本發(fā)明屬于微波技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種磁性薄膜材料的微波分析裝置，具體為一種基于LabVIEW的短路微帶線鐵磁共振測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

鐵磁共振(FMR)是20世紀(jì)40年代發(fā)展起來的一種研究物質(zhì)宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)的重要實(shí)驗(yàn)手段。它利用磁性物質(zhì)從微波磁場中強(qiáng)烈吸收能量的現(xiàn)象，與核磁共振和順磁共振一樣在磁學(xué)和固體物理學(xué)研究中占有重要地位。

磁性薄膜的鐵磁共振測量在高頻磁學(xué)和自旋電子學(xué)中有非常重要的應(yīng)用，例如硬盤的讀取頭，MRAM，自旋磁矩MRAM和自旋轉(zhuǎn)矩振蕩器等。鐵磁共振實(shí)際上是磁性材料原子中電子的自旋順磁共振，因此需要微波來提供電子躍遷所需要的能量。通過計(jì)算測量得到鐵磁共振曲線可得到共振線寬，并通過公式：和可以計(jì)算出旋磁比γ和朗德因子g。其中f為共振頻率，B₀為共振磁場，μ_B為波爾磁子，為普朗克常量。

目前常用的鐵磁共振測試方法是諧振腔法。但是其諧振腔的共振頻率是由生產(chǎn)時(shí)的尺寸決定的，一般在9G附近，而且無法更改。根據(jù)共振頻率與磁場的平方成正比可以知道，頻率越高，對應(yīng)的磁場強(qiáng)度也就越強(qiáng)。所以，傳統(tǒng)的測試方法中的磁場需要加到幾千奧斯特，而強(qiáng)磁場都是由電磁鐵提供的，導(dǎo)致測試裝置不僅笨重而且鐵芯中的剩磁要考慮去掉，才不會影響下一次的測量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供了一種基于LabVIEW的短路微帶線鐵磁共振測量系統(tǒng)，不需要加入較高的測量磁場。同時(shí)，本發(fā)明提供一種利用該系統(tǒng)的測量方法，適用于寬頻及微波低頻段測量，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)掃場、掃頻測量。

本發(fā)明裝置的技術(shù)方案如下：

基于LabVIEW的短路微帶線鐵磁共振測量系統(tǒng)，包括短路微帶線夾具、高斯計(jì)、螺線管、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、電流源和程控計(jì)算機(jī)，所述短路微帶線夾具與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接，并放入螺線管內(nèi)部；所述螺線管與電流源連接，螺線管內(nèi)部還放有高斯計(jì)的霍爾探頭；所述程控計(jì)算機(jī)分別與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和電流源相連，程控計(jì)算機(jī)上裝有使用LabVIEW語言編寫的控制軟件；磁性薄膜樣品放置在短路微帶線夾具上的信號線和地線之間。

本發(fā)明利用上述測量系統(tǒng)的測量方法，包括如下步驟：將裝有磁性薄膜樣品的短路微帶線夾具放入到螺線管內(nèi)部，程控計(jì)算機(jī)控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀給短路微帶線提供單頻的信號源，并控制電流源輸出穩(wěn)定的電流給螺線管，使得螺線管內(nèi)部產(chǎn)生均勻穩(wěn)定的磁場；改變磁性薄膜樣品水平方向的磁場大小，程控計(jì)算機(jī)檢測反射回來的微波信號S11參數(shù)，并做出S參數(shù)和磁場的關(guān)系曲線圖，通過對曲線圖進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到磁性薄膜樣品的共振線寬、旋磁比以及朗德因子。

本發(fā)明提供了一種測量磁性薄膜鐵磁共振線寬、旋磁比及朗德因子的裝置，通過螺線管形成中心磁場，磁場控制簡單。采用微帶線適用于寬頻的測量，可以在微波低頻段測量，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)掃場、掃頻測量。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明對于磁場的要求也不高，只需加到一千奧斯特就能得到測試結(jié)果。另外，本發(fā)明裝置簡單易搭建，測量計(jì)算集成到一起，不用后期復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，方便高效。

