JPS59103403A - Magnetic resonator - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To obtain a magnetic resonator with mass-productivity and without spurious response at the time of impressing vertical magnetic field by forming a ferrimagnetic substance layer on one major plane of a substrate with a prescribed pattern and forming a thin annular part at the inside. CONSTITUTION:A gadolinium.gallium.garnet substrate 1 or the like is used, a YIG thin film is formed by gas-phase epitaxial growth, then a ferrimagnetic substance layer 2 is formed by the photolithography technology or the ferrimagnetic substance layer 2 is constituted by processing a bulk member, and the excitation of the magnetostatic mode being spurious response is suppressed almost without giving effect on the main resonance mode by forming concentrically a groove 2a at a location where high frequency magnetization of the main resonance mode is zero. As the shape of said ferrimagnetic substance layer 2 can be a circle, a square or a rectangular shape. Further, the groove 2a can be discontinuous.

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はマイクロ波素子に使用して好適なフェリ磁性
薄膜を用いてなる磁気共鳴装置に関し、とくにスジリア
ス・レスポンスを抑圧しうるようにしたものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a magnetic resonance apparatus using a ferrimagnetic thin film suitable for use in a microwave element, and in particular is capable of suppressing a streaky response.

磁気バブル記憶素子の開発を通じて近年盛んになったガ
ドリニウム・ガリウム・ガーネット（ＧＧＧ）基板上に
ガーネット磁性薄膜を液相エピタキシャル成長させる技
術により、結晶性の良好なイツトリウム・鉄・ガーネッ
ト（ＹＩＧ）薄膜を作製することが可能である。このＹ
ＩＧ薄膜を選択エツチングによシ円形あるいは矩形等に
加工し、そのフエＩＪ　ｉ性共鳴を利用することによっ
てマイクロ波素子を構成することができる。この場合に
は、通常のフォト・リングラフィ技術が利用できること
から加工性に優れ、しかも一枚のＧＧＧ基板から多数の
素子が取れるので量産性にも優れている。さらに薄膜材
料であることから、マイクロストリップ・ラインなどを
伝送線路としてマイクロ波集積回路（ＭＩＣ）化するこ
とが容易であるという利点がある。A yttrium-iron-garnet (YIG) thin film with good crystallinity is fabricated using a technique of liquid-phase epitaxial growth of a garnet magnetic thin film on a gadolinium-gallium-garnet (GGG) substrate, which has become popular in recent years through the development of magnetic bubble memory devices. It is possible to do so. This Y
A microwave element can be constructed by processing an IG thin film into a circular or rectangular shape by selective etching and utilizing the IJi resonance. In this case, since ordinary photolithography technology can be used, processability is excellent, and since a large number of elements can be obtained from one GGG substrate, it is also excellent in mass production. Furthermore, since it is a thin film material, it has the advantage that it is easy to form a microwave integrated circuit (MIC) using a microstrip line or the like as a transmission line.

周知のとおシフェリ磁性共鳴を利用したマイクロ波素子
は小型化および尖鋭度の点で優れ、従前ではＹＩＧ単結
晶球がこのようなマイクロ波素子として実用に供されて
いた。このＹＩＧ単結晶球には、静磁モードが励磁され
に＜＜、一様歳差モードによる唯一の共振モードが得ら
れるという利点がある。しかし、とのＹＩＧ単結晶球に
は加工性や量産性にネックがあシ、このため、ＹＩＧ薄
膜を用いて磁気共鳴装置を構成することが要望されてい
た。A well-known microwave element using Schifferi magnetic resonance is excellent in terms of miniaturization and sharpness, and YIG single crystal spheres have previously been put into practical use as such microwave elements. This YIG single crystal sphere has the advantage that the magnetostatic mode is excited and the only resonant mode is obtained by the uniform precession mode. However, YIG single crystal spheres have problems with workability and mass production, and therefore there has been a demand for constructing magnetic resonance apparatuses using YIG thin films.

