Устройство для контроля параметров тонких магнитных пленок

ОЮЗ СОВЕТСКИХОЦИАЛИСТИЧЕСНРЕСПУБЛИК 12919 5 4 с 01 К 33/ СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ЗОБРЕТЕНИЯ ОПИСА К АВТОРСК(71) Специальное конструкторско-технологическое бюро Донецкого физикотехнического института АН УССР(53) 621.317.44 (088.8) мпаратои 26 им 7 и 28,мирователры 23 и 2пульсов,сглаживаю ер енци алир ующий егис ор 3 в 34 ведение 5 Зби я соотор ного емперату етственн ПАРАМЕТра 9 аай(57)дованиизобрностифункцствовающерит ел У СВИДЕТЕЛЬСТВУ СТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ НКИХ МАГНИТНЫХ ППЕНОК зобретение относится к исслеям свойств материалов, Цель тения - повышение чувствитель - устройства и расширение его ональных возможностей. Устрой- одержит генератор 1 намагничиотока, трансформатор 2, иэме - ный генератор 4 с колебательнтуром смеситель 8, осциллогсинхройный детектор 19, форь 21 напряжений, к 4, формирователи 2 электронные ключи щие фильтры 28 и 3 ьный усилитель 31, прибор 32 и коммут в устройство датчи 3 частоты, угла по ры и магнитного по о, смесителя 8, оп генератора 9, фильтра нижних частот16, усилителя 20 постоянного тока,варикапа 14, резистора 15, конденсатора 18, генератора 22 линейноизменяющегося напряжения и колеба-.тельного контура, индуктивность 11которого выполнена с сердечником12, расположенным в зазоре электромагнита 13, позволяет измерять температурные и пространственные зависимости магнитного поля. 1 зп.ф-лы, 1 ил.Изобретение относится к исследованию свойств материалов путем оп -ределения магнитных параметров иможет быть использовано в измерительной технике для измерения параметровтонких магнитных пленок (ТПМ),Целью изобретения является повышение чувствительности устройстваи расширение функциональных возможностей эа счет измерения температурных и пространственных зависимостеймагнитного поля.На чертеже представлена блок-схема устройства,Устройство содержит генератор намагничивающего тока, катушки электромагнита которого питаются от сети переменного тока через трансформатор 2, в зазоре электромагнита ге нератора 1 намагничивающего тока размещен датчик Х 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 ТМП 7. Выход измерительного генератора 4 соединен с первым входом смесителя 8, второй 30 вход которого соединен с выходом опорного генератора 9, с колебательным .С-контуром, состоящим из емкостей 10 и индуктивности 11, которая выполнена с сердечником 12, распо ложенным в зазоре сердечника электромагнита 13. Параллельно ЕС-контуру опорного генератора 9 подключен варикап 14, своим катодом соединенный через резистор 15 с выходом сме 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 дат чиком 3 магнитного поля, подключеннйм также к одному иэ опорных входов синхронного детектора 19, к второму опорному входу последнего подключен первый выход формирователя 21 напря жений, вход которого соединен с генератором 22 линейно изменяющегося напряжения, Синхронный детектор 19 состоит из двух параллельно соедипенных идентичных цепей, выполненных в виде последовательно включенных компараторов 23 и 24, формирователей 25 и 26 импульсов, электрон.ных ключей 27 и 28 и сглаживающихфильтров 29 и 30, выходы которыхподключены к входам дифференциального усилителя 31, Выход дифференциального усилителя 31 (являющийсявыходом синхронного детектора 19)соединен с одним из входов регистрирующего прибора (самописца) 32,другой вход которого соединен с выходом коммутатора 33, Вторые входыэлектронных ключей 28 и 27 являютсяинформационными входами синхронногодетектора 19 и к ним через разделительный конденсатор 18 подключенвыход смесителя 8. Первые входы компараторов 23 и 24 являются первымиопорными входами синхронного детектора 19 и соединены с датчиком 3магнитного поля. Вторые входы компараторов 23 и 24, также являющиесяопорными входами синхронного детектора 19, подключены соответственно кпервому и второму выходам формирователя 21 напряжений. Второй выходпоследнего соединен также с первымвходом коммутатора 33, второй, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с датчиком34 частоты, датчиком 35 температурыи датчиком 36 угла поворота образцаТМП 7 относительно электромагнита 1,Вход датчика 34 частоты подключен квторому 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 ТМП, так как относительные изменения индуктивности катушки 5 и соответственно изменения частоты генератора 4 будут невелики. При развертке частоты генератор 4 перестраивается емкостью91909 510.15 50 55 312 6 при неизменной индуктивности катушки 5, поэтому относительные изменения частоты генератора 4 определяются лишь изменениями магнитной проницаемости ч 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 синхронизированс одной иэ гармоник генератора 9.При изменении частоты любого из генераторов начинает изменяться разность фаз напряжений генератора 4 иупомянутой гармоники генератора 9.Вследствие этого напряжение на выходе смесителя 8 также меняется,воздействуя на вход ФНЧ 16 и на варикап 14. Параметры контура опорногогенератора 9, т.е, емкость варикапа14 и индуктивность катушки электромагнита 13, начинают изменяться таким образом, что частота упомянутойгармоники генератора 9 подстраивается к частоте генератора 4, препятствуя изменению разности фаз,При изменении частоты генератора4, а также при частотных флуктуацияхобоих генераторов, вызванных их дрейфом и шумами, напряжение на выходесмесителя 8 меняется, При этом низкочастотная компонента напряжениячастотных фпуктуаций с частотами 0 -5 гЦ, обусловленная дрейфом и частотными шумами обоих генераторов 4 и 9,выделенная ФНЧ 6, поступая на входусилителя 20, изменяет индуктивностьконтура опорного генератора 9, в результате чего эта составляющая навыходе смесителя 8 подавляется.