Конструирование и производство
датчиков, приборов и систем
УДК 537.618
РАЗРАБОТКА ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ РАЗВЯЗОК НА ОСНОВЕ НАНОСТРУКТУР СО СПИН-ВЕНТИЛЬНЫМ
МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫМ ЭФФЕКТОМ
1
DEVELOPMENT OF GALVANIC IZOLATORS ON THE BASIS OF NANOSTRUCTURES FROM SPIN-VALVE MAGNETORESISTIVE EFFECT
Беляков Петр Александрович
мл. научн. сотрудник ® (499) 720-87-79
Костюк Дмитрий Валентинович
ст. научн. сотрудник ® (499) 720-87-79
2) Абанин Иван Евгеньевич
зам. директора
2) Амеличев Владимир Викторович
канд. техн. наук, нач. отдела ® (499) 720-87-79
Орлов Евгений Павлович
мл. научн. сотрудник ® (499) 720-87-79
Васильев Дмитрий Вячеславович
мл. научн. сотрудник ® (499) 720-87-79
3)
Касаткин Сергей Иванович
д-р техн. наук, зав. лаборатории E-mail: serkasat@ipu.rssi.ru
3)
Муравьев Андрей Михайлович
канд. техн. наук, вед. научн. сотрудник ® (495) 334-75-79
4) Крикунов Алексей Ильич
канд. физ.-мат. наук, вед. научн. сотрудник ® 8-903-287-57-37
1) Шаманаев Сергей Владимирович
ген. директор
1) Belyakov Petr A.
Associate Scientist ® (499) 720-87-79
1} Kostyuk Dmitriy V.
Senior Researcher ® (499) 720-87-79
2) Abanin Ivan E.
Depute Director
2) Amelichev Vladimir V.
Ph. D. (Tech.), Head of Department ® (499) 720-87-79
1) Orlov Evgeniy P.
Associate Scientist ® (499) 720-87-79
1} Vasil'ev Dmitriy V.
Associate Scientist ® (499) 720-87-79
3) Kasatkin Sergey I.
D. Sc. (Tech.), Head of Laboratory E-mail: serkasat@ipu.rssi.ru
3) Murav'ev Andrey M.
Ph. D. (Tech.), Leading Researcher E-mail: serkasat@ipu.rssi.ru
4) Krikunov Alecsey I.
Ph. D. (Phys.Math.), Leading Researcher ® 8-903-287-57-37
1) Shamanaev Sergey V.
General Director
Представленные результаты получены при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (ГК№ 14.427.12.0002 от 30.09.2013 г.).
32
Sensors & Systems • № 4.2015
1 ООО НПП "Технология", Зеленоград
2) НПК "Технологический центр", Зеленоград
3) ФГБУН Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН, Москва
4) ООО "Фатран-Авто", Москва
Аннотация: Рассмотрены основные конструктивно-технологические решения, применяемые в гальванических развязках (ГР) с гигантским магниторезистивным эффектом. Представлены результаты исследования спин-вентильных магниторезис-тивных (СВМР) наноструктур с антиферромагнитной пленкой (Ta—FeNiCo—CoFe—Cu—CoFe—FeNiCo—FeMn—Ta) для создания на их основе отечественных цифровых ГР. Получены магниторезистивные элементы на основе разработанных технологических процессов формирования наноструктур с величиной СВМР-эффекта 7—8 % при комнатной температуре. Ключевые слова: гальваническая развязка; гигантский магни-торезистивный эффект; спин-вентильный магниторезистив-ный эффект, цифровой сигнал.
SPE Technology, Zelenograd sity
2) SIC Technology Centre, Zelenograd sity
3) V. A. Trapeznikov Institute of Control Sciences of RAS, Moscow
4) Fatran-Avto LLC, Moscow
Abstract: In article the basic is constructive-technological decisions applied in galvanic izolators (GI) with giant magnetoresistive by effect are considered. Results of research of spin-valve magnetoresistive (SVMR) nanostructures with an antiferromagnetic film (Ta—FeNiCo—CoFe—Cu—CoFe—FeNiCo—FeMn—Ta) for creation on their basis domestic digital GI are presented. Are received magnetoresistive elements on the basis of the developed technological processes of formation nanostructures with size SVMR of effect 7—8 %, at a room temperature.
Keywords: galvanic izolator; giant magnetoresistive effect; spin-valve magnetoresistive effect, digital signal
ВВЕДЕНИЕ
Гальваническая развязка (ГР) обеспечивает прохождения сигналов с минимальными искажениями при одновременном устранении влияния всевозможных наведенных потенциалов на различные элементы схемы. При проектировании современных систем обязательно выполняются требования наличия ГР, особенно в устройствах ввода-вывода и передачи информации. Основными областями применения ГР являются приборы с цифровой обработкой сигналов, модемы, локальные сети, компьютеры, ключи, телефоны, принтеры, факсы и т. д. Широкое распространение получили оптические ГР, но в ряде применений необходимы и другие физические принципы их построения.
Новый подход к созданию ГР нашла американская фирма №УЕ, которая разработала и выпускает целый спектр ГР на основе спин-вентильного магниторезистивного (СВМР) эффекта. Эта фирма запатентовала технологию и структуру интегральной ГР, в которой интегрируются следующие элементы: СВМР-наноструктура в форме меандра, планарная катушка, диэлектрический слой и магнитный экран [1]. От одной до четырех таких ГР на основе СВМР-наноструктур объединяются в одном чипе с интегральными полупроводниковыми схемами.
