RU2746978C1 - Сверхвысокочувствительный магнитный микродатчик - Google Patents

Сверхвысокочувствительный магнитный микродатчик Download PDF

Info

Publication number
RU2746978C1
RU2746978C1 RU2019138531A RU2019138531A RU2746978C1 RU 2746978 C1 RU2746978 C1 RU 2746978C1 RU 2019138531 A RU2019138531 A RU 2019138531A RU 2019138531 A RU2019138531 A RU 2019138531A RU 2746978 C1 RU2746978 C1 RU 2746978C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
magnetic
inductor
wire
voltage
wires
Prior art date
Application number
RU2019138531A
Other languages
English (en)
Inventor
Ёсинобу ХОНКУРА
Синпэй ХОНКУРА
Original Assignee
Асахи Интекк Ко., Лтд.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Асахи Интекк Ко., Лтд. filed Critical Асахи Интекк Ко., Лтд.
Application granted granted Critical
Publication of RU2746978C1 publication Critical patent/RU2746978C1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/07—Hall effect devices
    • G01R33/072—Constructional adaptation of the sensor to specific applications
    • G01R33/075—Hall devices configured for spinning current measurements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/0023—Electronic aspects, e.g. circuits for stimulation, evaluation, control; Treating the measured signals; calibration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/12—Measuring magnetic properties of articles or specimens of solids or fluids
    • G01R33/1284—Spin resolved measurements; Influencing spins during measurements, e.g. in spintronics devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/82—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of the magnetic field applied to the device
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/20—Spin-polarised current-controlled devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/063—Magneto-impedance sensors; Nanocristallin sensors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области высокочувствительных магнитных микродатчиков. Сущность изобретения заключается в том, что два магнитных провода используются для одной катушки индуктивности и импульсный ток прикладывается к ним в противоположных направлениях, индуцированное катушкой индуктивности напряжение при детектировании нарастающих импульсов становится равным нулю, импульсный ток, прикладываемый к магнитному проводу, обладающему полем магнитной анизотропии 20 Гс или менее, а также имеющему двухфазную магнитную доменную структуру из поверхностного магнитного домена с циркулярной ориентацией спинов и из магнитного домена центральной жилы с продольной ориентацией спинов, имеет частоту импульса от 0,2 до 4,0 ГГц и силу, необходимую для создания циркулярного магнитного поля, в более чем 1,5 раза превышающего поле анизотропии, на поверхности провода. Обеспечены чувствительность магнитного поля и линейность, которые улучшают детектирование нарастающих импульсов, при этом улучшая линейность детектирования нарастающих импульсов до 0,5 % или ниже. 2 з.п. ф-лы, 12 ил.

