Диссертация (1090253), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Измеренныйуровень шума датчика составлял менее 2 x 10−11 Тл/Гц1/2. Это позволило авторамзарегистрировать переменное поле величиной 2.4 x 10−11 Тл на частоте акустическогорезонанса структуры 77 кГц.На рисунке 1.7 приведены взятые из статьи графикизависимости от времени модулирующего магнитного поля и сигнала с датчика.25Рис. 1.8. - Конструкция и внешний вид "одномерного " МЭ датчика [65].В работе [65] описан "одномерный" МЭ датчик магнитного поля в видепьезоэлектрической трубки с внешним диаметром 1000 мкм и внутренним диаметром800 мкм и длиной 5-8 см, в которую был вставлен стержень из магнитострикционногосплава FeNi, как показано на рисунке 1.8. Трубка и стержень были механическисоединеныспомощьюпроводящегоклея.Благодарявыбраннойгеометрии,размагничивающее поле практически не оказывало влияния на структуру и датчикработал при малых полях смещения H ~ 10 Э или вовсе без поля смещения.Чувствительность датчика к переменному полю составляла 16.5 мВ/Э, а уровеньмагнитных шумов не превышал ~ 30 нТл/Гц1/2.
По мнению авторов работы,чувствительность датчика такой формы можно повысить, а шумы - уменьшить за счетвыборамагнитострикционногоипьезоэлектрическогоматериаласлучшимипараметрами.Следуетотметитьдвеработы[66 и 67],гдебылаэкспериментальнопродемонстрирована возможность регистрировать с помощью МЭ датчиков планарнойконструкции сверхнизкочастотные магнитные поля - с частотами от 10−3 до 1 Гц.26В первой работе авторы использовали многослойную структуру, содержащуючередующиеся слои из Terfenol'а и из PMN-PT. При фиксированном поле смещения H =400 Э и переменном поле с частотами 5 мГц - 5 Гц амплитудой 1Э регистрировалигенерируемое структурой электрическое напряжение. На рисунке 1.9 приведеназависимость сигнала с датчика и шумов датчика от частоты переменного поля.Чувствительность датчика во всем исследованном диапазоне частот составляла околоu/h = 200 мВ/Э.
Согласно проведенным оценкам, датчик позволял регистрировать полявеличин до ~10−5 Э в области сверхнизких частот.Рис. 1.9. - Зависимость МЭ сигнала и шумов сверхнизкочастотного датчика наоснове Terfenol/PMN-PT структуры от частоты переменного магнитного поля [66].Во второй работе использовали толстопленочную структуру со слоями из ферританикеля и PZT толщиной около 30 мкм, выполненную методами пленочнойкерамической технологии. К структуре прикладывали гармоническое магнитное поле счастотой от 1 мГц до 10 Гц амплитудой до 1 кЭ. Показано, что из-за проводимостислоев, величина генерируемого напряжения падает с уменьшением частоты, однакоостается достаточно большой вплоть до самых низких частот.
Как видно из рисунка1.10, на котором приведена измеренная зависимость напряжения от частоты,27чувствительность структуры падает от ~3 мВ/Э до ~ 0.1 мВ/Э с понижением частотыниже ~0.1 Гц. Сверхнизкочастотные МЭ датчики, как полагают авторы упомянутыхстатей, перспективны для регистрации биологических и геомагнитных полей (см.рисунок 1.10).Рис. 1.10.
- Зависимость напряжения, генерируемого структурой NFO-PZT, отчастоты медленно изменяющегося магнитного поля H = 1 кЭ [67 ].Одним из наиболее перспективных направлений создания высокочувствительныхдатчиковпеременныхмагнитныхполейявляетсяиспользованиеструктурспьезоволоконными композитами (ПВК). На рисунке 1.11 схематически изображенаконструкция такого датчика, взятая из работы [67]. ПВК представляет собой наборпьезоволокон из PZT или PMN-PT, расположенных параллельно друг другу междудвумя пленками со встречно-штыревыми электродами. Вся конструкция зафиксированаслоем полимера и расположена между двумя слоями из магнитострикционногометгласа.
Поле смещения H и измеряемое переменное поле h прикладываютсяпараллельно плоскости структуры вдоль ее длинной оси.Генерируемый сигнал,пропорциональный измеряемому полю, снимается с электродов ПВК.28Рис. 1.11. - Схематическое изображение конструкции датчика магнитных полейна основе структуры пьезоволоконный композит – Metglas [67].В сочетании с малошумящими усилительными схемами на полевых транзисторахи методами синхронного детектирования, такие датчики уже сейчас обеспечиваютнадежную регистрацию полей с амплитудой до нескольких пико-Тесла.
