Исследования высокочастотных тонкопленочных датчиков магнитных полей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I

ДАТЧИКИ, РЕГИСТРИРУЮЩИЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ, НА ОСНОВЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ С ТОНКОЙ МАГНИТНОЙ ПЛЕНКОЙ.

1.1 Индукционные тонкопленочные датчики.

1.2 Магниторезистивные датчики.

1.3 Тонкопленочные датчики, основанные на магнитострикционном эффекте возбуждения акустических волн.

1.4 Микрополосковые датчики.

ГЛАВА И

ОДНОКОМПОНЕНТНЫЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ ДАТЧИКИ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

2.1 Индукционный тонкопленочный датчик.

2.2 Микрополосковый датчик на основе структуры из двух микрополосковых резонаторов со скачком волнового сопротивления.

2.3 Оптимизированная конструкция микрополоскового датчика.

ГЛАВА Ш

МОДЕЛИ И ИСПОЛЬЗУЕМАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА.

3.1 Расчет амплитудно-частотной характеристики двух взаимодействующих контуров, входящих в состав индукционного тонкопленочного датчика.

3.2 Расчет АЧХ микрополосковых резонаторов.

3.3 Расчетная модель двух связанных микрополосковых резонаторов со скачком волнового сопротивления.

3.4 Расчет магнитной проницаемости пленки.

ГЛАВА IV

ДВУХКОМПОНЕНТНЫЕ МИКРОПОЛОСКОВЫЕ ДАТЧИКИ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ.

4.1 Простейший двухкомпонентный микрополосковый датчик на основе мик-рополоскового резонатора кольцевого типа.

4.2 Двухкомпонентные микрополосковые датчики на МПР со скачками волнового сопротивления.

4.3 Двухкомпонентный гибридный микрополосковый датчик на МПР со скачком волнового сопротивления.

4.4 Двухкомпонентный микрополосковый датчик с одним входом и двумя выходами.

4.5 Экспериментальные результаты.

ЗАЮПОЧЕНИЕ.

Актуальность проблемы. Наряду с традиционными устройствами, ис-пользуюпщми магнитные материалы (вентилями, циркуляторами, фазовращателями), в радиотехнике исследуются конструкции, в состав которых входят магнитные пленки в совокупности с колебательными системами [1-3]. Многие устройства на основе магнитных пленок обладают уникальными характеристиками, которые достаточно легко электрически перестраиваются. Это обусловлено такими свойствами пленок, как высокая скорость изменения ориентации намагниченности, термостабильность, более высокие, чем в других магнитных материалах, значения магнитной проницаемости на СВЧ и разнообразные анизотропные свойства. Для металлических пленок важно также отсутствие потерь на вихревые токи вплоть до сверхвысоких частот.

Одним из важных практических применений колебательных систем с тонкой магнитной пленкой (ТМП) являются датчики магнитных полей. Как известно, разработка и исследование датчиков различных физических величин во все времена является важной и актуальной задачей. Датчики магнитных полей необходимы не только для экспериментальной физики, но и для техники. Они находят широкое применение в геологии для разведки полезных ископаемых, в охранной сигнализации, в медицине и в различной специальной аппаратуре.

Как правило, датчики характеризуются чувствительностью [4], числени и и -|-| и ной мерой которой является коэффициент преобразования, определяемый как к=д/т, где т и д - информативные параметры входного и выходного сигналов соответственно. Кроме того, датчики характеризуются порогом чувствительности, показывающим предельно малую величину поля определенной частоты, измеряемого устройством; шириной полосы пропускания, характеризующей частотный диапазон измеряемого поля; ориентационной зависимостью (функцией коэффициента преобразования от направления измеряемого поля), находящей отражение в диаграммах направленности.

Порог чувствительности датчиков определяется двумя факторами: коэффициентом преобразования и шумами устройства. Последние, в свою очередь, складываются из шзтмов схемы магнитометра, в состав которого входит датчик, и его собственными шумами. Для тонкопленочных датчиков, использующих различные колебательные системы, их шумы определяются суммой тепловых шумов колебательных систем и шумов магнитной пленки [5, 14]. Из них в большей степени на порог чувствительности влияют магнитные пхумы в пленке, связанные с механизмами смещения доменных границ, некогерентного вращения магнитного момента, различные неоднородности в ТМП, дисперсия анизотропии и т.д. [6].

Увеличение нижней границы величины измеряемого поля датчиком может производиться двумя путями: уменьшением уровня шумов ТМП [7] и увеличением коэффициента преобразования устройства. Поэтому важной и актуальной является задача оптимизации конструктивных параметров датчиков с целью повышения их коэффициентов преобразования.

Существует несколько типов датчиков, содержащих тонкую магнитную пленку: индукционные, магниторезистивные, микрополосковые и др. Основные отличия их конструкций друг от друга заключаются в используемой колебательной системе или используемом физическом эффекте в магнитной пленке.

Как известно, индукционные высокочастотные датчики, в состав которых входят колебательные контуры, сравнительно миниатюрны и имеют достаточно высокую чувствительность при ширине полосы пропускания в несколько десятков килогерц и, в отличие от магниторезистивных, практически лишены магнитного гистерезиса, однако они не технологичны в производстве.

Перспективными являются конструкции датчиков интегрального исполнения, в которых используются вместо колебательных контуров различные микрополосковые структуры на диэлектрической подложке с ТМП. Они отличаются не только технологичностью в изготовлении, но и более высокой миниатюрностью. Магнитная пленка в таких датчиках осаждается на нижнюю сторону диэлектрической подложки напротив микрополосковой структуры, а затем покрывается слоем меди - экраном. Магнитометр на основе микрополоскового датчика показывает высокие характеристики при регистрации слабых магнитных полей.

Коэффициенты преобразования микрополосковых датчиков можно повысить, используя микрополосковые резонаторы с определенной топологией полоскового проводника и оптимизируя конструктивные параметры как самих резонаторов, так и используюпщхся магнитных пленок. Для этого необходимо провести исследования влияния параметров резонаторов и ТМП на прохождение СВЧ-мощности через датчик и, исходя из полученных результатов, оптимизировать устройство по чувствительности.

