WO2023228930A1 - 透磁率計測用プローブ及びそれを用いた透磁率計測装置 - Google Patents

透磁率計測用プローブ及びそれを用いた透磁率計測装置 Download PDF

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WO2023228930A1
WO2023228930A1 PCT/JP2023/019074 JP2023019074W WO2023228930A1 WO 2023228930 A1 WO2023228930 A1 WO 2023228930A1 JP 2023019074 W JP2023019074 W JP 2023019074W WO 2023228930 A1 WO2023228930 A1 WO 2023228930A1
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WO
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strip conductor
length
probe according
width direction
probe
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Application number
PCT/JP2023/019074
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English (en)
French (fr)
Inventor
薮上信
沖田和彦
佳是 渡辺
Original Assignee
国立大学法人東北大学
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/12—Measuring magnetic properties of articles or specimens of solids or fluids

Definitions

  • the present invention relates to a probe for measuring the magnetic permeability of a magnetic material and a magnetic permeability measuring device using the probe.
  • Patent Documents 1 to 4 disclose a probe and a magnetic permeability measuring device for measuring the magnetic permeability of a magnetic material, particularly a film-like magnetic material, which have been developed by the inventors of the present application.
  • the probe has a structure in which a dielectric layer is sandwiched between a strip conductor to which a high-frequency carrier signal is energized and a ground conductor, and the magnetic material to be measured is brought into contact with the conductor, and the permeability coefficient S21 of the magnetic material to be measured is measured. By measuring, the magnetic permeability of the magnetic material is determined.
  • the required magnetic permeability is the complex magnetic permeability ⁇ expressed by the following equation (1), where ⁇ ′ is the real part of the complex magnetic permeability ⁇ , and ⁇ ′′ is the imaginary part of the complex magnetic permeability ⁇ .
  • the real part ⁇ ' of the complex magnetic permeability ⁇ corresponds to the inductance component L of the magnetic material, and the imaginary part ⁇ '' of the complex magnetic permeability ⁇ is the loss (resistance component) of the magnetic material.
  • FIG. 17 is a diagram schematically showing a magnetic field region excited by a magnetic body to be measured, particularly a magnetic body having a larger area than the width of a strip conductor.
  • the magnetic body 1 to be measured is excited by a high-frequency carrier signal (current) flowing through the strip conductor 2 of the probe that comes into contact with it, but according to the electromagnetic field analysis of the inventor, the strip conductor 2 is relatively thin and magnetic.
  • the width of the strip conductor 2 is relatively small compared to the width of the magnetic body 1, the whole of the magnetic body 1 is not excited, but only a local area near the contact area with the strip conductor 2 is excited, which increases the permeability. It was found that an error occurred in the measurement of magnetic flux.
  • FIG. 18 is a graph showing a measurement example in which an error occurs in the imaginary part of magnetic permeability due to the influence of a demagnetizing field.
  • Figure 18(a) shows the measured values by a probe equipped with a microstrip line of a long and thin conductor and the measured value by the Nicolson-Ross-Weir (NRW) method, which is a standard permeability measurement method that is not affected by demagnetizing fields.
  • the value of the imaginary part ⁇ '' of the complex magnetic permeability ⁇ is shown, and
  • FIG. 18(b) shows the value of the real part ⁇ ′ of the complex magnetic permeability ⁇ .
  • the magnetic material to be measured is a NiZn ferrite thin film (3 mm x 1 mm x 100 ⁇ m thick), and as shown in FIG.
  • the imaginary part ⁇ ' of the complex magnetic permeability ⁇ is The resonant frequency at ' is shifted to the high frequency side by about 7 GHz, causing a large error in the measured value.
  • the measured value of the real part ⁇ ' of the complex magnetic permeability ⁇ shown in FIG. 18(b) appears to be roughly in line with the measured value of the NRW method; The change point should have moved to the higher frequency side, and it may be buried in noise and become difficult to observe.
  • the magnetic permeability of the film-like magnetic material which is the sample to be measured, is often measured using the NRW method, which is considered a standard measurement method, but it requires precision processing of the sample into a donut shape. In addition, it is necessary to install it on the coaxial tube with precise positional accuracy, which is technically difficult and time-consuming.
  • the inventors of the present application attempted measurements by expanding the width of the strip conductor and increasing the distance between the strip conductor and the sample, but none of them worked.
  • the width of the strip conductor was widened, the current was biased in the width direction (outer circumference) of the conductor due to the skin effect, making it difficult to measure properly.
  • an object of the present invention is to provide a magnetic permeability measurement probe capable of measuring magnetic permeability with high precision even in a magnetic material having a wider area than the width of a strip conductor, and a magnetic permeability measurement probe using the probe.
  • the goal is to provide equipment.
  • the magnetic permeability measurement probe of the present invention is a probe for measuring the magnetic permeability of a magnetic material, and includes a strip conductor formed on the surface of a dielectric substrate, and a strip conductor formed on the surface of a dielectric substrate.
  • a transmission line body having a ground conductor formed on the front or back surface of a substrate; a first connector connected to one end of each of the strip conductor and the ground conductor; and a first connector connected to the other end of each of the strip conductor and the ground conductor.
  • the strip conductor has a first length portion including a portion connected to the first connector at one end side and a portion connected to the second connector at the other end. and a third length extending between the first length and the second length, the third length comprising a current It is characterized by having bias suppression means.
  • the current bias suppressing means in the strip conductor of the transmission line body, the current bias in the conductor width direction due to the skin effect is suppressed, and the influence of the demagnetizing field is reduced.
  • Magnetic permeability especially the imaginary part of complex magnetic permeability
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration example of a magnetic permeability measuring device according to an embodiment of the present invention. It is a figure showing the 1st example of composition of the probe in the 1st embodiment of the present invention. It is a figure showing the pattern of the strip conductor which constitutes a probe.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing a magnetic field region excited in a magnetic body 1 to be measured by a wide strip conductor 11 provided with a slit 17 in the first embodiment of the present invention. It is a figure which shows the modification of the pattern of the strip conductor in a probe. It is a figure showing the 2nd example of composition of a probe in a 1st embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the shape of a magnetic thin film as a magnetic substance to be measured. It is a graph of the measurement result of the magnetic permeability by the magnetic permeability measuring device using the probe in embodiment of this invention.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing a magnetic field region excited in a magnetic substance to be measured when using a conventional probe. It is a graph showing an example of measurement in which an error occurs in the imaginary part of magnetic permeability due to the influence of a demagnetizing field.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration example of a magnetic permeability measuring device in an embodiment of the present invention.
  • the magnetic permeability measuring device includes a probe 10, a network analyzer (signal measuring instrument) 20, and an arithmetic processing device (for example, a computer device such as a personal computer) 30 (processing means) that executes numerical analysis processing. It consists of
  • the magnetic material 1 to be measured is, for example, a film-like magnetic material with a film thickness of about 100 ⁇ m.
  • the probe 10 is placed in contact with or close to the magnetic body 1 and is connected to the network analyzer 20 via the non-magnetic coaxial cable 3 .
  • the network analyzer 20 measures the permeability coefficient S21 of the magnetic material 1 to be measured, imports the signal data into the control personal computer 30, and calculates the complex permeability of the magnetic material through predetermined numerical analysis processing (for example, optimization processing). demand. Further, in order to magnetically saturate the magnetic body 1, for example, a magnet (magnetic field applying section) consisting of a double yoke type electromagnet 40 is used.
  • FIG. 2 is a diagram showing a first configuration example of a probe according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a diagram showing a pattern of strip conductors constituting the probe.
  • the probe 10 is electrically connected to a transmission line body 14 constituting a microstrip line in which a dielectric substrate 13 is sandwiched between a strip conductor 11 and a ground conductor 12, and to both longitudinal ends of the transmission line body 14.
  • the connectors 15 and 16 are configured to include connectors 15 and 16.
  • the transmission line body 14 includes a dielectric substrate 13 , a band-shaped strip conductor 11 formed on the surface of the dielectric substrate 13 , and a ground conductor 12 formed on the back surface of the dielectric substrate 13 .
  • a 50 ⁇ coaxial cable 3 is connected to the connectors 15 and 16, and connected to a network analyzer 20.
  • the transmission line body 14 is fabricated, for example, by etching a printed circuit board made of fluororesin (for example, polytetrafluoroethylene (PTFE)).
