Автореферат (1090252), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Полевые зависимости МЭнапряжения u (штриховые линии) и нелинейного коэффициента p сплошныелинии) для структур PZT-Metglas (h=1Э), PZT-Ni (h=7 Э), PZT-Pd (h=10 Э) приH=0.Рис. 7. Зависимости МЭ напряжения umixна выходе PZT-Ni структуры от частоты f1магнитного поля h1 для разных частот f2поля h2 (H=0, h1=h2=1 Э) при нелинейномсмешении магнитных полей.15Таким образом, структуры со слоями из аморфного сплава Metglas, обладающего высокоймагнитострикцией λS ≈ 25·10−6 и малым полем насыщения HS ≈ 50 Э, является наиболееподходящими для наблюдения нелинейных МЭ эффектов и создания устройств на их основе.На рис.8 в качестве примера показана зависимость S0(H0) для образца из FeCo.Видно, что статическая деформацияS0 максимальна без поля смещения,104-2)200меняет знак при увеличении H0 истремится к нулю при насыщении85p (10 OeS 0 (ppm)FeCoсунке изображена полевая зависимость нелинейного пьезомагнитного-50,0образца. Сплошной линией на ри-0,51,01,5H (кЭ)0Рис.
8. Зависимость статической деформации S0(точки), индуцированной переменным полемh = 200 Э и рассчитанная зависимость нелинейного коэффициента p(H0) (сплошная линия)от поля смещения H0 в пластине FeCo.коэффициента p(H0). Показано, чтовеличина деформации пропорциональна второй производной от магнитострикции по магнитному полю ирастет квадратично с увеличениемамплитуды поля h. Величина инду-цированной переменным полем деформации может быть сравнима с магнитострикциейнасыщения ферромагнетика.В разделе 5 описаны предложенные в работе высокочувствительные МЭ датчикимагнитных полей.Подраздел 5.1 посвящён рассматрению датчика переменных магнитных полей, работающего без дополнительного постоянного поля смещения.
Датчик реализован на основе двухслойной композитной структуры PZT-Ni. Показано, что благодаря магнитному гистерезису слоя Ni, после намагничивания структуры до насыщения и последующего выключения постоянного поля в структуре наблюдается достаточно сильный МЭ эффект приH=0. Измерена зависимость выходного сигнала датчика от амплитуды переменного поляна частоте акустического резонанса структуры 79 кГц. Зависимость имеет линейный характер в диапазоне амплитуд переменного поля от 1 нТл до 1 мТл, чувствительность датчика составляет 1000 В/Тл.
Таким образом показано, что композитные структуры, содержащие ферромагнитные слои с гистерезисом, могут послужить основой для создания МЭдатчиков переменных полей, работающих без дополнительного постоянного поля смещения, что значительно упрощает конструкцию датчиков.16В подразделе 5.2 описан высокочувствительный широкополосный датчик переменных магнитных полей, использующий нелинейный МЭ эффект смешения магнитныхполей, рассмотренный в Разделе 4. Датчик представляет собой двухслойную структуруLGT-Metglas, помещённую внутрь электромагнитной катушки (рис.9). Через катушку отвнешнего генератора пропускали переменный ток, который создавал переменное магнитное поле накачки с частотой f2 и амплитудой h2 .
При помещении датчика во внешнее измеряемое магнитное поле с частотой f1 и амплитудой h1, структура генерирует напряжение u(f1± f2) на разностной или суммарной частоте. При совпадении этой частоты с частотой акустического резонанса структуры f 0 | f1 f 2 | амплитуда выходного сигнала с датчика возрастает в добротность Q ≈ 1400 раз. Датчик работает без постоянного магнитногополя смещения.
В процессе измерений частоту поля накачки f2 перестраивали и выходнойсигнал регистрировали на частоте акустического резонанса структуры f0 = 71.15 кГц. Диапазон частот измеряемых магнитных полей макета датчика достигал 1 – 70 кГц, а разрешение по частоте составляло ~ 50 Гц.На рис. 10 приведена зависимость выходного сигнала со структуры от амплитудыизмеряемого поля h1.
Зависимость линейна в интервале полей от 10 нТл до 1 мТл. Длясравнения на рис. 10 даны также зависимости МЭ напряжения от амплитуды переменногополя в широкополосном линейном и в резонансном режимах. Чувствительность МЭ датчика, использующий эффект смешения магнитных полей, составляла u/h = 1.8 В/Э, что в~320 раз выше чувствительности широкополосного датчика, использующего линейныйМЭ эффект, и всего в ~4 раза ниже чувствительности линейного МЭ датчика в резонансном режиме.Ti-Pt10h1(f1), h2(f2), Helectrodesu(f)u, ВPE10101010FM032-21-4-6uN-810-610-410-2100h ,Э1Рис. 9. Конструкция МЭ датчика, использующего эффект смешения магнитныхполей.Рис.10.