В области более высоких частот шумыимеют невысокую плотность - напряжение шумов быстро убывает с частотой и его величина оказывается су 20 25 30 35 40 45 щественно меньше величины полезногосигнала. 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 обуславливаетнеизменность постоянной составляющейнапряжения на варикапе 14. Полезныйсигнал в этих условиях приводит кнебольшим изменениям емкости варикапа 14, при этом величина сигналазависит также от коэффициента включения варикапа 14. На практике легковыбрать оптимальный коэффициент включения варикапа 14, обеспечив линейность зависимости частоты генератора9 от напряжения на варикапе 14,При этом для подстройки частотыгенератора 9 используется как емкость 10, так и индуктивность 11 егоконтура, но частотный диапазон изменений емкости и индуктивности контура генератора 9 оказывается разделенным; индуктивность отслеживает медленные изменения частот генераторов,а емкость варикапа - быстрые, Этимдостигается сразу два эффекта: увеличение чувствительности за счет того,что полезный сигнал, снимаемый с варикапа 14, переносится в область более высоких частот, и возможностьчастотной развертки генераторов 4 и9 и записи частотных зависимостейпараметров ТИП 7,Для того, чтобы обратная связьчерез элементы 13 и 20 эффективноподавляла шумы и помехи, необходимо чтобы ее крутизна преобразованияБ, = ЬЕ /Ыбыла существеннобольшей (на 1-3 порядка) крутизныпреобразования напряжения в частотупо цепи варикапа 14 Я =ай / аП вдиапазоне подавления шумов 0-5 Гц,где ьй - изменение частоты генераЯтора 9, вызванное изменением напряжения на входе усилителя 20, Бсофили на варикапе 14 Б 4 . Параметрырезистора 15 выбирают таким образом,чтобы он не вносил заметного затухания в контур генератора 9, на практике его сопротивление выбирают впределах 100-500 кОм,При медленной развертке частотыгенератора 4 путем изменения величины емкости 6 процесс подстройки частоты генератора 9 можно рассматри909. 6компараторов 23 и 24 с формирователя 21 напряжений подаются напряже 5 1 О 5 20 25 30 35 5 1291 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 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 ТМП при различных значениях магнитного поля в образце 7. ния, всегда отличающиеся на постоянную величину Ц, что соответствуетпостоянной величине разности напряжений внешнего магнитного поляьН=Н -Н При достаточно малых разностях напряженностей внешнего магнитного поля ьН напряжение на выходедифференциального усилителя 31 прямопропорционально дифференциальноймагнитной проницаемости дч/ЗН.При измерении магнитной проницаемости ч величина напряженности маг-,нитного поля Н выбирается больше1поля насыщения образца 7, величинамагнитной проницаемости 1(1 )=0 инапряжение на выходе усилителя 31Ц=АК р (Н ),Сигнал с выхода дифференциальногоусилйтеля 31 поступает на регистрирующий прибор 32, развертки которого через коммутатор 33 соединены сформирователем 21 напряжений.При необходимости регистрациизависимости измеряемой величины отчастоты второй вход регистрирующего,устройства посредством переключателя33 соединяют с датчиком 34 частоты.При исследовании зависимости измеряемой величины от температуры или углаповорота образца 7 ТМП относительноэлектромагнита генератора 1 намагничивающего тока, вход развертки регистрирующего прибора 32 подключаютчерез коммутатор 33 либо к датчику35 температуры либо к датчику 36угла поворота.40 45 50 55 Через время, определяемое постоянной времени фильтров 29 и 30,те же напряжения установятся на входах дифференциального усилителя 31,Для этих напряжений можно записатьЦ,=Кр(Н )4 С и Ц = Кр(Н )+С, гдеЦ,и Ц - напряжения на входахдифференциального усилителя 31 принапряженностях внешнего магнитногополя Н, и Н, соответственно, К ипостоянные; р(Н,) и ц(Н ) - магнитная проницаемость образца 7 ТМПв полях с напряженностью Н и Н1 ЯНа выходе дифференциального усилителя 31 устанавливается напряже-ниеЦ:,=А(Ц,-Ц)=АК 4 (Н,)- (Н,)3,где Л - коэффициент передачи усилителя 31,При записи дифференциальной магнитной проницаемости Р/,Н на входы 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 контроляпараметров 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 1,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, Раушская наб д, 4/5Производственно-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, смеси- тель, 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 8электромагнит, выход генератора линейно иэменяюнегосянапряжения 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 10 формирователя напряжений, третий - ,с выходом датчика температуры, а четвертый - с выходом датчика угла поворота.2, Устройство по п.1, о т л и 15 ч а ю щ е е с я тем, что синхронный детектор выполнен в виде двух параплельных цепей, включающих последовательно соединенные компараторы, формирователи импульсов, 20 электронных ключей и сглаживающихФильтров, выходы которых соединены с.входами дифференциального усилителя,вторые входы электронных ключей соединены с управляющими входа ми синхронных детекторов, первыевходы компараторов - с опорными входами, вторые входы компараторов - с сигнальными входами, а выход дифференциального усилителя - с выходом 30 синхронного детектора.