  • fluororesin for example, polytetrafluoroethylene (PTFE)
  • the strip conductor 11 has a first length portion 11a including a portion connected to the connector 15 at one end in the length direction, and a second length portion 11b including a portion connected to the connector 16 at the other end in the length direction. and a third length portion 11c extending between the first length portion 11a and the second length portion 11b, and the third length portion 11c has at least one length extending in the length direction. It has two slits 17.
  • the strip conductor 11 is formed to be relatively wide (for example, 1.2 mm wide) in accordance with the length in the width direction of the magnetic body 1 to be measured, and is designed to have a dimension that is greater than the length in the width direction of the magnetic body 1 to be measured. Ru. By forming the strip conductor 11 relatively wide, it is possible to bring the entire surface of the magnetic body 1 to be measured into contact with the third length portion 11c of the strip conductor 11.
  • the slit 17 is an elongated gap region extending along the length direction of the strip conductor 11 to the third length portion 11c.
  • one wide strip conductor portion is divided into a plurality of thin strip conductor portions 18 extending in parallel, so that current flows uniformly through each of the thin strip conductor portions 18 divided by the slit 17. I can do it.
  • a plurality of slits 17 are formed extending parallel to each other in the length direction.
  • the width h of each elongated strip conductor portion 18 through which a uniform current can flow is determined based on the skin depth representing the skin effect of the strip conductor 11 (skin depth (The depth may be determined by approximate calculation).
  • the width s and the number of slits 17 are determined based on the relationship between the width w of the third length portion 11c and the width h of the elongated strip conductor portion 18.
  • the width dimension s of the slit 17 can be made shorter, a larger number of slits 17 can be formed, and a larger number of elongated strip conductor sections 18 can be formed. In the region of the third length portion 11c of the conductor 11, the current distribution in the width direction can be made more uniform.
  • the width s of the slit 17 and the width h of the elongated strip conductor portion 18 of the present invention are approximately 0.1 ⁇ m to 100 ⁇ m, preferably 1 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the width of the slit 17 and the width of the elongated strip conductor portion 18 may be the same or may be different as described below.
  • the narrower the slit width the more uniform current and excitation becomes possible even in a high frequency band.
  • the preparation method includes known methods such as sputtering and electrodeposition (electrodeposition).
  • the width dimension s of the slits 17 is the same and the arrangement intervals are also mutually equal, and the width dimension h of the elongated strip conductor portions 18 is also the same and the arrangement intervals are the same. also shows an even composition.
  • the width h of the elongated strip conductor portion 18 corresponds to the spacing between the slits 17
  • the width s of the slit 17 corresponds to the spacing between the elongated strip conductors 18 .
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing a magnetic field region excited in the magnetic body 1 to be measured by the wide strip conductor 11 provided with the slit 17 in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a modified example of the pattern of the strip conductor 11 in the probe.
  • the first length portion 11a and the second length portion 11b of the strip conductor 11 are narrower than the third length portion 11c, and the first length portion 11b is narrower than the third length portion 11c.
  • the portion 11a and the second length portion 11b may have widths that are connectable to the connectors 15 and 16, respectively.
  • the third length portion 11c tapers on both sides and narrows down to the width dimension of the first length portion 11a and the second length portion 11b.
  • a pattern that tapers from the width of the third length portion 11c is illustrated, but a pattern that tapers at a right angle or a pattern that tapers smoothly with a curve may also be used.
  • the third length portion 11c may be wider than the first length portion 11a and the second length portion 11b, and may be entirely circular.
  • FIG. 5(b) shows a pattern in which the slits 17 are arranged at different intervals in the width direction. Specifically, the plurality of slits 17 are arranged at different intervals so that the elongated strip conductor portions 18 are arranged more sparsely from both ends toward the center in the width direction. In this case, the width h of the elongated strip conductor portion 18 increases from both ends toward the center.
  • the width dimension s of each slit 17 is the same.
  • the elongated strip conductor portion 18 is arranged so that a larger current flows near the center according to the current distribution.
  • the width h of the plurality of elongated strip portions 18 separated by the slits 17 is set to increase, for example, by a natural logarithm e times from both ends toward the center.
  • the multiple value may be 2 to 3 times the natural logarithm e.
  • FIG. 5(c) shows a pattern in which the width dimension s of the slit 17 is varied in the width direction.
  • the width dimensions s of the plurality of slits 17 are formed to be different from each other so that the elongated strip conductor portions 18 are arranged more sparsely from both ends toward the center in the width direction. will be placed.
  • the width dimension s of the slit 17 becomes wider from both ends toward the center.
  • the width dimension h of each elongated strip conductor portion 18 is the same.
  • the bias in the current distribution can be corrected and a more uniform current distribution can be achieved. can do.
  • a pattern may be used in which the slits 17 have different widths s and the slits 17 are arranged at different intervals (corresponding to the width h of the elongated strip conductor portion 18).
  • the pattern of the slits 17 does not have to be limited to a rectangular shape as described above. It may be of any shape, such as a long and narrow oval. Any shape may be used as long as a large current is not biased toward both ends of the conductor in the width direction.
  • FIG. 6 is a diagram showing a second configuration example of the probe in the embodiment of the present invention.
  • the transmission line body 14 constitutes a coplanar line
  • the probe 10 has a band-shaped strip formed on the surface of the dielectric substrate 13. It has a structure including a conductor 11 and two ground conductors 12 arranged at intervals on both sides of the strip conductor 11 on the same surface.
  • the probe 10 includes a transmission line body 14 constituting a coplanar line, and connectors 15 and 16 electrically connected to both longitudinal ends of the transmission line body 14, respectively.
  • the transmission line body 14 is not limited to the illustrated microstrip line or coplanar line, but may have other transmission line structures.
  • FIG. 7 is a diagram showing a pattern of strip conductors constituting a probe according to a second embodiment of the present invention.
  • the difference from the probe 10 in the first embodiment is that instead of providing a slit 17 in the third length portion of the strip conductor 11 as a current deviation suppressing means, or in addition to the slit 17, a different electric resistance is provided. It is made up of conductors made of multiple materials that have different values.
  • the strip conductor 11 is constructed with conductors 11-1 made of a material with a high electrical resistance value at both ends in the width direction, and the center portion
  • the strip conductor 11 is made of a conductor 11-2 made of a material with a low electric resistance value.
  • the conductor may be made of two or more materials, and one material may be the same as that used for the first length portion and the second length portion.
  • a conductor 11-3 made of a material having an electrical resistance value is arranged.
  • the strips made of different materials may be in close contact with each other, or may be spaced apart by providing slits as in the first embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram showing a pattern of strip conductors constituting a probe according to a third embodiment of the present invention.
  • the difference from the probe 10 in the first embodiment is that the third length portion of the strip conductor 11 is provided with a current deviation suppressing means instead of the slit 17 or in addition to the slit 17.
  • a conductor 11-4 having higher conductivity than the strip conductor is laminated on top of the strip conductor.
  • the upper surface of the laminated strip conductor is preferably formed to be flat.
  • the original strip conductor is formed so that the center part is thinner. Alternatively, the center part is removed after forming the strip conductor.
  • the magnetic material 1 to be measured is often flat, In that case, if the strip conductor is not horizontal, it will be difficult to place the object to be measured horizontally. However, depending on the sample to be measured, it may be provided by being directly stacked on the strip conductor.
  • the conductor 11-4 which has higher conductivity than the strip conductor, is provided in the center of the strip conductor, a large current is not biased toward both ends of the conductor in the width direction.
  • the conductor 11-4 having high conductivity may have a plurality of conductors having higher conductivity stacked toward the center.
  • any known method may be used to provide the conductor 11-4 with high electrical conductivity, such as applying silver paste, etc., forming it by sputtering, or depositing it by electrodeposition. Any method may be used.
  • FIG. 9 is a diagram showing a pattern of strip conductors constituting a probe according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 9(a) shows an example of a configuration in which the slit 17 is not provided and the thickness of the strip conductor is varied
  • FIG. 9(b) is an example of a configuration in which the slit 17 is provided and the thickness of the strip conductor is varied.
  • grooves with different depths are formed in the dielectric substrate 13 so that the upper surface of the strip conductor is flat.
  • the conductor is embedded. This is because the magnetic body 1 to be measured is often flat, and in that case, if the strip conductor is not horizontal, it will be difficult to place the measurement target horizontally.
  • a thicker film may be provided on the planar dielectric substrate 13.
