МИКРОПОЛОСКОВЫЙ ДАТЧИК МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

March 24, 2012 by admin Комментировать »

Зажорин в. г. Красноярский государственный университет пр. Свободный, 79, Красноярск – 660041, Россия Изотов А. В. Институт Физики им. Л. В. Киренского СО РАН Академгородок, Красноярск – 660036, Россия Тел.: 3912-494591; e-mail: Belyaev@iph.krasn.ru

Рис. 1.

Аннотация – В квазистатическом приближении исследована и оптимизирована конструкция микрополоскового датчика слабых магнитных полей, содержащего тонкую магнитную пленку. Проведено сравнение чувствительности датчиков с поликристаллической пермаллоевой пленкой и с монокристаллической пленкой железо-иттриевого граната.

I.  Введение

Fig. 1.

Датчики слабых магнитных полей используются для разведки полезных ископаемых, в системах охранной сигнализации, в различной специальной аппаратуре. Магнитометры на основе датчиков, содержащих тонкую магнитную пленку ТМП в скрещенных катушках [1], обладают достаточно высокой чувствительностью, дешевы, не требуют криогенных температур и надежны в эксплуатации. Полоса рабочих частот пленочных датчиков, по крайней мере, на порядок больше, чем у феррозондов (она составляет несколько десятков килогерц), однако при решении ряда задач этого не достаточно. Наиболее широкополосными датчиками являются микрополосковые конструкции, также содержащие магнитные пленки

[2]     , которые способны работать даже в СВЧ диапазоне, сохраняя при этом все перечисленные выше достоинства. Коэффициент преобразования такого устройства может достигать величин 101-102 V/Oe, а малый уровень собственных шумов позволяет ему регистрировать поля на уровне 10′6-10′7 Ое [3].

Как известно, наибольшая чувствительность датчиков наблюдается в окрестности электромагнитных резонансов и полюсов затухания используемых микрополосковых структур, в условиях для ТМП, близких к ферромагнитному резонансу (ФМР). Данная работа посвящена теоретическому исследованию датчика слабых магнитных полей на нерегулярном микропо- лосковом резонаторе с магнитной пленкой, а также оптимизации его параметров для достижения максимальной чувствительности.

II.  Основная часть

Рассмотрим полуволновой микрополосковый резонатор (рис. 1), образованный тремя регулярными отрезками линий с различным волновым сопротивлением. Крайние отрезки с низким волновым сопротивлением изготовлены на подложке с высокой диэлектрической проницаемостью 8е толщиной h, имеют ширину полосковых проводников we и длину /е. Средний высокоомный участок с воздушным заполнением в,=1 толщиной h имеет ширину w,, и длину /,. В этом зазоре располагается магнитная пленка толщиной t на подложке с низкой диэлектрической проницаемостью, толщина которой много меньше h. Постоянное магнитное поле Н0, необходимое для возбуждения ферромагнитного резонанса в ТМП, приложено вдоль проводника МПР. Резонатор подключен к 50- Омным линиям передачи через емкости связи С.

Исследование конструкции проводилось на одномерной модели в квазистатическом приближении. Чувствительность датчика определялась по изменению затухания СВЧ мощности AL(f), прошедшей на заданной частоте, при наложении небольшого пробного магнитного поля величиной 5Н.

На рис. 2 показаны частотные зависимости изменения затухания прошедшей мощности для датчика с пленкой из пермаллоя двух толщин. Кривые получены при 5/-/=0.01 Ое – (1), 0.05 – (2) и 0.1 – (3). Исследуемый датчик имел следующие конструктивные параметры: ве=150, /7=1.5 mm, we=5 mm, /е=7 mm, w,=6 mm, /,=14 mm, C=0.1 pF. Характеристики магнитной пленки были следующие: намагниченность 4лЛ4=104 Gs, поле одноосной анизотропии в плоскости пленки Нк=5 Ое, ось легкого намагничивания ориентирована ортогонально направлению полоскового проводника, ширина линии ФМР на частоте 1 GHz – АН=4 Ое. Величина магнитного поля Но=9 Ое подбиралась так, чтобы в пленке возбуждался ферромагнитный резонанс на частоте первой моды колебаний МПР f0=0.55 GHz. Параметры устройства при оптимизации подбирались таким образом, чтобы получить максимальное изменение прошедшей СВЧ мощности AL. Тот факт, что с увеличением толщины пленки наблюдается не пропорциональный рост сигнала, говорит о влиянии ее скин-слоя.

На рис. 3 представлены аналогичные зависимости для того же датчика, но с ферритовой монокристаллической пленкой железо-иттриевого граната (ЖИГ) толщиной t= 1 |im. Пленка ЖИГ имела следующие характеристики: намагниченность 4kMs=/\750 Gs, поле кристаллографической магнитной анизотропии Нк= 120 Ое, при этом внешнее магнитное поле имело величину /-/0=24.5 Ое. Ширина линии ФМР на частоте

1  GHz для ЖИГ-пленки выбрано АН=/\ Ое с тем, чтобы магнитные проницаемости пермаллоевой и ферритовой пленок были приблизительно одинаковыми.

Видно, что чувствительность датчика с пленкой ЖИГ в несколько раз превышает чувствительность этого же датчика с пермаллоевой пленкой. Это объясняется тем, что пленка ЖИГ обладает бесконечной толщиной скин-слоя, так как она диэлектрик, поэтому в формировании сигнала участвует весь объем ТМП. В результате повышать чувствительность устройства можно простым увеличением толщины пленки.

Рис. 3.              Fig. 3.

Рис. 2             Fig. 2.

