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

ГОСУДАРСТВЕННО БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ"МОСКОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" (МИРЭА)На правах рукописиЧАШИН ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧРЕЗОНАНСНЫЕ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫВ СТРУКТУРАХ ФЕРРОМАГНЕТИК - ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКИ МЕТАЛЛ - ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКИ ДАТЧИКИ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА ИХ ОСНОВЕСпециальность 05.27.01 Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро - и нано- электроника, приборы на квантовых эффектахдиссертация на соискание учёной степеникандидата технических наукНаучный руководитель:доктор физико-математических наукпрофессор Фетисов Ю. К.Москва 20161ОГЛАВЛЕНИЕВведение ....................................................................................................................................................

41 Магнитоэлектрические эффекты (литературный обзор) ..................................................... 111.1 Прямой и обратный магнитоэлектрические эффекты ......................................................111.2 Магнитоэлектрический эффект в структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик,обусловленный магнитострикцией ........................................................................................131.3 Магнитоэлектрический эффект в структурах металл-пьезоэлектрик, обусловленныйсилой Ампера ...............................................................................................................................161.4 Резонансный магнитоэлектрический эффект......................................................................201.5 Выводы по разделу 1..................................................................................................................222 Композитные структуры и измерительные установки..........................................................

242.1 Композитные структуры ферромагнетик-пьезоэлектрик и металл- пьезоэлектрик .242.2 Измерение характеристик композитных структур ...........................................................272.4 Установка для исследований магнитоэлектрического эффекта.....................................312.5 Установка для температурных измерений..........................................................................333 Магнитоэлектрический эффект в резонаторах ферромагнетик-пьезоэлектрик ............

363.1Магнитоэлектрическийэффектврезонаторахникель-пьезоэлектрик,изготовленных методом склеивания .....................................................................................363.2Магнитоэлектрическийэффектврезонаторахникель-пьезоэлектрик,изготовленных методом электроосаждения .......................................................................483.3 Температурные характеристики магнитоэлектрического эффекта ..............................533.4 Выводы по разделу 3.................................................................................................................614 Резонансные магнитоэлектрические эффекты в структурах металл - пьезоэлектрик .

634.1 Прямой пьезомагнитоиндукционный эффект в пьезоэлектрическом кольце ...................634.2 Обратный пьезоиндукционный эффект в пьезоэлектрическом кольце .......................714.3 Резонансный магнитоэлектрический эффект в пьезобиморфе с линейным током ..754.4 Резонансный магнитоэлектрический эффект в пьезобиморфе с катушкой .........8124.5 Выводы по разделу 4.................................................................................................................875 Датчики магнитных полей на основе магнитоэлектрических эффектов .........................

895.1 Датчик на пьезоэлектрическом кольце с линейным током .............................................895.2 Датчик на пьезоэлектрическом биморфе с линейным током .........................................945.3 Датчик на пьезоэлектрическом биморфе в форме камертона ........................................985.4 Датчик на пьезоэлектрическом биморфе с объемной катушкой ................................ 1025.5 Датчик на пьезоэлектрическом биморфе с планарной катушкой............................... 1035.6 Сравнение датчиков магнитных полей .............................................................................

110Заключение ...........................................................................................................................................114Список литературы ............................................................................................................................1163ВведениеАктуальность темыИнтерес к магнитоэлектрическим (МЭ) эффектам в композитныхструктурах, содержащих механически связанные ферромагнитные (ФМ) ипьезоэлектрические (ПЭ) слои, вызван перспективами их использования длясоздания новых устройств твердотельной электроники и микросистемнойтехники, таких как высокочувствительные датчики магнитных полей, управляемые устройства обработки радио- и сверхвысокочастотных сигналов, элементы магнитной памяти нового типа, автономные источники электрическойэнергии [1-3].Магнитоэлектрические эффекты в композитных структурах проявляются в генерации структурой электрического напряжения под действием внешнего магнитного поля (прямой эффект) или генерации магнитного поля приприложении к структуре электрического напряжения (обратный эффект) [4].При прямом МЭ эффекте электрическое напряжение генерируется в ПЭ слоевследствие пьезоэффекта из-за его деформации со стороны механически связанного с ним металлического слоя.

Деформация металлического слоя поддействием магнитного поля, в свою очередь, может быть обусловлена магнитострикцией, если он изготовлен из ферромагнитного (ФМ) металла, либо силой Ампера, если через металл течет электрический ток.К началу работы над диссертацией были достаточно хорошо изученыМЭэффектывслоистыхкомпозитныхструктурахферромагнетик-пьезоэлектрик [4-6].

