Автоматизированное устройство измерения магнитных характеристик ферромагнитных пленок
AUTOMATED DEVICE FOR MEASURING THE MAGNETIC CHARACTERISTICS OF FERROMAGNETIC FILMS

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения магнитных характеристик, неразрушающего контроля качества и однородности ферромагнитных пленок.
Известна высокочастотная измерительная система магнитных свойств материалов [патент на изобретение US №6100685, МПК G01R 33/12, G01R 33/14, G01N 27/72, опубл. 08.08.2000].
Измерительная система включает в себя управляющий компьютер, генератор сигналов, усилитель мощности формируемого сигнала, перемагничивающую и измерительную катушки, токовый шунт для преобразования значения тока, приложенного к перемагничивающей катушке в значение напряженности формируемого магнитного поля, цифровой осциллограф для регистрации текущих значений напряженности магнитного поля и плотности магнитного потока, формируемого образцом ферромагнитного материала.
Недостатком данной системы является то, что она не обеспечивает:
- взаимное перемещение испытываемого образца ферромагнитного материала и измерительной катушки, что не позволяет проводить локальные измерения магнитных характеристик материала и оценивать характер их поверхностного распределения;
- устройством не обеспечивается непрерывная регистрация распределения магнитных характеристик контролируемого образца ферромагнитного материала с формирование контурных карт распределения магнитных характеристик по площади образца ферромагнитной пленки.
Также известно устройство для измерения магнитных характеристик ферромагнитных материалов [патент на изобретение RU №2262712 С2, МПК G01R 33/12, опубл. 20.10.2005].
Устройство включает в себя источник переменного тока, регулятор напряжения, перемагничивающую катушка, резистор, первый масштабируемый усилитель, соединенный с входом фазовращателя, также с выходом горизонтальной развертки луча осциллографа, первым входом формирователя метки, второй вход которого присоединен к выходу регулируемого источника опорного напряжения, а выход - к входу яркостной модуляции луча осциллографа.
Контролируемый образец прилегает к измерительной катушке устройства, подсоединенной к входу второго масштабируемого усилителя, соединенного с первым входом интегратора, второй вход интегратора соединен с выходом фазовращателя, а выход с входом вертикальной развертки луча осциллографа.
Компенсационная катушка устройства подключена к регулируемому источнику тока. К регулятору напряжения и регулируемому источнику опорного напряжения подключены цифровые индикаторы.
Недостатком данного устройства является то, что оно не обеспечивает:
- взаимное перемещение контролируемого образца ферромагнитного материала и измерительной катушки, что не позволяет проводить локальные измерения магнитных характеристик материала и оценивать характер их поверхностного распределения;
- автоматизированное управление и контрольно-измерительным оборудованием, входящим в состав устройства: источником переменного тока, осциллографом, цифровыми индикаторами;
- устройством не обеспечивается непрерывная регистрация распределения магнитных характеристик контролируемого образца ферромагнитного материала с формирование контурных карт распределения магнитных характеристик по площади образца ферромагнитной пленки.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому комплексу является способ измерения магнитных характеристик ферромагнитных пленок и устройство для его осуществления [патент на изобретение RU №2714314 C1, МПК G01R 33/12 (2006.01), опубл. 14.02.2020].
Известное устройство измерения магнитных характеристик ферромагнитных пленок состоит из измерительного столика, на котором размещается исследуемый образец ферромагнитной пленки, чувствительный элементы, вход которого подключен к СВЧ-генератору, а выход - одновременно к первому синхронному детектору и ко второму синхронному детектору.
Постоянное магнитное поле смещения в области размещения образца ферромагнитной пленки формируется катушками Фанселау, которые подключены к источнику постоянного тока. Переменное модулирующее магнитное поле создается вторыми катушками Фанселау, подключенными к генератору тока низкой частоты. Катушки Фанселау закреплены на общем основании ортогонально друг другу, на котором также закреплена пятикоординатная система, предназначенная для перемещения и вращения исследуемого образца ферромагнитной пленки, а также для перемещения и вращения чувствительного элемента.
