{"id":114912,"date":"2018-03-11T10:43:10","date_gmt":"2018-03-11T10:43:10","guid":{"rendered":"https:\/\/www.deberes.net\/tesis\/sin-categoria\/thin-film-magnetoimpedance-micro-structures-for-sensing-applications\/"},"modified":"2018-03-11T10:43:10","modified_gmt":"2018-03-11T10:43:10","slug":"thin-film-magnetoimpedance-micro-structures-for-sensing-applications","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.deberes.net\/tesis\/magnetismo\/thin-film-magnetoimpedance-micro-structures-for-sensing-applications\/","title":{"rendered":"Thin-film magnetoimpedance micro-structures for sensing applications"},"content":{"rendered":"

Tesis doctoral de Eduardo Fernandez Martin <\/strong><\/h2>\n

Se conoce como magnetoimpedancia (mi) a la gran variaci\u00f3n de laimpedancia el\u00e9ctrica que experimentan los materiales ferromagn\u00e9ticos blan-dos en determinadas condiciones cuando se les aplica un campo magn\u00e9ticoexterno. Este efecto es b\u00e1sicamente consecuencia de la variaci\u00f3n de la lon-gitud de penetraci\u00f3n del campo electromagn\u00e9tico (efecto pelicular) al variarla permeabilidad del material. Es decir, la secci\u00f3n efectiva de la muestrapor la que circula la corriente alterna depende de la magnitud del campomagn\u00e9tico aplicado. Es un fen\u00f3meno descubierto y explicado hace d\u00e9cadaspero que ha despertado un gran inter\u00e9s desde hace algunos a\u00f1os por susposibilidades de aplicaci\u00f3n, especialmente en sensores de campo magn\u00e9ticode baja intensidad, debido a la alta sensibilidad que puede llegar a exhibirla mi ante peque\u00f1as variaciones del campo magn\u00e9tico externo.El efecto mi es especialmente relevante en hilos basados en aleacionesamorfas. Sin embargo este tipo de materiales son dif\u00edciles de intregrar endispositivos utilizando las t\u00e9cnicas habituales de fabricaci\u00f3n de la indus-tria microelectr\u00f3nica. Las pel\u00edculas delgadas suponen una alternativa parasuperar esta limitaci\u00f3n ya que sus procesos de fabricaci\u00f3n y la forma de in-tegraci\u00f3n en los circuitos electr\u00f3nicos de los posibles dispositivos son usadosrutinariamente en la industria microelectr\u00f3nica. En particular, las pel\u00edculasdelgadas basadas en permalloy (py), son f\u00e1cilmente fabricadas por t\u00e9cnicasde deposici\u00f3n at\u00f3mica y presentan excelentes propiedades magn\u00e9ticas y uncoste moderado.El objetivo principal de esta tesis ha sido dise\u00f1ar, fabricar, caracterizary optimizar estructuras en forma de pel\u00edcula delgada con propiedades demagnetoimpedancia para su uso en microsensores. La investigaci\u00f3n se hadivido en tres fases fundamentales:1. Optimizar las condiciones de deposici\u00f3n para mejorar las propiedadesmagn\u00e9ticas de las pel\u00edculas delgadas basadas en permalloy, incluyendoel estudio de diferentes estructuras multicapa y en forma de sandwichque magnifican la mi.2. Establecer los procesos de fabricaci\u00f3n por fotolitograf\u00eda de las muestrascon tama\u00f1o microm\u00e9trico y estudiar su efecto en las prestaciones delos elementos mi.3. Demostrar la viabilidad de desarrollar aplicaciones sensoras utilizandoel efecto mi de estructuras basadas en pel\u00edculas delgadas.Para la caracterizaci\u00f3n de las propiedades magn\u00e9ticas se han utilizadodiversas t\u00e9cnicas, incluyendo la magnetometr\u00eda de muestra vibrante y porefecto kerr, as\u00ed como la observaci\u00f3n de dominios magn\u00e9ticos por la t\u00e9cnicade bitter y la microscop\u00eda de efecto kerr. As\u00ed mismo, se han desarrolladosistemas experimentales para la caracterizaci\u00f3n de la magnetoimpedanciaen las pel\u00edculas delgadas. El rango de frecuencia