Зависимость МЭ напряжения u,генерируемого структурой LGT-Metglas,от переменного магнитного поля h вразличных режимах работы: 1 – широкополосный режим, 2 – линейный резонансный режим, 3 – режим смешенияполей.17ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ1. Изготовлена автоматизированная установка для исследования температурныххарактеристик МЭ эффекта в композитных структурах методом низкочастотной модуляции магнитного 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 и планарных колебаний. Для исследованных структур температурный диапазон эффективного резонансного МЭ преобразования составляет от 200 К до 380 К. Показано, чтос ростом температуры коэффициент резонансного МЭ преобразования αE в структурах сослоем пьезокерамики падает из-за увеличения относительной диэлектрической проницаемости, а в структурах со слоем монокристаллического лангатата – из-за уменьшения акустической добротности кристалла.
Установлено, что изменение резонансной частоты композитных МЭ структур с температурой определяется изменением модулей Юнга материалов слоёв. Показана возможность термостабилизация резонансной частоты структур путем использования ферромагнитных и пьезоэлектрических слоев с разными температурными коэффициентами модулей Юнга.3. Исследованы и объяснены нелинейные резонансные МЭ эффекты удвоения частоты и смешения магнитных полей в композитных структурах с магнитными слоями изNi, пермендюра и аморфного сплава, возникающие из-за нелинейности магнитострикцииферромагнетика. Показано, что величина эффектов пропорциональна нелинейному пьезомагнитному коэффициенту магнитного слоя, амплитуда сигнала с удвоенной частотойрастет квадратично с увеличением поля, эффективность смешения полей линейно зависитот их амплитуды.
Наибольшие по величине нелинейные эффекты наблюдаются в структурах со слоями из аморфного ферромагнетика Metglas.4. Обнаружен, исследован и объяснен эффект статической деформации ферромагнетика в переменном магнитном поле, обусловленный нелинейной зависимостью магнитострикции от постоянного магнитного поля.5. Изготовлены и исследованы макеты высокочувствительных МЭ датчиков магнитных полей, работающих без постоянного поля смещения. Датчик, на основе структурыNi-PZT, содержащий слой из ферромагнитного материала (никель) с гистерезисом, имелчувствительность 1 В/Э. Широкополосный датчик, использующий нелинейный МЭ эффект смешения магнитных полей в структуре LGT-Metglas имел чувствительность0.2 В/Э, работал в полосе частот 1-70 кГц и обладал частотным разрешением ~ 50 Гц.18Цитируемая литература1.
Nan C.-W., Bichurin M. I., Dong S., Viehland D., Srinivasan G. Multiferroic magnetoelectric composites: Historical perspective, status and future directions // J. Appl. Phys. – 2008.- V.103. - paper 031103.2. Bichurin M. I., Filippov D. A., Petrov V. M. et al., Resonance magnetoelectric effectsin layered magnetostrictive-piezoelectric composites // Phys. Rev. B. - 2003. – V.68.
– paper132408.3. Kamentsev K. E., Fetisov Y. K., and Srinivasan G. Low-frequency nonlinearmagnetoelectric effects in a ferrite-piezoelectric multilayer // Appl. Phys. Lett. - 2006. - V.89. –paper. 142510.4. Wang Y., Li J., Viehland D. Magnetoelectrics for magnetic sensor applications: Status,challenges and perspectives // Materials Today. - 2014. - V.17. - No 6. - P.
268-275.СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИСтатьи в журналах1. Бурдин Д. А., Фетисов Ю. К., Чашин Д. В., Экономов Н. А. Влияние температуры на характеристики резонансного магнитоэлектрического эффекта в структуре магниониобат-титанат свинца –никель // Письма в ЖТФ. — 2012. — Т. 38. - № 6. - С.
41-47.2. Burdin D. A., Fetisov Y. K., Chashin D. V., Segalla A. G, Srinivasan G. Multiferroic bending moderesonators and studies on temperature dependence of magnetoelectric interactions // Appl. Phys. Lett. – 2012. Vol.100. - Paper 242902.3. Бурдин Д. А., Фетисов Ю. К., Чашин Д. В., Экономов Н. А.
Температурные характеристикимагнитоэлектрического взаимодействия в дисковых резонаторах цирконат-титанат свинца – никель //Журнал технической физики. – 2013. – Т.83 - С.107-112.4. Бурдин Д. А., Фетисов Ю. К., Чашин Д. В., Экономов Н. А. Температурные характеристикимагнитоэлектрического взаимодействия в композитных резонаторах лангатат-ферромагнетик. // Известия РАН. Серия физическая. – 2014. - Т.78. - № 2. - С.200-202.5. Burdin D. A., Fetisov Y. K., Chashin D. V., Ekonomov N.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