Description

Область техники
[001] Настоящее изобретение относится к технологии улучшения характеристик чувствительности датчика на эффекте вращения спинов с гигагерцовой частотой (GHz spin rotation, GSR) посредством использования детектирования нарастающих импульсов.
В данном случае GSR-датчик представляет собой сверхвысокочувствительный магнитный микродатчик на основе эффекта вращения спинов с гигагерцовой частотой.
Уровень техники
[002] К высокочувствительным магнитным микродатчикам относятся горизонтальный феррозондовый (FG) датчик, вертикальный FG-датчик, датчик на эффекте Холла, датчик на эффекте гигантского магнитосопротивления (GMR), датчик на эффекте туннельного магнитосопротивления (TMR), датчик на эффекте магнитоимпеданса (MI), GSR-датчик, датчик высокочастотного несущего сигнала и т.п. Эти датчики в настоящее время широко используются в смартфонах, транспортных средствах, медицинском лечении, роботах и т.п. GSR-датчик превосходит остальные из вышеописанных датчиков по чувствительности и размерам и привлекает наибольшее внимание.
[003] Для достижения удаленного управления движущимся устройством в условиях in-vivo в настоящее время проводится исследование по обнаружению положения и направления с помощью трехмерного магнитного датчика, использующего GSR-датчик.
Предпочтительно датчик является миниатюрным, чтобы его можно было расположить в движущемся устройстве. Однако чувствительность детектирования ухудшается обратно пропорционально размерам датчика. Кроме того, в связи с ограничением выбора источника питания возникла необходимость в уменьшении расхода мощности во время измерений.
Список цитируемой литературы
Патентная литература
[004] Патентная литература 1: Патент Японии № 5839527
Раскрытие сущности изобретения
Техническая проблема
[005] В качестве способа детектирования с использованием GSR-датчика известны два следующих способа: детектирование нарастающих импульсов и детектирование спадающих импульсов. При детектировании нарастающих импульсов чувствительность магнитного поля приблизительно в 2,5 раза выше, чем при детектировании спадающих импульсов, что укорачивает длительность импульса и уменьшает расход мощности. Однако линейность составляет приблизительно от 1 до 2% и уступает той, которая обеспечивается при детектировании спадающих импульсов и составляет 0,5% или ниже.
Задача изобретения состоит в максимальном использовании преимуществ детектирования нарастающих импульсов с обеспечением при этом линейности 0,5% или ниже.
[006] Выходное напряжение катушки индуктивности (далее именуемое как напряжение катушки индуктивности) GSR-датчика включает в себя два вида напряжения: индуцированное напряжение, зависящее от импульсного тока (далее именуемое как «напряжение а»), и напряжение а, зависящее от внешнего магнитного поля (далее именуемое как «напряжение b»). Если сравнивать детектирование нарастающих импульсов и детектирование спадающих импульсов, то два пика напряжения наиболее близко расположены друг с другом в случае детектирования спадающих импульсов, и влияние импульсного тока при этом больше. Более того, эффект MI изменяет импеданс магнитных проводов с помощью магнитного поля. В результате, на «напряжение а», зависящее от импульсного тока, также влияет магнитное поле, и оно не может быть подавлено с легкостью. Другими словами, если на «напряжение а» не влияет магнитное поле, «напряжение а» может быть измерено при H = 0 Гс, а действующее напряжение b может быть, таким образом, обнаружено подавлением «напряжения а».
[007] Исследование по удалению индуцированного напряжения, зависящего от импульсного тока, из напряжения катушки индуктивности, найденного при детектировании нарастающих импульсов, проводится на протяжении 20 лет. Однако это остается неразрешенной сложной проблемой.
Решение проблемы
[008] Изобретатели обнаружили, что, если два магнитных провода расположены в одной катушке индуктивности, а импульсный ток приложен в противоположных направлениях, индуцированное катушкой индуктивности напряжение при детектировании нарастающих импульсов становится равным 0, когда H = 0 Гс (см. ФИГ. 7). Признано, что, если электрический ток приложен в противоположных направлениях в случае, когда существует магнитное поле Н, напряжение катушки индуктивности не изменяется, и происходит детектирование лишь «напряжения b» (см. ФИГ. 8). Другими словами, «напряжение а», по всей видимости, исчезает.
Кроме того, при измерении «напряжения b» одновременно с изменением магнитного поля было обнаружено, что напряжение выводится линейно и симметрично по отношению к положительному/отрицательному направлению магнитного поля с линейностью 0,3% или ниже, что является превосходным результатом.
Даже когда магнитное поле Н отлично от нуля, «напряжение а» исчезает. Это, по всей видимости, связано с тем, что импеданс двух проводов изменяется симметрично относительно магнитного поля Н, вне зависимости от направления электрического тока, и, таким образом, их импеданс остается постоянно одним и тем же, и импульсный ток, текущий в двух проводах, остается одним и тем же, что подавляет влияние на их катушки индуктивности даже при изменении магнитного поля (см. ФИГ. 9).
[009] В случае детектирования нарастающих импульсов такое детектирование выполняется с нарастанием, что обеспечивает длительность импульса в 1 нс (1 наносекунду) или меньше. Между тем, в случае детектирования спадающих импульсов такое детектирование требуется выполнять после того, как нарастающее напряжение катушки индуктивности полностью ослаблено. Таким образом, длительность импульса требуется поддерживать равной приблизительно 10 нс. Следовательно, если используется детектирование нарастающих импульсов, расход импульсного тока может составлять 1/10 или меньше.
[0010] Напряжение катушки индуктивности элемента, включающего в себя два магнитных провода согласно изобретению, в два раза больше, чем напряжение катушки индуктивности элемента, включающего в себя один магнитный провод. Более того, напряжение катушки индуктивности при детектировании нарастающих импульсов в 2,5 раза больше, чем напряжение катушки индуктивности при детектировании спадающих импульсов (см. ФИГ. 10). По сравнению с GSR-датчиком, описанным в патентной литературе 1, напряжение катушки индуктивности в пять раз больше в элементе с теми же размерами.
[0011] Получено подтверждение того, что связь между напряжением катушки индуктивности и внешним магнитным полем является такой же, как и равенство для GSR-датчика, описанного в патентной литературе 1. Другими словами,
Vs = Vo×2L×πD×p×Nc×f×sin(πH/2Hm) … (1).
