Диссертация (1090253), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Фэнга и др. (Fang F.) [55]. Былиисследованы свойства трёхслойных слоистых структур различного состава: Terfenol-DPZT-Terfenol-D, Ni-PZT-Ni и Metglas-PZT-Metglas. Температурные исследованияпроводили в диапазоне от 25°C до 80°C. Результаты измерения температурныхзависимостей резонансной частоты, резонансного МЭ коэффициента и нерезонансногоМЭ коэффициента для трёх структур показаны на рис. 1.4. Видно, что характернаблюдаемых изменений указанных характеристик для структур разных составов вцелом одинаков: резонансная частота и МЭ коэффициенты во всём диапазоне с ростомтемпературы уменьшаются.19a)b)c)Рис.
1.4. - Температурные зависимости резонансной частоты (а),резонансного (b) и нерезонансного (с) МЭ коэффициента для трёхслойных структурразличного состава [55].Отметим, что эти результаты противоречат выше приведённым данным из работы[54], где наблюдалось монотонное увеличение МЭ коэффициента с ростом температуры.Авторы делают попытку связать характер температурных зависимостей характеристикМЭ эффекта с параметрами слоёв структуры. Для этого дополнительно измеренытемпературные зависимости магнитострикции терфенола, никеля и метгласа. Опираясьна опубликованные ранее температурные свойства керамики PZT и приводимый анализсвязи параметров слоёв структуры с эффективностью МЭ преобразования, авторыделают вывод, что главную роль в изменении МЭ коэффициента композитных структурстемпературойиграетпьезомагнитныйкоэффициентферромагнитныхслоёв.20Изменение резонансной частоты авторы полностью связывают с изменением модуляЮнга слоёв структуры.Самые последние данные по температурным характеристикам МЭ эффекта в слоистыхкомпозитах опубликованы в работе Ye и др.
[56]. Авторы исследовали свойстватрёхслойных структур состава Metglas-PZT-Metglas различного размера и с разнымсоотношением толщин слоёв. Измерения проводили в нерезонансном режиме на частоте1 кГц в диапазоне температур от -35°C до 85°C. Результаты показаны на рис. 1.5.Интересно отметить, что, на графиках зависимости МЭ коэффициента от температурыесть области роста и области падения. Таким образом, можно предположить, чтопротиворечие между данными из работ [54,55] связано с тем, что в структурах PZTMetglas при нагреве происходят конкурирующие процессы, которые, в зависимости отразличных факторов, могут приводить как к росту МЭ коэффициента, так и к егоуменьшению.Рис. 1.5.
- Температурные нерезонансного МЭ коэффициента длятрёхслойных структур Metglas-PZT-Metglas [56].Основной целью авторов являлось выяснение влияния фактора формы и соотношениятолщин слоёв ФМ и ПЭ материала на температурные характеристики МЭ эффекта. По21результатам работы делается вывод, что наилучшей температурной стабильностьюобладаютструктурыснаименьшимилинейнымиразмерамиинаименьшейотносительной толщиной ФМ слоя.Такимобразом,кнастоящемувременитемпературныехарактеристикирезонансного МЭ эффекта в слоистых композитных структурах изучены довольнослабо, причём имеющиеся на этот счёт данные охватывают узкий диапазон температури касаются лишь нескольких из наиболее перспективных составов МЭ структур.1.5 Нелинейные магнитоэлектрические взаимодействия в композитныхструктурахВ последнее время внимание исследователей всё больше привлекают нелинейныеМЭэффектывкомпозитныхструктурахпьезоэлектрик-ферромагнетик,когдагенерируемое МЭ напряжение содержит компоненты с частотами, отличными отчастоты внешнего магнитного поля.Так как МЭ эффект является результатом взаимодействия двух эффектов:магнитострикции и пьезоэлектрического эффекта, то источником нелинейности можетбыть как нелинейность полевой зависимости магнитострикции, так и нелинейностьпьезоэлектрического модуля.
Однако деформации, возникающие при прямом МЭэффекте, малы, поэтому режим работы ПЭ слоя можно считать линейным. В связи сэтим, в данной работе будут рассматриваться нелинейные эффекты в композитных МЭструктурах, обусловленные главным образом нелинейным характером зависимостимагнитострикции ФМ слоя от поля.К настоящему времени опубликовано несколько работ, описывающих проявлениянелинейного МЭ эффекта. Так, обнаружено удвоение частоты и генерация гармоник вмногослойных структурах феррит - цирконат титанат свинца при возбуждении структурмагнитным полем с частотой 10-3- 1 Гц и амплитудой до 1 кЭ [57,58] и в двухслойныхструктурах аморфный сплав FeBSiC-PZT при возбуждении полем с частотой до 2кГц и амплитудой до 40 Э [59].
