Спин-поляризованный перенос электрического заряда в магнитных полупроводниках.

В обозримом будущем возникнет также вопрос о техническом применении колоссального магнитного сопротивления, которое было обнаружено в маг­нитных полупроводниках: в эпитаксиальных тонких пленках La–Ca–Mn–O (δ — 10⁸% при 4,2 К), массив­ных образцах соединений (La, Y, Ca)MnO₃ (S_H -10⁵% при 77 К и δ — 10³% при 300 К) и антиферромагнитных полупроводниках EuTe и EuSe (δ _H — 10¹¹% при низких температурах).

Значительный интерес представляют материалы типа (La,Ca)MnO₃, в которых колоссальное магнитосопротивление наблюдается при комнатных температу­рах. В них трехвалентные ионы лантана La³⁺ замещают­ся двухвалентными ионами кальция Ca²⁺. Сохранение зарядового баланса возможно при возникновении сме­шанного валентного состояния в виде последователь­ности ионов Mn³⁺/Mn⁴⁺ в кристаллической решетке типа перовскита. При включении электрического поля электроны могут перескакивать от одного иона Mn к другому, поэтому в узкой 3 d -зоне создается дырочная проводимость, очень чувствительная к ориентации спинов соседних ионов. Гигантское магнитосопротивление в этих материалах можно объяснить на основе модели, в которой предполагается, что в исходном состоянии при H = 0 носители тока “заперты” в высокопроводящих ферромагнитных областях, окружен­ных изолирующей антиферромагнитной фазой. Под действием магнитного поля происходят увеличение размера ферромагнитных областей, их перекрытие, а затем весь образец заполняется высокопроводящей ферромагнитной фазой. В результате носители тока получают возможность свободно перемещаться через кристалл, а сопротивление резко уменьшается, то есть возникает колоссальное магнитосопротивление.

В других материалах (La,Tb,Ca)MnO₃ также возни­кает гетерогенная магнитная структура благодаря тому, что электрон-фононное взаимодействие локализует носителей тока в пределах малых ферромагнитных об­ластей – кластеров с размерами порядка нескольких нанометров. Эти кластеры окружены парамагнитной матрицей, которая является изолятором или высокоомным полупроводником. Ферромагнитная фаза, на­оборот, является высокопроводящей. При включении и последующем росте магнитного поля объем ферро­магнитных кластеров также начинает расти, затем они соприкасаются друг с другом, а потом весь образец ста­новится ферромагнитным. Это приводит к колоссаль­ному уменьшению электросопротивления от высоких значений, характерных для изолятора, до низких зна­чений этой величины в металлах.

 

4.2. Датчики на основе новых магниторезистивных эффектов

 

GMR-преобразователи

На рис. 4.2.1, а, представлено устройство про­стейшего GMR. Он состоит из тонких фер­ромагнитных (Fe, Co) пленок 1 и немагнитной (Cu, Ag) прослойки 2. Толщина каждого слоя не превышает несколько десятков нанометров. Ми­нимально возможное число слоев, при котором наблюдается эффект, составляет два ферромаг­нитных слоя, разделенных немагнитной прослой­кой. В датчиках многослойный материал обычно изготавливают в виде узких полос шириной в не­сколько микрон. Электрическое сопротивление между крайними ферромагнитными пластинами является выходным параметром GMR.

Рис. 4.2.1. Структура GMR.

Если границы раздела между слоями абсолют­но гладкие и плоские, верхняя и нижняя пласти­ны намагничены в противоположные стороны (на рис. 4.2.1, а, направление намагниченности показано стрелками), то ферромагнитные слои притягива­ются друг к другу и это состояние стабильно.

При помещении такой многослойной струк­туры в магнитное поле с напряженностью H (рис. 4.2.1, б) в ферромагнитных слоях возникает противоречивая ситуация: взаимодействие между слоями стремится ориентировать намагниченнос­ти антипараллельно, а внешнее магнитное поле ориентирует их только в одном направлении, т. е. стремится создать параллельную ориентацию. В результате угол между намагниченностями со­седних ферромагнитных слоев с ростом напря­женности H постепенно изменяется от 180° (при H = 0) до 0° (при достижении поля насыщения H = Н_нас), а сопротивление многослойной струк­туры падает до 20 %. Обычно изменение GMR-со-противления от напряженности магнитного поля выражают в относительных единицах или про­центах:

(4.2.1)

где R(0) и R(H_Hac) — сопротивление датчика при нулевом магнитном поле и насыщающем поле с напряженностью Н_нас соответственно.