附圖說明

圖1是本發(fā)明測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。其中1是短路微帶線夾具、2是高斯計(jì)、3是螺線管、4是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、5是電流源、6是程控計(jì)算機(jī)。

圖2是短路微帶線夾具的結(jié)構(gòu)示意圖。其中7是SMA接口、8是信號線、9是接地線、10是磁性薄膜樣品、11是樣品基底、12是屏蔽盒。

圖3是本發(fā)明測量方法的流程圖。

圖4是實(shí)施例中采用短路微帶線測坡莫合金薄膜樣品的鐵磁共振的測試結(jié)果，曲線S11是從矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀讀取的反射系數(shù)，縱坐標(biāo)為任意單位，橫坐標(biāo)是磁場強(qiáng)度。

圖5是實(shí)施例中測得的數(shù)據(jù)處理之后的結(jié)果，其中曲線S是對圖4中曲線S11做了平滑處理之后的數(shù)據(jù)，曲線S′是對曲線S求導(dǎo)之后的數(shù)據(jù)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，詳述本發(fā)明的技術(shù)方案。

本發(fā)明的測量系統(tǒng)包括軟件和硬件兩部分。硬件部分如圖1，包括：短路微帶線夾具1，用于提供交變高頻磁場；高斯計(jì)2，用于磁場檢測；螺線管3，通電流后在其內(nèi)部中心軸向產(chǎn)生均勻穩(wěn)定的磁場，本實(shí)施例中螺線管3總長度為150mm，外徑80mm，內(nèi)徑40mm，并且螺線管3中間有一個(gè)方形的載物臺，方便微帶線平穩(wěn)的放入螺線管3內(nèi)；同時(shí)螺線管3上方設(shè)置小孔，以便于放入霍爾探頭，測量螺線管3內(nèi)部的磁場強(qiáng)度；矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀4，通過安捷倫GPIB轉(zhuǎn)USB接口與程控計(jì)算機(jī)連接，提供微波信號源和檢測微波信號；電流源5，可以用作電流源同時(shí)也可以作為電表，實(shí)時(shí)監(jiān)控螺線管的電壓和電流變化情況，本實(shí)施例中的電流源采用北京東方晨景科技有限公司生產(chǎn)的電磁鐵恒流電源，輸出電流精度為0.1mA，其通過RS232與程控計(jì)算機(jī)交互；程控計(jì)算機(jī)6，控制各個(gè)儀器運(yùn)行并實(shí)時(shí)顯示測量結(jié)果，包括：控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀4給短路微帶線提供單頻的信號源，并且檢測反射回來的微波信號S11參數(shù)；同時(shí)，控制電流源5輸出穩(wěn)定的電流給螺線管3。軟件部分是利用LabVIEW編寫的控制軟件，提供整體系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)的處理。它能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行平滑、求導(dǎo)，并且集成了旋磁比和朗德因子的算法。

如圖2所示，短路微帶線夾具1包括內(nèi)部微帶線，一個(gè)SMA接頭7和外部屏蔽盒12。微帶線是用texline計(jì)算得到50歐姆阻抗比配；圖中，微帶線和SMA接頭7部分為焊接部分，SMA接頭7用于微帶線和同軸電纜的連接，從而可以跟矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀4連接；屏蔽盒12一方面提供微帶線的地線，一方面將整個(gè)微帶線包裹起來實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽的效果。磁性薄膜樣品10放置在信號線8和接地線9之間。

短路微帶線夾具1的SMA端通過同軸線連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀4的測試端口，螺線管3的輸入輸出線分別連接電流源5的輸出輸入，螺線管3是采用漆包線繞成多層均勻的同心圓，在螺線管3內(nèi)部中心位置處磁場是均勻穩(wěn)定，而且隨著電流值的增加，中心軸向磁場也對應(yīng)線性增加。高斯計(jì)2通過螺線管3線圈上方的小孔放置于螺線管3內(nèi)部。調(diào)制完成后，按照短路微帶線測試薄膜復(fù)磁導(dǎo)率方法測試得到薄膜的復(fù)磁導(dǎo)率。僅在實(shí)際微波測試過程中開啟電源，使螺線管3重心軸處產(chǎn)生均勻通向的磁場，調(diào)節(jié)磁場的大小到所需的磁場。

