交換バイアス表面弾性波磁場センサー

Rapporti scientifici Volume 13,

Scientific Reports volume 13、記事番号: 8446 (2023) この記事を引用

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弾性表面波を使用する磁気弾性複合材料は、低周波数および非常に低い振幅の磁場のセンサーとして大きな可能性を示します。これらのセンサーはすでにほとんどの用途に適切な周波数帯域幅を提供していますが、その検出能力には磁気弾性フィルムによって生成される低周波ノイズの限界があることがわかりました。このノイズは、特に、膜内を伝播する音波の歪みによって引き起こされる磁壁の活動と密接に関係しています。磁壁の存在を減らす効果的な方法は、強磁性材料と反強磁性材料をそれらの界面を横切って結合し、交換バイアスを誘発することです。この研究では、反強磁性 Mn80Ir20 層に結合された (Fe90Co10)78Si12B10 および Ni81Fe19 の強磁性層で構成される上部ピン止め交換バイアススタックの適用を実証します。漂遊磁界の閉鎖とそれによるエッジ磁区形成の防止は、2 つの連続する交換バイアススタックの逆平行バイアスによって達成されます。設定された磁化の逆平行配列により、完全な膜全体にわたって単磁区状態が提供されます。これにより、磁気位相ノイズが減少し、10 Hz で 28 pT/Hz1/2、100 Hz で 10 pT/Hz1/2 という低い検出限界が得られます。

磁場を検出するセンサーは、航空宇宙産業、自動車産業、ナビゲーション、セキュリティ産業、医療診断など、さまざまな分野で不可欠なコンポーネントです1。これらのアプリケーションの多くでは、測定信号は人工的に生成され、振幅は既知のしきい値であるか、信号の角度方向が重要です2。対照的に、生物医学用途では検出能力に対する非常に高い要求があり、一般に非常に小さな振幅の磁場を示すため、低い検出限界 (LOD) が必要となります。人間の心臓信号の先駆的な磁気測定は、1960 年代に単純なコイルを使用して David Cohen によって実施されました 3。空間分解能と信号分解能に明らかな限界があるため、彼は後に、当時新たに出現していた超電導量子干渉デバイス (SQUID) を利用する、より高度な方法に切り替えました4,5。この新しいアプローチにより、最小限の磁場を測定する方法が提供されました。しかし、それ以来、小型で経済的で使いやすい SQUID システムの代替品の探索が続けられています。光ポンピング磁力計 6、7、フラックスゲート磁力計 8、9、磁気抵抗効果に基づくセンサー 10、11、または磁気電気複合材料 12、13 など、小さな変動する磁場を測定するためのさまざまな代替センサー概念が提案されています。これらはすべて、検出限界、周波数帯域幅、測定範囲、空間分解能、消費電力、寿命、磁気シールドの必要性に関して独自の長所と短所があります。生体磁気診断 14 や、磁性ナノ粒子マッピング 15、アクティブモーションセンシング 16、脳深部刺激電極の位置特定と回転方向などの磁場支援医療アプリケーションの真の能力を評価するには、これらすべての基準とセンサーシステム全体の性能を考慮する必要があります。検出17。

表面弾性波 (SAW) に基づく磁場センサーは、1975 年に初めて提案されました 18。しかし、磁気抵抗センサーなどの他のセンサー概念と比較して、このアプローチを検討した研究グループはわずか 19、20、21、22 です。 SAW 磁場センサーは、ラブ波デバイスとアモルファス磁歪薄膜の組み合わせにより、最小磁場用の磁力計として注目を集めたのはつい最近です 23。その動作原理は、インターデジタルトランスデューサ (IDT) による圧電基板上での高周波音波の生成に基づいています。圧電単結晶基板の特定のカットを、より低い音響波速度のガイド層と組み合わせて使用すると、ラブ波の生成につながります24。基板とガイド層の間の機械的特性の差が大きいほど、ガイド層の表面での音波の閉じ込めが強くなります25。この閉じ込めには、レイリー波などの他の波モードと比較して、センサーの表面への影響が伝播する音波に大きな影響を与えるという利点があります。 SAW デバイスが磁気弾性フィルムでコーティングされている場合、そのような影響は磁場である可能性があるため、磁場検知機能が可能になります。検知原理はデルタ E 効果に基づいています。これは、材料の従来の弾性歪みに加えて磁歪歪みが存在するため、磁歪材料内の磁化に伴う弾性率の非線形変化を表します 26。実効的な剛性の変化により音波の速度が変化し、出力信号の位相シフトが生じます。この位相の変化は、測定された磁場の振幅に比例します。さまざまな材料と SAW 設計が提案されており 27、28、さらにはシリコンウェーハ上の薄膜ベースの SAW 磁場センサーのみが実証されています 29。特に高い感度は、よく整列した磁気異方性と低い異方性エネルギー密度 Ku30 を備えた軟磁性磁歪膜を適用することによって達成できます。遅延線 SAW センサーは周波数帯域幅が広い 31 ため、埋め込まれた脳深部刺激電極の位置特定と回転方向の検出にも有望です 17。