Удвоение частоты наблюдали также в объемных МЭкомпозитах никелевый феррит-ЦТС при медленной модуляции поля с амплитудойдо 1 кЭ [60]. Наблюдалось резонансное усиление генерируемых гармоник вдвухслойной структуре FeBSiC-PZT при возбуждении изгибных колебаний [61].22Наиболее обстоятельное исследование нелинейных МЭ взаимодействий сделано вработе Jahns R.
и др., где описан обнаруженный авторами эффект переноса частоты привозбуждении двух- и трехслойных структур аморфный сплав-ЦТС переменнымимагнитными полями с разными частотами [62]. При этом наблюдалось увеличениеуровня магнитных шумов в структурах, вызванное возбуждающим магнитным полем.Авторы предложили параметрический подход к описанию процесса нелинейногопереноса частоты в МЭ структуре. Аппроксимируя форму кривой полевой зависимостимагнитострикции ФМ слоя полиномом высокого порядка и разлагая выражение для МЭсигнала в ряд Фурье, авторы получили выражение для амплитуд гармоник сигнала приоптимальном значении постоянного магнитного поля.
Однако в работе не сделан анализзависимости амплитуды разных гармоник от величины поля смещения, а также необсуждается постоянная составляющая сигнала, которая должна наблюдаться, согласнорезультатам расчёта. К недостаткам данного исследования можно отнести и слабуюэкспериментальную проработку, так как не были проведены исследования полевойзависимостиразличныххарактеристикнелинейногоМЭвзаимодействиядлясопоставления их с предложенным теоретическим описанием.Таким образом, нелинейный МЭ эффект в слоистых МЭ композитах ещёнедостаточно изучен. В частности, требуется более подробное исследование различныхнелинейных эффектов: удвоения частоты, смешения магнитных полей – в структурах сразными материалами ФМ слоя.1.6 Датчики магнитного поля на основе композитных МЭ структур1.6.1 Магнитоэлектрические датчики переменных магнитных полейНастоящий раздел содержит обзор работ в области создания датчиковпеременных магнитных полей с использованием МЭ эффекта в композитных структурахферромагнетик-пьезоэлектрик.
Большая часть работ была направлена на созданиедействующих макетов МЭ датчиков, определение их основных характеристик и поискпутей улучшения характеристик датчиков.К основным характеристикам МЭ датчиков относятся:23- Чувствительность k = u/h, где u - генерируемое напряжение под действием поляс амплитудой h, выражаемая в единицах В/Э или В/Тл;-Спектральнаяплотностьсобственных(магнитных,диэлектрических,резистивных и других) шумов, выражаемый в единицах Тл/√Гц, определяющаявеличину минимального детектируемого магнитного поля;- Диапазон рабочих частот - от fL до fU, где fL - нижняя граничная частота и fU верхняя граничная частота;- Линейность зависимости выходного напряжения от амплитуды поля u(h);- Величина постоянного поля смещения H0, обеспечивающего максимальнуючувствительность датчика;- Потребляемая электрическая мощность P для датчиков активного типа.Далее рассмотрим только те работы, где были созданы и описаныдействующие макеты МЭ датчиков магнитных полей, и работы, в которых былипредложены пути улучшения характеристик МЭ датчиков.В работе [63] описан датчик на основе структуры, содержащей PZT пластинутолщиной 200 мкм, расположенную между двумя пленками аморфного магнетика(Fe,Co)SiB толщиной 30 мкм, и соединенные с помощью клея (рисунок 1.6).
Датчикпозволял измерять как переменные, так и постоянные магнитные поля. При касательномк плоскости структуры оптимальном поле смещения 65 Э он имел чувствительность u/h= 17 мВ/Э к переменному полю, а при накачке переменным полем его чувствительностьк постоянному полю составляла u/H = 2 мВ/Э.Рис. 1.6. - Внешний вид МЭ датчика на основе структуры (Fe,Co)SiB/PZT [63].24Рис. 1.7.
- Временные зависимости магнитного поля и сигнала с МЭ датчика наоснове структуры Terfenol-PZT на частоте акустического резонанса [63].В работе [64] исследован датчик, выполненный на основе двухслойной планарнойструктуры, содержащей механически соединенные пластины магнитострикционногоTerfenol-D и биморфную пластину из PZT. Применение PZT биморфа привело кзначительному уменьшению пироэлектрических токов структуры, по сравнению содинарным PZT слоем, и, таким образом, уменьшило шумы датчика.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
