Исследование и разработка преобразователей магнитного поля на основе тонкопленочных анизотропных магниторезистивных структур с повышенной чувствительностью тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат наук Мазуркин, Никита Сергеевич

• Мазуркин, Никита Сергеевич
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Мазуркин, Никита Сергеевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список сокращений и условных обозначений

Введение

Глава 1. Анализ конструкций и технологий AMP преобразователей магнитного поля

1.1 Современный уровень и тенденции развития AMP преобразователей магнитного поля

1.2 Принципы функционирования AMP преобразователей

1.3 Зависимости параметров AMP преобразователей магнитного поля от

28

технологии изготовления

1.4 Применение AMP преобразователей в современной технике

Выводы и постановка задачи

Глава 2. Технология изготовления магниторезистивных структур

2.1 Исследование зависимостей свойств пленок пермаллоя от параметров процессов их нанесения

2.2 Исследование зависимостей характеристик пленок пермаллоя от материала и параметров подложки

2.3 Исследование влияния модификации структуры пленок пермаллоя на их магнитные и электрофизические характеристики

Выводы

Глава 3. Исследование и разработка конструкций анизотропных магниторезистивных преобразователей магнитного поля

3.1 Исследование и разработка конструкции одноосного AMP преобразователя, с не самосовмещённым магниторезистивным слоем

3.2 Исследование и разработка конструкции одноосного AMP преобразователя, с самосовмещённым магниторезистивным слоем

3.3 Исследование и разработка конструкции углового AMP преобразователя

3.4 Исследование и разработка конструкции подмагничивающего слоя для AMP преобразователей

Выводы

40

56

62

69

69

74

77

79

Глава 4. Применение разработанных преобразователей магнитного поля в

датчиках различного функционального назначения

4.1 Датчики тока

4.2 Датчики скорости

4.3 Датчики углового положения

4.4 Датчики угла поворота 97 Выводы

Выводы по работе

Список литературы

Список работ автора

Приложение А. Акты об использовании результатов диссертационной работы

Список сокращений и условных обозначений

AMP преобразователь — преобразователь на основе анизотропного магниторезистивного эффекта;

AMP эффект — анизотропный магниторезистивный эффект;

АСМ - атомно-силовой микроскоп;

ГМР преобразователь — преобразователь на основе гигантского магниторезистивного эффекта;

ГМР эффект — гигантский магниторезистивный эффект;

ИК лампа - инфракрасная лампа;

Магнит-цель - магнит, угол поворота или перемещение которого отслеживается AMP преобразователем;

ОЛН - ось легкого намагничивания;

ОТН - ось трудного намагничивания;

РЭМ - растровый электронный микроскоп.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка преобразователей магнитного поля на основе тонкопленочных анизотропных магниторезистивных структур с повышенной чувствительностью»

Введение

Актуальность темы. Для производства широкой номенклатуры датчиков различного функционального назначения, используются анизотропные магниторезистивные преобразователи (AMP преобразователи). AMP преобразователи пришли на смену датчикам Холла так как имеют на порядки большую чувствительность по сравнению с предшественниками. Однако для некоторых важных специальных применений, где необходимо с очень высокой точностью регистрировать малые магнитные поля с напряженностью в диапазоне единиц эрстеда, чувствительность существующих AMP преобразователей является недостаточной. Поэтому необходимо искать пути повышения их чувствительности.

Основой AMP преобразователей служат тонкопленочная магниторезистивная структура, характеристики которой определяют чувствительность AMP преобразователей. Таким образом, исследование характеристик тонкопленочных магниторезистивных структур, их связей с выходными параметрами AMP преобразователей и разработка на основе таких структур высокочувствительных датчиков различного функционального назначения, является актуальной научно-технической задачей.

Цель работы: совершенствование конструкций и технологий изготовления AMP преобразователей магнитного поля для улучшения эксплуатационных характеристик датчиков различного функционального назначения.

В реализации поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

1. Анализ современных конструкций и технологий изготовления AMP преобразователей, выявление физико-технологических ограничений характеристик преобразователей магнитного поля.

2. Проведение комплекса исследований для установления зависимостей выходных параметров AMP преобразователей от характеристик тонкопленочных магниторезистивных структур с целью оптимизации процесса осаждения структур.

3. Исследование и разработка способов улучшения магнитных характеристик пленок пермаллоя и оптимизация на их основе конструкций и технологии изготовления AMP преобразователей.

4. Разработка и изготовление датчиков различного функционального назначения на основе испытанных AMP преобразователей.

Новизна и научная ценность работы.

1. На основании комплекса проведенных экспериментов показано, что изменением среднего размера зерна в пленках пермаллоя можно управлять значениями выходных параметров AMP преобразователей. Установлено, что AMP эффект, определяющий выходной сигнал AMP преобразователей, и коэрцитивная сила, определяющая гистерезис AMP преобразователей, прямо пропорциональны среднему размеру зерна.

2. Впервые обнаружен и объяснен эффект уменьшения коэрцитивной силы и поля анизотропии в пленке пермаллоя при воздействии пучка ионов аргона в два раза при обработке пленки пучком после ее нанесения за счет уменьшения размера зерна.

3. В результате исследования выявлено существенное влияние краевых эффектов взаимного распределения линий тока и векторов намагниченности на чувствительность AMP преобразователя. На основании этого предложена конструкция самосовмещённого AMP преобразователя с повышенной чувствительно стью.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. На основании комплекса проведенных экспериментов показано, что изменением среднего размера зерна в пленках пермаллоя можно управлять значениями выходных параметров AMP преобразователей. Установлено, что AMP эффект, определяющий выходной сигнал AMP преобразователей, и коэрцитивная сила, определяющая гистерезис AMP преобразователей, прямо пропорциональны среднему размеру зерна.

2. Показано, что облучение пленок пермаллоя ионами аргона с энергией 200 эВ приводит к уменьшению коэрцитивной силы и поля анизотропии по сравнению

с контрольной группой в два раза, если облучение производится после нанесения пленки.

