Способ измерения параметров тонких магнитных покрытий Советский патент 1987 года по МПК G01R33/12 

Изобретение относится к технике магнитных измерений и может быть использовано, в частности, для контроля параметров магнитных покрытий носителей магнитной записи.

. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей способа, а именно обеспечение возможности контроля свойств локальных участков покрытия без нарушения его целостное- ти, контроля толщины покрытия и определения его характеристик в перпендикулярном направлении.

На фиг. 1 представлены схема реализации способа при определении тол щины. покрытия и его магнитных характеристик в перпендикулярном направлении (а) и распределения составляющих намагничивающего поля (&); на фиг. 2 - схема реализации спосо- ба при определении параметров в его плоскости (а) и соответствующие распределения составляющих намагничивающего поля (5).

На фиг. 1 и 2 обозначены намагни- чивающая катушка 1, магнитное покрытие 2, индукционный датчик 3, механический привод 4 для жесткой связи намагничиваклцей катушки с индукционным датчиком и их вибрации.

Способ осуществляют следующим образом.

Неоднородное поле в направлении нормали к поверхности создают катупг- кой 1 (фиг. 1а). Распределение это- го поля в направлении X показано на фиг. 1Н (сплошная линия). Пунктиром на фиг. iS показано распределение тангенциальной (Х-й) компоненты поля катушки 1 , которую вблизи точки (, ) можно получить достаточно малой путем уменьшения размеров У( , У (фиг. 1а) или устранить введением симметрично расположенной относительно покрытия второй намагни- чивающей катушки. Намагничивающая катупка имеет прямоугольную форму витков обмотки, причем ее размер в направлении оси Z достаточно велик, поэтому Z-e компоненты намагничиваю- щего поля и поля покрытия в зоне испытуемого участка можно считать отсутствующими. С учетом изложенного, принимая во внимание потенциальный характер магнитного поля неоднородно- го намагниченного покрытия Н, из условия rot , получают

у ах

где Н,Н |Г- соответственно Х-я и У-я

компоненты поля покры Т7 тия и .

Интегрируя выргэжение (1) по толщине покрытия,, получают

H ;;(s/2)-H ;:-(-s/2)s|b, (2)

где F(W2) и п () - Х-я компонента ПОЛЯ покрытия соответственно на его верхней и нижней поверхностях;

т; fo

И ц - среднее по толщине значение

У-й компоненты поля покрытия внутри него (практически Н(У) - const).

Так как по условию перемаг ничива- ния намагниченность покрытия М имеет только. У-ю компоненту Мц, практически однородную по толщине, можно считать, что -1(/2)-н7(), тог- да

Ну (0/2)-rLv - -- ,

2 ЭХ

(3)

1

где Нл - тангенциальная компонента поля покрытия.

Поскольку область намагничивания вблизи , где неоднородностью на- магничиваюа1,его поля Н в направлении X можно пренебречь, всегда существенно больше толщины покрытия (менее 1 мкм), коэффициент размагничивания (Nq -Hij/Иу) в направлении оси У равен 1 и .

Тогда равенство (3) принимает вид

H ::(s/2)-&/2.11.

(4)

Далее, имея ввиду, что для поля покрытия над его поверхностью div B rUodiv , получают

3Hi .. ЭНх ЗУ Зх

(5)

Подставив (4) в (5), получают для величины 8Н,./ЗУ на поверхности покрытия ().

а 2

ан;;/у | .-а м /зх

(6)

Так как согласно предлагаемому способу исшятуемьй участок покрытия перемагничивается по предельному циклу магнитного гистерезиса, то зависимость Ми от напряженности на- магничивагацего поля Ни для всех точек участка остается одной и той же,

в противном случае отдельные точки испытуемого участка перемагничивают- ся по частным циклам магнитного гистерезиса с различными зависимостями ). Тогда справедливо следующее соотношение г

% 1 9н| ан| , . х аЦ зх л .

где ОС - дифференциальная восприимчивость покрытия; :в направлении У. Подставляя (7) в (6) и проводя

дифференцирование, получают

зн-з sL а н jaHifi s ,.

