《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Theoretical analysis of differential geomagnetic-field transduction with YIG oscillators
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•反向偏置的YIG谐振器对可抑制共模热漂移。•拍频对纵向场具有2γ的灵敏度。•单个YIG振荡器表现出0.012°的角度灵敏度。•Mumax3仿真验证了差分转换模型。引言地磁测量要求在存在温度漂移和低频噪声的情况下恢复弱准静态磁场的大小和方向。因此，一个有用的换能器应当具有较大
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反向偏置的YIG谐振器对可抑制共模热漂移。
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拍频对纵向场具有2的灵敏度。
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单个YIG振荡器表现出0.012°的角度灵敏度。
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Mumax3仿真验证了差分转换模型。
引言
地磁测量要求在存在温度漂移和低频噪声的情况下恢复弱准静态磁场的大小和方向。因此，一个有用的换能器应当具有较大的场到信号转换系数，同时具备方向选择性和对不携带被测场信息的扰动的抑制能力。这些要求在用于地磁导航和监测时尤为重要，但本文要解决的核心问题是基础磁场转换物理学，而非特定应用或仪器构造[1]、[2]、[3]。
磁场传感有着悠久而广泛的历史，读者可参阅多篇综述和专著以获取背景信息[1]–[5]。感应式、磁通门式和磁阻式换能器分别基于法拉第定律、软磁芯的非线性磁导率以及磁电效应[4]、[6]；而本工作属于谐振式换能器的范畴，其中被测磁场使磁性元件的本征频率发生偏移，并读取为频率变化。对于此类换能器，其基本限制不仅取决于频率分辨率，还取决于频率参考对温度和电源扰动的稳定性，这也是分析此处差分架构的动机所在。
转换元件是外延生长的铁氧体钇（YIG）薄膜。YIG是一种亚铁磁绝缘体，具有已知最小的磁阻尼，这使其铁磁共振线宽异常窄，磁静模式寿命长[7]、[8]。这些特性使YIG成为微波磁学中的参考材料[9]–[11]，近年来也成为自旋子磁学和自旋子自旋电子学的参考材料[8]、[12]。饱和薄膜的磁静模式谱在Damon和Eshbach的经典工作中得到描述[13]，随后被推广以包含交换作用和任意各向异性[14]；本换能器中使用的均匀正体积模式是该谱的长波长极限。
高值铁氧体钇（YIG）谐振器之所以适合此用途，是因为其磁静模式频率直接由平衡内磁场控制[15]–[17]。将谐振器嵌入微波反馈环路中，可将微小的磁场变化转化为频率偏移，从而可在无需幅度校准的情况下进行测量。然而，同一频率也受饱和磁化强度的温度依赖性和振荡器扰动的影响。关键的理论问题在于：两个反向偏置YIG谐振器的对称性是否能将期望的磁响应与共模频率漂移分离开来。我们分析了理想差分机制，并量化了在何种匹配、热学、噪声和对准条件下预期能够实现这种分离。现有实验仅涉及一个振荡器；文中未声明共模抑制或差分噪声本底的实验验证。
章节摘录
物理原理与理论模型
单个轴换能器由两个名义上相同的YIG振荡器组成，其输出频率相减。令表示薄膜法线和感应轴。在没有被测场的情况下，谐振器由和偏置。偏置必须足够强，以使两块薄膜沿其平面法线方向饱和。在此状态下，静态退磁化场与磁化强度反平行，幅值为。在平衡态对朗道-Lifshitz方程进行线性化……
单振荡器实验说明与局限性
实验谐振器为激光划线制备的2×2 mm元件，取自生长于(111)钆镓石榴石衬底上的厚外延YIG薄膜。在法向偏置场 Oe下，2–3 GHz范围的微波表征给出约4 dB的插入损耗和负载品质因数。这些量决定了反馈环路能否维持频谱选择性振荡；场到频率的系数主要由磁学决定……
数值微观磁学建模
仿真使用了有限差分求解器mumax3[26]，该求解器积分带有Gilbert阻尼[27]、[28]的朗道-Lifshitz方程；同样的问题也可用OOMMF[29]进行交叉验证。动力学针对一个代表性的 YIG元件进行计算，其饱和磁化强度 A/m，交换刚度 pJ/m，这与外延YIG薄膜交换常数的微波测量结果一致[30]。在面内施加周期性边界条件……
结论
解析模型预测，理想的一对反向偏置YIG谐振器具有的一阶频率差系数。均匀热漂移和二次横向项仅在配对匹配极限下才会抵消。推导出的要求表明，纳特斯拉级运行需要紧密匹配的温度系数、毫开尔文以下控制谐振器间梯度、校准后的轴几何结构，以及由方程(7)量化的拍频稳定性。在网格……
CRediT作者贡献声明
A.S. Ptashenko：撰写—初稿、可视化、形式分析、数据整理、概念化。V.V. Tikhonov：验证、监督、软件、方法论、资金获取、形式分析、数据整理、概念化。A.V. Sadovnikov：验证、监督、软件、资源、项目管理、方法论。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究得到俄罗斯科学基金会（项目编号23-79-30027）的支持。
A.S. Ptashenko|V.V. Tikhonov|A.V. Sadovnikov
