Устройство для контроля параметров тонких магнитных пленок Советский патент 1987 года по МПК G01R33/12 

11

Изобретение относится к исследованию свойств материалов путем оп- редел.ения магнитных параметров и может быть использовано в измерительной технике дпя измерения параметров тонких магнитных пленок (ТПМ).

Целью изобретения является повышение чувствительности устройства и расширение функциональных возможностей за счет измерения температу - ных и пространственных зависимостей магнитного поля.

На чертеже представлена блок-схема устройства.

Устройство содержит генератор 1 намагничивающего тока, катушки электромагнита которого питаются от сети переменного тока через трансформатор 2, в зазоре электромапшта генератора 1 намагничивающего тока раз мещен датчик 5 магнитного поля. Устройство содержит также измерительный генератор 4 с колебательным контуром, состоящим из катушки 5 индуктивности с переменной емкостью 6. Б катушке 5 индуктивности размещен исследуемый образец ТИП 7, Выход измерительного генератора 4 соединен с первым входом смесителя 8, второй вход которого соединен с выходом опорного генератора 9, с колебательным LC-контуром, состоящим из емкостей 10 -и индуктивности 11, которая выполнена с сердечником 12, расположенным в зазоре сердечника электромагнита 13. Параллельно LC-конту- ру опорного генератора 9 подключен варикап 14, своим катодом соединенный через резистор 15 с выходом смесителя 8, Выход смесителя 8 подключен к входу фильтра 16 нижних частот (ФНЧ), контрольному осциллографу 1 7 и через разделительный конденсатор 18 - к информационному входу синхронного детектора 19, На выходе ФНЧ 16 включен усилитель 20 постоянного тока (УПТ), Соединенный с электромагнитом 13, Второй контрольного осциллографа 17 соединен с датчиком 3 магнитного поля, пор,кпючен- HfeiM также к одному из опорных входов синхронного детектора 19, к второму опорному входу последнего подключен

первый выход формирователя 21 напря- 55 относительные изменения индуктивносжений, вход которого соединен с генератором 22 линейно изменяющегося напряжения. Синхронный детектор 19 состоит из двух параллельно соеди

пенных идентичных цепей, шыполнен- ных в виде последовательно включенных компараторов 23 и 24, формирователей 25 и 26 импульсов, электронных ключей 27 и 28 и сглаживающих фильтров 29 и 30, выходы которых подключены к входам дифференциального усилителя 31. Выход дифференциального усилителя 31 (являющийся выходом синхронногр детектора 19) соединен с одним из входов регистрирующего прибора (самописца) 32, другой вход которого соединен с выходом коммутатора 33. Вторые входы электронных ключей 28 и 27 являются информационными входами синхронного детект ора 19 и к ним через разделительный конденсатор 18 подключен выход смесителя 8, Первые входы компараторов 23 и 24 являются первыми опорными входами синхронного детектора 19 и соединены с датчиком 3 магнитного поля. Вторые входы компараторов 23 и 24, также являющиеся опорными входами синхронного детектора 19, подключены соответственно к первому и второму выходам формирователя 21 напряжений. Второй выход последнего соединен также с первым входом коммутатора 33, второй, третий и четвертьй входы которого соединены соответственно с датчиком 34 частоты, датчиком 35 температуры и датчиком 36 угла поворота образца

о

5

ТМП 7 относительно электромагнита 1, Вход датчика 34 частоты подключен к второму выходу измерительного генератора 4,

Устройство работает следующим образом.

Образец ТМП 7 помещают -в катушку 5 колебательного контура измерительного генератора 4, При наложении на

45 образец 7 поля генератора 1 намагничивающего тока, катушки которого питаются от сети переменного тока через трансформатор 2, частота генератора 4 изменяется в такт колебаниям

50 тока в катушках электромагнита генератора намагничивающего тока , При этом изменения частоты будут прямо 11ропорциональны изменениям магнитной проницаемости образца 7 ТМП, так как

ти катушки 5 и соответственно изменения частоты генератора 4 будут невелики. При развертке частоты генератор 4 перестраивается емкостью

6 при неизменной индуктивности катушки 5, поэтому относительные изменения частоты генератора 4 определяются лишь изменениями магнитной проницаемости /и образца 7 ТМП независимо от собственной частоты генератора 4.