На рис. 4.2.1, б, отражена ситуация, когда вне­шнее магнитное поле полностью переориентиро­вало намагниченность нижней пластины. Если направление внешнего поля H противоположно показанному на рис. 4.2.1, б, сопротивление датчика будет также изменяться, но намагничиваться слои будут в противоположную сторону. Таким обра­зом, GMR нечувствителен к знаку измеряемого магнитного поля. Типичная зависимость магнитосопротивления от напряженности H приведена на рис. 4.2.2.

 

Рис. 4.2.2. Зависимость R H GMR.

Величина GMR-эффекта падает по мере рос­та толщины немагнитной прослойки и становит­ся практически несущественной при толщине «10 нм. Внешнее поле, направленное перпенди­кулярно к слоям датчика, вызывает небольшое изменение сопротивления. Поэтому GMR-датчи-ки наиболее чувствительны к компоненте магнит­ного поля, направленной вдоль длины ферромаг­нитной пленки.

Приведем качественную модель, объясняю­щую наблюдаемые явления. Проводимость между ферромагнитными слоями GMR осуществляется через обменное взаимодействие электронов про­водимости прослойки, так называемое взаимо­действие Рудермана—Киттеля—Касуйа—Иосмды. Так как каждый ферромагнитный слой магнито-резистора намагничен в определенном направле­нии, то и спины электронов ориентированы пре­имущественно в одном направлении. Поэтому все электроны можно разделить на две группы: к первой принадлежат электроны большинства, у которых спин ориентирован в преимуществен­ном направлении, а ко второй — электроны мень­шинства, у которых спины ориентированы в про­тивоположном направлении.

Рассмотрим GMR, состоящий из двух одина­ковых ферромагнитных и одного немагнитного слоев (см. рис. 4.2.1). В процессе своего движения электроны переходят из одного ферромагнитного слоя в другой. В каждом слое электроны боль­шинства и электроны меньшинства имеют разное время свободного пробега tQ и t_M соответственно. Из-за этого обменное взаимодействие возможно только между электронами большинства каждой из ферромагнитных пластин, а также электронами меньшинства каждой из пластин. Будем считать, что число электронов большинства каждой из пластин одинаково (или разность невелика) и рав­но также числу электронов меньшинства пластин.

Если намагниченности ферромагнитных слоев параллельны, как на рис. 4.2.1, б, то электроны боль­шинства первого слоя являются таковыми и во втором слое. Поскольку электроны переходят из слоя в слой, их вклад в электропроводность можно оценить, как в случае последовательного соедине­ния резисторов (эквивалентная схема на рис. 4.2.3, а):

 

Рис. 4.2.3. Эквивалентная схема GMR.

Rq = г_б + г_пр + г_б, где г_б и г_пр — сопротивление, создаваемое электронами большинства в ферро­магнитном слое, и сопротивление прослойки со­ответственно. Аналогично для электронов мень­шинства: R_m = г_м + г_Пр + г_м. Тогда полное сопро­тивление датчика R_n для случая параллельно ориентированных намагниченностей находится как параллельное соединение R и R_m:

(4.2.2)

Если же намагниченности слоев антипараллельны (как на рис. 4.2.1, а), то электроны большин­ства в первом слое являются электронами мень­шинства во втором. Для этого случая (эквивален­тная схема на рис. 4.2.3, б) получаем:

 

(4.2.3)

 

Так как антипараллельную намагниченность ферромагнитные слои имеют при отсутствии маг­нитного поля (Н = 0), а параллельную — при на­пряженности поля H l Н_нас, с учетом формул (1)—(3) получаем величину максимального изме­нения GMR-сопротивления:

Вариант многослойной структуры GMR, по­казанной на рис. 1, не является единственным. В зависимости от используемых материалов и на­личия дополнительных слоев возможны различ­ные структуры. Рассмотрим варианты структур и их особенности.

