Диссертация (Температурные и нелинейные характеристики резонансного магнитоэлектрического эффекта в структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик), страница 6

Практически все работы по теме демонстрируютпринципиальную возможность создания таких датчиков и приводят достигнутыехарактеристики, однако описания реально созданных макетов датчиков на сегодняшнийдень малочисленны.В основе принципа действия большинства датчиков постоянных полей,использующих МЭ эффект в планарных структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик,лежитзависимостьамплитудыпеременногоМЭнапряжения,генерируемогоструктурой, помещенной в переменное магнитное поле h с фиксированной амплитудой,от напряженности H постоянного магнитного поля смещения. В качестве примераприведем зависимость эффективности МЭ взаимодействия от поля (т.е, фактически,генерируемого напряжения от поля) из одной из первых работ [72] для многослойнойструктуры, содержащей чередующиеся слои никелевого феррита (NFO) и цирконататитаната свинца (PZT).

Кривая "transverse" отвечает направлению поля H в плоскостиструктуры, а кривая "longitudinal" - направлению поля H перпендикулярно к плоскостиструктуры. Видно, что в поле H = 0 в обоих случаях сигнал отсутствует, u растет сувеличением поля H, достигает максимума при поле Hм, отвечающем максимумуэффективности МЭ преобразования, а затем u стремится к нулю при насыщенииферромагнитного слоя.Рабочая область МЭ датчиков полей 0 < H < 0.5Hm, гдезависимость u(H) примерно линейна.

Ширина этой области, соответственно, зависит отсвойств материала ферромагнитного слоя и может составлять, как будет показано,единицыэрстеддляMetglas'аиединицыкилоэрстеддлягексаферритов.Чувствительность датчика u/H, как следует из рисунка 1.16, пропорциональна наклонукривой u(H) на начальном участке и зависит от характеристик используемогомагнитострикционного материала. При направлении поля H параллельно плоскостиэффекты размагничивания гораздо слабее, чем при поле, перпендикулярном плоскости,поэтому амплитуда генерируемого сигнала, как правило, значительно больше. По этойпричине в МЭ датчиках постоянных магнитных полей практически всегда структурурасполагают параллельно направлению постоянного поля.33Рис.

1.16. - Зависимость МЭ коэффициента от постоянного поля смещения H длямногослойной структуры NFO-PZT при ее касательном и перпендикулярномвозбуждении на частоте 1 кГц переменным полем с амплитудой h = 1 Э [72].В работе [73] показаны возможности детектирования слабых постоянныхмагнитных полей с помощью структур PZT-Metglas и PMN-PT-Metglas, содержащихпластину пьезоэлеткрика, на которую был наклеен слой аморфного ферромагнетикаMetglas. На рисунке 1.17 показана зависимость МЭ коэффициента обоих структур отприложенного поля при частоте переменного возбуждающего поля 1 кГц. Благодаряиспользованию аморфного сплава, который насыщается в слабых полях, удалосьполучить высокую чувствительность структур к магнитному полю.

Причем видно, чточувствительность структуры с PMN-PT в несколько раз выше, чем у структуры с PZT.Для обеих структур частоты акустического резонанса составляли около 30 кГц.34Рис. 1.17. - Зависимость МЭ коэффициента от постоянного поля для структурPZT-Metglas и PMN-PT-Metglas [73].Рис. 1.18. - Чувствительность структуры PMN-PT-Metglas к малымизменениям постоянного магнитного поля H [72].На рисунке 1.19 показана измеренная зависимость напряжения, генерируемогоструктурой PMN-PT-Metglas, от времени при ступенчатом изменении напряженностипостоянного поля H.

Четко видны скачки, соответствующие изменению пол на δH =5 нТл. В резонансном режиме, при частоте возбуждающего поля 27.8 кГц различимаявеличина скачков составляла δH = 1 нТл. Отсюда авторы делают вывод, что точностьизмерения слабых постоянных магнитных полей с помощью такой структурысоставляет ~1 нТл.35Рис. 1.19. - Зависимость напряжения с МЭ датчика от постоянного магнитногополя [72].В работе [74] описан аналогичный МЭ датчик постоянных магнитных полей,выполненный на основе структуры полимер PVDF - Metglas.

Датчик имел размеры вплоскости 10 мм х 20 мм, толщина слоя аморфного магнетика составляла 25 мкм,толщина слоя PVDF - 28 мкм. На рисунке 1.19 приведена измеренная зависимостьамплитуды, напряжения, генерируемого структурой, от напряженности постоянногомагнитного поля H при ее возбуждении переменным полем с частотой 1 кГц иамплитудой 3 Э. Видно, что чувствительность датчика составляет около u/H = 5 кВ/Тл(т.е. ~ 0.5 В/Э), а величина минимального регистрируемого поля – менее 10−12 Тл (т.е.около 10 нЭ). Кроме этого, авторы отметили высокую чувствительность датчика кориентации магнитного поля H в плоскости структуры, что может быть использованодля определения ориентации поля.В работе [75] исследовали МЭ датчик постоянных полей, выполненный на основеструктуры, содержащей диск из PZT и диск из гексаферрита SrAlFeO (с разнымиконцентрациямиAl),соединенныеэпоксиднымклеем.Благодарявысокойнамагниченности и большим полям насыщения гексаферритов, удалось реализоватьпрактически линейнуюзависимость генерируемого структурой напряженияотприложенного постоянного поля в диапазоне полей до 2 кЭ, как показано на рисунке1.20.

