Устройство регистрации петель гистерезиса тонких магнитных пленок
DEVICE FOR DETECTING HYSTERESIS LOOPS OF THIN MAGNETIC FILMS

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для наблюдения и регистрации зависимостей магнитного момента образцов тонких магнитных пленок от приложенного к ним магнитного поля.
Известен метод регистрации петель гистерезиса тонких магнитных пленок (петлескоп) [Суху, Р. Магнитные тонкие пленки. - М.: Мир, 1967, стр. 205]. Петлескоп позволяет с помощью измерения зависимости намагниченности тонкопленочного образца от приложенного к нему внешнего магнитного поля определять такие важные его магнитные характеристики, как намагниченность насыщения, остаточная намагниченность, коэрцитивная сила, поле магнитной анизотропии. Устройство содержит намагничивающие катушки, внутри которых размещают исследуемый образец тонкой магнитной пленки. Вблизи исследуемого образца расположена катушка чувствительного элемента, а вдали от образца находится компенсационная катушка. Намагничивающие образец катушки подключены к генератору звуковой частоты через усилитель мощности и токоизмерительное сопротивление. Катушка чувствительного элемента и компенсационная катушка включены встречно и подключены ко входу интегратора. Выход интегратора подключен ко входу Y осциллографа, а выход сигнала с токоизмерительного сопротивления - ко входу X осциллографа. Петлю гистерезиса наблюдают на экране осциллографа, определяя по ней магнитные характеристики исследуемого образца.
Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков является устройство для измерения магнитных свойств тонких ферромагнитных образцов [Авт. св-во СССР, №386357, МПК G01R 33/14, опубл. 14.06.1973, бюл. №26 (прототип)]. Исследуемый образец тонкой магнитной пленки размещается в устройстве внутри магнитной системы, формирующей переменное перемагничивающее магнитное поле. Рядом с исследуемым образцом размещена измерительная обмотка, подключенная к предварительному усилителю. Выход предварительного усилителя подключен к интегратору. В результате перемагничивания исследуемого образца на выходе измерительной обмотки формируется э.д.с., являющаяся сигналом перемагничивания, который усиливается и интегрируется. Кривая петли гистерезиса наблюдается на экране осциллографа, на вход X которого подается сигнал от магнитной системы, формирующей перемагничивающее магнитное поле, а на вход Y подается сигнал с выхода интегратора.
Общим недостатком известной конструкции петлескопа и устройства-прототипа является высокая сложность изготовления устройств, что обусловлено следующими причинами: необходимостью намотки малогабаритных и многовитковых измерительных катушек (обмоток); необходимостью создания цепей интегрирования сигнала; необходимостью создания дополнительных цепей измерения тока в магнитной системе, формирующей переменное перемагничивающее магнитное поле.
Техническим результатом заявленного технического решения является упрощение устройства.
Заявляемый технический результат достигается тем, что в устройстве регистрации петель гистерезиса тонких магнитных пленок, содержащем магнитную систему, создающую переменное перемагничивающее магнитное поле, осциллограф, предназначенный для наблюдения и регистрации петель гистерезиса, новым является то, что чувствительным элементом устройства является первый датчик Холла, размещаемый в центре магнитной системы таким образом, что его ось максимальной чувствительности направлена параллельно линиям перемагничивающего магнитного поля, а сверху над ним размещают исследуемый образец, при этом для измерения величины перемагничивающего магнитного поля используют второй датчик Холла, установленный вдали от исследуемого образца, а выходной сигнал, подаваемый на канал Y осциллографа, получают путем вычитания из сигнала первого датчика Холла сигнала второго датчика Холла, одновременно с этим на канал X осциллографа подают сигнал с выхода второго датчика Холла.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается тем, что в качестве чувствительного элемента используется датчик Холла, располагаемый в центре магнитной системы, под исследуемым образцом. Существенным отличием является то, что использование датчика Холла не требует использования цепей интегрирования сигнала. Другим отличием является то, что перемагничивающее магнитное поле может быть создано любой сторонней магнитной системой, так как величина перемагничивающего поля измеряется встроенным в устройство дополнительным датчиком Холла.
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 изображена функциональная схема устройства. На фиг. 2 показана конструкция устройства. На фиг. 3 приведен чертеж с разнесенными частями устройства без перемагничивающей системы колец Гельмгольца.
