Устройство для контроля параметров тонких магнитных пленок
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
СОЮЗ СОНЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К А ВТОРСКОМ У СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3757211/24-21 (22) 22.06.84 (46) 23.02,87. Бюп. ¹ 7 (71) Специальное конструкторско-тех— нологическое бюро Донецкого физикотехнического института АН УССР (72) А.А.Глущенко, В.И.Курочкин, А.Я.Лаптиенко и Е.Ф.Ходосов (53) 621.317.44 (088.8) (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ТОНКИХ МАГНИТНЫХ IIJIEHOK (57) Изобретение относится к исследованиям свойств материалов. Цель изобретения — повышение чувствитель— ности устройства и расширение его функциональных возможностей. Устройство содержит генератор 1 намагничивающего тока, трансформатор 2, иэме— рительный генератор 4 с колебательным контуром, смеситель 8, осциллограф 17, синхройный детектор 19, форI „„SU„1291909 А 1 мирователь 21 напряжений, компараторы 23 и 24, формирователи 25 и 26 импульсов, электронные ключи 27 и 28, сглаживающие фильтры 28 и 30, диф— ференциальный 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 ° и. ф-лы, 1 ил. 1291909 Изобретение относится к исследованию свойств материалов путем оп— ределения магнитных параметров и может быть использовано в измерительной технике для измерения параметров тонких магнитных пленок (ТПМ), Целью изобретения является повышение чувствительности устройства и расширение функциональных возможностей эа счет измерения температур 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 электромагнита ге- 20 нератора 1 намагничивающего тока раз мещен датчик 3 магнитного поля, Устройство содержит также измерительный генератор 4 с колебательным контуром, состоящим иэ катушки 5 индуктивности с переменной емкостью 6, В катушке 5 индуктивности размещен исследуемый образец TMII 7. Выход измерительного генератора 4 соединен с первым входом смесителя 8, второй 30 вход которо го 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-контуру опорного генератора 9 подключен варикап 14, своим катодом соединенный через резистор 15 с выходом сме- 40 сителя 8. Выход смесителя 8 подключен к входу фильтра 16 нижних частот (ФНЧ), контрольному осциллографу 17 и через разделительный конденсатор 18 — к информационному входу 45 синхронного детектора 19, На выходе ФНЧ 16 включен усилитель 20 постоянного тока (УПТ), соединенный с электромагнитом 13. Второй вход контрольного осциллографа 17 соединен с датчиком 3 магнитного поля, подключен% 34 частоты, датчиком 35 температуры и датчиком 36 угла поворота образца 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 образец 7 поля генератора 1 намагничивающего тока, катушки которого питаются от сети переменного тока через трансформатор 2, частота генератора 4 изменяется в такт колебаниям тока в катушках электромагнита генератора намагничивающего тока 1. При этом изменения частоты будут прямо пропорциональны изменениям магнитной проницаемости образца 7 TMII так как относительные изменения индуктивности катушки 5 и соответственно изменения частоты генератора 4 будут невелики. При развертке частоты генератор 4 перестраивается емкостью 91909 10. 3 12 6 при неизменной индуктивности катушки 5, поэтому относительные изменения частоты генератора 4 определяются лишь изменениями магнитной проницаемости 1ч 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 появ— ляется постоянное напряжение, зависящее от соотношения фаз упомянутых напряжений обоих генераторов 4 и 9. Устройство работает таким обра— зом, что генератор 4 синхронизирован с одной иэ гармоник генератора 9. При изменении частоты любого из генераторов начинает изменяться разность 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 14 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 флуктуациях обоих генераторов, вызванных их дрейфом и шумами, напряжение на выходе смесителя 8 меняется, При этом низкочастотная компонента напряжения частотных фпуктуаций с частотами 0— 5 гЦ, обусловленная дрейфом и частотными шумами обоих генераторов 4 и 9, 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 су20 30 ! 