SAW ベースの磁場センサーでは、低周波数および低励起電力での追加ノイズが磁気損失に起因することが確認されており、これは虚数部 \({\mu }_{\mathrm{r}}^{\) として表すことができます。 mathrm{^{\prime}}\mathrm{^{\prime}}}\) の複素透磁率32。これらの損失は特徴的な 1/f フリッカ位相ノイズに関連しており、磁区と異方性構成、バイアス磁界 HDC、および SAW センサーが励起されるパワー PSAW (つまり、磁性材料に作用する歪み) に依存します。伝播するラブ波と磁歪膜内の磁壁との間には複雑で多様な相互作用があり、ノイズにつながる潜在的な位相変動を引き起こすことが示されています 33。また、巨大磁気インピーダンス (GMI)34 や巨大磁気抵抗 (GMR)35,36 ベースのデバイスなど、さまざまなタイプの磁場センサーでは、磁壁活性化プロセスが 1/f 低周波ノイズを引き起こすことが示されています。特に SAW ベースのセンサーでは、一般的な SAW デバイスの周波数範囲にある磁壁共振により、追加の損失が発生する可能性があります37。一般に、磁化ノイズ、より正確には熱励起磁化変動 SM のパワースペクトル密度は、実効磁気損失 \({\mu }_{\mathrm{r}}^{\mathrm{^{\prime) に正比例します。 }}\mathrm{^{\prime}}}\) はゆらぎ散逸定理に従って次のように与えられます。

ここで、kB はボルツマン定数、T は絶対温度、f はオフセット周波数、V は磁気体積、μ0 の真空透磁率です。 SAW 動作中の磁化の変化を考慮すると、より適用可能で測定可能な位相変動のパワースペクトル密度 Sφ を導き出すことができます。

ここで、S は印加磁場の変化に伴う位相変化、つまりセンサーの感度、\({\mu }_{r}^{^{\prime}}\) は複素透磁率の実数部です。

磁性膜ベースの磁界センサーの 1/f タイプのノイズは、磁壁プロセスによる変動の影響を大きく受けます。したがって、センサーの性能を向上させるために磁性膜の磁壁を除去することが望ましい。これを達成する 1 つの方法は、結合した反強磁性材料によって強磁性材料にバイアスをかけることです。このタイプの交換相互作用は交換バイアスと呼ばれます39。これは、次の式で与えられる交換バイアス磁界 HEB に対する磁化ループのシフトに関連しています。

交換バイアスエネルギー密度 JEB、飽和磁化 MS、および強磁性層の厚さ tFM40 を使用します。特に GMR 記録ヘッドなどのスピントロニクスデバイスの場合、反強磁性体による 2 つの強磁性層のうちの 1 つのバイアスは、感度の向上を通じてデバイスの性能の大幅な向上につながります 40、41、42。 GMR およびトンネル磁気抵抗 (TMR) デバイスでは、合成反強磁性体の強磁性層の 1 つの固定に交換バイアスが使用されます 43,44。磁気電気 (ME) 複合材料では、磁気電気係数の最大値をゼロ磁場にシフトするために交換バイアスを適用することに成功し、外部バイアス磁場の必要性がなくなりました 45。さらに、強磁性層の交換バイアスを利用して、磁壁の核生成、移動、消滅によって引き起こされる ME 複合材料の磁気ノイズを低減することができ 46,47、連続層の逆平行バイアスによってさらに改善できる可能性があります 48。これまで SAW デバイスに適用されている交換バイアスシステムは、IDT 材料としての Co/MnIr49 と CoFeB/MnIr50 の 2 つだけです。参照では。著者らは、センサー動作におけるヒステリシスと磁化状態の重要性を強調しています。提示された研究とは対照的に、交換バイアスセンサーは面外で動作し、高磁場センシング専用でした。参考文献50では、調査中のデバイスは磁場感知を目的としていません。ただし、両方の研究の目標はノイズ抑制を達成することではありませんでした。

