В то время как большинство датчиков, которые окружают нас и делают современные технологии реальностью, хорошо известны и понятны, магнитные датчики, используемые в магнитометрах, часто упускаются из виду или неправильно понимаются, даже если они имеют решающее значение для таких небольших приложений, как наблюдение за состоянием зубьев шестерни, и таких больших, как магнитные системы резонансной томографии (МРТ). Поиски все более компактных, но чувствительных датчиков магнитного поля продолжаются, но чувствительность сама по себе не является достаточно полным параметром. Это связано с тем, что шумы (помехи) от датчика часто является ограничивающим фактором в датчиках низкого уровня.
Помня об этом, исследователи из Университета Брауна разработали магнитный датчик, который не только чувствителен, но и обладает очень низким уровнем шума. Устройство, основанное на этом исследовании, которое было поддержано Национальным научным фондом, могло бы быть частью устройства магнитного иммуноанализа, метода, который использует магнетизм для поиска патогенов в образцах жидкости. «Поскольку устройство очень маленькое, мы можем разместить тысячи или даже миллионы датчиков на одном чипе», — сказал аспирант Брауна Иоу Чжан, который был ведущим соавтором вместе с докторантом Кан Ванном.
Принцип, лежащий в основе их усилий, начинается с хорошо известного эффекта Холла. Однако на этом все не заканчивается. В эффекте Холла, когда проводник или полупроводник с током, текущим в одном направлении, вводится перпендикулярно магнитному полю. Это небольшое напряжение указывает на наличие и величину магнитного поля.
В устройстве Брауна используется разновидность, называемая аномальным эффектом Холла (AЭХ), который возникает в ферромагнитных материалах. Разница между обычным эффектом Холла и аномальным эффектом Холла заключается в том, что, эффект Холла обусловлен зарядом электронов, а аномальный эффект Холла возникает из-за спина электрона — крошечного магнитного момента каждого электрона. В АЭХ электроны с разными спинами ориентируются в разных направлениях, что вызывает небольшое, но обнаруживаемое напряжение. (Влияние магнитных полей на атомные частицы является источником многих интересных явлений: аналогичный эффект, связанный с излучениями, связанными с магнитным моментом ядра водорода, является «источником» сигнала, регистрируемого системами МРТ).
Устройство выполнено в виде ультратонкой ферромагнитной пленки из кобальта, железа и бора, и его электронные спины «предпочитают» анизотропию в плоскости; то есть выравниваться в плоскости пленки (рисунок ниже). Однако после термообработки этой пленки в высокотемпературной печи и воздействия сильного магнитного поля спины электронов имеют тенденцию к развитию перпендикулярной анизотропии и, таким образом, будут ориентированы перпендикулярно пленке.
(а) Схема магнитного датчика Холла и многослойной конструкции. Выводы стержней датчика Холла электрически соединены с электродами из хрома / золота. Общая площадь измерительной планки Холла составляет 500 × 500 мкм2, а эффективная площадь измерения — 20 × 20 мкм2; (б) Зависимость холловского сопротивления от внешнего магнитного поля при различных температурах (на вставке показана кривая АЭХ вблизи нуля).
Когда эти две анизотропии уравновешены, спины электронов легко переориентируются, если материал входит в контакт с внешним магнитным полем, и эта переориентация ощущается через напряжение АЭХ. Полученное в результате устройство примерно в 20 раз более чувствительно, чем сопоставимый традиционный датчик Холла.
Как и в случае с большинством таких устройств, существуют компромиссы в производительности, и толщина пленки кобальт-железо-бор является одним из них. Если пленка слишком толстая, потребуется более сильное магнитное поле для переориентации электронных спинов, что приведет к снижению чувствительности. И наоборот, если он слишком тонкий, электронные спины могут переориентироваться сами по себе, что противоречит полезности датчика. Исследователи обнаружили, что лучше всего подходит толщина всего 0,9 нм.
Помимо достижения высокой чувствительности, низкий уровень собственного шума также жизненно важен для достижения хорошей чувствительности. Магнитная анизотропия имеет сильную температурную зависимость, что позволяет точно настроить эффективную магнитную анизотропию в одном магнитном датчике. Исследователи выполнили комплексную характеристику чувствительности и шума датчика AЭХ в диапазоне от 250 К до 350 К и на четырех порядках величины частоты от 1 Гц до 10 кГц. Используя систему измерения физических свойств (PPMS) и настраиваемую магнитную анизотропию, они наблюдали и анализировали взаимодействие 1 / f-шума и чувствительности, а также обнаруживаемость магнитного поля.
Карта шума напряжения датчика на основе аномального эффекта Холла (а) при 1 Гц и (б) и 10 кГц. (c) Карта чувствительности датчика аномального эффекта Холла, измеренная при 5 Гц. (d) Зависимость шума напряжения при 1 Гц от чувствительности в логарифмической шкале. Данные при 260 К и 310 К показаны на графике.
Хотя ни одно число не может полностью охарактеризовать характеристики устройства, исследователи отмечают, что с небольшой зоной чувствительности 20 x 20 мкм2 обнаруживаемость магнитного поля достигает 76 нТл / √Гц при 1 Гц и 2 нТ / √Гц при 10 кГц (рисунок выше).
