Зажорін в. м. Красноярський державний університет пр. Вільний, 79, Красноярськ – 660041, Росія Ізотов А. В. Інститут Фізики ім. Л. В. Киренського СО РАН Академмістечко, Красноярськ – 660036, Росія Тел.: 3912-494591; e-mail: Belyaev@iph.krasn.ru

Рис. 1.

Анотація – У квазістатичному наближенні досліджена і оптимізована конструкція микрополосковой датчика слабких магнітних полів, що містить тонку магнітну плівку. Проведено порівняння чутливості датчиків з полікристалічної пермалоєвих плівкою і з монокристаллической плівкою залізо-иттриевой граната.

I. Вступ

Fig. 1.

Датчики слабких магнітних полів використовуються для розвідки корисних копалин, в системах охоронної сигналізації, в різній спеціальній апаратурі. Магнітометри на основі датчиків, що містять тонку магнітну плівку ТМП в схрещених котушках [1], мають досить високу чутливість, дешеві, не вимагають кріогенних температур і надійні в експлуатації. Смуга робочих частот плівкових датчиків, по крайней мере, на порядок більше, ніж у феррозондов (вона становить кілька десятків кілогерц), проте при вирішенні ряду задач цього не достатньо. Найбільш широкосмуговими датчиками є мікрополоскових конструкції, також містять магнітні плівки

[2], які здатні працювати навіть в СВЧ діапазоні, зберігаючи при цьому всі перераховані вище переваги. Коефіцієнт перетворення такого пристрою може досягати величин 101-102 V / Oe, а малий рівень власних шумів дозволяє йому реєструвати поля на рівні 10 ‘6-10′7 Ое [3].

Як відомо, найбільша чутливість датчиків спостерігається в околиці електромагнітних резонансів і полюсів загасання використовуваних мікрополоскових структур, в умовах для ТМП, близьких до феромагнітному резонансу (ФМР). Дана робота присвячена теоретичному дослідженню датчика слабких магнітних полів на нерегулярному мікропилу-лосковом резонаторі з магнітною плівкою, а також оптимізації його параметрів для досягнення максимальної чутливості.

II. Основна частина

Розглянемо полуволновой микрополосковой резонатор (рис. 1), утворений трьома регулярними відрізками ліній з різним хвильовим опором. Крайні відрізки з низьким хвильовим опором виготовлені на підкладці з високою діелектричною проникністю 8е товщиною h, мають ширину полоськових провідників we і довжину /е. Середній високоомний ділянка з повітряним заповненням в, = 1 товщиною h має ширину w,, і довжину /,. У цьому зазорі розташовується магнітна плівка товщиною t на підкладці з низькою діелектричною проникністю, товщина якої багато менше h. Постійне магнітне поле Н0, Необхідне для порушення феромагнітного резонансу в ТМП, докладено вздовж провідника МПР. Резонатор підключений до 50 – омним лініях передачі через ємності зв’язку С.

Дослідження конструкції проводилося на одномірної моделі в квазістатичному наближенні. Чутливість датчика визначалася по зміні загасання НВЧ потужності AL (f), що пройшла на заданій частоті, при накладенні невеликого пробного магнітного поля величиною 5Н.

На рис. 2 показані частотні залежності зміни загасання минулої потужності для датчика з плівкою з пермаллоя двох товщин. Криві отримані при 5 / – / = 0.01 Ое – (1), 0.05 – (2) і 0.1 – (3). Досліджуваний датчик мав наступні конструктивні параметри: ве=150, /7=1.5 mm, we=5 mm, /е= 7 mm, w, = 6 mm, /, = 14 mm, C = 0.1 pF. Характеристики магнітної плівки були наступні: намагніченість 4лЛ4 = 104 Gs, поле одноосной анізотропії в площині плівки Нк = 5 Ое, вісь легкого намагнічення орієнтована ортогонально напрямку Полоскова провідника, ширина лінії ФМР на частоті 1 GHz – АН = 4 Ое. Величина магнітного поля Але = 9 Ое підбиралася так, щоб в плівці збуджувався феромагнітний резонанс на частоту першої моди коливань МПР f0= 0.55 GHz. Параметри пристрою при оптимізації підбиралися таким чином, щоб отримати максимальну зміна пройшла НВЧ потужності AL. Той факт, що із збільшенням товщини плівки спостерігається не пропорційний зростання сигналу, говорить про вплив її скін-шару.