зГ - Ц я-Тх

в точке экстремума намагничивающего поля (,„(фиг. Ь) справедливо равенство ЭН,. и выражение

ан

9уравенство(8) дает

й1,1,

fH

(9)

Определенная таким образом величина Зн Г/Эу, представляющая величи- ну градиента поля покрытия на его поверхАости в точке экстремума на- магничивакщего поля (), непосредственно связана с толщиной покрытия, его магнитной характеристикой и со степенью неоднородности намагничивающего поля. Именно в указанную точку практически в окрестности зтой точки и располагают индукционный датчик, как показано на фиг. 1а. Величина магнитного потока, пронизывающего индукционный датчик, определяется выражением

ро(н 3+Ну) 5-п,(10)

где Ко - магнитная постоянная; S и п - средняя площадь витка и число витков индукционного датчика.

В выражении (Ю) суммарное поле предполагается постоянньм в пределах- сечения витков индукционного датчика в силу относительной малости размеров последнего.

При вибрации индукционного датчи- ка изменение координаты его расположения над покрытием определяется выражением uy(t) y-sinot, где йу и СО - соответственно амплитуда и частота вибрации. Изменение йУ во времени приводит к изменению поля покрытия в зоне расположения индукционного датчика и соответственно к появлению сигнала ЭДС в нем.

Поскольку вибрация создается при условии жесткой механической связи датчика и ис точника поля (их относительное перемещение равно нулю).изменения намагничивающего поля Н,. в зоне индукционного датчика не проис- Нц не оказывает вли- ЭДС индукционного датходит, так что яния на сигнал

чика. НГ от У

Учитывая зависимость величины в зоне расположе ния индук5

0

Н

i.r

ционного датчика в виде Нц(У)«: ---йУ,

получают для ЭДС индукционного датчика

/.ч л с ЭИя ) e(t)-jU,. ----m

ш.

ЬУ coscot

и для амплитуды ЭДС Е

-pi,Sn(0.

(11)

О

E,(U. S.n-0 3ЛУ.

(12)

Вблизи точки экстремума распределение Намагничивающего поля может быть представлено разложением в ряд по четным степеням X. Ограничиваясь первым членом разложения, можно записать (1-kx), где k - поЧстоянная.

ОУ зависящая

от геометрических размеров источника поля; Н, обозначено на фиг. 1&, это выражение в (12), получают

оу Подставляя

(9) и затем (9) в

°ч

(13)

S-n- Ь y-cO S-X,.

Амплитуду вибрации ЛУ изменяют обратно пропорционально напряженности намагничивающего поля по закону

(1А)

е П

макс

WHH U е

°а

максимальное значение напряженности намагничивающего поля;

йУ

миц амплитуда вибрации при

,к(,

При, этом йУ, соответствующие близким к О Н , не устанавливают, а соответствующие значения сигнала Ец получают nvTeM экстраполяции значеС р

НИИ при Ноц.:0 и Нд 0.

С учетом (14) выражение (13) дри- нимают вид

Ej,A

%

Г

(15)

где

.n.k.by,

Н

маис

со. (16)

5131

Таким образом, изменение амплитуды вибрации при изменении поля обеспечивает непосредственную пропорциональность амплитуды сигнала датчика толщине и дифференциальной восприимчивости самого покрытия.

Дифференциальная восприимчивость ТС ц покрытия в направлении нормали к его поверхности связана с восприимчивостью материала покрытия в этом направлении х выражением

,м

%

S Т+х

(17)

(в данном случае N,. 1).

Для материалов исследуемых покрытий максимальное значение -Х на предельном цикле магнитного гистерезиса существенно больше единицы, поэтому можно считать, что при значениях HOU , соответствующих максимальному %, Хц - 1 .

Тогда, снимая зависимость-амплитуды ЕU сигнала ЭДС индукционного датчика от поля , поступают для определения толщины покрытия

(18)

где Е -.максимальное значение ампли

туды ЭДС, индукционного дат

чика при изменении намагничивающего поля Н

01}

При этом дифференциальная восприимчивость %у при любом значении HOI определяется выражением

а

Еу/Е,у.

(19)

Равенства (18) и (19) определяют соответственно толщину и основные магнитные характеристики покрытия (в форме кривой зависимости дифференциальной восприимчивости от поля) в перпендикулярном направлении.

Для определения магнитных характеристик покрытия в его плоскости (например, в направлении X, фиг. 2) в зоне йс пытуемого -участка создают неоднородное тангенциальное намагничивающее поле HX с помощью намагничивающей катущки 1, фиг. 2а, Распределение Х-й и У-й компонент поля катушки показано на фиг. 25 (У-я компонента обозначена пунктиром). Как следует из фиг. 2, У-я компонента намагничивающего поля Н в области экстремума близка к нулю и при необходимости может быть получена равной

07626

нулю путем симметричного относительно плоскости покрытия расположения второй намагни 1ивающей катушки.