[0012] В данном равенстве Vs - напряжение катушки индуктивности, а Vo - константа пропорциональности, определяемая магнитной проницаемостью провода, магнитными свойствами материалов провода при изменении плотности магнитного потока насыщения, а также импульсным током. Для получения максимального выходного напряжения катушки индуктивности в качестве константы параметров управления: L - длина провода, D - диаметр провода, p - глубина скин-слоя для импульсного тока, Nc - число витков в катушке индуктивности, f - частота импульса, H - внешнее магнитное поле, Hm - напряженность внешнего магнитного поля.
[0013] Применяя арксинус-преобразование к обеим частям равенства (1) и называя результирующее значение преобразованным напряжением V', получим следующие равенства (2) и (3):
V' = arcsin(Vs/Vo×2L×πD×p×Nc×f) = (π×1/2Hm) H … (2)
H = 2Hm/π×V' … (3)
H находится из равенства (3).
V' изменяется линейно от -Hm до +Hm относительно магнитного поля H. Диапазон измерений равен Hm и приблизительно в четыре раза больше, чем в случае без использования арксинус-преобразования. Следует отметить, что, когда Vx = a(1-Δ)Hx, линейность P задается как P = 100×Δ (%).
Другим словами, линейность определяется на основании величины Δ отклонения от равенства Vx = aHx, когда Δ = 0.
[0014] Кроме того, получено подтверждение того, что линейность составляет 0,2%, что предпочтительнее, чем 0,5% при величине отклонения спадающего импульса GSR-датчика (см. ФИГ. 12).
GSR-датчик усиливает электромагнитную связь между магнитным проводом и катушкой индуктивности при расстоянии между магнитным проводом и внутренним диаметром катушки индуктивности, равном 3 мкм или меньше. Кроме того, согласно изобретению, такая же связь поддерживается всюду, за исключением расстояния между двумя магнитными проводами.
[0015] Используется та же самая электронная схема, что и в патентной литературе 1. Частота импульса в импульсном токе, прикладываемом к магнитному проводу, составляет от 0,2 ГГц до 4 ГГц. Импульсный ток имеет силу, необходимую для создания на поверхности магнитного провода циркулярного магнитного поля, в более чем 1,5 раза превышающего поле магнитной анизотропии.
Напряжение катушки индуктивности, возникающее в момент импульсного питания, подается в схему выборки и хранения через совместимую с импульсами буферную схему. При небольшом числе витков катушки индуктивности напряжение катушки индуктивности может подаваться непосредственно в схему выборки и хранения.
[0016] Нарастающий импульс детектируется с использованием электронного переключателя во время пика выходного сигнала катушки индуктивности. «Напряжение а» отсутствует, и, таким образом, временная продолжительность пикового напряжения остается постоянной вне зависимости от магнитного поля Н. Однако, если присутствует «напряжение а», продолжительность пика изменяется в зависимости от магнитного поля Н. Таким образом, строго говоря, нет возможности управлять детектированием во время пика выходного сигнала катушки индуктивности. Это обуславливает нелинейность.
Емкость конденсатора схемы выборки и хранения составляет от 4 пФ до 100 пФ. Предпочтительно, если бы временные интервалы между включением и выключением электронного переключателя были сокращены настолько, насколько это возможно, для дополнительного уменьшения емкости конденсатора до 4-8 пФ. Таким способом напряжение во время пика сохраняется конденсатором в виде мгновенного значения напряжения. Сохраненное напряжение конденсатора выводится через программируемый усилитель.
Полезные эффекты изобретения
[0017] GSR-датчик для детектирования нарастающих импульсов обеспечивает, при одних и тех размерах элементов, в пять раз большую чувствительность детектирования магнитного поля и в 1/10 раза меньший расход мощности или еще меньший расход мощности, тем самым позволяя существенно уменьшить размеры магнитного датчика в движущемся устройстве в условиях in-vivo.
Краткое описание чертежей
[0018] На ФИГ. 1 показан вид сверху элемента GSR-датчика согласно варианту осуществления и примеру;
На ФИГ. 2 показано сечение элемента GSR-датчика вдоль линии А1-А2 на ФИГ. 1;
На ФИГ. 3 показана электронная схема согласно варианту осуществления и примеру;
На ФИГ. 4 показана диаграмма связи между длительностью импульса и прикладываемым импульсным током согласно варианту осуществления и примеру;
На ФИГ. 5 показана временная развертка напряжения катушки индуктивности при приложении импульсного тока согласно варианту осуществления и примеру;
На ФИГ. 6 показана магнитная развертка выходного сигнала согласно варианту осуществления и примеру;
На ФИГ. 7 показана диаграмма выходного напряжения V, когда два магнитных провода подвергаются воздействию импульсного тока в противоположных направлениях (направление «+» и направление «-») при внешнем магнитном поле Н = 0;
На ФИГ. 8 показана диаграмма выходного напряжения V, когда внешнее магнитное поле Н изменяется от -2 Гс до +2 Гс;
На ФИГ. 9 показана диаграмма связи между внешним магнитным полем Н и импедансом Z;
На ФИГ. 10 показана диаграмма выходного напряжения катушки индуктивности при детектировании нарастающих импульсов и детектировании спадающих импульсов с одним магнитным проводом и двумя магнитными проводами;
На ФИГ. 11 показана пояснительная диаграмма линейности Р с точки зрения изменения внешнего магнитного поля и выходного сигнала; и
На ФИГ. 12 показана диаграмма связи между магнитным полем Нх и величиной отклонения в нарастающем импульсе GSR-датчика.
Осуществление изобретения
[0019] Ниже описан вариант осуществления изобретения.
Следует отметить, что одна или две, или более конфигураций, произвольным образом выбранные из описания, могут быть объединены в конфигурацию изобретения. Наиболее предпочтительный вариант осуществления зависит от объекта и требуемых характеристик.
[0020] GSR-датчик, который является сверхвысокочувствительным магнитным микродатчиком согласно изобретению, включает в себя:
элемент детектирования магнитного поля, включающий в себя два проводящих магнитных провода для детектирования магнитного поля, расположенных рядом друг с другом на подложке, круглую катушку индуктивности, намотанную вокруг двух магнитных проводов, два электрода для подачи питания на провода и два электрода для детектирования напряжения катушки индуктивности, средство для приложения импульсного тока к магнитным проводам, схему для детектирования напряжения катушки индуктивности, возникающего при приложении импульсного тока к магнитным проводам в противоположных направлениях, и средство для преобразования напряжения катушки индуктивности во внешнее магнитное поле Н;
при этом магнитный провод обладает полем магнитной анизотропии 20 Гс или менее, имеет двухфазную магнитную доменную структуру из поверхностного магнитного домена с циркулярной ориентацией спинов и из магнитного домена центральной жилы с продольной ориентацией спинов; и
импульсный ток, приложенный к магнитному проводу, имеет частоту импульса от 0,2 ГГц до 4 ГГц и силу, необходимую для создания циркулярного магнитного поля, более чем в 1,5 раза превышающего поле анизотропии на поверхности провода; и
