Диссертация (1091174), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Добротность резонанса показанного на рис. 3.10 практически неменялась при повышении температуры до 37 С и составляла Q1 = 130-150.При дальнейшем увеличении T до 87 С добротность падала до ~ 30.Рисунок 3.11 Зависимости резонансной частоты f1 и резонансного значения МЭ напряжения u1 от температуры для склеенного PZT-Ni резонатора.На рисунке 3.12 показаны аналогичные зависимости u(f) от частоты fдля монолитного резонатора (№2), изготовленного методом электролитического осаждения, в поле H = 50 Э при различных температурах.Соответствующие зависимости резонансной частоты f2 и резонансного МЭнапряжения u2 от температуры приведены на рис.
3.1355Рисунок 3.12 Зависимость МЭ напряжения u от частоты переменногомагнитного поля для монолитного PZT-Ni резонатора при различных T.Рисунок 3.13 Зависимости резонансной частоты f2 и резонансного значения МЭ напряжения u2 для монолитного резонатора от температуры..56При увеличении температуры от −70 С до 83 С частота f2 сначалауменьшается, достигает минимума f2м = 2.4 кГц при температуре −10 С, а затем снова растет до 2.78 кГц при температуре 83 С.
Общее изменение частоты f2 составляло ~ 16 %, что существенно больше возможного изменения частоты, вызываемого температурными деформациями размеров структуры.Магнитоэлектрическое напряжение постепенно уменьшалось практически донуля от u2 = 0.6 В при увеличении температуры от −70 С до 83 С. Максимальное значение МЭ коэффициента составляло αE = u1/(aph) = 26 В/(Э∙см). Добротность структуры Q2 уменьшалась от 130 до 95 с ростом температуры.Рассмотрим причины, объясняющие полученные температурные зависимости резонансных частот и МЭ напряжения для этих двух структур.Частота основной моды изгибных изгибных колебаний свободного диска малой толщины (b << R) дается формулой [73]:f nsb2R 2Y,12 (1 2 )(3.4)где αns – коэффициент, соответствующий определенным модам колебаний, bи R – толщина и радиус диска, ρ – плотность материала, Y - модуль Юнга и ν– коэффициент Пуассона. Для двухслойной дисковой структуры PZT-Ni эффективные значения плотности и модуля Юнга получаются по формулам(3.2).
Подставляя значения параметров, получаем для склеенного резонатораf01= 6.6 кГц и для монолитного резонатора - f02 = 2.2 кГц. Рассчитанные значения близки к измеренным, что подтверждает правильность расчетов.Из формулы (3.4) следует, что температурные зависимости частот могут быть следствием температурных зависимостей модуля Юнга или размеров структур.
Чтобы убедиться в этом, были проведены измерения зависимостей модуля Юнга от температуры отдельно для дисков PZT и дисков из Ni.Радиальные акустические колебания в дисках PZT диаметром 25 мм и толщи57ной 0.2 мм возбуждали при помощи переменного электрического поля. Приувеличении температуры с −53 С до 107 С частота колебаний уменьшалась на6.4 %, от 97.4 кГц до 91.2 кГц, что соответствует уменьшением модуля ЮнгаYp PZT слоя на ~ 13 %. Акустические колебания в диска Ni размерами 44 мм x5 мм x 0.34 мм возбуждали при помощи переменного магнитного поля.
Сростом температуры от −88 С до 67 С частота постепенно уменьшалась от108.7 кГц до 105.1 кГц, то есть на ~3.4 %, что соответствует уменьшению модуля Юнга Ym никеля на ~ 7 %. Таким образом, что частота изгибных колебаний МЭ резонатора должна уменьшаться с ростом температуры вследствиеуменьшения модулей Юнга слоев PZT и Ni.
Этот вывод подтверждается результатами температурных измерений для клееной структуры, но входит впротиворечие с результатами для монолитной структуры.Второй эффект, который может оказывать влияние на температурныезависимости частоты резонаторов, - различие коэффициентов температурногорасширения для PZT и Ni: τp = 2∙10-6 К-1 и τm = 13∙10-6 К-1.
Это различие, атакже сильное механического взаимодействия между слоями, приводит к тому, что структура при нагреве растягивается и изгибается в сторону магнитного слоя, а при охлаждении изгибается в сторону пьезоэлектрического слоя.По этой причине частота изгибных колебаний двухслойного PZT-Ni резонатора будей увеличиваться как при его нагреве, так и при охлаждении.Из вышесказанного следует, что температурные зависимости f01(T) определяются двумя эффектами: уменьшение модуля Юнга слоев с ростом температуры и статической деформацией слоев вызванной разницей коэффициентов температурного расширения слоев.
