CN111624533B - 利用tmr磁传感器的磁性薄膜电调特性测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用TMR磁传感器的磁性薄膜电调特性测试系统，亥姆霍兹线圈、载物平台、磁性薄膜和TMR磁传感器，所述磁性薄膜位于TMR磁传感器上方，所述TMR磁传感器固定于载物平台上，所述载物平台两端分别设有用于提供外磁场的亥姆霍兹线圈且所述载物平台和亥姆霍兹线圈垂直设置，所述磁性薄膜与电压源连接，所述电压源用于对磁性薄膜提供加载电压，所述亥姆霍兹线圈、TMR磁传感器分别与电流源连接。本发明结构简单，测试成本低，且能对磁性薄膜进行交流和直流电场调控磁性测试。

Description

利用TMR磁传感器的磁性薄膜电调特性测试方法
技术领域
本发明涉及磁性薄膜材料的磁性测量技术领域，尤其涉及一种利用TMR磁传感器的磁性薄膜电调特性测试系统及方法。
背景技术
电场调控磁性技术具有超低功耗、高效率、易于调控等优势，其在磁传感、磁存储及微波器件等很多领域应用前景广阔。磁性薄膜的电场调控磁性主要通过由压电材料与磁性材料复合制备成的双层结构实现。当磁性薄膜被施加电场后，压电层受到电场作用会发生应变，通过压电层与磁性层之间的应变耦合传递使磁性层发生应变从而改变磁性。
磁性薄膜的电场调控磁性测试是评估薄膜磁性参数的重要手段。传统的对磁性薄膜样品的电调磁性测试方法主要有振动样品磁强计（VSM）、超导量子干涉仪（SQUID）、磁光克尔仪（MOKE）。其中VSM通过感应线圈测量样品振动过程中产生的突变或者交流磁场，来实现样品磁性的测量。由于在每一次测量中样品振动过程需要一定的时间，导致VSM的难以适用磁性的交流电场调控测试。同样，SQUID也需要测量样品在振动过程中产生的交流磁场，所以SQUID的也难以用于磁性的交流电场调控测试。MOKE可以测试磁性薄膜的磁滞回线，但其受限于原理也无法实现交流电场调控磁场测试，此外由于该方法涉及光学，对环境稳定性的要求也很高。综上所述，目前通用的磁性调控测试方法均无法实现磁性的交流电场调控测试，并且VSM、SQUID和MOKE等磁性电调测试设备价格昂贵，测试成本大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单，测试成本低，且能对磁性薄膜进行交流和直流电场调控磁性测试的利用TMR磁传感器的磁性薄膜电调特性测试系统及方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种利用TMR磁传感器的磁性薄膜电调特性测试系统，亥姆霍兹线圈、载物平台、磁性薄膜和TMR磁传感器，所述磁性薄膜位于TMR磁传感器上方，所述TMR磁传感器固定于载物平台上，所述载物平台两端分别设有用于提供外磁场的亥姆霍兹线圈且所述载物平台和亥姆霍兹线圈垂直设置，所述磁性薄膜与电压源连接，所述电压源用于对磁性薄膜提供加载电压，所述亥姆霍兹线圈、TMR磁传感器分别与电流源连接。
作为对上述技术方案的进一步改进：
所述亥姆霍兹线圈、TMR磁传感器分别与相同电流源连接；或所述亥姆霍兹线圈、TMR磁传感器分别与不同电流源连接。
所述电流源为直流/交流电流源。
所述亥姆霍兹线圈和电流源的连接电路上设有电流检测系统。
所述电流源用电压源给磁性薄膜供电，电压源提供直流/交流电压。
所述载物平台采用非磁性材料制备而成。
所述载物平台的宽度与亥姆霍兹线圈内径相匹配。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种前述的利用TMR磁传感器的磁性薄膜电调特性测试方法，包括直流电场调控磁性测试步骤或交流电场调控磁性测试步骤：
直流电场调控磁性测试步骤：用第二电流源为亥姆霍兹线圈提供直流偏置磁场，用直流电压源为磁性薄膜施加直流电场，测试磁性薄膜的直流电场调控磁特性；
交流电场调控磁性测试步骤：用第二电流源为亥姆霍兹线圈提供直流偏置磁场，交流电压源为磁性薄膜施加交流电场，测试磁性薄膜的交流电场调控磁特性。
