Двухкомпонентный СВЧ датчик слабых магнитных полей

In a quasi-static approximation the analysis of a microwave sensor of weak magnetic fields on a basis of microstrip resonator, conductively connected to transmitting lines is carried out. The resonator has a strip conductor in a form of a rectangular ring and contains a thin magnetic permalloy film. In the sensor the high-frequency pumping on two frequencies matched to resonance's of the two first modes of oscillations of the resonator and a small bias constant magnetic field are used. The possibility of principle of registering not only magnitude is shown, but also a direction of a vector of a measured weak magnetic field being parallel to a plane of the sensor.

Разработка датчиков физических величин во все времена является важной и актуальной задачей как для экспериментальной физики так и для техники. В частности, датчики, чувствительные к слабым магнитным полям, находят широкое применение в геологии для разведки полезных ископаемых, в охранной сигнализации, в медицине и в различной специальной аппаратуре. Как известно, индуктивные высокочастотные датчики на основе тонких магнитных пленок (ТМП) сравнительно миниатюрны и имеют достаточно высокую чувствительность [1], однако они не технологичны в производстве.

Перспективными являются конструкции датчиков интегрального исполнения, в которых используются вместо колебательных контуров различные микрополосковые структуры на диэлектрической подложке с ТМП. Они отличаются не только технологичностью в изготовлении, но и более высокой миниатюрностью [2, 3]. Магнитная пленка в таких датчиках осаждается на нижнюю сторону диэлектрической подложки напротив микрополосковой структуры, а затем покрывается слоем меди – экраном. Магнитометр на основе микрополоскового датчика обладает "острой" диаграммой направленности и показывает высокие характеристики при регистрации слабых магнитных полей [4]. В случае необходимости измерения компонент вектора магнитного поля требуется либо вращение такого датчика, либо использование комбинации из трех соответственно ориентированных датчиков, что, очевидно, усложняет измерительную аппаратуру. Поэтому важным является поиск конструкций датчиков, способных измерять компоненты вектора регистрируемого магнитного поля.

В данной работе исследуется резонаторный микрополосковый датчик с тонкой магнитной пленкой, чувствительный к двум компонентам измеряемого магнитного поля, совпадающих с плоскостью подложки. Полосковый проводник резонатора на верхней стороне подложки имеет форму прямоугольного кольца (рис. 1), к которому кондуктивно подключены входная и выходная линии передачи. На нижней стороне подложки осаждена пермаллоевая анизотропная магнитная пленка закрытая металлическим экраном. Особенностью этой конструкция является возможность почти независимого управления резонансными частотами первой и второй моды колебания МПР в широких пределах, варьируя ширину горизонтальных w₁и вертикальных w₂ регулярных участков проводника, а также зазоров между ними S₁ и S₂.

Конструкция микрополоскового датчика и конфигурация магнитных полей в плоскости ТМП

Теоретический анализ конструкции проводился в квазистатическом приближении на модели со следующими параметрами: диэлектрическая проницаемость подложки ε=80, ее толщина h=1 мм; ширина полосковых проводников МПР w₁=w₂=2 мм; а расстояние между ними S₁=S₂=16 мм. Пермаллоевая магнитная пленка толщиной h_f=5 нм обладала одноосной магнитной анизотропией H_k=5 Э, ось легкого намагничивания которой направлена под углом 45° к полосковым проводникам МПР. При этом намагниченность насыщения пленки 4M₀=10⁴ Гс, а ширина линии ферромагнитного резонанса (ФМР) на частоте накачки 1 ГГц ΔH=3 Э. Точки кондуктивного подключения входной и выходной линий передачи к полосковому проводнику МПР, соответственно l₁=24.7 мм и l₂=9 мм, подбирались из соображения равенства ослабления сигнала на резонансных частотах обеих мод колебаний при отсутствии магнитной пленки. Конструкция датчика находится в смещающем постоянном магнитное поле H₀=6 Э, направленном вдоль вертикальных отрезков проводников МПР.