катушка индуктивности имеет шаг намотки 10 мкм или менее. Средний внутренний диаметр катушки индуктивности предпочтительно составляет 35 мкм или меньше.
В случае, когда скомпоновано множество пар проводов, расстояние между катушкой индуктивности и магнитным проводом предпочтительно составляет от 1 мкм до 5 мкм.
[0021] Более того, в GSR-датчике, который является сверхвысокочувствительным магнитным микродатчиком согласно изобретению, импульсный ток прикладывается к магнитному проводу, и циркулярно-ориентированный спин, наклоненный в осевом направлении, подвергается сверхвысокоскоростному вращению в осевом магнитном поле провода в поверхностном магнитном домене для получения только изменения намагниченности в осевом направлении провода вследствие явлений сверхвысокоскоростного вращения, возникающих при вращении, и выполнения преобразования в поле Н с использованием равенства (1):
Vs = Vo×2L×πD×p×Nc×f×sin(πH/2Hm) … (1),
где
Vs - выходное напряжение катушки индуктивности, и Vo - константа пропорциональности, и в качестве константы параметров управления: L - длина провода, D - диаметр провода, p - глубина скин-слоя для импульсного тока, Nc - число витков в катушке индуктивности, f - частота импульса, Hm - напряженность внешнего магнитного поля для получения максимального выходного напряжения катушки индуктивности.
[0022] Кроме того, GSR-датчик, который является сверхвысокочувствительным магнитным микродатчиком согласно изобретению, дополнительно включает в себя электронную схему, включающую в себя схему генерирования импульсов для генерирования импульсного тока, входную схему для подачи напряжения катушки индуктивности, совместимую с импульсами буферную схему, схему выборки и хранения с электронным переключателем для детектирования пикового напряжения в выходном сигнале напряжения катушки индуктивности и конденсатором с емкостью от 4 до 100 пФ для сохранения пикового напряжения, и программируемый усилитель для усиления перед АЦ (аналого-цифровым) преобразованием.
[0023] Вариант осуществления изобретения будет описан подробно со ссылкой на ФИГ. 1-6.
Элемент 1 GSR-датчика (далее именуемый как элемент) включает в себя на подложке 10 два магнитных провода (21 и 22), одну катушку 3 индуктивности, намотанную вокруг двух магнитных проводов, два электрода (24 и 25) для подачи питания на провода, два электрода (34 и 35) для детектирования напряжения катушки индуктивности, соединительную часть между магнитными проводами и электродами для подачи питания на провода, а также соединительную часть между катушкой индуктивности и электродами для детектирования напряжения катушки индуктивности. Более того, элемент 1 включает в себя средство 23 для приложения импульсного тока к двум магнитным проводам (21 и 22) в противоположных направлениях. Также элемент 1 дополнительно включает в себя схему 5 для детектирования напряжения катушки индуктивности, возникающего при приложении импульсного тока, и средство для преобразования напряжения катушки индуктивности во внешнее магнитное поле. Внешнее магнитное поле Н и напряжение Vs катушки индуктивности связаны посредством математической зависимости в вышеописанном равенстве (1).
[0024] <Структура элемента>
Структура элемента 1 показана на ФИГ. 1 и ФИГ. 2.
Размеры элемента 1 составляют от 0,07 мм до 0,4 мм в ширину и от 0,25 мм до 1 мм в длину, что соответствует размерам подложки 10. В центральной части элемента 1 подложка 10 имеет канавку шириной от 20 до 60 мкм и глубиной от 2 до 20 мкм, с тем чтобы два магнитных провода (21 и 22) были ориентированы и расположены параллельно друг другу. Два магнитных провода (21 и 22) расположены рядом друг с другом на расстоянии от 1 до 5 мкм. Предпочтительно, если магнитные провода (21 и 22) изолированы друг от друга с помощью изоляционного материала в виде, например, изоляционной перегородки.
[0025] <Магнитный провод>
Магнитный провод 2 изготовлен из аморфного сплава CoFeSiB и имеет диаметр от 5 до 20 мкм. Периферия магнитного провода 2 предпочтительно покрыта изоляционным материалом, таким, например, как изоляционное стекло. Длина составляет от 0,07 до 1,0 мм.
Магнитный провод 2 обладает полем магнитной анизотропии от 20 Гс или менее, имеет двухфазную магнитную доменную структуру из поверхностного магнитного домена с циркулярной ориентацией спинов и из магнитного домена центральной жилы с осевой ориентацией спинов.
[0026] <Катушка индуктивности>
В катушке 3 индуктивности число витков катушки индуктивности составляет предпочтительно от 6 до 180 штук, а шаг намотки - 5 мкм. Расстояние между катушкой 3 индуктивности и магнитным проводом 2 предпочтительно составляет 3 мкм или меньше. Средний внутренний диаметр катушки индуктивности предпочтительно составляет от 10 до 35 мкм.
[0027] <Способ изготовления элемента>
Способ изготовления элемента описывается со ссылкой на ФИГ. 2.
Монтаж электродов выполняют на нижней обмотке 31 и поверхности подложки вдоль канавки 11, образованной на подложке 10. Затем создают изоляционную перегородку 41 в центральной части канавки 11 для обеспечения двухканавочной формы, и каждый из двух магнитных проводов 21 и 22, покрытый стеклом, укладывают в нее. Далее изоляционный защитный слой наносят на всю поверхность подложки. Таким способом магнитные провода 21 и 22 фиксируют в канавке 11. Изоляционный защитный слой наносят понемногу на верхнюю часть магнитных проводов 21 и 22. В этой части формируют верхнюю обмотку 32 с помощью технологии фотолитографии.
В случае, когда используют магнитные провода 2, не покрытые стеклом, требуется предварительно нанести изоляционный материал 4 для предотвращения электрического контакта между нижней обмоткой 31 и магнитными проводами 21 и 22.
[0028] При изготовлении катушки индуктивности углубленную нижнюю обмотку 31 формируют вдоль поверхности канавки и по обеим сторонам от канавки 11 на подложке 10. Выступающую верхнюю обмотку 32 электрически соединяют с нижней обмоткой через контактную часть 33 для формирования спиральной катушки 3 индуктивности.
[0029] На концах двух магнитных проводов 21 и 22 удаляют стекло, служащее в качестве изоляционной пленки, чтобы обеспечить электрическое соединение посредством осаждения паров металла.
[0030] <Монтажная структура магнитного провода и катушки индуктивности>
В монтажной структуре магнитного провода 2 входной электрод (+) 24 провода соединен с верхней частью магнитного провода 21, а нижняя часть магнитного провода 21 соединена с нижней частью магнитного провода 22 через соединительную часть 23 проводов, как показано на ФИГ. 1. Верхняя часть магнитного провода 22 соединена с выходным электродом (-) 25 провода. Эта соединительная часть 23 проводов обеспечивает нисходящий поток импульсного тока из верхней части в нижнюю часть в магнитном проводе 21, а также восходящий поток импульсного тока из нижней части в верхнюю часть (в противоположном направлении в сравнении с направлением в магнитном проводе 21) в магнитном проводе 22.
[0031] В монтажной структуре катушки 3 индуктивности выходной электрод (+) 34 катушки индуктивности соединен с нижней торцевой частью катушки 3 индуктивности, а верхняя торцевая часть катушки 3 индуктивности соединена с заземляющим электродом (-) 35 катушки индуктивности, как показано на ФИГ. 1.
[0032] <Электронная схема>
Электронная схема 5 включает в себя схему 51 генерирования импульсов для генерирования импульсного тока, входную схему 53 для подачи напряжения катушки индуктивности, совместимую с импульсами буферную схему 54, схема выборки и хранения с электронным переключателем 56 для детектирования пикового напряжения в выходном сигнале напряжения катушки индуктивности и конденсатором с емкостью от 4 до 100 пФ для сохранения пикового напряжения, а также усилитель 58. Усилитель 58 включает в себя программируемый усилитель для усиления перед АЦ преобразованием.
Более того, элемент GSR-датчика соединен с возможностью вывода напряжения катушки индуктивности электронной схемы 5.
[0033] При частоте импульса в импульсном токе от 0,2 до 4 ГГц сила импульсного тока составляет от 50 до 200 мА, а продолжительность импульса – от 0 до 2 нс. На ФИГ. 4 показана связь между истечением времени подачи питания и приложением импульсного тока, когда импульсный ток прикладывают к элементу GSR-датчика. В примере, показанном на ФИГ. 4, импульсный ток нарастает за 0,5 нс от начала подачи питания, и это состояние приложенного импульсного тока поддерживается для заданной продолжительности импульса 0,5 нс. Как только такая подача питания прекращается, импульсный ток спадает за 0,5 нс.
[0034] <Сигнал напряжения катушки индуктивности>
На ФИГ. 5 показана временная развертка напряжения катушки индуктивности при приложении вышеописанного импульсного тока.
Согласно изобретению, детектируют продолжительность пикового напряжения. Электронный переключатель включается и выключается многократно с временем замыкания-размыкания от 0,1 до 1,5 нс.
[0035] Емкость конденсатора схемы выборки и хранения составляет от 4 до 100 пФ, и АЦ преобразование электронной схемы составляет от 14 до 16 бит. Следует отметить, что для сокращения продолжительности включения и выключения электронного переключателя предпочтительно выбрать емкость конденсатора, равную от 4 до 8 пФ.
На выходе катушки индуктивности чувствительность составляет от 50 мВ/Гс до 3 В/Гс в диапазоне измерений от 3 до 100 Гс с синусоидальным выходным сигналом, как показано на ФИГ. 6. Линейность составляет 0,3 % или ниже.
[0036] <Пример>
На ФИГ. 1 показан вид сверху элемента GSR-датчика согласно примеру. На ФИГ. 2 показано его сечение. На ФИГ. 5 показана электронная схема. GSR-датчик согласно изобретению включает в себя элемент 1 GSR-датчика, имеющий два магнитных провода (21 и 22), одну катушку 3 индуктивности, намотанную вокруг двух магнитных проводов, два электрода (24 и 25) для подачи питания на провода и два электрода (34 и 35) для детектирования напряжения катушки индуктивности, средство для приложения импульсного тока к магнитному проводу 2, схему для детектирования напряжения катушки индуктивности, возникающего при приложении импульсного тока, и средство для преобразования напряжения катушки индуктивности во внешнее магнитное поле Н. Внешнее магнитное поле Н и напряжение катушки индуктивности связаны посредством математической зависимости, показанной в вышеописанном равенстве (1).
[0037] Размеры элемента 1 составляют 0,12 мм в длину и 0,20 мм в ширину. Канавка 11 на подложке 10 имеет ширину 40 мкм и глубину 8 мкм. Расстояние между проводами составляет 3 мкм.
[0038] Магнитный провод (21 и 22) изготовлен из аморфного сплава CoFeSiB, покрытого стеклом, с диаметром 10 мкм и толщиной 1 мкм или меньше.
Поле магнитной анизотропии составляет 15 Гс.
[0039] В катушке 3 индуктивности число витков равно 14 штукам с шагом намотки 5 мкм. Средний внутренний диаметр катушки 3 индуктивности равен 30 мкм, и расстояние между катушкой 3 индуктивности и магнитным проводом 2 составляет 2 мкм.
[0040] В структуре элемента магнитные провода (21 и 22), покрытые стеклом, погружены в канавку 11, образованную на подложке 10, наполовину в диаметре. Нижняя обмотка 31 расположена на внутренней поверхности канавки 11, а верхняя обмотка 32 расположена над магнитными проводами. Нижняя обмотка 31 и верхняя обмотка 32 зафиксированы посредством изоляционной смолы и соединены посредством стыковой части 33 на поверхности подложки.
Между каждой из обеих торцевых частей катушки 3 индуктивности и каждым из электродов катушки индуктивности предусмотрена часть электрического соединения в виде проводящей пленки, полученной осаждением паров металла.
В магнитных проводах 2 и электродах после удаления стеклянного покрывающего материала на верхней поверхностной части у торцевой части магнитных проводов сформирована электрическая стыковая часть в виде проводящей пленки, полученной осаждением паров металла, между поверхностью провода с удаленным покрытием и электродом.
Более того, соединительная часть 23 между двумя магнитными проводами 21 и 22 также подвергается электрическому соединению посредством такой же обработки.
[0041] Элемент 1 GSR-датчика располагается в электронной схеме 5, и его питание осуществляется схемой 51 генерирования импульсов с шириной импульса 0,8 нс при частоте импульса 1 ГГц и силой импульсного тока 120 мА. Продолжительность включения и выключения электронного переключателя равна 0,2 нс. Емкость конденсатора схемы выборки и хранения составляет 6 пФ.
[0042] 16 бит получают посредством АЦ преобразования. Более того, при синусоидальном выходном сигнале чувствительность составляет 200 мВ в диапазоне измерений 90 Гс. При этом расход мощности составляет 0,3 мВт, а линейность - 0,2 %.
Промышленная применимость
[0043] Изобретение обеспечивает более высокую чувствительность и более низкий расход мощности GSR-датчика. Изобретение предполагается использовать в тех случаях, когда требуются сверхмалые размеры и высокая производительность, например, в движущемся устройстве в условиях in-vivo.
Список ссылочных обозначений
[0044] 1 - элемент GSR-датчика
10 - подложка
11 - канавка
2 - магнитный провод
21 - один из двух магнитных проводов
22 - другой из двух магнитных проводов
23 - соединительная часть проводов
24 - входной электрод (+) провода
25 - выходной электрод (-) провода
3 - катушка индуктивности
31 - нижняя обмотка
32 - верхняя обмотка
33 - стыковая часть
34 - выходной электрод (+) катушки индуктивности
35 - заземляющий электрод (-) катушки индуктивности
4 - изоляционная смола
41 - изоляционная перегородка
5 - электронная схема
51 - схема генерирования импульсов
52 - элемент GSR-датчика
53 - входная схема
54 - буферная схема
55 - схема выборки и хранения
56 - электронный переключатель
57 - конденсатор
58 - усилитель