Линейность полученной зависимости авторы связывают с специфическойодноосной анизотропией гексаферритового слоя.36Рис. 1.20. - Зависимость сигнала с МЭ датчика на основе структурыгексаферрит-PZT, от постоянного поля H [75].Показано, что высокочувствительные МЭ датчики постоянных магнитных полей можноиспользовать для определения напряженности и ориентации магнитного поля Земли.В работе [76] был применен датчик на основе структуры пьезоволоконныйкомпозит - Metglas. Структуру помещали в возбуждающую катушку, через которуюпропускали ток силой 10 мА с частотой 1 кГц, создающий возбуждающее переменноемагнитное поле.

Чувствительность датчика к величине поля составляла 10−9 Тл, ачувствительность к ориентации поля - лучше 10−5 градуса. Поскольку поле Землисоставляет ~2∙10−5 Тл, то этого было вполне достаточно для прецизионного определениявеличины и направления поля Земли. На рисунке 1.21 в качестве примера показаноизмеренное распределение поля Земли в горизонтальной плоскости.Аналогичные исследования [77] продемонстрировали возможность точногоопределения ориентации магнитного поля Земли с помощью двух, расположенныхперпендикулярно друг другу "одномерных" МЭ датчиков постоянного магнитного поля(см.

рисунок 1.22). Каждый датчик представлял собой пластину PZT длиной 15 мм ишириной 1 мм, на которую была наклеена полоска Metglas'а. Обе помещены внутрьдлинной катушки, создающей37аbРис. 1.21. - Внешний вид (а) МЭ датчика для определения ориентациимагнитного поля и (b) зависимость напряжения на выходе датчика отнапряженности поля [77].Рис. 1.22. - Угловое распределение поля Земли, измеренное с помощью МЭдатчика [77].возбуждающее переменное поле с частотой, равной частоте продольного механическогорезонанса структуры. Благодаря выбранной геометрии, такой датчик оченьчувствителен к ориентации постоянного поля.

Разработанное устройство позволялоопределять ориентацию магнитного поля Земли с точностью 0.5 градуса. Авторыупомянутых работ полагают, что МЭ датчики могут найти широкое применение вразличных системах позиционирования и геомагнитной ориентации.38Как видно из представленного обзора, практически все МЭ датчики переменногомагнитного поля требуют для своей работы приложения постоянного магнитного поля.Лишь в последнее время появились работы, описывающие МЭ структуры, способныеработать без поля смещения: структуры из тонких эпитаксиальных слоёв сосмещающим слоем [78], композиты с неоднородной намагниченностью [79, 80],композитныеструктурыпьезоэлектрик-ферромагнетикизФМматериаловсгистерезисом [81, 82].

Очевидно, что создание МЭ чувствительных элементов, нетребующих поля смещения, крайне важно для применений, т.к. упрощает конструкцииМЭ устройств.392. Структуры и методы измерений2.1 Материалы и методы изготовления композитных структурСогласно выражению для МЭ коэффициента (1.6), эффективность резонансногоМЭ взаимодействия в композитной МЭ структуре зависит от параметров ПЭ материала,ФМ материала, а также от эффективных упругих параметров структуры:~31 112−31,где u - генерируемое структурой под действием магнитного поля напряжение, q11 –пьезомагнитный модуль ФМ слоя в направлении «11» (вдоль длинной стороны), d31 –пьезоэлектрический модуль ПЭ слоя, Q – акустическая добротность.Исходя из этого, можно сделать вывод, что для увеличения эффективностирезонансного МЭ преобразования структуры материалы пьезоэлектрических слоёвдолжны обладать большим пьезоэлектрическим модулем d31, малой относительнойдиэлектрической проницаемостью ε и высокой акустической добротностью Q, аматериалы магнитострикционных слоёв должны иметь большой пьезомагнитныймодуль q11, высокую добротность Q.Помимо перечисленных требований, важны доступность и технологичностьматериалов: возможность их механического скрепления друг с другом, согласованностькоэффициентов упругости, возможность нанесения электродов.В качестве одного из материалов для изготовления ПЭ слоёв структур былавыбрана сегнетоэлектрическая керамика на основе цирконата-титаната свинца (ЦТС,PZT) марки ЦТС-19.

Керамика PZT различных марок наиболее широко используется вкачестве материала ПЭ слоёв для композитных МЭ структур [83 - 85]. Она имеетбольшой пьезоэлектрический коэффициент d31 и неплохую механическую добротность(порядка 100). Пластины из керамики ЦТС-19 были предоставлены ОАО "НИИ "Элпа"(г.

Москва).Вторым ПЭ материалом был выбран лангатат (LGT) – кристалл составаLa3Ga5.5Ta0.5O14 семейства лангасита – пьезоэлектрический материал, применяемый дляизготовлениятемпературно-стабильныхширокополосныхмонолитныхфильтров,датчиков давления, резонаторов и т.д. Хотя пьезоэлектрические коэффициентылангатата на порядок меньше, чем у керамики ЦТС, этот материал обладает рядом40преимуществ, которые делают его перспективным для применения в композитных МЭструктурах [86 - 88]: Высокая механическая добротность; Отсутствие пироэлектрического эффекта; Высокое удельное сопротивление; Широкий температурный диапазон; Постоянный в диапазоне температур до 600 °C пьезомодуль d11 (изменение d11до температуры 450 °C не более 5%); Малая диэлектрическая проницаемость.Отсутствие пироэлектрического эффекта является важным фактором дляулучшения чувствительности датчиков магнитного поля на основе композитных МЭструктур [64].Пластины лангатата X-среза [001] были предоставлены ОАО «Фомос-Материалс»(г.