Уровень полей,регистрируемый МЭ датчиками в настоящее время на 2-3 порядка хуже предельнойчувствительности сверхпроводящих интерферометров (см. рисунок 1.12), однако МЭдатчики работают при комнатной температуре, что, несомненно, будет способствоватьих более широкому использованию. Как отмечено в обзоре [68] в настоящее времяосновными направлениями работ по улучшению МЭ датчиков на основе ПВК являются:уменьшение уровня шумов за счет оптимизации конструкции; снижение влиянияакустических вибраций на характеристики датчиков; разработка конструкций датчиков,работающихбезпостоянногополясмещения;исследованиеиулучшениетемпературных характеристик датчиков.
Предварительные результаты позволяютнадеяться, что в ближайшие годы будут реализованы макеты ПВК-Metglas датчиков счувствительностью до 10−13 Тл.29Рис. 1.12. - Частотные зависимости шумов для датчиков магнитных полейразличных типов: измерительная катушка; МЭ датчик; оптический датчик,сверхпроводящий интерферометр SQUID [68].Рис.
1.12. - Конструкция датчика магнитных полей, использующего резонансизгибных колебаний в структуре AlN- FeCoSiB на кремниевой подложке [69].В работе [69] описана технология создания датчиков магнитных полей на основепленочных структур, содержащих пленку пьезоэлектрика AlN и пленку аморфногосплава FeCoSiB. Обе пленки были нанесены методом магнетронного напыления наподложку из кремния, как показано на рисунке 1.13. Для увеличения выходногонапряжения, датчик работал на частоте резонанса изгибных колебаний пластины,30закрепленной на одном конце. При изменении толщины подложки от 180 мкм до 90мкм резонансная частота структур уменьшалась от 452 до 168 Гц. Вследствие большогопьезомодуля AlN, большого пьезомагнитного коэффициента аморфного сплава ивысокой акустической добротности Si подложки (до Q ~ 1.3 х 103) МЭ коэффициентописанных структур достигал рекордно высоких значений – до 103 В/см∙Э припостоянном поле смещения Н = 6 Э. Путем вакуумирования датчика, что привело кувеличению добротности изгибных колебаний структуры, авторам удалось добитьсяувеличения МЭ коэффициена до ~19 кВ/см∙Э.
Также реализован режим работы датчикабез поля смещения (H = 0) за счет нанесения на поверхность подложки слоямагнитожесткого материала.На рисунке 1.14 приведена измеренная зависимость выходного напряжения сдатчика (в вольтах) от амплитуды измеряемого переменного магнитного поля b (вТеслах). Для датчика с толщиной AlN слоя 2 мкм и толщиной ферромагнитного слоя 4мкм. Видно, что датчик позволяет регистрировать переменные поля с амплитудой доединиц пико-Тесла. Очевидным недостатком такого датчика является его узкая полосачастот и трудность перестройки центральной рабочей частоты.Рис.
1.14. - Зависимость напряжения с выхода датчика от амплитудыизмеряемого магнитного поля [69].31Один из путей использования высокой эффективности резонансного МЭвзаимодействия для повышения чувствительности и расширения рабочей полосы частотдатчиков переменных магнитных полей, состоит в использовании нелинейных МЭвзаимодействий.В работах [70, 71] предложено для регистрации низкочастотных магнитныхполей (ниже 10 Гц), предварительно перенести сигнал в область более высоких частот,используя нелинейный эффект смешения частот магнитных полей.
Поскольку уровеньмагнитных шумов МЭ структур падает как ~1/fс ростом частоты, это позволяетзначительно уменьшить минимальную амплитуду регистрируемого поля. На рисунке1.15 показана схема построения МЭ датчика с переносом частоты вверх.Рис. 1.15. - Схема построения МЭ датчика с переносом частоты вверх [70].Устройство работает следующим образом. МЭ датчик помещается внутрькатушки, создающей переменное магнитное поле с частотой f2 и питаемой от внешнегогенератора. Затем датчик вместе с катушкой помещается в измеряемое магнитное поле счастотой f1 (f1 << f2).
За счет описанного ранее нелинейного эффекта сложения частотмагнитных полей, спектр измеряемого магнитного поля переносится вверх по частоте, вобласть частот вблизи f2. После этого с помощью спектроанализатора измеряетсяамплитуда частотной составляющей генерируемого МЭ структурой напряжения счастотой f1+f2, которая пропорциональна амплитуде измеряемого магнитного поля. Какпоказали экспериментальные исследования, такой способ позволяет на ~10-20 дБпонизить уровень шумов и на столько же повысить чувствительность МЭ датчиков.321.6.2 Магнитоэлектрические датчики постоянных магнитных полейНастоящий раздел содержит обзор работ в области создания датчиков постоянныхмагнитных полей с использованием МЭ эффекта в композитных структурахферромагнетик-пьезоэлектрик.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
