Свч-головка сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса

СВЧ-головка сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса предназначена для измерения спектров поглощения тонкопленочных магнитных образцов. Устройство содержит печатную плату, на верхней стороне которой размещены СВЧ-генератор и амплитудный детектор, а нижняя сторона служит экраном с измерительным отверстием, над которым находится одно-, двух- или многовитковый индуктивный элемент генератора. Измерительное отверстие является локализованным источником высокочастотного магнитного поля, взаимодействующего с локальным участком исследуемого образца. Сканирование осуществляется путем перемещения и вращения образца относительно измерительного отверстия. Резонансное поглощение СВЧ-мощности образцом регистрируется амплитудным детектором по изменению амплитуды колебаний СВЧ-генератора при развертке постоянного магнитного поля. Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение чувствительности в диапазоне частот 0.1-1.5 ГГц более чем на порядок, упрощение конструкции, а также повышение технологичности изготовления и настройки. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для неразрушающего контроля качества и однородности магнитных пленок путем регистрации (записи) спектров ферромагнитного резонанса от локальных участков тонкопленочных образцов.

Известно устройство [Frait Z., Kambersky V., Malek Z., Ondris M. Local variations of uniaxial anisotropy in thin films // Czechosl. Journ. Phys. 1960. Vol. 10. P. 616-617], предназначенное для измерений параметров ферромагнитного резонанса (ФМР) от различных локальных участков образца тонкой магнитной пленки (ТМП). В устройстве в качестве чувствительного элемента используется объемный резонатор на частоте ~10 ГГц с колебаниями типа H111, который имеет в центре стенки измерительное отверстие диаметром ~0.1 мм. Образец ТМП прикладывается к отверстию с внешней стороны полости резонатора, может перемещаться и вращаться в плоскости. По угловым зависимостям параметров ФМР определяются основные магнитные характеристики локального участка исследуемого образца ТМП: эффективная намагниченность насыщения, параметр затухания, магнитная анизотропия и др. Путем сканирования измерительного отверстия по образцу снимаются распределения магнитных характеристик по площади ТМП. Чувствительность устройства пропорциональна отношению Q/V [Абрагам А., Блини Б. Электронный парамагнитный резонанс переходных ионов. Том I: пер. с англ. М.: Мир, 1972. 651 с.], где Q - добротность резонатора; V - эффективный объем СВЧ-резонатора.

Известен также микроволновый магнитный микроскоп, работающий на частоте ~10 ГГц [Sooho R.F. A microwave magnetic microscope // Jour. Appl. Phys., Suppl. 1962. Vol. 33 (3). P. 1276-1277], представляющий собой сканирующий спектрометр ФМР, позволяющий проводить измерение резонансных параметров на локальных участках ТМП, по которым определяются магнитные характеристики этих участков. Исследуемый образец размещается с внешней стороны задней стенки резонатора, имеющей в центре небольшое отверстие, благодаря которому только малый локальный участок образца подвержен непосредственному действию микроволнового поля резонатора. Спектр ФМР снимается путем изменения постоянного магнитного поля, приложенного к образцу ортогонально высокочастотному магнитному полю резонатора. Перемещая образец относительно отверстия в резонаторе, можно измерять распределения магнитных характеристик по площади ТМП.

Недостатком описанных выше устройств является низкая чувствительность, обусловленная большим объемом измерительного резонатора и, как следствие, малым отношением Q/V. Чувствительность этих устройств уменьшается при снижении частоты полого резонатора за счет увеличения его объема. Например, при снижении частоты с 10 до 3 ГГц чувствительность падает больше, чем на порядок. Очевидно, что магнитные характеристики ТМП должны измеряться в частотном диапазоне, соответствующем рабочим частотам пленок в конкретных устройствах. Существует ряд применений ТМП, например, в датчиках слабых магнитных полей [Бабицкий А.Н., Беляев Б.А., Боев Н.М., Скоморохов Г.В., Изотов А.В., Галеев Р.Г. Магнитометр слабых квазистационарных и высокочастотных полей на резонансных микрополосковых преобразователях с тонкими магнитными пленками // Приборы и техника эксперимента. 2016. №3. С. 96-104.], возбуждение ТМП в которых происходит на частотах в диапазоне 0.4-0.8 ГГц. Предельная чувствительность таких магнитометров ограничивается главным образом угловой дисперсией поля анизотропии ТМП [Беляев Б.А., Боев Н.М., Изотов А.В., Соловьев П.Н., Тюрнев В.В. Исследование датчика слабых магнитных полей на резонансной микрополосковой структуре с тонкой ферромагнитной пленкой // Известия высших учебных заведений: Физика. 2018. Т. 61, №8. С. 3-10.]. Существует также множество других применений ТМП, где используются частоты возбуждения в диапазоне 0.1-1.5 ГГц. Таким образом, особую важность имеет возможность проведения качественных измерений в диапазоне частот 0.1-1.5 ГГц.

Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков является СВЧ-головка сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса [Беляев Б.А., Лексиков А.А., Макиевский И.Я., Тюрнев В.В. Спектрометр ферромагнитного резонанса // ПТЭ. 1997. №3. С. 106-111 (прототип)], представляющая собой корпус, внутри которого размещается микрополосковый резонатор с измерительным отверстием, вытравленным в металлизации его экрана. Микрополосковый резонатор является задающим контуром транзисторного СВЧ-генератора. К резонатору подключается амплитудный детектор (АД), с которого снимается сигнал, пропорциональный величине поглощения СВЧ-мощности участком пленки, расположенным под отверстием резонатора. Данная конструкция выбрана прототипом заявленного изобретения.

Недостатками конструкции прототипа является низкая чувствительность в диапазоне от 0.1 до 1.5 ГГц, а также сложность изготовления и настройки, что связано с трудностями изготовления компактных микрополосковых резонаторов на частоты ниже 1.5 ГГц.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение чувствительности в диапазоне частот 0.1-1.5 ГГц более чем на порядок, упрощение конструкции, а также повышение технологичности изготовления и настройки.

Заявляемый технический результат достигается тем, что в СВЧ-головке сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса, содержащей резонатор с измерительным отверстием, СВЧ-генератор и амплитудный детектор, новым является то, что элементы СВЧ-генератора и амплитудного детектора размещены на верхней стороне печатной платы, а нижняя металлизированная сторона платы является экраном и имеет измерительное отверстие, сверху над которым размещен одно-, двух- или многовитковый индуктивный элемент резонатора СВЧ-генератора.

А также тем, что индуктивный элемент может быть выполнен из проволоки.

А также тем, что индуктивный элемент может быть бескаркасным или на основе каркаса.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием печатной платы, на верхней стороне которой размещаются элементы СВЧ-генератора и АД, а на нижней стороне - экран с измерительным отверстием. Существенным отличием является размещение сверху над измерительным отверстием одно-, двух- или многовитковой индуктивности, являющейся индуктивностью резонатора СВЧ-генератора.

Таким образом, перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».

Данное изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена электрическая принципиальная схема СВЧ-головки сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса. На фиг. 2 показана печатная плата, на верхней стороне которой размещены элементы СВЧ-генератора и АД, а нижняя сторона является экраном с измерительным отверстием, сверху над которым размещается одно-, двух- или многовитковая индуктивность. На фиг. 3 отображены результаты экспериментальных измерений магнитных характеристик тонкопленочного образца с использованием предложенной конструкции СВЧ-головки: а - распределение величины поля анизотропии и б - распределение угла поля анизотропии по площади образца.

СВЧ-головка сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса содержит (фиг. 1) транзисторный СВЧ-генератор (1), индуктивным элементом резонатора которого служит одно-, двух- или многовитковая индуктивность (2), размещенная над измерительным отверстием (3). Диаметр измерительного отверстия определяет площадь исследуемой локальной области образца ТМП. Амплитудный детектор (4) своим входом подключен к резонатору СВЧ-генератора (1). Сигнал АД (4) является выходным сигналом устройства. Элементы СВЧ-генератора (1), АД (4) и индуктивность (2) размещены (фиг. 2) на верхней стороне печатной платы (5). На нижней стороне печатной платы (5) сформирован экран (6) с измерительным отверстием (3). Индуктивность (2) размещается точно над измерительным отверстием (3) и может быть одно- двух- или многовитковой; может быть бескаркасной или на основе каркаса; может быть проволочной или сформированной в виде отрезков проводников на разных слоях печатной платы, при этом отрезки между собой могут соединяться переходными отверстиями.

Устройство работает следующим образом. Транзисторный СВЧ-генератор (1) возбуждает колебания в резонаторе, индуктивная часть которого выполнена в виде одно-, двух- или многовитковой индуктивности (2), размещенной над измерительным отверстием (3) в экране (6), образованном металлизацией на нижней поверхности печатной платы (5). Вблизи измерительного отверстия (3) локализуется высокочастотное магнитное поле. ТМП размещается со стороны экрана исследуемым участком к измерительному отверстию (6). Переменное магнитное поле взаимодействует с локальной областью исследуемого образца. При развертке постоянного магнитного поля, ортогонального направлению переменного поля, происходит поглощение электромагнитной энергии образцом в условиях ФМР, что приводит к изменению амплитуды колебаний генератора, фиксируемого АД (4). Выходной сигнал АД (4), пропорциональный величине поглощения СВЧ-мощности образцом, поступает в блок обработки сигналов сканирующего спектрометра ФМР. Сканирование осуществляется путем перемещения и вращения исследуемого тонкопленочного образца относительно измерительного отверстия (3).

Предложенная конструкция СВЧ-головки сканирующего спектрометра ФМР может быть использована для измерения различных магнитных характеристик тонкопленочных образцов на низких частотах. Пример измерений распределений магнитных характеристик по площади ТМП показан на фиг. 3: а - распределение величины поля анизотропии; б - распределение угла поля анизотропии. Измерения проведены для образца ТМП состава Ni75Fe25 с числом слоев 2×1000 . Можно отметить, что наибольшие отклонения характеристик поля анизотропии наблюдаются на краях ТМП. Результаты измерений позволяют оценить дисперсию магнитных характеристик по площади образца и дают информацию, необходимую при отработке технологии получения ТМП.