  • the film thickness at the center of the strip conductor is thicker and becomes thinner towards both ends in the width direction, so current flows more easily in the center part where the electrical resistance is lower. There is no bias.
  • FIG. 10 is a diagram showing a pattern of strip conductors constituting a probe according to a fifth embodiment of the present invention.
  • the difference from the probe 10 in the first embodiment is that the third length portion of the strip conductor 11 is provided with a central portion as a current bias suppressing means so that the conductivity of the central portion of the strip conductor 11 is high.
  • the material 11-5 is doped with a substance 11-5 that improves conductivity.
  • a similar effect can be obtained by doping the conductor near both ends in the width direction with a substance 11-5 that lowers the conductivity to increase the electrical resistance at both ends in the width direction.
  • Embodiments of the present invention are not limited to those described above, and any configuration is possible as long as a large amount of current flows through the central portion.
  • FIG. 11 is a flowchart showing the procedure of the magnetic permeability measurement method according to the embodiment of the present invention.
  • the transmission line body 14 of the probe 10 is brought into contact with the magnetic body 1 to be measured (S100). Then, it is placed into the pole gap of the double yoke type electromagnet 40, a strong DC magnetic field (for example, about 20 kOe) is applied to saturate the magnetic body 1, and calibration is performed using the network analyzer 20 (S102). By doing so, the electrical length of the probe 10 and the coaxial cable 3, the DC impedance of the magnetic material, non-magnetic signals, etc. are removed. Thereafter, the DC magnetic field is released and the permeability coefficient S21 of the contribution of the magnetic body 1 is measured (S104). The permeability coefficient S21 is converted into the impedance Z of the magnetic body 1 using the following equation (2) (S106).
  • the network analyzer 20 measures the permeability coefficient S 21 depending on the presence or absence of a magnetic field for saturating the magnetic body 1 .
  • the time when the probe 10 is brought into contact with the magnetic body 1 and the magnetic body 1 is saturated by the electromagnet is taken as the background, and the permeability coefficient at this time is taken as the reference signal.
  • the permeability coefficient is measured when the magnetic field of the electromagnet is removed.
  • the permeability coefficient at this time is a difference signal from the reference signal, that is, a difference value between the permeability coefficients both with and without a magnetic field, and this reflects the magnetic properties of the magnetic body 1.
  • This difference value of the permeability coefficient becomes an impedance component due to the contribution of the magnetic body 1.
  • impedance Z is a difference value of permeability coefficients
  • the real part is the loss (resistance component) R of the magnetic body 1
  • the imaginary part is the inductance component L of the magnetic body 1.
  • the inductance component L corresponds to the real part ⁇ ′ of the magnetic permeability of the magnetic body 1
  • the resistance component R corresponds to the imaginary part ⁇ ′′ of the magnetic permeability of the magnetic body 1.
  • the magnetic permeability (complex magnetic permeability) ⁇ of the magnetic body 1 is expressed by the following equation (3). Note that equation (3) is the same as equation (1) in the background art section above.
  • FIG. 12 is a diagram schematically showing the shape of a magnetic thin film as a magnetic substance to be measured.
  • the higher the frequency the more the current flows only on the surface of the magnetic material (magnetic thin film) 1 due to the skin effect.
  • ⁇ ' and ⁇ '' are repeatedly calculated by the Newton-Raphson method, and the complex magnetic permeability is determined by optimization processing so that a predetermined evaluation function value is minimized (S108).
  • Z is impedance
  • ⁇ resistivity
  • l sample length
  • w sample width
  • t film thickness
  • f frequency
  • ⁇ complex permeability
  • FIG. 13 is a graph of magnetic permeability measurement results by a magnetic permeability measuring device using a probe according to an embodiment of the present invention.
  • the sample to be measured was a NiZn ferrite thin film (3 mm x 1 mm x 100 ⁇ m thick), and the measured values were compared with those measured by the NRW method, which is a standard permeability measurement method that is not affected by a demagnetizing field.
  • the transmission line body 14 provided with the slit 17 the microstrip line shown in FIG. 2 was used.
  • the measured value of magnetic permeability measured using the probe according to the embodiment of the present invention almost corresponds to the measured value using the NRW method, and the influence of the demagnetizing field can be suppressed, and the complex permeability value measured using the probe in the embodiment of the present invention can be suppressed over the entire frequency band up to the high frequency band.
  • FIG. 14 is a diagram showing a modification of the strip conductor 11 constituting the probe in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 14(a) shows a pattern of the strip conductor 11 similar to that in FIG. 5(a)
  • FIG. 14(b) is an enlarged view of a portion A surrounded by a dotted line in FIG. 14(a).
  • the third length portion 11c is wider in the width direction than the first length portion 11a and the second length portion 11b
  • the third length portion 11c is wider than the first length portion 11a and the second length portion 11b.
  • a plurality of slits 17 are provided in parallel and in parallel across the width direction of the slit 11c.
  • the lengths of the plurality of slits 17 in the longitudinal direction are the same.
  • the third length portion 11c is formed in a tapered shape such that an edge portion (width direction edge portion) 11e extending in the width direction is tapered toward both ends in the width direction.
  • the distance d extending in the length direction from the lengthwise end 17e of each slit to the widthwise edge 11e of the third length portion 11c becomes shorter from the center portion in the widthwise direction toward both ends. Designed to be.
  • the first slits 17-1 are relatively located at both ends in the width direction, and the first slits 17-1 are located closer to the center in the width direction than the first slits 17-1.
  • the first slit 17-2 extends in the length direction from the lengthwise end 17-1e of the first slit 17-1 to the widthwise edge 11e of the third length portion 11c.
  • the distance d1 is shorter than the second distance d2 extending in the length direction from the lengthwise end 17-2e of the second slit 17-2 to the widthwise edge 11e of the third length portion 11c.
  • the flow path of the current flowing through the strip conductor 11 becomes narrower toward both ends, thereby increasing the electrical resistance at both ends. It is possible to suppress the unevenness of the flowing current and to make the current flow more uniformly throughout the strip conductor 11. Note that the shorter the length of the narrowest interval d (first interval d1), the better; however, due to constraints on design and manufacturing accuracy of microfabrication technology, it is preferable to set it to about 2 to 10 um, for example. preferable.
  • FIG. 15 is a diagram showing another modification of the strip conductor 11 that constitutes the probe in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 15(a) shows a pattern of the strip conductor 11, and
  • FIG. 15(b) is an enlarged view of a portion B surrounded by a dotted line in FIG. 15(a).
  • the third length portion 11c is wider in the width direction than the first length portion 11a and the second length portion 11b, and the third length portion 11c is wider than the first length portion 11a and the second length portion 11b.
  • a plurality of slits 17 are provided in parallel and in parallel across the width direction of the slit 11c.
  • the plurality of slits 17 have different lengths, and are designed to be longer toward both ends in the width direction.
  • the third length portion 11c is formed in such a shape that its width direction edge portion 11e rises at right angles from the band-shaped first length portion 11a and second length portion 11b toward both ends in the width direction,
  • the third length portion 11c has an overall rectangular shape.
  • the first slits 17-1 located at both ends relatively in the width direction, and the first slits 17-1 from the first slit 17-1.
  • the length is from the lengthwise end 17-1e of the first slit 17-1 to the widthwise edge 11e of the third length portion 11c.
  • the first interval d1 extending in the direction is the second interval d1 extending in the longitudinal direction from the longitudinal end 17-2e of the second slit 17-2 to the widthwise edge 11e of the third length portion 11c.
  • the distance is designed to be shorter than the distance d2.
  • the conductor width (between the slits and the outermost conductor width) becomes narrower from the center toward both ends in order to make it difficult for the current to flow toward both ends.
  • the position and width of the slit may be adjusted.
  • the 14 and 15 also have the slits 17 arranged at different intervals in the center and both ends in FIG. 5(b), and the width s of the slits 17 in the width direction as shown in FIG.
  • the effect may be further enhanced by combining different shapes at the center and at both ends.
  • the effect may be further enhanced by combining with the modified examples shown in FIGS. 14 and 15.
  • FIG. 16 is a diagram showing the measurement results of the current density flowing through the strip conductor 11, and shows the third length portion 11c (upper half) of the strip conductor 11 shown in FIGS. 16(a), (b), and (c).
  • Figure 16(d) shows the current density at each position in the width direction in the three shape patterns (shape only).
