Автореферат (Резонансные магнитоэлектрические эффекты в структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик и металл-пьезоэлектрик и датчики магнитных полей на их основе)

1На правах рукописиЧАШИН ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧРезонансные магнитоэлектрические эффекты в структурахферромагнетик-пьезоэлектрик и металл-пьезоэлектрики датчики магнитных полей на их основеСпециальность 05.27.01 Твердотельная электроника, радиоэлектронныекомпоненты, микро - и нано - электроника,приборы на квантовых эффектахАВТОРЕФЕРАТдиссертация на соискание учёной степени кандидататехнических наукМосква 20162Работа выполнена в Научно-образовательном центре «Магнитоэлектрическиематериалы и устройства» федерального государственного бюджетного образовательногоучреждения высшего образования «Московский технологический университет» (МИРЭА).Научный руководитель:Фетисов Юрий Константинович, докторфизико-математических наук, профессор,директор НОЦ "Магнитоэлектрическиематериалы и устройства" ФГБОУ ВО«Московский технологический университет» (МИРЭА)Официальные оппоненты:Филиппов Дмитрий Александрович, докторфизико-математических наук, профессор,заведующийкафедрой"Технологиямашиностроения" ФГБОУ ВО "Новгородский государственный университет имениЯрослава Мудрого"Ползикова Наталья Ивановна, докторфизико-математических наук, заведующаялабораторией ФГБУН «Институт радиотехники и электроники имени В.А.

Котельникова» РАН.Ведущая организацияНаучно-конструкторское техническое бюро«Пьезоприбор» ФГБОУ ВО «Южныйфедеральный университет».Защита состоится ____________ 2016 года в ______ на заседании диссертационного советаД212.131.02,созданногонаобразовательного учреждениябазефедеральногогосударственногобюджетноговысшего образования "Московский технологическийуниверситет" (МИРЭА) по адресу 119454 Москва, пр.

Вернадского, д. 78.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на официальном сайте МИРЭАhttp://www.mirea.ru/Автореферат разослан "___"________ 2016 г.Ученый секретарь диссертационного советаД212.131.02А.Н. Юрасов3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыИнтерес к магнитоэлектрическим (МЭ) эффектам в композитных структурах, содержащих механически связанные металлические и пьезоэлектрические (ПЭ) слои, вызванперспективами их использования для создания новых устройств твердотельной электроники и микросистемной техники, таких как высокочувствительные датчики магнитных полей,управляемые устройства обработки радио- и сверхвысокочастотных сигналов, элементымагнитной памяти нового типа, автономные источники электрической энергии [1,2].Магнитоэлектрические эффекты в композитных структурах проявляются в генерации структурой электрического напряжения под действием внешнего магнитного поля(прямой эффект) или генерации магнитного поля при приложении к структуре электрического напряжения (обратный эффект).

При прямом МЭ эффекте электрическое напряжениегенерируется в ПЭ слое вследствие пьезоэффекта из-за его деформации со стороны механически связанного с ним металлического слоя. Деформация металлического слоя под действием магнитного поля, в свою очередь, может быть обусловлена магнитострикцией, еслион изготовлен из ферромагнитного (ФМ) металла, либо силой Ампера, если через металлтечет электрический ток.К началу работы над диссертацией были достаточно хорошо изучены МЭ эффекты вслоистых композитных структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик.

Показано, что для увеличения эффективности МЭ преобразования необходимо использовать ПЭ слои из материалов с большим пьезомодулем d (керамика цирконата-титаната свинца, кристаллы магниониобата-титаната свинца, крислаллы лангатата, ниобата лития и т.д.) и ФМ слои из металлов с большой магнитострикцией λ (Ni, Co, FeCo, FeGa, аморфные и редкоземельныесплавы и т.д.) [2,3]. Амплитуда генерируемого ПЭ слоем напряжения пропорциональнаяего деформации и резко возрастает при частотах магнитного поля, приводящих к резонансному возбуждению акустических колебаний в структуре [4]. За счет подбора ПЭ и ФМ материалов, оптимизации геометрии и размеров структур удалось достичь эффективности МЭпреобразования до ~1 В/(Э∙см) в широкой полосе частот магнитных полей и до ~102В/(Э∙см) на частотах акустических резонансов структур.Были обнаружены МЭ эффекты в композитных структурах металл-ПЭ со слоями изнеферромагнитного металла, через который пропускали переменный электрический ток [5].Действующая на проводник с током в магнитном поле сила Ампера вызывала деформациюметаллического слоя, которая передавалась соединенному с ним ПЭ слою и приводила кгенерации электрического напряжения.

Величина МЭ эффекта в таких структурах оказа-4лась малой, амплитуда генерируемого напряжения не превышала единиц милливольт, чтоограничивало возможности использования таких структур. Продемонстрировано, что МЭэффекты, обусловленные комбинацией силы Ампера и пьезоэффекта, можно использоватьдля создания датчиков постоянных магнитных полей. Однако низкая чувствительность таких датчиков не позволяла им конкурировать с датчиками на основе эффекта Холла, эффекта магнетосопротивления и другими.Вместе с тем, многие вопросы, касающиеся технологий изготовления композитныхструктур, особенностей резонансного МЭ взаимодействия в таких структурах и возможныхнаправлений их применения в микроэлектронике и микросистемной технике были изученыявно недостаточно.