В случае необходимости измерения величины и направления магнитного поля требуется либо вращение датчика, либо использование комбинации из трех соответственно ориентированных датчиков, что, очевидно, усложняет измерительную аппаратуру. Поэтому важным является поиск конструкций датчиков, способных измерять компоненты вектора регистрируемого магнитного поля.

Цели настоящей работы.

1. Теоретическое и экспериментальное исследование конструкций высокочастотных тонкопленочных датчиков магнитных полей.

2. Оптимизация конструктивных параметров тонкопленочных датчиков для получения максимальной чувствительности устройств к магнитным полям.

3. Разработка и исследование конструкций датчиков, способных измерять не только величину магнитного поля, но и его направление.

Научная новизна работы. Новые научные результаты, полученные в работе, состоят в следующем.

1 Проведены теоретические исследования влияния параметров связанных колебательных контуров индукционного тонкопленочного датчика магнитных полей на чувствительность устройства. Показано, что при небольшом изменении параметров контуров, которое происходит вследствие малого изменения магнитной проницаемости пленки под воздействием измеряемого поля, прохождение сигнала через датчик на совмещенной частоте резонанса и полюса затухания резко увеличится.

2 В квазистатическом приближении исследовано влияние параметров магнитной пленки на прохождение СВЧ-мопщости через микропо-лосковую структуру датчиков. Показано, что применение металличе- . ских пленйк толщиной более 0.1-0.15 мкм в датчиках, в которых используются поля накачки дециметрового диапазона длин волн, , нецелесообразно.

3 Оптимизированы по чувствительности к магнитным полям мик-рополосковые датчики на основе структуры из двух микрополосковых резонаторов со скачком волнового сопротивления на диэлектрической подложке, содержащей тонкую анизотропную магнитную пленку.

4 Предложены и исследованы оригинальные планарные конструкции датчиков магнитных полей на основе нерегулярных кольцевых микрополосковых резонаторов, содержащих анизотропную магнитную пленку. Показано, что эти датчики на резонансных частотах первых двух мод колебаний резонаторов формируют два сигнала, которые содержат информацию о компонентах измеряемого магнитного поля.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Чувствительность индукционного тонкопленочного датчика магнитных полей значительно возрастает при работе вблизи частоты полюса затухания, являющегося точкой компенсации индуктивного и емкои и с» и и стного взаимодействий, совмещенной с резонансной частотой колебательных контуров.

2. В микрополосковых датчиках магнитных полей существует оптимальная толщина металлической магнитной пленки, которая зависит от ширины линии ферромагнитного резонанса (ФМР) пленки АЯ.

3. Нерегулярности резонаторов существенно увеличивают коэффициенты преобразования микрополосковых датчиков магнитных полей.

4. Микрополосковый датчик магнитных полей на основе двухмодо-вого резонатора позволяет измерять не только величину магнитного поля, приложенного в плоскости подложки датчика, но и его направление.

Практическая ценность работы. Предложены оригинальные конструкции микрополосковых датчиков, способных непосредственно измерять компоненты вектора регистрируемого магнитного поля. Одна из таких конструкций защищена патентом России. Получены оптимизированные по чувствительности конструкции миниатюрных микрополосковых датчиков, предназначенных для измерения магнитных полей.

Внедрение результатов работы. Разработанные компьютерные программы, предназначенные для расчета коэффициентов связи и амплитудно-частотных характеристик пар взаимодействующих контуров, использующихся в индукционных тонкопленочных датчиках, а также программы анализа тонкопленочных датчиков магнитных полей на основе нерегулярных микро-полосковых резонаторов, внедрены в учебный процесс в Красноярском государственном университете и в учебный процесс и научные исследования в

Томском государственном университете. Внедрения подтверждены соответствующими актами (см. Приложение 1).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на региональной научно-технической конференции студентов и молодых ученых Сибири и Дальнего Востока Современные проблемы радиоэлектроники (Красноярск, 1997), Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов Решетневские чтения (Красноярск, 1998, 2000), Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов Современные проблемы радиоэлектроники (Красноярск, 1999, 2000, 2001), Ш Международном симпозиуме Сибконверс~99 (Томск, 1999), конференции молодых ученых КНЦ СО РАН (Красноярск, 2000, 2001), ХУП международной школе-семинаре Новые магнитные материалы микроэлектроники (Москва, 2000), 10 Международной конференции СВЧ техника и телекоммуникационные технологии (Севастополь, Украина, 2000, 2001).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 работ, в том числе 1 в центральном научно-техническом журнале, а также в описании 1 патента на изобретение.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитированной литературы и приложений. Обпщй объем диссертации - 119 страниц, включая 55 рисунков, 10 страниц приложений. Библиографический список содержит 91 наименование.

Выход

Рис. 47. Блок-схема расчетной модели МПР.

Для определенности в модели исследуемой гибридной конструкции датчика были зафиксированы внешние размеры полоскового проводника 25x25 мм, а для того чтобы обеспечить необходимую разницу резонансных частот первой и второй моды колебаний МПР, ширины проводников, обра

21 23 25 27 29 31 33 35

14 12

10 8 6

22 - 24 26 28 30 32- 34 36 зующих резонатор, выбраны различными: wi=\.0 мм, г1?2=1.6 мм (обозначения в соответствии с Рис. 41). При этом расстояние между проводниками 5*1 =23 мм; 52=21.8 мм. Диэлектрические подложки с 81=80 (керамика ТБНС), расположенные по углам конструкции, имели размеры 8x8 мм, а диэлектрические подложки с 82=3.8 (кварцевое стекло), расположенные в серединах сторон квадрата, имели размеры 11x8 мм. Таким образом, внешние стороны полосковых проводников МПР находились от краев подложек на расстоянии, равном их толщине к=1 мм. Входная и выходная линии передачи имели волновое сопротивление 50 Ом и подключались к резонатору кондуктивно в точках /1=20.6 мм и /2=8 мм. Эти точки подбирались из соображения равенства затухания сигнала на резонансных частотах обеих мод колебаний МПР при отсутствии магнитной пленки.

