RU2811351C1 - Digital induction ferrometer for recording hysteresis loops of thin ferromagnetic films - Google Patents

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: intended for recording hysteresis loops of thin ferromagnetic films. At the output of the synchronous detector, between the reference and measured signals, a first-order active phase filter is installed, the input of which is connected through a reference signal amplifier to an external reference oscillator, and the output of the first-order active phase filter is connected through an amplifier to Helmholtz rings connected in series with a current-measuring resistor to input of the analog-to-digital converter, while the magnetization reversal field H is directed in the plane of the measuring table and the magnetically sensitive transducer, consisting of two coils, the windings of which are connected counter-currently and located in the same plane, and the measuring table is located above the coils of the magnetically sensitive transducer in such a way that the plane of the measuring table orthogonal to the axes of the coils of the magnetically sensitive transducer.

EFFECT: increased sensitivity.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для регистрации петель гистерезиса тонких ферромагнитных пленок.The invention relates to measuring technology and is intended for recording hysteresis loops of thin ferromagnetic films.

Известно устройство, предназначенное для регистрации петель гистерезиса тонких ферромагнитных образцов [Патент РФ, №2743340, МПК G01R 33/14, опубл. 17.02.2021, бюл. №5]. Устройство содержит формирующие переменное магнитное поле развертки кольца Гельмгольца, токоизмерительный резистор, внешний опорный генератор, магниточувствительный элемент, фильтр нижних частот, аналогово-цифровой преобразователь, полосовой фильтр и цифровой интегратор. В центре колец Гельмгольца располагается магниточувствительный преобразователь, представляющий собой две катушки, расположенные в одной плоскости таким образом, что создаваемое кольцами Гельмгольца магнитное поле H направлено строго в плоскости катушек и исследуемого образца тонкой ферромагнитной пленки. Переменное магнитное поле H вызывает перемагничивание исследуемого образца. Создаваемое тонкой ферромагнитной пленкой магнитное поле рассеяния имеет максимум абсолютного значения вертикальной составляющей в области магниточувствительного преобразователя, причем встречное включение катушек магниточувствительного преобразователя позволяет суммировать противофазный полезный сигнал, создаваемый тонкой ферромагнитной пленкой в катушках магниточувствительного преобразователя.A device is known for recording hysteresis loops of thin ferromagnetic samples [RF Patent, No. 2743340, IPC G01R 33/14, publ. 02/17/2021, bulletin. No. 5]. The device contains Helmholtz rings that form an alternating magnetic field, a current-measuring resistor, an external reference generator, a magnetically sensitive element, a low-pass filter, an analog-to-digital converter, a bandpass filter and a digital integrator. In the center of the Helmholtz rings there is a magnetically sensitive transducer, which consists of two coils located in the same plane in such a way that the magnetic field H created by the Helmholtz rings is directed strictly in the plane of the coils and the thin ferromagnetic film sample under study. An alternating magnetic field H causes magnetization reversal of the sample under study. The magnetic stray field created by the thin ferromagnetic film has a maximum absolute value of the vertical component in the region of the magnetically sensitive transducer, and the counter-connection of the coils of the magnetically sensitive transducer allows summing up the antiphase useful signal created by the thin ferromagnetic film in the coils of the magnetically sensitive transducer.

Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков является феррометр, предназначенный для определения динамических гистерезисных кривых магнитных сердечников в условиях периодического перемагничивания, в частности при подмагничивании постоянным магнитным полем [Авт. св-во СССР, №905893, МПК G01R 33/14, опубл. 15.02.1982, бюл. №6 (прототип)]. Устройство содержит магниточувствительный преобразователь, синхронный детектор, блок измерения постоянной составляющей напряжения, вход которого через синхронный детектор соединен с магниточувствительным преобразователем, последовательно соединенные внешний опорный генератор и фазовращатель, и формирователь управляющего прямоугольного напряжения, первый вход которого соединен с выходом фазовращателя, а выход с управляющим входом синхронного детектора.The closest analogue in terms of the set of essential features is a ferrometer designed to determine the dynamic hysteresis curves of magnetic cores under conditions of periodic magnetization reversal, in particular when magnetized by a constant magnetic field [Auth. St. of the USSR, No. 905893, IPC G01R 33/14, publ. 02/15/1982, bulletin. No. 6 (prototype)]. The device contains a magnetically sensitive transducer, a synchronous detector, a unit for measuring the constant voltage component, the input of which is connected through a synchronous detector to the magnetically sensitive transducer, an external reference generator and a phase shifter connected in series, and a control rectangular voltage driver, the first input of which is connected to the output of the phase shifter, and the output to the control input of the synchronous detector.