При условии достаточно больших размеров намагничивающей катушки в направлении оси Z из равенства divx получают

BI зв;

О зх ТУ

(20)

1 Интегрируя равенство (20) по толщине покрытия и учитывая при этом отсутствие У-й компоненты намагни- j ченности, получают

B J(S/2)-g/2 11 ,

(21)

где В|.(й/2) - нормальная компонента индукции покрытия на его порерунос т и; В j( . - индукция внутри покрытия (в| практически однородна по У в силу i относительно малой толщины покрытия). Из условия потенциальности поля

покрытия rot Н 0, получают

30

знГ

5у Зх

(22)

Дифференцируя(21) и подставляя в (22), получают

зн 1 авТ 1 8 9 в: 8,

35 У (о 2 ЭХ 2

fii,

Тх

(23)

Проводя далее операции, аналогич- 40 ные описанным вьщ1е (выражения (7)- (15)), получают

7С, i-- Е Ь„,,

X

(24)

где Ej( - амплитуда сигнала ЭДС индуК1 ;ионного датчика 3 (плоскость его витков перпендикулярна оси X) при его вибрации в направлении У совместно с источником намагничивающего поля.

При этом для справедливости (24) параметры вибрации и другие постоян- ные, входящие в коэффициент А, подбирают такими, чтобы этот коэффициент оставался неизменным при переходе к изменениям в плоскости покрытия.

713

Формула изобретения

Способ измерения параметров тонких магнитных покрытий, включагадий воздействие на образец постоянным магнитным полем и регистрац по полей, обусловленных намагниченностью образца покрытия, отличающий- с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей способа путем измерения толп1ины покрытия и измерения параметров образцов различных типоразмеров, магнитное покрытие намагничивают нормально его плоскости неоднородным в этой Плоскости полем, имеющим экстремум в зоне испытуемого участка, измеряют сигнал ЭДС, возникающий в индукционном датчике при вибрации жестко связанных между собой источника поля и индукционного датчика в направлении нормали к плоскости покрытия, при этом индукционный датчик располагают в точке экстремума намагничивающего поля, перемагничивают испытуемый участок по предельному цик28

лу магнитного гистерезиса изменением напряженности намагничивающего поля, одновременно изменяют амплитуду вибрации индукционного датчика

и источника намагничивающего поля обратно пропорционально величине напряженности намагничивающего поля, измеряют зависимость амплитуды сигнала индукционного датчика от напряженности намагничивающего поля, по этой зависимости определяют толщину магнитного покрытия и его магнитные характеристики в перпендикулярном направлении, затем намагничиваит покрытие тангентщально его поверхности полем, имеющим экстремум в зоне испытуемого участка, повторяют указанные операции до получения зависимости амплитуды сигнала

индукционного датчика от напряженности намагничивающего поля, по полученной зависимости и экстремальному значенио ранее измеренной зависимости определяют магнитные характеристики покрытия в произвольном направлении его плоскости.

Изобретение относится к области магнитных измерений. Цель - обеспечение возможности контроля свойств локальных участков покрытия (П) без нарушения его целостности, контроля толщины П и определения его характеристик в перпендикулярном направлении. Способ измерения параметров тонких магнитных П реализован в устройстве. Для достижения цели магнитное П намагничивают нормально его плоскости неоднородным в этой плоскости полем, измеряют электродвижущую силу в направлении нормали к плоскости П, перемагничивают испытуемый участок изменением напряженности намагничивающего поля (НИ), одновременно изменяют амплитуду вибрации индукционного датчика (ИД) и источника НИ, измеряют зависимость амплитуды сигнала от напряженности НП, по ней определяют толщину магнитного П и его магнитные характеристики в перпендикулярном направлении, намагничивают П тангенциально его поверхности полем, имеющим экстремум в зоне испытуемого участка, повторяют все операции до получения зависимости амплитуды сигнала ИД от напряженности НП и по ней и экстремальному значению ранее полученной зависимости определяют магнитные характеристи- ки П в произвольном направлении его плоскости. 2 ил. а S (Л

--Х

Составитель ВЛЧульгин Редактор А.Огар Техред А.Кравчук

Заказ 1887/42 Тираж 731 . Подписное 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

Корректор Л.Патай