Диссертация (1091174), страница 5
Текст из файла (страница 5)
2.6, а ее внешний вид – на рис. 2.7. В состав установки входили: электромагнит с полюсами диаметром 5 см, создающий в зазоре до 3 см достаточно однородное магнитное поле напряженностью до H = 3 кЭ; управляемый блок питания электромагнитаTDK-Lambda;генератор переменного напряжения Keysight33210A. используемый для питания дополнительных катушек электромагнита,создающих переменное поле с амплитудой до h = 1 Э и частотой f = 20 Гц –200 кГц; гаусметр Lakeshore, позволяющий измерять магнитные поля с точностью ~ 0.1 Э; осциллограф Tektronix TDS 3032B с шириной полосы частот200 МГц для регистрации формы генерируемых сигналов и их спектра частот;вольтметр АКИП 2401, используемый в качестве аналогово-цифрового преобразователя, и персональный компьютер. Управление установкой проводили с помощью специализированной программы в среде Labview.При исследованиях МЭ эффекта в структурах ферромагнетикпьезоэлектрик установка позволяла регистрировать: зависимости МЭ напряжения от частоты u(f) при фиксированном поле накачки h и поле смещения H;зависимости u(H) при фиксированной частоте f возбуждающего поля; зависимости u(h) при фиксированных значениях f и H.
Записываемые файлы данных содержат до 104 точек. При исследованиях МЭ эффекта в структурах ме31талл-пьезоэлектрик переменный ток I от генератора пропускали через электрод структуры или катушку, намотанную на структуру.u(f)ГаусметрLakeShore421ГенераторKeysight33210AОсциллографTektronixTDS 3032BВольтметрАКИП-2401H+h(f)Блок питанияTDK-LambdaЭлектромагнитОбразецКомпьютерРисунок 2.6 Блок-схема установки для исследованиймагнитоэлектрического эффекта.Рисунок 2.7 Внешний вид установки для исследований магнитоэлектрического эффекта.322.5 Установка для температурных измеренийИсследования температурных характеристик МЭ эффектов в композитных структурах и созданных на их основе датчиков магнитных полей проводили с помощью изготовленной в МИРЭА при непосредственном участиисоискателя автоматизированной установки.
В установке использован принцип охлаждения или нагрева образца в потоке газа с заданной температурой.Установка содержала сосуд Дьюара с системой испарения и подачи азота, резистивный нагреватель, который доводил температуру газообразного азота дозаданной, термоячейку с исследуемым образцом, электронный блок управления, несколько термодатчиков, измеряющих температуру нагревателей и образца, икомпьютер, который с помощьюспециализированнойпрограммы в среде Labviewконтролировал все измерения.При исследовании температурных характеристик МЭэффектов или датчиков полейтермоячейку с образцом помещали в зазор электромагнита описанной в предыдущем разделе установки дляисследования МЭ эффектов иРисунок 2.8 Внешний вид установки длятемпературных исследований.программносинхронизиро-вали работу двух установок.33Внешний вид установки приведен на рис.
2.8, а интерфейс пользователяустановки, позволявший контролировать температурные режимы и записывать измеренные параметры, показан на рис. 2.9.Рисунок 2.9 Интерфейс пользователя температурной установки.При измерении температурных характеристик МЭ эффектов установкаработает следующим образом. Нагретый до заданной температуры газообразный азот поступает в измерительную камеру, доводит температуру образцадо установленной и поддерживает ее в течение определенного времени ~1-2минуты. За это время автоматически проводятся измерения параметров образца, например, записывается частотная зависимость генерируемого МЭструктурой напряжения.
После этого температура газа изменяется и процессповторяется. Таким образом, в течение достаточно короткого времени можнозаписать набор (до 100) амплитудно-частотных характеристик, соответствующих различным температурам образца. После этого программа для каж-34дой резонансной кривой определяет амплитуду u(fr) и частоту fr резонанса,рассчитывает добротность резонанса Q и строит зависимости u(T), fr(T) и Q(T).Основные параметры установки следующие:- диапазон изменения температуры T:от −130 С до +130 С,- закон изменения температуры:произвольный, с шагом ΔT = 1-10 С,- точность установки температуры:0.5 С,- время поддержания температуры:не ограничено,- время установления T при шаге 10 0С:не более 60 сек.,-размер файла данныхдо 104 точек,- объем измерительной ячейки:20 см3,- расход азота в режиме измерений:0.1 - 2 л/час,- потребляемая мощность:< 450 Вт,- автоматическое отключение при перегреве элементов,- имеется датчик уровня азота, автоматическое отключение.Преимуществами созданной установки по сравнению с существующими (например, термошкафами и криокулерами), являются: высокая оперативность измерений, достаточно широкий температурный диапазон, отсутствиепроблем с образованием конденсата на образце при низких температурах,возможность создания в области расположения образца магнитных и электрических полей, гибкость в задании температурных режимов и автоматизированной обработке результатов измерений.353Магнитоэлектрическийэффектврезонаторахферромагнетик-пьезоэлектрик3.1 Магнитоэлектрический эффект в резонаторах никель-пьезоэлектрик,изготовленных методом склеиванияПараметры резонаторовДля проведения магнитоэлектрических измерений было изготовленонесколько резонаторов, содержащих слои пьезоэлектрика различных толщин[75,76].
