Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Пузырев В.А. Тонкие ферромагнитные пленки в радиотехнических цепях

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

23.10.2023

Размер:

6.97 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 45 / 175 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 > Следующая >>>


Н а и б о л е е			распространены два способа расположения
индуктивного			участка	полосковой линии	с	пленкой
(рис.	1.J6)	[22]. В одном случае этот участок				распола
гается	как	проходной		элемент (рис. 1.16,а),	в другом —

как короткозамкнутый отрезок линии (рис. 1.16,6). При

большом отношении ширины полоски	к	зазору	м е ж д у
ней и основанием можно считать, что	в	линии	распро

страняются только ТЕМ - волны с вектором напряженно -

д	е
Р и с .	1.16

сти высокочастотного магнитного поля, перпендикуляр ным продольному направлению линии. При выполнении этого условия поле в зазоре распределено почти равно


мерно и вектор высокочастотного поля					почти по всей ши
рине полоски		параллелен основанию			и, следовательно,
л е ж и т в плоскости			пленки.
Д л я	ТЕМ - волн		необходимо	учитывать		изменение
свойств	анизотропной среды			ферромагнитной			пленки
только в направлении, параллельном вектору						магнитного
поля, и использовать скалярную				восприимчивость			только
в этом	направлении . Наличие пленки увеличивает индук
цию и	магнитный		поток в зазоре, и, следовательно, ин
дуктивность		рассматриваемого участка			возрастает . При -

р а щ е н ие индуктивности (так ж е как и магнитной индук
ции) при наличии ТЕМ - волны				пропорционально	воспри
имчивости		%£ в направлении		вектора высокочастотного
магнитного		поля:
			A I = Z B T J 4 W X „		(1.48)
где L B — воздушная			индуктивность участка линии, в ко
тором	расположена		пленка;	ц — коэффициент	пропор
циональности, называемый фактором заполнения.
Фактор заполнения зависит в основном от располо
жения	магнитной пленки в зазоре, от величины				зазора и

толщины пленки и практически не зависит от магнитных характеристик пленки, поскольку последняя занимает относительно малый объем зазора . Поэтому удобно вве

сти один индуктивный параметр £ = 4 я т ) £ в >	тогда вноси
мое пленкой сопротивление равно [22]
L B U = jnLX.,	(1 . 49 )

и эквивалентная схема рассматриваемого участка яв ляется последовательным соединением индуктивного со

противления и ZBH.
	Восприимчивость			пленки	в	направлении е			имеет
вид [22]
		Х£ = Хт sin2		(в - Ф) + Хя cos2 (в - Ф),					(1.50)
где е и Ф — углы, образуемые					высокочастотным				полем и
средним		направлением намагниченности					со средней лег
кой осью, а Хт и Хп — поперечная						и продольная			воспри
имчивости соответственно.
	Д и а г о н а л ь н ы е		компоненты		тензора		восприимчивости
с	учетом	макро-	и микронеоднородностей					определены
в	работе	[22] дл я условий, когда				постоянное		с м е щ а ю щ е е

поле направлено вдоль средней легкой или средней труд ной оси, причем в последнем случае оно не менее чем в полтора раза превышает поле анизотропии (для более общих случаев в работе приведены формулы дл я числен ного интегрирования) .

Как было показано в [22], на СВ Ч разброс									величины
поля анизотропии	мало			влияет		на комплексную воспри
имчивость пленки. С учетом этого имеем
Х . - т	\ — л			Я*			,		(1.51)
где	1ГМНК		(А+ 1) - ео2+Мэф^'
где
= sm e +	{	i	r	^ + a		c o s s ; W -
	{		ff5	^ + a		}1	о2 TV/ /
2			ff5	I	о2		о2 TV/ /	^	о>ХЭф'
									о>ХЭф'


с 2 — среднеквадратическое отклонение				направления		поля
анизотропии;		а2 — средний	квадрат	флюктуации		на
правления	намагниченности;		W — полоса		по уровню
0,5 мнимой		части восприимчивости;			Нк — с р е д н е е
значение	поля	анизотропии;	Л = Н1НК	— относительное

постолнносмещающее поле, в зависимости от рассматри

ваемого

случая

(продольный или поперечный резонанс),

направленное

вдоль

легкой

или

вдоль

трудной

оси

пленки;

Х э ф

== a-(Ms

- j - (a~'-(2MsK

— эффективная

посто

янная затухания, в которой К

является функцией

неод-

нородностей,

частоты

и других

параметров

пленки [22].