Claims (19)

1. Сверхвысокочувствительный магнитный микродатчик, содержащий:
элемент детектирования магнитного поля, включающий в себя два проводящих магнитных провода для детектирования магнитного поля, расположенных рядом друг с другом на подложке, круглую катушку индуктивности, намотанную вокруг двух магнитных проводов, два электрода для подачи питания на провода и два электрода для детектирования напряжения катушки индуктивности;
средство для приложения импульсного тока к магнитным проводам;
схему для детектирования напряжения катушки индуктивности, возникающего при приложении импульсного тока к двум магнитным проводам в противоположных направлениях; и
средство для преобразования напряжения катушки индуктивности во внешнее магнитное поле Н, при этом
два магнитных провода для детектирования магнитного поля включают в себя первый магнитный провод и второй магнитный провод, причем первый магнитный провод и второй магнитный провод расположены параллельно друг другу,
первый магнитный провод имеет первый конец и второй конец в порядке согласно направлению импульсного тока,
второй магнитный провод имеет первый конец и второй конец в порядке согласно направлению импульсного тока,
первый конец первого магнитного провода и второй конец второго магнитного провода соответственно соединены с двумя электродами для подачи питания на провода,
второй конец первого магнитного провода и первый конец второго магнитного провода соответственно соединены друг с другом,
первый магнитный провод и второй магнитный провод разделены изоляционной перегородкой, расположенной между ними в круглой катушке индуктивности,
магнитный провод обладает полем магнитной анизотропии 20 Гс или менее, имеет двухфазную магнитную доменную структуру из поверхностного магнитного домена с циркулярной ориентацией спинов и из магнитного домена центральной жилы с продольной ориентацией спинов, и
импульсный ток, прикладываемый к магнитному проводу, имеет частоту импульса от 0,2 до 4,0 ГГц и силу, необходимую для создания циркулярного магнитного поля, в более чем 1,5 раза превышающего поле анизотропии, на поверхности провода, и
катушка индуктивности имеет шаг намотки 10 мкм или менее.
2. Сверхвысокочувствительный магнитный микродатчик по п. 1, в котором обеспечена возможность приложения импульсного тока к магнитному проводу и возможность подвергать циркулярно-ориентированный спин, наклоненный в осевом направлении, сверхвысокоскоростному вращению в осевом магнитном поле провода в поверхностном магнитном домене для получения в качестве выходного сигнала катушки индуктивности только изменения намагниченности в осевом направлении провода вследствие явлений сверхвысокоскоростного вращения, возникающих при вращении, и выполнения преобразования в поле Н с использованием равенства (1):
Vs = Vo×2L×πD×p×Nc×f×sin(πH/2Hm) … (1),
где
Vs - выходное напряжение катушки индуктивности и Vo - константа пропорциональности, и в качестве константы параметров управления: L - длина провода, D - диаметр провода, p - глубина скин-слоя для импульсного тока, Nc - число витков в катушке индуктивности, f - частота импульса, Hm - напряженность внешнего магнитного поля для получения максимального выходного напряжения катушки индуктивности.
3. Сверхвысокочувствительный магнитный микродатчик по п. 1, дополнительно включающий в себя электронную схему, включающую в себя схему генерирования импульсов для генерирования импульсного тока, входную схему, совместимую с импульсами буферную схему для подачи напряжения катушки индуктивности, схему выборки и хранения с электронным переключателем для детектирования пикового напряжения в выходном сигнале напряжения катушки индуктивности и конденсатором с емкостью от 4 до 100 пФ для сохранения пикового напряжения и программируемый усилитель для усиления перед аналого-цифровым (АЦ) преобразованием.
RU2019138531A 2017-06-16 2018-05-18 Сверхвысокочувствительный магнитный микродатчик RU2746978C1 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017-119171 2017-06-16
JP2017119171A JP7262885B2 (ja) 2017-06-16 2017-06-16 超高感度マイクロ磁気センサ
PCT/JP2018/019392 WO2018230262A1 (ja) 2017-06-16 2018-05-18 超高感度マイクロ磁気センサ