Общим недостатком конструкции прототипа и известных устройств является низкая чувствительность, обусловленная влияниями низкочастотных шумов и используемой схемой измерения.A common drawback of the prototype design and known devices is low sensitivity due to the influence of low-frequency noise and the measurement circuit used.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение чувствительности устройства для регистрации петель гистерезиса тонких ферромагнитных пленок.The technical result of the claimed invention is to increase the sensitivity of the device for recording hysteresis loops of thin ferromagnetic films.

Заявляемый технический результат достигается тем, что в цифровом индукционном феррометре для регистрации петель гистерезиса тонких ферромагнитных пленок, содержащем магниточувствительный преобразователь, синхронный детектор, блок измерения постоянной составляющей напряжения, вход которого через синхронный детектор соединен с магниточувствительным преобразователем, внешний опорный генератор, выход которого соединен с входом фазовращателя, а также с управляющим входом синхронного детектора, новым является то, что на выходе синхронного детектора, между опорным и измеряемым сигналами, установлен активный фазовый фильтр первого порядка, вход которого подключен через усилитель опорного сигнала к внешнему опорному генератору, а выход активного фазового фильтра первого порядка через усилитель соединен с кольцами Гельмгольца, подключенными последовательно с токоизмерительным резистором ко входу аналогово-цифрового преобразователя, при этом перемагничивающее поле H колец Гельмгольца направлено в плоскости измерительного столика и магниточувствительного преобразователя, состоящего из двух катушек, обмотки которых соединены встречно и расположены в одной плоскости, а измерительный столик расположен над катушками магниточувствительного преобразователя таким образом, что плоскость измерительного столика ортогональна осям катушек магниточувствительного преобразователя.The claimed technical result is achieved by the fact that in a digital induction ferrometer for recording hysteresis loops of thin ferromagnetic films, containing a magnetically sensitive transducer, a synchronous detector, a unit for measuring the constant voltage component, the input of which is connected through a synchronous detector to a magnetically sensitive transducer, an external reference generator, the output of which is connected to input of the phase shifter, as well as with the control input of the synchronous detector, what is new is that at the output of the synchronous detector, between the reference and measured signals, an active first-order phase filter is installed, the input of which is connected through a reference signal amplifier to an external reference oscillator, and the output of an active phase filter the first-order filter is connected through an amplifier to Helmholtz rings connected in series with a current-measuring resistor to the input of the analog-to-digital converter, while the magnetizing reversal field H of the Helmholtz rings is directed in the plane of the measuring stage and the magnetically sensitive transducer, consisting of two coils, the windings of which are connected counter-currently and located in one plane, and the measuring table is located above the coils of the magnetically sensitive transducer in such a way that the plane of the measuring table is orthogonal to the axes of the coils of the magnetically sensitive transducer.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается использованием в качестве фазовращателя активного фазового фильтра первого порядка, а также применением магниточувствительного преобразователя, представляющего собой две одинаковые катушки, расположенные в одной плоскости с включенными во встречном направлении обмотками.A comparative analysis with the prototype shows that the claimed device is distinguished by the use of a first-order active phase filter as a phase shifter, as well as the use of a magnetically sensitive transducer, which consists of two identical coils located in the same plane with windings connected in the opposite direction.

Таким образом, перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».Thus, the characteristics listed above that are distinctive from the prototype allow us to conclude that the proposed technical solution meets the “novelty” criterion.

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа не выявлены в других технических решениях и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».The features that distinguish the claimed technical solution from the prototype are not identified in other technical solutions and, therefore, ensure that the claimed solution meets the “inventive step” criterion.

Изобретение поясняется чертежами. На фигуре 1 изображена функциональная схема цифрового индукционного феррометра для регистрации петель гистерезиса тонких ферромагнитных пленок. На фигуре 2 показана измерительная часть устройства с образцом тонкой ферромагнитной пленки, расположенной на катушках магниточувствительного преобразователя. На фигуре 3 показаны экспериментально полученные осциллограммы сигнала восстановленного с помощью синхронного детектора, а также дифференциальная и интегральная кривые регистрируемой петли гистерезиса.The invention is illustrated by drawings. Figure 1 shows a functional diagram of a digital induction ferrometer for recording hysteresis loops of thin ferromagnetic films. Figure 2 shows the measuring part of the device with a sample of a thin ferromagnetic film located on the coils of a magnetically sensitive transducer. Figure 3 shows experimentally obtained oscillograms of the signal reconstructed using a synchronous detector, as well as the differential and integral curves of the recorded hysteresis loop.

