具有薄膜交换耦合磁性结构件的微波循环器

摘要

本发明涉及一种微波循环器，其使用薄膜交换耦合结构件来提供围绕该循环器的面内磁场。交换耦合结构件包括铁磁层和反铁磁层，所述铁磁层的面内磁化取向为大致围绕循环器，所述反铁磁层与所述铁磁层交换耦合而向所述铁磁层提供交换偏置场。交换耦合结构件连接有多个导电端口。循环器的位于端口之间的部分或腿部各自可缠绕有电线圈，每个线圈与电流源相连。没有外部磁场时，交换耦合结构件的铁磁共振频率取决于铁磁层材料的性质和因铁磁层与反铁磁层交换耦合而生成的交换偏置场的大小。如果使用了可选线圈中的一个或多个，则能通过改变线圈中的电流来改变外加磁场的大小，从而调谐铁磁共振频率。

说明书

技术领域

本发明主要涉及微波循环器(microwave circulator)，具体说，涉及薄膜微波循环器。

背景技术

微波循环器是以不可逆方法传输微波能的无源(passive)多端口电子装置，例如在三端口装置中，进入端口1的能量主要从端口2离开，进入端口2的能量从端口3离开，而进入端口3的能量从端口1离开。端口的选择是任意的，并且循环器可做成沿顺时针方向或者沿逆时针方向循环。循环器可用作发送/接收系统中的天线界面(antenna interface)的一部分。在发送期间可使能量从发送器(端口1)流至天线(端口2)，而在接收期间从天线(端口2)流至接收器(端口3)。

微波循环器可通过使用带状线(stripline)或微波传输带(microstrip)技术的平面构造来实施，所述带状线或微波传输带技术采用位于两个接地面导体(带状线)之间的或与单个接地面导体(微波传输带)耦合的平面共振铁素体元件。具有适当尺寸的大块铁素体材料厚板被载置在循环器的中心区域，并被外部磁体沿大致垂直于循环器的接地面的方向磁化。磁体既可是永久磁体，也可是电磁体。在电磁体的情况下，需要附加电流源(current supply)来使其线圈通电。这时，铁素体厚板的磁化可被切换，通过切换铁素体厚板的磁化可将循环器操作模式从顺时针改为逆时针。铁素体材料选择为使其具有与微波信号的操作频率大致匹配的铁磁共振(FMR)频率，从而在端口之间提供不可逆传输路径。

发明内容

由于需要大块铁素体材料和永久磁体，微波循环器不能集成到需要紧凑性和轻重量的小型装置中。此外，铁素体材料将循环器的操作频率限制为铁素体的共振频率。因此，需要一种可调谐的微波循环器，它能与紧凑轻量薄膜设计兼容，并能轻松地集成到小型装置中。

本发明涉及使用薄膜交换耦合结构件来提供围绕循环器的面内磁场的微波循环器。本循环器是多层结构件，其位于两个接地面之间并形成为大致呈三角状或圆环状形状的连续封闭的环体。交换耦合结构件包括铁磁层和反铁磁层，所述铁磁层的面内磁化取向为大致围绕结构件的环体，所述反铁磁层与所述铁磁层交换耦合，向所述铁磁层提供交换偏置场(exchangebias field)。可使用两个反铁磁层，使铁磁层位于这两个反铁磁层之间，以大致增加对铁磁层的交换偏置场。如果结构件呈三角状形状，则多层结构件在三角形的顶点处与多个导电端口相连；如果结构件呈圆环状形状，则多层结构件在圆环上大致等角度分开的位置处与多个导电端口相连。结构件的位于端口之间的部分或腿部各自可缠绕有电线圈，每个线圈与电流源相连。当线圈中的一个或多个被通电时，在铁磁层的平面中并且绕循环器生成外部附加磁场。多层结构件的铁磁共振频率取决于铁磁层材料的性质和因铁磁层与反铁磁层交换耦合而生成的交换偏置场的大小。然而，如果使用了可选线圈中的一个或多个，则能通过改变线圈中的电流来改变外加磁场的大小，从而调谐铁磁共振频率。

