FeGaB磁性薄膜中涡流损耗抑制方法的仿真

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。

图8 交叉隔法示意图

图9 Al2O3薄膜厚度对涡流损耗的影响

4 结束语

为了提高体声波磁电天线的辐射效率，采用有限元数值仿真法建立了FeGaB磁性薄膜在高频磁场中的涡流损耗模型，分析了涡流损耗的抑制方法。综合考虑表面涡流损耗和体内涡流损耗，得到了一种交叉隔法，对总涡流损耗的抑制高于65%。该研究成果对体声波磁电天线的器件设计与工艺制备具有重要指导意义。