Цифровой индукционный феррометр для регистрации петель гистерезиса тонких ферромагнитных пленок содержит (фигура 1) магниточувствительный преобразователь (1) с расположенным над катушками магниточувствительного преобразователя измерительным столиком (2) с исследуемым образцом тонкой магнитной пленки, находящиеся в центре однородного перемагничивающего поля H, между кольцами Гельмгольца (3). При этом перемагничивающее поле H направленно в плоскости образца тонкой ферромагнитной пленки. Выход магниточувствительного преобразователя (1) через дифференциальный усилитель (4) подключен к входу синхронного детектора (5). Второй (опорный) вход синхронного детектора (5) соединен с внешним опорным генератором (6). Выход внешнего опорного генератора (6), для установки разности фаз между опорным и полезным сигналами первой гармоники спектра в ноль, подключен к активному фазовому фильтру первого порядка (7). Выход активного фазового фильтра первого порядка (7) соединен с усилителем опорного сигнала (8), нагрузкой которого являются кольца Гельмгольца (3), формирующие перемагничивающее поле H. Токоизмерительный резистор (9) соединен последовательно с кольцами Гельмгольца (3) и параллельно подключен к входу аналого-цифрового преобразователя (10), предназначенного для измерения величины протекающего в кольцах Гельмгольца (3) тока, регистрируемого персональным компьютером (11).A digital induction ferrometer for recording hysteresis loops of thin ferromagnetic films contains (figure 1) a magnetically sensitive transducer (1) with a measuring table (2) located above the coils of the magnetically sensitive transducer with a sample of a thin magnetic film under study, located in the center of a uniform magnetization reversal field H, between the Helmholtz rings ( 3). In this case, the magnetization reversal field H is directed in the plane of the thin ferromagnetic film sample. The output of the magnetically sensitive transducer (1) is connected through a differential amplifier (4) to the input of the synchronous detector (5). The second (reference) input of the synchronous detector (5) is connected to an external reference oscillator (6). The output of the external reference oscillator (6), to set the phase difference between the reference and useful signals of the first harmonic of the spectrum to zero, is connected to an active first-order phase filter (7). The output of the active first-order phase filter (7) is connected to the reference signal amplifier (8), the load of which is the Helmholtz rings (3), forming the magnetization reversal field H. The current measuring resistor (9) is connected in series with the Helmholtz rings (3) and in parallel connected to the input of the analog-to-digital converter (10), designed to measure the amount of current flowing in the Helmholtz rings (3), recorded by a personal computer (11).

Цифровой индукционный феррометр для регистрации петель гистерезиса тонких ферромагнитных пленок работает следующим образом (фигура 1). Сигнал от внешнего опорного генератора (6) через активный фазовый фильтр первого порядка (7) и усилитель опорного сигнала (8) поступает в кольца Гельмгольца (3), создающие перемагничивающее поле H в области, где расположен измерительный столик (2) с исследуемым образцом тонкой ферромагнитной пленки и магниточувствительный преобразователь (1). Перед проведением измерений на синхронном детекторе (5) устанавливают разность фаз между сигналом с выхода магниточувствительного преобразователя (1) без образца тонкой ферромагнитной пленки и внешним опорным генератором (6) для первой гармоники сигнала в ноль, путем подстройки фазы активным фазовым фильтром первого порядка (7). Таким образом обеспечивается компенсация разности фаз для всех измеряемых гармоник в спектре сигнала на выходе синхронного детектора (5). Исследуемый образец тонкой ферромагнитной пленки размещают на измерительном столике (2) (фигура 2) вблизи поверхности катушек магниточувствительного преобразователя (1), который вместе с кольцами Гельмгольца (3) зафиксирован на основании (12). Под воздействием перемагничивающего поля H на исследуемый образец тонкой ферромагнитной пленки в катушках магниточувствительного преобразователя (1) создается сигнал рассогласования, регистрируемый (фиг. 1) синхронным детектором (5). Данные (фигура 1) с синхронного детектора (5) и аналого-цифрового преобразователя (10), поступают в персональный компьютер (11), где для восстановления сигнала во временной области, измеренного синхронным детектором (5), необходимо воспользоваться обратным преобразованием Фурье.A digital induction ferrometer for recording hysteresis loops of thin ferromagnetic films operates as follows (Figure 1). The signal from the external reference oscillator (6) through the active first-order phase filter (7) and the reference signal amplifier (8) enters the Helmholtz rings (3), creating a magnetization reversal field H in the area where the measuring table (2) with the thin sample under study is located ferromagnetic film and magnetically sensitive transducer (1). Before carrying out measurements on the synchronous detector (5), the phase difference is established between the signal from the output of the magnetically sensitive transducer (1) without a sample of a thin ferromagnetic film and the external reference generator (6) for the first harmonic of the signal to zero, by adjusting the phase with a first-order active phase filter (7 ). This ensures compensation of the phase difference for all measured harmonics in the signal spectrum at the output of the synchronous detector (5). The test sample of a thin ferromagnetic film is placed on the measuring table (2) (figure 2) near the surface of the coils of the magnetically sensitive transducer (1), which, together with the Helmholtz rings (3), is fixed on the base (12). Under the influence of the magnetization reversal field H on the test sample of a thin ferromagnetic film, a mismatch signal is created in the coils of the magnetically sensitive converter (1), which is recorded (Fig. 1) by a synchronous detector (5). The data (figure 1) from the synchronous detector (5) and the analog-to-digital converter (10) enters a personal computer (11), where to restore the signal in the time domain measured by the synchronous detector (5), it is necessary to use the inverse Fourier transform.