Выходной сигнал генератора тока низкой частоты также является опорным сигналом для первого синхронного детектора и через удвоитель частоты подается на второй синхронный детектор. Таким образом, первый синхронный детектор предназначен для измерения величины переменной составляющей напряжения на выходе чувствительного элемента с частотой модулирующего магнитного поля, а второй синхронный детектор - составляющей с удвоенной частотой. Выходные сигналы первого синхронного детектора и второго синхронного детектора являются выходными сигналами устройства.
Недостатком данного устройства является то, что оно не обеспечивает:
- автоматизированное управление взаимным перемещением исследуемого образца ферромагнитной пленки и чувствительного элемента;
- автоматизированное управление контрольно-измерительным оборудованием, входящим в состав устройства: СВЧ-генератором, источником постоянного тока и генератором тока низкой частоты;
- устройством не обеспечивается непрерывная регистрация величины поля анизотропии по площади образца с формирование контурных карт распределения величины поля анизотропии по площади образца ферромагнитной пленки.
Технический результат заключается в обеспечении возможности автоматизированного измерения магнитных характеристик ферромагнитных пленок, что позволяет определить оптимальные параметры раскроя ферромагнитных пленок и сократить затраты при изготовлении датчиков слабых магнитных полей с использованием ферромагнитных пленок в качестве чувствительного элемента в условиях серийного производства.
Указанный технический результат достигается тем, что в автоматизированном устройстве измерения магнитных характеристик ферромагнитных пленок, включающем измерительный столик с размещенным на нем образцом, чувствительный элемент, вход которого подключен к СВЧ-генератору сигналов, источник постоянного тока и генератор тока низкой частоты, выходы которых подключены к первой и второй паре катушек Фанселау соответственно, закрепленных на общем основании устройства, новым является то, что дополнительно содержит систему перемещения чувствительного элемента, размещенную на соосных витках первой и второй пары катушек Фанселау, систему вращения измерительного столика, закрепленную на общем основании устройства, контроллер систем перемещения и вращения, управляющий компьютер, устройство хранения информации и блок регистрации образца, входы и выходы которых соединены с входами и выходами управляющего компьютера, цифровой осциллограф, вход которого подключен к чувствительному элементу, при этом выход осциллографа, входы контроллера систем перемещения и вращения, СВЧ-генератора сигналов, источника постоянного тока и генератора тока низкой частоты посредством шины данных и управления соединены с соответствующими входам и выходами управляющего компьютера, а выходы контроллера систем перемещения и вращения связаны с соответствующими входами системы перемещения чувствительного элемента и системы вращения измерительного столика.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 показана структурная схема заявляемого автоматизированного устройства измерения магнитных характеристик ферромагнитных пленок;
на фиг. 2 показана структура системы перемещения чувствительного элемента заявляемого автоматизированного устройства измерения магнитных характеристики ферромагнитных пленок;
на фиг. 3 показано направление магнитных полей и расположение координатных осей относительно поверхности образца ферромагнитной пленки.
Предлагаемое автоматизированное устройство измерения магнитных характеристик ферромагнитных пленок включает в себя: управляющий компьютер (1), устройство хранения информации (2), блок регистрации образца (3), контроллер систем перемещения и вращения (4), СВЧ-генератор сигналов (5), цифровой осциллограф (6), источник постоянного тока (7), генератор тока низкой частоты (8), шину данных и управления (9), чувствительный элемент (10), общее основание (11) с размещенными на нем первой парой катушек Фанселау (12) и второй парой катушек Фанселау (13), измерительный столик (14) с размещенным на нем образцом (15), систему перемещения чувствительного элемента (16), систему вращения измерительного столика (17).