donde las variaciones dela impedancia son m\u00e1ximas, es decir, d\u00f3nde la profundidad de penetraci\u00f3nes del mismo orden que el espesor de nuestras pel\u00edculas delgadas (\u00c2\u00bf 1\u00c2\u00bfm)va desde los cientos de khz hasta varios cientos de mhz. Para medir laimpedancia a esas frecuencias ha sido necesario utilizar t\u00e9cnicas propias dela ingenier\u00eda de microondas. Por ello, en la memoria se hace una descrip-ci\u00f3n de la t\u00e9cnica de medici\u00f3n de la impedancia en l\u00edneas de transmisi\u00f3nprevia a la descripci\u00f3n de los sistemas de medida de mi. Estos incluyen unsistema de medida de la impedancia en funci\u00f3n de la magnitud del campomagn\u00e9tico aplicado en una direcci\u00f3n fija y un segundo sistema de medidade la impedancia en funci\u00f3n de un campo magn\u00e9tico con una magnitud fijapero aplicado en una direcci\u00f3n arbitraria.Dentro de la primera de las tres fase se\u00f1aladas anteriormente, se ha real-izado un estudio para establecer cuales son las condiciones \u00f3ptimas parael crecimiento de pel\u00edculas delgadas de permalloy mediante pulverizaci\u00f3ncat\u00f3dica. Para obtener buenas propiedades de mi, la deposici\u00f3n se realizaen presencia de un campo magn\u00e9tico con objeto de inducir una anisotrop\u00edauniaxial en el plano de la muestra. Se ha estudiado la dependencia conla presi\u00f3n de arg\u00f3n durante la deposici\u00f3n de las propiedades magn\u00e9ticasde la pel\u00edcula delgada, obteniendo que, en el mejor de los casos (utilizandouna presi\u00f3n de ar de 3.8 \u00ed– 10\u00c2\u00bf3 mbar), el espesor m\u00e1ximo que se puedeconseguir sin que empeoren las propiedades magn\u00e9ticas es de entorno a 200nm. Este empeoramiento se produce por la aparici\u00f3n de una componente deanisotrop\u00eda fuera del plano, probablemente por un crecimiento columnar dela capa. Para conseguir espesores m\u00e1s elevados de pel\u00edcula magn\u00e9tica se haprocedido a la fabricaci\u00f3n de multicapas, insertando, entre sucesivas capasde py, una fina capa de titanio, de unos pocos nanometros de espesor, con elobjeto de interrumpir el crecimiento columnar. Se ha estudiado la influenciadel espesor de esta capa en las propiedades de la estructura, siendo 6 nm elespesor \u00f3ptimo de la capa de titanio. Tambi\u00e9n se ha estudiado la dependen-cia de la mi con el espesor de la capa magn\u00e9tica de py en las estructurasmulticapa. El estudio se realiz\u00f3 para tres espesores de las capas de py (25,50 y 100 nm) repitiendo la estructura py\/ti el n\u00famero de veces necesariopara obtener un espesor total de 400 nm. La m\u00e1xima mi se obtuvo en lamulticapa con un espesor individual de py de 50 nm.Las estructuras tricapa, tipo sandwich, se han realizado incluyendo unacapa central de material no magn\u00e9tico (cobre) entre dos estructuras magn\u00e9ti-cas en forma de multicapa como las descritas anteriormente. Las estructurastricapa potencian el efecto magnetoinductivo y permiten aumentar el efectomi utilizando frecuencias m\u00e1s bajas. Se han comparado dos tipos de estruc-turas tipo tricapa: abierta y cerrada. En la estructura abierta, el materialmagn\u00e9tico de las capas externas y el no magn\u00e9tico central tienen la mismaanchura y el flujo magn\u00e9tico creado por la corriente alterna se cierra por elaire. En la estructura cerrada, el material magn\u00e9tico de las capas externastiene mayor anchura que el no magn\u00e9tico central, de forma que el flujo mag-n\u00e9tico se cierra por el material magn\u00e9tico. Se han preparado y caracterizadodos estructuras con el mismo espesor y dimensiones, obteniendo, como seesperaba, un mayor rendimiento en la muestra tricapa