3. Разработана и изготовлена конструкция AMP преобразователя на основе самосовмещенной топологии, позволяющая существенно (более чем в 2,5 раза) увеличить чувствительность преобразователя к магнитному полю за счет изменения распределения намагниченности и уменьшения влияния краевых эффектов. Разработан полный комплект технической документации на технологический маршрут изготовления AMP преобразователя по самосовмещенной топологии.

4. Разработаны датчики различного функционального назначения на основе разработанных AMP преобразователей.

Практическая значимость и результаты внедрения.

Практическую значимость имеют следующие результаты диссертационной работы:

1. Разработанная методика измерения параметров AMP преобразователей и изготовленный на ее основе экспериментальный стенд, позволяющие оперативно контролировать качество технологического процесса производства преобразователей.

2. Разработанные технологические требования к процессу формирования пленок пермаллоя с заданными магнитными и электрическими характеристиками для использования в AMP преобразователях.

3. Разработанная конструкция AMP преобразователя с самосовмещенной топологической структурой, обеспечивающая значительное (более чем в 2,5 раза) повышение чувствительности преобразователя к магнитному полю.

4. На основе разработанных AMP преобразователей изготовлены:

- датчик тока;

- датчик угла поворота (согласно РАВЦ.453629.003ТУ);

- датчик углового положения (согласно РАВЦ.453629.004ТУ);

- датчик оборотов (согласно РАВЦ.453624.002ТУ).

Результаты диссертационной работы использованы в: соглашении о

предоставлении субсидии №14.578.21.0007 от 05.06.2014на выполнение прикладных научных исследованиях по теме «Создание двухосевого сенсора для систем навигации и ориентирования по магнитному полю Земли на основе наноразмерной тонкопленочной высокочувствительной магниторезистивной структуры»; государственном контракте №14.527.11.0003 от 27.10.2011 на выполнение ОКР по теме «Разработка и организация серийного производства датчиков на основе наноразмерных магниторезистивных структур»; гранте №14.U02.21.0456 от 06.09.2012 по теме «Разработка научно-технических основ создания наноразмерных осцилляторов на основе магниторезистивных эффектов».

Автор выражает благодарность и признательность кандидату технических наук, директору НТЦ НМСТ Дюжеву Николаю Алексеевичу, кандидату технических наук Юрову Алексею Сергеевичу, доктору технических наук Кирееву Валерию Юрьевичу за оказанную всестороннюю помощь в научном консультировании при подготовке работы и всем специалистам, помогавшим разобраться проблемах AMP преобразователей магнитного поля.

Глава 1. Анализ конструкций и технологий AMP преобразователей

магнитного поля

1.1 Современный уровень и тенденции развития AMP преобразователей

магнитного поля

Автоматизация различных технологических процессов, эффективное управление различными агрегатами, машинами, механизмами требуют многочисленных измерений разнообразных физических величин. На данный момент магниторезистивные преобразователи наиболее широко используются в мировой практике приборостроения при измерении магнитных, электрических, механических и других физических величин, в современных средствах записи и воспроизведения информации, неразрушающем контроле материалов и изделий, системах автоматизации, сигнализации, робототехнических комплексах и других применениях [1-3].

Основными магниторезистивными преобразователями, использующимися в современной промышленности, являются датчики Холла и преобразователи на основе AMP и ГМР эффектов. Наибольшую долю рынка занимают преобразователи и датчики на основе AMP эффекта за счет оптимального сочетания характеристик выходного сигнала и цены [4].

Сравнительный анализ различных преобразователей магнитного поля приведен в Таблице 1.1. Из данных этой таблицы можно сделать вывод, что наиболее перспективным видом магниторезистивных преобразователей являются преобразователи на основе гигантского и тунельного магнитосопротивления. Такие преобразователи построены на основе эффекта гигантского и туннельного магнитосопротивления. Заключается он в зависимость электрического сопротивления трехслойного образца ферромагнетик (ФМ)/не магнитное вещество (НМ)/ферромагнетик (ФМ) от величины внешнего магнитного поля.

Термин «гигантское магнетосопротивление» указывает на то, что величина изменения проводимости при изменении поля для многослойных структур значительно превосходит анизотропное магнитное сопротивление, как правило, составляющее не более нескольких процентов. При использовании редкоземельных сплавов, туннельной прослойки и при низких температурах, значение изменения проводимости может достигать значений 800% и более [5].

Однако, получение таких пленок является очень сложной технологической задачей, решение которой на текущем этапе затруднительно. В связи с этим, данная

работа посвящена более простым с точки зрения технологии AMP преобразователям, которые также широко востребованы в современной мире.

Таблица 1.1 - Сравнение характеристик различных преобразователей магнитного поля.

Характеристика Датчик Холла AMP преобразователь KMZ10A ГМР преобразователь ААН002-02

Напряжение питания, В 0.38 5-9 1-24

Чувствительность, (мВ/В)/Э 0.04 1.28 11.0

Рабочий диапазон, Э ±10 000 ±6 ±3.0

Ссылка [5] [6] [7]

Характеристики магниторезистивных сенсоров позволяют использовать их для решения широкого спектра задач, а именно:

- измерение магнитных полей в диапазоне от долей до сотен Э;

- измерение электрического тока с полной гальванической развязкой измеряемой и измерительной цепей;

- бесконтактное определение линейного и углового положений;

- бесконтактное определение скорости вращения.

Такие задачи имеют место практически во всех областях человеческой деятельности, начиная с медицины и кончая военной техникой. Особо следует выделить проблемы, связанные с автомобильным сектором промышленности, Рисунок 1.1 [8].

