FeGaB磁性薄膜中渦流損耗抑制方法的仿真

陳 鍶,高 楊,任萬春,彭春瑞，王 姮

1.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.西南科技大學(xué) 微系統(tǒng)中心，四川 綿陽 621010；3.電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院， 四川 成都 610054)

0 引言

隨著無線通信系統(tǒng)的飛速發(fā)展，目前對天線小型化、集成化的要求不斷提升。體聲波(BAW)磁電天線利用聲波諧振原理和磁電效應(yīng)[1-3]來輻射電磁信號，實(shí)現(xiàn)了天線器件的小型化，這種技術(shù)在便攜式無線通信系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用前景。然而，該天線結(jié)構(gòu)中的磁性薄膜在高頻磁場中由于電導(dǎo)率較大，會(huì)在其厚度方向上形成沿磁場方向的感應(yīng)電流回線，這將引起較大的渦流損耗，進(jìn)而影響天線器件的輻射性能[4-6]。針對渦流損耗抑制的研究，文獻(xiàn)[7-8]采用了對金屬內(nèi)部進(jìn)行開槽切縫，盡管可以通過空氣間隙對磁性材料的渦流產(chǎn)生抑制，但不適用于高電導(dǎo)率的薄膜磁性材料。文獻(xiàn)[9]提出了對超磁致伸縮材料的薄片進(jìn)行切片隔離處理，同時(shí)，文獻(xiàn)[1]也提出通過插入Al2O3薄膜來實(shí)現(xiàn)渦流的抑制，但都未涉及磁性薄膜中渦流損耗抑制的具體方法。

本文利用有限元仿真法建立了磁性薄膜的渦流損耗模型，研究了Al2O3薄膜3種不同隔法對渦流損耗的抑制效果。通過改變Al2O3薄膜的厚度和層數(shù)，分析表面和體內(nèi)渦流損耗密度的變化趨勢，從而得出各自的最優(yōu)隔法。再綜合考慮磁性材料中總渦流損耗的抑制效果，提出了一種交叉隔的方式，仿真結(jié)果表明交叉隔為總渦流損耗抑制的最優(yōu)隔法。

1 渦流損耗模型

利用有限元仿真法，在COMSOL Multiphysics軟件中建立BAW磁電天線的磁性薄膜在高頻磁場中的渦流損耗模型，如圖1所示。由圖可見，將磁性薄膜橫截面方向與通電導(dǎo)線平行放置，感應(yīng)磁場平行于膜面且沿磁致伸縮層厚度方向線性變化，這與磁電天線的工作原理一致[1]。在插入Al2O3薄膜后，磁通穿過薄膜的狹窄截面時(shí)，渦流被限制在沿各層中的一些狹小回路流過，回路的長度較大，同時(shí)由于絕緣材料的電阻率大，故可減小渦流損耗。以美國東北大學(xué)給出的FeGaB磁性薄膜的參數(shù)為例[2]，其電導(dǎo)率σ=2×105S/m，相對磁導(dǎo)率μr=1 300，相對介電常數(shù)εr=1，磁層厚度h=0.9 μm，通過求解損耗來模擬渦流損耗大小。

圖1 磁致伸縮層的渦流損耗模型

2 渦流抑制方法

在渦流的趨膚效應(yīng)中，一個(gè)重要的參數(shù)是集膚深度δ[10]，表示為

(1)

式中:ω為角頻率；μ為導(dǎo)體磁導(dǎo)率。由于在1.2 GHz的高頻下計(jì)算可得δ約為0.9 μm，與磁性薄膜厚度相當(dāng)。此時(shí)，該模型的體內(nèi)渦流不可忽略，需同時(shí)考慮表面渦流和體內(nèi)渦流。

將Al2O3薄膜按3種不同隔法插入FeGaB磁性薄膜中，分別討論在不同隔法下表面渦流和體內(nèi)渦流的抑制效果。以平行于導(dǎo)線方向?yàn)閤軸建立坐標(biāo)系，隔法示意圖如圖2所示。