cerrada. A\u00fan as\u00ed,para el resto de los estudios, se seleccion\u00f3 la estructura en forma de tricapaabierta, ya que su fabricaci\u00f3n puede realizarse en un \u00fanico proceso, a difer-encia de la estructura tricapa cerrada, en la cual son necesarios al menos trespasos en la fabricaci\u00f3n. A continuaci\u00f3n se realiz\u00f3 un estudio para observar ladependencia del espesor del conductor central en la mi en muestras tricapaabiertas. El estudio se realiz\u00f3 con dos espesores diferentes de cobre, 250 y500 nm, obteniendo una mi m\u00e1xima de un 200 % y una sensibilidad de un100%\/oe para la muestra con un espesor de cobre de 500 nm.En definitiva, esta primera fase permiti\u00f3 definir las condiciones de prepa-raci\u00f3n y apilamiento \u00f3ptima de las muestras basadas en multicapas magn\u00e9ti-cas con estructura sandwich, que en lo sucesivo se denominan estructurasms (multilayered sandwich).La segunda fase de la tesis se ha centrado en el establecimiento de pro-cesos de fabricaci\u00f3n que permitan obtener los elementos mi en tama\u00f1osmicrom\u00e9tricos. Para ello, se debi\u00f3 acondicionar un laboratorio a modo desala limpia con un ambiente de calidad de aire, temperatura, humedad eiluminaci\u00f3n adecuados a los procesos a realizar. El laboratorio se equip\u00f3,as\u00ed mismo, con los instrumentos adecuados para desarrollar las tareas nece-sarias. La investigaci\u00f3n se comenz\u00f3 explorando dos t\u00e9cnicas de patron-ado por fotolitograf\u00eda para esculpir las muestras basadas en estructurasms: el ataque h\u00famedo y el \u00c2\u00bflift-off\u00c2\u00bf, constatando que \u00fanicamente la t\u00e9c-nica de \u00c2\u00bflift-off\u00c2\u00bf permit\u00eda realizar un patronado con tama\u00f1os microm\u00e9tricosen condiciones aceptables. Usando la t\u00e9cnica \u00c2\u00bflift-off\u00c2\u00bf se prepararon unaserie de muestras rectangulares con diferentes tama\u00f1os y relaciones de as-pecto longitud-anchura. La calidad de las muestras se evalu\u00f3 usando micro-scop\u00eda electr\u00f3nica de barrido y perfilometr\u00eda 3d con un microscopio de fuerzaat\u00f3mica. Se constat\u00f3 que las muestras presentaban una zona degradadacerca del borde de aproximadamente 2 \u00c2\u00bfm de anchura, como consecuenciadel proceso de fabricaci\u00f3n. La presencia de esta zona degradada implica quela anchura de la muestra m\u00e1s estrecha que fue posible fabricar adecuada-mente fue de 20 \u00c2\u00bfm. Para las medidas de impedancia fue necesario definircontactos el\u00e9ctricos en los extremos de las muestras mediante un segundoproceso de fotolitograf\u00eda.Para evaluar el efecto del micro-patronado en el comportamiento mag-n\u00e9tico de las muestras se fabricaron, mediante la t\u00e9cnica de \u00c2\u00bflift-off\u00c2\u00bf, unaserie de muestras consistentes \u00fanicamente en la capa magn\u00e9tica formada pormulticapa de py\/ti, con diferentes anchuras (de 20 a 100 \u00c2\u00bfm) y longitudes(de 0.5 a 2 mm) con un espesor total de entorno a 500 nm. Estas muestrasposeen dos anisotrop\u00edas magn\u00e9ticas de diferente origen, que compiten entres\u00ed: una anisotrop\u00eda inducida durante la deposici\u00f3n a lo largo de la direc-ci\u00f3n m\u00e1s corta de las muestras y una anisotrop\u00eda de forma a lo largo de lalongitud m\u00e1s larga, siendo ambas perpendiculares entre s\u00ed. La combinaci\u00f3nde ambas anisotrop\u00edas produce una anisotrop\u00ed\u00aca efectiva en la direcci\u00f3n dela de mayor magnitud, que en este caso es la anisotrop\u00eda inducida, y conuna magnitud dada por la diferencia entre ambas. De este modo, resultaque la anisotrop\u00eda efectiva de las muestras patronadas puede ser reducidaeligiendo