作为对上述技术方案的进一步改进：
在进行直流电场调控磁性测试步骤或交流电场调控磁性测试步骤之前还包括以下步骤：
测试TMR磁传感器的灵敏度：开启第二电流源，对TMR磁传感器施加磁场饱和磁化TMR磁传感器，分别测试TMR磁传感器对于直流磁场和交流磁场的灵敏度；
测试亥姆霍兹线圈与电流源是否匹配：第二电流源输出幅值不变，增大第二电流源输出电流的频率并监测亥姆霍兹线圈内的电流，若亥姆霍兹线圈内电流随第二电流源输出电流的频率的变化影响测量，更换其他励磁系数的亥姆霍兹线圈；
测试TMR磁传感器频率响应：第二电流源为亥姆霍兹线圈提供交流电，监测亥姆霍兹线圈内电流保持电流幅值不变，第一电流源为TMR磁传感器提供交流电，交流电的频率为定值f，增大亥姆霍兹线圈内电流频率并保持电流幅值不变，得到TMR磁传感器随亥姆霍兹线圈内电流频率增大的输出电压，记录得到频率响应曲线。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的磁性薄膜电调特性测试系统可实现磁性薄膜的交流电调特性测试。与VSM和SQUID等只能开展直流电场调控磁性测试的仪器设备相比，本发明磁性薄膜电调特性测试系统具有可以完成直流和交流电场调控磁性测试的优点。填补了传统方法测试交流调控功能不足的短板，系统功能更加全面。
2、与传统方法VSM与SQUID等相比，本发明采用磁阻传感器（TMR磁传感器）作为测量工具，利用磁电阻传感技术检测磁场的传感器件，用亥姆霍兹线圈，电流源（直流/交流电流源）、电压源等设备自搭建测试系统，降低了测试成本。操作上相比传统方法更加简便，可灵活根据测试需要改进测试系统。效率上与SQUID相比节约测试时间，加快测试进程。
附图说明
图1是本发明亥姆霍兹线圈和载物平台的结构示意图。
图2是本发明测试系统的结构示意图。
图3是本发明的准静态测试结果。
图4是本发明的交流测试结果。
图中各标号表示：1、亥姆霍兹线圈；2、载物平台；21、接头插孔；3、电压源；4、磁性薄膜；5、TMR磁传感器；6、第一电流源；7、第二电流源。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。除非特殊说明，本发明采用的仪器或材料为市售。
如图1和2所示，本实施例提供一种利用TMR磁传感器的磁性薄膜电调特性测试系统，包括亥姆霍兹线圈1，载物平台2，给磁性薄膜4加载电压的电压源3及功放，磁性薄膜4，TMR磁传感器5，给TMR磁传感器5供电的第一电流源6和给亥姆霍兹线圈1供电的第二电流源7。
除图示中设备外，TMR磁传感器5输出采集优选使用NI公司的采集卡，优选利用可视化图形编程软件labview处理TMR磁传感器5的输出数据等。
本实施例中，亥姆霍兹线圈1需要根据磁性薄膜4选择，可以使磁性薄膜4以及TMR磁传感器5饱和磁化，但亥姆霍兹线圈1的线圈励磁系数不宜过大，否则会使线圈电感过大导致线圈与电流源电容出现阻抗不匹配的问题，电路阻抗过大导致偏置磁场无法稳定输出。优选地，在亥姆霍兹线圈1供电电路中设置电流监测系统以监测磁场输出。
TMR磁传感器5通常选用较高灵敏度（根据测试需要决定，本实施例灵敏度参考值为300mV/Oe）以配合亥姆霍兹线圈1磁场和磁性薄膜4电调磁场的变化，本实施例中采用中科院物理所生产的TMR磁传感器。TMR磁传感器5固定于载物盒（本实施例载物平台2为载物盒）底部上。TMR磁传感器5上方放置磁性薄膜4样品，以保持样品与TMR磁传感器5有较近的距离，提高测试系统的测量能力，通常采用双面胶或石蜡将样品与TMR磁传感器5固定。
TMR磁传感器5放置于亥姆霍兹线圈1的磁场均匀区内，使得TMR磁传感器5和样品感应的磁场为均匀磁场。
本实施例中，载物平台2使用非磁性材料制备而成，如塑料材料制作，不能采用金属材料，因为交流磁场下金属内部会形成涡流，也会对磁场造成衰减。
载物平台2的宽度尺寸与亥姆霍兹线圈1的内径相匹配，载物平台2外部两侧设置BNC接头（载物盒侧壁上开设有与BNC接头配合的接头插孔21），载物平台2内部导线需避免电磁耦合干扰，采用屏蔽线或者双绞线连接。本实施例中，内部导线可采用漆包线连接TMR磁传感器5供电端、输出端以及磁性薄膜4加载电压线。