圖2 FeGaB薄膜隔法示意圖

3 結(jié)果與討論

渦流損耗模型在1.2 GHz高頻下的表面渦流分布和體內(nèi)渦流分布如圖3所示。通過仿真得到該條件下表面損耗為21 564 W，體損耗為7 399 W。

圖3 渦流分布圖

3.1 表面渦流

圖4為不同Al2O3厚度對應(yīng)的表面渦流損耗在不同隔法條件下的變化趨勢。采用隔法一、二的表面損耗未減小，且隨著厚度的增加一直保持緩慢增長的趨勢，因此，這兩種方法未將渦流隔開，無法起到渦流抑制的效果。采用隔法三時(shí)，Al2O3厚度在5 nm內(nèi)的表面損耗明顯降低，之后雖有逐漸減小的趨勢，但降低速率基本維持在5%以內(nèi)，此法能顯著抑制表面渦流損耗。因此，對于表面渦流的抑制，用隔法三的渦流抑制效果最好，為最優(yōu)隔法。

圖4 Al2O3薄膜厚度對表面渦流損耗的影響

采用隔法三，同時(shí)考慮Al2O3隔離層數(shù)對表面渦流損耗抑制的影響。如圖5所示，在保持插入的Al2O3薄膜總厚度不變的情況下，將其分隔為2、3、4、5層，均勻間隔在FeGaB層中。當(dāng)Al2O3總厚度取100 nm時(shí)，隨著層數(shù)的增加，表面損耗明顯降低，但3層之后降低速率低于20%，且降低速率逐漸趨于平緩。因此，3層隔離足以抑制表面渦流損耗。

圖5 Al2O3薄膜層數(shù)對表面渦流損耗的影響

3.2 體內(nèi)渦流

圖6為不同Al2O3厚度對應(yīng)的體內(nèi)渦流損耗在不同隔法條件下的變化趨勢。隔法一完全未起到抑制的效果，隔法三的體內(nèi)損耗雖有持續(xù)減小的趨勢，但效果不顯著。采用隔法二時(shí)，在加入厚5 nm的Al2O3后，體內(nèi)損耗降低了60%以上；當(dāng)Al2O3厚約為30 nm時(shí)，渦流損耗最小，盡管之后有微小的增長趨勢，但增長速率不到1%。因此，對于體內(nèi)渦流的抑制，采用隔法二的渦流損耗抑制效果最好，為最優(yōu)隔法。

圖6 Al2O3薄膜厚度對體內(nèi)損耗的影響

采用隔法二，同時(shí)考慮Al2O3隔離層數(shù)對體渦流損耗抑制的影響。如圖7所示，將Al2O3層總厚度設(shè)定為渦流損耗最小值處的30 nm，將其分隔為2、3、4、5層。隨著Al2O3層數(shù)的增加，體內(nèi)損耗明顯降低，同表面損耗一樣，其在3層之后的降低速率逐漸趨緩。因此，3層隔離足以抑制體渦流損耗。

圖7 Al2O3薄膜層數(shù)對體內(nèi)損耗的影響

3.3 總渦流損耗

綜合考慮表面渦流和體內(nèi)渦流各自最優(yōu)的隔法，采用了如圖8所示的交叉隔法。分別計(jì)算了表面和體內(nèi)的渦流損耗，其總損耗的仿真結(jié)果如圖9所示。由圖9可見，采用交叉隔的總渦流損耗最低。當(dāng)加入的Al2O3厚度為10 nm時(shí)，采用隔法二、隔法三，總渦流損耗分別降低了約10%和47%，而采用交叉隔法的效果最好，降低了約65%。因此，采用交叉隔法是總渦流損耗抑制的最優(yōu)方法。

圖8 交叉隔法示意圖

圖9 Al2O3薄膜厚度對渦流損耗的影響

4 結(jié)束語

為了提高體聲波磁電天線的輻射效率，采用有限元數(shù)值仿真法建立了FeGaB磁性薄膜在高頻磁場中的渦流損耗模型，分析了渦流損耗的抑制方法。綜合考慮表面渦流損耗和體內(nèi)渦流損耗，得到了一種交叉隔法，對總渦流損耗的抑制高于65%。該研究成果對體聲波磁電天線的器件設(shè)計(jì)與工藝制備具有重要指導(dǎo)意義。