В частности, необходимо было разработать технологию изготовлениямонолитных структур металл-пьезоэлектрик, альтернативную клеевому соединению слоев,которая позволила бы повысить акустическую добротность структур и увеличить эффективность МЭ взаимодействия в резонансом режиме. Крайне ограничены были экспериментальные данные по влиянию толщин металлического слоя на характеристики резонансногоМЭ взаимодействия в композитных структурах. Отсутствовали исследования МЭ эффектовв структурах металл – пьезоэлектрик, обусловленные силой Ампера в условиях акустического резонанса. Необходимо было продемонстрировать возможности применения МЭ эффектов в структурах металл-пьезоэлектрик для создания конкурентоспособных устройств, втом числе – датчиков магнитных полей.Важность решения поставленных вопросов для использования МЭ эффектов вструктурах ферромагнетик-пьезоэлектрик и металл-пьезоэлектрик в микроэлектронике имикросистемной технике и определяет актуальность и своевременность темы диссертационной работы.Цель работы: исследование резонансных МЭ эффектов в композитных структурахферромагнетик-пьезоэлектрик и металл-пьезоэлектрик и демонстрация возможностей ихиспользования для создания высокочувствительных датчиков магнитных полей.Основные задачи работы следующие:1.

Исследовать резонансные МЭ эффекты в композитных дисковых резонаторахферромагнетик-пьезоэлектрик, изготовленных методом склеивания и электролитическогоосаждения никеля, обусловленные магнитострикцией ферромагнитного слоя.2. Исследовать резонансные МЭ эффекты в структурах металл-пьезоэлектрик различнойформы, обусловленные силой Ампера.53. Продемонстрировать возможности создания датчиков постоянных магнитных полей сиспользованием резонансных МЭ эффектов в композитных структурах, обусловленныхсилой Ампера.Научная новизна работы:1. Впервые экспериментально исследовано влияние толщины ферромагнитного слоя нахарактеристики резонансного МЭ эффекта в дисковых структурах никель-пьезоэлектрик.2.

Впервые обнаружен, исследован и объяснен пьезоиндукционный эффект в кольцевыхструктурах металл-пьезоэлектрик.3. Впервые обнаружены и исследованы резонансные МЭ эффекты в композитныхструктурах металл-пьезоэлектрик в форме кольца и плоского биморфа, обусловленныесилой Ампера.4. Предложены и реализованы новые принципы создания датчиков постоянных магнитныхполей с пользованием резонансных МЭ эффектов в композитных структурах металл пьезоэлектрик.Практическая важность работы. Разработанная в диссертации технология изготовлениямонолитныхкомпозитныхструктурферромагнетик-пьезоэлектрикметодомэлектролитического осаждения никеля открывает возможности создания монолитныхкомпозитныхдобротностьюструктуриразличнойбольшимигеометрии,МЭобладающихкоэффициентами.высокойПредложенакустическойновыйтиппьезоэлектрических датчиков постоянных магнитных полей, использующих комбинациюпьезоэффекта и силы Ампера. Созданные датчики в перспективе могут составитьконкуренцию широко применяемым в настоящее время датчикам на основе эффекта Холла,эффекта магнетосопротивления и феррозондовым датчикам.Достоверностьрезультатовивыводовдиссертационнойработыосновананаиспользовании проверенных исходных физических моделей, современных методовэкспериментальных исследований и подтверждается совпадением полученных результатовс расчетами и данными более поздних исследований других независимых авторов.Научные положения, выносимые на защиту1.

В двухслойных дисковых структурах никель - цирконат-титанат свинца, помещенных впостоянное и переменное магнитные поля, МЭ эффект наблюдается на частотах какизгибных, так и радиальных акустических колебаний. Частота изгибных колебанийопределяется значениями эффективной плотности и эффективного модуля Юнга слоев, ееможно изменять в широких пределах, подбирая толщины слоев.

Величина МЭкоэффициента для таких структур в резонансе достигает ~ 1 В/(см∙Э).62. В радиально-поляризованном кольце из пьезоэлектрика с металлическими электродами,помещенномваксиальноепостоянноемагнитноеполя,благодарякомбинациипьезоэффекта, силы Ампера и электромагнитной индукции, на частоте акустическогорезонанса структуры имеет место взаимное преобразование переменных магнитных иэлектрических полей – пьезоиндукционный эффект.

Переменное магнитное поле приводитк генерации в пьезоэлектрике переменного электрического поля (прямой эффект), априложенное к пьезоэлектрику переменное электрическое поле вызывает генерациюпеременного магнитного поля (обратный эффект). Эффективность преобразования линейнозависит от амплитуд переменных полей и напряженности постоянного магнитного поля.3. Биморфная пьезоэлектрическая структура в виде закрепленной на одном конце балки,помещенная в постоянное магнитное поле, при пропускании через средний электрод илинамотанную на структуру катушку переменного тока с частотой, равной частоте изгибныхколебаний биморфа, генерируетпеременное напряжение.Амплитуданапряженияпропорциональна акустической добротности структуры, амплитуде тока и напряженностимагнитного поля.4.Резонансныемагнитоэлектрическиеэффектывкольцевыхпьезоэлектрическихрезонаторах и биморфных пьезоэлектрических балках, обусловленные комбинацией силыАмпера и пьезоэффекта, могут быть использованы для создания датчиков постоянныхмагнитных полей с чувствительностью до 26 В/(А∙кЭ), работающих в диапазоне полей отединиц милли-эрстед до десятков кило-эрстед.Апробация работы.