Напряжение с выхода генератора 4 поступает на вход смесителя 8. На другой вход смесителя 8 поступает напряжение опорного перестраиваемого генератора 9 высокой частоты. На выходе смесителя 8 присутствуют комбинационные частоты, в том числе и разности частот гармоник генераторов 4 и 9, В случае совпадения частоты напряжения генератора 4 с частотой одной из гармоник напряжения генератора 9 на выходе смесителя 8 появляется постоянное напряжение, зависящее от соотношения фаз упомянутых напряжений обоих генераторов 4 и 9,

Устройство работает таким образом, что генератор 4 синхронизирован с одной из гармоник генератора 9, При изменении частоты любого из генераторов начинает изменяться раз- нрсть фаз напряжений генератора 4 и упомянутой гармоники генератора 9, Вследствие этого напряжение на выходе смесителя 8 также меняется, воздействуя на вход ФНЧ 16 и на варикап 14, Параметры контура опорного генератора 9, т.е. емкость варикапа 4 и индуктивность катушки электромагнита 13, начинают изменяться таким образом, что частота упомянутой гармоники генератора 9 подстраивается к частоте генератора 4, препятствуя изменению разности фаз.

При изменении частоты генератора 4, а также при частотных фпуктуациях обоих генераторов, вызванных их дрейфом и шумами, напряжение на выходе смесителя 8 меняется. При этом низкочастотная компонента напряжения частотных флуктуации с частотами О - 5 гЦ, обусловленная дрейфом и частот

ными шумами обоих генераторов 4 и 9, 50 или на варикапе 14 U . Параметры

выделенная ФНЧ 16, поступая на вход усилителя 20, изменяет индуктивность контура опорного генератора 9, в результате чего эта составляющая на выходе смесителя 8 подавляется, В области более высоких частот шумы имеют невысокую плотность - напряжение шумов быстро убывает с частотой и его величина оказывается сурезистора 15 выбирают таким образом чтобы он не вносил заметного затуха ния в контур генератора 9, на практике его сопротивление выбирают в 55 пределах 100-500 кОм,

При медленной развертке частоты генератора 4 путем изменения величи ны емкости 6 процесс подстройки час тоты генератора 9 можно рассматриW.

20

25

30

35

4591909

щественно меньше величины полезного

сигнала. Постоянная времени цепи: ФНЧ 16-УПТ 20 - электромагнит 13, обеспечивающий изменение индуктивности контура опорного генератора 9, выбирается такой, что полезный сигнал не подавляется на варикапе 14 (т.е. полоса частот этой цепи составляет 0,5 Гц). Это обуславливает неизменность постоянной составляющей напряжения на варикапе 14. Полезный сигнал в этих условиях приводит к небольшим изменениям емкости варикапа 14, при этом величина сигнала 15 зависит также от коэффициента включения варикапа 14. На практике легко выбрать оптимальный коэффициент включения варикапа 14, обеспечив линейность зависимости частоты генератора 9 от напряжения на варикапе 14,

При этом для подстройки частоты генератора 9 используется как емкость 10, так и индуктивность 11 его контура, но частотный диапазон изменений емкости и индуктивности контура генератора 9 оказывается разделенным: индуктивность отслеживает медленные изменения частот генераторов, а емкость варикапа - быстрые. Эти( достигается сразу два эффекта: увеличение чувствительности за счет того, что полезный сигнал, снимаемый с варикапа 14, переносится в область более высоких частот, и возможность частотной развертки генераторов 4 и 9 и записи частотных зависимостей параметров ТМП 7.