Для подтверждения заявленного технического результата был изготовлен цифровой индукционный феррометр для регистрации петель гистерезиса тонких ферромагнитных пленок. На фигуре 3 показаны восстановленный во временной области сигнал (а), измеренный синхронным детектором, дифференциальная (б) и интегральная (в) кривые регистрируемой петли гистерезиса, полученные от образца тонкой ферромагнитной пленки, состава Ni₈₀Fe₂₀ толщиной 100 Å для 120 измеренных гармоник сигнала, вдоль легкой оси намагничивания.To confirm the stated technical result, a digital induction ferrometer was manufactured to record the hysteresis loops of thin ferromagnetic films. Figure 3 shows the time domain reconstructed signal ( a ) measured by a synchronous detector, the differential ( b ) and integral ( c ) curves of the recorded hysteresis loop obtained from a sample of a thin ferromagnetic film of composition Ni ₈₀ Fe ₂₀ with a thickness of 100 Å for 120 measured harmonics signal along the easy magnetization axis.

Экспериментальные результаты, полученные с использованием заявляемого цифрового индукционного феррометра для регистрации петель гистерезиса, показывают, что по сравнению с устройством аналогичного назначения (прототип), заявляемое устройство имеет более высокую чувствительность и низкий уровень шумов.Experimental results obtained using the inventive digital induction ferrometer for recording hysteresis loops show that, compared with a device for a similar purpose (prototype), the inventive device has higher sensitivity and low noise level.

Claims (1)

Цифровой индукционный феррометр для регистрации петель гистерезиса тонких ферромагнитных пленок, содержащий магниточувствительный преобразователь, синхронный детектор, блок измерения постоянной составляющей напряжения, вход которого через синхронный детектор соединен с магниточувствительным преобразователем, внешний опорный генератор, выход которого соединен с входом фазовращателя, а также с управляющим входом синхронного детектора, отличающийся тем, что на выходе синхронного детектора, между опорным и измеряемым сигналами, установлен активный фазовый фильтр первого порядка, вход которого подключен через усилитель опорного сигнала к внешнему опорному генератору, а выход активного фазового фильтра первого порядка через усилитель соединен с кольцами Гельмгольца, подключенными последовательно с токоизмерительным резистором к входу аналогово-цифрового преобразователя, при этом перемагничивающее поле H направлено в плоскости измерительного столика и магниточувствительного преобразователя, состоящего из двух катушек, обмотки которых соединены встречно и расположены в одной плоскости, а измерительный столик расположен над катушками магниточувствительного преобразователя таким образом, что плоскость измерительного столика ортогональна осям катушек магниточувствительного преобразователя.Digital induction ferrometer for recording hysteresis loops of thin ferromagnetic films, containing a magnetically sensitive transducer, a synchronous detector, a unit for measuring the direct voltage component, the input of which is connected through a synchronous detector to a magnetically sensitive transducer, an external reference oscillator, the output of which is connected to the input of the phase shifter, as well as to the control input synchronous detector, characterized in that at the output of the synchronous detector, between the reference and measured signals, an active first-order phase filter is installed, the input of which is connected through a reference signal amplifier to an external reference oscillator, and the output of the active first-order phase filter is connected through an amplifier to Helmholtz rings , connected in series with a current-measuring resistor to the input of the analog-to-digital converter, while the magnetization reversal field H is directed in the plane of the measuring table and the magnetically sensitive transducer, consisting of two coils, the windings of which are connected counter-currently and located in the same plane, and the measuring table is located above the coils of the magnetically sensitive transducer in such a way that the plane of the measuring table is orthogonal to the axes of the coils of the magnetically sensitive transducer.