Способ контроля однородности цилиндрических тонких магнитных пленок и устройство для осуществления способа

 

о п и 4В"й- к-еИЗОБРЕТЕН ИЯ

<111 554514!

Союз Советских

Соцмелистимеских

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 12.08.75 (21) 2165774/21 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Опубликовано 15.04.77. Бюллетень ¹ 14

Дата опубликования описания 24.06.77 (51) М Кч 2 G 01!R 33/12

Государственный комитет

Совета Министров СССР оо делам иообретений и открытий (53) УДК 621,317(088.8) (72) Авторы изобретения

Л. T. Лысый и М. С. Штельмахов (71) Заявитель (54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ ОДНОРОДНОСТИ

ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ТОНКИХ МАГНИТНЫХ ПЛЕНОК

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА

Изобретение относится к неразрушающим методам контроля качества и свойств ферромагнитных материалов и может быть использовано при определении параметров цилиндрических тонких магнитных пленок (ЦТМП) .

Известны устройства для измерения свойств цилиндрических ферромагнитных пленок, основанные на использовании магнитооптических эффектов Керра.

Преобразование в электрический сигнал светового потока, несущего информацию о магнитных свойствах участков цилиндрических тонких магнитных пленок (ЦТМП), осуществляют схемами без контакта с образцом.

В этих устройствах используется динамический метод измерения, что позволяет непосредственно наблюдать петли гистерезиса на экране осциллографа, снятые при намагничивании участков пленки вдоль легкого и трудного направлений. Из этих петель определяются параметры пленки (коэффицитивная сила, поле анизотропии, а также намагниченность в относительных единицах) (1).

Однако для этого применяют сложные оптические системы и электронную аппаратуру.

Известен также способ контроля однородности цилиндрических тонких магнитных пленок вдоль образующей путем намагничивания их переменным полем и фиксацией вторичной э.д.с., из которой выделяют третью гармонику и контроль ведут по амплитуде напряжения этой гармоники в зависимости от амплитуды переменного поля (2), Раздельный контроль отдельных параметров участков пленки в указанном способе сложен.

С целью упрощения раздельного контроля отдельных параметров участков пленки фик10 сируют амплитуду переменного намагничивающего тока, преобразуют амплитуду и фазу на пряжения третьей гармоники вторичной э.д.с в пропорциональные сигналы и вычитают и: них составляющие, соответствующие прира15 щению отдельных параметров.

Устройство для осуществления способа, содержащее генератор, усилитель мощности, проходной датчик и избирательный усилитель, блок регистрации, снабжено последовательно

20 соединенными амплитудным детектором и первым сумматором, а также последовательно соединенными фазовым детектором и вторым сумматором, причем вход амплитудного детектора и вход фазового подключены к выходу

25 избирательного усилителя, выход первого сумматора подключен к одному входу блока регистрации, а выход второго сумматора подключен к другому входу блокз регистрации, второй выход амплитудного детектора под30 ключен ко второму входу второго сумматора, 554514

)5

Зо

45

50 (2) е, =Е,„, sin(а,t+ v,), (6) — т,т, sin q, 55

65 а второй выход фазового детектора подключен к второму входу первого сумматора.

На фиг. 1 показан график приращения амплитуды и фазы напряжения третьей гармоники вторичной э.д.с. от изменения толщины и индукции насыщения магнитного слоя пленки; на фиг. 2 — блок-схема установки, реализующей предлагаемый способ контроля однородности цилиндрических тонких магнитных пленок вдоль их образующей.

Кривую намагничивания учасгка цилиндрической тонкой магнитной пленки вцоль образующей (вдоль оси трудного намагничивания) можно представить в виде ломаной линии, первый участок который проход п через начало координат под углом, а второй параллелен оси абсцисс. Пересечение обоих участков происходит в точке с координатами О«, В, (FI«â€” поле анизотропии, В, — индукция насыщения) .

При воздействии на пленку синусоидального поля происходит перемагничивание ее вдоль оси трудного намагничивания, при этом индукция (В,) в пленке изменяется в соответствии с кривой намагничивания по гармоническому закону только на линейном участке кривой.