Экспериментальные исследования заявленной СВЧ-головки сканирующего спектрометра ФМР показали увеличение чувствительности на частотах в диапазоне 0.1-1.5 ГГц более чем в 10 раз по сравнению с известным устройством (прототипом). Кроме того, заявленное устройство является более простым и технологичным в изготовлении и в настройке.

1. СВЧ-головка сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса, содержащая резонатор с измерительным отверстием, СВЧ-генератор и амплитудный детектор, отличающаяся тем, что элементы СВЧ-генератора и амплитудного детектора размещены на верхней стороне печатной платы, а нижняя металлизированная сторона платы является экраном и имеет измерительное отверстие, сверху над которым размещен одно-, двух- или многовитковый индуктивный элемент резонатора СВЧ-генератора.

2. СВЧ-головка сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса по п. 1, отличающаяся тем, что индуктивный элемент выполнен из проволоки.

3. СВЧ-головка сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что индуктивный элемент выполнен бескаркасным или на основе каркаса.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в магнитометрии. Сущность изобретения заключается в том, что в тонкопленочном магнитометре слабых магнитных полей под углом α к оси трудного намагничивания тонкой магнитной пленки с помощью дополнительной магнитной системы и низкочастотного генератора прямоугольных импульсов тока формируется модулирующее поле, причем амплитуда модулирующего поля больше величины поля анизотропии тонкой магнитной пленки, выходной сигнал амплитудного детектора подается на первый вход синхронного детектора, на второй вход которого поступает опорный сигнал от низкочастотного генератора, при этом выход синхронного детектора подключен к компенсирующей магнитной системе и одновременно является выходным сигналом устройства.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения величины и направления слабых магнитных полей в широком диапазоне частот и может использоваться в первую очередь в магнитометрии.

Изобретение относится к микро- и нанотехнологии. Способ неразрушающего контроля намагниченности эпитаксиальной ферритовой пленки на немагнитной подложке включает одновременное воздействие на пленку постоянного магнитного поля и СВЧ магнитного поля, измерение СВЧ сигналов на выходе пленки и определение параметров намагниченности пленки расчетным путем, при этом постоянное магнитное поле ориентируют по нормали к поверхности ферритовой пленки, воздействие СВЧ магнитным полем осуществляют в импульсном режиме, регулируя величину постоянного магнитного поля и/или частоту заполнения радиоимпульсов до возбуждения в ферритовой пленке радиоимпульсов обменных спиновых волн, бегущих вглубь ферритовой пленки и отражающихся от ее противоположной поверхности, измеряют время задержки отраженных эхоимпульсов обменных спиновых волн и соответствующие величины частоты заполнения радиоимпульса и постоянного магнитного поля.

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно - предназначено для измерения слабых магнитных полей, и может использоваться в магнитометрии. Чувствительный элемент состоит из печатной платы, на верхней стороне которой размещаются два СВЧ-резонатора, включающих одну общую диэлектрическую подложку с осажденной на ее нижней стороне тонкой магнитной пленкой.

Использование: для формирования групп поляризованных электронов с заданной ориентацией спина в устройствах твердотельной электроники. Сущность изобретения заключается в том, что графеновый спиновый фильтр содержит монослой графена с двумя ферромагнитными электродами, изолирующий слой, расположенный между монослоем графена и каждым из ферромагнитных электродов, и слой благородного металла, в качестве изолирующего слоя использован буферный монослой графена, размеры которого ограничены размерами ферромагнитного электрода, а слой благородного металла расположен между ферромагнитным электродом и буферным монослоем графена, слой благородного металла состоит из монослоя атомов золота.

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой датчик слабых высокочастотных магнитных полей и может применяться в первую очередь в магнитометрии.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения напряженностей магнитных полей, например, в геофизических исследованиях. .

Изобретение относится к области электротехники, в частности к магниторезистивным считывающим элементам, и может быть использовано в компьютерной технике для считывания информации с магнитных носителей с высокой информационной плотностью, а также в сенсорной технике и автоматике.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и, прежде всего, к магнитометрии. .

Изобретение относится к магнитометрам и может быть использовано для измерения напряженности магнитного поля и вектора магнитной индукции в науке, промышленности, медицине.

СВЧ-головка сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса предназначена для измерения спектров поглощения тонкопленочных магнитных образцов. Устройство содержит печатную плату, на верхней стороне которой размещены СВЧ-генератор и амплитудный детектор, а нижняя сторона служит экраном с измерительным отверстием, над которым находится одно-, двух- или многовитковый индуктивный элемент генератора. Измерительное отверстие является локализованным источником высокочастотного магнитного поля, взаимодействующего с локальным участком исследуемого образца. Сканирование осуществляется путем перемещения и вращения образца относительно измерительного отверстия. Резонансное поглощение СВЧ-мощности образцом регистрируется амплитудным детектором по изменению амплитуды колебаний СВЧ-генератора при развертке постоянного магнитного поля. Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение чувствительности в диапазоне частот 0.1-1.5 ГГц более чем на порядок, упрощение конструкции, а также повышение технологичности изготовления и настройки. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Наверх