Pierwszenstwo: Opublikowano: 02.X.1969 (P 136 132) 29.11.1972 64432 KI 21 g, 31/02 MKP H 011,13/00 UKD BIBLIOTEKA! Wspóltwórcy wynalazku: Zenon Sczaniecki, Romuald Gontarz, Waldemar Kwiat¬ kowski, Henryk Ratajczak Wlasciciel patentu: Polska Akademia Nauk (Instytut Fizyki), Warszawa (Polska) Sposób otrzymywania liniowej charakterystyki spadku napiecia wzdluz kierunku pradu elektrycznego przeplywajacego poprzez cienkie warstwy ferromagnetyczne oraz urzadzenie do stosowania tego sposobu Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania li¬ niowej charakterystyki spadku napiecia wzdluz kierunku pradu elektrycznego przeplywajacego poprzez cienkie warstwy ferromagnetyczne wzgledem natezenia pola magnetycznego, oraz urzadzenie do stosowania tego sposobu.W jednodomenowej, o jednoosiowej anizotropii mag¬ netycznej, przewodzacej prad elektryczny o natezeniu ls cienkiej warstwie ferromagnetycznej 1 powstaje wzdluz kierunku przeplywu tego pradu spadek napiecia Ux, be¬ dacy kwadratowa funkcja natezenia pola magnetycznego H (fig. 1). Skladowa napiecia Ux, zalezna od natezenia pola magnetycznego H wyraza sie wzorem Ux Ap 1 HJbd k ls H2 w którym A9 = 911 — 91 oznacza róznice opornosci wla¬ sciwych gdy wektor namaganesowania M jest odpowied¬ nio równolegly i prostopadly do kierunku pradu Is w warstwie: Hk — pole anizotropii; 1, b i d dlugosc, sze¬ rokosc i grubosc warstwy; Is — natezenie pradu plyna¬ cego przez warstwe; H — wartosc wektora natezenia zewnetrznego pola magnetycznego, dzialajacego w kie¬ runku prostopadlym do osi latwego namagnesowania.Kwadratowy charakter zaleznosci napiecia Ux od natezenia zewnetrznego pola magnetycznego H nie poz¬ wala na wykorzystanie tego napiecia w urzadzeniach do mnozenia dwu wielkosci elektrycznych. 20 25 W znanych cienkowarstwowych ferromagnetycznych urzadzeniach do mnozenia dwu wielkosci elektrycznych, uzyteczne napiecie wyjsciowe Uy zbierane jest w kierun¬ ku prostopadlym do kierunku przeplywu pradu i dla H < Uy Ap 2Hkd Is H 30 Wystepuje tu zaleznosc liniowa Uy od pola H, ale z porównania wzorów (1) i (2) widac, ze wartosc na- 1 piecia Uy jest ~~ razy mniejsza niz wartosc napiecia Hkb Ux jakie wystepuje wzdluz kierunku przeplywu pradu I5, to tez czulosc znanych cienkowarstwowych ferromagne¬ tycznych urzadzen do mnozenia dwu wielkosci elektrycz¬ nych czesto jest niezadowalajaca. Do pomiaru stosunko¬ wo malego uzytecznego sygnalu wyjsciowego Uy trzeba stosowac czule mierniki, lub specjalne wzmacniacze.Ogranicza to znacznie mozliwosci praktycznego zastoso¬ wania tych urzadzen, zwlaszcza tam, gdzie warunki eks¬ ploatacji uniemozliwiaja uzycie czulych mierników, a sto¬ sowanie wzmacniaczy jest nieoplacalne. Ponadto przy malym sygnale wyjsciowym trudno jest ograniczyc wplyw szumów zaklócajacych, takich jak na przyklad sila ter¬ moelektryczna, napiecie kontaktowe i inne.Celem wynalazku jest otrzymanie w cienkich warst¬ wach ferromagnetycznych wzdluz kierunku przeplywu pradu spadku napiecia o duzej wartosci i liniowej zalez¬ nosci od natezenia pola magnetycznego, zas zadaniem wynalazku jest podanie sposobu zapewniajacego osiagnie- 644323 cie tego celu, oraz opracowanie odpowiedniego urzaz- dzenia do stosowania tego sposobu.Cel ten osiagnieto przez zastosowanie sposobu pole¬ gajacego na tym, ze cztery cienkie warstwy ferromagne¬ tyczne laczy sie w uklad mostkowy i ustawia tak, aby osie latwego namagnesowania tych warstw, byly wzajem- n nie równolegle i tworzyly z kierunkiem pradu katy oraz tak, aby ze wzrostem