В датчике использовались магнитные пленки толщиной /г/=500 нм, в которых плоскостная одноосная магнитная анизотропия величиной Ик=3'.5 Э была направлена ортогонально к полосковым проводникам МПР. То есть, для одной пары ТМП (р=0°, а для другой - А90°. Намагниченность насыщения пленок 4лп/=10'* Гс, а ширина линии ФМР АЯ=4 Э на частоте накачки 1 ГГц. При таких конструктивных параметрах резонансные частоты первых двух мод колебаний рассматриваемого датчика /1=520 МГц и/= 602 МГц. Важно отметить, что в этом частотном диапазоне близость ферромагнитного резонанса для используемой магнитной пленки обеспечивается ее внутренним полем, поэтому для работы датчика в принципе не требуется смещающего внешнего постоянного магнитного поля Но. Уровень прошедшей. СВЧ-мощности на резонансных частотах датчика будет определяться только величиной и направлением измеряемого магнитного поля НА.

Действительно, в отсутствие измеряемого поля магнитные моменты всех пленок ориентированы строго вдоль их осей анизотропии, в результате на любом участке резонатора с ТМП М| i НАу, следовательно, нет взаимодействия намагниченности с линейно поляризованными полями накачки, а, значит, добротности МНР для обеих мод колебаний будут максимальны. Если измеряемое поле направлено строго вдоль одной из сторон рамки резонатора, то магнитные моменты двух пленок, расположенных на этих сторонах, отклонятся к направлению поля, а магнитные моменты двух других пленок по-прежнему останутся параллельны Нвч. Очевидно, при этом будет наблюдаться уменьшение добротности только одного из резонансов. В случае направления измеряемого поля НАпод углом к сторонам рамки МБР произойдет уменьшение добротности сразу обоих резонансов в соответствии с составляющими поля Нх и Ну. Заметим, что параметры конструкции исследуемого датчика подобраны таким образом, что его чувствительность к обеим компонентам магнитного поля примерно одинакова.

Рис. 48. Зависимости изменения затухания сигнала на двух резонансных частотах датчика от величины и направления магнитного поля. в подтеерждение к вышесказанному на Рис. 48 представлены зависимости затухания сигналов на резонансных частотах первой и второй моды колебаний МПР (поверхности 7 и 2 соответственно), построенные от величины и направления измеряемого магнитного поля. Видно, что с увеличением угла в при любом фиксированном значении Ну наблюдается уменьшение сигнала на первом резонансе при одновременном его росте на втором. Как и следовало ожидать, равенство сигналов наблюдается при угле 6Л45".

Рис. 49. Изменения затухания сигнала на двух резонансных частотах датчика от компонент магнитного поля.

На Рис. 49 приведены зависимости изменения затухания сигнала мик-рополоскового датчика также на резонансных частотах первой (7) и второй (2) мод колебаний, построенные от величины компонент измеряемого магнитного ГЕЛЯ Нх и Яу. Благодаря практически линейным зависимостям Ыи\{Нх, Ну) к АЬгЩх, Ну) для их связи можно записать систему линейных уравнений:

А1,=а.Н+ЬуНу+.сА л , (4.1) а2НЛ + Ь2Н у + С2 где ¿71, ¿72, ¿ 1 , А2, С1 И С2 - константы, зависящие от параметров датчика, которые можно вычислить или определить экспериментально при калибровке устройства. Для рассмотренной конструкции датчика Й?1=5.86; А2=0.29; ¿1=0.77; ¿2=6.12; С1=0.62 и С2=0.31. Сильное различие по величине коэффициентов 01 и а2, Ь\ и ¿2 доказывает, что полученные полевые зависимости близки к ортогональным. Очевидно, это обстоятельство очень важно, так как точность измерений компонент поля определятся не только чувствительностью датчика, но и "ортогональностью" полевых зависимостей его сигналов. Таким образом, измерив вносимые затухания сигнала АА1 и АЬ2 на резонансных частотах датчика, из системы уравнений (4Л) несложно вычислить компоненты измеряемого магнитного поля Ну. Коэффициент преобразования описанного датчика составляет около 7 дБ/Э, а линейность зависимостей выходных сигналов от измеряемого поля наблюдается вплоть до Яу=1-5 Э. Необходимо отметить, что рассмотренный датчик способен измерять также и сравнительно большие магнитные поля. Как показали исследования, чувствительность датчика и линейность его сигналов в заданном диапазоне измеряемых полей легко регулируется конструктивными параметрами, характеристиками тонкой магнитной пленки, а также смещающим внешним постоянным магнитным полем.

4.4 Двухкомпонентный микрополосковый датчик с одним входом и двумя выходами

Конструкция датчика, имеющего один вход и два выхода, приведенная на Рис. 50, позволяет упростить.устройство магнитометра [87, 88]. В этом случае для регистрации уровня прошедшей СВЧ-мопщости на двух резонан-сах микрополосковой структуры можно использовать два генератора настроенных на частоты /\ и /, или один генератор качающейся частоты, подключенных к входу датчика, и двух детекторов, подключенных к двум другим сторонам структуры. Таким образом, у резонатора датчика имеется один вход (точка подключения генераторов) и два выхода (точки подключения детекторов). Резонатор такого датчика выполняет функцию диплексера, производя частотное разделение входного сигнала с частотами/\ и/, на два канала 89]. Это позволяет избежать использования в конструкции магнитометра дополнительных фильтров, выделяющих на выходе датчика частоты / и /, на которых производятся измерения изменения затухания сигнала A¿l и А12.

