Автореферат (1091173), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Амплитуда выходного напряжения датчика нелинейно возрастала до ~0.9 Впри увеличении поля H. В области малых полей приведенная к току чувствительность датчика составляла u1/(IH)=10 В/(А∙кЭ) и уменьшалась до ~1 В/(А∙кЭ) при увеличении поляH от нуля до 9 кЭ.Датчик № 3 в форме камертона был изготовлен на основе двух PZT биморфов, длиной 23 мм каждый, аналогичных описанному выше, закрепленных одним концом на общемосновании. Колебания камертона возбуждали пропуская переменный ток с резонансной15частотой f= 0.203 кГц и амплитудой I = 0-50 мА через средние электроды биморфов.
Конструкция в форме камертона позволила повысить акустическую добротность структуры доQ = 145 (т.е увеличить чувствительность) и обеспечила линейную зависимость выходногонапряжения датчика u от измеряемого поля H. В области магнитных полей до 3 кЭ приведенная к току чувствительность датчика составляла u/(IH) = 24 В/(А∙кЭ).BЦТСu (V)1,0u(f)I(f)u (V)1,00,50,50,00,01230,00,10,2f (кГц)0,3Рис. 8 Напряжение u с датчика в формекамертона от частоты f возбуждающеготока при параллельном соединении пластин и H = 1 кЭ, I = 40 мА.0123H (кЭ)Рис. 9 Напряжение u1 с датчика в формекамертона от H при параллельном (1),последовательном (2) соединении пластин, для одной пластины (3), I = 10 мА.Датчик № 4 был изготовлен на основе описанной ранее в разделе 4 биморфной PZTструктуры в виде закрепленной на одном конце балки длиной 12 мм и шириной 8 мм с намотанной на нее объемной катушкой, содержащей 75 витков провода диаметром 80 μм.
Измеряемое поле H величиной до 3 кЭ прикладывали перпендикулярно к плоскости биморфа.Выходной сигнал датчика линейно зависел от поля, а приведенная к току чувствительностьдатчика во всем диапазоне полей составляла u/(IH)=24.4 В/(А∙кЭ). Амплитуда сигнала датчика была пропорциональна проекции поля H на продольную ось структуры.М0,8ZI(t)u(t)5хВu (V)u (mV)10I = 93 mA0,60,4I=20 mA0,20600700800f (Гц)900Рис. 10 Напряжение u с датчика на основебиморфа с планарной катушкой от частоты f тока через катушку при поле H = 1 кЭи токе I = 20 мА.0,05 mA01H (кЭ)23Рис. 11 Напряжение с датчика u на частоте резонанса 0.66 кГц от поля H при разных токах I через планарную катушку.16В датчике № 5, аналогичном предыдущему, вместо объемной катушки, использовали планарную катушку, что сделало конструкцию более компактной и технологичной, доступной для изготовления методами планарной технологии.
PZT-биморф имел длину 14 мм,ширину 12 мм с толщину слоев по 100 μм. Катушка размерами 8 мм х 8 мм, содержащая 9концентрических витков из медного микрополоска шириной 100 μм и толщиной 20 μм, была изготовлена методами фотолитографии на диэлектрической пленке и приклеена на свободном конца биморфа. Измеряемое поле величиной до H = 2 кЭ было направлено вдольдлинной оси биморфа. Структура имела резонанс изгибных колебаний вблизи частоты 654Гц с добротностью Q = 100. При амплитудах возбуждающего переменного тока I до 60 мАв амплитуда выходного сигнала датчика линейно увеличивалась с ростом H. Приведенная ктоку чувствительность датчика во всем исследованном диапазоне полей составлялаu/(IH)=20 В/(А∙кЭ).Параметры разработанных макетов пьезоэлектрических датчиков поля суммированыв таблице.
Там же для сравнения приведены типичные параметры широко используемыхдатчиков полей на основе эффекта Холла, эффекта магнетосопротивления и феррозондов [6].Тип датчика поляЧувствительностьДиапазон полейТок возбужденияS = u/(I∙H), В/(А∙кЭ)Hmin - Hmax, ЭI, мАПЭ датчик №10.2~ 10−1 - 10410-100ПЭ датчик №210~ 10−2 - 10410-100ПЭ датчик №324~ 10−3 - 10410-50ПЭ датчик №424~ 10−3 - 10410-100ПЭ датчик №520~ 10−3 - 10410-60Датчики Холла1-20~ 10−1 - 1041-200Магниторезисторы2-10~10−1 - 501-100Феррозонд103~10−5 - 1010-100Датчики полей на основе ПЭ биморфов с возбуждением на резонансной частоте спомощью линейного тока или катушек, обладают на ~2 порядка более высокой чувствительностью S ≈ 20 В/(А∙кЭ), чем датчики на основе ПЭ колец.
Величина минимального регистрируемого поля ПЭ датчиков определяется диэлектрическими и акустическими шумами ПЭ элемента и может составлять Hmin ~ 10−3 Э. Сверху диапазон измеряемых полей Hmaxдля ПЭ датчиков ограничен акустической нелинейностью ПЭ элемента и может достигатьдесятков кЭ. Величина тока накачки для всех приведенных в таблице датчиков примерноодинакова и находится в пределах ~1-102 мА. Чувствительность ПЭ датчиков сравнима счувствительностью датчиков Холла и магниторезистивных датчиков, но на ~2 порядка17меньше чувствительности феррозондов.
