Гиганский магниторезестивный эффект

БиКМОП-микросхема с интегрированным GMR-датчиком на основе SV-резисторов изготовлена  по 0,25-мкм технологии с шестислойной металлизацией. Помимо 1008 сенсорных  элементов, занимающих площадь 1 мм2, микросхема содержит высокоскоростные каналы считывания данных, полученных при детектировании ДНК (рис.10). Для повышения чувствительности детектора к образцам с низкой концентрацией биологического вещества каждую точку исследуемого вещества регистрируют до 64 минимальных элементов датчика, благодаря чему время обнаружения молекулы ДНК составляет всего 5 мин. GMR-биодатчики разделены на 16 подмассивов размером 120×120 мкм каждый, что сопоставимо с размерами современных систем анализа ДНК. Для сокращения времени считывания каждого элемента датчика в микросхеме использована мультиплексная передача с частотным и временным уплотнением каналов.

Учеными Университета Каназава (Япония) и Университета Месси (Новая Зеландия) разработан игольчатый SV-GMR-датчик для  определения объемной/весовой плотности  магнитной жидкости, вводимой в тело пациента при гипертермическом лечении  раковых заболеваний . Размер чувствительной области датчика составляет 75×40 мкм. Плотность магнитной жидкости определяется путем сравнения значений напряженности внешнего магнитного поля и измеренного поля магнитной жидкости тела. При токе SV GMR-датчика 0,5 мА чувствительность датчика составляет ~10 мкВ/мкТ. Для получения однородного внешнего магнитного потока использована система Гельмгольца с тремя парами спиралей.

 

 

 

Рисунок 10-Структура и схема микросхемы GMR- биодатчика

 

 

Разработанная биомикросхема путем  изменения структуры поверхности  может использоваться и для выявления  других биореакций, например, при анализа  протеина.

 

 

3 Особенности схемотехники GMR

 

Для создания GMR -датчиков магнитного поля могут быть использованы как конфигурация моста Уитстона, так и простые GMR -резисторы и GMR -полумосты, а также включение активных элементов полумоста во внешний мост.

Как упоминалось выше, стандартной  техникой NVE является комбинация моста Уитстона. Эти датчики входят в две категории: датчики поля (без обрабатывающей электроники) и интегрированные датчики, применяющие обработку сигнала.

Специальной техникой в магнитометрах  является пассивное усиление с различными сочетаниями концентраторов и экранов. Концентраторы в виде дополнительных пермаллоевых структур на подложке увеличивают магнитное поле приближенно с учетом соотношения длины концентраторов и зазора между ними. Чувствительность - GMR мостовых датчиков может регулироваться изменением геометрии с коэффициентом 2–100.

В магнитометрах два активных GMR - резистора, размещенных в зазоре между двумя концентраторами магнитного потока, подвержены действию внешнего поля; два других резистора под концентраторами магнитного потока являются экранированными. Униполярный выход моста, пропорциональный напряженности поля, может быть прямо подан на вход линейного усилителя или компаратора.

В градиометрах, рассчитанных на применение схемы с обратным смещением, техника экранирования не применяется, поэтому все 4 резистора являются активными; диагональные резисторы, попарно физически разнесенные в датчике, определяют градиенты полей. В этом случае выход моста может быть биполярным .

Поскольку все резисторы в схеме  моста Уитстона производятся из того же самого материала, они имеют тот же самый температурный коэффициент. Мостовой выход является удвоенным в сравнении с выходом моста с одним активным резистором.

Для предусиления мостового выхода GMR - датчика разработаны специальные методы на основе одного, двух операционных или трех (с дополнительным дифференциальным) усилителей. Еще лучшие результаты постобработки мостового сигнала могут быть получены на основе недорогих и эффективных ин-

струментальных усилителей типа AD620 Analog Devices или INA118 Burr Brown, обеспечивающих значительные преимущества в уменьшении шумов, числа компонентов, размера и других характеристик, например частотных свойств, по сравнению с операционными усилителями.

