Структура для преобразователей механических деформаций
STRUCTURE FOR MECHANICAL DEFORMATION CONVERTERS

Изобретение модель относится к области магнитострикционных элементов магнитной стрейнтроники и может быть использовано в преобразователях механических деформаций (напряжений, давлений), акустических преобразователях на основе многослойных тонкоплёночных магнитострикционных наноструктур с анизотропным магниторезистивным (АМР) эффектом.
Известны структуры содержащие магниторезистивный и магнитострикционные слои (Международная заявка WO 95/03604, опубликована 02.02.1995 г., МПК G11B5/66, 5/127? 5/147, H01F1/00, B32B15/00,15/20, G01R33/02), используемые в магнитных устройствах цифровой памяти.
Известны тонкоплёночные наноструктуры с магниторезистивными и магнитострикционными свойствами на основе сплава FeNiCo (V.V. Amelichev, D.A. Zhukov, D.V. Kostyuk et al. Magnetoresistive and Magnetostrictive Properties of CoxFe1-x Thin-Film Nanostructures for Magnetic Straintronic Devices // International Journal of Mechanical Engineering and Technology 9(9), 2018, pp. 1427–1438.) Данные наноструктуры возможно использовать в преобразователях механических напряжений, однако они обладают низким значением АМР эффекта.
Недостатком известных наноструктур является неудовлетворительное соотношение магнитострикционного и анизотропного магниторезистивного эффекта, что не позволяет в полное мере использовать их в преобразователях механических деформаций.
Технической проблемой, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является создание наноструктуры с оптимальными анизотропным магниторезистивным эффектом и магнитострикцией для последующего использования в преобразователях (датчиках) механических деформаций, основанных на изменении магнитных свойств магнитострикционного слоя под действием механической деформации / напряжения и измерении возникающего магниторезистивного эффекта.
Технический результат заключается в расширении арсенала технических средств преобразователей (датчиков) механических деформаций, основанных на ином способе преобразования, отличном от существующих, а именно: изменении магнитных свойств магнитострикционного слоя под действием механической деформации / напряжения и измерении возникающего магниторезистивного эффекта в другом слое.
Для достижения вышеуказанного технического результата структура для преобразователей механических деформаций содержит расположенные между защитными слоями слой с анизотропным магниторезистивным эффектом, выполненный из сплава содержащего Fe, Ni, Co, (железо, никель, кобальт) и слой из магнитострикционного материала, выполненный из сплава, содержащего Fe и Co (железо и кобальт) или Co, Fe и B (железо, кобальт, бор).
В частом случае выполнения изобретения защитные слои выполнены из тантала.
В частом случае выполнения изобретения слой из магнитострикционного материала выполнен с магнитострикционной постоянной более 10 ppm.
В частом случае выполнения изобретения анизотропный магниторезистивный эффект в слое, выполненного из сплава содержащего Fe, Ni, Co, составляет более 1%.
В частом случае выполнения изобретения отношение толщины слоя из магнитострикционного материала к толщине слоя с анизотропным магниторезистивным эффектом находится в диапазоне от 0,5 до 4.
x
y
z
В частом случае выполнения изобретения в качестве материала с анизотропным магниторезистивным эффектом выбран сплав FeNiCo, где 10<X<55, 45<Y<95, 5< Z<30.
a
b
В частом случае выполнения изобретения в качестве магнитострикционного материала с выбран сплав FeCo , где 20<a<70, 30< b<80.
c
d
e
В частом случае выполнения изобретения в качестве магнитострикционного материала с выбран сплав FeCo B , где 30<c<60, 30<d<70, 5< e<30.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в наноструктуре слои (пленки) из выбранного материала по отдельности обладают, одна – высокой магнитострикцией, другая – высоким АМР эффектом. В результате их совместного использования в наноструктуре, слой с АМР эффектом будет обладать пониженными, но приемлемыми значениями АМР эффекта для создания работоспособного магнитострикционного элемента с измерением АМР эффекта (АМР считыванием), по сравнению с наноструктурой с одной магнитострикционной пленкой с практически нулевым АМР эффектом или одной АМР пленкой с практически нулевой магнитострикцией, либо одной пленкой с магниторезистивными и магнитострикционными свойствами.