На втором участке кривой индукция в пленке не изменяется по гармоническому закону и в ее составе появляются высшие нечетные гармоники, из которых максимальнои амплитудой обладает третья гармоника. В составе вторичной э.д.с. перемагничивающего тока также появляются гармонические составляк>щие. Выражение для амплитуды напряжения третьей гармоники вторичной э.д.с. имеет вид

E, = 16г 10 8Н ВДй 1 — (1) где f — частота перемагничивающего тока;

Е,, — амплитуда напряжения третьей гармоники;

N †чис витков вторичной обмотки намагничивающего устройства;

В, — индукция насыщения магнитной пленки;

R — радиус проволочной подложки;

d — толщина слоя магнитной пленки;

Н« — поле анизотропии пленки;

Н вЂ” амплитуда перемагничивающего поля.

Выражение для мгновенного значения напряжения третьей гармоники вторичной э.д.с. можно записать в виде где фо — начальный фазовый сдвиг.

Из выражений 1 и 2 видно, что при одновременном изменения толщины d и магнитной индукции В, участков пленки по длине контролируемого образца амплитуда и фаза напряжения третьей гармоники вторичной э,д.с являются функциями переменных

Е, = cp,(d, В,) и ф = y, (d, В,) (3) при <= const и H>(

Номинальным значениям толщины д„„., и магнитной индукции насыщения Ввц соответствуют значения амплитуды и фазы напряжения третьей гармоники вторичной э.д.с. Е,„,, и фо (фиг. 1), Возможность раздельного определения толщины d и магнитной индукции насыщения В, участков контролируемого образца ЦТМП по длине основана на различном характере изменений амплитуды и фазы напряжения третьей гармоники вторичной э.д.с. при изменении толщины и магнитной индукции участков этого образца по длине.

Если воспользоваться системой координат (Е), то малому изменению параметров Ad u

ЛВ, соответствуют отрезки прямых, расположенных в плоскости (ф Е) соответственно под углами р и q> к оси Е (фиг. 1), С учетом этого систему уравнений (3) можно представить в виде

Е, =Е.„„+ т,М cos q, + т,ЛВ, cos р„ ф = ф, + т,dd sin q, + т,dB, sin q„(4) где М и ЛВ, — соответственно положительные приращения толщины и магнитной индукции насыщения участка контролируемого образца

ЦТМП; т, т, тз и т4 — масштабные коэффициенты, имеющие размерности

m, jB/ìêì), m,ДВ)Т), m, (град/мкм, и, )град(Т .

Если амплитуду напряжения Е„умножить на коэффициент m4sinq, а фазу этого напряжения умножить на коэффициент т сояр, то разность полученных после преобразований сигналов зависит лишь от приращений толщины магнитного слоя контролируемого участка

ЦТМП, т. е. (Е,— Е,,)т,sing,— (i — ф,)т,соз р, =

= М (т,т, sin у, cos y, — т,т, sin у, cos q,), или

МЗ„= ЛЙ (ар, sin y, соз р,— — т,т, sing, cos y,. (5) Аналогичным образом можно получить разность сигналов, зависящую лишь от изменения магнитной индукции, т. е.

Л(Ув, — — ЛВ, (т,m, sin р, соз р,—

Коэффициенты вычисляют следующим образом: измеряют амплитуду (Е,m,) и фазу (Qo) напряжения третьей гармоники вторичной э.д,с., соответствующие номинальной толщине (d>

554514 голщине (d) магнитного слоя и номинальной индукции насыщения (В, ) участка контрольного образца ЦТМП; измеряют амплитуду (Е,„В, и фазу (фв ) напряжения третьей гармоники вторичной э.д.с., соответствующие номинальной толщине (d, ) магнитного слоя и известной индукции насыщения (В,) участка контрольного образца ЦТМП; определяют приращения амплитуды и фазы напряжения третьей гармоники вторичной э.д.с. от изменения толщины (Ad) магнитного слоя и индукции насыщения участков контрольных образцов ЦТМП

ЛЕ,d= :Em d — Е, „Л „= 6,„—, ЕЕ В, =

ЬЕ d т,созе,=

ЬЕ В AIIJd лв, m,sing, = ь„, Мв, т4 $1П <г —

ABs

Определение приращения толщины магнитного слоя (Ad) индукции насыщения (ЛВ,) участков контролируемых образцов ЦТМП по отношению к номинальным значениям толщины (д„„) и индукции насыщения (В.„,„) производят в таком порядке: измеряют амплитуду (Е,,) и фазу (g) напряжения третьей гармоники вторичной э.д.с.; из выражений (5) и (6) определяют требуемые значения ЛЫ и ЛВ„ которые могут быть определены из графического построения (фиг. 1). Для этого измеряют амплитуды и фазы напряжения третьей гармоники вторичной э.д.с. в соответствии с выражениями (1--5) для вычисления коэффициентов.