为更充分理解本发明的本质和优点，应该参考以下详细描述以及附图。

附图说明

图1是现有微波循环器的分解等角视图。

图2A是呈三角状形状的本发明的循环器的俯视图。

图2B是呈圆环状形状的本发明的循环器的俯视图。

图3是图2A的截面A-A′的截面图。

图4是图2A的截面B-B′的截面图，示出了带状线端口之一与本发明的三角形循环器的连接。

图5是本发明的IrMn(7nm)/Fe(10nm)/IrMn(7nm)被交换偏置结构件和Fe(10nm)控制膜的外加磁场与共振频率f_R之间的函数关系图。

具体实施方式

图1是现有微波循环器10的分解等角视图。虽然一般认为微波频带大约在0.3GHz到300GHz之间，但为本发明起见，所关注的微波频率范围是约5GHz到30GHz之间。循环器10包括由导电材料(通常是铜)形成的第一接地面12和第二接地面14。导电元件16具有端口1、2、3，并位于接地面12与14之间。圆形铁素体盘(ferrite disc)18位于导电元件16与第一接地面12之间，而永久磁体20位于导电元件16与第二接地面14之间。铁素体盘18被永久磁体20磁化，该永久磁体20施加垂直于铁素体盘18的外部磁场。由于法拉第效应(Faraday effect)，循环器10是不可逆的。铁素体盘18的性质选择为使其铁磁共振频率与所施特定微波的操作频率相匹配。根据磁体20的磁化方向，输入到端口1、2、3之一的微波信号将沿顺时针方向或逆时针方向前进。循环器用作发送/接收系统中的天线界面的一部分。例如，在发送期间可使微波能从发送器(端口1)流至天线(端口2)，而在接收期间从天线(端口2)流至接收器(端口3)。如果端口之一的终端为匹配负载(matched load)，则循环器将作为隔离器(isolator)而操作，因为信号只能在所剩端口之间朝一个方向前进。

图2A是本发明的循环器的俯视图，示出了具有三个部分或腿部131、132、133的大致三角状结构件110。在腿部彼此相连的地方，结构件110连接至起循环器端口作用的三个带状线导体101、102、103。虽然结构件110图示为三角状结构件，但结构件110也可以是大致呈圆形或环形的圆环状结构件，这时各个腿部131、132、133将呈圆弧段或环形段形状。图2B是本发明的循环器的俯视图，示出了大致呈圆环状的结构件110。在三角状循环器和圆环状循环器两者中，腿部131、132、133均彼此相连而形成连续的封闭路径，并且带状线导体101、102、103绕结构件110的中心大致等角度地间隔分布。

结构件110是模制成连续封闭环体或路径形状的多层结构件，例如图2A所示的三角形环体或图2B所示的圆环形环体。该多层结构件包括在一方向上被磁化的被交换偏置铁磁层，该方向位于结构件110的平面中并围绕结构件110所限定的路径，如取向为顺时针方向的箭头104所示。在相应腿部131、132、133上缠绕有与相应电流源165、166、167相连的可选电线圈155、156、157。当线圈155-157中的一个或多个被电流源165-167通电时，在结构件110的平面中并且围绕结构件110生成附加磁场。由线圈所生成的附加磁场能实现循环器的共振频率即操作频率的可调谐性(tunability)。这与图1所示带铁素体厚板的现有循环器形成对比，在图1的现有循环器中操作频率是固定的并由铁素体的材料性质确定。

能以相对较宽范围的尺寸来制造循环器结构件110。典型尺寸范围如下：三角状结构件的外部尺寸(或圆环状结构件的外径)约为5-20mm，而循环器平面中的腿部宽度(或圆环状结构件的环形径向厚度)约为0.5-2mm。