Организация системы перемещения чувствительного элемента (16) показана на фиг. 2 и представляет собой двухосную параллельную Н-образную двухкоординатную систему позиционирования, которая включает в себя: два шаговых электродвигателя с приводными шкивами (16.1), две боковых направляющих (16.2), клиноременную передачу с разомкнутыми контуром (16.3), фиксация ремня в которой обеспечивается прижимной пластиной (16.4), шесть холостых шкивов, два (16.5) из которых закреплены на раме системы перемещения чувствительного элемента (16.7), а четыре (16.6) закреплены на подвижной каретке (16.8). Два шаговых электродвигателя с приводными шкивами (16.1) и две боковых направляющих (16.2) также размещены на раме системы перемещения чувствительного элемента (16.7) и закреплены винтами.
Крепление чувствительного элемента (10) на подвижной каретке (16.8) системы перемещения чувствительного элемента (16) обеспечивается хомутом (18) с зажимным винтом (19).
Выходы источника постоянного тока (7) и генератора тока низкой частоты (8) подсоединены к первой (12) и второй (13) парам катушек Фанселау соответственно. Вход чувствительного элемента подключен к выходу СВЧ-генератора сигналов (5), а выход - к входу цифрового осциллографа (6), выход которого, а также входы СВЧ-генератора сигналов (5), источника постоянного тока (7) и генератора тока низкой частоты (8) подключены к соответствующим выходам управляющего компьютера (1) посредством шины данных и управления (9).
Также к соответствующим входам и выходам управляющего компьютера (1) подсоединены входы и выходы устройства хранения информации (2), блок регистрации образца (3), а также, посредством шины данных и управления (9), вход контроллера систем перемещения и вращения (4), выходы которого связаны с соответствующими входами системы перемещения чувствительного элемента (16) и системы вращения измерительного столика (17).
80
20
Образец (15) представляет собой ферромагнитную пленку, изготовленную методом вакуумного напыления одного или нескольких слоев пермаллоя состава NiFe на керамическую подложку и обладающую одноосной магнитной анизотропией. Область проведения измерений (фиг. 3) магнитных характеристик определяется координатами X, Y декартовой системы координат, привязанной к левому нижнему углу образца (15).
СМ
ВЧ
МОД
СМ
МОД
Образец (15) помещен в скрещенные магнитные поля (см. фиг. 3): Н - постоянное магнитное поле смещения; Н - высокочастотное магнитное поле возбуждения; Н - низкочастотное магнитное поле модуляции. Формирование скрещенных магнитных полей Н и Н обеспечивается парами катушек Фанселау, которые представляю собой пару соосно расположенных витков квадратной формы и предназначенных для генерации пространственно однородного магнитного поля.
СМ
ВЧ
СМ
Постоянное магнитное поле смещения Н формируется первой парой катушек Фанселау (12), подсоединенных к источнику постоянного тока (7). Высокочастотное магнитное поле возбуждения Н формируется индуктивной частью СВЧ-резонатора и направлено перпендикулярно полю Н, т.е. вдоль оси легкого намагничивания (ОЛН) образца (15). Низкочастотное магнитное поле модуляции Нмод формируется второй парой катушек Фанселау (13), подсоединенных к генератору тока низкой частоты (8) и направлено параллельно высокочастотному магнитному полю возбуждения (вдоль ОЛН образца).
Техническая реализация компонентов предлагаемого автоматизированного устройства измерения магнитных характеристик ферромагнитных пленок может быть осуществлена с использованием следующих известных из уровня техники контрольно-измерительных приборов и средств управления:
- СВЧ-генератор сигналов (5) - генератор сигналов SMB100A («Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG», ФРГ);
- цифровой осциллограф (6) - цифровой запоминающий осциллограф АКИП-4126/2-Х (АО «ПриСТ», РФ);
- источник постоянного тока (7) - источник питания постоянного тока АКИП-1142 (АО «ПриСТ», РФ);
- генератор тока низкой частоты (8) - генератор сигналов произвольной формы АКИП-3419 (АО «ПриСТ», РФ).
Блок регистрации образца (3) обеспечивает оптическое считывание штрихового кода, нанесенного на индивидуальный антистатический пакет, в котором образец (15) подается на автоматизированное устройство измерения магнитных характеристик ферромагнитных пленок, с целью получения идентификационного номера образца, и передачу полученного идентификационного номера образца на управляющий компьютер. Формат отображения и принцип его преобразования в последовательность символов изложены в ГОСТ ISO/IEC 15420-2010 «Автоматическая идентификация. Кодирование штриховое. Спецификация символики штрихового кода EAN/UPC».
Техническая реализация блока регистрации образца (3) может быть осуществлена с использованием известного из уровня техники оптического считывателя штриховых кодов Voyager ХР 1470g (Honeywell, США).
Контроллер систем перемещения и вращения (4) представляет собой управляющую материнскую плату с размещенными на ней управляющим процессором, источником электропитания и микросхемами управления встроенными приводами системы перемещения чувствительного элемента (16) и системы вращения измерительного столика (17). Контроллер систем перемещения и вращения (4) обеспечивает формирование управляющих воздействий для шаговых электродвигателей с приводными шкивами (16.1) в соответствии с требуемыми параметрами линейного перемещения подвижной каретки (16.8) системы перемещения чувствительного элемента (16). Линейное перемещение подвижной каретки (16.8) в заданном направлении с определенной дискретностью перемещения обеспечивается синхронным изменением направления и угла поворота вала шаговых электродвигателей с приводными шкивами (16.1).
Методика расчета параметров движения двухосной параллельной Н-образной двухкоординатной системы позиционирования изложены, в частности, в [Sollmann K.S. Dynamic Modeling of a Two-Axis, Parallel, H-Frame-Type XY Positioning System / K.S. Sollmann, M.K. Jouaneh, D. Lavender // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. - 2010. - Vol. 15. - No. 2 - P. 280-290].
Также контроллером систем перемещения и вращения (4) формируются управляющие воздействия для обеспечения углового перемещения измерительного столика, который приводится в движение шаговым электродвигателем системы вращения измерительного столика (17) посредством клиноременной передачи.
Информационное взаимодействие контроллера систем перемещения и вращения (4) и управляющего компьютера (1) осуществляется в соответствии с требованиями стандарта на способ кодирования информации управляющих программ устройств с числовым программным управлением ГОСТ 20999-83.
Техническая реализация контроллера систем перемещения и вращения (4) может быть осуществлена с использованием известного из уровня техники платы управления устройств с числовым программным управлением MKS SBASE («Makerbase Co., Ltd», КНР).
Устройство хранения информации (2) представляет собой массив жестких магнитных дисков и предназначено для хранения результатов измерения магнитных характеристик ферромагнитных пленок, а также обеспечения доступа к ним по заданному идентификационному номеру образца (15).
Известный из уровня техники чувствительный элемент [патент на изобретение RU №2714314 С1, МПК G01R 33/12 (2006.01), опубл. 14.02.2020] состоит из СВЧ-резонатора, подключаемого к СВЧ-генератору сигналов (5), и амплитудного детектора, подключаемого к цифровому осциллографу (6), при этом индуктивная часть СВЧ-резонатора выполнена в виде отрезка проводника и располагается над локальным участком исследуемого образца. Амплитуда колебаний в индуктивной части СВЧ-резонатора фиксируется амплитудным детектором и регистрируется цифровым осциллографом (6).
Длина индуктивной части СВЧ-резонатора определяет размеры исследуемой области исследуемого образца (15) и может изменяться в широких пределах, например, от 0,25 до 25 мм. Для этого изготавливают ряд сменных чувствительных элементов с разной длиной индуктивной части СВЧ-резонатора, что дает возможность изменения степени локальности проводимых измерений в широких пределах.
