Диссертация (1091174), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Область отрицательных полейH < 0 на горизонтальной оси рисунка 3.3 отвечает изменению направлениямагнитного поля на противоположное. В области полей H > 0 генерируемоеМЭ напряжение изменялось в фазе с возбуждающим переменным полем. Вобласти полей H < 0 отрицательные значения амплитуды сигнала отражаютфакт сдвига фазы генерируемого МЭ напряжения на «π» по отношению квозбуждающему полю.Как видно из рис. 3.3, напряжение u1 сначала растет линейно с увеличением H в области малых полей, достигает максимума при H ~ 50 Э, а затемплавно падает при дальнейшем увеличении поля. В области полей |H| < 80 Эимела место гистерезисная зависимость МЭ напряжения от поля.
Величина40Рисунок 3.3 Зависимость амплитуды напряжения u1, генерируемого касательно намагниченным Ni-PZT резонатором на частоте f1 изгибной модыот поля H при h0 = 10 Э. Стрелки указывают направление изменения поля.коэрцитивной силы не превышала 8 Э. Гистерезис возникает, по-видимому,из-за дефектов в слое Ni и может быть уменьшен путем термообработки слоя.Зависимости u(H) гистерезисного типа, аналогичные показанной нарис. 3.3, наблюдали также для радиальной моды колебаний резонатора № 2 счастотой f3 и для изгибных и радиальных мод колебаний других резонаторовиз Таблицы 2. Во всех случаях максимум МЭ напряжения располагался в полях H ~50-60 Э, а величина коэрцитивной силы находилась в пределах 6-10 Э.Отметим, что использование в МЭ структуре Ni, имеющего высокуюмагнитную проницаемость и малое поле насыщения, по сравнению, например,с терфенолом, позволило на порядок уменьшить величину намагничивающего поля, соответствующего максимуму генерируемого напряжения, что важнодля применений.41МЭ эффект в резонаторах, намагниченных перпендикулярно к плоскостиАналогичные измерения были проведены на резонаторах из таблицы3.2, при их намагничивании перпендикулярно к плоскости [75,76].
Зависимость МЭ напряжения u от частоты поля f имела качественно такой же вид,как и при касательном намагничивании структуры (рис. 3.1). При поле смещения H = 500 Э, соответствующем максимальной эффективности взаимодействия, и поле h0 = 10 Э амплитуда сигнала составляла u ~ 10 мВ во всейобласти частот и резко увеличивалась вблизи тех же резонансных частот f1 иf3. На частоте возбуждения изгибной моды колебаний резонатора амплитудагенерируемого напряжения достигала максимального значения u1 = 260 мВ, апри возбуждении планарной моды - не превышала u3 = 50 мВ. При намагничивании структуры перпендикулярно к плоскости добротность изгибной моды всех резонаторов уменьшилась до Q1 ~ 30 - 40, а добротность планарноймоды возросла до Q3 ~ 90-100.
Уменьшение Q1 происходило из-за демпфирования изгибных колебаний резонатора при его соприкосновении с держателем. поскольку диск стремился повернуться и сориентироваться параллельнонаправлению поля.На рис. 3.4 приведены измеренные зависимости напряжений u1 и u3 отпостоянного поля H для резонатора № 2, намагниченного перпендикулярно кплоскости структуры.
Максимум амплитуды генерируемого напряжения дляобеих резонансных мод достигается в полях H ~ 400-600 Э, на порядок больших, чем при касательном намагничивании резонатора. В этом случае такженаблюдали гистерезисную зависимость напряжения от приложенного поля,аналогичную показанной на рис. 5. Величина коэрцитивной силы Hс для изгибной и радиальной мод колебаний всех резонаторов из Таблицы 2 не превышала 10 Э.42Рисунок 3.4 Зависимость МЭ напряжений u1 и u3, генерируемых двухслойным Ni-PZT резонатором, от поля H при намагничивании структурыперпендикулярно к плоскости [76].Частоты акустических колебаний резонаторовЗависимость амплитуды МЭ напряжения от частоты, показанная нарис.