本实施例中，给磁性薄膜4加载电压的电压源3及功放设置需要考虑磁性薄膜4的击穿电压，由于电压信号源的功率较低，需要用功放对电压及其功率进行放大。优选地，信号源选用Tektronix AFG3022，功放优选用HA-405高电压功放，磁性薄膜4上下表面用导电银胶连线加载电压，磁性薄膜4与TMR磁传感器5优选采用蜡固定但不限于此，TMR磁传感器5与载物平台2用双面胶固定，为TMR磁传感器5供电的第一电流源6采用直流/交流电流源。
第二电流源7提供的直流交流电流源需提供满足磁性薄膜4与TMR磁传感器5饱和磁化的线圈电流，在交流模式下的电流频率范围（根据亥姆霍兹线圈1和电流源的匹配性决定电流频率范围，通常在10Hz-50kHz范围内）应当满足测试需求。
本实施例利用TMR磁传感器5的磁性薄膜电调特性测试方法，实施步骤包括：（测试实施步骤，其中1-3步骤为测试前的准备工作，第4第5步为正式测试步骤）
1）首先测试TMR磁传感器5的灵敏度，得到磁场与TMR磁传感器5输出的关系。
具体过程为对TMR磁传感器5饱和磁化，即用较强磁场使TMR磁传感器5输出饱和，然后分别测试TMR磁传感器5对于直流磁场和交流磁场的灵敏度，在给TMR磁传感器5用第一电流源6供电时，应当先测TMR磁传感器5的电阻，然后计算TMR磁传感器5的工作电压下的供电安全电流后用第一电流源6供电；
2）测试亥姆霍兹线圈1供电第二电流源7与亥姆霍兹线圈1磁场输出的对应关系，为后续测试的磁场源做标定工作。亥姆霍兹线圈1作为磁场源，需要测试其供电的第二电流源7的电容与产生磁场的亥姆霍兹线圈1电感是否会发生谐振等阻抗不匹配的现象，如果阻抗过大还会影响高频交流磁场的测试。
测试步骤为控制第二电流源7输出幅值不变，增大输出电流的频率并监测亥姆霍兹线圈1内的电流。若亥姆霍兹线圈1内电流随着频率有很明显衰减或增大以至于影响测量，则应换合适励磁系数的亥姆霍兹线圈1。
3）测试TMR磁传感器5的频率响应曲线，为交流电场调控测试做标定工作。这一步骤主要针对磁性薄膜4的交流电调特性测试中会出现的随着频率增大，输出发生的衰减问题。
响应曲线测试步骤为：为亥姆霍兹线圈1供交流电的第二电流源7采用Keithley公司的6221直流/交流电流源，监测亥姆霍兹线圈1内电流使其幅值不变，为TMR磁传感器5供交流电的第一电流源6采用另一6221直流/交流电流源，其频率为定值f，增大亥姆霍兹线圈1电流频率并锁相（即仍旧保持电流幅值不变），得到TMR磁传感器5随着亥姆霍兹线圈1内电流率增大的输出电压，记录得到频率响应曲线。
4）准静态测试。准静态测试是磁性薄膜4直流电调特性的测试方法，准静态测试分为两部分，一是保持磁性薄膜4的直流加载电压不变，改变偏置磁场得到磁性薄膜4对磁场的准静态调控曲线。二是保持偏置磁场不变，测试不同电压下，磁性薄膜4对磁场的准静态调控曲线。
本实施例中，在开展准静态测试时由于磁场和加载电压均为直流，因此可用Keithley公司的2400电流/电压源分别给亥姆霍兹线圈1供电和磁性薄膜4加载电压，此时TMR磁传感器5供电优先使用直流电压源KEYSIGHT E3649A。
测试样品为500nmFeGaB制备在PMN-PT压电材料基底上的复合结构，测试条件是在-4kV/cm-+4kV/cm电场下，零偏置磁场传感器的输出电压结果。
5）交流测试。交流测试是磁性薄膜4交流电调特性的测试方法，给TMR磁传感器5供电的第一电流源6优选使用直流/交流电流源Keithley 6221，为亥姆霍兹线圈1供电的第二电流源7采用Keithley 6221或Keithley 2400电流源，给磁性薄膜4加载电压的电压源3优选采用交流电压信号源配合功放的形式，因为某些场合磁性电调测试中所需激励电压较大，电压源3的电压范围选用较大范围，本实施例中，信号源选用Tektronix AFG3022，功放优选用HA-405高电压功放。