На Рис. 51 (а) приведена амплитудно-частотная характеристика датчика с одним входом и двумя выходами в отсутствии внешнего магнитного поля. Расчет АЧХ производился в квазистатическом приближении при таких же конструктивных параметрах, что и у вышеописанного гибридного датчика. Входная линия передачи подключалась к резонатору кондуктивно в точке /1=13.4 мм, а выходные линии передачи - в точках 1вых\=л мм, 1вых2=27.7 мм. Точки цодключения подбирались таким образом, чтобы на амплитудно

О Вход

Рис. 50. Конструкция гибридного датчика С одним входом и двумя выходами. частотной характеристике каждого выхода присутствовал только один резонанс.

Рис. 5 Г Амплитудно-частотные характеристики МПР датчика с одним входом и двумя выходами в отсутствии магнитного поля (а), когда поле направлено вдоль горизонтальных сторон рамки резонатора (б), и когда поле направлено вдоль вертикальных сторон рамки резонатора (в).

На рисунке кривая I изображает АЧХ на первом выходе, а кривая 2 - на втором выходе. Видно, что на АЧХ первого и второго выходов имеется только по одному резонансу на частотах /1=516 МГц и/= 592 МГц соответственно. Разность между потерями на первом и втором выходах на резонансной частоте первого выхода составляет 13.5 дБ, а разность между потерями на резонансной частоте второго выхода - 17 дБ. Другими словами, в рассмотренной конструкции на первом выходе будет регистрироваться сигнал датчика только на частоте/ь а на втором выходе - на частоте/.

На Рис. 51(6) изображена АЧХ датчика при направлении поля Ну величиной 1 Э, вдоль горизонтальных сторон, а на Рис. 51 (в) - вдоль вертикальных сторон рамки резонатора. Из рисунков видно, что в первом случае на АЧХ первого выхода происходит уменьшение добротности резонанса, а на АЧХ второго добротность резонанса практически не меняется. При изменении направления поля наблюдается обратная картина. Этот микрополосковый датчик на резонансных частотах своих первых двух мод колебаний также как и гибридный датчик с одним входом и одним выходом, формирует два сигнала, которые содержат информацию о компонентах измеряемого магнитного поля.

4.5 Экспериментальные результаты

Экспериментальные исследования описанных конструкций датчиков проводились на образцах, МНР которых изготовлялись методом гравировки по лаку [90]. Пермаллоевые магнитные пленки состава (№§1-Бс1§) и толщиной НА50 нм наносились на диэлектрические подложки методом вакуумного напыления.

Схема экспериментальной установки, на которой исследовались датчиков, приведена на рис. 52. Она состоит из измерителя комплексных коэффициентов передачи Р4-37, измерительной СВЧ схемы, катушек Гельмгольца и регулируемого источника питания.

Измеритель комплексных коэффициентов передачи Р4-37 предназначен для панорамного измерения частотных зависимостей 8-параметров коаксиальных многополюсников в диапазоне частот от 1 до 1250 МГц с цифровым отсчетом измеряемых величин и воспроизведением их частотных зависимостей на экране электронно-лучевой трубки в декартовой и полярной системе координат. Он состоит из трех блоков: блока измерительного, генератора качающейся частоты (ГКЧ4) и преобразователя частоты. Абсолютная погрешность измерения частоты измерителя Р4-37 в полосе частот не более 650 МГц на частотах/< 31 МГц составляет ±20 кГц, а при/>3 1 МГц определяется в мегагерцах по формуле А/"=±(0.1+0.001/), где /- значение измеряемой частоты, МГц. Погрешность модуля коэффициента передачи определяется в децибелах по формуле: А4=±(0.01И 1+0-3), где .Л - значение измеряемого модуля коэффициента передачи.

Р4-37

Блок Преобразователь измерительный псч частоты

•р—сг

А1 Сме- Аттенюа-ситель - тор 20 дБ:

Кольца Гельмгольца Исследуемый датчик

Аттенюатор 6 дБ

Смеситель

Регулируемый источник питания

Рис. 52. Схема экспериментальной установки.

Измерительная СВЧ схема состоит из двух смесителей, двух аттенюаторов и измерительного тройника. Смесители предназначены для преобразования частоты входных сигналов в промежуточный сигнал. Аттенюаторы выполняют функцию развязывающих устройств. Тройник смесительный служит для разделения СВЧ мощности на два канала

Измеряемое магнитное поле в эксперименте с относительной погрешностью 2% создавалось с помощью колец Гельмгольца (диаметром 25 см, постоянная колец - 46), которые калибровались с помощью измерителя магнитной индукции Ш1-8. Питание колец осуществлялось от регулируемого источника питания типа ТЕС.

Исследуемый датчик крепился с помощью разъемов между аттенюатором и измерительным тройником, которые являются составными частями 50-омного измерительного тракта, и помещался в центр между колец Гельмголь-ца - область однородного поля. Измерения проводились в режиме измерений проходных параметров. Результаты измерений снимались поточечно по максимумам прохождения СВЧ-мощности через микрополосковую структуру.

Ь,дБ У 1 4

-СУ

2 -о о 1 2 3 4 5 Нх,Э

Рис. 53. Теоретические (сплошные линии) и экспериментальные (точки) полевые зависимости затухания сигнала на двух резонансных частотах датчика.

V —

Проведенные экспериментальные исследования показали достаточно хорошее согласие с теорией [91]. Для иллюстрации на Рис. 53 приведены результаты расчета (сплошные линии) и измерений (точки) затухания сигнала на первой (7) и второй (2) резонансных частотах гибридного датчика, изготовленного в полном соответствии с рассмотренной в п. 4.3 настоящей главы микрополосковой конструкцией, в зависимости от напряженности магнитного поля, направленного вдоль горизонтальных полосковых проводников МПР, то есть вдоль оси х (см. Рис. 43). Аналогичные линейные зависимости наблюдаются и от внешнего поля, приложенного вдоль оси у, только в этом случае, наоборот, - чувствительность датчика к полю на втором резонансе значительно выше, чем на первом.