ところで、ＹＩＧ薄膜は高周波磁界の一様性の良い場所
に置かれても、内部直流磁界が一様でないために、静磁
モードが多数励振されてしまうという問題点を有してい
た。すなわち、円板状フェリ磁性体試料の試料面に垂直
に直流磁界を印加したときの静磁モードについては文献
（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＡｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃ
ｓ　＋　Ｖｏ＋、　４８　、　Ｊｕｌｙ　１９７７　＋
　ＰＰ。By the way, even if the YIG thin film is placed in a place where the high-frequency magnetic field is well-uniform, the internal direct-current magnetic field is not uniform, so a large number of magnetostatic modes are excited, which is a problem. In other words, the magnetostatic mode when a DC magnetic field is applied perpendicularly to the sample surface of a disk-shaped ferrimagnetic sample is described in the literature (Journal of Applied Physics
s + Vo+, 48, July 1977 +
P.P.

３００１〜３００７　）で解析されており、各モードは
（ｎ　、Ｎ　）ｍで表示される。ただし、（ｎ−Ｎ）ｍ
モードは円周方向にｎ個の節を持ち、直径方向にＮ個の
節をもち、厚さ方向に（ｍ−１）個の節をもつモードで
ある。試料にわたって高周波磁界の一様性が良い場合に
は、（１−Ｎ）１系列が主機な静磁モードとなる。第１
図は、９　ＧＨｚの空胴共振器中で測定された円形薄膜
試料のフェリ磁性共鳴の測定結果で、（１，Ｎ）１系列
の静磁モードが多数励振されている様子が示されている
。この試料を用いて・９ンドパス・フィルタなどのマイ
クロ波素子を構成する場合には、主共鳴モードである（
ｌ、１）１モードを利用することになり、このとき他の
静磁モードはすべてスプリアス・レスポンスとなる。3001 to 3007), and each mode is expressed as (n, N)m. However, (n-N)m
The mode has n nodes in the circumferential direction, N nodes in the diameter direction, and (m-1) nodes in the thickness direction. When the high-frequency magnetic field has good uniformity over the sample, the (1-N)1 series becomes the main magnetostatic mode. 1st
The figure shows the measurement results of ferrimagnetic resonance of a circular thin film sample measured in a 9 GHz cavity resonator, showing that many (1,N)1 series magnetostatic modes are excited. . When constructing a microwave device such as a nine-pass filter using this sample, the main resonance mode (
l, 1) mode will be used, and at this time all other magnetostatic modes will become spurious responses.

この発明はこのような事情を考慮してなされたものであ
り、主共鳴モードを損うことなく、スプリアス・レスポ
ンスとなる静磁モードの励振を十分に抑えることのでき
るフェリ磁性薄膜からなる磁気共鳴装置を提供すること
を目的としている。This invention was made in consideration of these circumstances, and is a magnetic resonance system made of a ferrimagnetic thin film that can sufficiently suppress the excitation of the magnetostatic mode, which causes spurious responses, without impairing the main resonance mode. The purpose is to provide equipment.

本発明者はこのような目的を達成するために鋭意研究を
重ね、その結果、各静磁モードの間で高周波磁化成分の
試料内分布が異なることを着目するにいたった。ここで
は、このことを第２図および第３図について考える。第
２図は厚さｔ１直径１〕（半径Ｒ）のＹＩＧ円板の面に
垂直な方向に直流磁界を印加したときの内部直流磁界Ｈ
ｉの様子を示したものである。ただし、ここではアスペ
クト・レイショｔ／Ｄが十分に小さい場合を考えている
ので試料の厚さ方向での磁界分布は無視できる。反磁界
は円板の内側で大きく間通になるほど急に小さくなるた
め、内部直流磁界は中央付近で小さく外周付近で急に大
きくなっている。ところで上記文献の解析結果によれば
、Ｈｉ＝ω／γとなる位置でのｒ　／Ｒの値をξとすれ
ば、静磁モードはＯ＜、ｒ／Ｒくξの領域に存在する。The inventors of the present invention have conducted extensive research in order to achieve such an objective, and as a result, they have come to notice that the distribution of high-frequency magnetization components in a sample differs between each magnetostatic mode. This will now be considered with reference to FIGS. 2 and 3. Figure 2 shows the internal DC magnetic field H when a DC magnetic field is applied in a direction perpendicular to the surface of a YIG disk with a thickness t1 diameter 1] (radius R).
This shows the state of i. However, since we are considering the case where the aspect ratio t/D is sufficiently small, the magnetic field distribution in the thickness direction of the sample can be ignored. Since the demagnetizing field becomes larger inside the disk and becomes smaller rapidly as it becomes more open, the internal DC magnetic field is small near the center and suddenly becomes large near the outer periphery. According to the analysis results of the above-mentioned literature, if the value of r/R at the position where Hi=ω/γ is ξ, then the magnetostatic mode exists in the region of O<, r/R×ξ.