Показано, что для увеличения эффективности МЭ преобразования необходимо использовать ПЭ слои из материалов с большимпьезомодулем d (керамика цирконата-титаната свинца, кристаллы магниониобата-титаната свинца, крислаллы лангатата, ниобата лития и т.д.) и ФМ4слои из металлов с большой магнитострикцией λ (Ni, Co, FeCo, FeGa, аморфные и редкоземельные сплавы и т.д.). Амплитуда генерируемого ПЭ слоемнапряжения пропорциональная его деформации и резко возрастает при частотах магнитного поля, приводящих к резонансному возбуждению акустических колебаний в структуре [7]. 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 идо ~102 В/(Э∙см) на частотах акустических резонансов структур.Были обнаружены МЭ эффекты в композитных структурах металл-ПЭсо слоями из неферромагнитного металла, через который пропускали переменный электрический ток [8].

Действующая на проводник с током в магнитном поле сила Ампера вызывала деформацию металлического слоя, котораяпередавалась соединенному с ним ПЭ слою и приводила к генерации электрического напряжения. Величина МЭ эффекта в таких структурах оказаласьмалой, амплитуда генерируемого напряжения не превышала единиц милливольт, что ограничивало возможности использования таких структур. Продемонстрировано, что МЭ эффекты, обусловленные комбинацией силы Ампераи пьезоэффекта, можно использовать для создания датчиков постоянных магнитных полей. Однако низкая чувствительность таких датчиков не позволялаим конкурировать с датчиками на основе эффекта Холла, эффекта магнетосопротивления и другими [9].Вместе с тем, многие вопросы, касающиеся технологий изготовлениякомпозитных структур, особенностей резонансного МЭ взаимодействия в таких структурах и возможных направлений их применения в микроэлектронике и микросистемной технике были изучены явно недостаточно.

В частности,необходимо было разработать технологию изготовления монолитных структур металл-пьезоэлектрик, альтернативную клеевому соединению слоев, ко5торая позволила бы повысить акустическую добротность структур и увеличить эффективность МЭ взаимодействия в резонансом режиме. Ограниченыбыли экспериментальные данные по влиянию толщин металлического слоя нахарактеристики резонансного МЭ взаимодействия в композитных структурах.Отсутствовали исследования МЭ эффектов в структурах металл – пьезоэлектрик, обусловленные силой Ампера в условиях акустического резонанса.

Необходимо было продемонстрировать возможности применения МЭ эффектовв структурах металл-пьезоэлектрик для создания конкурентоспособных устройств, в том числе – датчиков магнитных полей.Важность решения поставленных вопросов для использования МЭ эффектов в структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик и металл-пьезоэлектрик вмикроэлектронике и микросистемной технике и определяет актуальность исвоевременность темы диссертационной работы.Цель работы: исследование резонансных МЭ эффектов в композитныхструктурахферромагнетик-пьезоэлектрикдемонстрациявозможностейихиметалл-пьезоэлектрикиспользованиядляисозданиявысокочувствительных датчиков магнитных полей.Основные задачи работы следующие:1.

Исследовать резонансные МЭ эффекты в композитных дисковыхрезонаторахсклеиванияферромагнетик-пьезоэлектрик,иэлектролитическогоизготовленныхосажденияникеля,методомобусловленныемагнитострикцией ферромагнитного слоя.2. Исследовать резонансные МЭ эффекты в структурах металл-пьезоэлектрикразличной формы, обусловленные силой Ампера.3.Продемонстрироватьмагнитныхполейсвозможностииспользованиемсозданиядатчиковрезонансныхкомпозитных структурах, обусловленных силой Ампера.6МЭпостоянныхэффектоввНаучная новизна работы:1.Впервыеэкспериментальноисследовановлияниетолщиныферромагнитного слоя на характеристики резонансного МЭ эффекта вдисковых структурах никель-пьезоэлектрик.2.

Впервые обнаружен, исследован и объяснен пьезоиндукционный эффект вкольцевых структурах металл-пьезоэлектрик.3. Впервые обнаружены и исследованы резонансные МЭ эффекты вкомпозитных структурах металл-пьезоэлектрик в форме кольца и плоскогобиморфа, обусловленные силой Ампера.4. Предложены и реализованы новые принципы создания датчиковпостоянных магнитных полей с пользованием резонансных МЭ эффектов вкомпозитных структурах металл - пьезоэлектрик.Практическая важность работы. Разработанная в диссертации технологияизготовлениямонолитныхкомпозитныхструктурферромагнетик-пьезоэлектрик методом электролитического осаждения никеля открылавозможности создания монолитных композитных структур различнойгеометрии, обладающих высокой акустической добротностью и большимиМЭ коэффициентами. Предложен новый тип пьезоэлектрических датчиковпостоянных магнитных полей, использующих комбинацию пьезоэффекта исилыАмпера.Созданныедатчикивперспективемогутсоставитьконкуренцию широко применяемым в настоящее время датчикам на основеэффекта Холла, эффекта магнетосопротивления и феррозондовым датчикам.Достоверность результатов и выводов диссертационной работы основанана использовании проверенных исходных физических моделей, современныхметодов экспериментальных исследований и подтверждается совпадениемполученных результатов с расчетами и данными более поздних исследованийдругих независимых авторов.7Научные положения, выносимые на защиту1.