4 дБ 4 дБ а) (б)

Рис. 54. Экспериментальные полевые зависимости затухания сигнала на двух резонансных частотах интегрального датчика при ОЛН пленки, направленной под углом 39° к горизонтальным участкам МПР.

Неплохие результаты измерений (Рис. 54) были получены на аналогичном датчике, но изготовленном на единой подложке по интегральной технологии (см. Рис. 41). В нем полосковый проводник резонатора на верхней стороне подложки толщиной /7=1 мм и 8=150 (Т-150), также имел форму прямоугольной рамки с внешними размерами 10x13 мм . Ширина горизонтальных участков МПР ги1=1.0 мм, а вертикальных г1;2=1.5 мм. Магнитная пленка с осью легкого намагничивания, ориентированной под углом 39° к горизонтальным проводникам МПР, осаждалась непосредственно на нижнюю сторону подложки и закрывалась слоем меди - экраном. Величина поля анизотропии пленки ЯА=4.4 Э, а ширина линии ФМР АН=5.3 Э.

При такой ориентации ОЛН пленки, с увеличением внешнего поля, направленного вдоль горизонтальных полосок (ось х), магнитный момент М будет отклоняться от направления легкой оси к направлению поля Нх, следовательно, его взаимодействие с высокочастотным полем накачки для горизонтальных участков рамки резонатора будет увеличиваться, а для вертикальных участков - уменьшатся. При этом на первой резонансной частоте (/1=716 МГц) затухание сигнала увеличивается (Рис. 54(а) кривая 7), а на второй резонансной частоте (а=836 МГц), наоборот, уменьшается (Рис. 54(а) кривая 2). Когда внешнее поле направлено вдоль вертикальных участков МПР (ось у), наблюдается обратная картина - затухание сигнала на первой резонансной частоте зАеньшается, а на второй резонансной частоте - увеличивается (Рис. 54(6)).

Полевые зависимости затухания сигнала в случае, когда ОЛН пленки направлена вдоль горизонтальных участков МПР приведены на Рис.55. Измерения выполнены на датчике, параметры МПР которого остались прежними. Одноосная магнитная анизотропия пленки имела величину Нй=А2 Э, ось легкого намагничивания которой направлена под углом 0° к полосковым проводникам МПР, ширина линии ФМР - АЯ=5.5 Э. В этом случае в отсутствии измеряемого поля магнитный момент пленки М будет перпендикулярен высокочастотному полю Неч для горизонтальных участков проводников МПР и параллелен для вертикальных участков проводников. Когда измеряемое магнитное поле направлено вдоль оси л;, магнитный момент останется в том же направлении. При этом с увеличением магнитного поля на резонансной частоте второй моды колебания (/=982 МГц), пучности высокочастотного тока которой находятся в центре вертикальных сторон рамки резонатора, сигнал не изменяется (Рис. 55 (а) кривая 2), так как мПНвч- А на резонансной частоте первой моды колебания (/2=807 МГц), пучности высокочастотного тока которой находятся в центре горизонтальных сторон рамки резонатора, затухание сигнала, по мере приближения величины внешнего поля Нх к величине поля ФМР в ТМП, сначала увеличивается, а, затем, минуя ее, - уменьшается (Рис. 5 5 (а) кривая 7).

А дБ 4 дБ

11 11

10 10

9 ^ х х х ¡г—х1

8 8 о 2 4 6 Нх,Ъ О 2 4 6 Яу,Э а) (б)

Рис. 55. Экспериментальные полевые зависимости затухания сигнала на двух резонансных частотах интегрального датчика при ОЛН пленки, направленной вдоль горизонтальных участков МПР.

Когда поле направлено вдоль оси у, угол между высокочастотным полем накачки Неч для вертикальных участков резонатора и магнитным моментом М с увеличением внешнего поля Еу увеличивается, значит, увеличивается и затухание сигнала на соответствующей частоте (Рис. 55(6) кривая 2), а угол между высокочастотным полем накачки Нвч для горизонтальных зАастков резонатора и магнитным моментом М, наоборот, уменьшается, что приводит к уменьшению затухания сигнала на другой резонансной частоте (Рис. 55(6) кривая 7).

Таким образом, приведенные экспериментальные данные полностью подтверждают правильность рассмотренных в п. 4.1 принципов работы и теоретических методов анализа двухкомпонентных микрополосковых датчиков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении перечислим основные результаты работы, которые состоят в следующем:

1. Теоретически исследовано влияние параметров связанных колебательных контуров индукционного тонкопленочного датчика магнитных полей на чувствительность устройства. Показано, что чувствительность датчика может быть существенно увеличена, если работать вблизи частоты полюса затухания, являющегося точкой компенсации индуктивного и емкостного взаимодействий, при этом частота полюса затухания должна быть совмещена с резонансной частотой контуров.

2. В квазистатическом приближении исследовано влияние параметров магнитной пленки на прохождение СВЧ-мощности через микрополосковую структуру датчиков. Показано, что в микрополосковых датчиках, в которых используются поля накачки дециметрового диапазона длин волн, применение пленок толщиной более 0.1-0.15 мкм нецелесообразно, а оптимальная толщина пленки зависит от ширины линии ФМР пленки АЯ.

3. На основе структуры из двух микрополосковых резонаторов со скачком волнового сопротивления на диэлектрической подложке, содержащей тонкую анизотропную магнитную пленку, разработаны и оптимизированы по чувствительности микрополосковые СВЧ датчики магнитных полей. Коэффициент преобразования оптимизированных датчиков достигает 65 дБ/Э.

4. Предложены и в квазистатическом приближении исследованы оригинальные конструкции датчиков магнитных полей на основе нерегулярных кольцевых микрополосковых резонаторов, содержащих анизотропную магнитную пленку, способные непосредственно измерять не только величину магнитного поля, приложенного в плоскости подложек датчиков, но и его направление. Предложенные датчики сохраняют все основные достоинства микрополосковых конструкций: миниатюрность, технологичность в производстве, а также высокую чувствительность при измерении магнитных полей.