Это связано с тем, что характеристики магнитных сенсоров позволяют наиболее полно удовлетворить жесткие требования, предъявляемые к изделиям автомобильной электроники. В сравнении с датчиками Холла, они более чувствительны и стабильны при жестких внешних температурных и механических воздействиях. Из-за их разумной стоимости и высокого уровня первичного сигнала, который упрощает его последующую обработку, спрос, особенно в автомобильных

системах, на AMP-датчики постоянно растет.

Компасы, датчик попот-ммя в огетоме управления отопломиом. вентиляцией и <он,-ииион1'.роранийм (HVACj, контроль оогив'.нпга лдаха. «он - poi ib с I ski гаочиегм I ш 1-зй

Датчик лопохенря дроссельной заспснки даг-тда. налс-жения клагвна ЕСгК

<'J К PDJ Ь 'J<JI J PI /-J flGOr in v тип Гго.иппы и И pijH_ ¡■mi

Датчик распрозопитилыжга mm. датчик ясорсггк двигателя о омметра

Дроссельный контроль.' язт'.ик положения хопенчатога аапя

Дгт-'ик уровня масга,

датчик урпяня ШрМОЗНОЙ ЖЛДКОС1 и

Seoior и tax г ери ые доиютшм постоянного то охлаждающий вентилятор, контроль уппяня ОХЛЭДИТеПЯ

СгартсрЛ'о-юратор, системы СТ.Зр~'с~ОЛ

Датчик скорости коробки передач

Дат^ичи счоэости колес, мон'-оричга ,-авпвния шин (TPMS)

датчик уровня ТПППЙЗЙ. датчик положении сиденья, загни* ромня безопасности

Датчики тока дня контроля батареи (HEV;. затчич-и положения зеркала гадного вида, датчики угла пгоюротя и -:ру~яща-о ыомянта руля

Рисунок 1.1- Возможности применения датчиков, использующих преобразователи магнитного поля, в автомобиле.

В настоящее время разработкой и производством AMP преобразователей заняты такие фирмы как «Phillips», «Honeywell», «HL-Planartechnik», «Zetex» и «Rernesas», являющиеся мировыми лидерами в этой области. На основе АМР-сенсоров, производимых этими фирмами, созданы датчики линейного и углового положений, датчики оборотов, датчики электрического тока, электронные компасы для систем навигации.

Следует отметить, что широкая номенклатура датчиков не предполагает такого же количества различных модификаций магнитных сенсоров (чувствительных элементов). Подавляющее большинство датчиков использует АМР-сенсоры, включенные в мостовую схему, что позволяет скомпенсировать существенную часть отрицательных внешних воздействий.

В настоящее время в России отсутствует производство АМР-сенсоров в промышленных масштабах, чтобы говорить об их широком использовании в отечественной технике. Однако мелкосерийное производство осуществляется на следующих предприятиях:

• НПК Технологический центр МИЭТ (Москва, г. Зеленоград);

• научно-производственное объединение автоматики (НПО Автоматики, ФГУП) (г. Екатеринбург);

• НПО ИТ (Московская область, г. Королёв,);

Сравнительная характеристика производимых отечественных и зарубежных AMP преобразователей магнитного поля приведена в Таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Характеристики современных AMP преобразователей магнитного поля.

Характерист ика НПК Технологиче ский центр МИЭТ НПО Автоматики, ФГУП НПО ИТ МРЧЭ237 Philips KMZ10A Honeywell НМС 1021

Напряжение питания, В 5-20 7,5 - 30 5 - 10 5-9 2-25

Сопротивле ние моста, Ом 1000 - 1300 1500 1500 -3000 1200 800 - 1300

Чувствитель ность, мВ/В/Э 0,7 - 0,25 - 0,5 1,28 0,8-1,25

Начальное смещение моста, мВ/В до ±5 1,3-3,3 ±1 ±1,5 ±0,5

Рабочий диапазон, Э ±10 ±5 ±20 ±6 ±6

Температуря ый дрейф, %/°С 0,05 - 0,2 - - -0,4 ±0,05

Ссылка [9, 13] [10] [Н] [6] [12]

Основными тенденциями развития AMP преобразователей магнитного поля

являются:

- увеличение чувствительности посредством увеличения AMP эффекта и изменения геометрии преобразователя [14,15].

- уменьшение внутренних шумов преобразователя [14, 16].

- комбинирование в одном корпусе преобразователя и кристалла обработки выходного сигнала, поступающего с сенсора.

1.2 Принципы функционирования AMP преобразователей

AMP эффект подробно описан в большом количестве статей и книг [17,18].

При рассмотрении магнитной динамики надо найти зависимость намагниченности материала от координат и времени, исходя из выражения для свободной энергии и вытекающих из него в соответствии с общими вариационными принципами уравнений статики и динамики намагниченности. Эти уравнения являются существенно нелинейными. Искомой величиной является векторная функция:

M(x,y,z, 0=MS v(x,y,z, t) (1.1)

где M - вектор намагниченности, Ms - намагниченность насыщения, v(x,y,z,t) -единичный вектор.

Равновесное распределение намагниченности определяется как результат минимизации свободной энергии, выражение которой состоит из ряда слагаемых, отвечающих различным видам взаимодействия. В рамках теории микромагнетизма можно учесть и другие виды энергии: энергию поверхностной анизотропии, энергию магнитострикционных напряжений и т.д.

При протекании электрического тока через ферромагнитную структуру благодаря спин-орбитальному взаимодействию, рассеяние на магнитных моментах носителей тока зависит от спина последних. Магнитное поле задает для спинов локальную ось квантования, соответственно спины ориентируются по полю или против поля. В ферромагнетиках же помимо внешнего поля локальную ось квантования задает направление намагниченности магнитной кристаллической решетки.

В зависимости от ориентации спинов свойства электронов различаются, что

является следствием обменного взаимодействия между носителями и магнитными моментами вещества, так называемый э-с! обмен (ток заряда и спина переносится внешними электронами, волновые (блоховские) функции которых формируются главным образом внешними б- и р- орбиталями атомов материала, а намагниченность определяется внутренними незаполненными с1- орбиталями. Вследствие этого у носителей с противоположными проекциями спина различается зонная структура - происходит расщепление энергетических уровней, относящихся к ориентациям спинов «вверх» и «вниз».

