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Jan 22, 2024

Scambio di sensori di campo magnetico per onde acustiche superficiali polarizzate

Scientific Reports volume 13,

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8446 (2023) Citare questo articolo

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I compositi magnetoelastici che utilizzano onde acustiche superficiali mostrano un grande potenziale come sensori di campi magnetici a bassa frequenza e ampiezza molto bassa. Sebbene questi sensori forniscano già un’adeguata larghezza di banda di frequenza per la maggior parte delle applicazioni, la loro rilevabilità ha trovato il suo limite nel rumore a bassa frequenza generato dalla pellicola magnetoelastica. Tra gli altri contributi, questo rumore è strettamente connesso all'attività della parete del dominio evocata dalla tensione delle onde acustiche che si propagano attraverso la pellicola. Un metodo efficace per ridurre la presenza di pareti di dominio consiste nell'accoppiare il materiale ferromagnetico con un materiale antiferromagnetico attraverso la loro interfaccia e quindi indurre una distorsione di scambio. In questo lavoro dimostriamo l'applicazione di uno stack di polarizzazione di scambio con pin superiore costituito da strati ferromagnetici di (Fe90Co10)78Si12B10 e Ni81Fe19 accoppiati a uno strato antiferromagnetico Mn80Ir20. La chiusura del campo disperso e quindi la prevenzione della formazione di domini di bordo magnetico viene ottenuta mediante una polarizzazione antiparallela di due stack di polarizzazione di scambio consecutivi. L'allineamento antiparallelo impostato della magnetizzazione fornisce stati di dominio singolo sui film completi. Ciò si traduce in una riduzione del rumore di fase magnetica e quindi fornisce limiti di rilevamento fino a 28 pT/Hz1/2 a 10 Hz e 10 pT/Hz1/2 a 100 Hz.

I sensori per il rilevamento dei campi magnetici sono componenti essenziali in diversi settori come l'industria aerospaziale e automobilistica, la navigazione, l'industria della sicurezza o la diagnostica medica1. In molte di queste applicazioni i segnali misurati sono generati artificialmente e l'ampiezza è un valore di soglia noto oppure il loro orientamento angolare è interessante2. Al contrario, nelle applicazioni biomediche vengono richiesti requisiti molto elevati di rilevabilità che tipicamente presentano campi magnetici di ampiezza molto piccola e quindi richiedono un limite di rilevamento (LOD) basso. Misure magnetiche pionieristiche dei segnali cardiaci umani sono state condotte da David Cohen negli anni '60 utilizzando una semplice bobina3. A causa delle evidenti limitazioni nella risoluzione spaziale e del segnale, in seguito è passato a metodi più sofisticati, sfruttando i nuovi dispositivi superconduttori di interferenza quantistica (SQUID)4,5. Questo nuovo approccio ha fornito un percorso per misurare i campi magnetici minimi. Tuttavia, da allora è continuata la ricerca di alternative miniaturizzate, economiche e facili da usare per i sistemi SQUID. Sono stati proposti diversi concetti di sensori alternativi per misurare piccoli campi magnetici variabili, come magnetometri pompati otticamente6,7, magnetometri fluxgate8,9, sensori basati su effetti magnetoresistivi10,11 o compositi magnetoelettrici12,13. Tutti presentano vantaggi e svantaggi relativi al limite di rilevamento, alla larghezza di banda di frequenza, al campo di misurazione, alla risoluzione spaziale, al consumo energetico, alla durata e alla necessità di schermatura magnetica. Tutti questi criteri e le prestazioni del sistema di sensori nel suo insieme devono essere considerati per stimare la sua reale capacità per la diagnostica biomagnetica14 o applicazioni mediche assistite da campi magnetici come la mappatura di nanoparticelle magnetiche15, il rilevamento del movimento attivo16 o la localizzazione e l'orientamento rotazionale degli elettrodi per la stimolazione cerebrale profonda rilevamento17.

Un sensore di campo magnetico basato su onde acustiche superficiali (SAW) è stato proposto per la prima volta nel 197518. Tuttavia, rispetto ad altri concetti di sensore come i sensori magnetoresistivi, solo pochi gruppi di ricerca hanno preso in considerazione questo approccio19,20,21,22. I sensori di campo magnetico SAW hanno guadagnato interesse solo recentemente come magnetometri per campi magnetici minimi attraverso la combinazione di dispositivi a onde d'amore con film sottili magnetostrittivi amorfi23. Il loro principio di funzionamento si basa sulla generazione di onde acustiche ad alta frequenza su un substrato piezoelettrico mediante trasduttori interdigitali (IDT). L'utilizzo di tagli specifici dei substrati piezoelettrici a cristallo singolo in combinazione con uno strato guida con una velocità delle onde acustiche inferiore porta alla generazione di onde d'amore24. Quanto maggiore è la differenza delle proprietà meccaniche tra il substrato e lo strato guida, tanto più forte è il confinamento dell'onda acustica sulla superficie dello strato guida25. Questo confinamento ha il vantaggio, rispetto ad altri modi d'onda come le onde di Rayleigh, che gli influssi sulla superficie del sensore hanno un impatto maggiore sulle onde acustiche che si propagano. Tali influenze possono essere campi magnetici se i dispositivi SAW sono rivestiti con una pellicola magnetoelastica, consentendo quindi capacità di rilevamento del campo magnetico. Il principio di rilevamento si basa sull'effetto delta-E, che descrive la variazione non lineare dei moduli elastici con magnetizzazione in un materiale magnetostrittivo dovuta alla presenza di deformazione magnetostrittiva oltre alla deformazione elastica convenzionale del materiale26. L'effettiva variazione della rigidità modifica la velocità delle onde acustiche e porta ad uno spostamento di fase del segnale di uscita. Questo cambiamento di fase è quindi proporzionale all'ampiezza del campo magnetico misurato. Sono stati proposti diversi materiali e progetti SAW27,28, sono stati dimostrati anche sensori di campo magnetico SAW basati esclusivamente su film sottile su wafer di silicio29. Sensibilità particolarmente elevate possono essere raggiunte applicando film magnetostrittivi magneticamente morbidi con un'anisotropia magnetica ben allineata e con una densità di energia di anisotropia bassa Ku30. La loro ampia larghezza di banda di frequenza31 rende i sensori SAW a linea di ritardo promettenti anche per la localizzazione e il rilevamento dell'orientamento rotazionale degli elettrodi di stimolazione cerebrale profonda impiantati17.