FeGaB磁性薄膜中涡流损耗抑制方法的仿真

2020-07-07任万春彭春瑞

压电与声光 2020年3期

陈锶,高杨,任万春,彭春瑞，王姮

1.西南科技大学信息工程学院，四川绵阳 621010；2.西南科技大学微系统中心，四川绵阳 621010；3.电子科技大学电子科学与工程学院，四川成都 610054)

0 引言

随着无线通信系统的飞速发展，目前对天线小型化、集成化的要求不断提升。体声波(BAW)磁电天线利用声波谐振原理和磁电效应[1-3]来辐射电磁信号，实现了天线器件的小型化，这种技术在便携式无线通信系统中有广阔的应用前景。然而，该天线结构中的磁性薄膜在高频磁场中由于电导率较大，会在其厚度方向上形成沿磁场方向的感应电流回线，这将引起较大的涡流损耗，进而影响天线器件的辐射性能[4-6]。针对涡流损耗抑制的研究，文献[7-8]采用了对金属内部进行开槽切缝，尽管可以通过空气间隙对磁性材料的涡流产生抑制，但不适用于高电导率的薄膜磁性材料。文献[9]提出了对超磁致伸缩材料的薄片进行切片隔离处理，同时，文献[1]也提出通过插入Al2O3薄膜来实现涡流的抑制，但都未涉及磁性薄膜中涡流损耗抑制的具体方法。

本文利用有限元仿真法建立了磁性薄膜的涡流损耗模型，研究了Al2O3薄膜3种不同隔法对涡流损耗的抑制效果。通过改变Al2O3薄膜的厚度和层数，分析表面和体内涡流损耗密度的变化趋势，从而得出各自的最优隔法。再综合考虑磁性材料中总涡流损耗的抑制效果，提出了一种交叉隔的方式，仿真结果表明交叉隔为总涡流损耗抑制的最优隔法。

1 涡流损耗模型

利用有限元仿真法，在COMSOL Multiphysics软件中建立BAW磁电天线的磁性薄膜在高频磁场中的涡流损耗模型，如图1所示。由图可见，将磁性薄膜横截面方向与通电导线平行放置，感应磁场平行于膜面且沿磁致伸缩层厚度方向线性变化，这与磁电天线的工作原理一致[1]。在插入Al2O3薄膜后，磁通穿过薄膜的狭窄截面时，涡流被限制在沿各层中的一些狭小回路流过，回路的长度较大，同时由于绝缘材料的电阻率大，故可减小涡流损耗。以美国东北大学给出的FeGaB磁性薄膜的参数为例[2]，其电导率σ=2×105S/m，相对磁导率μr=1 300，相对介电常数εr=1，磁层厚度h=0.9 μm，通过求解损耗来模拟涡流损耗大小。

图1 磁致伸缩层的涡流损耗模型

2 涡流抑制方法

在涡流的趋肤效应中，一个重要的参数是集肤深度δ[10]，表示为

(1)

式中:ω为角频率；μ为导体磁导率。由于在1.2 GHz的高频下计算可得δ约为0.9 μm，与磁性薄膜厚度相当。此时，该模型的体内涡流不可忽略，需同时考虑表面涡流和体内涡流。

将Al2O3薄膜按3种不同隔法插入FeGaB磁性薄膜中，分别讨论在不同隔法下表面涡流和体内涡流的抑制效果。以平行于导线方向为x轴建立坐标系，隔法示意图如图2所示。

图2 FeGaB薄膜隔法示意图

3 结果与讨论

涡流损耗模型在1.2 GHz高频下的表面涡流分布和体内涡流分布如图3所示。通过仿真得到该条件下表面损耗为21 564 W，体损耗为7 399 W。

图3 涡流分布图

3.1 表面涡流

图4为不同Al2O3厚度对应的表面涡流损耗在不同隔法条件下的变化趋势。采用隔法一、二的表面损耗未减小，且随着厚度的增加一直保持缓慢增长的趋势，因此，这两种方法未将涡流隔开，无法起到涡流抑制的效果。采用隔法三时，Al2O3厚度在5 nm内的表面损耗明显降低，之后虽有逐渐减小的趋势，但降低速率基本维持在5%以内，此法能显著抑制表面涡流损耗。因此，对于表面涡流的抑制，用隔法三的涡流抑制效果最好，为最优隔法。

图4 Al2O3薄膜厚度对表面涡流损耗的影响

采用隔法三，同时考虑Al2O3隔离层数对表面涡流损耗抑制的影响。如图5所示，在保持插入的Al2O3薄膜总厚度不变的情况下，将其分隔为2、3、4、5层，均匀间隔在FeGaB层中。当Al2O3总厚度取100 nm时，随着层数的增加，表面损耗明显降低，但3层之后降低速率低于20%，且降低速率逐渐趋于平缓。因此，3层隔离足以抑制表面涡流损耗。

图5 Al2O3薄膜层数对表面涡流损耗的影响

3.2 体内涡流

图6为不同Al2O3厚度对应的体内涡流损耗在不同隔法条件下的变化趋势。隔法一完全未起到抑制的效果，隔法三的体内损耗虽有持续减小的趋势，但效果不显著。采用隔法二时，在加入厚5 nm的Al2O3后，体内损耗降低了60%以上；当Al2O3厚约为30 nm时，涡流损耗最小，尽管之后有微小的增长趋势，但增长速率不到1%。因此，对于体内涡流的抑制，采用隔法二的涡流损耗抑制效果最好，为最优隔法。

图6 Al2O3薄膜厚度对体内损耗的影响

采用隔法二，同时考虑Al2O3隔离层数对体涡流损耗抑制的影响。如图7所示，将Al2O3层总厚度设定为涡流损耗最小值处的30 nm，将其分隔为2、3、4、5层。随着Al2O3层数的增加，体内损耗明显降低，同表面损耗一样，其在3层之后的降低速率逐渐趋缓。因此，3层隔离足以抑制体涡流损耗。

图7 Al2O3薄膜层数对体内损耗的影响

3.3 总涡流损耗

综合考虑表面涡流和体内涡流各自最优的隔法，采用了如图8所示的交叉隔法。分别计算了表面和体内的涡流损耗，其总损耗的仿真结果如图9所示。由图9可见，采用交叉隔的总涡流损耗最低。当加入的Al2O3厚度为10 nm时，采用隔法二、隔法三，总涡流损耗分别降低了约10%和47%，而采用交叉隔法的效果最好，降低了约65%。因此，采用交叉隔法是总涡流损耗抑制的最优方法。