В нормальном металле, например меди, Щ = , поэтому намагниченность равна нулю и электроны проводимости не поляризованы (Рисунок 1.2). В ферромагнитных Зс/-металлах (Ее, Со, N1) происходит "перетекание" 3¿/-электронов из одной зоны в другую, чтобы скомпенсировать возрастание кинетической энергии электронов при возникновении обменного взаимодействия между ними. В результате обменного расщепления Зй?-зон в 3¿/-металлах зоны электронов со спинами "вверх" и "вниз" заполнены неодинаково и обладают разной плотностью состояний N4 на уровне Ферми ЕР.

Это, в свою очередь, ведет к различию всех основных характеристик носителей двух спиновых групп: длины свободного пробега, скорости и т.д. Акты обмена между носителями противоположной спиновой поляризации, т.е. рассеяния с переворотом спина, осуществляется редко по сравнению с характерными временами, определяющими большинство транспортных свойств (временами рассеяния на фононах, примесях и т.д.). В результате, носители с поляризацией «вверх» и «вниз» можно рассматривать как две квазинезависимые группы с разными свойствами: мажорные и минорные электроны.

Чаще всего под основными (мажорными) носителями подразумевают носители той поляризации, которая обладает большей плотностью состояний на уровне Ферми. Этот факт является ключевой фундаментальной причиной, лежащей в основе большинства транспортных явлений в магнитных наноструктурах.

Рисунок 1.2 - Зависимость плотности состояний в меди и кобальте от энергии Е Зё-электронов, уровень Ферми.

Раздельное существование двух групп носителей проводимости со спинами "вверх" и "вниз" позволяет полагать, что существуют два независимых канала проводимости для каждой ориентации спина (Рисунок 1.3). Плотность суммарного тока является суммой тока носителей со спином "вверх" и тока носителей со спинами "вниз". Если токи и протекают через ферромагнитную среду с определенным направлением намагниченности, например "вверх", то сопротивления для первой и второй групп электронов будут различаться.

Рт

Рг

Рисунок 1.3- Схематическое изображение спин-зависимой проводимости по независимым каналам в приближении пренебрежимо малого смешивания спиновых

каналов.

В некоторых работах обсуждается дополнительный вклад в проводимость смешанной проводимости каналов, которая может быть достаточно большой при малых значениях проводимости основных каналов со спином «вверх» и «вниз». Смешанная проводимость каналов возникает из-за нарушения нарушение кристаллического порядка на границе раздела зерен или фаз материала, например, в

легированных полупроводниках.

Обменное взаимодействие считается изотропным, т.е. зависит только от взаимной ориентации магнитных моментов атомов в кристалле и не зависит от ориентации этих моментов относительно кристаллографических осей. В то же время в магнитоупорядоченном состоянии магнитные моменты определенным образом ориентированы в кристаллической решетке.

В случае ферромагнетиков направление, по которому направлена намагниченность, называется осью легкого намагничивания. Для отклонения намагниченности от этой оси требуется затратить определенную энергию -энергию магнитной анизотропии. Существуют направления, по которым труднее всего ориентировать намагниченность - это оси трудного намагничивания.

В случае одноосных кристаллов энергию анизотропии можно представить в виде ряда

Еп = / к„ sin2" а /1

» ^ " (1.2)

где kn - константа анизотропии, а - угол между М и осью легкого намагничивания.

Одной из важнейших характеристик ферромагнитных пленок является кривая намагничивания и наблюдаемые петли гистерезиса (Рисунок 1.4). Равновесная конфигурация намагниченности в магнитной системе определяется энергией взаимодействия спинов с магнитным полем, энергией анизотропии, обменным и магнитостатическим взаимодействием спинов. Наиболее энергетически выгодным стационарным состоянием магнитной системы является состояние, в котором достигается минимум функционала свободной энергии системы.

Л-Ь

Л

i

! *

/ /

тщ^г /

/н.

Рисунок 1.4 - Кривая магнитного гистерезиса. На врезках показано направление намагниченности в доменной структуре пленки пермаллоя.

В начальном положении намагниченность образца находится в разупорядоченном состоянии, поэтому суммарная намагниченность равняется нулю. При приложении магнитного поля магнитные домены переориентируются в направлении поля, суммарная намагниченность возрастает. При достижении магнитного поля определенного значения, значения насыщения, суммарная намагниченность достигает значения намагниченности насыщения М5. Если после этого убрать внешнее магнитное поле, то намагниченность образца будет по-прежнему ориентирована в первоначальном направлении и изменит свое направлении, только при приложении поля, противоположно направленного.

Магнитные домены возникают как следствие минимизации энергии размагничивания образца. Переходная область между доменами - доменная граница, определяется конкуренцией обменной энергии и удерживающей энергии анизотропии. Обменный параметр А определяется интегралом обменного взаимодействия параметром решетки а и координационным числом г.

В классическом приближении, если считать спины векторами, обменная энергия может быть представлена в виде

эе

Л2 /

удхи

+

Эф

кдхи

зт2 О

(1.3)

где А = " = 2для объёмно-центрированной решетки, W = 1 - для простой

решетки. По порядку величины а ~Ю"6 -кг7эрг/см. Доменная граница в одноосном неограниченном магнетике находится вариацией свободной энергии вида

+ Ки sin2 9 + 2tiM2 sin2 9eos2 cp ^ ^

Решение вариационной задачи минимизации свободной энергии дает

cos9 = th(x/5), где ?> = ~Ja/Ku при ср=л/2 - стенка Блоха и 5 = л1А/{к„ + 2%м2) При <р=0 - для стенки Нееля. Таким образом, в объемном материале энергия стенки Блоха выгоднее стенки Нееля. Толщина стенок Блоха составляет около 5-1000Á, а Нееля около 100 Á.