Изобретение поясняется следующими графическими материалами.
На фиг.1 представлена схема наноструктуры.
50
50
50
50
На фиг.2 приведены графикимагнитных характеристик наноструктуры Ta (5 нм) / FeNiCo (20 нм) / CoFe (10 нм) / Ta (5 нм). На фиг.3 представлены результаты измерения АМР эффекта наноструктуры Ta (5 нм) / FeNiCo (20 нм) / CoFe (10 нм) / Ta (5 нм) в условиях наличия/отсутствия механической нагрузки.
50
50
На фиг.3 приведены графики измерения магнетосопротивления в условиях приложения механической деформации в структуре Ta (5 нм) / FeNiCo (20 нм) / CoFe (10 нм) / Ta (5 нм).
50
50
50
50
На фиг.4 приведены магнитные характеристики наноструктуры Ta (5 нм) / FeNiCo (10 нм) / CoFe (20 нм) / Ta (5 нм). На фиг.5 представлены результаты измерения АМР эффекта наноструктуры Ta (5 нм) / FeNiCo (10 нм) / CoFe (20 нм) / Ta (5 нм) в условиях наличия/отсутствия механической нагрузки.
На фиг.6 приведены магнитные характеристики наноструктуры Ta (5нм) / FeNiCo (10 нм) / CoFeВ (10 нм) / Ta (5 нм). На фиг.7 представлены результаты измерения АМР эффекта наноструктуры Ta (5нм) / FeNiCo (10 нм) / CoFeВ (10 нм) / Ta (5 нм) в условиях наличия/отсутствия механической нагрузки. 1 – ОТН без деформации;2 – ОТН под деформацией; 3 – ОЛН под деформацией; 4 – ОЛН без деформации.
На фиг.7 приведены результаты измерения АМР эффекта, в условиях наличия/отсутствия механической нагрузки для наноструктуры Ta (5нм) / FeNiCo (10 нм) / CoFeВ (10 нм) / Ta (5 нм). 1 – без механической нагрузки; 2 – механическая нагрузка 120 Мпа.
2
3
4
Структура содержит два защитных слоя 1, 2 (фиг.1), между которыми сформированы два слоя: FeNiCo пленка 3 и магнитострикционная плёнка 4. Структура сформирована на диэлектрическом слое 5: SiO и/или SiN. Защитные слои 1, 2, обычно, выполняются из высокорезистивного немагнитного металла Ti или Ta или его нитридов толщиной 3 – 5 нм. Защитные слои выполняют функцию защиты структуры от внешних воздействий при изготовлении и эксплуатации наноэлементов на основе двухслойной наноструктуры, в первую очередь, от влияния кислорода, ухудшающего магнитные параметры. Толщины слоев 3 и 4 определяется областью применения преобразователя и, обычно, лежит в диапазоне 5 – 20 нм, при этом отношение толщины слоя из магнитострикционного материала к толщине слоя с анизотропным магниторезистивным эффектом находится в диапазоне от 0,5 до 4. Указанное соотношение является оптимальным для проявления магнитострикционным свойств одного слоя и анизотропного магниторезистивного эффекта другого.
∆R
М
I:
Изменение магнитосопротивления  наноструктуры при действии на неё магнитного поля пропорционально квадрату косинуса угла φ между векторами намагниченности  АМР FeNiCo пленки 3 и планарно протекающего в ней сенсорного тока
∆R=(∆ρ/ρ)·R·cos
φ
2
∆ρ/ρ
где () – величина АМР эффекта,
R
– сопротивление АМР пленки наноструктуры.
М
Таким образом, минимальное и максимальное сопротивление наноструктуры соответствует параллельному и перпендикулярному направлению  АМР плёнки 3 относительно направления протекающего в ней сенсорного тока.