圧電基板では、温度が上昇すると、基板の異方性膨張により磁歪膜に面内一軸応力が発生します。この応力は高い異方性磁場 HK を引き起こし、その結果、センサー性能の大幅な低下につながります 30。したがって、この研究における交換バイアスは、膜スタックの成長中に印加される外部磁場によってのみ誘発され、逆平行を達成するために、単層（SL）スタックの堆積後にサンプルは磁場内で180°回転されます。 (AP通信) 為替バイアス。

調査中のSAWデバイスの写真と概略図を図1aに示します。すべてのサンプルは ST カット石英をベースにしており、伝播方向は結晶学的 X 軸に対して 90° で、それに沿ってせん断水平波が励起されます24。厚さ 200 nm の Au スプリットフィンガー IDT は、幅 3.5 μm、間隔 3.5 μm の 25 ペアのフィンガーで構成されており、合計でピッチ距離が形成され、音響波長は λ = 28 μm になります。 8 nm Cr の接着層が Au の下と上にあります。音響開口、つまり音響波面の幅は 60 λ に相当します。インピーダンスマッチング後に調査中のセンサーの測定された散乱パラメータS21およびS12を図1bに示します。 SAW 伝播方向に対して垂直方向では磁気飽和します。このセンサーは、142.6 MHz の同期周波数と、磁気飽和における挿入損失 - 18.5 dB を示します。どちらも主に、SiO2 ガイド層の厚さ (この場合は 4 µm) と、基板に対するガイド層の機械的特性によって決まります。 Ta/(Fe90Co10)78Si12B10/Ni81Fe19/Mn80Ir20/Taの2つのシーケンスからなる交換バイアススタックを図1cに示します。ここで、NiFe 層は反強磁性 MnIr のシードとして機能します (「構造特性」のセクションを参照)。 FeCoSiB 層は、磁束閉鎖を達成するために反対方向、つまり逆平行にバイアスされ、したがって閉鎖ドメインの形成を防ぎます。最初の堆積ステップ後にサンプルを真空から取り出すと、上部の Ta 層が空気中で酸化します。したがって、第２の堆積ステップのＦｅＣｏＳｉＢに対する接着性をさらに提供するために、追加のＴａ層が酸化されたＴａ上に堆積される。最上部の Ta 層は、MnIr の不動態化層として機能します。磁化容易軸（伝播方向に平行）および磁化困難軸（伝播方向に垂直）に沿った逆平行交換バイアススタックの磁化ループを図1dに示します。堆積中の磁場も結晶学的 X 軸に対して 90° 印加されました。容易軸ヒステリシスループの逆平行シフトは、μ0HEB,l = 0.5 mT (l は左側シフト) および μ0HEB,r = − 0.6 mT (r は右側シフト) の交換バイアス場に対応して観察できます。強磁性層と反強磁性層の厚さが同様であるが、ボトムピン固定交換バイアスが磁場中でのアニーリングによって誘起されたサンプルと比較して、我々のサンプルは交換バイアス強度が約 4 倍小さいことを示します 48。ただし、Ni81Fe19/Mn78Ir22 システムの交換バイアスエネルギーは、(3) によれば、JEB,NiFe = 70 μJ/m251 であり、各スタックが JEB,l = 61 μJ/m2 の結合エネルギーを示すこのシステムと同等です。 2 つのヒステリシスループ分岐の保磁力場は、それぞれ µ0HC,l = 0.27 mT および µ0HC,r = 0.22 mT です。この保磁力のわずかな違いは、2 つの層の異方性が互いに対してわずかに傾いていることによって説明できます。磁化困難軸に沿っては、測定可能なヒステリシスは観察されません。 ST カット石英上のこのシステムの異方性磁場は µ0Hk = 1.7 mT であることがわかり、これは非交換バイアス FeCoSiB の 1.5 mT よりわずかに高いだけです 30。Hk と HEB の合計である総異方性磁場は次のようになります。 μ0Hk、tot = 2.3 mT。

SAWデバイスと交換バイアス膜の積層体。 (a) 4 μm SiO2 ガイド層を備えた Love 波デバイスの上面写真と回路図。デバイスは感圧テープで PCB に取り付けられ、ワイヤボンディングでその PCB に接続されます。 (b) デバイスの散乱パラメータ S12 および S21 は、fc = 142.6 MHz の同期周波数と、その周波数での挿入損失 - 18.5 dB を示します。センサーは伝播方向に対して垂直に磁気飽和していました。 (c) 逆平行トップピン交換バイアススタック。（ d ）STカット石英基板上の直径d = 13.8 mmの円形サンプルの磁化容易軸（青）と磁化困難軸（赤）に沿ってBHループトレーサーによって記録されたAP交換バイアススタックの磁化ループ。挿入図は、-1 mT ～ 1 mT の範囲の磁化容易軸ループを示しています。