На рис. 1 схематически изображено взаимное расположение основных элементов чипа ГР на основе СВМР-наноструктуры. Ток входного сигнала протекает по входной планарной катушке. Пропорциональное току сигнала магнитное по-
ле, генерируемое катушкой, направлено в плоскости СВМР меандра. Электрическое сопротивление СВМР-меандра чувствительно именно к этому направлению магнитного поля. Такая конструкция способствует компактности всей интегральной ГР в сравнении с конструкцией на основе датчика Холла, чувствительного к перпендикулярному подложке магнитному полю.
Магнитное поле катушки изменяет сопротивление СВМР-меандра, что позволяет с помощью специальной электронной схемы сформировать на выходе копию входного сигнала. Входной сигнал повторяется на выходе схемы практически без искажений, в то время как потенциалы входных и выходных цепей относительно общей земли могут изменяться независимо, т. е. достигается гальваническая развязка схемы. Изолирующий барьер между входной катушкой и СВМР-меандром обеспечивается специальным полимерным диэлектрическим слоем (на рис. 1 не показан). В зависимости от толщины этого изолирующего слоя допустимое напряжение между входной катушкой и
Рис. 1. Конструкция СВМР ГР
Рис. 2. Четырехканальная СВМР ГР с электронным управлением фирмы
СВМР магниточувствительным наноэлементом может достигать 25 кВ. Частотный диапазон ГР на основе СВМР-наноструктуры, как правило, ограничен значением 200 МГц [1].
Как упоминалось выше, в качестве дополнительного усовершенствования ГР на основе СВМР-наноструктуры над катушкой имеется магнитный экран из пермаллоя, обладающий большой магнитной проницаемостью (см. рис. 1). Он выполняет двойную положительную роль: экранирует магниточувствительный элемент от внешних паразитных магнитных полей и увеличивает собственное магнитное поле катушки для данного тока. На рис. 2 приведен внешний вид четырехканаль-ной ГР на основе СВМР-наноструктуры фирмы с электронным управлением на одном кристалле размером 1,1 х 1,9 мм .
ИССЛЕДОВАНИЕ СВМР-НАНОСТРУКТУР И МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПОЛОСОК НА ИХ ОСНОВЕ
Коллектив авторов данной статьи много лет занимается разработкой анизотропных магнито-резистивных преобразователей магнитного поля и тока [3—11]. Поэтому переход к разработке маг-ниточувствительных элементов на базе наноструктур с гигантским магниторезистивным (ГМР) эффектом, обладающих, с одной стороны более высокими техническими характеристиками, а с другой — существенно более сложной технологией изготовления, стал естественным шагом в даль-
нейшем исследовании этого направления магнитной спинтроники.
Основой СВМР-наноэлемента является металлическая наноструктура с ГМР-эффектом на уровне 10 % при комнатной температуре. В настоящее время для практических применений в СВМР-наноэлементах в основном используются наноструктуры типа Та—РеМСо—СоРе—Си—СоРе— Ре№Со—РеМп(1гМп)—Та [2, 3]. Верхняя (граничащая с пленкой сплава антиферромагнетика) ферромагнитная пленка сплава РеМСо, формируемая при напылении в постоянном магнитном поле, обладает магнитной анизотропией на уровне 20...30 Э и определенной направленностью относительно топологии полоски резистивного на-ноэлемента. Нижняя ферромагнитная РеМСо пленка толщиной около 10 нм является магнито-чувствительной (свободной) пленкой, в которой под действием внешнего магнитного поля Н меняется направление вектора намагниченности М.
Верхняя ферромагнитная Ре№Со пленка является фиксированной пленкой, т. е. направление ее вектора намагниченности не меняется (или слабо меняется) при воздействии на него магнитного поля Н благодаря обменному взаимодействию с прилегающей к ней антиферромагнитной РеМп(1гМп) пленки. Толщина разделительного Си слоя составляет единицы нанометров. Поля перемагничива-ния нижней и верхней ферромагнитной РеМСо пленки должны максимально различаться для получения максимального сигнала считывания. Это связано с тем, что изменение магнитосопротив-ления АЯ полоски и, следовательно, величины СВМР-сигнала и пропорциональны со8(аф — ас), где аф и ас — углы векторов намагниченности фиксированной и свободной ферромагнитной пленок относительно топологии полоски.
Разработан технологический процесс создания СВМР-наноструктур путем магнетронного распыления пяти мишеней в вакууме с постоянным магнитным полем. Были получены металлические наноструктуры Та—РеМСо—СоРе—Си—СоРе— РеМСо—РеМп—Та с магнитостатическими параметрами и величиной СВМР эффекта 7—8 % при комнатной температуре.
В результате исследования были определены оптимальные толщины функциональных слоев наноструктур и параметры магнитного отжига. Петля гистерезиса В(Н) типичной СВМР-нано-структуры приведена на рис. 3. Петля перемаг-ничивания с небольшой коэрцитивной силой Нс величиной до 6—8 Э принадлежит свободной
34 - Бепвогв & БувЬетв • № 4.2015
FeNiCo пленке. Петля гистерезиса, сдвинутая по магнитному полю до 250 Э с увеличенной Нс свыше 10 Э, принадлежит фиксированной FeNiCo пленке. На рис. 4 приведена петля гистерезиса наноструктуры при измерении СВМР-эффекта А R/R %(H). Различия в форме петель гистерезиса наноструктур объясняются выбранным измеряемым физическим параметром, имеющим петлю гистерезиса, а именно B(H) или А R/R %(H).
Отработан технологический процесс формирования магниточувствительных СВМР-полосок из наноструктур. Были изготовлены и исследованы наборы СВМР-пол
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.