图3是没有可选线圈155的情况下图2A的截面A-A′的截面图，示出了构成优选实施例的多层结构件的各层。绝缘基底111由任意适当的材料形成，例如二氧化硅、氧化铝、本征硅(intrinsic silicon)、本征锗(intrinsicgermanium)或本征砷化镓(intrinsic gallium-arsenide)、或者陶瓷材料。基底111上沉积有第一金属接地面112，第一金属接地面112上形成有第一绝缘间隙层113。适当的间隙材料是氧化硅或氧化铝。第一间隙层113上形成有包括反铁磁层171和铁磁层172的交换耦合结构件(exchange-coupledstructure)170。可在间隙层113上形成可选的种子层116，以帮助构成交换耦合结构件170的层的生长。铁磁层172优选为主要由铁(Fe)构成的层，而反铁磁层171优选为铱锰(IrMn)合金。反铁磁层171向铁磁层172提供交换偏置场H_EX。用于IrMn的典型种子层116是Ta/Cu、Ta/Ru、或者仅为Cu或Ru。交换耦合结构件170可包括位于铁磁层172上以提供附加交换偏置的可选第二反铁磁层173。可在交换耦合结构件170的顶部沉积顶盖层(capping layer)114以防止氧化，例如由Ta、Al、Rh、Au、Pd、Pt、Ag或Ru形成的层。与仅仅使用单个反铁磁层相比，在铁磁层172的两面使用两个反铁磁层171、173将提供更大的交换偏置场H_EX。替代地，可在基底111的背面沉积第一金属接地面112，而在绝缘基底111的正面沉积交换耦合结构件170。在该情况下，绝缘基底111用作第一间隙层113。

然后，用平版印刷方法模制(lithographically pattern)由层116、170、114形成的上述多层叠层，以限定出结构件110的所需形状。然后，进行蚀刻(例如反应离子蚀刻(reactive-ion-etching，RIE))或离子铣削(ion milling)，然后去除抗蚀剂(resist removal)，从而得到呈所需三角状形状或圆环状形状的结构件。然后，可使用例如第二绝缘间隙层140来回填结构件110，然后通过例如化学机械研磨(chemical-mechanical polishing，CMP)来平整结构件110。用于间隙层140的适当材料包括氧化硅和氧化铝。在第二绝缘间隙层140的顶部形成可选的第二金属接地面141，优选为Cu层。这些层是通过典型的薄膜沉积技术来形成的，例如磁控管喷溅(magnetronsputtering)、离子束沉积(ion-beam deposition)、蒸发(evaporation)、分子化学气相沉积(MOCVD)或这些技术的组合。

铁磁层172优选为3nm-15nm厚的Fe或CoFe合金。虽然与Fe相比CoFe合金可能具有更高的饱和磁化强度从而得到更高的铁磁共振频率，但是CoFe合金通常呈现更宽的线宽(linewidth)即共振频率峰的半峰全宽(fullwidth at half maxium)。反铁磁层171、173各自可以是足够厚的Mn合金层(PtMn、NiMn、FeMn、IrMn、PdMn、PtPdMn或RhMn)。当被退火时PtMn层必须厚于约10nm才能变成化学有序(chemically ordered)和具有反铁磁性，而IrMn层当厚于约4nm时在沉积态就具有反铁磁性。这些反铁磁性Mn合金还可包括少量附加元素，例如Cr、V、Pt、Pd和Ni，添加这些元素通常是为了改善抗蚀性或增加电阻。用于反铁磁层171、173的其它适当材料是由氧化钴、氧化镍和钴镍合金氧化物形成的已知反铁磁材料。

铁磁层172被反铁磁层171交换偏置，并将呈现增强的单轴各向异性以及单向各向异性。因此，它的M-H环将呈现增强的矫顽力(coercivity)并被交换偏置场H_EX偏移。根据以下公式，交换偏置场H_EX由铁磁层172与反铁磁层171之间的磁耦合强度J_A、铁磁层172的磁化强度M_F以及厚度t_F确定：

H_EX＝J_A/M_Ft_F          公式(1)

如果使用了可选的第二反铁磁层173，则交换偏置场的值将大于公式(1)中的H_EX。如果反铁磁层171和173的材料和厚度完全相同，则交换偏置场的值将加倍。然而，由于两个反铁磁层171、173的微观结构差异，第二反铁磁层173所生成的交换偏置场通常小于第一反铁磁层171所生成的交换偏置场。因此，交换偏置场的值通常小于公式(1)中的H_EX*2。