Формулу

(1.49)

учетом

(1.51)

перепишем в

виде

Z - - ! / G i

+ > C

^ ) .

(1-52)

где введены

обозначения:

£0

= m\L

„

m2tLB,

С =

нк

(Л +

£ э _

* 0 =

™?

(1.53)

Таким образом, вносимое пленкой сопротивление ZB „ эквивалентно сопротивлению параллельного резонансно


го контура		с параметрами,		определяемыми соотношения
ми	(1.53),	резонирующего		на	частоте	ферромагнитного
резонанса		пленки.	Эквивалентные			схемы,	соответ
ствующие		двум	вариантам		расположения		пленки
{рис. 1.16,а, б) , показаны на рис. 1.16,в, г. Введя							идеаль
ный	трансформатор с коэффициентом					трансформации

т6 или коэффициентом взаимоиндукции MB = m3L, эти

схемы		можно представить	в	виде, показанном			на
рис. 1.16,d, е, с эквивалентными				п а р а м е т р а м и L 3 , Сэ ,			R3
.(1.53).
В	рассмотренном частном		случае		эквивалентная		схе
м а неоднородной пленки состоит				из	тех	ж е элементов,
что	и	для однородной пленки.		Однако		величины	их

имеют другие значения. Так, влияние макро- и особенно

микронеоднородностей	на СВЧ увеличивает эквивалент
ное сопротивление и	соответственно уменьшает доброт
ность резонансного	контура, которая является, очень
•,42

в а ж н ы м параметром при использовании пленки в радио


технических		устройствах. П р и наличии неоднородностей
меняется	т а к ж е		коэффициент взаимоиндукции MB = mt			L ,
причем при		е =	90°	существует неравная	нулю связь	по-
лосковой	линии		с	пленкой, определяемая	иеоднородно-
стями обоих		масштабов [см. в (1.51) в ы р а ж е н и е д л я / я £				] .

Это качественно новый эффект, отсутствующий в одно

родной пленке, который	ухудшает п а р а м е т р ы устройств
с использованием Т Ф П .	Изменение параметров эквива

лентной схемы под влиянием неоднородностей дает воз можность радиоинженеру понять, к каким явлениям при

водит наличие таких	неоднородностей.
Таким образом, из	рассмотрения	эквивалентной схе
мы неоднородной пленки видно, что
1) наличие микронеоднородностей		приводит к частот

ной зависимости эквивалентного сопротивления, которое в результате перестает быть сопротивлением в широком диапазоне частот;

2) в эквивалентной схеме теряются тонкие эффекты частотной и полевой зависимости вносимых сопротивле ний, которые имеют существенное значение при проекти ровании СВЧ устройств (с длиной волны, соизмеримой

сгеометрическими размерами пленок);

3)при достаточно большом влиянии макронеоднород - иостей резонансная кривая после усреднения вообще не является лореицевой.

Однако при конструировании эквивалентной схемы любого электронного прибора всегда стремятся к ком промиссу между точностью отображения и удобством ее практического применения. Поэтому, где это возможно, для исследования радиотехнических схем стараются ис пользовать эквивалентные схемы с сосредоточенными па раметрами .