В тонких пленках толщиной порядка h ~ -Ja/(ku +2%м2) 5 которая в пермаллоевых пленках составляет около 50 Á, Неелевские стенки становятся предпочтительнее. Имеется переходная от блоховской доменной границы к неелевской доменной границе область толщин в районе 400 Á, в которой возникают стенки с вихревыми блоховскими точками и перетяжками. В тонких пленках влияние на структуру доменной границы оказывают магнитостатика и поверхностная анизотропия.

В периодической кристаллической решетке электроны распространяются свободно, испытывая только столкновения друг с другом, в результате которого возникает небольшой по величине вклад за счет рассеяния при электрон-электронных столкновениях рэ(Т). Тепловые колебания атомов, образующих кристаллическую решетку, приводят к нарушению периодического расположения этих атомов, вследствие чего происходит рассеяние электронов проводимости на фононах - тепловых колебаниях атомов и возникает фононный вклад в электросопротивление р(Т), возрастающий с температурой.

Кроме того, существует остаточное электросопротивление ро, которое обычно предполагается независящим от температуры и вызывается рассеянием на различных дефектах кристаллической решетки, а также на атомах примесей. Все эти вклады не зависят от направления спина. В магнитоупорядоченных материалах существует значительный по величине магнитный вклад в электросопротивление, обусловленный рассеянием электронов проводимости на магнитной структуре,

F = A

'<99 дх

v

+

V

У

'V2

дх

sin 9

образованной магнитными моментами атомов.

Модель, описывающая влияние спина на подвижность электронов в ферромагнитных металлах, была впервые предложена Моттом. Все эти вклады аддитивно складываются

р(Т) =р0+рэ(Т) +рф(Т) +рм(Т) (1.5)

Рассеяние электронов проводимости на магнитных моментах атомов пропорционально среднему значению квадрата спина магнитного атома, рассеивающего электроны проводимости. Чаще всего наблюдается магниторезистивный эффект называемый анизотропное магнитосопротивление.

Анизотропное магнитосопротивление - квантовомеханический эффект, заключающийся в изменении электросопротивления ферромагнитных материалов в зависимости от приложенного внешнего магнитного поля.

При изотермических условиях закон Ома для металлов описывается следующим выражением

3

=TPüJJ =PUJJ (1.6)

Где J(Jb J г, J3) - плотность тока, Е(ЕЬ Е2, Е.3) - электрическое поле, ру - тензор сопротивления. Если металл находится под воздействием внешнего магнитного поля Н, то тензор сопротивления зависит от величина магнитного поля или от намагниченности М:

Е, = P,j(H)Jj = р v(M)Jj (l_7j

Если металл представляет монокристалл, то намагниченность может описываться направлением косинусов намагниченности по отношению к кристаллографическим осям:

M=(Mcosa¡, Mcosa2, Mcosa3). (1.8)

Тензор сопротивления в уравнении (1.7) зависит только от угла а:

Ei=Pij(a)Jj (1.9)

Принимая во внимание кристаллическую симметрию тензор сопротивления может быть упрощен разложением в степенной ряд:

дР и 1 5Ч

Ри (<*■) = Ри (0) + ак — + - ака, ^ ^ - +... = atJ + akiJ cos ак + ащ cos ак cos а, +... ^ _ j q^ Тензор сопротивления может быть разделен на симметричную pj/ и

асимметричную части р^

^.Р^.. р;.^; (1.11)

Согласно теории термодинамики необратимых процессов, выражение (12) можно записать в виде:

р/а; = р,/-сО_ (1Л2)

Учитывая, что:

Рн(а) - Рн(~~а) = Р'\(~а)

У1 ' г^'У1 у г

(1.13)

асимметричная часть выражения 1.13 записывается в следующем виде

pj = akij cos ак + ааШ) cos а„, cos akcosa, (1.14)

Данная асимметричная часть представляет эффект Холла и не участвует в джоулевом разогреве материала. Намагниченность, представленная симметричной частью:

Р и = a,J + ащ cosak cos а 1+... (1.15)

В соответствии с принципами Неймана, любой тип симметрии, который представляется точечной группой кристалла, должен быть отражен в каждом физическом свойстве кристалла. Для шЗт группы, представляющей ферромагнитные кристаллы с кубической симметрией, определены следующие условия:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мазуркин, Никита Сергеевич, 2016 год

Список литературы

1. Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Часть 13. Магниторезистивные преобразователи - актуальные измерители линейных и нелинейных перемещений и детекторы крутящего момента [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://kit-e.ru/articles/sensor/2006_6_92.php

2. Датчики близости/положения/расстояния. Важные обновления и дальнейшие перспективы [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://www.terraelectronica.ru/show_pdf.php?pdf=/files/mail/s080630.pdf

3. Уникальная методика бесконтактной диагностики трубопроводов [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.polyinform.ru/sites/default/flles/uploads/2_dia,gnostikatruboprovodov-kmd-Olm.pdfl.

4. Отчет. Исследование российского рынка магниторезистивных датчиков измерения тока, положения объекта, угла (датчиков углового и линейного перемещения) [Текст]: 2009., - 78 с.

5. Мазуркин, Н.С. Исследование генерации спиновых автоколебаний в нано столбчатых гетероструктурах [Текст]: диссертация на соискание степени магистра (210100 68) / Попков Анатолий Федорович; Московский государственный институт электронной техники. - Москва, 2011. - 88 с.

6. Ramsden Ed., Hall-effect sensors: theory and applications [Текст] / Ed. Ramsden -2006.-C.250.

7. KMZ10A datasheet [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://pdfl .alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/17837/PHILIPS/KMZ1 OA.html

8. AA Analog Sensors datasheet [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.nve.com/Downloads/analog catalog.pdf

9. Датчики магнитного поля: ключевые технологии и новые перспективы. Часть 1. Датчики Холла [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://kit-e.ru/preview/pre_27_l_14_mfs hs be.php].

