Автореферат (Резонансные магнитоэлектрические эффекты в структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик и металл-пьезоэлектрик и датчики магнитных полей на их основе), страница 3

В выводах по разделу 3 суммированы основные результаты.Раздел 4 "Резонансные магнитоэлектрические эффекты в структурах металлпьезоэлектрик" посвящен экспериментальному и теоретическому исследованию МЭ эффектов в структурах металл-пьезоэлектрик различных форм, обусловленных силой Ампера.Описаны впервые обнаруженные и объясненные в работе прямой и обратный пьезоиндукционные (ПИ) эффекты в пьезоэлектрических кольцах с металлическими электродами.

Эффекты наблюдаются в радиально поляризованных кольцах с электродами на внеш-11ней и внутренней поверхностях, помещенных в постоянное магнитное поле H, направленное вдоль оси кольца.Прямой ПИ эффект проявляется в виде генерации переменного напряжения u(f) между электродами кольца при его возбуждении гармоническим переменным магнитным полем h(f) = hcos(2πft) ч частотой f, приложенным вдоль оси кольца параллельно H. Механизмвозникновения прямого эффекта следующий. Переменное поле h(f) индуцирует в электродах кольца переменный электрический ток I(f). На электроды с текущими по ним токам состороны поля H действует сила Ампера, которая приводит к периодическому растяжению исжатию ПЭ кольца.

Вследствие пьезоэффекта между электродами кольца генерируется переменное гармоническое напряжение u(f). При совпадении частоты возбуждающего поля счастотой основной моды радиальных колебаний кольца f ≈ fr, амплитуда генерируемого напряжения возрастает в Q (добротность) раз.u (mV)h(f)15u(f)rb20fr0050100f (kHz)15h150Рис. 4 Амплитудно-частотная характеристика прямого пьезоиндукционного эффекта в PZT кольце при H=1 кЭ, h = 5 Э.10U50105050100f (kHz)150U (V)Hah (mOe)400Рис.

5 Амплитудно-частотная характеристика обратного пьезоиндукционного эффекта в PZT кольце при H=1 кЭ, U=10 B.Обратный ПИ эффект проявляется в виде генерации кольцом переменного магнитного поля h(f), направленного вдоль оси кольца, при приложении к электродам кольца гармонического напряжения U(f) = Ucos(2πft). Механизм возникновения обратного ПИ эффекта следующий. Приложенное к электродам кольца напряжение U(f), вследствие обратногопьезоэффекта, вызывает растяжение или сжатие кольца, т.е. изменение его площади. Это,согласно закону электромагнитной индукции, приводит к генерации переменного тока I(f) вэлектродах кольца.

Индуцированный ток генерирует переменное магнитное поле h(f) на осикольца. При совпадении частоты возбуждающего напряжения с частотой радиальных акустических колебаний кольца амплитуда поля h возрастает в Q раз.Путем совместного решения уравнений механики и электродинамики с учетом материальных уравнений и граничных условий на поверхностях раздела металла и пьеоэлектрика показано, что амплитуда напряжения u, генерируемого кольцом при прямом ПИ эффек-12те, и амплитуда переменного магнитного поля h, генерируемого кольцом при обратном ПИэффекте даются формулами, соответственно:uQ 02 d 31 YrhH 0  иh  Q 0d 31 Y bHU  raЗдесь обозначено: μ0 - магнитная постоянная, ε0 - электрическая постоянная, d31 - пьезомодуль, ε - диэлектрическая проницаемость, ρ - удельное сопротивление металла, r - радиускольца, a - ширина кольца, b -толщина кольца, Y и γ модуль Юнга и плотность пьезоэлектрика, соответственно, δ-толщина металлических электродов.Экспериментальные исследования прямого ПИ эффекта были выполнены на серииколец из PZT радиусом r = 8.6 мм с электродами из меди толщиной 4-20 мм в диапазонемагнитных полей H = 0 - 5 кЭ и полей накачки h = 0 - 3 Э, f = 0 - 200 кГц.

Измереннаядобротность радиальных колебаний PZT колец составлялла Q ~102. На частоте акустического резонанса достигнута эффективность преобразования полей αE ≈126 мВ/(Э∙см). Продемонстрировано, что полученные формулы качественно верно описывает зависимость напряжения от всех параметров структуры и обеспечивает количественно совпадение результатов расчета с данными измерений с точностью в единицы процентов. Очевидно, что прямой ПИ эффект может быть применен для создания пьезоэлектрических датчиков полей.Экспериментальные исследования обратного ПИ эффекта выполнены на тех жекольцах из PZT в диапазоне магнитных полей H = 0 - 5 кЭ, при возбуждающих напряжениях U = 0 - 10 В и f = 0 - 200 кГц.

На частоте акустического резонанса колец достигнутагенерация переменного поля величиной до h/H ~15∙10-6 при электрических полях E~102В/см. Полученная формула также хорошо описывает результаты измерений. Отметим, чтообратный ПИ эффект может быть применен для создания частотно стабильныхпьезоэлектрических модуляторов магнитного поля, управляемых напряжением, в отличиеоттрадиционноиспользуемыхмодуляторовввидеэлектромагнитныхкатушек,управляемых током.Далее в разделе 4 описаны результаты исследований резонансных МЭ эффектов впьезоэлектрических биморфных балках, закрепленных одним концом на массивномосновании и помещенных в постоянное магнитное поле H. Рассмотрены два случая.