Кроме того, имеются некоторые возможности умень шения неоднородностей пермаллоевых пленок. Чем луч ше очищается подложка, чем тщательнее готовится ка мера и в ы д е р ж и в а ю т с я р е ж и м ы напыления, чем меньше прикасается к пленке на различных этапах ее изготовле*- ния рука человека, тем обычно однороднее получаются, пленки. Кроме таких очевидных мер на основании ана лиза литературы можно привести р я д рекомендаций по уменьшению неоднородностей пермаллоевых пленок, при водящих к улучшению их характеристик и характеристик радиоустройств, использующих магнитные пленки.

Н е о б х о д и мо	обеспечивать давление ниже	10~	5	мм
рт. ст., поскольку небольшое превышение давления				над
этим значением	вызывает резкое увеличение	разброса

анизотропии. Кроме неодиородностей рассмотренных вы

ше масштабов, с уменьшением остаточного	давления
уменьшаются т а к ж е неоднородности атомных	размеров,

что приводит к уменьшению постоянной затухания а и, следовательно, к увеличению добротности Q эквивалент ной схемы пленки.

Большое внимание в литературе уделяется вопросу выбора оптимального состава сплава и температуры на пыления пермаллоевых пленок д л я получения минималь ных микро- (а? ) и макро - (as ) дисперсий анизо тропии. В тщательно изготовленных и отобранных плен ках видна резкая зависимость дисперсий от температуры

напыления и состава пермаллоя .					Имеется два х а р а к т е р
ных	состава:	—75%	Ni — 25%		Fe	и 83%	N i — 17%	Fe,
при	котором константа магнитострикции						равна нулю.
Д л я пленок из первого				состава можно			определить	за
висимость однородности				пленки	только		от напряжений
в пленке: поскольку			при	повышении температуры				под
л о ж к и до 270°-—300° С напряжения						уменьшаются, то		при
этом	составе	минимум		дисперсии		наблюдается		при
Л м п = 2 7 0 -f- 300° С.			П р и	более	высоких		температурах

п о д л о ж к и резко увеличиваются размеры			кристаллитов
(начинается р е к р и с т а л л и з а ц и я ) ,		и дисперсия увеличи
вается .	П р и массовом изготовлении без специального
подбора	подложек не удается	получить	пленки, пол

ностью свободные от напряжений, поэтому целесообраз но выбирать состав пленки, близкий к составу с мини мальной ма1нитострикцией. По данным [44], именно

вэтом случае наблюдается минимум дисперсии. По


скольку	основная	причина нарушения				однородности —
это н а п р я ж е н и я , возникающие				в пленке, температура на
пыления	д о л ж н а	быть оптимальной:			270—300° С.
Д л я	уменьшения напряжений в пленке используется
отжиг после напыления. В тонких экспериментах							Юхига-
мы и др . в пленках состава				75%	N i — 25% Fe,		напы
ленных	при комнатной		температуре,			микродисперсия
( а 2 ) в	процессе	отжига	уменьшалась в			15—20 раз . Д л я
пленок,	напыленных при		£ ° н а п	= 250 Ч- 300° С, такого рез-'

кого уменьшения дисперсии, конечно, не наблюдается . Однако, поскольку в таких пленках все ж е остаются на пряжения, дополнительный отжиг уменьшает их, а следо-

вательно, и величину константы случайной локальной ани зотропии. Это уменьшение отмечено в работе [46], в ко торой измерялась ширина кривой ферромагнитного резо

нанса	и э ф ф е к т и в н а я		постоянная затухания .
На	степень однородности пленки влияют т а к ж е неров
ности	подложки . Д л я		уменьшения влияния	неровностей
подложки		применяется электроосаждение пермаллоевых
пленок	на	подложки,	покрытые органическим	полимером

[47]. При этом коэрцитивная сила пленок (обычно ли


нейно		связанная с разбросом				направлений легких осей,
т. е. со степенью однородности						пленки) уменьшалась бо
лее	чем в полтора раза .
	Большое количество источников неоднородностей тем
или	иным		образом	связано		с	поликристалличностыо
пленки		[22].	Есть н а д е ж д а ,		что		с устранением	поликри
сталличности			пленка	будет	обладать лучшими			характе

