СВЧ-ГОЛОВКА СКАНИРУЮЩЕГО СПЕКТРОМЕТРА ФЕРРОМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
UHF HEAD OF A FERROMAGNETIC RESONANCE SCANNING SPECTROMETER

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.
111
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 H, 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».
а
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:  - 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).
а
75
25
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:  - распределение величины поля анизотропии; б - распределение угла поля анизотропии. Измерения проведены для образца ТМП состава NiFe 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.