании в магнитострикционном материале из-за наличия магнитострикционной деформации в дополнение к обычной упругой деформации материала26. Изменение эффективной жесткости изменяет скорость акустических волн и приводит к сдвигу фазы выходного сигнала. Тогда это изменение фазы пропорционально измеренной амплитуде магнитного поля. Были предложены различные материалы и конструкции ПАВ27,28, даже были продемонстрированы датчики магнитного поля ПАВ исключительно на основе тонких пленок на кремниевых пластинах29. Особо высоких чувствительность можно достичь, применяя магнитомягкие магнитострикционные пленки с хорошо выровненной магнитной анизотропией и с низкой плотностью энергии анизотропии Ку30. Их большая полоса частот31 делает датчики на ПАВ с линией задержки также перспективными для определения локализации и определения вращательной ориентации имплантированных электродов для глубокой стимуляции мозга17.