Важно отметить, что рассмотренный датчик имеет диаграмму направленности, характерную для любых пленочных датчиков. Самая низкая чувствительность наблюдается для полей, перпендикулярных плоскости пленки. Очевидно, в этом случае максимальна величина размагничивающего фактора. Самая высокая чувствительность датчика наблюдается для плоскостных полей, направленных вдоль внешнего намагничивающего поля Но. Учитывая, что амплитуда сигнала датчика имеет наибольшую величину на частоте ниже резонансной f0=0.55 GHz, как это особенно заметно в случае пермаллоевой пленки, именно эту частоту и следует выбирать в качестве рабочей.

III.  Заключение

Таким образом, в работе теоретически исследована модель датчика слабых магнитных полей, подобраны наилучшие параметры устройства, при которых достигается максимальная чувствительность. Показано, что наибольшей чувствительностью обладает датчик на основе пленки ЖИГ. Измеряемое поле определяется по величине затухания СВЧ- мощности на рабочей частоте.

IV. Список литературы

[1 ] Бабицкий А. Н., Блинников Е. П., Владимиров А. Г. Геофизическая аппаратура, 1991, Вып. 94, С. 21-29.

[2] Беляев Б. А., Тюрнев В. В. Датчик магнитного поля. Патент России № 2091808, БИ № 27, 1997.

[3] Беляев Б. А., Бутаков С. В., Лексиков А. А. // Микроэлектроника. 2001, Т. 30, № 3, С. 228-237.

MICROSTRIP SENSOR OF MAGNETIC FIELDS

Zazhorin V. G.

Krasnoyarsk State University

79, Svobodny Ave., Krasnoyarsk – 660041, Russia Izotov A. V.

Institute of Physics Akademgorodok, Krasnoyarsk – 660036, Russia E-mail: Belyaev@iph.krasn.ru

Abstract – In quasi-static approximation the construction of week magnetic fields sensor containing thin magnetic film is researched and optimised. The sensibility comparison of sensor with polycrystalline permalloy film and sensor with monocrystalline iron-yttrium garnet film is carried out.

I.  Introduction

Sensors of week magnetic fields are used in various special equipment. Magnetometers on the base of sensors containing thin magnetic film (TMF) in crossing coils have sufficiently high sensibility, they are cheap, do not require cryogenic temperatures and they are reliable in exploitation. The band of operating frequencies of film sensors at least is equal to few tens of kHz, however for the solution of a number of problems it is insufficient. The more wideband sensors are the microstrip constructions, containing also magnetic films, which are able to function even in SHF range, saving at that all the enumerated earlier advantages.

It is known that the most sensibility of sensors is occurred in the vicinity of electromagnetic resonance and attenuation pole for the used microstrip structures when the conditions for TMF are close to ferromagnetic resonance (FMR). This paper is devoted to theoretical investigation of microstrip sensor of week magnetic fields on the base of irregular microstrip resonator with magnetic field and optimisation of sensor’s parameters for the achievement of maximal sensibility.

II.  Main part

The half-wave microstrip resonator (Fig. 1) formed from three regular lines with differing wave resistance have been considered. The outward lines with low wave resistance are manufactured on the substrate with high dielectric constant se and thickness h. The middle high wave resistance line has air filling with thickness h. In this clearance on the substrate whose thickness more less than h, the magnetic film with thickness of t has been located. The fixed magnetic field H0 necessary for the perturbation of FMR in TMF are applied along the conductor of microstrip line.

An investigation of construction has been carried out on one-dimensional model in quasi-static approximation. Sensibility of sensor has been determined on change of attenuation of SHF power AL(f) passed on given frequency, when not large testing magnetic field with magnitude of 8H is applied.

At the Fig. 2 the frequency dependences of change of attenuation of passed power for the sensor with permalloy film of double thickness are shown. Curves are received when 5H=0.01 Oe – (7), 0.05 – (2) and 0.1 – (3). During the optimisation the parameters of device have been matched to get maximal change of passed SHF power AL. On the Fig. 3 the similar dependences for the same sensor having ferrite monocrystalline iron-yttrium garnet (IYG) film are represented. It is seen that the sensibility of sensor with IYG film is somewhat exceeds the sensibility of the same sensor with permalloy film. It is explained by the infinite thickness of skin of IYG film, as it is dielectric therefore in the forming of signal all the volume of TMF takes part.

III.  Conclusion

Thus the model of week magnetic fields sensor is theoretically investigated; the best parameters of device when the maximal sensibility is attained are matched. It is shown that the most sensibility is hold by the sensor on the base of iron-yttrium garnet film.

Аннотация – Рассмотрены результаты экспериментальных исследований датчика Холла в СВЧ поле большой интенсивности.

I.Введение

Последние десятилетия развития техники характеризуются внедрением автоматических систем контроля, измерения параметров и диагностики технических устройств. Необходимым элементом подобных систем являются датчики, среди которых определенное место занимают и датчики СВЧ мощности.

Зачастую, помимо традиционных требований к СВЧ датчику, таких как хорошее согласование, высокая чувствительность, стабильность временных параметров, возникает необходимость их работы в трактах с высокой плотностью потока мощности. В этом случае одним из основных становится вопрос электрической прочности как собственно датчика, так и тракта с датчиком в целом. В учебных пособиях, справочной литературе, отдельных научных трудах обсуждалось применение в измерителях СВЧ мощности датчиков, использующих эффект Холла в полупроводнике (датчик Холла).

II.  Основная часть

Как известно [1, 2] связь между разностью потенциалов iz на гранях датчика Холла и величиной плотности потока мощности Pz через сечение датчика определяется формулой:

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты