Диссертация (Температурные и нелинейные характеристики резонансного магнитоэлектрического эффекта в структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик), страница 17

5.8a) снята при полеh1 = 0.1 Э, поле накачки h2 = 0 ипостоянном поле смещения H = 7 Э,соответствующемпьезомагнитногомаксимумукоэффициентаq   / H для ФМ слоя. Амплитудагенерируемого напряжения во всейполосе частот не превышала u ≈ 1 мВ.Пик вблизи частоты fr = 71.15 кГц самплитудой 0.7 В, добротностью Q0 ≈Рис. 5.8. a – Зависимость напряженияот частоты для МЭ датчика прямогоусиления при h1= 0.1 Э, h2 = 0 и H = 7 Э иh2 = 0; b – Зависимости напряжения отчастоты для МЭ датчика гетеродинного типапри различных частотах f2 = 10…70 кГц , h2= 1 Э и H = 0.1400 и шириной Δf ≈ 50 Гц на уровне0.7 соответствуетвозбуждениювструктуре планарных акустическихколебаний.Вставкапоказываетформунарис.резонанса5.8aвувеличенном масштабе.

Из рис. 5.8a116следует,чтодатчикапрямогоиспользующегоэффект,чувствительностьусиления,линейныйсоставляетвМЭширокойполосе частот вне резонанса u/H~10мВ/Э и в узкой полосе частот вблизирезонанса u/H ~7 В/Э.Нелинейность МЭ эффекта иналичие акустического резонансапозволяют реализовать на основеФМ-ПЭ структуры датчик полейгетеродинноготипабезузкополосного усилителя. Как видноиз рис. 5.8a, резонанс приводит кувеличениюРис. 5.9.

Зависимость выходного напряженияu от амплитуды измеряемого поля h1 для: 1 МЭ датчика прямого усиления на частоте f1 =10 кГц, 2 - МЭ датчика прямого усиления начастоте резонанса f1 = fr, 3 - МЭ датчикагетеродинного типа на частоте f1 = 20 кГц,h2 = 1 Э.генерируемогонапряжения в Q ~103 раз и фильтрации выходного сигнала в полосе частот ~70 Гц.На рис. 5.8b приведены зависимости МЭ напряжения u от частоты измеряемогополя f1, снятые при поле h1 = 0.1 Э и поле накачки h2 = 1 Э. Зависимости получены безполя смещения H = 0, когда эффективность смешения частот максимальна [A5].

Кривыесоответствуют различным фиксированным частотам накачки f2 от 10 кГц до 70 кГц иналожены на один рисунок. Отметим, что частота напряжения в каждом максимумеравна частоте акустического резонанса fr. Постоянство амплитуды пиков при понижениичастоты свидетельствует о частотной независимости эффективности нелинейногосмешения полей.

При воздействии на датчик поля h1 с широким спектром сканированиечастоты накачки f2 приводит к последовательному воспроизведению спектра частотизмеряемого поля с разрешением по частоте δf ≈ 0.07 кГц. Как следует из рис. 5.8b,чувствительность датчика гетеродинного типа составляет u/H ~ 0.2 В/Э.Данные, приведённые на рис. 5.9, позволяют сравнить чувствительности ипредельные регистрируемые поля МЭ датчиков прямого усиления и МЭ датчикагетеродинного типа. Зависимость u(h1) для широкополосного МЭ датчика снята начастоте f1 = 10 кГц, а для резонансного датчика - на частоте f1 = fr. Зависимость u(h1) длядатчика гетеродинного типа снята при частоте f1 = 20 кГц и поле накачки h2 = 1 Э.117Величина минимального измеряемого поля в нашем случае определялась шумамиизмерительной схемы uN ~1 мкВ.

Видно, что в диапазоне полей до ~1 Э сигнал всехдатчиков примерно линейно зависит от поля. Чувствительность разработанногогетеродинного МЭ датчика в ~35 раз выше чувствительности широкополосного МЭдатчика прямого усиления, но в ~40 раз меньше чувствительности резонансногодатчика. Минимальное поле, регистрируемое гетеродинным датчиком, составлялоh1min ≈ 10−5 Э. Преимуществом гетеродинного датчика является широкий диапазонрабочих частот.В заключение отметим, что использование изгибных типов колебаний структур,вместо планарных, позволяет снизить частоту акустического резонанса до ~0.1 кГц иоткрывает возможности создания гетеродинных МЭ датчиков для низкочастотныхмагнитных полей [111,112].

Применение тонкопленочных ФМ-ПЭ структур и методовMEMS технологии позволит уменьшить линейные размеры МЭ датчиков полейгетеродинного типа до долей миллиметра.5.3 Выводы по главеТакимобразом,показано,чтовкомпозитныхпланарныхструктурахферромагнетик-пьезоэлектрик зависимость характеристик МЭ эффекта от магнитногополя определяются видом кривых перемагничивания ФМ слоя.

При использовании ФМслоя из материала с магнитным гистерезисом, эффект имеет место в отсутствиевнешнего постоянного поля смещения. Для структуры лангатат-никель эффективностьМЭ взаимодействия без поля достигала ~3 В/см∙Э на частоте изгибных колебанийструктуры и ~23 В/см∙Э на частоте планарных колебаний структуры, что всего в двараза ниже, чем при оптимальном постоянном поле смещения ~100 Э.

Понижениетемпературы от комнатной до 150 К приводит к 2-х кратному увеличениюэффективности МЭ взаимодействия на частоте планарных колебаний из-за повышенияакустической добротности структуры. На характеристики МЭ эффекта влияет разницакоэффициентов теплового расширения слоев структуры. Результаты демонстрируютвозможность создания на основе структур лангатат-никель МЭ датчиков переменныхполей с чувствительностью до ~1 В/Э, позволяющих регистрировать минимальные полядо ~10−6 Э и работающих без поля смещения.118Также предложен и реализован широкополосный частотно-селективный датчикмагнитных полей гетеродинного типа, использующий нелинейный МЭ эффект впланарной структуре лангатат - аморфный ферромагнетик. Смешение полей в структурепроисходит вследствие нелинейности магнитострикции ферромагнетика.

Показано, чтофильтрацию и усиление сигнала датчика можно осуществить с помощью резонансапланарных или изгибных акустических колебаний структуры. Датчик гетеродинноготипа обладает на ~2 порядка большей чувствительностью, чем датчики, использующиелинейный МЭ эффект. Датчик работает без постоянного поля смещения, позволяетрегистрировать поля с минимальной амплитудой до ~10−5 Э в диапазоне частот отединиц кГц до ~ 70 кГц и разрешением по частоте до ~0.1 кГц.119Основные результаты и выводы диссертации1.Изготовленаавтоматизированнаяустановкадляисследованиятемпературныххарактеристик МЭ эффекта в композитных структурах методом низкочастотной модуляциимагнитного поля в диапазоне температур от 200 К до 400 К.2.

Исследованы температурные характеристики резонансного МЭ взаимодействия вдвухслойных структурах PZT-Ni, PZT-Metglas, LGT-Ni, LGT-Metglas на частотах изгибных ипланарных колебаний. Для исследованных структур температурный диапазон эффективногорезонансного МЭ преобразования составляет от 200 К до 380 К. Показано, что с ростом температурыкоэффициент резонансного МЭ преобразования αE в структурах со слоем пьезокерамики падает из-заувеличения относительной диэлектрической проницаемости, а в структурах со слоеммонокристаллического лангатата – из-за уменьшения акустической добротности кристалла.Установлено, что изменение резонансной частоты композитных МЭ структур с температуройопределяетсяизменениеммодулейЮнгаматериаловслоёв.Показанавозможностьтермостабилизация резонансной частоты структур путем использования ферромагнитных ипьезоэлектрических слоев с разными температурными коэффициентами модулей Юнга.3. Исследованы и объяснены нелинейные резонансные МЭ эффекты удвоения частоты исмешения магнитных полей в композитных структурах с магнитными слоями из Ni, пермендюра иаморфного сплава, возникающие из-за нелинейности магнитострикции ферромагнетика.

Показано,что величина эффектов пропорциональна нелинейному пьезомагнитному коэффициенту магнитногослоя, амплитуда сигнала с удвоенной частотой растет квадратично с увеличением поля,эффективность смешения полей линейно зависит от их амплитуды. Наибольшие по величиненелинейные эффекты наблюдаются в структурах со слоями из аморфного ферромагнетика Metglas.4. Обнаружен, исследован и объяснен эффект статической деформации ферромагнетика впеременном магнитном поле, обусловленный нелинейной зависимостью магнитострикции отпостоянного магнитного поля.5.

Изготовлены и исследованы макеты высокочувствительных МЭ датчиков магнитных полей,работающих без постоянного поля смещения. Датчик, на основе структуры Ni-PZT, содержащий слойиз ферромагнитного материала (никель) с гистерезисом, имел чувствительность 1 В/Э.Широкополосный датчик, использующий нелинейный МЭ эффект смешения магнитных полей вструктуре LGT-Metglas имел чувствительность 0.2 В/Э, работал в полосе частот 1-70 кГц и обладалчастотным разрешением ~ 50 Гц.120Основные публикации по теме диссертацииСтатьи в журналахA1. Бурдин Д.

А., Фетисов Ю. К., Чашин Д. В., Экономов Н. А. Влияние температурына характеристики резонансного магнитоэлектрического эффекта в структуре магниониобаттитанат свинца – никель // Письма в ЖТФ. — 2012. — Т. 38. - № 6. - С. 41-47.A2. Burdin D. A., Fetisov Y. K., Chashin D. V., Segalla A.

G, Srinivasan G. Multiferroicbending mode resonators and studies on temperature dependence of magnetoelectric interactions //Appl. Phys. Lett. – 2012. - Vol. 100. - Paper 242902.A3. Бурдин Д. А., Фетисов Ю. К., Чашин Д. В., Экономов Н. А. Температурныехарактеристики магнитоэлектрического взаимодействия в дисковых резонаторах цирконаттитанат свинца – никель // Журнал технической физики. – 2013. – Т. 83 - С.

107-112.A4. Бурдин Д. А., Фетисов Ю. К., Чашин Д. В., Экономов Н. А. Температурныехарактеристики магнитоэлектрического взаимодействия в композитных резонаторах лангататферромагнетик. // Известия РАН. Серия физическая. – 2014. - Т. 78. - № 2. - С. 200-202.A5. Burdin D. A., Fetisov Y. K., Chashin D. V., Ekonomov N. A., Fetisov L. Y., ShrinivasuluG. et al.

Resonance mixing of alternating current magnetic fields in a multiferroic composite // Journalof Applied Physics. – 2013. – V.113. - Paper 033902.A6. D.A. Burdin, D. V. Chashin, N. A. Ekonomov, L. Y. Fetisov, Y. K. Fetisov, G. SrinivasanG. Sreenivasulu, Nonlinear magnetoelectric effects in planar ferromagnetic-piezoelectric structures //JMMM. – 2014. - V. 358- 359.