5. Разработаны специальные компьютерные программы анализа микрополосковых датчиков, позволяющих получить широкий набор зависимостей выходных сигналов при прохождении с заданным шагом в определенных пределах любого констрзостивного параметра устройства, включая характеристики магнитных пленок.

6. Эксперименты, проведенные на микрополосковых датчиках, изготовленных в полном соответствии с исследованными микрополосковыми конструкциями, показали хорошее согласие с теорией.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю Б.А. Беляеву за предложенную тему, руководство данными исследованиями и постоянное внимание к работе, Лексикову A.A. за помощь в экспериментальной проверке результатов работы. Автор благодарит всех сотрудников лаборатории за помощь в работе и обсуждении результатов.

1. Пузырев В.А. Тонкие ферромагнитные пленки в радиотехнических цепях. -М.: Советское радио, 1974. - 160 с.

2. Саланский Н.М., Ерухимов М.Ш. Физические свойства и применение магнитных пленок. Новосибирск: Наука, 1975. - 219 с.

3. Пузырев В. А. Техническое применение тонких ферромагнитных пленок // Сб. Физика магнитных пленок, в. 1. Иркутск, 1967. - С. 254-301.

4. Средства измерений параметров магнитного поля. / Афанасьев Ю.В., Сту-денцов Н.В., Хорев В.Н. и др. Л.: Энергия, 1979. - 320 с.

5. Bader C.J., DeRenzi C.S. Recent advances in the thin-film inductance-variation magnetometer // IEEE Trans, on magnetics. 1974. MAG-10. № 3. P. 524-527.

6. Колачевский H.H. Магнитные гпумы. М., 1971. - 136 с.

7. Поляков В.В., Фролов Г.И. Влияние параметров пермаллоевых пленок на их магнитные шумы // Сб. Магнитные материалы для радиоэлектроники. -Красноярск, 1982. С. 179-184.

8. Gordon D.I., Brown R.E., Haben J.F. Methods for measuring the magnetic field // ШЕЕ Trans, on magnetics. 1972. MAG-8. № 1. P. 48-51.

9. Ничога B.A., Трохим Г.Р. К возможности использования волоконно-оптических датчиков в инфранизкочастотной геомагнитометрии и требования, предъявляемые к ним // Геофизическая аппаратура. 1991. Вып. 94. -С. 13-20.

10. Ю.Праттон М. Тонкие ферромагнитные пленки. Л.: Судостроение, 1967. -263 с.

11. П.Афанасьев Ю.В. Феррозондовые приборы. Л.: Энергоатомиздат, 1986. -188 с.

12. Семенов Н.М., Яковлев Н.И. Цифровые феррозондовые магнитометры. Л.:1. Энергия, 1978.-186 с.

13. Гитарц Я.И., Рабинович Б.И. Требования к приемникам, измеряющим компоненты магнитного поля в методах ЗСБЗ // Геофизическая аппаратура. 1979. Вып. 69. С. 133-145.

14. И.Бабицкий А.Н., Блинников Е.П., Владимиров А.Г и др. Тонкопленочный магнитометр для импульсной электроразведки // Геофизическая аппаратура. 1991. Вып. 94. С. 21-29.

15. HofTman G.R. Some factors affecting the performance of a thin film inductance variation magnetometer// IEEE Trans, on magnetics. 1981. MAG-17. № 6. P. 3367-3369. .

16. Irons H.R. Schwee L.J. Magnetic thin film magnetometers for magnetic field measurements // IEEE Trans, on magnetics. 1972. MAG-8. № 1. P. 61-65.

17. Schwee L.J., Irons H.R. Fast response magnetometer using ferromagnetic resonance in thin films // Review of scientific instruments. 1968. V. 39. № 2. P. 220-222.

18. Cyxy P. Магнитные тонкие пленки. М.: Мир, 1967. - 422 с.

19. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. Магнитные свойства веществ. -М.: Мир, 1983.-304 с.

20. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. Магнитные характеристики и практические применения. М.: Мир, 1987. - 419 с.

21. Abadeer W.W., Ellis D.M. Magnetic field detection using coherent magnetization rotation in a thin magnetic film // J. Appl. Phys. 1971. V. 42. № 4. P. 1439-1440.

22. Chiron C, DeLapierre G. Description of a thin film directional magnetometer // IEEE Trans, on magnetics. 1979. MAG-15. № 6. P. 1815-1817.

23. Doyle W.D., Josephs R.M., Baltz A. Electrodeposited cylindrical magnetic films // J. Appl. Phys. 1969. V. 40. № 3. p. 1172-1180.

24. Dumas J. Chiron G. Perrin A. Magnetic properties and noise in cylindrical permalloy thin-films magnetometers //ШЕЕ Trans, on magnetics. 1978. MAG-14. №2.-P. 84-87.

25. Физический Энциклопедический Словарь. M.: Советская Энциклопедия, 1984.-С. 383.

26. Касаткин СИ., Муравьев A.M., Васильева Н.П. и др. Тонкопленочные многослойные датчики магнитного поля на основе анизотропного магни-торезистивного эффекта // Микроэлектроника. 2000. Т. 29. № 2. С. 149160.

27. De Ridder R.M., Fluitman J.H. A hysteresys model for an ortogonal thin-film magnetometer //ШЕЕ Trans, on magnetics. 1990. MAG-26. № 4. P. 1237-' 1245.

28. Кондратьев И.Н., Садков В.Б., Селин Г.Н. Доменная структура и гестере-зис тонкопленочных магниторезистивных датчиков //тез. докл. IV семинара по функциональной магнитоэлектронике. Красноярск, 1990. - С.40-41.

29. Васильева Н.П., Касаткин СИ., Мзфавьев A.M. Магниторезистивные датчики на тонких ферромагнитных пленках // Приборы и системы управления. 1994. № 8, № 12. С 20-23, 26-28.