图3中将反铁磁/铁磁双层171/172显示为反铁磁层171位于铁磁层172下方。然而，如果不使用可选的第二反铁磁层173，则反铁磁层171也可以位于铁磁层172上方。

要为铁磁层建立交换偏置方向，则必须在存在取向在铁磁层172的平面中并且取向为三角状或圆环状结构件110的圆形方向104的外部磁场的情况下，在高于反铁磁体171、173的阻挡温度(blocking temperature)的温度对结构件进行退火。阻挡温度是在铁磁层172与反铁磁层171、173之间形成交换耦合时的温度。这能通过例如将结构件放置在与循环器具有相同形状和几何结构的永久磁体阵列或永久磁体组上来完成。为建立交换偏置，在存在永久磁体产生的磁场的情况下，将结构件加热超过阻挡温度，并随后冷却低于阻挡温度。为此，永久磁体的居里温度(Curie temperature)必须高于反铁磁体的阻挡温度，以便它们不会失去磁化方向。

为了将例如PtMn或NiMn等合金用作反铁磁体，也有必要退火，不但是为了建立交换偏置，而且也是为了使它们化学有序。然后，这些合金经历顺磁相向反铁磁相(paramagnetic-to-antiferromagnetic phase)的转变。当从高于反铁磁层171、173的阻挡温度冷却至低于反铁磁层171、173的阻挡温度时，铁磁层172的磁化方向被反铁磁层171、173设定在圆形面内方向104上并固定。或者，可在比阻挡温度高的温度沉积铁磁层172和反铁磁层171、173，以便沉积期间就在反铁磁层171、173中引发化学有序。然后，在存在由永久磁体阵列产生的取向在铁磁层172的平面中并且取向为三角状或圆环状结构件的圆形方向104的外部磁场的情况下，从沉积温度将结构件冷却为低于阻挡温度。

或者，对于永久磁体组，如果循环器装配有可选线圈155-157，则可经由电流源165-167给线圈155-157供电，这同样生成取向在铁磁层172的平面中并且取向为三角状或圆环状结构件110的圆形方向104的所需磁场。为建立交换偏置，在存在由电磁体产生的磁场的情况下，将结构件加热超过阻挡温度，并随后冷却低于阻挡温度。

如果将例如IrMn或FeMn等化学无序的反铁磁体用于反铁磁层171、173，则不必退火。这些材料在沉积态就具有反铁磁性。可在存在取向在铁磁层172的平面中并且取向为圆形方向104的外部磁场的情况下，沉积铁磁层172和反铁磁层171、173，来建立交换偏置。然而，希望的是在存在取向在铁磁层172的平面中并且取向为圆形方向104的外部磁场的情况下，进行附加的沉积后退火，因为这可以增大偏置场H_EX。

如果使用了可选线圈155-157，则可通过分别在腿部131-133上缠绕线圈导线来制造结构件110，或者通过以下方式来制造结构件110：使用已知的薄膜沉积和光刻技术，以与制造磁性记录盘驱动器薄膜感应写头中的薄膜线圈的技术相似的方式，来绕腿部模制线圈部分。此外，也可使用线圈155-157和电流源165-167来提供外部磁场，以通过上述方式为铁磁层172设定圆形的面内磁化方向。

图4是图2A的截面B-B′的截面图，用于示出例如带状线导体103等带状线导体与包含交换耦合结构件170的多层结构件110之间的连接。

在没有例如通过与相应电流源165-167相连的可选线圈155-157施加的外加磁场的情况下，多层结构件110的铁磁共振频率由铁磁层172的材料性质确定，例如其饱和磁化强度(M_S)、各向异性场(H_A)以及因与反铁磁层171、173交换耦合而生成的交换偏置场(H_EX)。然而，如果使用了与相应电流源165-167相连的一个或多个可选线圈155-157，则能通过外加场H来调谐铁磁共振频率。假设易磁化轴(easy axis of magnetization)沿着腿部131-133所限定出的三角形或圆环，即在圆形方向104上，则铁磁共振频率(f_R)通过下式获得：

$f_R=\frac{g}{2\pi }\sqrt{(H+H_A\pm H_{\mathrm{EX}})(H+H_A\pm H_{\mathrm{EX}}+4\pi M_S)}$公式(2)