10. Матричный преобразователь диаграммы распределения магнитного поля на основе магниторезистивных датчиков [Электронный ресурс] - Режим доступа:

http://wwwicen.m/ms/products/novinki/matrichnyy-preobrazovatel-diagrammy-raspredeleniya-magnitnogo-polya-na-osnove-magnitorezistivnykh-da#desc

11. Магниторезистивный чувствительный элемент (МРЧЭ) [Электронный ресурс] -Режим доступа: www.npoa.ru/catalog/pribornaya-produkciya/magnitorezistivnyy-chuvstvitel-nyy-element-mrche.html

12. Чувствительный элемент магнитного поля МРЧЭ237 [Электронный ресурс] -Режим доступа: http://www.npoit.ru/products/reformative-equipment/electrophysical-parameters/2014-01 -20-05-36-20/item/-/mrch237

13. EMC 1021 datasheet [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://pdfl.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/167569/HONEYWELL/HMClQ21.html

14. В. В. Амеличев Анизотропные магниторезистивные преобразователи на основе ферромагнитных наноструктур с различным содержанием кобальта [Текст] / В. В. Амеличев., С. И. Касаткин, А. А. Резнев // нано- и микросистемная техника. — 2010. — №2(115).-С.22-24.

15. Hauser, Н. Measurement, technology and layout of sensitive anisotropic magnetoresistive sensors [Текст] / H. Hauser, G. Stangl, M. Janiba, I. Giouroudi // Journal of electrical engineering. - 2006. -№ 8/S(57). - C. 171-174.

16. ZIG-ZAG SHAPE BIASED ANISOTROPIC MAGNETORESISTIVE SENSOR [Текст] : пат. US 2006/0215332 / David P. P., Fabio da S., Jose A. ; опубл.. 28,09, 2006

17. AA700 sensors for angular and linear measurement [Электронный ресурс] - Режим доступа:

http://www.sensitec.com/upload/SENSITEC/PDF Downloads/Informationsmaterial/4Seiter AA700.pdf

18. Tumanski, S. Thin Film Magnetoresistive Sensors [Текст] / S. Tumanski - M. : IOP Publishing Ltd, 2001, - C.451

19. Dibbern, U. Magnetoresistive Sensors, in: W.Gopel, J. Hesse, J. N. Zemel, Sensors vol. 5, Copyright VCH Verlagsgesellschaft mbH, Hannover, 1989, pp. 341 - 380.

20. Semiconductor magnetoresistive device [Текст] : пат. US US2649569 / Pearson G. ; опубл. 18.08. 1953

21. Magnetoresistive angle sensor having several sensing elements [Текст] пат. US4845456 / Derk Jan А. опубл. 14.10.2003

22. DM-106В datasheet [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://pdfl .alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/47349/SONY/DM-106B.html

23. Magnetoresistance type sensor device for detecting change of magnetic field [Текст] : пат. US5621320 / Masahiro Yokotani, Fumito Uemura, Wataru Fukui; опубл. 15.04.1997;

24. Эннс, В.В. Разработка и исследование однокристальных пороговых магниточувствительных микросхем на основе магниторезистивных элементов [Текст]: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. тех. наук (05.27.01) / Крупкина Татьяна Юрьевна; Московский государственный институт электронной техники. - Москва, 2009.-27 с.

25. Magnetoresistive magnetic sensor [Текст] : пат. US 4847584 / Bharat В. Pant; опубл. 11.08.1989

26. Magnetic field sensing device [Текст] : пат. US5247278 / Bharat В. Pant, Donald R. Krahn, Richard B. Fryer; опубл. 21.09.1993

27. Apparatus for sensing magnetic fields using a coupled film magnetoresistive transducer [Текст] : пат. US5500590 / Bharat В. Pant; опубл. 19.03.1996.

28. Касаткин, С.И., Васильева, Н.П., Муравьев, A.M., Спинтронные магниторезистивные элементы и приборы на их основе [Текст] / С.И. Касаткин - М. : Электронинформ, 2005, - С.168.

29. KMZ41 datasheet [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.nxp.com/documents/data_sheet/IvMZ41 .pdf

30. KMZ49 datasheet [Электронный ресурс] - Режим доступа: http ://www.nxp ■com/documents/data_sheet/KMZ49 .pdf

31. Cohen, M. S. Handbook of Thin Film Technology [Текст] / L. I. Maissel - New York:McGraw Hill, 1970, - C.88;

32. Dibbern, U. The permalloy magnetoresistive sensors-properties and applications [Текст] / U. Dibbern, A. Petersen [Текст] // Electron. Сотр. Appl. 5 - 1983. - C. 148-153;

33. Hoffmann, G. R. Factors affecting the performance of a thin film magnetoresistive vector magnetometer / G. R. Hoffmann, J. К Birtwistle [Текст] // X Appl. Phys. 53 - 1982. - C. 8266-8268;

34. Inagaki, M. Magnetoresistance in crystalline and amorphous Fe-Co-Ni based alloys [Текст] / M. Inagaki, M. Suzuki, Y. Iwama, U. Mizutani // Japan.J.Appl.Phys. Part 125 -1986. - C. 1514-1517;

35. Asama, К. Ni-Co Films with large magnetoresistance for bubble detection [Текст] / К. Asama, К. Takahashi, M. Hirano //AIP Conf. Proc. 18 - 1973. - C. 110-114;

36. Dibbern, U. Report BMFT-FB-T 85-021 [Текст] / H. Sauermann, U. Dibbern // Bundesminsterium fur Forschungund Technologie, - 1985.;

37. Krongelb, S. Deposition of epitaxial a-Fe203 layers for exchange bias studies by reactive dc magnetron sputtering [Текст] / S. Krongelb //X Electron. Muter. 2 - 1973. - C. 227-238;

38. Kitada, M. Reaction between permalloy and several thin metal films [Текст] / M.Kitada et al // Thin solid films 122 - 1984. - C. 173-182;

