Modelowanie konstrukcji planarnego czujnika pola magnetycznego

Semir El-Ahmar
Politechnika Poznańska
Stypendysta projektu pt. „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych
za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 Programu
Operacyjnego Kapitał Ludzki
Modelowanie konstrukcji planarnego czujnika pola magnetycznego
opartego o zjawisko nadzwyczajnego magnetooporu
Praca doktorska zakłada wykorzystanie efektu tzw. nadzwyczajnego magnetooporu
(EMR) w czujnikach pola magnetycznego. Badania prowadzone w ramach pracy doktorskiej
mają na celu zoptymalizowanie konstrukcji czujnika EMR jako potencjalnego masowego
produktu.
Sam w sobie EMR nie jest skomplikowanym zjawiskiem. W celu zrozumienia jego
idei należy rozważyć model pokazany na Rys.1a i Rys.1b. Kluczowym elementem jest tutaj
dysk złoty (kolor żółty), ciasno osadzony w cienkowarstwowej płytce półprzewodnika (kolor
szary). Gdy przyłożymy napięcie pomiędzy boczne ściany płytki, przez urządzenie popłynie
prąd (Rys.1a). Prąd przepływając przez dobrze przewodzący metal sprawia, że cały układ
wykazuje niski opór elektryczny. Gdy natomiast nasz model umieścimy w zewnętrznym polu
magnetycznym (Rys.1b) zaburzony
zostanie przepływ prądu w materiale
i można powiedzieć, że prąd zacznie
omijać metalowy dysk zamiast w
niego wnikać (Rys.1b), co znacząco
zwiększy opór elektryczny układu.
Rys. 1. Idea zjawiska EMR. σs – przewodnictwo
elektryczne półprzewodnika, σm – przewodnictwo Różnica w oporze elektrycznym
elektryczne metalu, H – przyłożone pole magnetyczne.
umieszczonego
polu
Źródło: J. Sun, J. Kosel, “Finite-Element Modelling and układu
Analysis
of
Hall
Effect
and
Extraordinary magnetycznym (bardzo duży opór)
Magnetoresistance Effect”, 2012.
oraz nie umieszczonego w polu
magnetycznym
(bardzo
mały
opór)
jest
nazywana
zjawiskiem
Nadzwyczajnego
Magnetooporu.
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
Najszerszym i najbardziej obiecującym polem zastosowań czujnika EMR jest jego
użycie w głowicach odczytujących
informacje
magnetycznych
komputerowych).
obecnie
pamięci
z
wersji
(np.
dysków
W
znanej
konstrukcyjnej,
wytworzenie takiego czujnika nie
może
być
w
prosty
sposób
Rys. 2. Schematyczna ilustracja modelu czujnika EMR w dostosowana do potrzeb produkcji
wersji klasycznej (a) oraz wersji planarnej (b) z czterema masowej. Praca doktorska ma za
terminalami elektrycznymi: 1,4 – prądowe; 2,3 – napięciowe.
zadanie scalić potrzeby przemysłu
M – metal, S –półprzewodnik [1].
(związane z wyprodukowaniem nowych, szybszych głowic magnetycznych powszechnego
użytku) z obecnym stanem badań naukowych w tej dziedzinie. Zaproponowany został nowy
model czujnika EMR [1]. Zestawienie nowej koncepcji budowy modelu czujnika EMR wraz z
wersją znaną literaturowo [2] przedstawia Rys.2.
Zasada działania obu modeli jest identyczna i bardzo prosta. Sygnał (EMR),
proporcjonalny do wykrywanego pola magnetycznego, uzyskiwany jest poprzez pomiar
napięcia między terminalami 2,3 przy jednoczesnym podłączeniu prądu zasilania do terminali
1,4. Mimo prostoty działania i pozornego podobieństwa obu modeli, różnią się one ogromnie
pod względem skomplikowania technologii ich wykonania oraz problematyki dostosowania
procesu produkcyjnego do wytwarzania ich masowo. Standardowa konstrukcja czujnika
(Rys.2a) wymaga zastosowania zaawansowanych technologii elektronowych do wytworzenia
połączeń między cienką warstwą metalu a półprzewodnika.
W nowej proponowanej
konstrukcji (rys.2b) czujnik EMR może być wykonany z użyciem standardowych technologii
mikroelektronicznych, takich jak osadzanie próżniowe cienkich warstw, standardowa
fotolitografia, połączenia elektryczne typu „micro-bonding”, które łatwo dostosować do
produkcji czujników na dużą skalę.
W pracy doktorskiej przedstawiony zostanie proces uproszczonego wytworzenia
zoptymalizowanego czujnika EMR. Na ostateczną postać urządzenia decydujący wpływ
będą miały jednak przeprowadzone wcześniej symulacje komputerowe zjawiska EMR w
konfiguracji planarnej przy użyciu Metody Elementów Skończonych.
Literatura
1.
M. Oszwaldowski, S. El-Ahmar, and J. Jankowski, “Extraordinary magnetoresistace in
planar configuration”, Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 45, no. 14, p. 145002, Apr.
2012.
2
S. A. Solin, “Magnetic field nanosensors”, Scientific American, no. 7, pp. 70–74, 2004.
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego