Магнитные датчики — или, точнее, магниторезистивные датчики — это крошечные, высокочувствительные и эффективные компоненты, которые окружают нас повсюду в нашей повседневной жизни. В автомобилях измеряют скорость вращения колес для систем ABS и ESP; они также встречаются в мобильных телефонах, они считывают данные с жестких дисков и способствуют нашей безопасности, обнаруживая микроскопические трещины в металлических компонентах.
Разнообразие этих приложений означает, что функциональность датчиков необходимо настраивать индивидуально для каждого.Магниторезистивные датчики состоят из микроскопических стопок чередующихся магнитных и немагнитных слоев, каждый толщиной всего несколько нанометров. Когда к такой многослойной стопке прикладывается внешнее магнитное поле, электрическое сопротивление стопки изменяется. Хотя этот гигантский магниторезистивный эффект (GMR), за открытие которого Альберт Ферт и Питер Грюнберг были удостоены Нобелевской премии в 2007 году, произвел революцию в сенсорной технологии, сохраняется одна проблема: напряженность магнитного поля, при которой переключаются резисторы, в значительной степени фиксированный.
Исследователи из DESY разработали процедуру, которая позволяет им впервые контролировать магниторезистивные свойства многослойных сенсорных систем. Их метод позволяет точно и гибко регулировать напряженность поля, при которой каждый отдельный магнитный слой в миниатюрном стеке переключается.
Кроме того, предпочтительное направление намагничивания отдельных слоев, так называемая «легкая ось», может иметь любую выбранную ориентацию. В результате простым способом можно получить множество новых свойств датчика.«До сих пор часто приходилось настраивать приложение для соответствия датчику; наша технология означает, что мы можем настроить датчик в соответствии с предполагаемым применением», — объясняет доктор Кай Шлаге из DESY, который является основным автором статьи.Усовершенствованная сенсорная технология основана на процессе, известном как осаждение под углом падения или OID.
Этот метод, который уже используется для однослойных материалов, позволяет магнитным материалам произвольно формировать магнитную форму на произвольных подложках. Угол осаждения может быть точно изменен и обеспечивает простой способ определения того, переключается ли магнитный слой, когда внешнее магнитное поле достигает напряженности 0,5 миллитесласа или в сто раз больше этого уровня. Это примерно соответствует разнице между 10 и 1000-кратной силой магнитного поля Земли.Ученые DESY обнаружили, что эта процедура может использоваться не только для отдельных слоев, но также идеально подходит для большого количества многослойных систем, что значительно расширяет возможности, доступные в традиционном дизайне, а также функциональность магнитных многослойных стопок.
Исследователи производили свои многослойные системы в вакуумных машинах, специально разработанных для этой цели. Затем физики провели эксперименты на канале P01 источника синхротронного излучения DESY PETRA III, чтобы точно измерить магнитные свойства каждого слоя создаваемых стопок и тем самым продемонстрировать, что OID позволяет создавать произвольно сложные и, что наиболее важно, новые структуры намагничивания. создается в виде обширных многослойных стопок с чрезвычайно высокой точностью.Что касается магнитных датчиков, это означает, что теперь можно напрямую изготавливать микроструктурированные многослойные стопки, имеющие одинаковый состав материалов и толщину, но демонстрирующие очень разные и новые характеристики датчиков.
«Наша процедура позволяет производить магнитные датчики, которые доставляют значительно более точные сигналы, содержащие больше информации, которую также легче обрабатывать», — говорит руководитель группы профессор Ральф Ролсбергер. «Это позволяет, например, отслеживать вращательные движения намного точнее, чем это возможно сегодня, значительно повышая безопасность двигателей, приводных устройств и систем управления двигателями, особенно в экстремальных условиях».Группа уже подала заявку на патент на свой метод и надеется продемонстрировать свой коммерческий потенциал в рамках совместного предприятия с промышленными партнерами.