Файл: Пузырев В.А. Тонкие ферромагнитные пленки в радиотехнических цепях.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 04.07.2024

Просмотров: 104

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

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^'

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= sm e +

{

i

r

^ + a

c o s s ; W -

 

 

 

 

ff5

}1

о2 TV/ /

 

 

2

 

 

I

о2

 

^

о>ХЭф'

 

 

 

 

 

 

 

 

 

41

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)

с

учетом

(1.51)

перепишем в

виде

 

 

Z - - ! / G i

+ > C

o

+

^ ) .

(1-52)

где введены

обозначения:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

£0

= m\L

„

М

 

=

 

m2tLB,

 

 

 

 

 

С =

 

нк

(Л +

1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

_

£ 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.

43

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-

45

Смотрите также файлы