  • the three shape patterns shown in FIGS. 16(a), (b), and (c) have a length of 1.2 mm in the third length portion 11c, a length of 1 mm in the slit 17, and a length in the width direction
  • upper half Fig. 16(a) is a pattern in which a tapered portion is not provided on the widthwise edge 11e, and Fig.
  • FIG. 16(b) is a pattern in which the widthwise edge 11e tapers from a rising position of 1.6mm.
  • FIG. 16(c) is a pattern in which a tapered portion is formed from a position of 0.8 mm.
  • the longer the tapered part is provided and the longer the length thereof, that is, the shorter the interval d from the center part in the width direction toward both ends the more
  • the bias (concentration) of the current toward the end portions in the width direction was suppressed, making it clear that this is an effective means for making the current density more uniform.

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Abstract

磁性体の透磁率、特に、複素透磁率の虚数部を高精度に計測することができる透磁率計測用プローブを提供する。磁性体の透磁率を計測するためのプローブは、誘電体基板の表面に形成された帯状のストリップ導体と、当該誘電体基板の表面または裏面に形成された地導体とを有する伝送線路体と、前記ストリップ導体及び前記地導体それぞれの一端に接続する第１のコネクタと、前記ストリップ導体及び前記地導体それぞれの他端に接続する第２のコネクタとを備え、前記ストリップ導体は、一端側で前記第１のコネクタと接続する部位を含む第１の長さ部分と、他端で前記第２のコネクタと接続する部位を含む第２の長さ部分と、前記第１の長さ部分と前記第２の長さ部分との間にわたって延びる第３の長さ部分とにより構成され、前記第３の長さ部分は、電流偏り抑制手段を有する。

Description

透磁率計測用プローブ及びそれを用いた透磁率計測装置
本発明は、磁性体の透磁率を計測するためのプローブ及びそれを用いた透磁率計測装置に関する。
現在、携帯電話や無線通信などGHz帯を利用する高周波アプリケーションの普及が進んでいる。そして、それらの構成部品のさらなる小型化・高集積化に有用な高周波磁性体が切望されており、特に、回路で使用される磁性体材料でも高い透磁率を有する磁性薄膜は必須となっている。同時に、高周波透磁率評価方法確立は必須のものになっている。
本願発明者らは、これまで、試料の加工などの手間の要らない透磁率の計測装置を開発してきた。特許文献１乃至４は、本願発明者らが開発してきた、磁性体、特に膜状磁性体の透磁率を計測するためのプローブ及び透磁率計測装置について開示されている。プローブは、高周波キャリア信号が通電されるストリップ導体と地導体とによって誘電体層を挟んだ構造を有し、計測対象の磁性体を導体に接触させ、計測対象の磁性体の透過係数Ｓ２１を計測することで、磁性体の透磁率を求める。
　求められる透磁率は、以下の（１）式で表される複素透磁率μであって、μ'は複素透磁率μの実数部、μ''は複素透磁率μの虚数部である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　複素透磁率μの実数部μ'は、磁性体のインダクタンス成分Ｌに対応し、複素透磁率μの虚数部μ''は磁性体の損失分（抵抗成分）である。
特開２０１０－０６０３６７号公報 特開２０１２－０３２１６５号公報 特開２０１５－１７２４９７号公報 特開２０１６－０５３５６９号公報
図１７は、計測対象の磁性体、特に、ストリップ導体の幅に比して広い面積を有する磁性体に励磁される磁界領域を模式的に示す図である。計測対象の磁性体１は、それに接触するプローブのストリップ導体２に流れる高周波キャリア信号（電流）により励磁されるが、本願発明者の電磁界解析によれば、ストリップ導体２が比較的細く、磁性体１の幅に対してストリップ導体２の幅が比較的小さい場合、磁性体１の全体が励磁されずに、ストリップ導体２との接触領域付近の局所的な領域のみが励磁されることで透磁率の計測誤差が生じることが判明した。
磁性体が局所的に励磁される場合、磁性体の内部において、局所的に発生した磁界の外側に反磁界が発生するため、その反磁界の影響により、励磁された磁界の磁束を打ち消す作用が生じ、それにより、計測対象の磁性体の実際の透磁率に誤差が生じる。より具体的には、上記（１）式における複素透磁率μの虚数部μ''における共鳴周波数がずれ、透磁率を高精度に計測できない場合がある。図１８は、反磁界の影響により透磁率の虚数部に誤差が生じた計測例を示すグラフである。細長導体のマイクロストリップ線路を備えたプローブによる計測値と反磁界の影響がない標準的な透磁率計測方法であるＮｉｃｏｌｓｏｎ－Ｒｏｓｓ－Ｗｅｉｒ（ＮＲＷ）法による計測値を示し、図１８（ａ）は複素透磁率μの虚数部μ''の値を示し、図１８（ｂ）は複素透磁率μの実数部μ'の値を示す。計測対象の磁性体は、ＮｉＺｎフェライト薄膜（３ｍｍ×１ｍｍ×厚さ１００μｍ）であり、図１８（ａ）に示すように、ＮＲＷ法による計測値に対して、複素透磁率μの虚数部μ''における共鳴周波数が７ＧＨｚほど高周波数側にずれ、計測値に大きな誤差が生じている。なお、図１８（ｂ）に示される複素透磁率μの実数部μ'の計測値は、概ね、ＮＲＷ法の計測値に沿った値が計測されているようにみえるが、本来は、同じように高周波数側に変化点が移動しているはずであり、ノイズに埋もれて観測しづらくなっている可能性がある。
計測対象試料である膜状磁性体の透磁率評価は、標準的な測定方法とされるＮＲＷ法等を用いて測定されることが多いが、試料をドーナツ状に精密に加工する必要があることと、同軸管に精密な位置精度で設置すること等が必要で、技術的な難易度や手間の負担が大きい。一方、ストリップ導体を有するマイクロストリップ線路等の信号伝送線路を用いて評価する場合には、上述のように、ストリップ導体の幅に比して広い面積を有する磁性体を計測する際には、磁性体の反磁界により局所的な磁界印加が強いられ、強磁性共鳴周波数のシフト、透磁率等の低下が起こり、材料固有の透磁率を正確に計測することが困難である。
本願発明者らは、ストリップ導体の幅を拡張する、ストリップ導体と試料までの距離を広げるなどして計測を試みたが、いずれもうまくいかなかった。特に、ストリップ導体の幅を広げたとき、表皮効果による導体幅方向（外周）への電流の偏りが生じ計測がうまくできなかった。
したがって、本発明の目的は、ストリップ導体の幅に比して広い面積を有する磁性体であっても透磁率を高精度に計測することができる透磁率計測用プローブ及びそれを用いた透磁率計測装置を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明の透磁率計測用プローブは、磁性体の透磁率を計測するためのプローブであって、誘電体基板の表面に形成された帯状のストリップ導体と、当該誘電体基板の表面または裏面に形成された地導体とを有する伝送線路体と、前記ストリップ導体及び前記地導体それぞれの一端に接続する第１のコネクタと、前記ストリップ導体及び前記地導体それぞれの他端に接続する第２のコネクタとを備え、前記ストリップ導体は、一端側で前記第１のコネクタと接続する部位を含む第１の長さ部分と、他端で前記第２のコネクタと接続する部位を含む第２の長さ部分と、前記第１の長さ部分と前記第２の長さ部分との間にわたって延びる第３の長さ部分とにより構成され、前記第３の長さ部分は、電流偏り抑制手段を有することを特徴とする。
