Диссертация (1091174), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Описанныерезонаторы могут послужить основой для создания простых по конструкциичастотно-селективных магнитоэлектрических датчиков низкочастотных магнитных полей с чувствительностью до 10−5 Э.3.2 Магнитоэлектрический эффект в резонаторах никель-пьезоэлектрик,изготовленных методом электроосажденияВ данном разделе описаны результаты исследования МЭ эффекта в монолитных дисковых структурах ФМ-ПЭ изготовленных методом электролитического осаждения никеля на керамику [74, 85, 86]. Подробное описаниеметода приведено в разделе 2.1 диссертации.
Конструкции и внешний вид резонаторов приведены на рис. 2.2. Исследования частотных и полевых зависимостей МЭ напряжения, генерируемого резонаторами, проводили на установке, описанной в разделе 2.4 диссертации.На рис. 3.6 приведена типичная зависимость амплитуды напряжения uгенерируемого двухслойным Ni-PZT резонатором с толщиной слоя Ni bm = 57мкм при касательном поле смещения H = 110 Э и амплитуде модулирующегополя h0 = 2.5 Э. Видно, что амплитуда напряжения не превышает 1-2 мВ вовсем диапазоне частот и резко возрастает на частотах резонансов.Ниже будет показано, что частоты f1 и f2 соответствуют низшим модамизгибных колебаний, а частота f3 - низшей моде радиальных колебаний дисковой структуры. На вставке показана форма линии резонанса с частотой f1 вболее крупном масштабе.
На рис. 3.6 виден также целый ряд более слабых ре48зонансов, которые возникают из-за неоднородности структуры и далее рассматриваться не будут. Аналогичные характеристики были получены для 8ми двухслойных резонаторов с толщиной слоя Ni bm = 5 - 57 мкм. Для всехрезонаторов амплитуда u(f1) в ~ 2 раза превышала амплитуду u(f3), и обе амплитуды росли примерно линейно с увеличением толщины слоя Ni. Добротность низкочастотных резонансов составляла Q1 ~ 30-120, а добротность высокочастотных Q3 ~ 60-160.
Добротности всех резонансов росли с увеличением толщины слоя никеля.Рисунок 3.6 Зависимость МЭ напряжения, генерируемого двухслойнымNi-PZT резонатором с толщиной слоя Ni 57 мкм от частоты при касательном поле H = 110 Э и амплитуде переменного поля h0 = 2.5 Э. На вставкеприведена форма линии низкочастотного резонанса.Аналогичные показанным на рис. 3.6 характеристики были получены ипри намагничивании Ni-PZT резонаторов перпендикулярно к поверхности. Вэтом случае максимум u достигался при большем поле H ~ 400 Э, что обу49словлено эффектами размагничивания и видом полевой зависимости λ(H)магнитострикции пленок Ni.
Амплитуда напряжения, генерируемого нормально намагниченным МЭ резонатором с толщиной слоя Ni bm = 57 мкм приH = 400 Э и h0 = 2.5 Э, не превышала u(f1) = 30 мВ и u(f2) = 20 мВ.Для демонстрации особенностей МЭ взаимодействия в двухслойныхNi-PZT и трехслойных Ni-PZT-Ni резонаторах на рис. 3.7 приведены зависимости генерируемого напряжения u(f) для диска PZT толщиной bp = 218 мкм содним и двумя слоями Ni толщиной bm = 10 мкм при касательном поле H = 72Э и h0 = 2.5 Э. Видно, что в симметричной Ni-PZT-Ni структуре изгибныеколебания с частотой f1 практически не возбуждаются - максимум u на частоте f1 отсутствует.
Амплитуда генерируемого напряжения u(f3) для радиальныхколебаний трехслойной структуры в ~2 раза превышает амплитуду напряжения u(f3) для двухслойной структуры. Это вызвано увеличением в два разаобщей толщины слоев Ni. На рис. 3.7 видно также, что в области частот f ~ 1кГц зависимость u(f) для обеих структур имеет локальный максимум даже безРисунок 3.7 Измеренные зависимости амплитуды генерируемого напряжения u от частоты для Ni-PZT (кривая 1) и Ni-PZT-Ni (кривая 2) резонаторов с толщиной слоев никеля 10 мкм при H = 70 Э и h0 = 2.5 Э.50учета резонансов.
Напряжение в максимуме для трехслойной структуры достигает 10 мВ, а для двухслойной - 5 мВ. При увеличении частоты модуляциивыше 1 кГц амплитуда нерезонансного сигнала падает.На рис. 3.8 приведены измеренные зависимости амплитуды МЭ напряжения u(f1), генерируемого на резонансной частоте f1 структурами с толщиной PZT диска bp = 220 мкм и различными толщинами слоев Ni, от напряженности касательного магнитного поля H. Видно, что для каждой структуры uсначала растет примерно линейно с H, достигает максимума при некоторомполе Hm, а затем плавно спадает при дальнейшем увеличении H.