Для того, чтобы обратная связь через элементы 13 и 20 эффективно подавляла шумы и помехи, необходимо чтобы ее крутизна преобразования S, д 9/&U,j была существенно большей (на 1-3 порядка) крутизны преобразования напряжения в частоту по цепи варикапа 14 S,&fg/&U в диапазоне подавления шумов 0-5 Гц, где - изменение частоты генератора 9, вызванное изменением напря40

жения на входе усилителя 20. U

40

или на варикапе 14 U . Параметры

резистора 15 выбирают таким образом, чтобы он не вносил заметного затухания в контур генератора 9, на практике его сопротивление выбирают в пределах 100-500 кОм,

При медленной развертке частоты генератора 4 путем изменения величины емкости 6 процесс подстройки частоты генератора 9 можно рассматри512

вать как статический, т.е. развертка частоты генератора 9 будет осуществляться за счет изменения индуктивности его колебательного контура. При этом возможна непрерывная запись частотных характеристик ТМП.

Полезный сигнал с выхода смесителя 8 через разделительный конденсатор 18 поступает на информационные входы синхронного детектора 19. Синхронный детектор 19 работает следующим образом.

Информационными входам синхронного детектора 19 являются входы ключей 27 и 28. Ключи 27 и 28 управляются короткими импульсами, поступающими от формирователей 25 и 26 импульсов, входы которых соединены с выходами компараторов 23 и 24. При совпадении на компараторе 23 и 24 напряжения, вырабатываемого формирователем 21 напряжений с каким-либо значением напряжения с датчика 3 магнитного поля, соответствующего определенному значению магнитного поля в образце 7 ТМП, формирователи 25 и 26 импульсов вырабатывают управляющие импульсы для кпючей 27 и 28, в результате чего ключи 27 и 28 срабатывают и полезный сигнал проходит на сглаживающие фильтры 29 и 30. При этом на фильтры 29 и 30 поступают нагфяжения, соответствующие различным значениям мапштной проницаемости образца 7 ТМП при различных значениях магнитного поля в образце 7.

Через , определяемое постоянной времени фильтров 29 и 30, те же напряжения установятся на входах дифференциального усилителя 31. Для этих напряжений можно записать и,К(Н,)С и Кя(Н,)+С, где Uj - напряжения на входах дифференциального усилителя 31 при напряженностях внешнего магнитного поля Н , , соответственно, К и С - постоянные; |w(H,) и /«(Н,) - магнитная проницаемость образца 7 ТМП в полях с напряженностью Н, и Н,,

На выходе дифференциального усилителя 31 устанавливается напряжение

Ugbi A(,)(HO-r (Н,). где Л - коэффициент передачи усилителя 31 .

При записи дифференциальной магнитной проницаемости (jF на входь

.6

компараторов 23 и 24 с формирователя 21 напряжений подаются напряжения, всегда отличающиеся на постоянную величиггу AU, что соответствует

постоянной величине разности напряжений внеганего магнитного поля -Н,, При достаточно малых разностях напряженностей внешнего магнитного поля ьН напряжение на выходе

дифференциального усилителя 31 прямо пропорционально дифференциальной магнитной проницаемости Э(Ч/5Н.

При измерегши магнитной проницаемости |С(. величина напряженности маг- ,

нитного ПОЛЯ Н выбирается больше поля насыщения образца 7, величина магнитной npoi-шцаемости ((/(Ц )0 и напряжение на выходе усилителя 31 (Нр.

Сигнал с выхода дифференциального

усилителя 31 поступает на регистрирующий прибор 32, развертки которого через коммутатор 33 соединены с формирователем 21 напряжений.

При необходимости регистрации зависимости измеряемой величины от частоты второй вход регистрирующего, устройства посредством переключателя 33 соединяют с датчиком 34 частоты.

При исследовании зависимости измеряемой величины от температуры или угла поворота образца 7 ТМП относительно электромагнита генератора I намагничивающего тока, вход развертки регистрирующего прибора 32 подключают через коммутатор 33 либо к датчику 35 температуры,, либо к датчику 36 угла поворота.