Исследуемый образец тонкой магнитной пленки (1) (фиг. 1) размещается в центре колец Гельмгольца (2), подключенных к выходу генератора (3) тока низкой частоты. Под образцом (1) на минимальном расстоянии размещен чувствительный элемент - датчик Холла (4), причем его ось максимальной чувствительности направлена параллельно оси колец Гельмгольца (2) и параллельно плоскости образца (1). В стороне от датчика Холла (4) (чувствительного элемента) и от исследуемого образца (1) расположен дополнительный датчик Холла (5), предназначенный для измерения величины перемагничивающего поля, создаваемого кольцами Гельмгольца (2). Ось максимальной чувствительности датчика Холла (5) параллельна оси колец Гельмгольца (2). Выход датчика Холла (4) (чувствительного элемента) подключен ко входу усилителя (6), выход которого соединен с неинвертирующим входом сумматора (7). Выход датчика Холла (5) подключен ко входу усилителя (8), выход которого соединен с инвертирующим входом сумматора (7). Выход сумматора (7) подключен к фильтру нижних частот (9), который, в свою очередь, подключен к каналу Y осциллографа или регистратора. Выход усилителя (8) также подключен ко входу фильтра нижних частот (10), выход которого подключен ко входу X осциллографа или регистратора.
Для обеспечения возможности вращения исследуемого образца (1) его размещают на вращающемся столике (11) (фиг. 2), закрепленном на пластине (12), являющейся крышкой корпуса (13). Внутри корпуса (13) (фиг. 3) размещена печатная плата (14) с радиоэлементами, в том числе на печатной плате (14) закреплены датчик Холла (4) чувствительного элемента и дополнительный датчик Холла (5), предназначенный для измерения величины перемагничивающего поля. Важно отметить, что датчик Холла (4) (чувствительный элемент) размещен таким образом, чтобы минимизировать расстояние между ним и исследуемым образцом.
Устройство работает следующим образом (фиг. 1). Сигнал с генератора (3) тока низкой частоты поступает на кольца Гельмгольца (2), создающие переменное перемагничивающее исследуемый образец (1) магнитное поле. На выходе датчика Холла (4) (чувствительного элемента), расположенного под исследуемым образцом (1), присутствует сумма сигналов от поля рассеяния ферромагнитного тонкопленочного образца (1) и от перемагничивающего магнитного поля, создаваемого кольцами Гельмгольца (2). На выходе дополнительного датчика Холла (5) присутствует сигнал только от перемагничивающего поля колец Гельмгольца (2), так как датчик Холла (5) расположен вдали от исследуемого образца (1). Сигнал с датчика Холла (4) (чувствительного элемента) поступает через усилитель (6) на неинвертирующий вход сумматора (7), а сигнал с дополнительного датчика Холла (5) поступает через усилитель (8) на инвертирующий вход сумматора (7). Таким образом, на сумматоре (7) происходит компенсация сигнала перемагничивающего магнитного поля, присутствующего на выходе датчика Холла (4) (чувствительного элемента) даже в отсутствии образца. Далее с выхода сумматора (7) сигнал поступает на фильтр нижних частот (9) и на выход устройства - к каналу Y осциллографа или регистратора. Сигнал, пропорциональный величине перемагничивающего магнитного поля с выхода усилителя (8) подается на фильтр нижних частот (10), с выхода которого поступает к каналу X осциллографа или регистратора. Петлю гистерезиса исследуемого образца (1) тонкой магнитной пленки наблюдают на экране осциллографа или записывают с использованием цифрового регистратора. Исследуемый образец тонкой магнитной пленки (1) (фиг. 2) вращают на столике (11) и фиксируют угловые зависимости параметров петли гистерезиса.
Экспериментальные исследования заявляемого устройства регистрации петель гистерезиса тонких магнитных пленок показали, что устройство значительно проще в изготовлении в сравнении с известными конструкциями и устройством-прототипом по следующим причинам: отсутствует необходимость в изготовлении малогабаритных многовитковых катушек чувствительных элементов; отсутствует блок интегрирования сигнала; измерение величины перемагничивающего магнитного поля происходит с помощью дополнительного датчика Холла, что позволяет использовать электрически несвязанные магнитные системы для создания этого поля.
Устройство регистрации петель гистерезиса тонких магнитных пленок может быть использовано для определения магнитных параметров тонких магнитных пленок и изучения поведения петель гистерезиса от направления внешнего перемагничивающего магнитного поля.