Диссертация (Температурные и нелинейные характеристики резонансного магнитоэлектрического эффекта в структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик), страница 16

Амплитуда напряжения вструктуре LGT-Ni без поля смещения всего в ~2 раза меньше, чем при оптимальномполе H ~ 80 Э;- Амплитуда МЭ напряжения обращается в нуль u1 = 0 при полях смещения H ~±40 Э, как и для образца в размагниченном состоянии;- При полях смещения H ~ ± 100 Э амплитуда МЭ напряжения u1 максимальна.- Все перечисленные особенности характеристик резонансного МЭ эффектанаблюдались и на частоте f2 планарных акустических колебаний структуры.5.1.2 Связь характеристик МЭ эффекта с намагниченностьюДля объяснения поведения кривых на рис.

5.2 используем известный факт, чтоамплитуда МЭ напряжения пропорциональна пьезомодулю u ~ q(H)=∂λ/∂H [108], а109магнитострикция ФМ слоя связана с его намагниченностью как λ ~ M2 [95]. На рис. 5.3апоказана измеренная петля намагничивания пленки Ni толщиной 12 мкм при измененииH в тех же пределах, что и на рис. 5.2. Коэрцитивное поле равно Hc ≈ 40 Э, а остаточнаянамагниченность при H = 0 составляет Mr/Ms ~30% от намагниченности насыщения Ms.На рис. 5.3б показана зависимость M2(H), рассчитанная с использованием данных рис.5.3а, а на рис. 5.3в - зависимость q(H) ~∂(M2)/∂H ~ рассчитанная путемдифференцирования кривой на рис 5.3б.а)M, a.u.0,40,220,0-0,21-0,42б)M , a.u.-300 -200 -10020030001002003000100200300100,22dM /dH100200-300 -200 -100в)00,10,0-300 -200 -100H, ЭРис.

5.3. Зависимость намагниченности M, квадратанамагниченности M2 и второй производной намагниченностиdM2/dH Ni от постоянного поля.Видно, что форма зависимости u1(H) на рис. 5.2 качественно хорошо повторяетформу кривой на рис. 5.3в. Как МЭ напряжение u1, так и производная ∂(M2)/∂H вструктуре с магнитным гистерезисом отличны от нуля при H = 0 и равны нулю при110коэрцитивном поле Hc ≈ 40 Э, когда M обращается в нуль. Максимумы обеих кривых,соответствующих увеличению и уменьшению H, смещены друг относительно другапримерно на те же 40 Э. Однако величины максимумов u1(H) на рис.

5.2 равны, в товремя как величины максимумов на рис. 5.3в не совпадают. Это различие объясняетсяособенностямиперемагничиванияФМслоя.Приизмерениикривыхu1(H)устанавливали фиксированное поле H и модулировали его с малой амплитудой h ~1 Э.Соответственно, для оценки производной ∂(M2)/∂H правильнее было бы использовать непредельную, а частные петли гистерезиса, расположенные вблизи того же поля H. Навставках рис. 5.3а показаны частные петли гистерезиса ФМ слоя, измеренные вблизимаксимумов.

Видно, что наклон петель практически одинаков, что и даст одинаковуювеличину максимумов производной на рис. 5.3в.Таким образом, в композитных структурах, содержащих ФМ слой с магнитнымгистерезисом, наличие остаточной намагниченности приводит к существованию МЭэффекта без внешнего постоянного поля смещения. Величина эффекта зависит отформы кривой намагничивания ФМ слоя и в структурах с Ni всего в ~2 раза меньше,чем при оптимальном поле смещения, что согласуется с результатами [81].5.1.3 Характеристики линейного датчика магнитного поля с нулевым полемсмещенияНа рис.

