Магнитные наноструктуры для высокочувствительных сенсоров и устройств специального назначения

В мире в настоящее время широкое применение получают устройства магнитоэлектроники, созданные на основе магниточувствительных наноматериалов с гигантским магниторезистивным (ГМР) эффектом. Их основное преимущество заключается в высоком уровне полезного сигнала по отношению к фону, что обеспечивает более надежное функционирование устройств и повышает предел их чувствительности к магнитному полю. На основе магнитных ГМР наноструктур могут быть разработаны новые типы высокочувствительных магнитных сенсоров для устройств гражданского и специального назначения, таких как:

  • промышленная робототехника и автомобили;
  • приборы неразрушающего контроля;
  • устройства промышленной автоматики;
  • системы контроля линейного и углового перемещения;
  • системы управления скоростью вращения вала двигателя;
  • интегральные датчики тока и биодатчики;
  • устройства детектирования слабых электромагнитных сигналов;
  • приборы специального назначения.

В Институте физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук к настоящему времени разработана технология получения таких магниточувствительных наноматериалов с ГМР эффектом. Получены магнитные наноструктуры нескольких типов с величиной магнитосопротивления от 10 до 55% и широким диапазоном напряженности магнитного поля: от единиц эрстед – для наноструктур типа «спиновый клапан», до десятков килоэрстед – для магнитных металлических сверхрешеток. Напыление наноструктур производиться магнетронным методом (Рис. 1) на стандартные кремниевые пластины диаметром 25, 50, 60, 76 и 100 мм, используемые в отечественной радиоэлектронной промышленности. По своим функциональным характеристикам синтезированные наноструктуры не уступают зарубежным аналогам и являются лучшими ГМР наноматериалами, изготовленными в России. Накоплен опыт оптимизации функциональных характеристик магнитных наноструктур, перспективных для конкретных практических применений. Кремниевые пластины с приготовленными в ИФМ УрО РАН магнитными наноструктурам (Рис. 2) уже используются на двух отечественных предприятиях для разработки высокочувствительных магнитных сенсоров и изделий магнитоэлектроники (НПК «Технологический центр МИЭТ», г. Зеленоград и ОАО «НПО автоматики» г. Екатеринбург).

магнетронная установка MPS

спиновый клапан

Рис. 1. Прецизионная магнетронная установка MPS-4000 C6

Рис.2. Опытные образцы ГМР сенсоров

 

Синтез магнитных наноструктур с высокими функциональными параметрами требует применения прецизионного напылительного оборудования, дорогого аналитического оборудования и квалифицированных кадров. Наличие указанных факторов, как правило, пока не реализуется на отечественных предприятиях радиоэлектронной промышленности, что является основной причиной отставания в данном направлении работ от многочисленных зарубежных фирм, которые уже около 15 лет выпускают изделия электронной компонентной базы и различные приборы на основе магнитных наноструктур с ГМР эффектом.

Наиболее рациональным подходом к решению задач по разработке нового поколения изделий магнитоэлектроники представляется разделение исследовательских задач, которые могут быть выполнены в институтах РАН, и опытно-конструкторских работ по созданию микроэлектронных изделий, сенсоров, датчиков и других устройств, что является компетенцией предприятий радиоэлектронной промышленности и ВПК. В рамках указанного подхода, по заказу предприятий, заинтересованных в разработке инновационных изделий магнитоэлектроники и спинтроники, в ИФМ УрО РАН могут быть приготовлены малые партии магнитных наноструктур с заданными функциональными характеристиками. Это позволит уже в настоящее время приступить к разработке отечественных высокочувствительных сенсоров магнитного поля и нового поколения устройств гражданского и специального назначения на их основе.