図 2a は、単層交換バイアススタックの一部を切り出し、ノイズフィルターを適用した高解像度 TEM 顕微鏡写真を示しています。 FeCoSiB 層は意図したとおり非晶質であり、NiFe 結晶領域との界面でのみ観察されます。ただし、界面では 2 つの層を明確に区別することはできません。 NiFe と MnIr の層は、成長方向に沿って明確な {111} 組織を持つナノサイズの粒子を含む多結晶です。図2bのエネルギー分散型X線分光法（EDS）マッピングによる局所元素分析は、層の厚さとスタック全体の元素分布を検証するため、たとえば潜在的な混合を調べるために実行されます。解像度を制限する層間に急激な変化がないことを考慮すると、すべての機能層の平均厚さは、ほとんどの場合、予想されるターゲットの厚さと一致しました。界面にわたる元素分布のこの不鮮明さは、例示的な Mn、Ni、Fe 信号を示す元素マップ、およびマップ領域全体で平均化されたすべての金属元素の定量化されたプロファイルから明らかです。この特徴は、広く拡散した (Fe90Co10)78Si12B10/Ni81Fe19 界面で特に顕著であり、NiFe 層内の Fe 含有量が明らかに減少していることが特徴です。ただし、NiFe 層の化学量論は 81:19 である必要があるため、観察された Fe プロファイルは、FeCoSiB 層の Fe からの拡張信号散乱バックグラウンドと Ni81Fe19 の Fe のガウスプロファイルの重なりとして解釈できます。注目すべきことに、NiFe/MnIr界面のかなりの程度の粗さが高解像度調査から観察されており、これはX線信号の非局在化につながる局所的なX線強度とサンプルの厚さの重なりを合理化する可能性があります。粗さが交換バイアスと保磁力場に影響を与える可能性があることが示されています52。

SL 交換バイアススタックの断面の TEM 調査と X 線回折。 (a) 6 nm NiFe を備えた単一交換バイアススタックの高解像度 TEM 画像。 (b) EDS 元素マップと機能最上層全体の定量化されたプロファイル。 (c) 2 つの異なる NiFe 厚さの SL スタックのディフラクトグラム。入射角はω = 5°で一定に保たれ、単結晶基板ではなく薄膜のみを透過しました。

反強磁性材料として MnIr を使用する場合、十分かつ信頼性の高い交換バイアスを得るには、MnIr の {111} 組織が有益です 53。この MnIr の組織を調整するために、NiFe が支持シード層として機能します。しかし、MnIr 集合組織と交換バイアス磁場の関係は複雑であり、矛盾する結果さえも報告されています 54。図２ｃのＸ線回折図は、この組織が４１．１°でのＭｎＩｒ１１１反射とともに存在することを明らかにしている。厚さ 3 nm の NiFe を使用しても、同じ MnIr 111 反射強度が存在します。実際、厚さ 3 nm と 6 nm の NiFe 層は両方とも同じ交換バイアス磁界を生じます (図示せず) が、再現性の観点から、この研究ではより厚い厚さが選択されました。

遅延線SAW磁場センサーの場合、感度は印加磁場の振幅に対する位相変化の関係です。磁性材料をベースにしたすべてのセンサーでは、この感度は、外部 DC 磁場によって変更される可能性がある材料の磁化状態に依存します。印加された DC 磁場の関数としての逆平行交換バイアスによる SAW センサーの位相変化を図 3a に示します。これは、容易軸磁化が伝播方向に平行で、DC 磁界に垂直であるせん断 SAW 励起下での磁歪材料のせん断弾性率の特性変化に従います 55。磁気飽和と約 - 0.05 mT の最小値の間の合計位相変化は 770° になります。磁場を-10 mTから+ 10 mTまで、またはその逆に掃引すると、ヒステリシスはほとんど生じません。これは、再磁化プロセスが磁壁の動きではなくコヒーレントな磁化回転によって支配されていることを示しています（図4cを参照）。 2 つの曲線は相互に最大 25 µT だけずれています。さらに、各曲線の最小値はわずかにシフトしており、伝播方向に対する磁気異方性の傾きが小さいことを示しています。 SAW センサーの測定感度を図 3b に示します。これは、10 Hz の 1 µT の正弦波変調磁場を適用することによって取得され、各測定点で 10 Hz の位相が読み取られ、1 µT AC 磁場で除算されます。感度は位相変化の微分値も表すため、図 3b の感度最大値は、図 3a の最大傾斜点に対応します。これらの最大値は - 0.4 mT と 0.28 mT にあり、感度はそれぞれ 2040 °/mT と 1920 °/mT です。アプリケーション固有の動作では、これらのバイアス磁場は、たとえば定義された残留磁化とセンサーまでの距離を備えた永久磁石によって提供できます。交換バイアスも磁気電気複合材料に組み込まれており、圧磁気係数の最大値をゼロ磁場にシフトする内部バイアスを提供しています45。このアプローチが SAW 磁場センサーに適用できるかどうかについては、さらなる調査が必要です。それにもかかわらず、同じ磁歪材料と同じ厚さをベースにし交換バイアスを持たない同等の SAW デバイスよりも困難軸透磁率が低いにもかかわらず、この研究のセンサーは同様の感度を示します 30。