本発明によれば、伝送線路体のストリップ導体に電流偏り抑制手段を設けることで、表皮効果による導体幅方向への電流の偏りを抑制し、反磁界の影響を低減することにより、磁性体の透磁率（特に複素透磁率の虚数部）を高精度に計測することができる。
本発明の実施の形態における透磁率計測装置の概略構成例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態におけるプローブの第１の構成例を示す図である。 プローブを構成するストリップ導体のパターンを示す図である。 本発明の第１の実施の形態におけるスリット１７が設けられた幅広のストリップ導体１１により計測対象の磁性体１に励磁される磁界領域を模式的に示す図である。 プローブにおけるストリップ導体のパターンの変形例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態におけるプローブの第２の構成例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態におけるストリップ導体を示す図である。 本発明の第３の実施の形態におけるストリップ導体を示す図である。 本発明の第４の実施の形態におけるストリップ導体を示す図である。 本発明の第５の実施の形態におけるストリップ導体を示す図である。 本発明の実施の形態における透磁率計測方法の手順を示すフローチャートである。 計測対象の磁性体としての磁性薄膜の形状を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態におけるプローブを用いた透磁率計測装置による透磁率の計測結果のグラフである。 本発明の第１の実施の形態におけるプローブを構成するストリップ導体１１の変形例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態におけるプローブを構成するストリップ導体１１の別の変形例を示す図である。 ストリップ導体１１に流れる電流密度の測定結果を示す図である。 従来プローブを用いた際の計測対象の磁性体に励磁される磁界領域を模式的に示す図である。 反磁界の影響により透磁率の虚数部に誤差が生じた計測例を示すグラフである。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
図１は、本発明の実施の形態における透磁率計測装置の概略構成例を示す図である。本発明の実施の形態の透磁率計測装置は、プローブ１０、ネットワークアナライザ（信号計測器）２０および数値解析処理を実行する演算処理装置（例えばパソコンのようなコンピュータ装置）３０（処理手段）を備えて構成される。
計測対象の磁性体１は、例えば膜厚１００μｍ程度の膜状磁性体である。プローブ１０は、磁性体１に接触又は近接するように配置され、非磁性同軸ケーブル３を介してネットワークアナライザ２０に接続する。ネットワークアナライザ２０により、計測対象の磁性体１の透過係数Ｓ２１を測定し、その信号データを制御用パソコン３０に取り込み、所定の数値解析処理（例えば最適化処理）により磁性体の複素透磁率を求める。また、磁性体１を磁気的に飽和させるために例えば、ダブルヨーク型電磁石４０からなる磁石（磁界印加部）が用いられる。
図２は、本発明の第１の実施の形態におけるプローブの第１の構成例を示す図であり、図３はプローブを構成するストリップ導体のパターンを示す図である。
プローブ１０は、ストリップ導体１１と地導体１２により誘電体基板１３を挟んだ構造であるマイクロストリップ線路を構成する伝送線路体１４と、伝送線路体１４の長さ方向の両端とそれぞれ電気的に接続するコネクタ１５、１６とを備えて構成される。伝送線路体１４は、誘電体基板１３と、その表面に形成された帯状のストリップ導体１１と、誘電体基板１３の裏面に形成された地導体１２とを備えて構成される。コネクタ１５、１６には５０Ωの同軸ケーブル３が接続され、ネットワークアナライザ２０と接続する。伝送線路体１４は、例えばフッ素樹脂製（例えばポリテトラフルオロエチレン（PTFE)製）のプリント基板をエッチング加工して作製される。
ストリップ導体１１は、その長さ方向一端側でコネクタ１５と接続する部位を含む第１の長さ部分１１ａと、長さ方向他端でコネクタ１６と接続する部位を含む第２の長さ部分１１ｂと、第１の長さ部分１１ａと第２の長さ部分１１ｂとの間にわたって延びる第３の長さ部分１１ｃとにより構成され、第３の長さ部分１１ｃは、長さ方向に延びる少なくとも一つのスリット１７を有する。
ストリップ導体１１は、計測対象の磁性体１の幅方向長さに合わせて比較的幅広（例えば１．２ｍｍ幅）に形成され、計測対象の磁性体１の幅方向長さ以上の寸法に設計される。ストリップ導体１１を比較的幅広に形成することで、計測対象の磁性体１の表面全体をストリップ導体１１の第３の長さ部分１１ｃに接触させることが可能となる。
一方で、ストリップ導体１１を比較的幅広に設計した場合、ストリップ導体１１に流れる高周波キャリア信号（電流）は、そのほとんどがストリップ導体１１の幅方向の両端（左右端）領域を流れ、その間の中央部分にはほとんど流れないことが判明しており、そこで、本発明では、幅広のストリップ導体１１の幅方向全域にわたって高周波キャリア信号（電流）がほぼ均一に流れるように、電流偏り抑制手段としてのスリット１７が設けられる。
スリット１７は、ストリップ導体１１の長さ方向に沿って第３の長さ部分１１ｃの領域に延びる細長の隙間領域であって、スリット１７を設けることで、ストリップ導体１１の第３の長さ部分１１ｃの領域は、１本の幅広ストリップ導体部分を並列に延びる複数本の細長ストリップ導体部分１８に分割し、スリット１７で分割された細長ストリップ導体部分１８それぞれに電流が均一に流れるようにすることができる。好ましくは、複数のスリット１７が、長さ方向に互いに平行に延びて形成される。
高周波電流における導体の表皮効果を考慮して、それぞれに均一な電流を流すことができる各細長ストリップ導体部分１８の幅寸法ｈをストリップ導体１１の表皮効果を表す表皮深さに基づいて求める（表皮深さは近似計算により求めてもよい）。スリット１７の幅寸法ｓと本数は、第３の長さ部分１１ｃの幅寸法ｗと、細長ストリップ導体部分１８の幅寸法ｈとの関係において決定される。製造技術の範囲内において、スリット１７の幅寸法ｓをより短くし、より多くの複数本のスリット１７を形成し、また、より多くの複数本の細長ストリップ導体部分１８を形成することで、ストリップ導体１１の第３の長さ部分１１ｃの領域において、幅方向における電流分布をより均一なものとすることができる。
本発明のスリット１７の幅ｓ、細長ストリップ導体部分１８の幅ｈは約０．１μｍ～１００μｍ、好ましくは、１μｍ～１０μｍの幅とするのがより好ましい。スリット１７の幅、細長ストリップ導体部分１８の幅は、同じでも良いし後述のように異なっていてもよい。スリット幅が細いほど、高周波帯でも、より均一性の高い電流および励磁が可能となる。作成手法は、公知の手法、例えば、スパッタ、電析（電着）などが挙げられる。
図２及び図３に示すストリップ導体１１のパターンでは、スリット１７の幅寸法ｓは同一でその配置間隔も互いに等間隔に配置され、さらに、細長ストリップ導体部分１８の幅寸法ｈも同一及び配置間隔も均等な構成を示す。細長ストリップ導体部分１８の幅寸法ｈは、スリット１７の間隔寸法に相当し、また、スリット１７の幅ｓは、細長ストリップ導体１８の間隔寸法に相当する。
図４は、本発明の第１の実施の形態におけるスリット１７が設けられた幅広のストリップ導体１１により計測対象の磁性体１に励磁される磁界領域を模式的に示す図である。ストリップ導体１１（磁性体１が接触する第３の長さ部分１１ｃ）を、計測対象の磁性体１の大きさに対応するように幅広に形成し、かつ上述のスリット１７を設けることで、表皮効果による導体幅方向への電流の偏りを抑制し、ストリップ導体１１（磁性体１が接触する第３の長さ部分１１ｃ）全体に均一な電流が流れるようになるため、計測対象の磁性体１は局所的に励磁されることはなく、その全体が励磁される。これにより、計測対象の磁性体１が広い面積を持つものであっても、反磁界の影響を低減するができ、計測対象の磁性体の透磁率を高精度に計測することができる。