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2746978C1 true RU2746978C1 (ru) 2021-04-22

Family

ID=64660401

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019138531A RU2746978C1 (ru) 2017-06-16 2018-05-18 Сверхвысокочувствительный магнитный микродатчик

Country Status (11)

Country Link
US (1) US10989768B2 (ru)
EP (1) EP3640658B1 (ru)
JP (1) JP7262885B2 (ru)
KR (1) KR102393394B1 (ru)
CN (1) CN110832336B (ru)
AU (1) AU2018284779B2 (ru)
CA (1) CA3067330C (ru)
IL (1) IL271080B2 (ru)
RU (1) RU2746978C1 (ru)
SG (1) SG11201911920VA (ru)
WO (1) WO2018230262A1 (ru)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7262886B2 (ja) * 2017-07-21 2023-04-24 朝日インテック株式会社 超小型高感度磁気センサ
JP6830585B1 (ja) * 2019-08-15 2021-02-17 ナノコイル株式会社 応力インピーダンスセンサ素子および応力インピーダンスセンサ
JP6784985B1 (ja) * 2019-10-01 2020-11-18 ナノコイル株式会社 ひねり応力センサ素子およびひねり応力センサ

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015060344A1 (ja) * 2013-10-22 2015-04-30 国立大学法人九州大学 勾配磁界センサ
RU2582488C1 (ru) * 2015-03-05 2016-04-27 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Двухпроводной дифференциальный магнитоимпедансный датчик
US20160238673A1 (en) * 2015-02-16 2016-08-18 Magnedesign Corporation High sensitive micro sized magnetometer
WO2017061513A1 (ja) * 2015-10-06 2017-04-13 愛知製鋼株式会社 微小磁性体検知センサおよび異物検知装置

Family Cites Families (38)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3911389A (en) * 1974-03-21 1975-10-07 Us Transport Magnetic gradient vehicle detector
JPS5839527B2 (ja) 1977-04-20 1983-08-30 東京光学機械株式会社 離隔式検眼装置
DE3240478A1 (de) * 1982-11-02 1984-05-03 Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH, 8000 München Sensor zum erfassen von magnetfeldverzerrungen bzw. aus diesen ableitbaren messgroessen
US5442283A (en) * 1993-09-03 1995-08-15 Allegro Microsystems, Inc. Hall-voltage slope-activated sensor
EP0892276A3 (en) * 1997-07-14 2001-05-30 Alps Electric Co., Ltd. Magnetic sensor
JP4007464B2 (ja) * 1997-10-06 2007-11-14 Ｔｄｋ株式会社 磁気探知装置
JP2001296127A (ja) * 2000-04-13 2001-10-26 Aichi Steel Works Ltd 磁場検出装置
JP2003004831A (ja) * 2001-04-17 2003-01-08 Hitachi Metals Ltd 直交フラックスゲート型磁気センサ
EP1408562A4 (en) * 2001-07-19 2009-12-23 Panasonic Corp MAGNETIC SENSOR AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF
JP4529783B2 (ja) * 2005-04-25 2010-08-25 愛知製鋼株式会社 マグネト・インピーダンス・センサ素子
US8027714B2 (en) * 2005-05-27 2011-09-27 Magnetecs, Inc. Apparatus and method for shaped magnetic field control for catheter, guidance, control, and imaging
EP1746430A1 (en) * 2005-07-22 2007-01-24 Liaisons Electroniques-Mecaniques Lem S.A. Orthogonal fluxgate magnetic field sensor
US7755360B1 (en) * 2005-10-24 2010-07-13 Seektech, Inc. Portable locator system with jamming reduction
US7535221B2 (en) * 2006-03-17 2009-05-19 Citizen Holdings Co., Ltd. Magnetic sensor element and electronic directional measuring device
CN101568847B (zh) * 2006-11-27 2012-02-01 Nxp股份有限公司 磁场传感器电路
KR101492825B1 (ko) * 2007-10-02 2015-02-12 아이치 세이코우 가부시키가이샤 마그네토 임피던스 소자 및 마그네토 임피던스 센서
CN103454601B (zh) * 2008-03-28 2016-05-18 爱知制钢株式会社 磁敏线、磁阻抗元件及磁阻抗传感器
JP4725600B2 (ja) * 2008-06-10 2011-07-13 愛知製鋼株式会社 マグネトインピーダンスセンサ素子
CN101320081B (zh) * 2008-07-09 2010-08-11 东南大学 一种微机电系统磁场传感器及测量方法
US9222992B2 (en) * 2008-12-18 2015-12-29 Infineon Technologies Ag Magnetic field current sensors
US8237438B2 (en) 2009-03-13 2012-08-07 Quantec Geoscience Very low noise magnetometer
JP4655247B2 (ja) * 2009-04-23 2011-03-23 愛知製鋼株式会社 超高感度マグネトインピーダンスセンサ
WO2011156500A2 (en) * 2010-06-08 2011-12-15 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Electrochemical methods for wire bonding
US9551772B2 (en) * 2011-01-06 2017-01-24 University Of Utah Research Foundation Organic magnetic field sensor
CN102426344B (zh) * 2011-08-30 2013-08-21 江苏多维科技有限公司 三轴磁场传感器
WO2013040446A1 (en) * 2011-09-16 2013-03-21 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York High-precision ghz clock generation using spin states in diamond
MX2014006380A (es) * 2011-12-02 2014-07-09 Koninkl Philips Nv Configuracion de bobina para formacion de imagen de particula magnetica (mpi).
JP2013205308A (ja) * 2012-03-29 2013-10-07 Hioki Ee Corp 磁界センサ
WO2014115765A1 (ja) * 2013-01-25 2014-07-31 マグネデザイン株式会社 磁気検出装置
CN103730569A (zh) * 2014-01-20 2014-04-16 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种纵向驱动式磁阻抗元件
JP2016003866A (ja) * 2014-06-13 2016-01-12 マグネデザイン株式会社 Ｚ軸用ｇｍｉ素子および超薄型３次元ｇｍｉセンサ
CN104049224B (zh) * 2014-06-25 2016-08-24 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种磁力矩器标定线圈及方法
CN204241670U (zh) * 2014-12-17 2015-04-01 王国安 基于非晶态合金材料的高灵敏度磁场传感器
JP6021238B1 (ja) * 2015-10-11 2016-11-09 マグネデザイン株式会社 グラジオセンサ素子およびグラジオセンサ
CN105911487B (zh) * 2016-04-14 2018-12-14 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种超导磁传感器探测线圈及探测器
JP2017219457A (ja) * 2016-06-09 2017-12-14 愛知製鋼株式会社 マグネトインピーダンスセンサ
CN106154187B (zh) * 2016-06-22 2019-01-11 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种三阶梯度线圈及探测器
JP6864413B2 (ja) * 2017-06-05 2021-04-28 朝日インテック株式会社 Ｇｓｒセンサ素子

