Содержание к диссертации
Введение
1 Магнитоэлектрические эффекты (литературный обзор) 11
1.1 Прямой и обратный магнитоэлектрические эффекты 11
1.2 Магнитоэлектрический эффект в структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик, обусловленный магнитострикцией 13
1.3 Магнитоэлектрический эффект в структурах металл-пьезоэлектрик, обусловленный силой Ампера 16
1.4 Резонансный магнитоэлектрический эффект 20
1.5 Выводы по разделу 1 22
2 Композитные структуры и измерительные установки 24
2.1 Композитные структуры ферромагнетик-пьезоэлектрик и металл- пьезоэлектрик 24
2.2 Измерение характеристик композитных структур 27
2.4 Установка для исследований магнитоэлектрического эффекта 31
2.5 Установка для температурных измерений 33
3 Магнитоэлектрический эффект в резонаторах ферромагнетик-пьезоэлектрик 36
3.1 Магнитоэлектрический эффект в резонаторах никель-пьезоэлектрик, изготовленных методом склеивания 36
3.2 Магнитоэлектрический эффект в резонаторах никель-пьезоэлектрик, изготовленных методом электроосаждения 48
3.3 Температурные характеристики магнитоэлектрического эффекта 53
3.4 Выводы по разделу 3 61
4 Резонансные магнитоэлектрические эффекты в структурах металл - пьезоэлектрик 63
4.1 Прямой пьезомагнитоиндукционный эффект в пьезоэлектрическом кольце 63
4.2 Обратный пьезоиндукционный эффект в пьезоэлектрическом кольце 71
4.3 Резонансный магнитоэлектрический эффект в пьезобиморфе с линейным током 75
4.4 Резонансный магнитоэлектрический эффект в пьезобиморфе с катушкой 81
4.5 Выводы по разделу 4 87
5 Датчики магнитных полей на основе магнитоэлектрических эффектов 89
5.1 Датчик на пьезоэлектрическом кольце с линейным током 89
5.2 Датчик на пьезоэлектрическом биморфе с линейным током 94
5.3 Датчик на пьезоэлектрическом биморфе в форме камертона 98
5.4 Датчик на пьезоэлектрическом биморфе с объемной катушкой 102
5.5 Датчик на пьезоэлектрическом биморфе с планарной катушкой 103
5.6 Сравнение датчиков магнитных полей 110
Заключение 114
Список литературы 116
- Магнитоэлектрический эффект в структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик, обусловленный магнитострикцией
- Измерение характеристик композитных структур
- Магнитоэлектрический эффект в резонаторах никель-пьезоэлектрик, изготовленных методом электроосаждения
- Резонансный магнитоэлектрический эффект в пьезобиморфе с линейным током
Магнитоэлектрический эффект в структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик, обусловленный магнитострикцией
Проблему повышения эффективности МЭ взаимодействия удалось частично решить используя искусственно созданные композитные материалы, содержащие ферромагнитную (ФМ) и пьезоэлектрическую (ПЭ) фазы. Магнитоэлектрический эффект в таких композитах возникает из-за комбинации магнитострикции в ФМ фазе и пьезоэлектрического эффекта в ПЭ фазе [18,19]. Под действием магнитного поля ФМ материал деформируется, эта деформация передается ПЭ материалу, в котором в результате пьезоэлектрического эффекта изменяется поляризация - наблюдается прямой МЭ эффект. Обратный МЭ эффект в композитных материалах возникает аналогично: деформация пьезоэлектрика, вызванная внешним электрическим полем, передаётся ферромагнетику, который, в результате обратной магнитострикции (эффект Виллари), изменяет свою намагниченность.
На первом этапе были созданы объемные композитные материалы в виде керамики, полученной путём направленной кристаллизации композиции Fe-Coi-Ba-O, составленной из смеси ФМ и ПЭ порошков [20]. Образцы представляли собой пластины с электродами на поверхностях, для которых МЭ коэффициент ввели, аналогично (1.2), следующим образом: Ху= — = — (1.4) У h bh где и - амплитуда генерируемого переменного электрического напряжения на обкладках образца, Ъ - толщина пластины (расстояние между электродами), h - амплитуда переменного магнитного поля. МЭ коэффициент для такого композита достигал аЕ 50 мВ/(смЭ). Для композита состава ВаТiOз СоFе2О4 получен МЭ коэффициент E = 130 (мВ/смЭ) [21]. Композит BaTiO3 – NiFe2O4 имел МЭ коэффициент E = 25 мВ/(смЭ) [22].
