Ученые НИТУ МИСИС предложили новый метод создания миниатюрного магнитоэлектрического композита, который позволит уменьшить сверхчувствительные датчики для медицинских применений. Результаты работы опубликованы в научном журнале Materials.
Для неинвазивных методов диагностики заболеваний — магнитоэнцефалографии (исследование магнитных полей центральной нервной системы) и магнитокардиографии (исследование магнитных полей в области сердечной мышцы), которые позволяют изучать на ранних стадиях различные заболевания (рассеянный склероз, болезнь Альцгеймера, шизофрения, невралгии и т.д.), чаще всего используют массивы сверхчувствительных и при этом миниатюрных сенсоров на основе сверхпроводников. Однако такие датчики требуют дорогостоящих систем охлаждения, что отражается на их общей стоимости.
Значительно снизить цену датчиков возможно, если использовать в качестве их чувствительных элементов композитные магнитоэлектрические материалы (МЭ-композиты), состоящие из магнитострикционного и пьезоэлектрического слоев, соединенных друг с другом. Однако такие элементы плохо поддаются миниатюризации, так как для получения наибольшей чувствительности к магнитному полю МЭ-материал должен быть «подмагничен», то есть помещен во внешнее магнитное поле, которое прикладывается, например, при помощи дополнительной электромагнитной катушки.
Необходимость в дополнительной магнитной системе не позволяет применить для создания сенсоров только технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС-технологии), хорошо отработанные для кремниевой электроники. Это заставляет исследователей по всему миру искать иные подходы к подмагничиванию МЭ-композитов.
Группа ученых Университета МИСИС под руководством старшего научного сотрудника лаборатории физики оксидных сегнетоэлектриков Андрея Турутина совместно с коллегами из ООО «Маппер» — ведущего российского предприятия, занимающегося МЭМС-технологиями, предложила конструкцию МЭ-композита с магнитострикционным слоем аморфного сплава, называемого метгласом (Fe70Co8Si12B10), и дополнительным слоем никеля, являющимся источником подмагничивающего поля.
«Вначале при помощи метода микропескоструйной обработки из кристалла ниобата лития (НЛ) мы изготовили консоль толщиной не более 100 мкм. Таким образом, был практически реализован идеальный механический осциллятор, сохраняющий все преимущества объемных кристаллов ниобата лития (НЛ). Далее на кристалл методом магнетронного распыления мишени наносили слой метгласа. Такой тип композита хорошо изучен нашей научной группой и является модельным. Отдельной сложной задачей была точная передача состава пленке, так как слой содержит четыре химических элемента», — рассказал соавтор работы, старший научный сотрудник лаборатории физики оксидных сегнетоэлектриков НИТУ МИСИС Илья Кубасов.
Главное достижение исследования заключается в том, что ученым удалось изготовить магнитоэлектрический датчик изгибного (т.е. внешнее магнитное поле изгибает чувствительный элемент) типа с характеристиками, приближающимися к максимально возможным. При этом разработанный в НИТУ МИСИС датчик полностью изготовлен с помощью технологий микроэлектроники и МЭМС на основе единой монокристаллической подложки НЛ — это стало реальным за счет устранения из структуры клеевых слоев и механических зажимов, которые применяются в известных аналогах.
«После того, как мы отработали технологию получения МЭМС-композитов, были проведены измерения магнитоэлектрического эффекта в квазистатическом и динамическом режимах. Было установлено, что МЭ коэффициент составляет 492 В/(см · Э) на частоте изгибного резонанса, а чувствительность к переменному магнитному полю достигла 12 пТл на резонансной частоте 3065 Гц. Это не менее, чем в 5 раз, превышает лучшие известные из литературы значения для магнитоэлектрических МЭМС-композитов», — пояснил руководитель проекта РНФ Андрей Турутин.
Метод, предложенный командой, в ближайшем будущем позволит значительно уменьшить сверхчувствительные датчики магнитных полей, применяемые, например, для неинвазивных методов диагностики заболеваний. В дальнейшем ученые планируют добавить подмагничивающие слои в разработанные композиты и создать массивы миниатюрных сенсоров для картирования сверхслабых переменных магнитных полей для диагностики заболеваний.
Работа выполнялась при поддержке Российского научного фонда №