ристиками, иными словами — более низкой эффективной постоянной затухания и меньшей шириной кривой погло

щения.	Ширина кривой Ф М Р		в	монокристаллической
пленке	в 2—3	раза больше, чем у		поликристаллической.
Это, видимо,		обусловливается	большими напряжениями

в монокристалле. Если будет найден способ снятия на


пряжений и		упрощена	технология	монокристаллических
пленок,	они	найдут широкое применение,			поскольку об
л а д а ю т	особыми анизотропными свойствами.
Экспериментально			установлено,	что	неоднородность
больших пленок (размеры которых определяются						маска
ми) обычно выше, чем вырезанных из их середины						малых
образцов . Н а		к р а я х пленки дисперсия анизотропии				почти

на порядок превышает дисперсию в центре пленки. Об

ласть	повышенной неоднородности			занимает		1 —1,5 мм
вдоль краев пленки. Поэтому в ряде случаев						д л я полу
чения	более однородных	образцов		(при	использовании
их в радиоустройствах) можно			вырезать		их из	централь
ной области напыленной		через	маску	пленки.

Таковы основные меры по уменьшению неоднородно стей пермаллоевых пленок, которые можно рекомендо вать на основании имеющихся в литературе данных.

1.9. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ СХЕМЫ

В этом п а р а г р а ф е рассмотрены методы измерения основных параметров эквивалентной схемы тонкой фер ромагнитной пленки. Д л я экспериментального определе-

ния параметров эквивалентной схемы Т Ф П используются хорошо р а з р а б о т а н н ы е радиотехнические методы измере

ния с привлечением в основном стандартного		оборудова
ния. Так как радиотехнические устройства,		с о д е р ж а щ и е
Т Ф П , работают на низких	и высоких частотах, измерения
параметров эквивалентной	схемы замещения	необходимо

осуществлять т а к ж е в соответствующем частотном диа пазоне.

1.9.1. Случай низких частот

При использовании пленок в радиотехнических устройствах на рабочих частотах, существенно меньших частоты ферромагнитного резонанса пленки, эквивалент-

Р и с .

1.17

ная схема

(без

учета потерь)

имеет вид, представленный

на рис. 1.17, и

содержит

только

дифференциальные

ин

дуктивности. Индуктивности L . n > s n

L 7

i B , определяемые со

отношениями (1.36) и

(1.37),

могут - быть

найдены

сле

д у ю щ и м образом:

Z . T S

= Z T H — I-B-Ti

(1 . 55 )

где

1ЛН — измеренная индуктивность,

учитывающая

„воз

д у ш н у ю " индуктивность

измерительной

обмотки

1ВЛ

продольную

индуктивность

£лъ,

вносимую

пленкой

при разомкнутых

зажимах

2—2;

Z T H — измеренная

индук

тивность,

учитывающая

индуктивность

измерительной

обмотки Z.U T и поперечную	индуктивность			Z,T B , вносимую
пленкой при разомкнутых	зажимах	1 — 1.
Результаты измерений	L„s и	L r S	достаточны дл я
того, чтобы определить все остальные				дифференциаль

ные индуктивности эквивалентной схемы при помощи связывающих их выражений (1.27) — (1.31).


	Д л я	нахождения		коэффициента			взаимоиндукции		Мл
могут быть			использованы		различные		способы измерений.
Например,		для разомкнутых зажимов					2—2 (рис.	\.17,б)
справедливо			соотношение
			M^Ul2JAnf,					(1.56)
где	U — действующее			значение		напряжения (в		вольтах)
при	разомкнутых зажимах				2—2,	<7Л — действующее			зна
чение тока			(в амперах) в		индуктивности.

Р и с .

1.18

Зная

частоту

колебаний

внешнего

источника

и из

меряя напряжение и ток

(U,Jn),

находим

коэффициент

взаимоиндукции

Мл.

i Д л я

определения

Мл

можно

воспользоваться

т а к ж е

связью

м е ж д у

Мл

дифференциальными

индуктивно-

стями: Ма=

V L^L-rn-

В этом случае для определения Мя

достаточно измерить эти индуктивности.