ただしωは静磁モードの共鳴角部波数であり、γは磁気
回転比である。磁界を固定したときにはモードナン／Ｊ
　−Ｎが大きくなるにつれて共鳴周波数は高くなり、第
３図Ａに示したように静磁モードの領域はだんだん外側
まで広がることになる。第３図Ｂは、（１，Ｎ）１モー
ドの低次の３個のモードについて高周波磁化の試料内分
布を示したもので、絶対値は高周波磁化の大きさを、符
号は高周波磁化の位相関係を示している。However, ω is the resonant corner wave number of the magnetostatic mode, and γ is the gyromagnetic ratio. When the magnetic field is fixed, modenan/J
As -N increases, the resonance frequency increases, and the magnetostatic mode region gradually expands to the outside as shown in FIG. 3A. Figure 3B shows the distribution of high-frequency magnetization within the sample for the three low-order modes of the (1,N)1 mode, where the absolute value indicates the magnitude of high-frequency magnetization, and the sign indicates the phase of high-frequency magnetization. It shows a relationship.

第３図から理解されるように静磁モードの間で高周波磁
化成分は異なった態様となっており、これを利用すれば
、主共振モードにほとんど影響を与えることなく、スプ
リアス・レスポンスと々る静磁モードの励振を抑圧する
ことが可能である。As can be understood from Figure 3, the high-frequency magnetization components have different forms between the magnetostatic modes, and if this is used, the spurious response can be suppressed without almost affecting the main resonance mode. It is possible to suppress excitation of the magnetostatic mode.

この発明では、フェリ磁性薄膜の表面に溝を形成して、
］上述スノリアス・レスポンスとなる静磁モードの励振
のみを抑圧するようにしている。In this invention, grooves are formed on the surface of the ferrimagnetic thin film,
] Only the magnetostatic mode excitation that causes the above-mentioned snorious response is suppressed.

以下、この発明の詳細な説明する。The present invention will be described in detail below.

この発明の磁気共鳴装置では、第４図に示すように、基
板（１）の−主面（ｌａ）上にフェリ磁性層（２）を所
定パターンに形成する。フエＩＪ　ｆｆｉ性層（２）の
内部には環状の配置で溝（２ａ）を形成する。そして、
図示しないけれども、この基板（１）に垂直に磁場を印
加する。In the magnetic resonance apparatus of the present invention, as shown in FIG. 4, a ferrimagnetic layer (2) is formed in a predetermined pattern on the -main surface (la) of a substrate (1). Grooves (2a) are formed in an annular arrangement inside the ffi layer (2). and,
Although not shown, a magnetic field is applied perpendicularly to this substrate (1).

基板（１）としてはたとえばＧＧＧ基板を用いえ、この
場合、気相エピタキシャル成長によりＹＩＧ薄膜を形成
し、そののちフォト・リソグラフィ技術によりフェリ磁
性層（２）を形成しうる。もちろんバルクの材料を加工
してフェリ磁性層（２）を構成してもよい。フェリ磁性
Ｎ（２）の形状としては円形、正方形、長方形等が考え
られる。フェリ磁性層（２）の厚さは十分に小さくシ（
アスペクト・レイショが小さい）、フェリ磁性層（２）
の厚さ方向での磁界分布を一様とする。この場合、静磁
モードは（１−Ｎｈモードである。For example, a GGG substrate can be used as the substrate (1), and in this case, a YIG thin film can be formed by vapor phase epitaxial growth, and then a ferrimagnetic layer (2) can be formed by photolithography. Of course, the ferrimagnetic layer (2) may be formed by processing a bulk material. The shape of the ferrimagnetic N(2) may be circular, square, rectangular, etc. The thickness of the ferrimagnetic layer (2) is sufficiently small (
small aspect ratio), ferrimagnetic layer (2)
The magnetic field distribution in the thickness direction is made uniform. In this case, the magnetostatic mode is the (1-Nh mode).