Один вариант был рассмотрен выше — чередо­вание ферромагнитных и немагнитных токопрово-дящих слоев, например, NiFe/Cu/NiFe/Cu... Со­седние ферромагнитные слои намагничены анти-параллельно, как на рис. 1, а, и такое состояние намагниченности устойчиво. Требуется прило­жить магнитное поле напряженностью несколько кА/м, чтобы переориентировать намагниченность в слоях на параллельную. GMR-эффект подобных датчиков составляет 4—9 %. Повысить чувст­вительности магниторезисторов возможно, ис­пользуя в магнитных слоях два типа ферромагне­тиков с различными коэрцитивными силами, на­пример NiFe/Cu/Co/Cu.... Рабочий диапазон таких GMR находится между двумя значениями коэрцитивной силы. Под воздействием внешнего поля меняет направление намагниченности толь­ко ферромагнитный слой с меньшей коэрцитив­ной силой.

Добавив антиферромагнитные слои в GMR-датчики, можно уменьшить гистерезис и повысить линейность функции преобразования магнито-резисторов. Их структура состоит из ферромаг­нитных пар, как на рис. 4.2.1, разделенных антифер­ромагнитными прослойками (1,5... 2 нм). Возмож­но, например, следующее чередование слоев

NiFeCo/CoFe/Cu/CoFe/ NiFeCo... (NiFeCo — ан­тиферромагнетик). Типичная напряженность поля насыщения подобных магниторезисторов 20 кА/м. Такая структура наиболее часто используется в коммерческих датчиках магнитного поля.

Добавление к одной из ферромагнитных пле­нок (см. рис. 4.2.1) дополнительного "скрепляющего" слоя из антиферромагнитного материала, напри­мер из FeMn или NiO, позволяет зафиксировать направление намагниченности в ферромагнитном слое. В этом случае "закрепленный" слой стано­вится менее чувствительным к внешнему маг­нитному полю. Направление намагниченности в другом "свободном" ферромагнитном слое будет изменяться под воздействием сравнительно не­большого внешнего поля. Относительное на­правление намагниченности в ферромагнитных пленках может меняться от антипараллельного до параллельного с изменением сопротивления магниторезистора в пределах 4...20 %. Рассмот­ренные выше структуры GMR нечувствительны к знаку измеряемого магнитного поля. Если в "за­крепленном" слое зафиксировать направление намагниченности перпендикулярно намагничен­ности в "свободном" слое, то магниторезистор бу­дет чувствителен к знаку поля. Особенностями магниторезисторов данной структуры являются небольшие значения гистерезиса и напряженнос­ти поля насыщения 0,8...6 кА/м.

Лучшие характеристики у GMR-датчиков до­стигаются при мостовом включении (рис. 4.2.4).

Рис. 4.2.4. Эквивалентная схема датчика.

 

Рис.4.2.5. Эквивалентная схема GMR–датчика.

 

Мостовая схема собирается из четырех идентичных магниторезисторов, два из которых — актив­ные элементы. Два других резистора помещены в магнитные экраны (резисторы покрыты слоем пермаллоя), защищающие их от внешнего маг­нитного поля. Так как все резисторы изготовлены из однотипного материала, то они имеют одина­ковый температурный коэффициент. Воздейст­вию внешним полем подвержены, таким образом, только активные резисторы.

Пермаллоевый экран действует так же, как концентратор магнитного поля для активных маг-ниторезисторов. Активные резисторы, помещен­ные в промежуток между двумя экранами (кон­центраторами поля), испытывают воздействие поля, которое больше, чем внешнее магнитное поле, приблизительно в L2/L1 раз, где L2 — длина одного концентратора, а L1 — зазор между кон­центраторами.

На рис. 4.2.4 магниторезисторы R1 и R4 помеще­ны в экран, а R2 и R3 являются активными резис­торами. Изменяя геометрические размеры маг­нитного концентратора, можно откорректировать чувствительность датчика. Так, например, на осно­ве GMR-резисторов, насыщающихся при напря­женности поля Н_нас = 20 кА/м, можно изготовить датчики с диапазоном измерения 1; 2 и 5 кА/м.

Если изменять внешнее поле периодически, то у GMR-датчика будет наблюдаться типичная гистерезисная зависимость R(H). Причем, чем большее магнитное поле было приложено, тем больше гистерезис (рис. 4.2.5). При работе датчика в магнитном поле с напряженностью, меньшей Н_нас, гистерезис почти не заметен.