При увеличении толщины слоя Ni от 5 мкм до 57 мкм величина Hm возрастала от 70 Эдо 110 Э а амплитуда напряжения в максимуме – от 25 мВ до 67 мВ. Такоеповедение кривых обусловлено видом полевой зависимости λ(H) магнитострикции пленок Ni. Амплитуда генерируемого МЭ напряжения u пропорциональна величине пьезомагнитного коэффициента ∂λ/∂H, который достигает максимума как раз при поле Hm.57u (mV)6030401520005200 400 600 800 1000Магнитное поле H (Oe)Рисунок 3.8 Измеренная зависимость амплитуды напряжения u от поляH для касательно намагниченных Ni-PZT резонаторов на частоте f1 приh0 = 2.5 Э. Цифры у кривых соответствуют толщине слоя Ni в мкм.51В случае намагничивания Ni-PZT и Ni-PZT-Ni резонаторов перпендикулярно к плоскости, зависимости u(f1) от поля имели вид, аналогичный показанным на рис.
3.8, однако максимум МЭ напряжения достигался в областиполей H ~ 400 Э, что обусловлено влиянием размагничивания слоя Ni.Резонансные частоты, рассчитанные с использованием формул (3.1)(3.3), известных значений коэффициентов для αns и β низших мод колебаний,геометрических размеров резонаторов и механических параметров материалов (для Ni: Ym = 21.5∙1010 Н/м и ρm = 8.8∙103 кг/м3, для PZT: Yp = 7.0∙1010 Н/м иρp = 7.7∙103 кг/м3, коэффициент Пуассона для обоих материалов ν ≈ 0.35),приведены на рис. 3.9 сплошными линиями.f3Частота f (kHz)100f2101f10204060Толщина слоя Ni bm (m)Рисунок 3.9 Зависимость резонансных частот Ni-PZT резонаторов диаметром 25 мм с толщиной PZT слоя 220 мкм от толщины слоя Ni: точки – измерение, линии – расчет.Видно, что теория хорошо количественно описывает данные измерений.Частоты как изгибных, так и радиальных мод колебаний двухслойного NiPZT резонатора медленно возрастают с увеличением толщины слоя Ni.
Отсюда следует, что частота f3 радиальных колебаний трехслойного Ni-PZT-Ni52резонатора должна быть несколько больше частоты радиальных колебанийдвухслойного резонатора, что согласуется с данными рис. 3.7Оценим коэффициент МЭ взаимодействия αE = u/h0(bm+bp) для резонаторов, изготовленных методом электролитического осаждения, используяданные рис.
3.6 и 3.8. Для касательно намагниченного Ni-PZT резонатора столщиной слоя PZT bp = 220 мкм и толщиной слоя Ni bm = 57 мкм при оптимальном поле H = 110 Э находим: вдали от резонансных частот αE ~ 40-50мВ/(Э∙см), для основной моды изгибных колебаний - αE1 = 970 мВ/(Э∙см) идля радиальных колебаний - αE3 = 530 мВ/(Э∙см). Полученная эффективностьМЭ взаимодействия совпадает с эффективностью взаимодействия для болеетолстых Ni-PZT дисковых резонаторов, изготовленных путем склеиваниядисков PZT толщиной 0.4 мм с дисками из Ni толщиной 0.2 мм.3.3 Температурные характеристики магнитоэлектрического эффектаВ разделе приведены результаты температурных измерений МЭ эффекта в дисковых структурах и сравнение температурных характеристик дляструктур, полученных методом склейки и методом электролитического осаждения [77, 78, 87].
Методики изготовления структур и проведения температурных измерений подробно описаны в разделе 2 диссертации.В измерениях использовались образцы, состав и размеры которых приведены в таблице 3.Таблица 3.3 Параметры дисковых резонаторов№ резо- Размеры слоя PZT,натораD x apРазмеры слоя Ni, Технология изготовленияD x am125 мм х 0.4 мм25 мм х 0.23 мм225 мм х 0.2 мм25 мм х 30 μм53Клеевое соединениеЭлектролитическоеосаждениеПьезомодули PZT дисков равнялись d31 = (150-170) 10−12 K/N. Магнитострикция насыщения слоя Ni в касательном поле H = 500 Э составляла λS =−30∙10−6. Для регистрации МЭ напряжения использовали проводники диаметром 50 μм и длиной 20 мм, припаянные к электродам PZT дисков.На рис.
3.10 приведены частотные зависимости МЭ напряжения длясклеенного резонатора (№ 1), измеренные при различных значениях температуры. Величина поля смещения составляла H = 57 Э, что соответствует максимуму пьезомагнитного коэффициента для слоя никеля. Резонанс на кривыхсоответствует возбуждению изгибных колебаний в структуре.На рис. 3.11 приведены температурные зависимости резонансной частоты f1, а также зависимости резонансного значения МЭ напряжения u1(f1).Как следует из графика резонансная частота f1 постепенно уменьшается с 7.9кГц до 7.8 кГц при росте температуры от −58 C и вплоть до 67 C.
Затем Наблюдается резкое уменьшение до значения 6.56 кГц при дальнейшем увели-Рисунок 3.10 Зависимость МЭ напряжения u от частоты переменногомагнитного поля для склеенного резонатора PZT-Ni при различныхтемпературах.54чении температуры до величины 83 С. Общее уменьшение резонансной частоты во всем диапазоне составило f1 ~ 4,5 %. Величина МЭ напряжения u1растет с ростом частоты, достигает максимального значения u1 ~ 2.28 В притемпературе T = 37 С, а затем падает практически до нуля при температуре T= 87 С. Максимальное значение МЭ коэффициента составляло αE = u1/(aph) =41 В/(Э∙см).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