5.4 приведены температурные зависимости МЭ напряжений u1(T) иu2(T), резонансных частот f1(T) и f2(T), и добротностей Q1(T) и Q2(T) для изгибного ипродольного резонансов описанной монолитной LGT-Ni структуры, измеренные вотсутствие поля смещения H = 0.Видно, что частота изгибного резонанса изменяется не более, чем на ~1%, ачастота продольного резонанса – на ~ 0.5 % с повышением температуры в интервале от150 до 400 К. Добротности резонансов практически не изменяются при нагреванииобразца от комнатной температуры до 400 К, но возрастают от Q ~ 2000 до высокихзначений Q ~ 8000 при охлаждении образца до 150 К.

Постоянство частотсвидетельствует о независимости модулей Юнга слоев структуры от температуры, арост добротности демонстрирует уменьшение в ~4 раза внутренних потерь в структурепри понижении температуры.1113u2u, В21010u115020025030035040020025030035040072f, кГцf2712,62,5f11508Q,1036Q24Q120150200250300350400T, KРис. 5.4. Температурные характеристики резонансного МЭ эффектав монолитной структуре LGT-Ni.Отметим различное поведение напряжений u1 и u2 при изменении температуры:для изгибного резонанса u1 уменьшается как при нагревании, так и при охлажденииобразца от комнатной температуры, а для продольного резонанса u2 монотонноуменьшается на порядок с ростом T.

Диэлектрические параметры LGT кристалла d11 иε11, в отличие от аналогичных параметров СЭ материалов PZT и PMN-PT, слабо зависятот температуры [109]. Поэтому падение напряжений с ростом температурыобусловлено, в первую очередь, уменьшением акустической добротности образца (см.рис.

5.4с). Аномальное поведение зависимости u1(T) в области температур нижекомнатной связано, по-видимому, с изменением характеристик ФМ слоя. Поскольку112структура была изготовлена при комнатной температуре, то при охлаждении илинагревании, вследствие различия коэффициентов теплового расширения (для LGT - 5.5K−1, Ni – 13.5 K−1) она деформируется и в слое Ni возникает наведенная магнитнаяанизотропия. Поле анизотропии Ha вызывает изменение формы кривой намагничиванияM(H), что как показано ранее, может привести к изменению пьезомодуля q ~ ∂(M2)/∂H исоответствующему уменьшению МЭ напряжения u1. Однако, для однозначнойинтерпретации температурных зависимостей МЭ характеристик в данной структуренеобходимыдополнительныеизмерениянаобразцах,изготовленныхразнымиметодами.На рис. 5.5 приведены зависимости МЭ напряжений u1 и u2 на частотах изгибныхи планарных колебаний LGT-Ni структуры от амплитуды возбуждающего поля h,измеренные в отсутствие постоянного поля смещения H = 0.

Видно, что в диапазонеполей шириной более 6 порядков обе зависимости практически линейны.2u, мВ1020101-210-410-610-410-2h, Э10010Рис. 5.5. Зависимости МЭ напряжений u1 (кривая 1) и u2 (кривая 2),генерируемых LGT-Ni структурой на частоте изгибных и планарныхколебаний, от амплитуды переменного поля h без постоянного поля H = 0.Дляизгибногорезонансакоэффициентчувствительностиструктурыкмагнитному полю составлял u1/h = 140 мВ/Э, а для планарного – u2/h = 1060 мВ/Э.Минимальная величина регистрируемого структурой поля равнялась ~10−6 Э иограничивалась шумами измерительной схемы.113Таблица 5.1.

Характеристики датчика магнитного поля.Чувствительность1 В/ЭДиапазон полей10-6Э – 1 ЭЧастота измеряемого поля70 кГцОтсюда следует, что композитные структуры, содержащие ФМ слои с гистерезисом, могутпослужить основой для изготовления высокочувствительных МЭ датчиков переменных магнитныхполей, работающих без внешнего магнитного поля смещения. Отсутствие дополнительноймагнитной системы существенно упрощает конструкцию МЭ датчиков, уменьшает их габариты ивес.5.2 Датчик на эффекте смешения полейПри создании широкополосных МЭ датчиков до последнего времени использовалилинейный МЭ эффект и схему прямого усиления сигнала на частоте измеряемого магнитного поля.Спектр частот поля в этом случае находится с помощью преобразования Фурье выходного сигналадатчика.