По измеренным значениям амплитуд и фаз напряжения третьей гармоники вторичной э.д.с. в выбранном масштабе на график наносят точки О, В и С. Через точки О и В, О и С проводят отрезки прямых, которые являются направлениями изменения малых приращений толщин (Ad) магнитного слоя и индукции насыщения (ЛВ.) участков образцов LITMUS; измеряют амплитуду (Е,,) и фазу (ф) напряжения третьей гармоники вторичной э.д.с.,соответствующих толщине (d) магнитного слоя и индукции насыщения (ЛВ,) участков контролируемого образца; по измеренным значениям амплитуды (Е,) и фазы (@) напряжения третьей гармоники вторичной э.д.с. на график наносят точку А; через точку А проводят отрезки прямых, параллельные отрезкам ОВ и ОС; точки пересечения проведенных через точку А отрезков прямых с отрезками прямых ОВ и 0С проектируют на координатные оси; из отсекаемых на координатных осях отрезков определяют соответствующие приращения амплитуд (AE»ö,d и AF»,, В,) и фаз

60 (15 (Лфа и Лфв ) напряжения третьей гармоники

$ вторичной э.д.с.; приращения толщины (Лд) магнитного слоя и индукции насыщения (ЛВ.) участков образцов ЦТМП определяют из выражений

ЬЕ», d 4

Ad= "" или Лд=

mI COS y, m3 sin, 1

ЛЕ», В, л.в,.

ЛВ»ь или ЛВ

»1о С0$ fg mg sill Q s

Устройство содержит последовательно соединенные генератор 1 синусоидального напряжения, усилитель 2 мощности, проходной датчик 3, состоящий из длинной первичной обмотки и короткой вторичной обмотки, избирательный усилитель 4, на выходе которого подключаются последовательно соединенные амплитудный детектор 5 и первый сумматор

6, и последовательно соединенные фазовый детектор 7 и второй сумматор 8. Выход первого сумматора 6 подключен к одному входу блока 9 регистрации, к другому входу которого подключен выход второго сумматора 8.

Второй выход амплитудного детектора 5 подключен к второму входу второго сумматора 8, а второй выход фазового детектора

7 — к второму входу первого сумматора 6.

Устройство работает следующим образом.

С помощью генератора 1, усилителя 2 мощности и датчика 3 создается переменное синусоидальное поле, перемагничивающее испытуемые участки пленки, при помещении образца цилиндрической тонкой м11гнптной пленки в отверстие датчика до насы1цснпя вдоль трудной оси намагничивания. Из напряжения вторичной обмотки датчика 3 выделяется и усиливается избирательным усилителем 4 гармоника.

Напряженис третьей гармоники втори шой эд.с. с выхода избирательного усилителя 4 поступает на амплитудный детектор 5 и фазо,II liI детектор 7. После,четектиров;1ния уровни

1111иряженпй, соотвстствук)щпе номинальнь1м значениям толщины d»(),g и индукции насыщения В, участка цилиндрической тонкой

" ном магнитной пленки, компенсируются опорными напряжениями, а уровни напряжений, соответствующие приращениям толщины Ad и индукции насыщения ЛВ, участков ЦТМП, умножаются на коэффициенты и с выходов детекторов 5 и 7 поступают на входы сумматоров

6и8.

С выхода амплитудного детектора 5, соединенного последовательно с входом первого сумматора 6, поступает напряжение, умноженное на коэффициент т з1п1р2, а с второго выхода амплитудного детектора 5, подключенного к второму входу второго сумматора 8, поступает напряжение, умноженное на коэффициент mssinlIII.

С выхода фазового детектора 7, соединенного последовательно с входом второго сумматора 8, поступает напряжение, умноженное на коэффициент mlcoslpI, а с второго выхода

554514 фазового детектора 7, подключенного к второму входу первого сумматора 6, поступает напряжение, умноженное на коэффициент

1и;cos(pg.

В сумматорах 6 и 8 эти напряжения, пред- 5 варительно умноженные в детекторах 5 и 7 на соответствующие коэффициенты, суммируются между собой.