位相応答と感度。 (a) AP 交換バイアスを備えた Love 波センサーの印加 DC バイアス場 μ0HDC の関数としての位相変化。 (b) 印加された DC バイアス場の関数としてのセンサーの測定感度。どちらの測定でも、励起パワーは 10 dBm (10 mW) で、磁場は SAW 伝播方向、つまり交換バイアス軸に対して垂直に印加されました。

磁気光学カー効果顕微鏡画像。 (a) 200 nm の FeCoSiB 単層。 (b) 逆平行交換バイアスされた 2 × 100 nm FeCoSiB の最上層。両方のサンプルは、磁化困難軸に沿って減衰する交流磁場 Hdecay によって消磁されています。 MOKE 顕微鏡の感度軸は垂直、つまり SAW 伝播方向でもある磁化容易軸に沿っていました。 (c) 逆平行交換バイアスされた 2 × 100 nm FeCoSiB の最上層では、印加磁場が磁化困難軸に沿って - 5 から 5 mT まで段階的に変化しました (-2 から 2 mT の画像のみを示します)。 MOKE 感度はこの軸に沿って設定されました。 FeCoSiB 層の周囲の灰色の領域は、非強磁性 SiO2 層です。 (b) では、入力 IDT と出力 IDT の一部が SiO2 層を通して見えます。

FeCoSiB 層に交換バイアスをかける目的は、磁性薄膜内で単磁区状態を達成することです。逆平行に整列した磁化を持つ磁束補償交換バイアス層を 2 つ以上積層すると、サンプルの総反磁場エネルギーが減少するため、閉鎖磁区の形成が抑制されます 48。磁束が完全に閉じた場合、残留磁区での単磁区状態を達成できます。逆平行交換バイアススタック磁気光学カー効果（MOKE）顕微鏡イメージングにおけるFeCoSiBの単磁区状態を検証するために実施した。図4は、200 nmのプレーンFeCoSiB（図4a）と2×100 nmの逆平行交換バイアスサンプル（図4b）の磁気状態の比較を示しています。図 4b では最上層のみが見えていますが、さらに MnIr 層と NiFe 層によって隠されているため、この画像では MOKE コントラストが低くなります。両方の画像を撮影する前に、磁性フィルムは振幅が減衰する交流磁場によって消磁されましたが、その初期振幅はフィルムを飽和させるのに十分な大きさでした。反磁界 Hdecay を磁化困難軸に沿って印加して、磁性基底状態を実現しました。交換バイアスがないと、薄い直線ドメインが高い磁壁密度で形成されます。さらに、特徴的な閉鎖ドメインがエッジに形成されます56。対照的に、逆平行バイアスされたシステムの最上層は単一ドメイン状態を示します。これは、同じ逆平行交換バイアスセンサーのMOKEコントラスト画像を示す図4cで下線が引かれていますが、この図では、μ0HDCが磁化困難軸に沿って-5から5 mTまで変化しました（-2 mTから2 mTの画像を示しています）。磁化。これは、図1dの困難軸ループおよび図3のバイアス曲線と同じ軸です。励起なしの再磁化プロセス中に磁区は形成されず、構造化センサーで予想されるコヒーレントな磁化回転が確認されます。