39. Kitada, M. Reaction and magnetic properties of Ti/Permalloy bilayer thin film Thin solid films [Текст] / M.Kitada et al // Thin solid films 131 - 1985. - C. 21-29;

40. Hauser, H. Measurements, technology and layout of sensitive anisotropic magnetoresistive sensors [Текст] / H. Hauser, G. Stangl, V. Janiba, I. Giouroudi, // Journal of Electrical engineering, T. 57. №8,-2006, - C. 171-174;

41. Russell J. Magnetostrictive Position Sensors Enter the Automotive Market [Текст] / J. Russell // MTS Systems Corp. Sensors, -2001;

42. Russell J. Magnetostriction in Automotive Position Measurement. [Текст] / J. Russell // MTS Systems Corporation, TECHNICAL PAPER, Part Number: 08-02 Ml 163;

43. Сенсоры Temposonic [Электронный ресурс] - Режим доступа: http ://www.mtssensors .com/pdfs/5 50947 .pdf;

44. Les Schaevitz Finding the right sensor for linear displacement / Schaevitz Les // Technologies Inc. Pennsauken, N.J. Machine Design, 7/8/2004 [Электронный ресурс] -Режим доступа: http.V/www.machinedesign.com/ASP/strArticleID/56940/strSite/MDSite/viewSelectedArticl е.asp;

45. Linear Position Sensor suits automotive applications [Электронный ресурс] -Режим доступа: http://news.thomasnet.com/fullstory/26732/2468;

46. Dynamic ride vehicle [Текст] : пат. US5623878 / Anthony W. Baxter; опубл. 29.04.1997;

47. Nyce, D.S. Magnetostrictive Linear Position Sensors / D.S. Nyce // MTS Systems Corp. Sensors, - 1999. - C.178.;

48. Сысоева С. Современные технологии и новые перспективы Часть 3. Физические основы и коммерческие перспективы технологий полупроводниковых и пермаллоевых магниторезистивных датчиков [Текст] / С. Сысоева // Компоненты и технологии, No 4, - 2005;

49. Holman Р.А. Magnetoresistance Transducers And How to Use Them as Sensors / P.A. Holman [Текст] // Honeywell International - 2004- C.19;

50. Caruso M. J Application of Magnetoresistive Sensors in Navigation Systems [Текст] / M.J. Caruso, T. Bratland, R. Schneider // Sensors and Actuators - 1997. - C.8;

51. Magnetic field sensors. General. Philips [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.semiconductors.philips.com/acrobat/various/SC 17_GENERAL_ANG_1996_3 .р df

52. Mason Н. Basic Introduction to the use of Magnetoresistive Sensors. Application Note 37 [Текст] / H. Mason // Zetex. - 2003. - C.20;

53. Dietmayer K. Contactless Angle Measurement Using KMZ41 and UZZ9000. Application Note AN00023 [Текст] / К. Dietmayer, M. Weser // Philips - 2000;

54. Linear position sensing using magnetoresistive sensors [Электронный ресурс] -Режим доступа: http://www.seraphim.com.tw/upfiles/e_supmul01284968221.pdf;

55. Rotary magnetic position sensor having poledifferentiated magnets. US Patent 6 777 928.2004. Delphi Technologies, Inc.;

56. Magnetic differential field sensor using hysteresis field in AMR films [Текст] пат. US6831458 / Michael J., Ronald W.; опубл. 14.12.2004;

57. Magnetic angular position sensor apparatus [Текст] пат. US6806702 / Wayne A., Kenneth V., Shaun C., Kent E.; опубл. 19.10.2004;

58. Chowdhury P. Development of magnetoresistive thin film sensor for magnetic field sensing applications [Текст] / P. Chowdhury // SOLID STATE PHYSICS: Proceedings of the 57th DAE Solid State Physics Symposium - 2012. - C.20.

Список работ автора

1. Особенности применения магниторезистивных наностуктур в датчиках автомобильных электронных систем / Дюжев H.A., Юров A.C., Мазуркин Н.С., Чиненков М.Ю., Беспалов В.А. // Нано- и микросистемная техника, 2013, стр.48-54.

2. Влияние технологических особенностей ферромагнитных наноструктур на магнитную чувствительность / Дюжев H.A., Юров A.C., Чиненков М.Ю., Мазуркин Н.С., Беспалов В.А. // Program of Moscow International Symposium on Magnetism 2014, стр.76.

3. Влияние технологических особенностей изготовления на чувствительность магниторезистивных сенсоров / Дюжев H.A., Юров A.C., Чиненков М.Ю., Мазуркин Н.С., Беспалов В.А. // VI Байкальская Международная конференция, 2014, стр. 48.

4. Преобразователи магнитного поля на основе анизотропных магниторезистивных тонкопленочных структур для работы в широком диапазоне температур // Дюжев H.A., Юров A.C., Чиненков М.Ю., Мазуркин Н.С., Поздняков B.C. // Известия Вузов.Электроника, Том20, Выпуск 2, 201, стр.113-119.

5. Исследование влияния технологических факторов на параметры тонких магнитных пленок и AMP сенсоров на их основе / Дюжев H.A., Юров A.C., Чиненков М.Ю., Преображенский P.C., Мазуркин Н.С., Самойлова К.Ю. // Труды XIX Международного симпозиума 10-14 марта 2015 г., Нижний Новгород, Том 1, стр.182-183.

6. Влияние неоднородности распределения намагниченности на чувствительность анизотропных магниторезистивных сенсоров / Дюжев H.A., Юров A.C., Чиненков М.Ю., Мазуркин Н.С., Преображенский P.C. // Труды XIX Международного симпозиума Нанофизика и наноэлектроника 10-14 марта 2015 г., Нижний Новгород, Том 1, стр. 197-198.