natezenia zewnetrznego pola magnetycznego katy pomiedzy wektorami namagneso¬ wania a normalnymi do kierunku pradu dla dwóch przeciwleglych, warstw wzrastaly, zas dla pozostalych dwóch warstw malaly.Do jednej przekatnej mostka doprowadza sie prad, który rozplywa sie równomiernie w obu galeziach most¬ ka, natomiast uzyteczny sygnal wyjsciowy zbiera sie z drugiej jego przekatnej. Dalej cel osiagnieto przez zbudowanie urzadzenia, w którym cztery cienkie warstwy -ferromagnetyczne bedace bokami kwadratu maja wspólne podloze i ich osie latwego namagnesowania sa wzajemnie równolegle i nachylone pod katami —_ do kierunków pradu. Elektrody pradowe do których podawany jest prad sterujacy i elektrody napieciowe z których zbierany jest sygnal wyjsciowy, lacza warstwy ferromagnetyczne tworzac uklad mostkowy. Cienkie warstwy ferromagne¬ tyczne, elektrody oraz podloze znajduja sie w obrebie oddzialywania pola magnetycznego wytworzonego przez cewke przymocowana do podloza. Zewnetrzne pole mag¬ netyczne jest wytwarzane przez prad plynacy poprzez cewke przemagnesowujaca.Stosujac sposób wedlug wynalazku otrzymujemy na przekatnej mostka uzyteczny sygnal wyjsciowy, który dla H <^ Hk wyraza sie wzorem Otrzymano wiec liniowa zaleznosc Uw od natezenia pola magnetycznego H, a ponadto z porównania wzorów (2) i (3) widac, ze wartosc sygnalu wyjsciowego Uw jest 1 — razy wieksza od sygnalu wyjsciowego w znanych urza- b dzeniach do mnozenia dwu wielkosci elektrycznych, za¬ tem urzadzenie wykorzystujace sposób wedlug wynalazku moze sluzyc jako element do mnozenia dwu wielkosci elektrycznych przy czym odznacza sie ono znacznie wiek¬ sza czuloscia.Sposób wedlug wynalazku zostanie blizej objasniony przy pomocy rysunku, na którym fig. 2 przedstawia schemat polaczenia warstw ferromagnetycznych, fig. 3 przedstawia przyklad wykonania urzadzenia, zawierajacy uklad czterech warstw ferromagnetycznych stanowiacych boki kwadratu, fig. 4 — odmiane urzadzenia z ukladem warstw ferromagnetycznych o gestym upakowaniu, fig. 5 — odmiane urzadzenia, w którym warstwy ferromagne¬ tyczne sa ustawione równolegle, a fig. 6 — odmiane urza¬ dzenia, W którym pole magnetyczne jest wytwarzane przez prad plynacy poprzez dodatkowa warstwe prze¬ wodzaca.Na fig. 2 przedstawione sa cztery cienkie warstwy fer¬ romagnetyczne la, Ib, lc, Id o szerokosci b i dlugosci 1 polaczone w uklad mostkowy. Warstawy te sa tak usy¬ tuowane, aby osie latwego namagnesowania L tych warstw, zbiezne z kierunkiem X, byly wzajemnie równo- 4 n legle i tworzyly katy — z kierunkami pradu oraz aby zewnetrzne pole magnetyczne H odchylalo wektory na¬ magnesowania M o katy a, przy czym ze wzrostem na¬ tezenia pola H katy opmiedzy normalnymi do kierunku pradu a wektorami M dla warstw la i lc maja wzrastac zas dla warstw Ib i Id malec. Prad sterujacy Is doprowa¬ dzony do jednej przekatnej mostka rozplywa sie równo- 10 miernie w obu jego galeziach, gdyz ich opornosci sa so¬ bie równe niezaleznie do wartosci pola magnetycznego H. Uzyteczny sygnal wyjsciowy Uw bedacy iloczynem natezenia pradu Is i natezenia pola, magnetycznego H zbierany jest z drugiej przekatnej mostka. 