3.1, обусловлена, как уже отмечалось, возбуждением акустических колебаний различных типов в дисковом резонаторе. Частоты изгибных колебанийоднородного свободного диска даются формулой [73]f nsb2R 2Y12 (1 2 ) ,(3.1)где ns - коэффициент, отвечающей моде с n узловыми диаметрами и s узловыми окружностями, b – толщина диска, R – радиус диска, - плотность материала диска, Y – модуль Юнга, ν - коэффициент Пуассона.43Для двухслойного диска, содержащего механически соединенные слоимагнетика и пьезоэлектрика, эффективные плотность и модуль Юнга находятся по формулам [76]: m bm p b pbm b pYиYm bm Y p b pbm b p,(3.2)где Ym, ρm, bm и Yp, ρp, bp - модуль Юнга, плотность и толщины магнитного ипьезоэлектрического слоев, соответственно.Подставляя формулы (3.2) в выражение (3.1) и используя параметрыматериалов, приведенные в Таблице 3.1, для частот изгибных мод дисковогорезонатора № 5 с одной узловой окружностью (α01 = 9.076) и двумя узловымиокружностями (α02 = 38.52) получаем значения f1 = 6.58 кГц и f2 = 27.9 кГц,которые хорошо совпадают с данными измерений на рис.
3.1.Частота основной моды радиальных колебаний свободного диска, толщина которого значительно меньше диаметра (b << R), не зависит от толщины диска и находится по формуле [73]f Y2R (1 2 ) ,(3.3)где для низшей моды β = 2.088. Подставляя выражения (3.2) в уравнение (3.3)и использую параметры материалов из Таблицы 3.1, для дискового резонатора № 2 находим частоту основного резонанса f3 = 109.1 кГц, которая такжехорошо совпадает с частотой резонанса на рис. 3.1.На рис. 3.2a штриховыми линиями изображены результаты расчета частот изгибных и радиальных мод колебаний для всех резонаторов из Таблицы3.2. Видно, что теория хорошо количественно описывает изменение обеихчастот при увеличении толщины резонатора.
Частота изгибной моды, с однойстороны, увеличивается с ростом толщины структуры, с другой стороны - па44дает из-за уменьшения эффективного модуля Юнга структуры Y при возрастании в ней доли PZT. В результате конкуренции двух факторов частота изгибной моды f1 растет примерно линейно с увеличением толщины резонатора.Частота радиальной моды f3, которая не зависит от толщины резонатора, падает с увеличением толщины структуры вследствие уменьшения эффективного модуля Юнга Y структуры при возрастании в ней доли PZT.Зависимость МЭ напряжения от магнитного поляЗависимость амплитуды МЭ напряжения, генерируемого структурой, отпостоянного поля H, показанная на рис. 3.3 и рис.
3.4, возникает из-за полевой зависимости магнитострикции λ(H) магнитного слоя структуры. Для проверки этого утверждения с помощью наклеенного на поверхность диска Niтензодатчика были измерены зависимости λ(H), которые приведены нарис. 3.5. Кривые λ11(H) и λ12(H) получены для касательно намагниченногослоя при ориентации поля вдоль или поперек оси датчика, соответственно.Кривая λ13(H) получена для диска, намагниченного перпендикулярно к плоскости. Сплошные линии на рис.
3.5 демонстрируют аппроксимацию экспериментальных данных аналитическими функциями.Величина МЭ напряжения u пропорциональна пьезомагнитному коэффициенту магнитного слоя q(H) = ∂λ(H)/∂H. В случае касательного намагничивания q = q11 + q12, где q11 = ∂λ11/∂H , q12 = ∂λ12/∂H. При нормальном намагничивании q = q13, где q13 = ∂λ13/∂H. Расчеты, выполненные с использованиемданных рисунка 3.5 показали, что коэффициент q11 + q12 достигает максимума~ 57 ·10–6 Э–1 как раз в поле ~ 50 Э, что хорошо объясняет зависимость, приведенную на рис.