Устройство может быть реализовано с помощью следующих стандартных приборов: смесит ел я 8, опорного генератора 9, формирователя 2 напряжений, фильтра 16 частот, формирователей 25 и 26 импульсов.

Формула изобретения

1 . Устройство для контроля парамет- ров тонких магнитных пленок, содержащее генератор намагничивающего тока, измерительный генератор с колебательным контуром, формирователь напряжений, выходы которого подклю- чены к опорным входам синхронного детектора, коммутатор, подсое; 1нен- ный к первому входу регистрирующего прибора, отличающееся тем, что,с целью повышения чувстви7

тельности и расширения функциональных возможностей, в него введены датчики частоты, угла поворота, температуры и магнитного поля, смеситель, опорный генератор, фильтр нижних частот, усилитель постоянного тока, электромагнит, варикап, резистор, конденсатор, второй колебательный контур, индуктивность которого выполнена с сердечником, расположенным в зазоре электромагнита, генератор линейно изменяющегося напряжения, причем первый выход измерительного генератора подключен к первому входу смесителя, а второй выход через датчик частоты - к первому контакту коммутатора, второй вход смесителя соединен с выходом опорного генератора, вход которого подключен через параллельно включен ные второй колебательный контур и варикап к общей шине, выход смесителя соединен через резистор с катодом варикапа, непосредственно - с фильтром нижних частот и через конденсатор к управляющему входу син.хронного детектора, выход фильтра нижних частот подключен к входу усилителя постоянного тока, к выходным контактам которого подключен

Редактор В.Иванова Заказ 228/44

Составитель Дивеев Техред Л.Сердюкова

Корректор

Тираж 731Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул,Проектная, 4

2919098

электромапит, выход генератора линейно изменяющегося i напряжения подключен к входу формирователя напряжений, выход датчика магнитного

поля подключен к сигнапьным входам синхронного детектора, выход которого подключен к второму входу регистрирующего прибора, второй контакт коммутатора соединен с выходом

10 формирователя напряжений, третий -. с выходом датчика температуры, а четвертый - с выходом датчика угла поворота,

2. Устройство по n. т л и J5 чающееся тем, что синхронный детектор выполнен в виде двух параллельных цепей, включающих последовательно соединенные кo fflapa- торы, формирователи импульсов, 20 электронных ключей и сглаживающих фильтров, выхо;л.1 которых соединены с.входами дифференциального усилителя, вторые входы электронных ключей соединены с управляющими входа25 ми синхронных детекторов, первые

входы компараторов - с опорными входами, вторые входы компараторов - с сигнальными входами, а выход дифференциального усилителя - с выходом

30 синхронного детектора.

Корректор Г. Решетник

Изобретение относится к исследованиям свойств материалов. Цель изобретения - повышение чувствительности устройства и расширение его функциональных возможностей. Устройство содержит генератор 1 намагничивающего, .тока, трансформатор 2, измерительный генератор 4 с колебательным контуром., смеситель 8, осциллограф 17, синхронный детектор 19, формирователь 21 напряжений, компараторы 23 и 24, формирователи 25 и 26 импульсов, электронные ключи 27 и 28, сглаживающие фильтры 28 и 30, дифференциальный усилитель 31, регистрирующий прибор 32 и коммутатор 33. Введение в устройство датчиков 34, 35, 36 и 3 частоты, угла поворота, температуры и магнитного поля соответственно, смесителя 8, опорного генератора 9, фильтра нижних частот 16, усилителя 20 постоянного тока, варикапа 14, резистора 15, конденсатора 18, генератора 22 линейно изменяющегося напряжения и колеба-: тельного контура, индуктивность 11 которого выполнена с сердечником 12, расположенным в зазоре электромагнита 13, позволяет измерять температурные и пространственные зависимости магнитного поля. 1 з.п. ф-лы, 1 ил. с € (Л niz,v