図５は、プローブにおけるストリップ導体１１のパターンの変形例を示す模式図である。図５（ａ）に示す例は、ストリップ導体１１の第１の長さ部分１１ａ及び第２の長さ部分１１ｂが、第３の長さ部分１１ｃより幅狭寸法であり、第１の長さ部分１１ａ及び第２の長さ部分１１ｂは、それぞれコネクタ１５、１６と接続可能な幅寸法であればよい。第３の長さ部分１１ｃは、両側でテーパー状に細くなり、第１の長さ部分１１ａ及び第２の長さ部分１１ｂの幅寸法まで絞られる。図５（ａ）では、第３の長さ部分１１ｃの幅寸法からテーパー状に細くなるパターンが例示されるが、直角に折れ曲がって細くなるパターンでも、曲線で滑らかに接続してもよい。なお、第３の長さの部分１１ｃは第１の長さ部分１１a、第２の長さ部分１１ｂより、幅広寸法であればよく、全体が円形であってもよい。
図５（ｂ）に示す例は、スリット１７の配置間隔を互いに幅方向に異ならせたパターンを示す。具体的には、細長ストリップ導体部分１８が、幅方向における両端側から中央に向かってより粗に配置されるように、複数のスリット１７は、互いに間隔を異ならせて配置される。この場合、細長ストリップ導体部分１８の幅寸法ｈが両端側から中央付近に向かって広くなっていく。各スリット１７の幅寸法ｓは同一である。
上述したとおり、幅広導体では、その幅方向の両端により大きい電流が流れ、中央付近の電流は小さいため、その電流分布に応じて、中央付近により大きい電流が流れるように、細長ストリップ導体部分１８を両端側と比較して中央部分ほど粗とし、細長ストリップ導体部分１８の幅寸法ｈを両端側は細くし、中央部分ほどより広くするように形成することで、電流分布の偏りを補正し、より均一な電流分布とすることができる。
本願発明者のシミュレーション解析によると、電流分布は、幅広導体の両端から中央付近に向けて指数関数的に減少する、具体的に１／ｅ（自然対数）に従って減少することが明らかとなった。したがって、スリット１７で隔てられる複数の細長ストリップ部分１８の幅寸法ｈは、両端側から中央付近に向かって、例えば、自然対数ｅ倍ずつ広くなるように設定されるのが好ましい。倍数値は、自然対数ｅに近い２～３倍の値でもよい。
　　図５（ｃ）に示す例は、スリット１７の幅寸法ｓを幅方向に異ならせたパターンを示す。図５（ｂ）と同様に、細長ストリップ導体部分１８が、幅方向における両端側から中央に向かってより粗に配置されるように、複数のスリット１７の幅寸法ｓが互いに異なるサイズで形成されて配置される。この場合、スリット１７の幅寸法ｓが両端側から中央付近に向かって広くなっていく。各細長ストリップ導体部分１８の幅寸法ｈは同一である。
図５（ｃ）のパターン例においても、細長ストリップ導体部分１８を両端側と比較して中央部分ほど粗となるように配置することで、電流分布の偏りを補正し、より均一な電流分布とすることができる。
また、スリット１７の幅寸法ｓが互いに異なるサイズであってかつスリット１７の配置間隔（細長ストリップ導体部分１８の幅寸法ｈに相当）も互いに異なるように配置されるパターンでもよい。
また、スリット１７のパターンは、前述の説明のような、長方形に限られたものでなくてもよい。長細い楕円形など、どのような形状であってもよい。電流が導体の幅方向の両端に大きい電流が偏らないようにすれば、どのよう形状であってもよい。
図６は、本発明の実施の形態におけるプローブの第２の構成例を示す図である。第２の構成例におけるプローブ１０は、第１の構成例におけるプローブと比較して、伝送線路体１４がコプレーナ線路を構成するものであって、誘電体基板１３の表面に形成された帯状のストリップ導体１１と、その同一面において、ストリップ導体１１の両側で間隔をあけて配置される２本の地導体１２を備える構造を有する。プローブ１０は、そのコプレーナ線路を構成する伝送線路体１４と、その伝送線路体１４の長さ方向の両端とそれぞれ電気的に接続するコネクタ１５、１６とを備えて構成される。伝送線路体１４のストリップ導体１１のパターンは、図３又は図５に示されたパターンと同様のパターンが適用可能である。伝送線路体１４は、例示したマイクロストリップ線路やコプレーナ線路に限らず、他の伝送線路構造でもよい。
次に、本発明の第２の実施の形態におけるプローブの構成例を示す。図７は本発明の第２の実施の形態のプローブを構成するストリップ導体のパターンを示す図である。
第１の実施の形態におけるプローブ１０との相違点は、ストリップ導体１１の第３の長さ部分に、電流偏り抑制手段として、スリット１７を設ける代わりに若しくはスリット１７に追加して、異なる電気抵抗値を有する複数の材質の導体から構成されたものである。
このとき、電流が導体の幅方向の両端に大きい電流が偏らないようにするために、幅方向の両端に電気抵抗値の高い材質からなる導体１１－１でストリップ導体１１を構成し、中央部分には、電気抵抗値の低い材質からなる導体１１－２でストリップ導体１１を構成する。導体の材質は２つ以上であればよく、一つの材質は、第１の長さ部分、第２の長さ部分に用いているものと同じ材質の導体を用いてもよい。図７の例は、導体の材質が３つの例であり、電気抵抗値の高い材質からなる導体１１－１と電気抵抗値の低い材質からなる導体１１－２との間に、両者の中間の電気抵抗値を有する材質からなる導体１１－３が配置される。
また、異なる材質のストリップは、密着していてもよいし、第１の実施形態のようなスリットを設ける形で、離間していてもよい。
このように、異なる電気抵抗値を有する複数の材質の導体を用いることで、ストリップ導体の幅広部分の幅方向の両端に大きい電流が偏らないため、広い面積を有する試料であっても、精度よく計測が可能になる。
次に、本発明の第３の実施の形態におけるプローブの構成例を示す。図８は本発明の第３の実施の形態のプローブを構成するストリップ導体のパターンを示す図である。
第１の実施の形態におけるプローブ１０との相違点は、ストリップ導体１１の第３の長さ部分に、電流偏り抑制手段として、スリット１７の代わりに若しくはスリット１７に追加して、ストリップ導体の中央部上に、ストリップ導体より導電率の高い導体１１－４を積層するように設けて構成されたものである。
図８に示すように、ストリップ導体上に、導電率の高い導体１１－４を積層する場合、積層後のストリップ導体の上面は、平坦になるように形成するのが好ましい。（元の、ストリップ導体を中央部が薄くなるように形成する。もしくは、ストリップ導体を形成後、中央部を取り除く等行う。）これは、計測対象の磁性体１が平面であることが多く、その場合、ストリップ導体上が水平でないと、測定対象を水平に載置するのが難しくなるためである。ただし、測定対象試料によっては、ストリップ導体上にそのまま積層して設けてもよい。
ストリップ導体の中央部分に、ストリップ導体より導電率の高い導体１１－４が設けられているため、電流が導体の幅方向の両端に大きい電流が偏ることがない。
導電率の高い導体１１－４は中央に向かって、より導電率の高い導体を複数積層させてもよい。
ここではストリップ導体１１の中央部分にストリップ導体１１より導電率の高い導体１１－４を塗布する例について記載したが、ストリップ導体１１の幅方向の両端にストリップ導体より導電率の低い導体を設けることでも同様の効果を得ることができる。
なお、導電率の高い導体１１－４を設ける方法は、公知の手段であればどのようなものを用いてもよく、銀ペースト等を塗布するもの、スパッタで形成するもの、電析して析出させるものどのような手法を用いてもよい。
このように、ストリップ導体上に、異なる導電率を有する導体を設けることで、ストリップ導体の幅広部分の幅方向の両端に大きい電流が偏らないため、広い面積を有する試料であっても、精度よく計測が可能になる。
次に、本発明の第４の実施の形態におけるプローブの構成例を示す。図９は本発明の第４の実施の形態のプローブを構成するストリップ導体のパターンを示す図である。
第１の実施の形態におけるプローブ１０との相違点は、ストリップ導体１１の第３の長さ部分に、電流偏り抑制手段として、スリット１７の代わりに若しくはスリット１７に追加して、ストリップ導体の中央部の膜厚を厚くし、幅方向の両端に向かって薄くなるように構成されたものである。図９（ａ）はスリット１７を設けずにストリップ導体の膜厚を異ならせた構成例、図９（ｂ）はスリット１７を設けてストリップ導体の膜厚を異ならせた構成例を示す。
図９（ａ）、（ｂ）に示すように、膜厚を厚くする場合、ストリップ導体の上面は、平坦になるように、誘電体基板１３に深さの異なる溝を形成してそこにストリップ導体を埋め込み形成するのが好ましい。これは、計測対象の磁性体１が平面であることが多く、その場合、ストリップ導体上が水平でないと、測定対象を水平に載置するのが難しくなるためである。ただし、測定対象試料によっては、平面状の誘電体基板１３上に膜厚を厚くして設けてもよい。
ストリップ導体の中央部分の膜厚が厚く、幅方向の両端に向かって薄くなっているため、電気抵抗の低い中央部分に電流が流れやすくなるため、電流が導体の幅方向の両端に大きい電流が偏ることがない。