Преимуществами GMR-датчиков являются небольшой размер, невысокая потребляемая мощ­ность, температурная стабильность и низкая цена. К недостаткам GMR-устройств можно отнести невысокую точность, гистерезис в характеристике датчика и, как правило, нечувствительность дат­чика к знаку измеряемого поля. Для примера в таблице представлены характеристики GMR-датчиков магнитного поля, серийно выпускаемых фирмой NVE — лидером в разработке GMR-уст­ройств. GMR-датчики, представленные в таб­лице, состоят из магниторезисторов, включенных по мостовой схеме (см. рис. 3.4), и нечувствительны к знаку измеряемого поля.

 

SDT-преобразователи

Структура SDT-ячейки схожа с устройством GMR, изображенным на рис. 4.2.1. Если в GMR-уст-ройстве прослойка 2 изготавливается из проводя­щего материала, то в SDT-структуре она представ­ляет собой тончайший слой изолятора. Из-за ма­лой толщины прослойки изолятора существует вероятность прохождения электронов проводи­мости пленок 1 через прослойку. Такое явление называют квантовым механическим туннелирова-нием. Вероятность туннелирования электронов через изолятор зависит от взаимной ориентации намагниченностей магнитных пленок 1 с разных сторон прослойки. Отсюда и название SDT — спин-зависимое туннелирование.

Упрощенно зависимость сопротивления SDT-ячейки от магнитного поля можно объяснить сле­дующим образом. Электроны проводимости со спином, направление которого совпадает с на-

 

 

правлением магнитного поля внутри ферромаг­нитных пленок 1 (см. рис. 4.2.1), испытывают мень­шее сопротивление при движении и имеют боль­шую свободу перемещения, чем электроны со спином, ориентированным против внутреннего магнитного поля, которые испытывают большее сопротивление при движении и чаще сталкивают­ся с атомами среды. В первом случае вероятность туннелирования электронов через межслойный изолятор выше и сопротивление SDT-ячейки меньше.

Для того чтобы сопротивление SDT-ячейки зависело от внешнего магнитного поля необхо­димо, чтобы изменялась взаимная ориентация намагниченностей магнитных пленок с разных слоев изолятора. Для этого SDT-резистор изго­тавливают таким образом, чтобы направление на­магниченности одного из слоев изменялось под воздействием внешнего поля, а у другого слоя бы­ло зафиксировано. Далее эти пленки будем назы­вать "свободный" слой и "закрепленный" слой соответственно.

 

Рис. 4.2.6. Структура STD-датчика.

 

Подробная структура SDT-ячейки показана на рис. 4.2.6, а. Здесь 1 — "свободный" слой, кото­рый изготавливают из ферромагнитного сплава (NiFeCo). Этот слой намагничен в направлении, показанном на рисунке стрелкой, причем направ­ление вектора намагниченности M может изме­няться под воздействием внешнего магнитного поля B. Слой 2 — слой изолятора (AI2O3) толщи­ной в 1...2 нм; только при таких малых размерах возможен туннельный эффект. Слой 3 — "закреп­ленный" слой. Выше него расположены слои 4—6, необходимые для фиксации направления намаг­ниченности в слое 3. Ферромагнитные пленки (CoFe) 3 и 5 намагничены в противоположных на­правлениях. Они совместно с тонкой пленкой 4 из рутения образуют так называемую антиферромаг­нитную сопряженную пару (antiferromagnetically coupled).

Такая структура обеспечивает стабильное на­правление намагниченности в "закрепленном" слое и минимальное внешнее магнитное поле. Антиферромагнитная пленка 6 (IrMn) улучшает временную стабильность намагниченных слоев 3 и 5, а также защищает их от спонтанного перемагничивания.

Относительная ориентация векторов намагни­чивания "свободного" и "закрепленного" слоев определяет сопротивление SDT-ячейки, причем это сопротивление минимально при одинаковом направлении векторов намагничивания и макси­мально при противоположном направлении. По­этому при изготовлении SDT-преобразователей векторы намагничивания в "свободном" и "за­крепленном" слоях при отсутствии внешнего маг­нитного поля устанавливают ортогонально.

Пусть на магниторезистор воздействует изме­ряемое поле B, имеющее направление, как пока­зано на рис. 4.2.6б, тогда вектор намагничивания "свободного" слоя M установится в положение M. Угол между векторами намагничивания пле­нок 1 и 3 уменьшится с 90° до а и, следовательно, увеличится сопротивление датчика. При измене­нии направления измеряемого поля B на противо­положное сопротивление преобразователя будет увеличиваться. Таким образом, SDT-резисторы в отличие от GMR-устройств чувствительны к на­правлению измеряемого поля. Зависимость SDT-сопротивления от угла между векторами намагни­чивания "свободного" (M) и "закрепленного" (1) слоев показана на рис. 4.2.7.