単磁性層 SAW デバイスの場合、一般に、励起電力が増加すると、SAW 磁界センサーのフリッカー位相ノイズが減少し、実効損失も減少することが示されています。つまり \({\mu }_{\mathrm{r }}^{\mathrm{^{\prime}}\mathrm{^{\prime}}}\) は減少しています32。ただし、これは一定の励起パワーまでしか当てはまりません。励起が増加すると、ランダムなバルクハウゼン磁壁ジャンプが発生し、十分に高い励起電力振幅では支配的なノイズ源となり、1/f2 動作を示す位相ノイズのいわゆるランダムウォークを引き起こします。その結果、単一ドメインシステムにおけるSAWセンサーの励起電力依存性が調査されます。まず、図 5a は、さまざまな励起電力に対する DC バイアス場の関数としての逆平行交換バイアスセンサーの感度を示しています。これは、15 dBm もの高い電力を加えても、磁場依存性が大きく変化しないことを示しています。 SAW 磁場センサーの一般的な励起電力は約 0 dBm32 です。実際、出力が増加すると、感度曲線はより対称的になります。つまり、最大値での感度値が等しくなり、最大感度のピークがより高いフィールドにわずかにシフトします。どちらの効果も、振動せん断応力によって生じる追加の実効磁気異方性によって説明できます。ただし、励起パワーが非常に高くなると、感度曲線の形状が変化します。小さな磁場値での主な最大値とは別に、小さな「こぶ」が約 - 0.4 mT/0.4 mT で発生するため、形状に追加の変化が発生します。より小さいバイアス磁界での感度の劇的な増加は、より低い出力ではそれほど顕著には存在しない、より高い透磁率による再磁化機構の変化を示唆している。視覚化のために、最大感度が異なる励起パワーに対してプロットされています（図5d）。

逆平行交換バイアス SAW センサーの性能の電力依存性。 (a) 異なる励起電力に対する、− 10 mT から + 10 mT までスイープした印加 DC バイアス磁界 (実線) およびその逆 (破線) の関数としての感度。 − 1.2 mT から + 1.2 mT までの高感度領域のみを示しています。 (b) − 10 mT から + 10 mT まで測定された、さまざまな励起電力に対する印加 DC 磁場の関数としての磁気誘導挿入損失。損失は 0 dB に正規化されており、0 dB は磁気飽和における挿入損失に対応します。 (c) 異なる励起電力での同じセンサーの位相ノイズスペクトル。すべての励起電力に対して、最高感度点に対応する DC バイアス場が適用されました。 (d) 10 Hz および 100 Hz での位相ノイズと、励起電力の関数としてのそれぞれの最大感度。

図５ｂでは、それぞれの励起電力における磁気飽和での挿入損失に対する磁気的に誘導される追加の挿入損失が、異なる励起電力に対する印加ＤＣバイアス磁界の関数として示されている。追加の磁気挿入損失は、すべての励起電力に対してゼロ磁場付近で最大値を示します。図 5a の感度と同様に、損失もまずゼロ磁場付近でより対称になり、高い励起振幅で大幅に増加します。以前の研究では、磁気挿入損失は磁壁の存在の増加と関係していると考えられていました33。追加の磁気挿入損失と磁気誘導位相ノイズとの間の明確な相関関係も観察されています32。 FeCoSiB の単純な層では、一定の励起電力で挿入損失が最大になる場合、位相ノイズが最も高くなります。図 5a と b を比較すると、低出力では感度の最大値が高い挿入損失と相関していないことがわかります。 24 dBmなどの高出力でのみ、感度の最大値は、図5bの-0.28 mTと0.19 mTの磁気挿入損失の2つの小さなピークに対応します。ここで、図 5c は、位相ノイズが磁気挿入損失とある程度の相関関係があるだけであることを示しています。これは、位相変動のパワースペクトル密度、つまり、さまざまな励起パワーの励起キャリアの隣に周波数の関数としての位相ノイズを示します。挿入損失は励起電力とともに増加し続けますが、位相ノイズは最初に減少し、その後再び増加します。これは、励起電力の関数として 10 Hz および 100 Hz での位相ノイズを示す図 5d に視覚化されています。位相ノイズが最小化される領域 (5 ～ 10 dBm) が明確にわかります。非交換バイアス FeCoSiB ベースの SAW センサーと比較して、ノイズが増加する前に、より高い励起電力を適用できます 32。さらに、出力が高くてもノイズの増加はそれほど急激ではないことから、ランダムなバルクハウゼンジャンプではなく、他のノイズ源メカニズムが示唆されます。したがって、非交換バイアス SAW センサーと比較して、最適動作点での位相ノイズは 8 dB 低くなります30。潜在的なノイズ源の 1 つは、高い電力での SAW 励起中に発生する温度です 57,58。私たちのデバイスでは、24 dBm の励起パワーで室温から 14 °C 温度が上昇することがわかりました (図示せず)。式によると、 (2) これにより、1/f 位相ノイズが増加します。さらに、音響波による振動せん断歪みにより、フィルムの磁化変動が発生し、ノイズが発生する可能性があります。波の振幅によって生成されるせん断応力は、MOKE コントラストの変化から 10 dBm 励起で τ = 3.29 MPa であると推定されました。 FeCoSiB のせん断弾性率が G = 28.1 GPa59 であると仮定すると、10 dBm 励起で作用するせん断ひずみは γ10dBm = 0.06 ‰ と推定できます。 24 dBm では、励起振幅は約 5 倍高く、ひずみが励起振幅に比例して増加し、励起電力の平方根に比例すると仮定すると、せん断ひずみは γ24dBm = 0.3 `` と推定されます。ラブ波の場合、振動せん断ひずみは磁化容易軸に対して 45°で作用し、磁化の振動を引き起こします。ただし、特定のメカニズムについてはさらなる調査が必要です。