図９（ｂ）に示すように、ストリップ導体の中央部分の膜厚を両端よりも厚くする構成にスリット１７を設けた構成を組み合わせると、より効果的である。
このように、ストリップ導体上に、異なる導電率を有する導体を設けることで、ストリップ導体の幅広部分の幅方向の両端に大きい電流が偏らないため、広い面積を有する試料であっても、精度よく計測が可能になる。
次に、本発明の第５の実施の形態におけるプローブの構成例を示す。図１０は本発明の第５の実施の形態のプローブを構成するストリップ導体のパターンを示す図である。
第１の実施の形態におけるプローブ１０との相違点は、ストリップ導体１１の第３の長さ部分に、電流偏り抑制手段として、ストリップ導体１１の中央部の導電率が高くなるように、中央部分に導電率を向上させる物質１１－５をドープして構成されたものである。
ストリップ導体１１の中央部分の導電率が高いため、電気抵抗の低い中央部分に電流が流れやすくなるため、電流が導体の幅方向の両端に大きい電流が偏ることがない。
導体の幅方向の両端付近に導電率を低下させる物質１１－５をドープし、幅方向の両端の電気抵抗を高めることでも同様の効果が得られる。
このように、ストリップ導体上に、各種ドープを行うことで、ストリップ導体の幅広部分の幅方向の両端に大きい電流が偏らないため、広い面積を有する試料であっても、精度よく計測が可能になる。
本発明の実施形態は、前述に限られず、中央部分に電流が多く流れる構成であればどのようなものでも可能である。
上記本発明のプローブ１０を備えた透磁率計測装置による計測手順について、以下に説明する。
図１１は、本発明の実施の形態における透磁率計測方法の手順を示すフローチャートである。計測対象の磁性体１にプローブ１０の伝送線路体１４を接触させる（Ｓ１００)。そして、ダブルヨーク型電磁石４０のポールギャップの中に入れ、強い直流磁界（例えば２０ｋＯｅ程度)を印加し、磁性体１を飽和させ、ネットワークアナライザ２０でキャリブレーションする（Ｓ１０２)。そうすることで、プローブ１０及び同軸ケーブル３の電気長、磁性体の直流的なインピーダンス、非磁性信号等を除去する。その後、直流磁界を解除して磁性体１の寄与分の透過係数Ｓ２１を測定する（Ｓ１０４)。以下の（２）式により、透過係数Ｓ２１は磁性体１のインピーダンスＺに変換される（Ｓ１０６)。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
具体的には、磁性体１を飽和させるための磁界の有無による透過係数Ｓ２１をネットワークアナライザ２０で測定する。プローブ１０を磁性体１に接触させ、電磁石により磁性体１を飽和させたときをバックグラウンドとし、このときの透過係数を基準信号とする。次に、電磁石の磁界を除いたときの透過係数を測定する。このときの透過係数は、基準信号との差分信号すなわち磁界の有り無し両方の透過係数の差分値であり、これは、磁性体１の磁気特性が反映されたものである。この透過係数の差分値は、磁性体１の寄与によるインピーダンス成分となる。
（２）式によれば、インピーダンスＺは、透過係数の差分値であって、実数部が磁性体１の損失分（抵抗成分）Ｒ、虚数部が磁性体１のインダクタンス成分Ｌとなる。インダクタンス成分Ｌは、磁性体１の透磁率の実数部μ'に対応し、抵抗分Ｒは、磁性体１の透磁率の虚数部μ''に対応する。なお、磁性体１の透磁率（複素透磁率）μは、以下（３）式で表される。なお、（３）式は上記背景技術の項目の（１）式と同一である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
図１２は、計測対象の磁性体としての磁性薄膜の形状を模式的に示す図である。ストリップ導体１１に流れる電流に対して、周波数が高くなるほど表皮効果により磁性体（磁性薄膜）１の表面にのみ電流が流れるようになる。図１２のように膜厚方向へ電流が表皮効果で偏ることでインピーダンスＺが決定されることを仮定し、数値解析処理として、例えば、上記（３）式及び以下の（４）式と（５）式を用いて、Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ法によりμ'及びμ''を繰り返し計算により求め、所定の評価関数値が最小になるように複素透磁率を最適化処理により求める（Ｓ１０８)。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
ただし、Ｚはインピーダンス、ρは抵抗率、ｌは試料長さ、ｗは試料幅、ｔは膜厚、ｆは周波数、μは複素透磁率である。
図１３は、本発明の実施の形態におけるプローブを用いた透磁率計測装置による透磁率の計測結果のグラフである。計測対象の試料は、ＮｉＺｎフェライト薄膜（３ｍｍ×１ｍｍ×厚さ１００μｍ）であり、反磁界の影響がない標準的な透磁率計測方法であるＮＲＷ法による計測値と比較した。スリット１７が設けられた伝送線路体１４は、図２に示したマイクロストリップ線路を用いた。本発明の実施の形態におけるプローブを用いて計測された透磁率の計測値は、ＮＲＷ法による計測値とほぼ対応し、反磁界による影響を抑制でき、高周波帯域までの全周波数帯域にわたって、複素透磁率（μ=μ'-jμ''）の実数部μ'及び虚数部μ''ともに高い精度で計測できる結果が得られた。
　図１４は、本発明の第１の実施の形態におけるプローブを構成するストリップ導体１１の変形例を示す図である。図１４（ａ）は、図５（ａ）と同様のストリップ導体１１のパターンを示し、図１４（ｂ）は図１４（ａ）の点線囲み部Ａの拡大図である。図１４に示すストリップ導体１１は、その第３の長さ部分１１ｃが第１の長さ部分１１ａ及び第２の長さ部分１１ｂよりも幅方向に幅広寸法であって、第３の長さ部分１１ｃにその幅方向にわたって複数のスリット１７が並列且つ平行に設けられる。好ましくは、複数のスリット１７の長さ方向の長さは同一である。
　第３の長さ部分１１ｃは、その幅方向に延びる縁部（幅方向縁部）１１ｅが幅方向の両端側に向かって細くなるように傾斜したテーパー状に形成される。これにより、各スリットの長さ方向の端部１７eから第３の長さ部分１１ｃの幅方向縁部１１ｅまで長さ方向に延びる間隔ｄが、幅方向における中央部分から両端側に向かって短くなるように設計される。
　より具体的には、図１４（ｂ）に示すように、幅方向において相対的に両端側にある第１のスリット１７－１と、当該第１のスリット１７－１よりも幅方向において中央側の第２のスリット１７－２について、第１のスリット１７－１の長さ方向の端部１７－１ｅから第３の長さ部分１１ｃの幅方向縁部１１ｅまで長さ方向に延びる第１の間隔ｄ１は、第２のスリット１７－２の長さ方向の端部１７－２ｅから第３の長さ部分１１ｃの幅方向縁部１１ｅまで長さ方向に延びる第２の間隔ｄ２より短くなるよう設計される。ストリップ導体１１の幅方向において、両端側ほど間隔ｄを小さくすることで、ストリップ導体１１に流れる電流の流路を両端側ほど狭くすることで、両端側での電気抵抗が増大し、両端側に流れる電流の偏りを抑制し、ストリップ導体１１全体により均一な電流を流すことができる。
　なお、最も狭い間隔ｄ（第１の間隔ｄ１）の長さは短いほど良いが、設計および微細加工技術の作製精度上の制約などから、例えば、２ ～１０ um程度となるようにするのが好ましい。
　図１５は、本発明の第１の実施の形態におけるプローブを構成するストリップ導体１１の別の変形例を示す図である。図１５（ａ）は、ストリップ導体１１のパターンを示し、図１５（ｂ）は図１５（ａ）の点線囲み部Ｂの拡大図である。図１５に示すストリップ導体１１は、その第３の長さ部分１１ｃが第１の長さ部分１１ａ及び第２の長さ部分１１ｂよりも幅方向に幅広寸法であって、第３の長さ部分１１ｃにその幅方向にわたって複数のスリット１７が並列且つ平行に設けられる。複数のスリット１７の長さ方向の長さは異なり、幅方向における両端側ほど長くなるように設計される。
　第３の長さ部分１１ｃは、その幅方向縁部１１ｅが帯状の第１の長さ部分１１ａ及び第２の長さ部分１１ｂから幅方向の両端側に向かって直角に立ち上がる形状に形成され、第三の長さ部分１１ｃは全体として長方形状となる。これにより、複数のスリット１７の長さが異なることから、各スリットの長さ方向の端部１７eから第３の長さ部分１１ｃの幅方向縁部１１ｅまで長さ方向に延びる間隔ｄが、幅方向における中央部分から両端側に向かって短くなり、かつ端部ほど導体幅が狭くなることで、端部への表皮効果が抑制されるように設計される。
