Диссертация (1098006), страница 19

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 19)

Нами был развит метод асимптотических разложений, который позволилопределить импедансный тензор в широком диапазоне частот.Были разработаныметоды экспериментального определения всех компонент тензора импеданса ипроведено сравнение экспериментальных и теоретических результатов.129Глава 4 Магнитоимпеданс в трехслойных пленкахПосле открытия эффекта ГМИ в тонких аморфных проводах, исследования в этойобласти расширялись с привлечением других материалов и геометрий. Значительныеусилиябылинаправленынаполучениеминиатюрныхсенсорныхэлементов,совместимых с технологиями интегральных микросхем, и с хорошо повторяемымисвойствами. Соответственно, представляли интерес тонкопленочные системы.

Посравнению с CoFeSiB проводами, аморфные ленты и напыленные однослойные пленкиприблизительно такого же состава обычно проявляют меньшую МИ чувствительность,около 4-10 %/Э. Между тем, очень чувствительный МИ возникает в структурах типаФ/М/Ф (ферромагнетик-металл-ферромагнетик), в которых изменения импеданса внесколько раз больше, чем в однослойной ферромагнитной пленке (если проводимостьвнутреннего слоя оказывается значительно выше, чем проводимость внешнихмагнитных слоев). Такое поведение импеданса убедительно было продемонстрированов наших работах [23,249-251] и работах других групп [65-66,69].

Так, в сэндвиче типаCoSiB/Cu/CoSiB (отношение проводимостей порядка 50) толщиной 7 μm, относительноеизменение импеданса составляет 340% в полях порядка 10 Э при частоте 10 МГц.В электрически однородных материалах, подверженных действию постоянногомагнитного поля, МИ возникает главным образом из-за скин-эффекта. Точнее говоря,благодаря зависимости глубины скин-слоя от магнитной структуры и динамическойпроницаемости, которые могут чувствительно изменяться под действием внешнихфакторов (магнитное поле, механические напряжения).

В многослойных Ф/М/Фструктурах очень большое изменение в импедансе возникает при значительно меньшихчастотах, когда скин-эффект мал, а зависимость импеданса от магнитной проницаемостии частоты оказывается линейной и обусловлена внешней индуктивностью магнитныхслоев (по отношению к внутреннему проводящему слою).Многослойныемагнитныепленкимогутиспользоватьсядлясозданияминиатюрных планарных индуктивных элементов без катушек, рабочие частотыкоторых достигают нескольких ГГц [70-72]. Многослойные магнитные пленкиприменяются также и как сердечники, при этом наличие нескольких слоев позволяетзамкнуть магнитный поток и увеличить добротность [252-253].Предложенные МИ130планарные элементы аналогичны индуктивным, однако анизотропия МИ элемента, какправило, является поперечной по отношению к току возбуждения.

Кроме того, дляиндуктивнывхэлементовзависимостьиндукцииотвнешнихвоздействийнеисследовалась.В данном разделе приводятся теоретические и экспериментальные результаты поМИ в трехслойных пленках.4.1 Анализ МИ в трехслойных системах2Fd2d1Метал (Cu,Au,Ag) 1МеталyFРисунок 4.1. Геометрия трехслойной системы для МИ.Справа представленпоперечный разрез пленки.Геометрия рассматриваемой электродинамической задачи представлена наРисунке 4.1. Система состоит из внутреннего хорошо проводящего слоя (например, Cu,Au или Ag) толщины 2d1 и двух внешних магнитных слоев толщины d 2 .

Возбуждениеосуществляется переменным током i  i0 exp( j  t ) . Система координат выбрана такимобразом, что слои параллельны плоскости yz , и ток течет вдоль оси z. Цель задачи –определение высокочастотного импеданса многослойной системы как функциивнешнего статического магнитного поля. Из полученных результатов по магнитному131импедансу в проводе следует, что наибольшая чувствительность соответствует случаю,когда оси легкой намагниченности находятся в плоскости пленки и перпендикулярнотоку, а внешнее магнитное поле H ex - вдоль тока.4.1.1 Приближение слабого скин-эффекта.Мы начнем анализ магнитного импеданса в многослойных системах срассмотрения простого случая, для которого слои могут считаться бесконечными вплоскости yz , а толщины слоев таковы, что скин-эффектом можно пренебречь.

Задачаформулируется в терминах импеданса, а не тензора поверхностного импеданса. Еслипроводимость внутреннего слоя  1 значительно выше, чем проводимость внешнихмагнитных слоев  2 (а точнее  1d1   2 d 2 ), что и представляет интерес, то можносчитать, что ток i в основном течет по внутреннему слою. Тогда импеданс системызаписывается в видеZ  R m  j F ciЗдесь(4.1)Rm  l 2d1b 1 - статическое сопротивление внутреннегослоя,b и l -плоскостные размеры пленки в направлениях y и z, соответственно, F -поперечныймагнитный поток, возбужденный переменным током i в магнитных слоях, c – скоростьсвета. Поскольку краевыми эффектами пренебрегается, то переменное магнитное поле hв магнитных слоях однородное. Тогда:F  ( ˆ h) y d 2 l(4.2)Здесь ̂ - тензор магнитной проницаемости.