 

Рис. 4.2.7. Зависимость SDT–сопротивления от ориентации векторов намагничивания

 

Чувствительность SDT-резисторов определя­ется материалом ферромагнитных слоев и особен­ностями взаимодействия между ними. Существу­ющие ферромагнитные материалы позволяют со­здавать SDT-устройства, у которых направление намагниченности "свободного" слоя изменяется под воздействием магнитного поля уже в доли миллитесла, и тем самым обеспечивается возмож­ность создания чрезвычайно чувствительных маг­нитных датчиков. Из-за гистерезиса ферромагне­тика пленки зависимость сопротивления от маг­нитного поля также имеет гистерезис (кривая 1 на рис. 4.2.8).

Рис. 4.2.8. Гистерезис SDT-датчика.

 

 

Для улучшения метрологических характерис­тик датчиков SDT магниторезисторы выпус­каются в виде мостовых схем. Так же, как и у GMR-датчиков, два магниторезистора моста под­вергаются воздействию измеряемого магнитного поля, а два других помещаются в электромагнит­ные экраны, которые одновременно выполняют функцию концентраторов поля для повышения чувствительности (см. рис. 4.2.4). Обычно рядом с элементами моста интегрируют две катушки для создания поля смещения. У одной катушки век­тор индукции магнитного поля направлен парал­лельно вектору намагничивания в закрепленном слое (вектор 1 на рис. 4.2.6, б), а у другой — парал­лельно чувствительной оси датчика, т. е. вектору M [11]. Поля первой и второй катушек будем на­зывать ортогональным и параллельным полями смещения соответственно. Обе катушки необхо­димы для улучшения характеристик датчика.

Как упоминалось выше, характеристика SDT-устройства имеет гистерезис (кривая 1 на рис. 4.2.8). Если же увеличивать ортогональное поле смещения, то характеристика датчика становится более линейной и гистерезис уменьшается (кри­вая 2 на рис. 4.2.8). Еще большего уменьшения гис­терезиса можно добиться, сделав параллельное поле смещения переменным. При одной поляр­ности параллельное поле смещения будет сумми­роваться с измеряемым магнитным полем, а при другой — вычитаться из него. И гистерезисное смещение в первом случае будет прибавляться, а во втором — вычитаться из выходного сигнала. Благодаря этому на выходе датчика будет сигнал с переменной составляющей, усреднив который с помощью НЧ фильтра, можно получить безгисте-резисную характеристику SDT-датчика (кривая 3 на рис. 4.2.8). Очевидно, частота параллельного поля смещения должна быть значительно больше час­тоты измеряемого магнитного поля.

При отсутствии внешнего магнитного поля на выходе SDT-датчика присутствует сигнал смеще­ния. Это происходит из-за того, что векторы на­магничивания "свободного" и "закрепленного" слоев установлены не совсем перпендикулярно. Пропуская через вспомогательную катушку, со­здающую параллельное поле смещения, ток опре­деленного значения и полярности, добиваются устранения данного недостатка. Вспомогатель­ную катушку часто используют и для введения от­рицательной обратной связи, которая существен­но улучшает метрологические характеристики SDT-устройства.

Отличительной особенностью датчиков SDT-от GMR-устройств является возможность изго­товления их с широким диапазоном начального сопротивления. Обычно производят SDT-магни-торезисторы с начальным сопротивлением от еди­ниц до десятков килоом. Но есть возможность из­готавливать датчики и с более высоким сопротив­лением, благодаря чему значительно уменьшается ток SDT-моста, а значит, пропорционально сни­жается потребляемая им мощность.

Применение gmr- и sdt-магниторезисторов в промышленности.

Рассматриваемые преобразователи можно ис­пользовать взамен традиционных датчиков Холла, магнитодиодов, AMR-магниторезисторов. Их ис­пользуют в датчиках скорости вращения, датчиках положения, для бесконтактного измерения тока. В последнем случае благодаря более высокой чувствительности преобразователей удается изме­рять значительно меньшие токи. Небольшой раз­мер GMR- и SDT-датчиков позволяет измерять слабые магнитные поля очень маленьких объек­тов, а также измерять распределение магнитного поля с высокой разрешающей способностью.