Технология изготовления структур ФМ-ПЭ методом склеивания описана в параграфе 2.1 раздела 2. Механические и электрические параметры использованных материалов приведены в таблице 3.1, а геометрические параметры изготовленных резонаторов – в таблице 3.2.Таблица 3.1. Параметры материалов и структурМатериалY,ρ,н/м2кг/м3λ11 × 106νd13×10-12,м/ВNi21.5×10108.9×1030.35-32-PZT7×10107.7×1030.38--175Таблица 3.2. Параметры композитных дисковых резонаторовПараметрНомер резонатора123456bp, мм0,10,20,250,380,40,48bm, мм0,20,20,20,20,20,2b, мм0,30,40,450,580,60,68C, нФ84372921202336Здесь обозначено Y – модуль Юнга материала, ρ - плотность материала, ν –коэффициент Пуассона, λ11 – продольная магнитострикция насыщения никеля,d13 – пьезоэлектрический коэффициент пьезоэлектрика, bp – толщина PZTдиска, bm – толщина диска Ni, b = bp + bm - общая толщина структуры, C –электроемкость пьезоэлектрического диска на частоте 1 кГц.Исследования частотных и полевых зависимостей амплитуды МЭ напряжения проводили на установке, описанной в разделе 2.4 диссертации.МЭ эффект в касательно намагниченных резонаторахНа рис.
3.1 приведена измеренная зависимость МЭ напряжения u, генерируемого резонатором № 5, от частоты переменного магнитного поля f. Постоянное поле приложено по касательной к плоскости структуры, его величина H = 50 Э соответствует максимуму эффективности МЭ взаимодействия.Амплитуда модулирующего поля равна h0 = 10 Э. Видно, что амплитуда генерируемого напряжения составляет u ~ 18 мВ во всем диапазоне частот ивозрастает на ~2 порядка на частотах, отвечающих возбуждению акустических колебаний в резонаторе.
Как будет показано ниже, частота f1 = 6,7 кГцсоответствует первой моде изгибных колебаний диска, частота f2 = 26.2 кГц –второй мое изгибных колебаний, а частота f3 = 112 кГц – первой моде радиальных колебаний диска.В области частот f > 50 кГц наблюдали еще несколько слабых максимумов, соответствующих возбуждению мод более высоких порядков. Навставке рис 3.1 приведен увеличенный фрагмент формы линии низкочастотного резонанса. Добротность низкочастотного резонанса составляла Q1 = 110,а добротность высокочастотного Q3 = 72. Штриховой линией на рис. 3.1 показана измеренная зависимость амплитуды переменного поля h0 от частоты. Из-37за индуктивности катушек, h0 плавно уменьшалась с ростом частоты, но неболее чем на 5%.Рисунок 3.1 Зависимость амплитуды напряжения u (сплошная линия), генерируемого склеенным Ni-PZT дисковым резонатором, и амплитуды поля h0 (штриховая линия) от частоты переменного поля f при H = 50 Э. Навставке показана линия низкочастотного резонанса.Частотные зависимости аналогичные показанной на рис.
3.1, были измерены для всех резонаторов, перечисленных в Таблице 3.2. Поскольку дляприменений наибольший интерес представляют низшая мода изгибных колебаний с частотой f1 и первая мода радиальных колебаний с частотой f3, тотолько их характеристики будут детально описаны далее.На рис. 3.2 приведены измеренные зависимости частот f1 и f3 мод резонатора и амплитуды напряжений u1 и u3, генерируемых резонатором, от толщины структуры при тех же значения H = 50 Э и h0 = 10 Э, что и на рис. 3.1.Из рис.
3.2а видно, что частота изгибной моды примерно линейно растет, ачастота планарной моды монотонно уменьшается с увеличением толщины38структуры. Штриховыми линиями на рис. 3.2а изображены рассчитанные зависимости частот, о чем будет сказано ниже. При изменении толщины резонатора добротность низкочастотной моды изменялась в пределах Q1 = 110 130. а добротность высокочастотной моды - в пределах Q2 = 67 - 80,соответственно.Рисунок 3.2 Зависимость частот (а) изгибной и планарной мод касательнонамагниченного склеенного Ni-PZT резонатора и генерируемых напряжений (б) от толщины структуры. Точки – эксперимент, штриховые линии на рис.3.2а – расчет, линии на рис.3.2 (б) – полиноминальная аппроксимация [76].39Величина МЭ напряжения сильно зависит от степени начальной поляризации PZT слоев и качества склейки дисков.
Это приводит к некоторомуразбросу амплитуд напряжений, генерируемых резонаторами. Тем не менее,из рис. 3.2б видно, что как для изгибной, так и для радиальной мод, амплитуда МЭ напряжения имеет максимум при толщине структуры ~ 0.6 мм, когдаотношение толщины слоя PZT к толщине слоя Ni равно bp/bm ~ 2. Амплитудасигнала падает при уменьшении толщины PZT конденсатора из-за увеличения его емкости (см. Таблицу 3.2). Амплитуда также падает в случае толстыхслоев PZT, когда тонкий слой Ni не может деформировать более толстыйслой пьезоэлектрика.
Аналогичную зависимость с максимумом МЭ напряжения при определенном соотношении толщин магнитного и пьезоэлектрического слоев наблюдали и для симметричных многослойных структур.На рис. 3.3 показана зависимость амплитуды МЭ напряжения u1, генерируемого резонатором при возбуждении основной изгибной моды с частотой f1, от касательного поля смещения H. Кривая снята для резонатора № 5при амплитуде возбуждающего поля h0 = 10 Э.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
