Development, characterization and optimization of magnetic thin films for magnetic sensor application of high sensitivity

Recent studies in technological applications have shown the growing need of determining the vector of very weak magnetic fields. In medicine for instance, the magnetic field density originated from heart contraction or brain activity measured on skin level is in the order of 10⁻⁷ A/m. In navigation and monitoring, the magnetic anomaly created by just 1 kgr of iron is in the order of 10⁻⁶ A/m. In every industry, like for example in recording media, automobile industry, naval architecture etc., anyone can notice the increase of magnetic sensor applications and the need of solving even more elaborated problems. Magnetic field sensors can rely in a variety of physical phenomena, from plain inductance to magneto-optical effects. This alone creates a wide range of possible magnetic sensor types. But the commercial viability of a particular sensor will be determined by the combination of its performance with its compatibility with miniaturization and microelectronic circuits. Bearing in mind the technological needs and the commercial reality, this PhD thesis is involved with the development of a new two dimensional magnetic field sensor. This sensor combines high measurement resolution with CMOS compatibility, thus being competitive and able to evolve to a commercial product. In order to achieve this, a new technique was modeled, which basically exploits the anisotropic magnetoresistance effect of a magnetic thin film. Furthermore, to control and increase the sensitivity, the excitation and acquisition was performed in a novel manner, eliminating magnetic noise due to Barkhausen jumps, a problem that all sensors based on magnetic materials encounter. The result is a CMOS compatible magnetic field sensor that can determine an in plane magnetic field vector with 150 pTesla sensitivity.Μελετώντας το πρόσφατο παρελθόν από τη σκοπιά των τεχνολογικών εφαρμογών, εύκολα παρατηρεί κανείς πως έχει αυξηθεί σημαντικά η ανάγκη προσδιορισμού του μέτρου και της διεύθυνσης ασθενών μαγνητικών πεδίων. Στην ιατρική για παράδειγμα, η πυκνότητα του μαγνητικού πεδίου που δημιουργείται από την καρδιακή σύσπαση ή την εγκεφαλική δραστηριότητα, μετρημένη στην επιφάνεια του δέρματος ενός ασθενή, είναι της τάξης των 10⁻⁷ A/m. Στην πλοήγηση και τον χωρικό προσδιορισμό, η μαγνητική ανωμαλία που δημιουργείται από μόλις 1 kgr σιδήρου σε απόσταση 30 m από αυτό είναι της τάξης των 10⁻⁶. Όποια βιομηχανία κι αν μελετήσει κανείς, είτε αυτή είναι στις συσκευές εγγραφής και ανάγνωσης, την αυτοκινητοβιομηχανία, την ναυπηγική και άλλες, παρατηρεί την αυξανόμενη εφαρμογή μαγνητικών αισθητήρων και την ανάγκη επίλυσης εξεζητημένων προβλημάτων. Οι αισθητήρες μαγνητικών πεδίων εκμεταλλεύονται διάφορα φυσικά φαινόμενα, από την επαγωγή ως και τα μαγνητο-οπτικά φαινόμενα. Αυτό δημιουργεί ένα ευρύ πεδίο για την ανάπτυξη πληθώρας αισθητήρων και διατάξεων. Αυτό που τελικά θα καθορίσει την βιωσιμότητα και την εμπορευσιμότητα ενός μαγνητικού αισθητήρα είναι η απόδοσή του, καθώς και η συμβατότητά του σε μικροηλεκτρονική ανάπτυξη και τεχνολογίες CMOS. Έχοντας λοιπόν υπ’ όψη τις τεχνολογικές απαιτήσεις, αλλά και την εμπορική πραγματικότητα, η παρούσα διδακτορική διατριβή ασχολήθηκε με την ανάπτυξη ενός νέου αισθητήρα μαγνητικών πεδίων δύο διαστάσεων. Ο αισθητήρας αυτός συνδυάζει την υψηλή ευαισθησία μέτρησης μαγνητικών πεδίων με την συμβατότητα μικροηλεκτρονικής ανάπτυξης, ώστε να είναι ανταγωνιστικός και να δύναται να εξελιχθεί σε ανταγωνιστικό εμπορικό προϊόν. Για να επιτευχθεί αυτό σχεδιάστηκε μία νέα τεχνική, η οποία βασίζεται σε πρώτο επίπεδο στο φαινόμενο της ανισοτροπικής μαγνητοαντίστασης ενός μαγνητικού λεπτού υμενίου. Περαιτέρω, για τον έλεγχο και την αύξηση της ευαισθησίας, εφαρμόστηκε μια καινοτόμα μέθοδος διέγερσης και λήψης σήματος, εξαλείφοντας έτσι τον μαγνητικό θόρυβο λόγω αλμάτων Barkhousen, πρόβλημα που αντιμετωπίζουν όλοι οι αισθητήρες που βασίζονται σε μαγνητικά υλικά. Ως αποτέλεσμα τελικά είναι ένας μαγνητικός αισθητήρας που προσδιορίζει το μέτρο και την διεύθυνση μαγνητικών διανυσμάτων στο επίπεδο με ανάλυση 150 pTesla