Величина МЭ коэффициента для объёмных композитов оказалась выше, чем для кристаллов, однако на порядок ниже ожидаемой. Это объяснено достаточно высокой проводимостью ФМ фазы, что не позволило эффективно поляризовать ПЭ фазу материала, несовершенством механической связи между фазами и паразитными химическими реакциями в процессе изготовления материала.
На втором этапе были созданы слоистые композиты, состоящие из чередующихся механически связанных друг с другом ФМ и ПЭ слоёв, в которых МЭ эффект также возникал вследствие комбинации магнитострикции ФМ слоя и пьезоэффекта в ПЭ слое [23]. Преимуществом слоистых структур является то, что в них можно использовать ФМ слои из проводящих ферромагнитных металлов, которые к тому же могут выполнять роль электродов для поляризации ПЭ слоев структуры. МЭ коэффициент для слоистых композитов определяется по той же формуле (1.4), однако в этом случае в качестве b надо брать толщину ПЭ слоя, поскольку в проводящем ФМ слое электрическое поле отсутствует.
Примером может служить работа [24], где методами пленочной керамической технологии были синтезированы двухслойные и многослойные (до 20 слоев) композитные структуры с чередующимися слоями их феррита никеля (NFO) и цирконата-титаната свинца (PZT) и получен МЭ коэффициент E = 400 – 1500 мВ/(смЭ). Авторы измерили величину МЭ эффекта в зависимости от частоты, ориентации магнитного поля, числа и толщины слоев и предложили модель, позволившую качественно интерпретировать результаты измерений. За последние годы выполнены многочисленные исследования МЭ структур со слоями различных составов. Ферромагнитные слои изготавливали из материалов с высокой магнитострикцией , таких как металлы Ni [25, 26], Co [27], сплавы пермендюр FeCo [28,29], галфенол FeGa [30,31], Terfenol-D [32-34], аморфные магнитные сплавы состава FeCoBSi [35-39], никель-цинковый феррит NiZnFe2O4) [40-43], феррит кобальта (CoFe2O4) [44]. Пьезоэлектрические слои изготавливали из материалов с большими пьезокоэффи-циентами d, таких как: керамика цирконата-титаната свинца (1-x)PbZrO3-xPbTiO3) - PZT [24,45], кристаллы магниониобата-титаната свинца ((1-x)PbNb2/3Mg1/3O3-xPbTiO3) - PMN-PT [45], нитрид алюминия (AlN) [46, 47], лангатат [48], кварц [49], ниобат лития (LiNbO3) [50]. В результате достигнуты эффективности МЭ взаимодействия E = 0.1 – 20 В/(смЭ). Результаты этих исследований суммированы в обзорах [1-6,51].
Для теоретического писания МЭ эффектов в композитных структурах используют несколько методов.
Первый из них, так называемый "метод эффективных параметров" был предложен Harshe с соавторами [52] и затем развит в [53] и целом ряде работ других авторов. Метод применим когда характерные размеры элементов ФМ и ПЭ фаз (размеры частиц или толщины слоев) много меньше размеров образца, можно провести усреднение параметров по некоторому малому физическому объему и затем рассчитывать МЭ характеристики композита используя эффективные параметры материала.
Второй метод, описанный, например, в работе [54], предполагает совместное решение уравнений упругости и электродинамики для магнитост-рикционной и пьезоэлектрической фаз композита (например, для ФМ слоя и ПЭ слоя) в отдельности, с учетом реальных условий на границах слоев, отражающих взаимодействие слоев, и условия равновесия структуры в целом. Этот метод больше подходит для теоретического описания МЭ эффектов в композитных структурах, характерные пространственный размеры которых (например длина волны) сравнимы с размерами структур.
Кроме того, для расчета характеристик МЭ эффектов в слоистых структурах применяют метод эквивалентных цепей [55], метод функций Грина [56] и метод свободной энергии [57].
Следует отметить также работы, посвященные описанию МЭ эффектов в композитных структурах ограниченных размеров, и учитывающих пространственно неоднородные распределения механических, магнитных и электрических параметров структур [58, 59].