Необходимо отметить, что шумовая  характеристика (1/f) ГМР - датчиков NVE приблизительно на порядок выше величины шума для тонкопленочных резисторов. Фактическая причина возникновения шума в настоящий момент исследуется. Показано, что шум пропорционален плотности квадрата тока. Термический шум должен учитываться, начиная с 10 кГц частоты изменения параметров механической системы.

При измерении слабых полей шумы ограничивают минимальный обнаруживаемый сигнал. Для измерения низких полей NVE рекомендует схему модуляции-демодуляции сигнала с циклическим сдвиговым регистром паразитного фазового сдвига.

«Умные» датчики с сенсорными элементами и ассоциированной электроникой усиления и обработки сигнала в ИС являются направлением дальнейшего развития GMR -датчиков. GMR -материалы могут интегрироваться с полупроводниковыми структурами BiCMOS и биполярными основными слоями. Только из-за их специфической топографии должны быть зарезервированы большие области без основных транзисторов и соединений GMR - резисторов.

К текущему набору функций, интегрируемых в датчик, относятся регулятор напряжения или источники тока для сенсорного элемента, пороговое детектирование для получения переключаемого выхода, усилители, логические функции, в том числе схема деления на два, и различные опции типа выхода, например двухпроводной ШИМ-датчик с двумя токовыми уровнями.

Преобразование аналогового сигнала  в цифровой или токовый выход в ИС датчика является средством для минимизации электронных шумов. Обычные цифровые и ШИМ - выходы обеспечивают более стабильный сигнал, чем нелинейный аналоговый выход. Гистерезис в материале тогда может быть полезным, поскольку некоторый гистерезис обычно встраивается в компараторы для предотвращения дребезга (джиттера) выхода вследствие шумов.

В чисто линейных аналоговых системах гистерезис может быть высоким (для датчиков AA при униполярной работе гистерезис достигает 4%, а при биполярной работе — 20%, вследствие чего возникают проблемы: получение неповторяемого выхода, образование смещения и т. д.). Тем не менее высокий уровень первичного выходного сигнала предполагает меньшие усилия по его компенсации.

Электроника, размещенная на плате  близко к месту генерации сигнала в ИС датчика, также является средством усиления низкоуровневых сигналов до значительных напряжений и подавления помех. Функционирование обрабатывающей электроники мостового сигнала осуществляется на основе стандартных принципов. Новое поколение интегральных внешних сигналообработчиков моста разрабатывается с целью объединения большого числа функций, реализуемых в одном корпусе, и сводит к минимуму число внешних компонентов схемы и усилия разработчиков.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Сегодня GMR-датчики, представленные на коммерческом рынке, позволяют проверять  денежные купюры и классифицировать транспортные средства на расстоянии до нескольких метров. Новая STD-технология позволяет расширять области  применения твердотельных датчиков и успешно заменять ими электромеханические  устройства большего размера с большим  энергопотреблением. Развитие технологии гигантского магнитосопротивления уже привело к созданию магниторезистивной оперативной памяти (Magnetoresistive RAM – MRAM) – одного из кандидатов на замену современных  ДОЗУ, флэш-памяти и даже СОЗУ. История  развития GMR-датчиков – прекрасный пример того, как неожиданное открытие может повлиять на развитие современных  технологий.[7]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованных  источников

 

1 Гуржин С.Г., Жулев В.И., Лукьянов Ю.А. Никитин С.В. Магнитные  измерения:                                             Учебное  пособие. Часть 1. Рязанский  гос. радиотехнический университет.. Рязань, 2006.72 с. радиотехнический университет.. Рязань, 2006.72с

2 Кучес Е.В. Гальваномагнитные  эффекты и методы их исследования. М.: Радио и связь, 1990. 264с

3 www.morepc.ru/store/store090420071.html

4 www.pcweek.ru/themes/detail.php?ID=102992

5  www.electronics.ru/issue/2008/1/9

6  www.hitechworld.ru/content/view/186/46/

7  www.compitech.ru