На рис. 3 представлені аналогічні залежності для того ж датчика, але з феритової монокристаллической плівкою залізо-иттриевой граната (ЖИГ) товщиною t = 1 | im. Плівка ЖИГ мала наступні характеристики: намагніченість 4kMs=/\ 750 Gs, поле кристалографічної магнітної анізотропії Ндо= 120 Ое, при цьому зовнішнє магнітне поле мало величину / – /0= 24.5 Ое. Ширина лінії ФМР на частоті

1 GHz для ЖИГ-плівки вибрано АН=/\ Ое з тим, щоб магнітні проникності пермалоєвих і феритової плівок були приблизно однаковими.

Видно, що чутливість датчика з плівкою ЖИГ в кілька разів перевищує чутливість цього ж датчика з пермалоєвих плівкою. Це пояснюється тим, що плівка ЖИГ володіє нескінченною товщиною скін-шару, так як вона діелектрик, тому у формуванні сигналу бере участь весь обсяг ТМП. В результаті підвищувати чутливість пристрою можна простим збільшенням товщини плівки.

Рис. 3. Fig. 3.

Рис. 2 Fig. 2.

Важливо відзначити, що розглянутий датчик має діаграму спрямованості, характерну для будь-яких плівкових датчиків. Найнижча чутливість спостерігається для полів, перпендикулярних площині плівки. Очевидно, в цьому випадку максимальна величина розмагнічуючого фактора. Найвища чутливість датчика спостерігається для площинних полів, спрямованих уздовж зовнішнього намагнічує поля Але. Враховуючи, що амплітуда сигналу датчика має найбільшу величину на частоті нижче резонансної f0= 0.55 GHz, як це особливо помітно у випадку пермалоєвих плівки, саме цю частоту і слід вибирати в якості робочої.

III. Висновок

Таким чином, у роботі теоретично досліджена модель датчика слабких магнітних полів, підібрані найкращі параметри пристрою, при яких досягається максимальна чутливість. Показано, що найбільшою чутливістю володіє датчик на основі плівки ЖИГ. Вимірюється поле визначається за величиною затухання СВЧ-потужності на робочій частоті.

IV. Список літератури

[1] Бабицький А. Н., Блинников Є. П., Владимиров А. Г. Геофізична апаратура, 1991, Вип. 94, С. 21-29.

[2] Бєляєв Б. А., Тюрньо В. В. Датчик магнітного поля. Патент Росії № 2091808, БІ № 27, 1997.

[3] Бєляєв Б. А., Бутаков С. В., лексико А. А. / / Мікроелектроніка. 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.

Анотація – Розглянуто результати експериментальних досліджень датчика Холла в СВЧ поле великої інтенсивності.

I. Вступ

Останні десятиліття розвитку техніки характеризуються впровадженням автоматичних систем контролю, вимірювання параметрів і діагностики технічних пристроїв. Необхідною елементом подібних систем є датчики, серед яких певне місце займають і датчики НВЧ потужності.

Найчастіше, крім традиційних вимог до СВЧ датчику, таких як гарне узгодження, висока чутливість, стабільність часових параметрів, виникає необхідність їх роботи в трактах з високою щільністю потоку потужності. У цьому випадку одним з основних стає питання електричної міцності як власне датчика, так і тракту з датчиком в цілому. У навчальних посібниках, довідковій літературі, окремих наукових працях обговорювалося застосування в вимірниках НВЧ потужності датчиків, які використовують ефект Холла в напівпровіднику (датчик Холла).

II. Основна частина

Як відомо [1, 2] зв’язок між різницею потенціалів iz на гранях датчика Холла і величиною щільності потоку потужності Pz через перетин датчика визначається формулою:

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»