3.1.45В случае нормального намагничивания, как видно из рис. 3.5, коэффициент q13 имеет максимум ~ 16·10–6 Э–1 в поле ~ 2.3 кЭ, значительно большем, чем следует из рис. 3.5. Уменьшение поля, отвечающего максимальнойамплитуде МЭ напряжения, происходит, видимо, из-за поворота резонаторана малый угол в процессе измерений. При отклонении направления H от перпендикуляра к плоскости резонатора появляется касательная компонента поля, и вклад в выходной сигнал будет давать уже пьезомагнитный коэффициент q11, что и приводит к наблюдаемому сдвигу максимума генерируемогонапряжения в область малых полей.Рисунок 3.5. Зависимости магнитострикций λ11, λ12 и λ13 слоя Ni от магнитного поля H при различных ориентациях поля.
точки – данные измерений, сплошные линии – аппроксимация данных аналитическими функциями.Эффективность МЭ взаимодействияДля расчета эффективности МЭ взаимодействия для структуры № 5,помещенной в касательное поле оптимальной напряженности H = 50 Э, используем данные рис. 3.1. Вдали от частот акустических резонансов МЭ ко46эффициент слабо зависел от частоты и равнялся αE = (u/b)/h0 = 30 мВ/(см·Э).Полученное значение в несколько раз больше значения αE для трехслойныхструктур аналогичного состава Ni/PZT, что может быть обусловлено оптимальным соотношением толщин пьезоэлектрика и ферромагнетика в нашемслучае.
На частоте f1 основной моды изгибных колебаний эффективность МЭвзаимодействия составляла αE1 = 760 мВ/(смЭ), а на частоте f3 низшей модырадиальных колебаний - αE3 = 580 мВ/(см/Э).Для той же структуры № 5, намагниченной перпендикулярно к плоскости полем H = 500 Э, эффективность МЭ взаимодействия вдали от резонансных частот составляла αE = (U/b)/h0 = 17 мВ/(см·Э), а на частотах изгибных ирадиальных колебаний αE1 = 365 мВ/(см·Э) и αE3 = 70 мВ/(см·Э).Установлено, что при H > 20 Э увеличение амплитуды h0 до 10 Э приводило к линейному росту напряжения u, генерируемого структурой. Линейность эффекта позволяет оценить чувствительность и рабочий диапазон МЭдатчика полей, использующего изгибную моду колебаний в двухслойномдисковом PZT/Ni резонаторе.
Как видно из рис. 3, при воздействии переменного поля с частотой 6.7 кГц и амплитудой h0 = 10 Э в условиях оптимального смещения H = 50 Э резонатор генерировал сигнал u = 440 мВ. Принимаяминимальный уровень регистрируемого сигнала равным уровню шумов измерительной схемы, который в нашем случае составлял ~ 1 мкВ, получаем,что минимальная амплитуда регистрируемого переменного поля составляет~10−5 Э, а динамический диапазон датчика может достигать ~ 60 дБ.Таким образом, показано, что для изготовленных методом склейкиNi/PZT резонаторов диаметром ~ 2 см и толщиной менее 1 мм частота изгибных акустических колебаний составляет 3-7 кГц, а частота радиальных акустических колебаний ~102 кГц, при этом коэффициент МЭ взаимодействия нарезонансных частотах достигает значений αE ~ 103 мВ/(Э·см).
Продемонстри47рована возможность управления частотой изгибных и радиальных колебанийМЭ резонаторов за счет выбора соотношения толщин слоев Ni и PZT. Для резонаторов со слоем Ni величина поля смещения, соответствующая максимальной эффективности МЭ преобразования, составляет ~50 Э.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