位相ノイズと感度の比である検出限界（LOD）23を、10 Hz と 100 Hz での異なる励起電力について図 6a に示します。感度は 18 dBm の励起パワーまでほとんど変化しないため、LOD は位相ノイズと同じ傾向に従い、5 ～ 8 dBm の間の最低 LOD は 10 Hz で 28 pT/Hz1/2 および 10 pT/Hz1/2 になります。 100Hzで。これは、これまでの最高の非交換バイアス SAW センサーと比較して 2.5 倍の改善です30。 15 dBm からのより高い励起パワーでは、ノイズが感度と同じ量だけ増加するため、LOD はほぼ一定になります。 5 dBm 励起での最低 LOD は、周波数 10 kHz までで図 6b に示されています。これは、この範囲ではセンサーの感度が一定であるためです 31。 1 kHz から LOD は 5 pT/Hz1/2 を下回ります。

検出限界 (LOD)。 (a) 搬送波周波数から離れた 10 Hz および 100 Hz での励起電力の関数としての LOD。 (b) 5 dBm 励起パワーでの最低 LOD の周波数スペクトル。

Love wave SAW デバイス上の Ni81Fe19 と磁歪 (Fe90Co10)78Si12B10 の強磁性層と反強磁性 Mn80Ir20 からなる上部ピン止め交換バイアススタックが発表されました。 2 つの交換バイアススタックの逆平行バイアスは、蒸着中に磁場を印加し、蒸着と蒸着の間にサンプルを回転させることによって達成されました。 NiFe シード層は MnIr 層の 111 テクスチャを提供し、完全な磁性膜全体に単磁区状態を提供するのに十分なほど高い交換バイアスを引き起こします。 SAW センサーの位相応答は小さなヒステリシスを示し、磁壁の除去により磁気 1/f 位相ノイズが非交換バイアスセンサーと比較して約 8 dB 減少しました。ただし、磁壁が存在しない可能性が高いにもかかわらず、位相ノイズの励起電力依存性があることも示されました。高い励起電力振幅では 1/f ノイズが増加するため、さまざまなノイズの寄与を区別するためにさらなる調査が必要になります。全体として、SAW 磁界センサーの検出限界は 2.5 倍という大幅な改善が達成されました。

上下に 8 nm の Cr 接着層を備えた厚さ 200 nm の Au IDT は、DC マグネトロンスパッタリングによって堆積され、フォトリソグラフィーとイオンビームエッチングによって構造化されます。続いて、ガイド層として機能するプラズマ化学蒸着 (PECVD) によって厚さ 4 μm の SiO2 層が堆積されます。 SiO2 の一部は誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングによって再度除去され、最終センサーをプリント回路基板 (PCB) にワイヤボンディングするためのコンタクトパッドにアクセスできるようになります。逆平行上部ピニング交換バイアススタックの堆積は 2 つのステップで実行されます。まず、Ta (7 nm)/(Fe90Co10)78Si12B10 (100 nm)/Ni81Fe19 (6 nm)/Mn80Ir20 (8 nm)/Ta (5 nm) の層が、約 60 mT の磁場が存在する間に堆積されます。 SAW 伝播方向と平行に適用されます。その後、サンプルを真空チャンバーから取り出し、磁場に関して 180°回転させ、Ta (5 nm)/FeCoSiB (100 nm)/NiFe (6 nm)/MnIr からなる 2 番目の一連の層を堆積します。 (8nm)/Ta(5nm)。磁気および構造の特性評価のために、厚さ 6 nm および 3 nm の NiFe を使用した単層 (SL) スタックも作製されました。 FeCoSiB と NiFe の堆積は RF マグネトロンスパッタリングによって行われ、Ta と MnIr の堆積は DC マグネトロンスパッタリングによって行われます。交換バイアス層の幾何学的遅延線構造は、リフトオフによって提供されます。