 

Датчики обнаружения

Наиболее просто обнаружить объект, имею­щий собственное магнитное поле, например, на­магниченную частицу или предмет со встроен­ным магнитом. Применяя высокочувствительные GMR- и SDT-магниторезисторы, такие объекты можно выявить на значительном расстоянии.

Этот же принцип можно использовать для идентификации магнитных карт, на которых ин­формация записана в виде магнитных меток. Применяя интегральные матрицы из GMR- или SDT-элементов, можно легко считать картину магнитного поля карты. Для этого ее достаточно поднести к датчику на расстояние нескольких миллиметров. В подобных индуктивных преобра­зователях магнитная карточка должна находиться в непосредственном контакте с датчиком, при этом ее еще необходимо перемещать.

Расположив постоянный магнит от GMR- или SDT-преобразователей на некотором расстоянии (достаточном, чтобы не насытить магниторезис-торы), можно обнаруживать объект по вносимому им искажению поля.

В другом способе используют нечувствитель­ность GMR- и SDT-преобразователей к перпен­дикулярному полю. На рис. 4.2.9, а, магнит 2 расположен непосредственно на магниторезисторе 1 так, что его линии магнитной индукции перпен­дикулярны чувствительной оси датчика. Из-за этого на выходе преобразователя практически от­сутствует полезный сигнал. При приближении к датчику объекта 3 (рис. 4.2.9, б) происходит искаже­ние картины поля, появляются горизонтальные составляющие векторов индукции магнитного по­ля, на которые реагирует датчик. Если объект 3 ферромагнетик, то в качестве магнита 2 можно использовать постоянный магнит. Если же пред­мет 3 сделан из немагнитного, но электропровод­ного материала, то необходимо использовать электромагнит для формирования переменного магнитного поля. В этом случае в объекте 3 будут индуцироваться вихревые токи, появится собст­венное магнитное поле, направленное против ин­дуцируемого, которое и обнаружит датчик.

 

 

Рис.4.2.9. Датчик обнаружения.

 

Обнаружить объект также можно по искаже­нию им магнитного поля Земли. Железный объект, например автомобиль, создает местное искривле­ние однородного геомагнитного поля (рис. 4.2.10). GMR- или SDT-резистор, расположенный под полотном дороги, выявляет это. По величине и форме сигнала с датчика можно классифициро­вать транспортное средство (мотоцикл, легковой автомобиль, грузовик, автобус или др.). Подобные устройства можно использовать в системах управ­ления светофорами для регулирования транспор­тных потоков, для указания числа свободных мест на стоянках и в подземных гаражах. Другая об­ласть применения — железная дорога. Два датчи­ка, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, могут обнаружить приближающийся по­езд, его направление и скорость для того чтобы осуществлять управления шлагбаумами и семафо­рами на железнодорожном переезде.

 

Рис. 4.2.10. Влияние автомобиля на линии магнитной индукции Земли.

 

С помощью высокочувствительных GMR- и SDT-резисторов можно обнаруживать железные предметы в почве, например, неразорвавшиеся бомбы. Используется дифференциальная схема включения двух датчиков, расположенных на рас­стоянии в несколько десятков сантиметров. Если магнитное поле вокруг одного датчика отлично от поля вокруг другого датчика, то на выходе уст­ройства появится сигнал. Такая ситуация возмож­на, когда однородное геомагнитное поле искаже­но ферромагнитным предметом в земле. Подоб­ные устройства могут использоваться в геофизике для обнаружения железных руд.

 

Датчик перемещения

Датчик перемещения изображен на рис. 4.2.11. Здесь для измерения используется нелинейность магнитных линий вокруг постоянного магнита 1. При перемещении вдоль штрихпунктирной ли­нии от центра к краю рисунка горизонтальные со­ставляющие векторов магнитной индукции будут уменьшаться, а вертикальные увеличиваться. Ес­ли два SDT-магниторезистора 2 расположить так, чтобы их магнитные оси чувствительности были перпендикулярны, то при перемещении с их выхо­дов получим сигналы и «2, схематично изобра­женные в верхней части рис. 4.2.11. По этим сигна­лам несложно определить перемещение объекта.