30. Hebbert R.S., Schwee L.J. Thin film magnetoresistance magnetometer // Review of scientific instruments, 1966. V. 37. № 10. P. 1321-1323.

31. Hoffman G.R., Hill E.W., Birtwistle J.K. Thin film magnetoresistive vector sensors with submicron gap width // IEEE Trans, on magnetics. 1984. MAG-20. №5.-P. 957-959.

32. Kryder M.H., Ahn K.Y, Mazzeo N.J. et. al. Magnetic properties and domain structures in narrow NiFe stripes // IEEE Trans, on magnetics. 1980. MAG-16. № 1.-p. 99-103.

33. Левашов В.И, Волков B.T., Матвеев В.Н. Старков В.В. Квазимонодомен-ный магниторезистивный датчик// Микроэлектроника. 1999. Т. 28. № 2. -С. 131-135.

34. Tumanski S, Stabrowski М.М. Optimization of the performance of a thin film permalloy magnetoresistive sensor // IEEE Trans, on magnetics. 1984. MAG-20. № 5. P. 963-965.

35. Dibbem U. The amount of linearization by Barber-poles // IEEE Trans, on magnetics. 1984. MAG-20. № 5. P. 954-956.

36. De Ridder R.M., Fluitman J.H. Orthogonal thin film magnetometer using the anisotropic magnetoresistance effect // IEEE Trans, on magnetics. 1984. MAG-20. № 5. R 960-962.39.3айман Д. Электроны и фононы. М., 1962.

37. Васильева Н.П., Касаткин СИ., Аверин Н.Н. и др. Разработка тонкопленочных двухслойных магниторезистивных датчиков // Приборы и системы управления. 1995. № 2. С. 24-26.

38. Tondra М. et. al. Picotesla field sensor design using spin dependent tunneling devices // Digest MMM'98. P. DA-04.

39. Бабкин E.B., Чарыев A.A., Какоулин B.H., Дроботенко В. В. Применение тонких пленок с фазовым переходом металл-диэлектрик. Красноярск: Институт физики. 1987. - 38 с. (Препринт № 444 Ф АН СССР. Сиб. отд-ние, Ин-т физики им. Л.В. Киренского)

40. Бабкин Е.В., Дроботенко В.В., Киселев Н.И., Пынько ВТ. Магниторези-стор // тез. докл. 2 семинара по функциональной магнитоэлектронике. -Красноярск, 1986. С. 209.

41. Туров Е.А., Луговой A.A. Магнитоупругие колебания доменных границ в ферромагнетиках // ФММ. 1980. Т. 50. № 4, № 5. С. 717-729, 903-913.

42. Гуревич Г.Л., Вульгальмер Г.А. Магнитоакустический преобразователь использующий доменную структуру ферромагнетика // ЖТФ. 1974. Т. 44. №1.-С. 234-236.

43. Вершинин В.В. Цифровое измерение магнитного поля с помощью магнитных тонкопленочных преобразователей на ПАВ // тез. докл. IV семинара по функциональной магнитоэлектронике. Красноярск, 1990. - С. 241.

44. Вершинин В.В., Польский А.И., Яковчук В.Ю. Магнитоупругое возбуждение акустических волн доменной структурой // ЖТФ. 1986. Т. 56. № 11. -С. 2163-2168.

45. Викторов И.А. Типы зв)гковых поверхностных волн в твердых телах // Акустический журнал. 1979. Т. 25. № 1. С. 1-17.

46. Вершинин В.В., Польский А.И., Яковчук В.Ю. Механизм двухмодового преобразователя акустических волн магнитострикционным решетчатым преобразователем // ЖТФ. 1984. Т. 54. № 10. С. 1974-1979.

47. Беляев Б.А.,Тюрнев ВВ., Елисеев А.К., Рагзин Г.М. Исследование мик-рополосковых резонаторов и устройств СВЧ на их основе. Часть I. Красноярск: Институт физики. 1987. - 55 с. (Препринт № 415 Ф АН СССР. Сиб. отд-ние, Ин-т физики им. Л.В. Киренского)

48. Кошевой Г.И., Сологуб В.Г. О распространении основной квази-ТЕМ волны в связанной микрополосковой линии // Радиотехника и электроника, 1979. Т. 24. №3.-С. 433-435.

49. Беляев Б.А., Лексиков A.A., Трусов В.В. и др. Миниатюризованные мик-рополосковые СВЧ фильтры. Красноярск: Институт физики. 1993. - 64 с. (Препринт № 730 Ф РАН. Сиб. отд-ние, Ин-т физики им. Л.В. Киренского)

50. ЗЗ.Гуревич А.Г. Магнитные резонансы в ферритах и антиферромагнетиках. -М.: Наука, 1973.-592 с.

51. Frank СЕ. Weak magnetic field measurement using Permalloy film UHF résonance // Review of scientific instruments. 1966. V. 37. Ш 7. P. 875-880.

52. A.C. 1810855 СССР, МКИ G 01 R 33/05. Датчик магнитного поля / Б.А. Беляев, B.B. Тюрнев. опубл. 23.04.93, БИ № 15, 1993.

53. Беляев Б.А., Тюрнев В.В. Исследование частотных зависимостей коэффициентов связи микрополосковых резонаторов. Красноярск: Институт физики. 1991. - 43 с. (Препринт № 695 Ф АН СССР. Сиб. отд-ние, Ин-т физики им. Л.В. Киренского)

54. Беляев Б.А., Тюрнев В.В. Датчик магнитного поля. Патент РФ № 2091808, БИ№27, 1997.

55. Тюрнев В.В., Беляев Б.А. Взаимодействие параллельных микрополосковых резонаторов // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1990. Вып. 4 (428).-С. 25-30.

56. Бабицкий А.Н., Беляев Б.А., Тюрнев В.В. Магнитометр с микрополоско-вым датчиком на тонкой магнитной пленке // Новые магнитные материалы микроэлектроники: тез. докл. XVI международной школы-семинара. Часть 2. Москва, 1998. - С. 443-444.