其中，g是回转磁比(gyromagnetic ratio)，H_A和H_EX分别是单轴各向异性场和单向交换偏置场，而M_S是铁磁层172的饱和磁化强度。单轴各向异性场H_A由多种因素构成，例如形状各向异性、可能存在的磁晶各向异性(magnetocrystalline anisotropy)以及由于对反铁磁体的交换偏置而形成的可旋转各向异性。可旋转各向异性由与可旋转反铁磁晶粒(grain)磁耦合的铁磁晶粒引起。可旋转各向异性可构成H_A的大部分。

由于交换偏置的单向特性，共振频率f_R在交换偏置方向上和与交换偏置方向相反的反向上是不同的。因此，例如，如果交换偏置方向被设定为顺时针方向(图2A-2B中的箭头104)，则与沿逆时针方向前进的微波信号相比，沿顺时针方向前进的微波信号将在不同频率处遭遇最大衰减。

图5是IrMn(7nm)/Fe(10nm)/IrMn(7nm)被交换偏置结构件170和Fe(10nm厚)控制膜的外加磁场与共振频率f_R之间的函数关系图。在没有外场的情况下，Fe控制膜的f_R约为5.5GHz，而被交换偏置结构件的f_R约为9GHz。被交换偏置结构件的该频率升高起源于由交换偏置引发的交换各向异性和可旋转各向异性。另外，从作为外加场的函数的分散参数数据实验得知，共振频率线宽随着外部磁场的增大而缩小，例如在0.2kOe时线宽约为5GHz，而在1kOe时线宽约为2.5GHz。因此，为获得窄线宽，使用带电流源165-167的可选线圈155-157来施加外部磁场是可取的。通过改变外场的强度，能调谐循环器的铁磁共振频率，从而能调谐循环器的操作频率。这优于利用操作频率由铁素体材料性质确定并保持不变的铁素体厚板的现有技术循环器。

例如，如果交换偏置方向形成为图2A-2B所示的顺时针方向104，则沿顺时针方向绕结构件110前进的微波的共振频率是：

$f_{R+}=\frac{g}{2\pi }\sqrt{(H+H_A+H_{\mathrm{EX}})(H+H_A+H_{\mathrm{EX}}+4\pi M_S)}$公式(3)

而沿逆时针方向绕结构件110前进的微波的共振频率是：

$f_{R-}=\frac{g}{2\pi }\sqrt{(H+H_A-H_{\mathrm{EX}})(H+H_A+H_{\mathrm{EX}}-4\pi M_S)}$公式(4)

处于发送模式经由带状线101以频率f_R+进入循环器的信号将沿顺时针方向经由带状线102传送至天线。处于接收模式经由带状线102进入循环器的信号将沿顺时针方向经由带状线103传送至接收器。以频率f_R-进入循环器的信号将沿逆时针方向传送。远处于围绕f_R+或f_R-的频带外的信号将不被传送。

由于电流源165-167能对相应的线圈155-157生成不同量的电流，所以能在不同的腿部131-133中生成不同的磁场。因此，循环器各部分的共振频率可以不同。因此，从发送器经由带状线101和102到天线的发送信号的频率可以不同于从天线经由带状线102和103到接收器的接收信号的频率。如果不希望能够选择性地改变各个腿部的共振频率，则可在整个三角状或圆环状结构件上缠绕单个线圈，并将该单个线圈连接至单个电流源。

如果循环器的端口之一的终端为匹配负载，则循环器可作为隔离器而操作。于是，频率在f_R+或f_R-的信号只能在两个剩余端口之间沿一个方向前进。例如，如果带状线103与匹配负载相连，则信号能以频率f_R+从端口101前进至端口102，而频率在f_R-的信号从端口102前进至端口101。远处于围绕f_R+或f_R-的频带外的信号将不被传送。

虽然参考优选实施例具体描述并展示了本发明，但本领域的技术人员应该理解的是，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对形状和局部做出多种变化。因此，可认为所公开的发明只起示例作用，其范围由所附权利要求来限定。