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Jan 22, 2024

Troque sensores de campo magnético de onda acústica de superfície polarizada

Relatórios Científicos volume 13,

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8446 (2023) Citar este artigo

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Compósitos magnetoelásticos que utilizam ondas acústicas de superfície apresentam grande potencial como sensores de campos magnéticos de baixa frequência e baixíssima amplitude. Embora esses sensores já forneçam largura de banda de frequência adequada para a maioria das aplicações, sua detectabilidade encontrou sua limitação no ruído de baixa frequência gerado pelo filme magnetoelástico. Entre outras contribuições, esse ruído está intimamente ligado à atividade da parede de domínio evocada pela tensão das ondas acústicas que se propagam através do filme. Um método bem-sucedido para reduzir a presença de paredes de domínio é acoplar o material ferromagnético com um material antiferromagnético em sua interface e, portanto, induzir um viés de troca. Neste trabalho demonstramos a aplicação de um top pining exchange bias stack constituído por camadas ferromagnéticas de (Fe90Co10)78Si12B10 e Ni81Fe19 acopladas a uma camada antiferromagnética de Mn80Ir20. O fechamento do campo disperso e, portanto, a prevenção da formação do domínio de borda magnética é obtido por uma polarização antiparalela de duas pilhas de polarização de troca consecutivas. O alinhamento antiparalelo definido da magnetização fornece estados de domínio único sobre os filmes completos. Isso resulta em uma redução do ruído da fase magnética e, portanto, fornece limites de detecção tão baixos quanto 28 pT/Hz1/2 a 10 Hz e 10 pT/Hz1/2 a 100 Hz.

Os sensores para a detecção de campos magnéticos são componentes essenciais em diversas áreas como a indústria aeroespacial e automóvel, navegação, indústria de segurança ou diagnóstico médico1. Em muitas dessas aplicações, os sinais medidos são gerados artificialmente e a amplitude é um valor limite conhecido ou sua orientação angular é de interesse2. Em contraste, demandas muito altas na detectabilidade são feitas em aplicações biomédicas que normalmente exibem campos magnéticos de amplitude muito pequena e, portanto, requerem um baixo limite de detecção (LOD). Medições magnéticas pioneiras de sinais cardíacos humanos foram conduzidas por David Cohen na década de 1960 usando uma bobina simples3. Devido a limitações óbvias na resolução espacial e de sinal, ele posteriormente mudou para métodos mais sofisticados, aproveitando os dispositivos de interferência quântica supercondutores (SQUID)4,5. Essa nova abordagem forneceu um caminho para medir campos magnéticos mínimos. No entanto, a busca por alternativas miniaturizadas, econômicas e fáceis de usar para os sistemas SQUID vem ocorrendo desde então. Diferentes conceitos alternativos de sensores têm sido propostos para medir campos magnéticos pequenos e variáveis, como magnetômetros de bombeamento óptico6,7, magnetômetros fluxgate8,9, sensores baseados em efeitos magnetorresistivos10,11 ou compósitos magnetoelétricos12,13. Todos eles têm suas próprias vantagens e desvantagens em relação ao limite de detecção, largura de banda de frequência, faixa de medição, resolução espacial, consumo de energia, vida útil e necessidade de blindagem magnética. Todos esses critérios e o desempenho do sistema de sensor como um todo devem ser considerados para estimar sua capacidade real para diagnósticos biomagnéticos14 ou aplicações médicas assistidas por campo magnético, como mapeamento de nanopartículas magnéticas15, detecção ativa de movimento16 ou localização de eletrodos de estimulação cerebral profunda e orientação rotacional detecção17.

Um sensor de campo magnético baseado em ondas acústicas de superfície (SAW) foi proposto pela primeira vez em 197518. No entanto, em comparação com outros conceitos de sensores, como sensores magnetorresistivos, apenas alguns grupos de pesquisa consideraram essa abordagem19,20,21,22. Os sensores de campo magnético SAW só recentemente ganharam interesse como magnetômetros para campos magnéticos mínimos por meio da combinação de dispositivos de ondas Love com filmes finos magnetostritivos amorfos23. Seu princípio de funcionamento é baseado na geração de ondas acústicas de alta frequência em um substrato piezoelétrico por transdutores interdigitais (IDTs). O uso de cortes específicos dos substratos monocristalinos piezoelétricos em combinação com uma camada guia de menor velocidade de onda acústica leva à geração de ondas Love24. Quanto maior a diferença das propriedades mecânicas entre o substrato e a camada guia, mais forte é o confinamento da onda acústica na superfície da camada guia25. Esse confinamento tem a vantagem em comparação com outros modos de onda, como as ondas Rayleigh, de que as influências na superfície do sensor têm um impacto maior na propagação das ondas acústicas. Tais influências podem ser campos magnéticos se os dispositivos SAW forem revestidos com um filme magnetoelástico, permitindo assim capacidades de detecção de campo magnético. O princípio de detecção é baseado no efeito delta-E, que descreve a mudança não linear dos módulos elásticos com a magnetização em um material magnetostritivo devido à presença de deformação magnetostritiva além da deformação elástica convencional do material26. A mudança de rigidez efetiva muda a velocidade das ondas acústicas e leva a uma mudança de fase do sinal de saída. Essa mudança de fase é então proporcional à amplitude medida do campo magnético. Diferentes materiais e designs de SAW foram propostos27,28, até mesmo sensores de campo magnético SAW baseados em filmes finos em pastilhas de silício foram demonstrados29. Sensibilidades particularmente altas podem ser alcançadas pela aplicação de filmes magnetostrictivos magneticamente macios com uma anisotropia magnética bem alinhada e com uma densidade de energia de baixa anisotropia Ku30. Sua grande largura de banda de frequência31 torna os sensores SAW de linha de atraso também promissores para a localização e detecção de orientação rotacional de eletrodos de estimulação cerebral profunda implantados17.