Рис.4.2.11. Измерение перемещения.

Дефектоскопия

На основе матриц из GMR- или SDT-магниторезисторов возможно изготовление дефектос­копов для определения пустот в металле, скрытых трещин или коррозии. Упрощенно такое устрой­ство показано на рис. 4.2.12, а. Оно содержит ка­тушку 2 и интегральную микросхему 1 с матрицей из GMR- или SDT-элементов. Магнитное поле катушки возбуждения направлено перпендику­лярно чувствительным осям магниторезисторов. Если исследуемый материал 3 однороден, то на все магниточувствительные элементы матрицы воздействует одинаковое поле. При наличии в ма­териале дефектов 4 в картине магнитного поля появляется неоднородность, которую фиксируют элементы GMR- или SDT-матрицы. Обработав информацию с датчиков и визуализировав ее, по­лучим картину скрытых дефектов, подобно изоб­раженной на 4.2.12, б.

Рис. 4.2.12. Выявление скрытых дефектов.

Размер катушки выбирают в зависимости от того, какие дефекты хотят обнаружить. Для круп­ных и глубоких дефектов необходима большая ка­тушка, для мелких — маленькая, расположенная близко к материалу. Необходимо учитывать, что эффективная глубина проникновения d магнит­ного поля в материал связана с его проводимос­тью а, абсолютной магнитной проницаемостью ц_а и частотой воздействующего поля f следующей за­висимостью: d = 1/7пfi_aа. Благодаря этому, из­меняя частоту магнитного поля, можно исследо­вать различные глубины материала. При постоян­ном воздействующем поле обнаруживаются и глубоко скрытые дефекты. Заметим, что традици­онные индукционные дефектоскопы не способны обнаруживать дефекты при постоянном магнит­ном поле. Другим преимуществом рассматривае­мых дефектоскопов в сравнении с индукционным является более высокая разрешающая способ­ность.

Электронный компас

Вектор магнитной индукции Земли В, каса­тельный к силовой линии, не лежит в плоскости горизонта данного места, а образует с ней неко­торый угол I (от англ. inclination — наклонение) (рис. 4.2.13).

Рис. 4.2.13. Составляющая магнитного поля земли.

Рис. 4.2.14. Регистрация биочастиц.

Линия, вдоль которой устанавливается магнитная стрелка компаса под действием земно­го магнетизма, называется магнитным меридианом данного места. Угол между магнитным ММ и гео­графическим ГМ меридианами называют магнит­ным склонением; его принято обозначать буквой D (от англ. declination — склонение). Величина гео­магнитной индукции В в зависимости от место­положения может изменяться от 50 до 85 мкТл. Горизонтальная составляющая этого вектора B_H, необходимая для определения частей света, зна­чительно меньше вертикальной Bv. В средних широтах значение горизонтальной составляющей индукции B_H ориентировочно равно 10—20 мкТл.

Для определения сторон света с точностью 0,1° в геомагнитном поле с горизонтальной составляю­щей в 15 мкТл необходима чувствительность маг­нитного датчика не хуже 26 нТл. Такую чувст­вительность могут обеспечить GMR- или SDT-магниторезисторы. Обычно используются три SDT-магниторезистора, у которых магниточувст-вительные оси ортогональны.

Для правильной работы электронного компаса он должен быть расположен горизонтально, иначе возможны большие погрешности определения азимута (рис. 4.2.13). Поэтому совместно с трехкоординатными датчиками магнитного поля исполь­зуется датчик наклона. Зная наклон, несложно вычислить истинный азимут.

 

ПРИМЕНЕНИЕ GMR- И SDT-ДАТЧИКОВ В МЕДИЦИНЕ

Очень высокая чувствительность рассматрива­емых датчиков позволяет создавать новые, уни­кальные методы исследования и контроля различ­ных физиологических процессов.

Регистрация нервных импульсов

Нервные импульсы (импульсы тока) можно регистрировать посредством создаваемых ими магнитных полей. Предлагаемый способ более надежен и удобен, чем подключение электродов к пациенту для снятия поверхностных электри­ческих потенциалов, возбуждаемых нервными импульсами.

Устройства, регистрирующие нервные им­пульсы по создаваемому ими магнитному полю, изготавливались ранее на основе СКВИД (сверх­проводящие квантовые интерференционные уст­ройства) ячеек. Но эти устройства очень громоздки и дороги. GMR- и SDT-датчики позволяют созда­вать недорогие портативные регистраторы нервных импульсов, например, типа энцефалографа.