進(jìn)一步地，本發(fā)明裝置可根據(jù)短路微帶線夾具1的尺寸進(jìn)行調(diào)整，螺線管3的匝數(shù)可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用調(diào)整。

測量時(shí)，將裝有磁性薄膜樣品10的短路微帶線夾具1放入到螺線管3內(nèi)部，利用裝有LabVIEW控制軟件的程控計(jì)算機(jī)6對所有儀器進(jìn)行初始配置，先控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀4通過同軸電纜向短路微帶線輸入固定頻率的微波信號，本實(shí)施例中使用的是2GHz微波信號。然后控制電流源5向螺線管3輸入穩(wěn)定的電流，待螺線管3內(nèi)部磁場穩(wěn)定時(shí)，從矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀4讀取反射信號即S11數(shù)據(jù)。程控計(jì)算機(jī)6收到數(shù)據(jù)后，改變磁性薄膜樣品10水平方向的磁場大小，再利用程控計(jì)算機(jī)6控制電流源5變化到下一個(gè)電流值，重復(fù)之前的步驟。最后就可以做出S參數(shù)和磁場的關(guān)系曲線圖。其中，高斯計(jì)2只需做一次定標(biāo)，即在螺線管3內(nèi)部固定位置處的磁場做幾次測量，然后確定電流與磁場的比值關(guān)系；之后，再通過電流值來換算對應(yīng)的磁場。因?yàn)殡娏鞣€(wěn)定，樣品放置位置固定，所以可以做到磁場的精確控制。

如圖3所示，LabVIEW控制軟件分為以下四個(gè)模塊：儀器配置模塊、電流源控制模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)處理模塊。儀器配置模塊，用于初始化矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和電流源，設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的頻率和功率，設(shè)置電流源的電流變化速率。電流源控制模塊，控制電流依次遞增并實(shí)時(shí)監(jiān)測電流源輸出的電流值和電壓值。數(shù)據(jù)顯示模塊，將電壓值和電流值，以及電流值對應(yīng)的S11參數(shù)顯示在屏幕上。數(shù)據(jù)處理模塊，計(jì)算共振線寬，旋磁比和朗德因子。具體步驟：首先根據(jù)公式B＝KI，把所有的電流換算成磁場，其中K是一個(gè)常數(shù)，K的值跟線圈的匝數(shù)N，螺線管長度L有關(guān)。通過加電流然后讀取高斯計(jì)，就可以得到I和B的測量數(shù)值，從而逆推然后對測得的S參數(shù)進(jìn)行一次求導(dǎo)，遍歷數(shù)據(jù)，找到最大值和最小值，將最大值S_max和最小值S_min對應(yīng)的磁場強(qiáng)度做如下處理：ΔB＝|B_Smax-B_Smin|，進(jìn)而得到磁性薄膜樣品的共振線寬ΔB。再通過公式：和可以計(jì)算出旋磁比γ和朗德因子g。其中f為共振頻率，B₀為共振磁場，μ_B為波爾磁子，為普朗克常量，最后將測量的數(shù)據(jù)保存。

圖4是在0～130Oe磁場下測得的S11參數(shù)。測量的樣品是坡莫合金薄膜，樣品大小為5mm*5mm。圖5是對測得的數(shù)據(jù)處理之后的結(jié)果。根據(jù)圖4中的數(shù)據(jù)，坡莫合金在2GHz下的共振磁場為B₀＝53.929Oe，根據(jù)之前的公式γ＝2.33E+12，g＝27.7518，可以得到根據(jù)圖5中數(shù)據(jù)，坡莫合金的共振線寬為ΔB＝|62.486-49.352|＝13.134Oe。