7. Создание магнитных датчиков углового положения на основе отечественной специализированной БИС преобразователя фаза квадратурного сигнала - код положения К1382НХ045 / Прокофьев Г.В., Стахин В.Г., Обедин A.A., Дюжев H.A., Юров A.C., Мазуркин Н.С.// VIII Международная конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2014, стр. 410-412.

8. Magnetic-Field Sensors Based on Anisotropic Magnetoresistive Thin-Film Structures for Operation in a Wide Temperature Range / Дюжев H.A., Юров A.C., Чиненков М.Ю., Мазуркин Н.С., Поздняков B.C. // Semiconductors, 2015, Vol. 49, No. 13, pp. 1739-1742.

9. Technological features influence on magnetic sensitivity of ferromagnetic structures / Беспалов B.A., Дюжев H.A., Юров A.C., Мазуркин Н.С., Чиненков М.Ю. // Solid State Phenomena, Vol. 249, pp 124-130.

10. Influence of the Magnetization-Distribution Nonuniformity on the Sensitivity of Anisotropic Magnetoresistive Sensors / Преображенский P.C., Дюжев H.A., Юров A.C., Мазуркин Н.С., Чиненков М.Ю // Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 2016, Vol. 10, No. 2, pp. 307-311.

11. Анизотропные магниторезистивные преобразователи на основе самосовмещенной структуры / Преображенский P.C., Дюжев H.A., Юров A.C., Мазуркин Н.С., Чиненков М.Ю // Материалы XX Международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», 2016, том 1, стр. 194-195.

12. Shape-Coupled Magnetoresistive Structures: a New Approach to Higher Sensitivity / Преображенский P.C., Дюжев H.A., Юров A.C., Мазуркин Н.С., Чиненков М.Ю // Technical Physics Letters, 2016, Vol. 42, No. 5, pp. 546-549.

Приложение А. Акты об использовании результатов диссертационной работы

1111- ч

ил;:» (И1 !'• н и I ал; < ] м ■ и" ! ж< ¡л;п ( и кпчнп \п!м I л - л ¡лкод.

I \ И •> I»: I М :! ..

; I I I

I !

! 11

т

248017. Россия. Калуга j& /¿v1

•¡л ajoíuuihíh 1у

¡31

•i;p„\vAy,' лет

На N9__

АКТ

о внедрении результатов кандидатской диссертационном работы Мазуркина Никиты Сергеевича

Результаты, полученные Маэуркиным НС а рамках диссертационной работы «Исследование я разработка преобразователей .чигйишого водя мй оеииие гошй1шм>шчны.\ лшпогршшы.ч .чагшггорсзнсгпвпых структур с ппш-миеннон пувегпител Ы1 остью" », представленной на соискание ученей етегени кандидата техническим наук, использованы ОАО «Автозлектрсника» при разработке датчиков для систем автомобильной электроники. В частности на его основе созданы

- бесконтактный датчик положения дроссельной заслонки микропроцессорной системы управления двигателем:

- бесконтактный датчик скорости электронного спидометра.

В конструкция датчика положения дроссельной заслонки использован магнетсрезиставный преобразователь МРС20. Датчик скорости электронного спидометра построен на основе магниторезистивного преобразователя MPC1G. Оба преобразователя изготовлены с использованием технологии, разработанной диссертантом и представленной в работе Конструкция преобразователей тэкж# разработана диссертантом в рамках диссертационной работы. Кроме того при создании дэтчикоа использованы рекомендации по конструкции магнетной системы датчика скорости также разработанные диссертантом.

Использование указанных результатов позволило создать высокоэффективные датчики по

характеристикам не уступающие образцам ведущих мировых производителей

Р> i ь-^едоялись при выполнении ОКР по теме «Разработка и организация

серий-oro пго, ззсдс~аа датчиков на основе нэнорззмерных ыагкиторезистианых структур» Госудч! г в*-»н= и кп--са т Ms-14.527.11 ОООЗ от 27 10.2011

Технический директор _ lí.H. MH4FBII4

АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «КОНСТРУКТОРСКОЕ БЮРО ТОЧНОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ ИМЕНИ А.Э. НУДЕЛЪМАНА»

ул. Введенского, 8, Москва, ! I 7342 Тел. [phone], факс [phone] E-mail: [e-mail] http://www. kbtochmash.ru ОКПО 07515842, ОГРН 1 1 17746904417, ИНН 7728789425

АКТ

использования результатов кандидатской диссертационной работы Мазуркина Никиты Сергеевича

Результаты диссертационной работы «ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ОСНОВЕ ТОНКОПЛЕ-НОЧИЫХ АНИЗОТРОПНЫХ МАГЫИТОРЕЗИСТИВНЫХ СТРУКТУР С ПОВЫШЕННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук, использованы АО «Конструкторское бюро точного машиностроения им. А.Э Нудельмана» в разработке блоков рулевых приводов бортовой аппаратуры управления изделий ЗУБК25 и 9М340. В изделиях в качестве датчика углового положения исполнительной оси привода используются импортные магниторезистивные микросхемы КМ241 («ЫХР», Нидерланды). В порядке импортозамещения исследованы варианты привода с использованием отечественного преобразователя магнитного поля МРС20, разработанного диссертантом и изготовленного по технологии, разработанной в процессе выполнения диссертационной работы.

Использование указанных результатов позволяет создать высокоэффективную систему рулевого привода и заменить импортные сенсоры без потери эффективности работы системы.

Внедрение указанных сенсоров МРС20 в серийные изделия возможно после освоения производства и поставки их в исполнении категории «ВП» и включения в ограничительный перечень МОП.

Результаты использованы при выполнении ОКР по темам:

1.0КР «Сокол-В», изделие ЗУБК-25, Государственный контракт от 22.07.2013г. № 8-3-41/561/ЭК.

2.Изделие 9М340 (импортозамещение), Государственный контракт №54009 (32-19) от 11.05.1993г.

Управляющий директор, Д.т.н.

Слободчиков В.Н,