Измерение характеристик композитных структур
Магнитострикцию ферромагнитных слоев измеряли тензометрическим методом с помощью изготовленной в МИРЭА при непосредственно участии соискателя автоматизированной установки. Использовали пленочные тензодатчики марки КФБП-1, которые крепили на поверхности образца с помощью эластичного клея. Образец с наклеенным тензодатчиком и компенсационный тензодатчик были включены в плечи измерительного моста. Сигнал разбаланса с моста при деформации ферромагнитного слоя поступал на усилитель, аналого-цифровой преобразователь и в управляющий компьютер. Измерения и обработка результатов проводились под управлением специально разработанной программы в среде LabView.
Внешний вид установки для измерения магнитострикции приведен на рис. 2.4. Интерфейс пользователя, позволявший устанавливать режимы измерения и вид выходных данных, показан на рис. 2.5.
Установка позволяет записывать зависимости статической магнитост-рикции от поля (H) при различных температурах и разных ориентациях поля H в плоскости магнитного слоя и имеет следующие характеристики: - диапазон измерения магнитострикции (0.5 - 2000) 10-6 , - точность измерения магнитострикции 0.510-6 , - диапазон магнитных полей H от нуля до 2 кЭ, - шаг изменения поля 0.25 Э, -число точек в файле данных ДО 103 - диапазон температур T 15 - 80 C, - изменение ориентации образца 0-180 град, - потребляемая мощность 300 Вт. Преимуществами созданной установки по сравнению с известными аналогичными установками являются высокая точность измерений, возможность проводить температурные и ориентационные измерения, малое время измерительного цикла, наглядность отображения данных измерений в виде графика. 80
Измерение характеристик МЭ эффектов в композитных структурах проводили стандартным методом низкочастотной модуляции магнитного поля: исследуемый образец помещали в переменное магнитное поле hcos(2ft) c амплитудой h и частотой f и параллельное ему постоянное магнитное поле смещения H (h H) и регистрировали амплитуду u генерируемого образцом переменного напряжения ucos(2ft) при изменении f, h и H.
Блок-схема измерительной установки приведена на рис. 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 электромагнита TDK-Lambda; генератор переменного напряжения Keysight 33210A. 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 частот 200 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 ферромагнетик-пьезоэлектрик 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 ме-31 талл-пьезоэлектрик переменный ток I от генератора пропускали через электрод структуры или катушку, намотанную на структуру.
Исследования температурных характеристик МЭ эффектов в композит ных структурах и созданных на их основе датчиков магнитных полей прово дили с помощью изготовленной в МИРЭА при непосредственном участии соискателя автоматизированной установки. В установке использован прин цип охлаждения или нагрева образца в потоке газа с заданной температурой. Установка содержала сосуд Дьюара с системой испарения и подачи азота, ре зистивный нагреватель, который доводил температуру газообразного азота до заданной, термоячейку с исследуемым образцом, электронный блок управле ния, несколько термодатчи ков, измеряющих температу ру нагревателей и образца, и компьютер, который с помо щью специализированной программы в среде Labview контролировал все измерения. При исследовании темпера турных характеристик МЭ эффектов или датчиков полей термоячейку с образцом по мещали в зазор электромаг нита описанной в предыду щем разделе установки для исследования МЭ эффектов и программно синхронизиро вали работу двух установок.
Магнитоэлектрический эффект в резонаторах никель-пьезоэлектрик, изготовленных методом электроосаждения
Величина МЭ напряжения сильно зависит от степени начальной поляризации PZT слоев и качества склейки дисков. Это приводит к некоторому разбросу 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, когда отношение толщины слоя PZT к толщине слоя Ni равно bp/bm 2. Амплитуда сигнала падает при уменьшении толщины PZT конденсатора из-за увеличения его емкости (см. Таблицу 3.2). Амплитуда также падает в случае толстых слоев PZT, когда тонкий слой Ni не может деформировать более толстый слой 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 № 5 при амплитуде возбуждающего поля h0 = 10 Э. Область отрицательных полей H 0 на горизонтальной оси рисунка 3.3 отвечает изменению направления магнитного поля на противоположное. В области полей H 0 генерируемое МЭ напряжение изменялось в фазе с возбуждающим переменным полем. В области полей H 0 отрицательные значения амплитуды сигнала отражают факт сдвига фазы генерируемого МЭ напряжения на «» по отношению к возбуждающему 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 затем плавно падает при дальнейшем увеличении поля. В области полей H 80 Э имела место гистерезисная зависимость МЭ напряжения от поля. Величина 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 на рис. 3.3, наблюдали также для радиальной моды колебаний резонатора № 2 с частотой f3 и для изгибных и радиальных мод колебаний других резонаторов из 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 высокую магнитную проницаемость и малое поле насыщения, по сравнению, например, с терфенолом, позволило на порядок уменьшить величину намагничивающего поля, соответствующего максимуму генерируемого напряжения, что важно для применений. МЭ эффект в резонаторах, намагниченны х перпендикулярно к плоскости
Аналогичные измерения были проведены на резонаторах из таблицы 3.2, 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 всей области частот и резко увеличивалась вблизи тех же резонансных частот f1 и f3. На частоте возбуждения изгибной моды колебаний резонатора амплитуда генерируемого напряжения достигала максимального значения u1 = 260 мВ, а при 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 планарной моды 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 параллельно направлению поля.