57. Беляев Б.А., Тюрнев В.В. Частотно-зависимые коэффициенты связи мик-рополосковых резонаторов. // Электронная техника. Сер. СВЧ-техника. Вып. 4 (448). 1992. С 3-27.

58. Беляев Б.А., Тюрнев В.В., Васильев В.А., Рагзин Г.М. Исследование мик-рополосковых резонаторов и устройств СВЧ на их основе. Часть П. -Красноярск: Институт физики. 1987. 44 с. (Препринт № 448 Ф АН СССР. Сиб. отд-ние, Ин-т физики им. Л.В. Киренского)

59. Беляев Б.А., Тюрнев В.В., Бутаков C.B. Микрополосковый датчик слабых магнитных полей // Решетневские чтения: материалы докладов Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов. Красноярск, 1998. - С. 110-111.

60. Бутаков СВ. Оптимизированный СВЧ датчик магнитных полей // Сибирский Международный авиационно-космический салон «САКС-2001»: материалы международной научно-практической конференции. Ч. II. Красноярск, 2001. - С. 115-116.

61. Беляев Б.А., Тюрнев В.В., Шихов Ю.Г. Двухз.венный микрополосковый СВЧ фильтр. Часть П. Красноярск: Институт физики. 1991.-48 с. (Препринт № 703 Ф АН СССР. Сиб. отд-ние, Ин-т физики им. Л.В. Киренского)

62. Бутаков СВ. Беляев Б.А. Оптимизированный микрополосковый датчик магнитных полей // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. научных трудов Всероссийской, научно-технической конференции. Ч. I. -Красноярск: КГТУ, 2001. С. 117-118.

63. Мудров А.Е. Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль. Томск: МП Раско, 1992. - 272 с.

64. Гупта К., Гардж Р., Чадха Р. Машинное проектирование СВЧ устройств -М: Радио и связь, 1987. 432 с.

65. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств. / СИ. Бахарев, В.И. Вольман, Ю.Н. Либ и др.; Под ред. В.И. Вольмана. -М.: Радио и связь, 1982. 328 с.

66. Микроэлектронные устройства СВЧ. Учеб. пособие для вузов. / Веселов Г.И., Егоров E.H., Алехин Ю.Н. и др. М.: Высш. шк., 1988. - 280 с.

67. Тюрнев В.В. Квазистатическая теория связанных микрополосковых линий. Красноярск: Институт физики. 1989. - 19 с. (Препринт № 557 Ф АН СССР. Сиб. отд-ние, Ин-т физики им. Л.В. Киренского)

68. Кожевников CA., Петров A.C., Тимошев Г.П. Расчет параметров микро-полосковой линии на ферритовой подложке. (Краткое сообщение) // Электронная техника. Сер. Микроэлектронные устройства. 1978. вып. 6 (12). С. 53-55.

69. Беляев Б.А., Тюрнев В.В., Елисеев А.К., Рагзин Г.М. Исследование микрополосковых резонаторов и устройств СВЧ на их основе. Часть Ш. Красноярск: Институт физики. 1988. - 61с. (Препринт № 468 Ф АН СССР. Сиб. отд-ние, Ин-т физики им. Л.В. Киренского)

70. Бутаков СВ., Беляев Б.А. СВЧ датчик слабых магнитных полей // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. научн. трудов Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов. Красноярск: КГТУ, 1999. - С. 93-96.

71. Бутаков СВ. Двухкомпонентный СВЧ датчик слабых магнитных полей // Материалы конференции молодых ученых КНЦ СО РАН. Красноярск: ИВМ СО РАН, 2000. - С. 65-68

72. Беляев Б.А., Бутаков СВ., Лексиков А! А., Бабицкий А.Н. Датчик магнитного поля. Патент РФ № 2150712, БИ № 16, 2000.

73. Беляев Б.А., Тюрнев В.В., Шихов Ю.Г. Микрополосковый диплексер на двухмодовых резонаторах // Электронная техника. Сер. СВЧ-Техника. 1997. Вып. 2 (470). С. 20-24.

74. Бутаков СВ. Двухкомпонентный тонкопленочный СВЧ датчик магнитных полей // СВЧ техника и телекоммуникационные технологии: материалы XI междунар. конф. Севастополь, 2001. - С. 487-488.

75. Беляев Б.А., Бутаков СВ., Лексиков А.А., Поляков В.В. Двухкомпонент-ный СВЧ датчик слабых магнитных полей // Новые магнитные материалы микроэлектроники: сб. трудов XVII международной школы-семинара. -Москва: Физический факультет МГУ, 2000. С. 28-30.

76. Бутаков СВ., Беляев Б.А., Лексиков А.А., Поляков В.В. Двухкомпонентный микрополосковый датчик магнитных полей // СВЧ техника и телекоммуникационные технологии: материалы X междунар. конф. Севастополь, 2000. - С. 499-500.

77. Беляев Б.А., Бутаков СВ., Лексиков А. А. Микрополосковый тонкопленочный датчик слабых магнитных полей // Микроэлектроника. 2001. Т; 30. № 3.-С. 228-237

78. Бутаков СВ. Двухкомпонентные СВЧ датчики магнитных полей // Материалы конференции молодых ученых КНЦ СО РАН. Красноярск: ИВМ СО РАН, 2001.-С. 8-10.

79. Беляев Б.А., Лексиков A.A., Тюрнев В.В. СВЧ диплексер на четверть волновых микрополосковых резонаторах. Красноярск: Институт физики. 1997. - 31 с. (Препринт № 774 Ф АН СССР. Сиб. отд-ние, Ин-т физики им. Л.В. Киренского)

80. Беляев Б.А., Казаков A.B., Лексиков A.A., Макиевский И.Я. Установка для изготовления рисунков металлических полосок микрополосковых СВЧ-устройств // ПТЭ. 1998. № 1. С. 167-168.