溝（２ａ）は（１＝１）１モードの高周波磁化−がゼロ
に力る位置に同心円状に形成する。溝（２ａ）は一体に
連がっていても、不連続であってもよい。The groove (2a) is formed concentrically at a position where (1=1) one mode of high frequency magnetization is zero. The grooves (2a) may be continuous or discontinuous.

また、溝（２ａ）で囲まれる領域を第５図に示すように
外がわ領域に較べて薄くなるようにしギもよい。この場
合、溝（２ａ）に近接する内がわ領域で反磁界が持ち上
げられ、この範囲まで反磁界がほぼ一様になる。換言す
れば、第３図Ａに一点鎖線で示すように内部直流磁界が
径方向の広帥、囲にわたってほぼ一様になる。したがっ
て、主共鳴モード以外の静磁モードの励振を一層抑圧す
ることが可能となる。Furthermore, the area surrounded by the groove (2a) may be made thinner than the outer area, as shown in FIG. In this case, the demagnetizing field is lifted in the inner region close to the groove (2a), and the demagnetizing field becomes almost uniform within this range. In other words, the internal DC magnetic field is substantially uniform over a wide area in the radial direction, as shown by the dashed line in FIG. 3A. Therefore, it becomes possible to further suppress excitation of magnetostatic modes other than the main resonance mode.

このような磁気共鳴装置では、溝（２）によって磁化が
拘束（ｐｉｎ　）される。この場合、（Ｉｌｌ）１モー
ドに対しては高周波磁化がゼロになる位置に溝（２ａ）
があるため、（１，１）Ｉモードの励振は影舎を受けな
い。他方、他の静磁モードに対しては溝（２ａ）の位置
が本来高周波磁化がゼロでない位置にあるため、部分的
に磁化が拘束されることとなり、この結果、これらのモ
ードの励振が弱められることとなる。したがって、主共
鳴モードを損うことなくスゲリアス・レスデンスを抑圧
することができる。In such a magnetic resonance apparatus, magnetization is pinned by the groove (2). In this case, for the (Ill)1 mode, the groove (2a) is placed at the position where the high frequency magnetization becomes zero.
Therefore, the (1,1) I mode excitation is not affected by the shadow. On the other hand, for other magnetostatic modes, since the groove (2a) is located at a position where the high-frequency magnetization is not originally zero, the magnetization is partially restrained, and as a result, the excitation of these modes is weakened. It will be. Therefore, Sgelius resistance can be suppressed without damaging the main resonance mode.

なお、フェリ磁性層（２）における高周波磁化の分布（
第３図Ｂ参照）は試料の飽和磁化の大きさに全く依存せ
ず、しかもアスペクト・レイショにも大きく依存しない
。したがって、この発明ではフェリ磁性層（２）の飽和
磁化や膜厚などが相当にばらついても、溝（２ａ）の位
置をそれに応じて変える必要がないという利点がある。Note that the distribution of high-frequency magnetization in the ferrimagnetic layer (2) (
(see FIG. 3B) does not depend at all on the magnitude of the saturation magnetization of the sample, and also does not depend greatly on the aspect ratio. Therefore, the present invention has the advantage that even if the saturation magnetization, film thickness, etc. of the ferrimagnetic layer (2) vary considerably, there is no need to change the position of the groove (2a) accordingly.

クツグラフィ等の場合に実効がある。It is effective in cases such as footgraphy.

以下、実施例を示してこの発明の詳細な説明する。Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples.