15 W urzadzeniu do stosowania sposobu wedlug wyna¬ lazku przedstawionym przykladowo na fig. 3 cztery cien¬ kie warstwy ferromagnetyczne la, Ib, lc, Id posiadaja wspólne podloze 4 najlepiej szklane i tworza boki kwa¬ dratu. Osie latwego namagnesowania tych warstw sa 20 równolegle do kierunku wskazanego przez os X. Elek¬ trody pradowe 2, do których doprowadza sie napiecie powodujace przeplyw pradu sterujacego Is, oraz elektro¬ dy napieciowe 3, z których zbiera sie uzyteczny sygnal wyjsciowy Uw lacza warstwy ferromagnetyczne tworzac 25 uklad mostkowy. Pole magnetyczne H wytwarzane w cewce 5 przez prad Im dziala w kierunku prostopadlym do osi latwego namagnesowania. Sygnal wyjsciowy Uvv jest proporcjonalny do iloczynu Is • Im, to znaczy iloczy¬ nu pradu sterujacego I3 i pradu Im wytwarzajacego pole 30 magnetyczne.Elektrody 2 i 3 mozna parami zamienic, to znaczy prad sterujacy Is mozna doprowadzic do elektrod napie¬ ciowych 3, a napiecie wyjsciowe Uw zbierac z elektrod pradowych 2. Mozliwosc takiej zmiany jest dodatkowa 35 zaleta urzadzenia.W odmianie urzadzenia przedstawionej na fig. 4 dwie pary równolaglych warstw ferromagnetycznych, posiada¬ jacych wspólne podloze 4 sa do siebie prostopadle.Jedna para cienkich warstw ferromagnetycznych,, a mia¬ nowicie para Ib, lc, polaczona z jedna elektroda napie¬ ciowa 3, ma warstwy ustawione wzgledem siebie tak, ze tworza litere „V". Druga para warstw la i Id, polaczona z druga elektroda napieciowa 3 sa ustawione tak wzgle¬ dem siebie, ze tworza odwrócona litere „V". Obie te pary warstw, zachowujac równoleglosc ramion liter „V" sa bardzo blisko siebie ustawione. Takie ustawienie warstw pozwala na lepsze wykorzystanie powierzchni podloza umozliwiajac znaczne zmniejszenie wymiarów urzadzenia. 50 W odmianie urzadzenia wedlug wynalazku przedsta¬ wionej na fig. 5 cztery warstwy ferromagnetyczne la, Ib, lc, Id sa wzajemnie równolegle i tak polaczone w uklad mostkowy, ze prad sterujacy Is w warstwach la i Id ma kierunek przeciwny do kierunku pradu w warst¬ wach Ib i lc. Osie latwego namagnesowania tych warstw sa równolegle do kierunku osi X. Prad Im plynacy po¬ przez przeciwnie nawiniete sekcje cewki 5 wytwarza pole magnetyczne H o przeciwnych zwrotach w obu sekcjach cewki. Tak wiec spelniony jest warunek podany w sposo- 60 — bie wedlug wynalazku, aby wektory namagnesowania M na skutek dzialania zewnetrznego pola magnetycznego H odchylaly sie w kierunkach przeciwnych dla kazdej pary warstw przeciwleglych mostka. Uzyteczne napiecie wyjs- 65 ciowe Uw proporcjonalne do iloczynu Is • Im zbierane64432 jest z elektrod napieciowych 3. Odmiana urzadzenia przedstawiona na fig. 5 umozliwia dalsza jego miniatury¬ zacje.W odmianie urzadzenia przedstawionej na fig. 6 pole magnetyczne H wytwarzane jest za pomoca dodatkowej warstwy przewodzacej 6, przez która przeplywa prad Im doprowadzony do elektrod 8. Warstwa ta jest odizolo¬ wana od warstw ferromagnetycznych la, Ib, lc, Id warstwa izolacyjna 7 najlepiej SiO. Osie latwego na¬ magnesowania warstw ferromagnetycznych sa równolegle do kierunku wyznaczonego przez os X. Na elektrodach napieciowych 3 powstaje napiecie wyjsciowe Uw bedace funkcja iloczynu Is * Im. Równiez w tym rozwiazaniu elektrody 2 i 3 mozna polaczyc zamiennie.W podanych przykladowo urzadzeniach wedlug wyna¬ lazku cienkie warstwy ferromagnetyczne moga byc poje¬ dyncze lub tez wielokrotne, prady lub napiecia podlegaja¬ ce mnozeniu moga byc stale lub przemienne, oraz moga byc równiez stosowane pola podmagnesowujace zmienia¬ jace anizotropie warstw.Zastosowanie sposobu otrzymywania liniowej charak¬ terystyki spadku napiecia wzdluz kierunku przeplywu pradu w cienkich warstwach ferromagnetycznych umozli¬ wia zbudowanie urzadzen do mnozenia dwu wielkosci elektrycznych, przy czym urzadzenia te charakteryzuja sie znaczna czuloscia, co daje wiele mozliwosci ich praktycznego zastosowania. PL