Методика и необходимая дл я измерения дифферен

циальных

индуктивных

параметров

аппаратура

доста

точно подробно описаны в литературе [23].

Вид

измерительной

установки

схематически

приведен

на рис. 1.18. Она состоит из измерителя

добротности;

длинной

линии,

соединяющей измеритель

добротности

с измерительной катушкой; системы ортогональных пло

ских измерительных катушек, в которые	непосредствен
но помещается пленка, и системы колец	Гельмгольца,

с л у ж а щ и х д л я	создания	однородных	смещающих полей
и компенсации	поля земли, а т а к ж е		постоянных л а б о р а
торных полей. Д л и н н а я		линия служит для уменьшения

воздействия на пленку магнитных полей, обусловленных


используемой		аппаратурой . Техника					установки		пленок
в системе	измерительных катушек,					а т а к ж е в системе ко
лец Гельмгольца та ж е , что и					при измерении			проницае
мости пленок		[23].
Экспериментально			снятые		зависимости			дифферен
циальных	индуктивностей			L n	2 и	L t	2 от внешних		полей
ha и hT приведены на			рис.	1.	19 а,	б.	Величина 2 L T K для

используемой системы измерительных катушек изменя лась в пределах от 0,18 до 1,44 мкГ.

Н а	рис. 1.20, а, б	приведены	снятые	для различных
пленок	зависимости	от внешних	полей	результирующе

го коэффициента взаимной индукции эквивалентной схе

мы Т Ф П		УМ д , которые вычислялись при помощи		в ы р а ж е
ния	(1.56). Зависимости		Л1д от внешних полей	измеря
лись	как	в направлении	передачи сигналов от	з а ж и м о в

1 — 1 к з а ж и м а м 2—2 (сплошные		кривые), так и в обрат
ном направлении	(пунктирные	кривые) .		К а к	видно	из
графиков, м е ж д у	значениями	Мл	при	измерении		их
в том и другом направлении имеются			некоторые		расхож

дения. С увеличением амплитуды измерительного высо


кочастотного поля расхождения увеличиваются.		Кривая
У И д неустойчива, т. е. ее амплитудные	значения	меняются
после к а ж д о г о цикла измерения. Это	изменение	связано
с частичным перемагничиванием. Чтобы избежать			изме
нений М д , необходимо перед к а ж д ы м	снятием этой		зави

симости производить насыщение пленки вдоль ее легкой


оси. К а к		показала	оценка, относительная		погрешность
измерения		дифференциальных		индуктивностей		не пре
вышает	20%.
Д л я	экспериментального определения диссипативного
параметра эквивалентной схемы G, когда пленка с внеш
ней цепью		связана	при помощи	многовитковой		катушки,
м о ж н о т а к ж е воспользоваться измерителем					добротности.

Используемая пленка в этом случае помещается в изме

рительную	катушку,	индуктивность	которой совместно
с емкостью Q-метра		CQ образуют резонансный контур-
Схема	измерения	эквивалентной	проводимости без

учета длинной линии может быть представлена в виде, показанном на рис. 1.21, а. Учитывая, что измерение осу ществляется на частотах v, гораздо меньших резонанс-

ной частоты колебательной системы эквивалентной схе

мы,	можно	пренебречь влиянием емкости			С т , так	как
G T	<С vC T . В	этом	случае	схема измерителя	добротности
с присоединенной			к нему	измерительной катушкой		LB .„,

в которую вставлена пленка, будет иметь вид, приведен

ный на рис. 1, 21,6, где на частоте измерения	(10 М Г ц ) .
г В 1 1 = £ 4 - > Ш * О т ,	(1.57)
XB„^-±-MLMGl.	(1.58)

<<< < Предыдущая 1 2 3 45 / 175 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