Недостатками МЭ датчиков прямого усиления являются падение амплитуды u сигнала изза омических потерь [110] и рост мощности собственных шумов [111] с уменьшением частотыизмеряемого поля в области f < 1 кГц. Кроме того, в низкочастотной области сопротивлениядатчиков достигает десятков МОм. Эти факторы совместно приводят к росту минимальногорегистрируемого поля hmin, сужению динамического диапазона датчиков и усложнению схемобработки сигналов МЭ датчиков в низкочастотной области.Как известно из радиотехники, лучшими характеристиками обладают приемники,использующие гетеродинную схему.

Основными элементами такого приемника являютсясмеситель, осуществляющий перенос частоты сигнала, и узкополосный усилитель. Для датчикамагнитных полей гетеродинного типа ключевым элементом является смеситель полей.Эффективное смешение полей, как показано в [110, A5], может быть реализовано с использованиемнелинейного МЭ эффекта в композитных ФМ-ПЭ структурах. Продемонстрировано уменьшениешумов и повышение чувствительности МЭ датчиков за счет переноса частоты поля [110,111]. Всеэто стимулирует разработку МЭ датчиков магнитных полей гетеродинного типа, чему и посвященанастоящая работа.114Принцип работы и конструкция датчикаПринцип работы датчика магнитных полей гетеродинного типа поясняет рис.

5.6.МЭ структура, осуществляющая смешение магнитных полей, помещается в измеряемоепеременное магнитное поле h1(f1) с частотой f1 и поле накачки h2(f2) с перестраиваемойчастотой f2. Как показано в [62], благодаря нелинейности магнитострикции λ(H),структура генерирует напряжение с частотойf 0  f1  f 2 , которое поступает наузкополосный усилитель, настроенный на суммарную или разностную частоту f0.Амплитуда напряжения на выходе датчика u =Aph1h2 , где A - коэффициент, зависящийот параметров структуры и коэффициента усиления усилителя, p   2  / H 2-пьезомагнитный коэффициент ферромагнитного слоя. Частота измеряемого поля f1определяется из условия синхронизма f1  f 0  f 2 по известной частоте накачки f2 вмомент появления сигнала на выходе усилителя.h1(f1)МЭсмесительУзкополосныйусилительu(f1±f2)h2(f2)ГенераторРис.

5.6. К сравнению принципа работы МЭ датчика на смешенииполей и гетеродинного приёмника.На рис. 5.7 показана конструкция МЭ смесителя на основе композитнойструктуры. Структура содержала слой пьезоэлектрического лангатата (FOMOSMaterials,составLa3Ga5.5Ta0.5O14,размеры30x7x0.47мм3,диэлектрическаяпроницаемость ε ≈ 22, пьезомодуль d11 ≈5/2 пм/В) с Ti-Pt электродами и слойаморфного ферромагнетика (фирмы Metglass, размеры 30x7x0.02 мм3, магнитострикциянасыщения λS ≈ 20∙10−6 в поле HS ≈ 50 Э). Слои структуры были соединеныэпоксидным клеем. Поле накачки c амплитудой h2 = 0-1 Э и частотой f2 = 20 Гц -200кГц создавали с помощью электромагнитной катушки, охватывающей структуру исоединенной с генератором.

Измеряемое переменное поле h1 создавали с помощьюколец Гельмгольца и прикладывали параллельно h2 вдоль длинной оси структуры.Кроме того, параллельно длинной оси структуры прикладывали постоянное поле Hвеличиной до 100 Э.115Рис. 5.7. Конструкция МЭ смесителя магнитных полей. Измеряемое поле h1,поле накачки h2.создано катушкой. Стрелки указывают направленияполяризации и магнитных полей.Результаты измеренийНа рис. 5.8 приведены частотные характеристики МЭ датчика прямого усиления иМЭ датчика гетеродинного типа, изготовленных на основе ФМ-ПЭ структуры.Зависимостьu(f1)дляМЭструктуры (рис.