45 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 сос— тавляет 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 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. Этим 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 TKI 7. Для того, чтобы обратная связь через элементы 13 и 20 эффективно подавляла шумы и помехи, необходимо чтобы ее крутизна преобразования S1 = 4f з П2О была существенно большей (на 1-3 порядка) крутизны преобразования напряжения в частоту по цепи варикапа 14 S =ай /aU в т диапазоне подавления шумов 0=5 Гц, где ЛŠ— изменение частоты генераЯ тора 9, вызванное изменением напряжения на входе усилителя 20,„ U ао ° или на варикапе 14 U4 . 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 рассматри5 129) 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 TMII, Полезный сигнал с выхода смесителя 8 через разделительный конденсатор 18 поступает на информационные входы синхронного детектора 19. Синхронный детектор 19 работает следующим образом. Информационными входами синхрон— ного 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 ключей 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 напряжения, соответствующие различным значениям магнитной проницаемости образца 7 TMII при различных значениях магнитного поля в образце 7. 909 6 компараторов 23 и 24 с формирователя 2) напряжений подаются напряже5 1О f5 35 ния, всегда отличающиеся на постоянную величину gU что соответствует постоянной величине разности напряжений внешнего магнитного поля ьН=Н -Н,, При достаточно малых раз— ностях напряженностей внешнего магнитного поля ьН напряжение на выходе дифференциального усилителя 31 прямо пропорционально дифференциальной магнитной проницаемости Bн/ЗН. При измерении магнитной проницаемости ) величина напряженности маг-, нитного поля Н выбирается больше т поля насыщения образца 7, величина магнитной проницаемости ) () )=0 и напряжение на выходе усилителя 31 Uü û =AK fu (Н,) ° Сигнал с выхода дифференциального усилйтеля 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 TMII 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. Через время, определяемое постоянной времени фильтров 29 и 30, те же напряжения установятся на входах дифференциального усилителя 31, Для этих напряжений можно записать U,„=Kg(H )4.С и U = Kp(H )+С, где U и Б — напряжения на входах дифференциального усилителя 3) при напряженностях внешнего магнитного поля Н, и Н, соответственно, К и С вЂ” постоянные; ps(H,) и )ч(Н ) — магнитная проницаемость образца 7 ТМП в полях с напряженностью Н и Н 1 Я На выходе дифференциального усилителя 31 устанавливается напряже- ние U„;„=A(U,-U,)=AK() (Н,)-) (Н,ц, где Л вЂ” коэффициент передачи усилителя 31. При записи дифференциальной магнитной проницаемости ".(l Устройство может быть реализовано с помощью следующих стандартных приборов: смесителя 8, опорного генератора 9, формирователя 21 напряжений, фильтра 16 нижних частот, формирователей 25 и 26 импульсов. Формула изобретения 1. Устройство для контроля параметров тонких магнитных пленок, содержащее генератор намагничивающего тока, измерительный генератор с колебательным контуром, формирователь напряжений, выходы которого подключены к опорным входам синхронн >го детектора, коммутатор, подсое,иненный к первому входу регистрирующего прибора, отличающееся тем, что,с целью повышения чувствиСоставитель Дивеев Техред Л.Сердюкова: Редактор В.Иванова Корректор Г. Решетник Заказ 228/44 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 7 12 тельности и расширения функциональ— ных 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 колеба— тельный 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 включенные второй колебательный контур и варикап к общей шине, выход смесителя соединен через резистор с катодом варикапа, непосредственно— с мльтром нижних частот и через конденсатор к управляющему входу синхронного детектора, выход фильтра нижних частот подключен к входу усилителя постоянного тока, к выходным контактам которого подключен 91909 8 электромагнит, выход генератора линейно иэменяюнегося i напряжения подключен к входу формирователя напряжений, выход датчика магнитного поля подключен к сигнальным входам синхронного детектора, выход которого подключен к второму входу регистрирующего прибора, второй контакт коммутатора соединен с выходом 1 р формирователя напряжений, третий —, с выходом датчика температуры, а четвертый — с выходом датчика угла поворота. 2, Устройство по п. l, о т л и 15 ч а ю щ е е с я тем, что синхронный детектор выполнен в виде двух пар аплельных цепей, включающих последовательно соединенные компараторы, формирователи импульсов, 2р электронных ключей и сглаживающих фильтров, выходы 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.