 

Контроль положения частей тела

Во многих медицинских исследованиях для повышения точности измерения диагностически значимых параметров важным условием является контроль положения частей тела пациента, в час­тности головы. В этих случаях становится целесо­образным использование магниточувствительных трехкоординатных датчиков, которые закрепля­ются на объекте. Сигналы с датчиков, несущие информацию о компонентах магнитного поля Земли, обрабатываются и по полученным резуль­татам рассчитывают закон движения и положение частей тела относительно их начальных значений. Такие датчики могут также сигнализировать о критическом состоянии пациента, например по резко увеличившемуся тремору.

В некоторых случаях маленький постоянный магнит закрепляют на диагностируемой части те­ла. Например, вмонтированный в контактную линзу миниатюрный магнит и трехкоординатный датчик магнитного поля, закрепленный на рамке около глаз, могут фиксировать движение зрачков. Такая система компактна и не мешает пациенту выполнять обычные действия. Трехкоординатный датчик необходим для учета влияния магнитного поля Земли на результаты измерения.

 

Магнитные биопробы

Магнитные частицы давно используются в биологических исследованиях. Эти частицы име­ют размер от нескольких нанометров до несколь­ких микрон и состоят из феррита, заключенного в пластмассовые или керамические сферы. Полу­ченные гранулы покрывают составом, по своим химическим и биологическим свойствам подоб­ным ДНК или антителу. Благодаря этому такие частицы могут выборочно связываться с анализи­руемыми биологическими веществами, например, белками, антителами, болезнетворными организ­мами, токсинами, ДНК и т. п. Таким образом, про­исходит маркировка исследуемых частиц, но не всех. Удаление немаркированных частиц осущест­вляют с помощью внешнего магнитного поля.

Для регистрации промаркированных биочас­тиц используют интегральные матрицы из GMR-или SDT-элементов, где каждый элемент матри­цы состоит из нескольких магниторезисторов, включенных по мостовой схеме (см. рис.4.2.4). Бла­годаря малому размеру GMR- или SDT-ячеек, ко­торые соизмеримы с исследуемыми частицами, удается точно регистрировать их поведение. Заме­тим, что в настоящее время изготавливают в ос­новном GMR-матрицы, но более перспективны­ми являются матрицы из SDT-ячеек, так как они имеют меньшие размеры и большую чувствитель­ность. Принцип регистрации исследуемых био­частиц схематично представлен на рис. 14. Здесь 1 — матрица магниторезисторов, на которой на­ходится кювета 3 с исследуемыми частицами 2. Электромагнит 4 создает магнитное поле с индук­цией B. Магниторезисторы имеют максимальную чувствительность к горизонтальной составляю­щей магнитного поля и нечувствительны к вер­тикальной его составляющей. Маркированные биочастицы 2 искривляют вертикальные линии магнитной индукции, создаваемые электромаг­нитом 4. Благодаря этому появляется горизон­тальная составляющая поля, которую и регистри­руют магниторезисторы матрицы.

Электромагнит 4 создает переменное магнит­ное поле частотой в несколько сотен герц. На вы­ходе магниточувствительной матрицы используют узкополосный усилитель, настроенный на частоту переменного поля электромагнита. Благодаря это­му удается повысить чувствительность устройства, снизить уровень собственных шумов GMR- или SDT-магниторезисторов, значительно уменьшить влияние внешних магнитных полей (например, от магнитного поля Земли) и избавиться от напря­жения смещения, вызванного разбалансировкой мостовой схемы ячейки матрицы.

Для того чтобы надежно регистрировать био­частицы, необходимо располагать их как можно ближе к элементам матрицы, поскольку интен­сивность магнитного поля уменьшается обратно пропорционально кубу расстояния. Поэтому це­лесообразно изготавливать кювету 2 непосред­ственно на корпусе микросхемы матрицы дат­чиков 1.

Рассмотренное устройство в целом позволяет регистрировать как поведение и взаимодействие биочастиц, так и их реакцию на вводимые реаген­ты. Информация с матрицы датчиков передается на компьютер, где она отображается на экране в реальном масштабе времени, подвергается обра­ботке и оцениванию результатов наблюдений.