Впервом случае биморфную балку намагничивали параллельно плоскости структуры иперпендикулярно к продольной оси биморфа. Через средний электрод балки пропускалилинейный гармонический ток Icos(2πft) с частотой f. Действующая на электрод с токомзнакопеременная сила Ампера, приводила к возбуждению изгибных колебаний балки и, какследствие, к генерации биморфной структурой гармонического напряжения с той же13частотой. Во второом случае биморфную балку намагничивали перпендикулярно кплоскости. На балку была намотана катушка, через которую пропускали переменный токI(f).

При взаимодейсвтии знакопеременного магнитного момента катушки с постояннымполем возбуждались изгибные колебаитя балки, что приводило к генерации биморфнойструктурой переменного напряжения. В обоих случаях при совпадении частотывозбуждающего тока с частотой основной моды изгибных колебанний биморфа амплитудаВPZT1,0y1,0ZI(t)u(t)х0,5u (В)u (В)генерируемого напряжения возрастала в Q (добротность) раз.М(t)0,5fr = 1.17 кГцI = 17 мА0,00f1230,0423H (кЭ)Рис.

7 Зависимость напряжения u1, генеРис. 6 Зависимость напряжения c PZTрируемого биморфом с катушкой на ребиморфа от частоты тока f при H=3 кЭ,зонансной частоте f1, от поля H.I=17 мА.Путем совместного решения уравнений механики и электродинамики, с учетом ма-f (кГц)01териальных уравнений и неоднородного распределения силы Ампера или вращающего механического момента по длине биморфной структуры, получены выражения для амплитуднапряжений u1 и u2, генерируемых пьезоэлектрическим биморфом с линейным током и пьезоэлектрическим биморфом с катушкой, соответственно:u1  Qd 31 0 L2IH 0 abиu2  Q3d 31 0NIH .2 0Здесь обозначено: μ0 - магнитная постоянная, ε0 - электрическая постоянная, d31 - пьезомодуль, ε - диэлектрическая проницаемость, a, b и L - ширина, толщина и длина биморфнойструктуры, соответственно, N - число витков катушки на единицу длины.Экспериментальные исследования резонансных МЭ эффектов в пьезоэлектрическихбиморфах проводили в полях намагничивания H = 0 - 3 кЭ при амплитудах тока I = 0 - 40мА и частотах до f = 2 кГц.

Измеренная частота основной моды изгибных колебаний PZTбиморфов составляла fr ≈ 0.2 - 1 кГц, а добротность не превышала Q ≈ 30-50. Для PZT биморфных структур с возбуждением линейным током достигнута эффективность преобразования η = u/(I∙H)= 16.5 В/(А∙кЭ), а для PZT-биморфов с возбуждением катушкой - η = 24В/(А∙кЭ). Показано, что в области малых полей и токов зависимость генерируемого14биморфом напряжения от H и I хорошо описывается формалами (2), но с увеличениемамплитуды колебанний биморфа линейность нарушается.Результаты проведенных исследований показали, что резонансные МЭ эффекты вбиморфных структурах металл-пьезоэлеткрик могут быть использованы для созданияновых датчиков постоянных магнитных полей.В разделе 5 «Датчики магнитных полей на основе магнитоэлектрических эффектов»описаны принципы работы и конструкции новых датчиков постоянных магнитных полей,разработанных в диссертации, приведены измеренные характеристики макетов датчиков.Датчик № 1 был выполнен на PZT кольце диаметром 8 мм и шириной 4 мм c электродами из Ag толщиной 2 μм.

Внешний электрод кольца был разрезан и по нему пропускали переменный ток с частой fr = 60.34 кГц, равной частоте радиальных колебаний кольца, и амплитудой до 1.5 А. При помещении кольца в измеряемое постоянное магнитное поле H, направленное вдоль его оси, между его электродами (как и при прямом ПИ эффекте)генерировалось переменное электрическое напряжение с амплитудой u. Акустическая добротность кольца на частоте резонанса составляла Q = 118. Чувствительность датчика к постоянному полю возрастала от ~2 мВ/кЭ до ~0.3 В/кЭ с увеличением тока I от 0.01 А до 1.5А.

Приведенная к току чувствительность датчика равнялась ~ 0.2 В/(АкЭ). Амплитуда выходного сигнала датчика примерно линейно возрастала с увеличением поля и была пропорциональна проекции поля H на ось кольца.Датчик № 2 в форме "бабочки" был выполнен на основе биморфной PZT структурыдлиной 28 мм, шириной 2 мм, со слоями толщиной по 100 μм и AgPt электродами междуслоями и на их внешних поверхностях. Структура была закреплена в средней точке и могласовершать изгибные колебания с частотой fr = 469 Гц и добротностью Q = 43. Для возбуждения колебаний через средний электрод структуры пропускали переменный ток I с частотой, равной частоте резонанса изгибных колебаний и амплитудой от 10 мА до 1 А. Припомещении структуры в измеряемое магнитное поле H, направленное по касательной кплоскости и перпендикулярно длинной оси структуры, она генерировала переменное напряжение u.