〔実施例〕〔Example〕

ＹＩＧ薄膜から作製した膜厚２０μｍ１半径１ｍｍのＹ
ＩＧ円板に、半径０．８ｍの位置に深さ２μｍの溝を形
成し、これについてマイクロストリップ・ライ　　　　
“ンを用いてフェリ磁性共鳴の測定を行った。挿入損失
の測定結果を第６図に示す。また、無負荷Ｑ値は７７５
であった。Y with a film thickness of 20 μm and a radius of 1 mm made from a YIG thin film.
A groove with a depth of 2 μm was formed at a radius of 0.8 m on the IG disk, and a microstrip line was inserted into the groove.
The measurement results of insertion loss are shown in Figure 6.The unloaded Q value was 775.
Met.

なお、ＹＩＧ円板ではｒ／ＦＬ＝０．８の位置で（１，
１）１モードの高周波磁化がゼロになる。In addition, in the YIG disk, (1,
1) High-frequency magnetization in one mode becomes zero.

〔比較例〕[Comparative example]

〔実施例〕と同一のＹＩＧ薄膜から作製した膜厚２０μ
ｍ１半径１ｍのＹＩＧ円板（溝なし）についてマイクロ
ストリップ・ラインを用いてフェリ磁性共鳴の測定を行
った。挿入損失の測定結果を第７図に示す。また、無負
荷Ｑ値は６６０であった。Film thickness 20μ made from the same YIG thin film as [Example]
Ferrimagnetic resonance was measured using a microstrip line for a YIG disk (without grooves) with a radius of 1 m. Figure 7 shows the measurement results of insertion loss. Further, the no-load Q value was 660.

〔実施例〕および〔比較例〕の比較から理解されるよう
に、この発明では（１，１）１モード以外の静磁モード
の励振を抑えられ、スゲリアス・レスポンスを抑圧する
ことができる。また主共鳴モードを損うことがないので
無負荷Ｑ値を損うこともない。As can be understood from the comparison between the [Example] and the [Comparative Example], the present invention can suppress the excitation of magnetostatic modes other than the (1,1)1 mode, and suppress the sudden response. Furthermore, since the main resonance mode is not impaired, the no-load Q value is not impaired.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第１図はこの発明の説明に供する円形フェリ磁性薄膜に
おける静磁モードの発生の状態を示すグラフ、第２図は
同様にこの発明の説明に供する円形フェリ磁性薄膜の内
部直流磁界の分布を示すグラフ、第３図は同様にこの発
明の説明に供する円形フェリ磁性薄膜の内部直流磁界の
分布と静磁モードとの関係を示すグラフ、第４図はこの
発明を示す斜視図、第５図は同様の断面図、第６図はこ
の発明の実施例の挿入損失を示すグラフ、第７図は比較
例の挿入損失を示すグラフである。 （１）は基板、（１ａ）は基板（］、）の−主面、（２
）はフェリ磁性層、（２ａ）はフェリ磁性層（２）の溝
である。 第２図 Ｈｊ 第４図 ｎFIG. 1 is a graph showing the state of magnetostatic mode generation in a circular ferrimagnetic thin film used to explain the present invention, and FIG. 2 shows a distribution of the internal DC magnetic field of the circular ferrimagnetic thin film also used to explain the present invention. Similarly, FIG. 3 is a graph showing the relationship between the distribution of the internal DC magnetic field and the magnetostatic mode of a circular ferrimagnetic thin film, which is used to explain the present invention, FIG. 4 is a perspective view showing the present invention, and FIG. Similar sectional views, FIG. 6 is a graph showing the insertion loss of the embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a graph showing the insertion loss of the comparative example. (1) is the substrate, (1a) is the -main surface of the substrate (], ), (2
) is a ferrimagnetic layer, and (2a) is a groove in the ferrimagnetic layer (2). Figure 2Hj Figure 4n

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 基板と、この基板の一生面上に所定パターンで形成され
たフェリ磁性層と、上記基板の一生面に垂直に磁場を印
加する手段と、上記フェリ磁性層の内部に環状の配置で
形成された厚さの小さい部分とを有する磁気共鳴装置。a substrate, a ferrimagnetic layer formed in a predetermined pattern on the whole surface of the substrate, a means for applying a magnetic field perpendicular to the whole surface of the substrate, and a ferrimagnetic layer formed in an annular arrangement inside the ferrimagnetic layer. A magnetic resonance apparatus having a small thickness section.