Когда структура охлаждается скомнатной температуры, то оба эффекта приводят к увеличению частоты. Вто время как при нагреве эффекты вычитаются и могут привести либо к увеличению, либо к уменьшению частоты.58В нашем случае, когда клееная структура нагревалась от комнатнойтемпературы, размягчение слоя эпоксидного клея между слоями привело кослаблению механической связи между слоями, что скомпенсировало эффектстатической деформации и привело к уменьшению частоты (см. рис. 3.11). Нов случае монолитной структуры с осажденным никелем, эффект статическойдеформации играл главную роль при нагреве, что привело к увеличению резонансной частоты (см.
рис. 3.13).МЭ напряжение генерируемое структурой PZT-Ni на частоте акустических колебаний дается выражением:u1 Qd31q11A d132(3.5)Здесь коэффициент А определяется толщинами и модулями Юнга слоеви слабо зависит от температуры. Из (3.5) следует, что форма кривой u1(T) задается формой зависимости пьезомодуля d31(T), диэлектрической константыε(T) ПЭ слоя, пьезомагнитного коэффициента q11(T) магнитного слоя, и температурной зависимостью добротности Q(T).Измерения показали, что добротности акустических колебаний PZTдиска и пластины Ni падают на 20 % и в два раза при увеличении температуры от 200 К до 380 К.
Это свидетельствует о слабой температурной зависимости d31(T) и сильной зависимости q11(T).На рис. 3.14 приведены измеренные температурные зависимости диэлектрической постоянной ε и параметра диэлектрических потерь tgδ для составного и монолитного PZT-Ni дисковых резонаторов.5912433tg, 10, 10346tg22tg1210150200250300T, K350400Рисунок 3.14. Зависимости диэлектрической проницаемости и параметра диэлектрических потерь для составного (ε2 и tgδ2) и монолитного (ε1и tgδ1) PZT-Ni резонаторов от температуры T.Видно, что ε1 и ε2 для обеих структур постепенно увеличиваются примерно в 4 раза с ростом температуры. Это приводит к соответствующемууменьшению МЭ напряжения u.
Добротности Q уменьшаются с увеличениемпотерь, так как Q = 1/tgδ. Диэлектрические потери tgδ1 и tgδ2 для обеих резонаторов структур почти одинаковы и практически не зависят от температурыв исследованном температурном интервале.Таким образом, приведенные данные свидетельствуют, что температурные изменения МЭ напряжения, генерируемого Ni-PZT- резонаторами,обусловлено изменением магнитных, диэлектрических параметров слоевструктур и акустической добротности структуры. Для склеенной структурыуменьшение МЭ напряжения в области температур T > 57 С (также как иуменьшение резонансной частоты) вероятно связано с ослаблением механической связи между слоями из-за размягчения клея.603.4 Выводы по разделу 3Показано, что в двухслойных Ni-PZT диаметром 20 мм и толщиной от0.3 мм до 0.7 мм, изготовленных методом склеивания, касательное переменное магнитное поле эффективно возбуждает первую моду изгибных колебаний структуры с частотой в диапазоне f1 = 3-7 кГц и основную моду планарных колебаний с частотой в диапазоне f2 = 100-125 кГц.
Добротность низкочастотных резонансов составляла Q1 = 67-80, а добротность высокочастотныхрезонансов достигала Q1 = 110-130. Частотами дисковых МЭ резонаторовможно управлять путем выбора толщин слоев Ni и PZT: с увеличением толщины резонатора частота изгибной моды возрастает, а частота планарной моды монотонно падает. Эффективность МЭ преобразования достигала максимального значения αE1 ~760 мВ/(Эсм) на частоте изгибной моды при касательном намагничивании полем H ~ 50 Э и толщине PZT слоя в ~2 раза превышающей толщину слоя никеля.
При намагничивании резонаторов перпендикулярно к плоскости полем H ~ 500 Э эффективность МЭ преобразованиядостигала на частоте изгибной моды колебаний αE1 ~ 365 мВ/(Э∙см), что обусловлено эффектом размагничивания. Зависимость резонансных частот оттолщины Ni-PZT структуры хорошо описывается формулами для частот колебаний свободного диска с учетом эффективных плотности и модуля Юнгакомпозитной структуры.В двухслойных монолитных Ni-PZT дисковых резонаторах диаметром25 мм с толщиной PZT слоя 0.2 мм и толщиной слоя Ni от 5 мкм до 57 мкм,изготовленных методом электролитического осаждения, наблюдали эффективное возбуждение как изгибной моды с частотой f1 = 2-3 кГц, так и основной планарной моды с частотой f2 = 90-100 кГц, а в симметричных трехслойных резонаторах – возбуждение только планарной моды колебаний.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