В памяти управляющего компьютера (1) установлена программа управления автоматизированным устройством измерения магнитных характеристик ферромагнитных пленок, которая может быть реализован в виде программного модуля с применением инструментальных средств системы программирования Windows Presentation Foundation (WPF), использующих расширяемый язык разметки XAML.
Программа управления автоматизированным устройством измерения магнитных характеристик ферромагнитных пленок обеспечивает выполнение следующих функций:
- регистрация образца (15) ферромагнитной пленки по идентификационному номеру образца, считанному блоком регистрации образца (3);
- оперативное управление контрольно-измерительным оборудованием, входящим в состав предлагаемого устройства: СВЧ-генератором сигналов (5), цифровым осциллографом (6), источником постоянного тока (7), генератором тока низкой частоты (8);
- расчет параметров линейного перемещения чувствительного элемента и углового перемещения измерительного столика в зависимости от текущих координат чувствительного элемента и угла поворота измерительного столика;
- формирование управляющих команд для систем перемещения чувствительного элемента (16) и вращения измерительного столика (17) в соответствии с форматом, определяемым требованиями ГОСТ 20999-83 и их передача контроллеру систем перемещения и вращения (4);
- визуализация результатов измерения распределения величины поля анизотропии по поверхности образца (15) ферромагнитной пленки;
- протоколирование и запись на устройство хранения информации (2) результатов измерения магнитных характеристик ферромагнитных пленок, их привязка к идентификационному номеру образца.
Рассмотрим процесс функционирования заявляемого автоматизированного устройства измерения магнитных характеристик ферромагнитных пленок.
Перед началом процесса измерений, осуществляется регистрация поступившего образца (15) с использованием блока регистрации образца (3), при этом осуществляется считывание индивидуального штрихового кода, который содержит идентификационный номер образца (15) ферромагнитной пленки контроля в графической форме.
Исследуемый образец (15) ферромагнитной пленки размещается на измерительном столике (14) таким образом, чтобы предполагаемое направление оси тяжелого намагничивания (ОТН) образца (15) было направлено вдоль оси Y перемещения чувствительного элемента (10) и, одновременно, вдоль оси первой пары катушек Фанселау (12).
МОД
Постоянное магнитное поле смещения Нем формируется первой парой катушек Фанселау (12), подсоединенных к источнику постоянного тока (7). Низкочастотное магнитное поле модуляции Н формируется второй парой катушек Фанселау (13), подсоединенных к генератору тока низкой частоты (8). Напряженность формируемых однородных магнитных полей определяется параметрами источника постоянного тока (7) и генератора тока низкой частоты (8): состоянием выхода, значениями напряжения и тока на выходе, заданными пользователем на графическом интерфейсу программы управления автоматизированным устройством измерения магнитных характеристик ферромагнитных пленок.
Частота СВЧ-генератора сигналов (5) устанавливается равной резонансной частоте индуктивной части СВЧ-резонатора по максимуму постоянной составляющей сигнала на выходе амплитудного детектора чувствительного элемента (3).
ВЧ
СМ
Высокочастотное магнитное поле возбуждения Н формируется индуктивной частью СВЧ-резонатора и направлено перпендикулярно полю Н, т.е. вдоль оси легкого намагничивания (ОЛН) образца (15).
Пользователем вводятся параметры линейного чувствительного элемента (10) в соответствии с линейными размерами образца ферромагнитной пленки:
- начальное значение координаты X плоскости образца;
- шаг перемещения чувствительного элемента по координате X плоскости образца;
- конечное значение координаты X плоскости образца;
- начальное значение координаты Y плоскости образца;
- шаг перемещения чувствительного элемента по координате Y плоскости образца;
- конечное значение координаты Y плоскости образца.