测试的步骤为：采用第一电流源6给TMR磁传感器5供交流电，采用第二电流源7给亥姆霍兹线圈1供直流电提供直流偏置磁场，采用电压源3给磁性薄膜4供交流电压供电，利用采集卡读取TMR磁传感器5的输出，测试电压源3不同频率加载电压下以及不同幅值电压下的磁性薄膜4电调特性。
图4是本发明的交流测试结果，测试样品为500nm FeGaB制备在PMN-PT压电材料基底上的复合结构，测试条件是幅值为200V的交流电压加载在样品上，频率范围为100Hz-40010Hz。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种利用TMR磁传感器的磁性薄膜电调特性测试系统的测试方法，其特征在于：包括直流电场调控磁性测试步骤或交流电场调控磁性测试步骤：
直流电场调控磁性测试步骤：用第二电流源（7）为亥姆霍兹线圈（1）提供直流偏置磁场，用电压源（3）为磁性薄膜（4）施加直流电场，测试磁性薄膜（4）的直流电场调控磁特性；
交流电场调控磁性测试步骤：用第二电流源（7）为亥姆霍兹线圈（1）提供直流偏置磁场，电压源（3）为磁性薄膜（4）施加交流电场，测试磁性薄膜（4）的交流电场调控磁特性；
所述利用TMR磁传感器的磁性薄膜电调特性测试系统包括亥姆霍兹线圈（1）、载物平台（2）、磁性薄膜（4）和TMR磁传感器（5），所述磁性薄膜（4）位于TMR磁传感器（5）上方，所述TMR磁传感器（5）固定于载物平台（2）上，所述载物平台（2）两端分别设有用于提供外磁场的亥姆霍兹线圈（1）且所述载物平台（2）和亥姆霍兹线圈（1）垂直设置，所述磁性薄膜（4）与电压源（3）连接，所述电压源（3）用于对磁性薄膜（4）提供加载电压，所述亥姆霍兹线圈（1）、TMR磁传感器（5）分别与电流源连接。
2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：在进行直流电场调控磁性测试步骤或交流电场调控磁性测试步骤之前还包括以下步骤：
测试TMR磁传感器（5）的灵敏度：开启第二电流源（7），对TMR磁传感器（5）施加磁场饱和磁化TMR磁传感器（5），分别测试TMR磁传感器（5）对于直流磁场和交流磁场的灵敏度；
测试亥姆霍兹线圈（1）与电流源是否匹配：第二电流源（7）输出幅值不变，增大第二电流源（7）输出电流的频率并监测亥姆霍兹线圈（1）内的电流，若亥姆霍兹线圈（1）内电流随第二电流源（7）输出电流的频率的变化影响测量，更换其他励磁系数的亥姆霍兹线圈（1）；
测试TMR磁传感器（5）频率响应：第二电流源（7）为亥姆霍兹线圈（1）提供交流电，监测亥姆霍兹线圈（1）内电流保持电流幅值不变，第一电流源（6）为TMR磁传感器（5）提供交流电，交流电的频率为定值f，增大亥姆霍兹线圈（1）内电流频率并保持电流幅值不变，得到TMR磁传感器（5）随亥姆霍兹线圈（1）内电流频率增大的输出电压，记录得到频率响应曲线。
3.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：所述亥姆霍兹线圈（1）、TMR磁传感器（5）分别与相同电流源连接；或
所述亥姆霍兹线圈（1）、TMR磁传感器（5）分别与不同电流源连接。
4.根据权利要求3所述的测试方法，其特征在于：所述电流源为直流/交流电流源。
5.根据权利要求3所述的测试方法，其特征在于：所述亥姆霍兹线圈（1）和电流源的连接电路上设有电流检测系统。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的测试方法，其特征在于：所述电流源用电压源给磁性薄膜供电，电压源提供直流/交流电压。
7.根据权利要求3至5中任一项所述的测试方法，其特征在于：所述载物平台（2）采用非磁性材料制备而成。
8.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于：所述载物平台（2）的宽度与亥姆霍兹线圈（1）内径相匹配。
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