50
50
50
50
Наноструктуры работает следующим образом. На фиг.2 представлена зависимость перемагничивания B(H) Ta (5 нм) / FeNiCo (20 нм) / CoFe (10 нм) / Ta (5 нм) наноструктуры для ОЛН и ОТН в переменном магнитном поле величиной до 300 Э в условиях механической нагрузки и в ее отсутствие. Результаты измерения магнетосопротивления в условиях приложения механической деформации в Ta (5 нм) / FeNiCo (20 нм) / CoFe (10 нм) / Ta (5 нм) наноструктуре представлены на фиг.3.
(∆R/R)
σ
Для исследованного экспериментального образца в отсутствии механической нагрузки определен АМР эффект на уровне 0,01%. Однако, при воздействии механической нагрузки 120 МПа в наноструктуре зарегистрирован рост АМР эффекта до 1,23%. Таким образом, относительное изменение сопротивления, обусловленное нагрузкой  составляет 1,22%, что соответствует типичным значениям АМР эффекта для ферромагнитных FeNiCo пленок.
50
50
50
50
σ
(∆R/R)
На фиг.4 представлена зависимость перемагничивания наноструктуры Ta (5 нм) / FeNiCo (10 нм) / CoFe (20 нм) / Ta (5 нм) для ОЛН и ОТН в условиях механической нагрузки и в ее отсутствие. Проведенные исследования величины АМР эффекта наноструктуры Ta (5 нм) / FeNiCo (10 нм) / CoFe (20 нм) / Ta (5 нм) представлены на фиг.5. Для исследованного образца в отсутствии механической нагрузки определен АМР эффект на уровне 0,1%, значение коэрцитивной силы составило ~ 13 Э. При воздействии деформации АМР эффект увеличился до 1,22%, а значение коэрцитивной силы уменьшилось до 7 Э. Таким образом, относительное изменение сопротивления, обусловленное нагрузкой  составляет 1,12%.
(∆R/R)
σ
На фиг.6 представлена зависимость перемагничивания наноструктуры Ta (5нм) / FeNiCo (10 нм) / CoFeВ (10 нм) / Ta (5 нм) для ОЛН (оси легкого намагничивания) и ОТН (оси трудного намагничивания) в условиях механической нагрузки и в ее отсутствие. Результаты измерения АМР эффекта, в условиях наличия/отсутствия механической нагрузки, наноструктуры Ta (5нм) / FeNiCo (10 нм) / CoFeВ (10 нм) / Ta (5 нм) представлены на фиг.7. Для образца данного в отсутствии механической нагрузки определен АМР эффект 0,01%. При воздействии механической нагрузки 120 МПа АМР эффект увеличился до 0,58%. Таким образом, относительное изменение сопротивления, обусловленное нагрузкой  составляет 0,57%.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что оптимальным является слой из магнитострикционного материала с магнитострикционной постоянной более 10 ppm. Проведенные экспериментальные исследования показали, что желательно, чтобы анизотропный магниторезистивный эффект в слое, выполненного из сплава содержащего Fe, Ni, Co, составлял более 1%.
x
y
z
a
b
c
d
e
Проведенные исследования показали возможность использования следующего диапазона соотношения элементов выбранных материалов в сплавах для получения оптимального эффекта. В качестве материала с анизотропным магниторезистивным эффектом может быть выбран сплав FeNiCo, где 10<X<55, 45<Y<95, 5< Z<30. В качестве магнитострикционного материала может быть выбран сплав FeCo, где 20<a<70, 30< b<80. В качестве магнитострикционного материала может быть выбран сплав FeCoB, где 30<c<60, 30<d<70, 5< e<30.
Положительные результаты с точки зрения приемлемых для работы элементов значений магнитострикции АМР эффектов определяются оптимальными соотношениями магнитных параметров пленок выбранных материалов.
Таким образом, предложенные Ta / FeNiCo / CoFe / Ta и Ta / FeNiCo / CoFeВ / Ta наноструктуры имеют оптимальные магнитные параметры для функционирования и применения в элементах преобразователей механических деформаций, основанных магнитострикции с АМР считыванием.