Напряжение, зависящее только от изменений толщины d участка ЦТМП, с выхода сум- 10 матора 6 подается на один вход блока регистрации, а напряжение, зависящее только от изменений индукции насьпцения В, участка

ЦТМП, с выхода сумматора 8 подается на другой вход блока регистрации. 15

Измеренные в блоке регистрации значения напряжений, зависящих только от изменения толщины Лд и только от изменения индукции насыщения ЛВ, участков ЦТМП по графикам или таблицам, переводятся в величины изме- 20 ряемых толщины и индукции насыщения пленки или отсчитываются по отградуированным шкалам стрелочных приборов блока регистрации.

Перед началом измерений устройство на- 25 страивается по контрольным образцам ЦТМП в следующем порядке.

В отверстие датчика 3 помещается образец

ЦТМП с номинальными значениями толщины

d>i»> и индукции насыщения Вд„ ° OllopHblMH 30 напряжениями в детекторах 5 и 7 компенсируются напряжения, соответствующие номинальным значениям толщины и индукции насыщения, а показания шкал стрелочных приборов блока регистрации устанавливаются на необходимые значения.

В отверстие датчика 3 помещается образец

ЦТМП с номинальным значением толщины

4„м и известным значением индукции насыщения В„отличающимся от В8„,„. Изменени- 40 ем величины напряжения на втором выходе фазового детектора 7 устанавливается на выходе сумматора 6 напряжение, соответствующее показаниям шкалы стрелочного прибора блока регистрации номинальной толщины

doom образца ЦТМП.

В отверстие датчика 3 помещается образец

ЦТМП с номинальным значением индукции насыщения В,„,„и известным значением толщины d, отличающимся от d„»,. Изменением величины напряжения на втором выходе амплитудного детектора 5 устанавливается на выходе сумматора 8 напряжение, соответствующее показаниям шкалы стрелочного прибора блока регистрации номинальной индукции насыщения В.„,„образца ЦТМП. Изменением величины напряжения на первом выходе амплитудного детектора 5 устанавливается на выходе сумматора 6 напряжение, со- 50 ответствующее показаниям шкалы стрелочного прибора блока регистрации известной толщины образца ЦТМП, В отверстие датчика 3 помещается образец

ЦТМП с номинальным значением толщины

А„.„и известным значением индукции насыщения В., отличающимся от В, . Измененином ем величины напряжения на первом выходе фазового детектора 7 устанавливается на выходе сумматора 8 напряжение, соответствующее показаниям шкалы стрелочного прибора блока регистрации известной индукции насыщения образца ЦТМП. Изменением величины напряжения на втором выходе фазового детектора 7 подстраивается величина напряжения на выходе сумматора 6.

При необходимости описанные операции повторяются.

Изменения величины напряжений до необходимых значений на выходах амплитудного детектора 5 и фазового детектора 7 при настройке устройства по контрольным образцам

ЦТМП являются операциями экспериментального определения соответствующих коэффициентов и умножения на них детектируемых амплитуды и фазы напряжения третьей гармоники вторичной э.д,с., поступивших на вход детекторов 5 и 7.

Формула изобретения

1. Способ контроля однородности цилиндрических тонких магнитных пленок вдоль образующей путем намагничивания их переменным полем и измерением амплитуды третьей гармоники вторичной э.д.с., о т л и ч а ю щ и йся тем, что, с целью упрощения раздельного контроля отдельных параметров участков пленки, фиксируют амплитуду переменного иамагничивающего тока, преобразуют амплитуду и фазу напряжения третьей гармоники вторичной э.д.с. в пропорциональные сигналы и вычитают из них составляющие, соответствующие приращению отдельных .параметров.

2. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее генератор синусоидального напряжения, усилитель мощности, проходной датчик и избирательный усилитель, соединенные последовательно, и блок регистрации, отличающееся тем, что оно снабжено последовательно соединенными амплитудным детектором и первым сумматором, а также последовательно соединенными фазовым детектором и вторым сумматором, причем вход амплитудного детектора и вход фазового детектора подключены к выходу избирательного усилителя, выход первого сумматора подключен к одному входу блока регистрации, а выход второго сумматора подключен к другому входу блока регистрации, второй выход амплитудного детектора подключен к второму входу второго сумматора, а второй выход фазового детектора подключен к второму входу первого сумматора.

554514

Фиг, х

Составитель В. Лякишев

Техред М, Семенов

Редактор Т, Янова

Корректор А. Степанова

Типография, пр. Сапунова, 2

Заказ 1624/3 Изд. № 355 Тираж 1106 Подписное

1(1-1ИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 7К-35, Раушская наб., д. 4/5