apropiadamente la relaci\u00f3n entre la anchura y la longitud (que esla que determina la magnitud de la anisotrop\u00eda de forma). En las muestrasfabricadas conseguimos pasar de tener un campo de anisotrop\u00eda de 5 oe auno 2 oe. Este resultado es de especial relevancia en el dise\u00f1o de sensoresbasados en mi, ya que la sensibilidad del efecto mi al campo magn\u00e9ticoexterno es inversamente proporcional al valor de la anisotrop\u00eda transversal.Mediante el patronado con las dimensiones adecuadas es posible aumentarla sensibilidad al campo magn\u00e9tico en un factor de 2.5, utilizando el mismotipo de material base.Se fabricaron a continuaci\u00f3n una serie de muestras con las mismas ge-ometr\u00edas, pero con la estructura ms completa, con un espesor total de1.3 \u00c2\u00bfm. Se carateriz\u00f3 magn\u00e9ticamente cada una de las muestras midiendosu ciclo de hist\u00e9resis, as\u00ed como recogiendo im\u00e1genes de sus dominios mag-n\u00e9ticos en remanencia. En muestras de baja anisotrop\u00eda efectiva se observ\u00f3una ligera inclinaci\u00f3n de los dominios magn\u00e9ticos en el estado de remanenciafuera de la direcci\u00f3n de f\u00e1cil imanaci\u00f3n.La respuesta de mi se determin\u00f3 en todas las muestras aplicando uncampo m\u00e1ximo de 150 oe y una frecuencia m\u00e1xima de 300 mhz. Se observ\u00f3como el valor del campo magn\u00e9tico para el que se obtiene el m\u00e1ximo de la miaumenta seg\u00fan crece la relaci\u00f3n de aspecto entre la longitud y la anchura.Esto es debido a que los m\u00e1ximos de la impedancia se encuentran entorno alos campos de anistrop\u00eda y estos dependen de la relaci\u00f3n entre la longitud yla anchura. Tambi\u00e9n se observ\u00f3 como la raz\u00f3n de la mi aumenta para unaanchura fija al aumentar la longitud de la muestra, estando esto asociadoal aumento de la permeabilidad transversal que produce la disminuci\u00f3n delcampo de anisotrop\u00eda efectiva. La dependencia de la mi con la anchura enmuestras con una longitud fija es mas compleja de analizar, al haber muchosm\u00e1s par\u00e1metros interdependientes. Se obtuvo una mi m\u00e1xima de un 180% yuna sensibilidad del 60%\/oe en muestras con una relaci\u00f3n longitud-anchuraalta.Para intentar establecer la influencia de los distintos par\u00e1metros variablesen este estudio, se han realizado simulaciones por elementos finitos en 2d,con el objetivo de encontrar la dependencia de la mi con la variaci\u00f3n deanchura. Para reproducir las condiciones experimentales se han tenido queincluir en las simulaciones la configuraci\u00f3n de la l\u00ednea de transmisi\u00f3n quese utiliza en las medidas de la impedancia. Adem\u00e1s, se ha estimado lapermeabilidad transversal de las muestras ajustando el modelo simulado conmedidas experimentales, obteniendo un valor para la permeabilidad relativade 4300. Se han simulado las estructuras ms con las mismas anchurasque las estudiadas experimentalmente, pero manteniendo la permeabilidadtransversal constante. De este modo se ha podido concluir que la raz\u00f3n dela parte real de la mi aumenta con la anchura de la muestra, pero que laraz\u00f3n de la parte imaginaria diminuye con la anchura, debido al aumento dela contribuci\u00f3n capacitiva de la linea de transmisi\u00f3n. Seg\u00fan los resultadosde las simulaciones, el ratio m\u00e1ximo de la mi se obtiene para una muestrade 90 \u00c2\u00bfm de anchura.En la tercera fase de la tesis, se ha hecho \u00e9nfasis en la aplicabilidad dela mi de las estructuras ms. Se han evaluado tres dist\u00edntas de aplicacionessensoras: la detecci\u00f3n del campo magn\u00e9tico de la tierra (br\u00fajula electr\u00f3nica),la determinaci\u00f3n de la