単一の交換バイアススタックの断面が集束イオンビーム (FIB) 法によって作成され、透過型電子顕微鏡 (TEM) を使用して調査されます。 NiFe および MnIr 結晶層の高解像度顕微鏡写真は、Tecnai F30 G2 STWIN 顕微鏡で記録されます。機能層のエネルギー分散型 X 線分光法 (EDS) を使用した元素マッピングは、JEOL NeoARM のスキャンモードで実行されます。 X 線回折グラムは、Riraku SmartLab 9 kV X 線回折計を使用し、CuKα (λ = 1.5406 Å) 放射線を使用して取得されます。

磁区画像は、大視野磁気光学カー効果 (MOKE) 顕微鏡を使用して収集されます。サンプルの均一な照明は、高出力 LED 光源 (波長 520 nm) とテレセントリックレンズの組み合わせによって実現されます。シャインプルーフ CCD カメラマウントは、広いサンプル領域全体にわたって均一な焦点を得るために使用されます。体積磁気ヒステリシスループは、誘導 BH ループトレーサーを使用して記録されます。

センサーは PCB にワイヤボンディングされており、そのインピーダンスは各ポートで 50 Ω に整合されています。散乱パラメータは、センサーが SAW 伝播方向に対して垂直に磁気飽和されている間に、ベクトルネットワークアナライザーで測定されます。磁気センサーの特性評価は、地球の磁場や周囲の実験装置からの影響を排除するために、ゼロガウスチャンバー内で実行されます。 DC 磁場と AC 磁場はそれぞれ 2 つのソレノイドによって提供され、動的位相検出には 10 Hz の 1 µT 正弦波 AC 信号が適用されます。実験では、すべての磁場が磁化困難軸に沿って、つまり SAW 伝播方向に垂直に印加されます。励起と読み出しには、Zurich Instruments UHFLI ロックインアンプが使用されます。 UHFLI によって提供される 7.5 dBm の最大電力よりも高い電力振幅を適用するには、Mini Circuits の ZFL − 2500VH + パワーアンプを使用します。 ZFL パワーアンプは 24 dB のゲインを提供し、0 dBm を適用した場合のノイズレベルは 10 Hz で - 138 dB rad2/Hz、1 kHz で - 152 dB rad2/Hz です。ノイズ測定には、Rohde&Schwarz FSWP 位相ノイズアナライザが使用され、同じ ZFL-2500VH + パワーアンプにより、より高い電力振幅とより小さな電力ステップサイズのステップアッテネータが提供されます。ノイズ測定中の DC バイアスフィールドのソースとして、社内で構築されたバッテリーベースのポテンショメータ制御の低ノイズソースが使用されます。

この研究の結果を裏付けるデータは、要求に応じて責任著者から入手できます。

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著者らは、共同研究センターCRC 1261「磁気電気センサー：複合材料から生体磁気診断まで」を通じてこの研究に資金を提供したドイツ研究財団（ドイツ研究財団、DFG）に感謝したい。また、著者らは、MATLAB 読み出しスクリプトを提供してくれた Phillip Durdaut に感謝します。

Projekt DEAL によって実現および組織されたオープンアクセスの資金調達。

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エリザベタ・スペッツラー & ジェフリー・マッコード

Synthesis and Real Structure、物質科学研究所、クリスチャンアルブレヒト大学キール、24143、キール、ドイツ

ニクラス・ヴォルフ & ロレンツ・キーンレ

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著者全員がデータを解釈し、結果について議論し、レビューし、原稿にコメントを付けました。 DM、EQ、JM、LK が実験を計画し、研究を監督しました。 VS は原稿を書き、サンプルを作成し、図を作成し、センサー関連の測定を実施しました。 ES は MOKE イメージングを実行し、数値に貢献しました。 NW は TEM/EDS 測定を実行し、図に貢献し、原稿の一部を書きました。 LB は XRD 測定を実施しました。

ダーク・マイヤーズへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Schell、V.、Spetzler、E.、Wolff、N. 他。バイアスされた弾性表面波磁界センサーを交換します。 Sci Rep 13、8446 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-35525-6

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受信日: 2023 年 2 月 24 日

受理日: 2023 年 5 月 19 日

公開日: 2023 年 5 月 25 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35525-6

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