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Jan 22, 2024

편향된 표면 탄성파 자기장 센서 교환

과학 보고서 13권,

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8446(2023) 이 기사 인용

410 액세스

측정항목 세부정보

표면 탄성파를 이용한 자기탄성 복합재는 저주파 및 매우 낮은 진폭의 자기장 센서로서 큰 잠재력을 보여줍니다. 이러한 센서는 이미 대부분의 응용 분야에 적합한 주파수 대역폭을 제공하지만 감지 가능성은 자기탄성 필름에서 생성되는 저주파 소음으로 인해 한계가 있음을 발견했습니다. 무엇보다도 이 소음은 필름을 통해 전파되는 음파의 변형으로 인해 발생하는 자벽 활동과 밀접하게 연결되어 있습니다. 자벽의 존재를 줄이는 성공적인 방법은 경계면을 가로질러 강자성 물질과 반강자성 물질을 결합하여 교환 바이어스를 유도하는 것입니다. 이 작업에서 우리는 반강자성 Mn80Ir20 층에 결합된 (Fe90Co10)78Si12B10 및 Ni81Fe19의 강자성 층으로 구성된 상단 피닝 교환 바이어스 스택의 적용을 보여줍니다. 표유 자기장 폐쇄 및 그에 따른 자기 에지 도메인 형성 방지는 두 개의 연속적인 교환 바이어스 스택의 역평행 바이어싱에 의해 달성됩니다. 설정된 역평행 자화 정렬은 전체 필름에 걸쳐 단일 도메인 상태를 제공합니다. 이로 인해 자기 위상 노이즈가 감소하므로 10Hz에서 28pT/Hz1/2, 100Hz에서 10pT/Hz1/2만큼 낮은 감지 한계를 제공합니다.

자기장 감지용 센서는 항공우주 및 자동차 산업, 내비게이션, 보안 산업 또는 의료 진단과 같은 다양한 분야에서 필수적인 구성 요소입니다1. 이러한 많은 응용 분야에서 측정된 신호는 인위적으로 생성되며 진폭은 알려진 임계값이거나 각도 방향이 중요합니다2. 대조적으로, 일반적으로 매우 작은 진폭 자기장을 나타내므로 낮은 검출 한계(LOD)가 필요한 생의학 응용 분야에서는 검출 가능성에 대한 요구가 매우 높습니다. 인간의 심장 신호에 대한 선구적인 자기 측정은 1960년대 David Cohen에 의해 간단한 코일을 사용하여 수행되었습니다3. 공간 및 신호 해상도의 명백한 제한으로 인해 그는 나중에 새로 등장한 초전도 양자 간섭 장치(SQUID)4,5를 활용하여 보다 정교한 방법으로 전환했습니다. 이 새로운 접근 방식은 최소 자기장을 측정할 수 있는 경로를 제공했습니다. 그러나 그 이후로 SQUID 시스템에 대한 소형화되고 경제적이며 사용하기 쉬운 대안에 대한 연구가 계속되어 왔습니다. 광학적으로 펌핑되는 자력계6,7, 플럭스게이트 자력계8,9, 자기 저항 효과10,11 또는 자기전기 복합물12,13을 기반으로 하는 센서와 같이 작은 변화하는 자기장을 측정하기 위해 다양한 대체 센서 개념이 제안되었습니다. 이들 모두는 감지 한계, 주파수 대역폭, 측정 범위, 공간 분해능, 전력 소비, 수명 및 자기 차폐 필요성과 관련하여 고유한 장점과 단점을 가지고 있습니다. 이러한 모든 기준과 센서 시스템의 성능은 생체 자기 진단14 또는 자기 나노 입자 매핑15, 능동 동작 감지16 또는 심부 뇌 자극 전극 위치 파악 및 회전 방향과 같은 자기장 보조 의료 응용 분야에 대한 실제 기능을 추정하기 위해 전체적으로 고려해야 합니다. 탐지17.

표면 음향파(SAW)를 기반으로 한 자기장 센서는 1975년에 처음 제안되었습니다18. 그러나 자기 저항 센서와 같은 다른 센서 개념과 비교할 때 이 접근법을 고려한 연구 그룹은 거의 없습니다19,20,21,22. SAW 자기장 센서는 최근에 Love wave 장치와 비정질 자기 변형 박막의 결합을 통해 최소 자기장을 위한 자력계로 관심을 얻었습니다. 작동 원리는 IDT(Interdigital Transducer)에 의해 압전 기판에 고주파 음파가 생성되는 것을 기반으로 합니다. 낮은 음파 속도의 가이드 레이어와 함께 압전 단결정 기판의 특정 컷을 사용하면 사랑 파가 생성됩니다. 기판과 가이드 레이어 사이의 기계적 특성 차이가 클수록 가이드 레이어 표면에서 음파가 더 강하게 구속됩니다. 이러한 제한은 센서 표면에 미치는 영향이 전파되는 음파에 더 큰 영향을 미치는 레일리파와 같은 다른 파동 모드에 비해 장점이 있습니다. SAW 장치가 자기탄성 필름으로 코팅되어 자기장 감지 기능을 가능하게 하는 경우 이러한 영향은 자기장이 될 수 있습니다. 감지 원리는 재료의 기존 탄성 변형 외에 자기 변형 변형의 존재로 인해 자기 변형 재료의 자화에 따른 탄성 계수의 비선형 변화를 설명하는 델타-E 효과를 기반으로 합니다. 효과적인 강성 변화는 음파의 속도를 변경하고 출력 신호의 위상 변화로 이어집니다. 이러한 위상 변화는 측정된 자기장 진폭에 비례합니다. 다양한 재료와 SAW 디자인이 제안되었으며27,28 실리콘 웨이퍼의 단독 박막 기반 SAW 자기장 센서도 시연되었습니다. 잘 정렬된 자기 이방성과 낮은 이방성 에너지 밀도 Ku30을 갖는 연자기 변형 필름을 적용하면 특히 높은 감도에 도달할 수 있습니다. 그들의 큰 주파수 대역폭은 지연 라인 SAW 센서를 이식된 심부 뇌 자극 전극의 위치 파악 및 회전 방향 감지에도 유망하게 만듭니다.