Благодаря тонкой магнитной пленке амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) микрополосковой структуры искажается под воздействием измеряемого магнитного поля H_v, направленного в модели под углом θ к оси x (см. рис. 1). Наиболее сильные изменения АЧХ наблюдаются в области резонанса первой (f₁=522 МГц) и второй (f₂=582 МГц) моды колебаний МПР. Важно отметить, что для одной моды колебаний пучности высокочастотного магнитного поля H располагаются в средней части горизонтальных отрезков регулярных полосковых проводников, а для другой – в средней части вертикальных отрезков. В результате высокочастотная накачка в рассматриваемом датчике на различных участках однородной магнитной пленки имеет два взаимно ортогональных направления линейной поляризации, совпадающей с плоскостью пленки. Очевидно, что в зависимости от ориентации магнитного момента пленки M степень поглощения СВЧ мощности ТМП может существенно отличаться на участках вертикальных и горизонтальных микрополосковых отрезков. Поэтому вблизи резонансных частот f₁ и f₂ изменение затухания прошедшего высокочастотного сигнала ΔL₁ и ΔL₂, вызванное воздействием измеряемого магнитного поля, будет различным. Другими словами, описанный микрополосковый датчик на резонансных частотах своих первых двух мод колебаний формирует два сигнала, которые содержат информацию о величине и направлении измеряемого магнитного поля.

На рис. 2 приведены зависимости изменения ослабления сигнала микрополоскового датчика от угла направления внешнего магнитного поля величиной H_v=0.1 Э, вычисленные на первой и второй резонансных частотах (кривые 1 и 2 соответственно). Видно, что в поведении кривых наблюдается существенное различие. На рис. 3 представлены также угловые зависимости, но уже отношений сигналов микрополоскового датчика, измеренных на тех же частотах. Кривые рассчитаны для трех значений величины измеряемого магнитного поля: H_v=0.1 Э (кривая 1), H_v=0.5 Э – (2) и H_v=1.0 Э – (3). Видно, что все зависимости достаточно хорошо совпадают во всем диапазоне изменения углов и, за исключением небольшого начального участка, где имеет место некоторое расхождение кривых.

На рис. 4 приведены зависимости отношений сигналов микрополоскового датчика от величины измеряемого магнитного поля, рассчитанные для трех различных углов его направления: θ=0°, θ=45° и θ=90°. Видно, что отношение сигналов даже при θ=0° достаточно слабо зависит от величины измеряемого поля, с увеличением же угла θ эта зависимость практически исчезает.

На рис. 5 приведены зависимости изменения затухания сигнала от величины измеряемого магнитного поля, вычисленные на первой резонансной частоте микрополоскового датчика также для трех углов направления H_ν. Видно, что сигнал строго линейно увеличивается с ростом магнитного поля, однако, угол наклона линейной зависимости определяется направлением измеряемого поля. Это направление нетрудно определить, как было показано выше, из отношения сигналов, измеренных на двух резонансных частотах датчика.

Таким образом, показана принципиальная возможность измерения компонент внешнего магнитного поля, совпадающих с плоскостью подложки исследованного микрополоскового датчика. Действительно, измерив величину сигналов на резонансных частотах двух мод колебаний датчика и взяв их отношение, можно определить угол θ, характеризующий направление магнитного поля относительно оси x. Тангенс этого угла очевидно равен отношению компонент измеряемого магнитного поля H^_y/H^_x. Зная угол θ, легко определить модуль магнитного поля H_ν по величине одного из измеренных сигналов.

Созданная программа анализа датчика позволяет оптимизировать микрополосковую структуру для получения максимальной чувствительности устройства к слабым магнитным полям. Проведена экспериментальная проверка, которая подтвердила полученный эффект.

Литература

1. Бабицкий А.Н., Блинников Е.П., Владимиров А.Г. и др. Тонкопленочный магнитометр для импульсной электроразведки. //Геофизическая аппаратура, в. 94, Ленинград, ”Недра”, 1991г., стр. 21-29.
2. Беляев Б.А., Тюрнев В.В. Датчик магнитного поля. Патент России № 2091808, БИ № 27,1997.
3. Беляев Б.А., Тюрнев В.В., Бутаков С.В. Микрополосковый датчик слабых магнитных полей. Решетневские чтения, Вып. 2, Красноярск 1998, с. 110-111.
4. Бабицкий А.Н., Беляев Б.А., Тюрнев В.В. Магнитометр с микрополосковым датчиком на тонкой магнитной пленке. //Тезисы докладов XVI международной школы-семинара, Москва, 1998 г., Часть 2, стр. 443-444