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015060344A1 (ja) * 2013-10-22 2015-04-30 国立大学法人九州大学 勾配磁界センサ
US20160238673A1 (en) * 2015-02-16 2016-08-18 Magnedesign Corporation High sensitive micro sized magnetometer
RU2582488C1 (ru) * 2015-03-05 2016-04-27 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Двухпроводной дифференциальный магнитоимпедансный датчик
WO2017061513A1 (ja) * 2015-10-06 2017-04-13 愛知製鋼株式会社 微小磁性体検知センサおよび異物検知装置

Also Published As

Publication number Publication date
EP3640658A4 (en) 2021-03-24
IL271080B1 (en) 2023-05-01
EP3640658A1 (en) 2020-04-22
KR20200007886A (ko) 2020-01-22
EP3640658B1 (en) 2023-08-09
CN110832336A (zh) 2020-02-21
CN110832336B (zh) 2022-02-25
US10989768B2 (en) 2021-04-27
US20200116803A1 (en) 2020-04-16
CA3067330A1 (en) 2018-12-20
AU2018284779A1 (en) 2020-01-02
WO2018230262A1 (ja) 2018-12-20
JP7262885B2 (ja) 2023-04-24
AU2018284779B2 (en) 2021-09-09
SG11201911920VA (en) 2020-01-30
JP2019002851A (ja) 2019-01-10
IL271080B2 (en) 2023-09-01
BR112019024956A2 (pt) 2020-06-23
IL271080A (en) 2020-01-30
CA3067330C (en) 2022-07-19
KR102393394B1 (ko) 2022-05-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101815953B (zh) 磁性阻抗元件和磁性阻抗传感器
RU2746978C1 (ru) Сверхвысокочувствительный магнитный микродатчик
RU2726269C1 (ru) Чувствительный элемент gsr
KR101475551B1 (ko) 감자 와이어, 마그네트 임피던스 소자 및 마그네트 임피던스 센서
US10012705B2 (en) Magnetism measurement device
US7759933B2 (en) Magnetic amplification device comprising a magnetic sensor with longitudinal sensitivity
US20130181705A1 (en) Magneto-impedance sensor element and method for producing the same
EP2790030A1 (en) Magnetic field sensing device
US20160116551A1 (en) Magneto-impedance sensor element with electromagnetic coil and magneto-impedance sensor with electromagnetic coil
Chen et al. A power sensor tag with interference reduction for electricity monitoring of two-wire household appliances
Ripka et al. Sensitivity and noise of wire-core transverse fluxgate
Lei et al. Improved performance of integrated solenoid fluxgate sensor chip using a bilayer Co-based ribbon core
Shanglin et al. Flexible-substrate Fluxgate Current Sensor Based on MEMS Technology.
Hamada et al. Development of Low Noise MI Sensor and Its Applications.
BR112019024956B1 (pt) Microssensor magnético com ultra alta sensibilidade
CN113589204B (zh) 一种针对隧道磁电阻传感器的低频磁畴噪声抑制装置及方法
Wang et al. Design and test of a long-pulse large current sensor with a Hall probe installed inside
Yudanov et al. Off-diagonal magnetoimpedance in amorphous wires and its application in miniature sensors of weak magnetic fields
Przybylski et al. Measurements of impulse magnetic fields
RU2337371C2 (ru) Способ регистрации магнитной индукции магнитного поля
SU901925A1 (ru) Устройство дл бесконтактного измерени тока