Линейное перемещении чувствительного элемента (10) осуществляется системой перемещения чувствительного элемента (16) вдоль координатных осей X и Y плоскости образца таким образом, чтобы предназначенный для измерений участок образца (15) оказался на оси чувствительного элемента и в процессе измерений магнитных характеристик была охвачена вся площадь образца.
Пользователем вводятся параметры углового перемещения измерительного столика (14):
- начальное значение угла поворота ϕ измерительного столика;
- шаг угла поворота ϕ измерительного столика;
- конечное значение угла поворота ϕ измерительного столика.
Угловое перемещении измерительного столика (14) осуществляется системой вращения измерительного столика (17) таким образом, чтобы в процессе измерений магнитных характеристик образца (15) ферромагнитной пленки измерительный столик (14) описал полную окружность.
Непосредственно процесс измерения магнитных характеристик образца (15) ферромагнитной пленки осуществляется по следующему алгоритму:
СМ
1) задание значения напряженности постоянного магнитного поля смещения Н;
1
2) поворот измерительного столика с размещенным на нем образцом на заданный угол ϕ;
1
1
3) перемещение чувствительного элемента (10) в точку поверхности образца (15) с заданными координатами X и Y;
4) регистрация цифровым осциллографом (6) амплитуды колебаний на выходе чувствительного элемента (10);
1
1
1
СМ
5) сохранение текущего значения амплитуды колебаний на выходе чувствительного элемента (10) в устройстве хранения информации (2) с указанием параметров Х, Y, ϕ и Н;
2
1
6) поворот измерительного столика (14) с размещенным на нем образцом на угол ϕ>ϕ;
2
2
2
7) расчет значений координат Х и Y точки поверхности образца (15) с учетом поворота системы координат X0Y на угол ϕ;
2
2
8) перемещение чувствительного элемента (10) в точку поверхности образца (15) с заданными координатами Х и Y;
9) регистрация цифровым осциллографом (6) амплитуды колебаний на выходе чувствительного элемента (10);
2
2
2
СМ
10) сохранение текущего значения амплитуды колебаний на выходе чувствительного элемента (10) в устройстве хранения информации (2) с указанием параметров Х, Y, ϕ и Н;
11) повторение пунктов 2-10 для ϕ=0…360°, при этом максимальные значения координат X и Y ограничены линейными размерами образца (15);
СМ
12) повторение пунктов 1-11 для заданного пользователем диапазона значений напряженности постоянного магнитного поля смещения Н с заданным шагом.
Методика расчета значений координат X и Y точки поверхности образца с учетом поворота системы координат X0Y на угол ϕ предполагает расчет элементов матрицы поворота в двумерном пространстве, который изложен, в частности, в изложенного, в частности, в [Лурье А.И. Аналитическая механика. М. Государственное издательство физико-математической литературы, 1961. 824 с.].
1
1
После завершения процесса измерения магнитных характеристик образца (15) ферромагнитной пленки программой управления автоматизированным устройством измерения магнитных характеристик ферромагнитных пленок выполняется визуализация результатов измерения распределения величины поля анизотропии по поверхности образца (15) ферромагнитной пленки с формированием контурной карты распределения поля анизотропии. При этом для точек поверхности образца (15) с координатами Х и Y фиксируется максимальная величина поля анизотропии образца для полного диапазона напряженности постоянного магнитного поля смещения Нем и угла поворота измерительного столика ϕ.
Таким образом, предлагаемое автоматизированное устройство измерения магнитных характеристик ферромагнитных пленок позволяет проводить цикл измерений характеристик образца ферромагнитной пленки в автоматизированном режиме с непрерывной регистрацией величины поля анизотропии по площади образца и формированием контурных карт распределения величины поля анизотропии по площади образца ферромагнитной пленки, что позволяет определить оптимальные параметры раскроя ферромагнитных пленок и сократить затраты при изготовлении датчиков слабых магнитных полей с использованием ферромагнитных пленок в качестве чувствительного элемента в условиях серийного производства.