В случае поперечной анизотропии иполосовой доменной структуры, поле h индуцированное переменым током иусредненное по доменам имет только y и x компоненты, что обусловлено тензорнойформой проницаемости. Значениеyкомпоненты задается токомh y  2 i cb ,соотношение между hy и h x определяются из другого граничного условия – нулевогонормального магнитного потока ( ( ˆ h) x  0 ). Из этих условий получаемF  t hy d 2 l  t d 2 l2 icb(4.3)132 t   y y   x2 y  xxС учетом (4.3) импеданс записывается в видеd d Z  Rm 1  2 j  t 1 2 2 1 1  c /(4.4)2  1 Параметр  1 определяет скин-слой в немагнитном слое. Выражение (4.4) прекраснодемонстрирует, что изменение импеданса трехслойной системы может быть достаточновелико даже при относительно низких частотах, когда скин-эффект несущественен.

Приэтом имеет место линейная зависимость от  t . Проиллюстрируем сказанное наконкретном примере. Пусть d 1 d 2  0.5 m и внутренний слой имеет проводимость  1= 210 18 sec-1 (проводимость меди). Внешние слои могут быть из аморфного сплава,тогда  1 /  2  50 , то есть соотношение по проводимостям выполненно. Для частоты 10MHz получаем: d 1 /  1 d 2 /  1  0.045 , что соответствует условию слабого скинэффекта.

Типичное низкочастотное изменение магнитной проницаемости  t (например,за счет вращательного механизма) под действием внешнего магнитного поля H ex  H K( H K - поле анизотропии) может быть от 1 до 500. Согласно (4.4), импеданс при этомизменится более чем на 200%.4.1.2 Точное решение для одномерной задачиДля рассматриваемой геометрии (Рисунок 4.2), матрица импеданса может бытьрассчитана точно для произвольных частот [254]. Используется симметричная система, вкоторой оси анизотропии могут быть направлены под углом   по отношению к току,соответственно для верхнего ( x  0 ) и нижнего ( x  0 )слоев.

Такая анизотропия можетбыть установлена с помощью отжига посредством электрического тока в присутствиипродольного магнитного поля. Действие внешнего поля H ex и антисимметричногопоперечного поля H b ( x  0)   H b ( x  0) приводит к анти симметричному положениюстатической намагниченности M 0 . Поперечное поле подмагничивания создается спомощью постоянного тока. При такой конфигурации недиагональные компонентытензора поверхностного импеданса ̂ могут быть отличны от нуля, так же как и для133магнитного провода с геликоидальной намагниченностью (см.

Главу 3), что приводит квозможности возбуждения напряжения как на концах пленки, так и в катушке,намотанной на нее.H b x  0H exVcjH b x  0Vz(b)Рисунок 4.2. Конфигурация полей и напряжений в трехслойной пленке.Для рассматриваемой геометрии (Рисунок 4.2), матрица импеданса может бытьрассчитана точно для произвольных частот [254]. Используется симметричная система, вкоторой оси анизотропии могут быть направлены под углом   по отношению к току,соответственно для верхнего ( x  0 ) и нижнего ( x  0 )слоев. Такая анизотропия можетбыть установлена с помощью отжига посредством электрического тока в присутствиипродольного магнитного поля. Действие внешнего поля H ex и антисимметричногопоперечного поля H b ( x  0)   H b ( x  0) приводит к анти симметричному положениюстатической намагниченности M 0 .

Поперечное поле подмагничивания создается спомощью постоянного тока. При такой конфигурации недиагональные компонентытензора поверхностного импеданса ̂ могут быть отличны от нуля, так же как и длямагнитного провода с геликоидальной намагниченностью (см.

Главу 3), что приводит квозможности возбуждения напряжения как на концах пленки, так и в катушке,намотанной на нее.Тензор поверхностного импеданса ˆ связывает электрические et и магнитные htполя в плоскости пленки на ее внешних поверхностях при x  d , d  d 1 d 2 :134et     ht  n  ,где ,  z, y ,(4.5)является единичным вектором нормали, направленным внутрь пленки.nНапряжениеVzнаконцахпленкиопределяетсязначениемповерхностногоэлектрического поля: ez (d )  ez (d ) и может быть связано с возбуждающим током иhex через компоненты  z z и  z y . Если пленкавнешним переменным полемвозбуждаетсятолькопеременнымтоком,тоVz  2 l cb z zi .Недиагональнаякомпонента поверхностного импеданса  y z , которая связывает антисимметричноеэлектрическое поле (аналог циркулярного поля) e y (d )  e y (d ) и ток, определяетнапряжение в катушке Vc .Для определения ̂ решается система уравнений Максвелла для полей e и h вкаждом из слоев.

Предполагается, что динамическая магнитная индукция и магнитноеполе линейно связаны посредством локального тензора магнитной проницаемости: =̂ . Система уравнений Максвелла записывается в каждом слое:(4.6)4 (4.7) = −̂ =Индекс обозначает соответствующий слой. На границах раздела выполняетсяусловиенепрерывностидлятангенциальныхсоставляющихэлектрическогоимагнитного полей, а на внешних границахh y (d )  2 j / cb(4.8)hz (d )  hex(4.9)Сделаемнесколькозамечанийотносительнодинамическоймагнитнойпроницаемости. В дальнейшем будет рассматриваться только проницаемость за счетвращения намагниченности. Переориентация статической намагниченности посредствомвращения может происходить в плоскости, при этом намагниченность не проходит черезвысокоэнергетические состояния.

Характеристики

Список файлов диссертации