concentraci\u00f3n de part\u00edculas magn\u00e9ticas en fluidosy la detecci\u00f3n de presi\u00f3n utilizando muestras depositadas sobre sustratosflexibles.En primer lugar, se ha demostrado la idoneidad de las estructuras mi detama\u00f1o microm\u00e9trico como elemento sensible en dispositivos de detecci\u00f3ngeomagn\u00e9tica. Se ha fabricado y evaluado un sensor de interfaz electr\u00f3nicacompacta que produce una salida de tensi\u00f3n continua en funci\u00f3n de loscambios de la orientaci\u00f3n del campo magn\u00e9tico terrestre, como prototipo deuna br\u00fajula electr\u00f3nica. Se ha establecido el l\u00edmite de detecci\u00f3n del prototipocuantificando la contribuci\u00f3n al ruido total de cada elemento del sensor. Sedetermin\u00f3 el ruido de la interfaz electr\u00f3nica cambiando de forma sistem\u00e1ticacada uno de los componentes por otro equivalente. Se utilizaron muestrascon diferentes relaciones geom\u00e9tricas y diferentes detectores de cambio deimpedancia. El nivel de ruido obtenido, en el mejor de los casos, es de 122pt\/\u00c2\u00bfhz.En segundo lugar, se ha utilizado un dispositivo microflu\u00eddico para de-terminar la concentraci\u00f3n de part\u00edculas magn\u00e9ticas bajo un flujo continuodel fluido portador. La detecci\u00f3n, aunque posible, resulta complicada por ladecisiva interferencia producida por la permitividad del fluido en las medidasde alta frecuencia. Se identificaron varias posibles mejoras para aumentarel rendimiento de dicho dispositivo.Por \u00faltimo se han evaluado nuevos campos de aplicaci\u00f3n de la mi con es-tructurasms depositadas sobre sustratos flexibles. Se compar\u00f3 el rendimientode las muestras preparadas sobre sustratos de vidrio r\u00edgido con muestrasdepositadas sobre un sustrato flexible basado en un copol\u00edmero de olefinac\u00edclica (coc). Utilizando estas \u00faltimas estructuras se evalu\u00f3 la posibilidadde usar los cambios detectados en la mi como sensores de presi\u00f3n diferencialbaja.<\/p>\n

 <\/p>\n

Datos acad\u00e9micos de la tesis doctoral \u00abThin-film magnetoimpedance micro-structures for sensing applications<\/strong>\u00ab<\/h3>\n
    \n
  • T\u00edtulo de la tesis:<\/strong>\u00a0 Thin-film magnetoimpedance micro-structures for sensing applications <\/li>\n
  • Autor:<\/strong>\u00a0 Eduardo Fernandez Martin <\/li>\n
  • Universidad:<\/strong>\u00a0 Pa\u00eds vasco\/euskal herriko unibertsitatea<\/li>\n
  • Fecha de lectura de la tesis:<\/strong>\u00a0 28\/11\/2013<\/li>\n<\/ul>\n

     <\/p>\n

    Direcci\u00f3n y tribunal<\/h3>\n
      \n
    • Director de la tesis<\/strong>\n
        \n
      • Alfredo Garcia Arribas<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n
      • Tribunal<\/strong>\n
          \n
        • Presidente del tribunal: blanca Hernando grande <\/li>\n
        • joao paulo Sinnecker — (vocal)<\/li>\n
        • Mar\u00eda Luisa Fernandez-gubieda ruiz (vocal)<\/li>\n
        • christophe Dolabdjian — (vocal)<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n<\/ul>\n

           <\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

          Tesis doctoral de Eduardo Fernandez Martin Se conoce como magnetoimpedancia (mi) a la gran variaci\u00f3n de laimpedancia el\u00e9ctrica que experimentan […]<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"site-sidebar-layout":"default","site-content-layout":"","ast-site-content-layout":"","site-content-style":"default","site-sidebar-style":"default","ast-global-header-display":"","ast-banner-title-visibility":"","ast-main-header-display":"","ast-hfb-above-header-display":"","ast-hfb-below-header-display":"","ast-hfb-mobile-header-display":"","site-post-title":"","ast-breadcrumbs-content":"","ast-featured-img":"","footer-sml-layout":"","theme-transparent-header-meta":"","adv-header-id-meta":"","stick-header-meta":"","header-above-stick-meta":"","header-main-stick-meta":"","header-below-stick-meta":"","astra-migrate-meta-layouts":"default","ast-page-background-enabled":"default","ast-page-background-meta":{"desktop":{"background-color":"var(--ast-global-color-4)","background-image":"","background-repeat":"repeat","background-position":"center center","background-size":"auto","background-attachment":"scroll","background-type":"","background-media":"","overlay-type":"","overlay-color":"","overlay-gradient":""},"tablet":{"background-color":"","background-image":"","background-repeat":"repeat","background-position":"center center","background-size":"auto","background-attachment":"scroll","background-type":"","background-media":"","overlay-type":"","overlay-color":"","overlay-gradient":""},"mobile":{"background-color":"","background-image":"","background-repeat":"repeat","background-position":"center center","background-size":"auto","background-attachment":"scroll","background-type":"","background-media":"","overlay-type":"","overlay-color":"","overlay-gradient":""}},"ast-content-background-meta":{"desktop":{"background-color":"var(--ast-global-color-5)","background-image":"","background-repeat":"repeat","background-position":"center center","background-size":"auto","background-attachment":"scroll","background-type":"","background-media":"","overlay-type":"","overlay-color":"","overlay-gradient":""},"tablet":{"background-color":"var(--ast-global-color-5)","background-image":"","background-repeat":"repeat","background-position":"center center","background-size":"auto","background-attachment":"scroll","background-type":"","background-media":"","overlay-type":"","overlay-color":"","overlay-gradient":""},"mobile":{"background-color":"var(--ast-global-color-5)","background-image":"","background-repeat":"repeat","background-position":"center center","background-size":"auto","background-attachment":"scroll","background-type":"","background-media":"","overlay-type":"","overlay-color":"","overlay-gradient":""}},"footnotes":""},"categories":[17937,740,12909],"tags":[198004,50908,227575,227573,227574,219485],"class_list":["post-114912","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-instrumentos-electronicos","category-magnetismo","category-pais-vasco-euskal-herriko-unibertsitatea","tag-alfredo-garcia-arribas","tag-blanca-hernando-grande","tag-christophe-dolabdjian","tag-eduardo-fernandez-martin","tag-joao-paulo-sinnecker","tag-maria-luisa-fernandez-gubieda-ruiz"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.deberes.net\/tesis\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/114912","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.deberes.net\/tesis\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.deberes.net\/tesis\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.deberes.net\/tesis\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.deberes.net\/tesis\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=114912"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/www.deberes.net\/tesis\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/114912\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.deberes.net\/tesis\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=114912"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.deberes.net\/tesis\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=114912"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.deberes.net\/tesis\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=114912"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}