　より具体的には、図１５（ｂ）において、図１４（ｂ）と同様に、幅方向において相対的に両端側にある第１のスリット１７－１と、当該第１のスリット１７－１よりも幅方向において中央側の第２のスリット１７－２について、第１のスリット１７－１の長さ方向の端部１７－１ｅから第３の長さ部分１１ｃの幅方向縁部１１ｅまで長さ方向に延びる第１の間隔ｄ１は、第２のスリット１７－２の長さ方向の端部１７－２ｅから第３の長さ部分１１ｃの幅方向縁部１１ｅまで長さ方向に延びる第２の間隔ｄ２より短くなるよう設計される。ストリップ導体１１の幅方向において、両端側ほど間隔ｄを小さくすることで、ストリップ導体１１に流れる電流の流路を両端側ほど狭くすることで、両端側での電気抵抗が増大し、両端側に流れる電流の偏りを抑制し、ストリップ導体１１全体により均一な電流を流すことができる。なお、図１５に示される例において、好ましくは、両端側への電流を流れにくくするために、中央部分から両端部に向かうに従って導体幅（スリット間及び最も外側の導体幅）が狭くなるようにスリットの位置や幅が調整されてもよい。
　また、図１４、図１５の変形例も図５（ｂ）のスリット１７の配置間隔を中央と、両端側とで異ならせたものや、図５（ｃ）スリット１７の幅寸法ｓを幅方向に中央と、両端側とで異ならせたものと組み合わせてより効果を高めてもよい。また、スリットに限らず、図９（ａ）、（ｂ）の膜厚を厚くする中央と、両端側とで異ならせたものでも、図１０の導電率を中央と、両端側とで異ならせたものでも、図１４、図１５の変形例と組み合わせてより効果が高めてもよい。
　図１６は、ストリップ導体１１に流れる電流密度の測定結果を示す図であって、図１６（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に示すストリップ導体１１の第３の長さ部分１１ｃ（上半分の形状のみ）の３つの形状パターンにおける幅方向の各位置における電流密度が図１６（ｄ）に示される。図１６（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に示される３つの形状パターンは、第３の長さ部分１１ｃの長さ１．２ｍｍ、スリット１７の長さ１ｍｍ、幅方向長さ（上半分のみ）２ｍｍである点は共通し、図１６（ａ）は幅方向縁部１１ｅにテーパー部が設けられないパターン、図１６（ｂ）は幅方向縁部１１ｅの立ち上がり１．６ｍｍの位置からテーパー部が形成されるパターン、図１６（ｃ）は立ち上がり０．８ｍｍの位置からテーパー部が形成されるパターンである。そして、図１６（ｄ）のグラフに示されるように、テーパー部が設けられ且つその長さが長くなるほど、すなわち、間隔ｄが、幅方向における中央部分から両端側に向かってより短くなると、端部での電流密度はより小さくなる結果となり、幅方向の端部への電流の偏り（集中）が抑制され、電流密度をより均一化させる手段として有効であることが明らかとなった。
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の分野における通常の知識を有する者であれば想到し得る各種変形、修正を含む要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても、本発明に含まれることは勿論である。
１：磁性体、３：同軸ケーブル、１０：プローブ、１１：ストリップ導体、１２：地導体、１３：誘電体基板、１４：伝送線路体、１５：コネクタ、１６：コネクタ、１７：スリット（電流偏り抑制手段）、１８：細長ストリップ導体部分、２０：ネットワークアナライザ（信号計測器）、３０：演算処理装置、４０：ダブルヨーク型電磁石

 

Claims (20)

  1. 　磁性体の透磁率を計測するためのプローブであって、
    　誘電体基板の表面に形成された帯状のストリップ導体と、当該誘電体基板の表面または裏面に形成された地導体とを有する伝送線路体と、
    　前記ストリップ導体及び前記地導体それぞれの一端に接続する第１のコネクタと、
    　前記ストリップ導体及び前記地導体それぞれの他端に接続する第２のコネクタとを備え、
    　前記ストリップ導体は、一端側で前記第１のコネクタと接続する部位を含む第１の長さ部分と、他端で前記第２のコネクタと接続する部位を含む第２の長さ部分と、前記第１の長さ部分と前記第２の長さ部分との間にわたって延びる第３の長さ部分とにより構成され、前記第３の長さ部分は、電流偏り抑制手段を有することを特徴とするプローブ。
  2. 　前記伝送線路体は、マイクロストリップ線路またはコプレーナ線路であることを特徴とする請求項１に記載のプローブ。
  3. 　前記電流偏り抑制手段は、前記ストリップ導体の長さ方向に延びる少なくとも一つのスリットを設けることを特徴とする請求項１に記載のプローブ。
  4. 　前記スリットは、前記ストリップ導体の長さ方向に互いに平行に延びる複数のスリットであることを特徴とする請求項３に記載のプローブ。
  5. 　前記複数のスリットは、幅方向に互いに等間隔に配置されることを特徴とする請求項４に記載のプローブ。
  6. 　前記複数のスリットは、幅方向に互いに間隔を異ならせて配置されることを特徴とする請求項４に記載のプローブ。
  7. 　前記複数のスリットは、幅方向において、両端側から中央部分に向かって前記間隔が広くなるように配置されることを特徴とする請求項６に記載のプローブ。
  8. 　前記ストリップ導体は、幅方向において、その両端に対して、中央部分の膜厚が厚く形成されることを特徴とする請求項７に記載のプローブ。
  9. 　前記複数のスリットは、互いに同一幅寸法で形成されることを特徴とする請求項４に記載のプローブ。
  10. 　前記複数のスリットは、互いに異なる幅寸法で形成されることを特徴とする請求項４に記載のプローブ。
  11. 　前記複数のスリットは、幅方向において、両端側から中央部分に向かって前記幅寸法が広くなるように形成されて配置されることを特徴とする請求項１０に記載のプローブ。
  12. 　前記第３の長さ部分は、前記第１の長さ部分及び前記第二の長さ部分よりも幅方向に幅広寸法であり、
    　前記複数のスリットは、幅方向において相対的に両端側の第１のスリットと前記第１のスリットよりも幅方向において中央側の第二のスリットとを有し、
    　前記第１のスリットの長さ方向の端部から前記第３の長さ部分の幅方向縁部まで長さ方向に延びる第１の間隔は、前記第２のスリットの長さ方向の端部から前記第３の長さ部分の幅方向縁部まで長さ方向に延びる第２の間隔より短いことを特徴とする請求項４に記載のプローブ。
  13. 　前記第１のスリットと前記第２のスリットは同一長さを有し、
    　前記第３の長さ部分の幅方向縁部はテーパー状に形成され、前記第３の長さ部分の長さ寸法は、幅方向の中央側から両端側に向かって短くなることを特徴とする請求項１２に記載のプローブ。
  14. 　前記第３の長さ部分の長さ寸法は、幅方向の中央側から両端側に向かって同一であり、
    　前記第１のスリットは、前記第２のスリットよりもその長さ寸法が長いことを特徴とする請求項１２に記載のプローブ。
  15. 前記電流偏り抑制手段は、前記第３の長さ部分の前記ストリップ導体の長さ方向に垂直な幅方向において、端部から内側にかけて、電気抵抗が小さくなるように構成するものであることを特徴とする請求項１に記載のプローブ。
  16. 　前記電流偏り抑制手段は、前記ストリップ導体が、電気抵抗が異なる複数の材質で構成されていることを特徴とする請求項１５に記載のプローブ。
  17. 　前記電流偏り抑制手段は、前記ストリップ導体が前記ストリップ導体上に、前記ストリップ導体の導電率と異なる材質が設けられていることを特徴とする請求項１５に記載のプローブ。
  18. 　前記電流偏り抑制手段は、前記ストリップ導体が前記端部に対して、前記内側の膜厚が厚いことを特徴とする請求項１５に記載のプローブ。
  19. 　前記電流偏り抑制手段は、前記ストリップ導体に導電率を変化させる物質をドープしたことを特徴とする請求項１５に記載のプローブ。
  20. 　請求項１乃至１９のいずれかに記載のプローブと、前記磁性体に磁界を印加するための磁界印加部と、
    　前記プローブとケーブルを介して接続し、前記磁界印加部による磁界印加の有り無し両方における透過係数の信号を計測する信号計測器と、
    　前記信号計測器で測定された透過係数の信号に基づいて、前記磁性体の透磁率を数値解析演算処理により求める処理手段とを備えることを特徴とする透磁率計測装置。

     
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