В тоже время ПЭ датчики позволяют регистрировать на ~2 порядка более слабые магнитные поля, чем датчики Холла, и диапазон измеряемых полей у них значительно шире, чем у магниторезистивных датчиков и феррозондов.Можно сделать вывод, что исследованные в диссертации ПЭ резонансные датчики, последополнительных работ по улучшению их параметров и совершенствованию конструкций,могут составить конкуренцию существующим в настоящее время датчикам магнитных полей.В Заключении перечислены основные результаты диссертационной работы.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ1.
Обнаружен и исследован МЭ эффект в двухслойных дисковых резонаторах никель цирконат-титанат свинца, изготовленных методом электролитического осаждения никеля иметодом склеивания, обусловленный магнитострикцией ферромагнитного слоя. Эффектнаблюдается на частотах как изгибных, так и радиальных акустических колебаний. Частотаизгибных колебаний определяется значениями эффективной плотности и эффективногомодуля Юнга слоев, ее можно изменять в широких пределах, подбирая толщины слоев.магнитоэлектрический коэффициент для дисковых резонаторов достигает ~1 В/(см∙Э).2. Обнаружен и исследован резонансныйпреобразованиепеременныхмагнитныхипьезоиндукционный эффектэлектрическихполей)в(взаимноерадиально-поляризованном кольце из пьезоэлектрика с металлическими электродами, помещенном ваксиальные постоянное и переменное магнитные поля.
Эффект возникает благодарякомбинации пьезоэффекта, силы Ампера и электромагнитной индукции на частотеакустического резонанса структуры. Величина эффекта линейно зависит от амплитудпеременных полей и напряженности постоянного магнитного поля.3. Показано, что биморфная пьезоэлектрическая структура в виде закрепленной на одномконце балки, помещенная в постоянное магнитное поле, при пропускании через среднийэлектрод или намотанную на структуру катушку переменного тока с частотой, равнойчастоте изгибных колебаний биморфа, генерирует переменное напряжение. Амплитуданапряжения пропорциональна акустической добротности структуры, амплитуде тока инапряженности магнитного поля.5.
Продемонстрировано, что резонансные магнитоэлектрические эффекты в кольцевыхпьезоэлектрическихрезонаторахибиморфныхпьезоэлектрическихбалках,обусловленные комбинацией силы Ампера и пьезоэффекта, могут быть использованы длясозданиядатчиковпостоянныхимедленно-изменяющихсямагнитныхполейсчувствительностью до 26 В/(А∙кЭ), работающих в диапазоне полей от единиц милли-эрстеддо десятков кило-эрстед.18СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИСтатьи в журналах, включенных в список ВАК РФ:1. Fetisov Y.K. Chashin D.V., Tafintseva E.V., Srinivasan G.
Magnetoelectric effects in layeredsamples of lead zirconium titanate and nickel films // Solid State Communications. 2008. V.148. No 1-2. P. 55-58.2. Chashin D.V., Fetisov Y.K., Kamentsev K.E., Srinivasan G. Resonance magnetoelectricinteractions due to bending modes in a nickel-lead zirconate titanate bilayer //Appl.
Phys. Lett.2008. V. 92. Paper 102511.3. Чашин Д.В., Каменцев К.Е., Фетисов Ю.К. Магнитоэлектрический эффект в двухслойныхдисковых резонаторах // Радиотехника и электроника. 2008. Т. 53. № 12. С. 1521-1527.4. Burdin D.A., Fetisov Y.K., Chashin D.V., Segalla A.G, Srinivasan G. Multiferroic bendingmode resonators and studies on temperature dependence of magnetoelectric interactions //Appl. Phys.
Lett. 2012. V. 100. Paper 242902.5. 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. Вып. 3. С. 107-112.6. Фетисов Ю.К., Чашин Д.В. Преобразование переменных магнитных и электрическихполей в кольцевой структуре сегнетоэлектрик-проводник // Письма в ЖТФ. 2009. Т. 36.Вып. 15.
С. 50-56.7. Fetisov Y.K., Chashin D.V., Srinivasan G. Piezoinductive effect in a piezoelectric ring withmetal electrodes // J. Appl. Phys. 2009. V.106. Paper 044103.8. Fetisov Y.K., Chashin D.V., Segalla A.G., Srinivasan G. Resonance magnetoelectric effects ina piezoelectric bimorph // J. Appl. Phys. 2011. V. 110. Paper 066101.9. Крыканов Л.М. Коплик А.Б., Фетисов Ю.К., Чашин Д.В. Датчик постоянногомагнитного поля на основе пьезоэлектрического кольца // Письма в ЖТФ.
2009. Т. 35.Вып. 9. С. 838-840.10. Даниличев С.А.. Лебедев С.В., Фетисов Ю.К., Чашин Д.В.. Пьезоэлектрический датчикмагнитного поля на основе камертона с биморфными элементами. // Нано- имикросистемная техника. 2013. № 5. С. 33-35.11. Бурдин Д.А., Савченко Е.М., Фетисов Ю.К., Чашин Д.В., Экономов Н.А.Пьезоэлектрический резонансный датчик магнитного поля с планарной возбуждающейкатушкой. Нано- и микросистемная техника, 2013. №3. С.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