На рис. 3.4 приведены измеренные зависимости напряжений u1 и u3 от постоянного поля H для резонатора № 2, намагниченного перпендикулярно к плоскости структуры. Максимум амплитуды генерируемого напряжения для обеих резонансных мод достигается в полях H 400-600 Э, на порядок больших, чем при касательном намагничивании резонатора. В этом случае также наблюдали гистерезисную зависимость напряжения от приложенного поля, аналогичную показанной на рис. 5. Величина коэрцитивной силы Hс для из-гибной и радиальной мод колебаний всех резонаторов из Таблицы 2 не превышала 10 Э
Резонансный магнитоэлектрический эффект в пьезобиморфе с линейным током
Прежде всего, оценим резонансную частоту иггибных колебаний структуры. Подставляя в формулу (4.14) значения параметров, находим/1 = 155 Гц, что хорошо согласующуюся с экспериментом.
Эффективность МЭ преобразования определим как = u/(IH). Используя данные графиков 4.10 и 4.11, для начальных линейных участков зависимостей, получим величину ц = 16.5 В/(АкЭ). Это значение в четыре раза больше, чем аналогичное значение для дисковых структур и в два раза больше чем соответствующее значение для пьезоэлектрических колец. Нелинейность измеренных зависимостей объясняется нелинейностью изгибных колебаний структуры.
Используя формулу (4.19), значения параметров структуры и определенную из эксперимента добротность Q = 43, для тока /0 = 24 мА и магнитного поля Н = 1 кЭ получим величину генерируемого структурой МЭ напряжения и 0.24 В. Рассчитанная величина напряжения хорошо согласуется с измеренной 0.38 В (см. рис. 4.9).
Отметим, что эффективность МЭ взаимодействия в биморфных структурах с током, как и резонансная частота, могут быть изменены путем варьирования толщины структуры. Тонкие структуры с малой жесткостью на изгиб обладают большим МЭ коэффициентом ц и низкой резонансной частотой/ Увеличение толщины структуры приводит к уменьшению коэффициента ц, в то время как зависимость напряжения от постоянного поля И и тока /0 становится линейной. 4.4 Резонансный магнитоэлектрический эффект в пьезобиморфе с катушкой
В данном разделе описан магнитоэлектрический эффект в биморфной PZT-структуре с намотанной на нее объемной возбуждающей катушкой. Геометрия измерений схематически изображена на рис. 4.12, а внешний вид структуры с катушкой - на рис. 4.13. Биморфная ПЭ структура имеет вид балки, закрепленной одним концом на массивном основании. На свободный конец балки намотана электромагнитная катушка, через которую пропускается переменный ток Icos(2ft) с амплитудой I и частотой f. При взаимодействии переменного магнитного момента катушки с постоянным магнитным полем B, направленным перпендикулярно плоскости структуры, возбуждаются изгибные колебания биморфа и генерируется электрическое напряжение, амплитуда которого пропорциональна полю. При совпадении частоты возбуждающего тока с частотой изгибных колебаний балки амплитуда напряжения возрастает в Q (добротность) раз. Резонансная частота колебаний балки дается формулой (4.14).
Геометрия биморфной PZT- структуры с возбуждающей катушкой. Стрелки показывают направления поляризации слоев, B=0H. Рисунок 4.13 Внешний вид биморфной PZT-структуры с возбуждающей катушкой. Амплитуду щ генерируемого структурой напряжения найдем, как и ранее в подразделе 4.3, рассмотрев неоднородное распределение механических напряжений Т при изгибе структуры и связь механических напряжений с электрическим полем Е в пьезоэлектрике. Однако в случае биморфа с катушкой, в отличие от биморфа с линейным током, на структуру в магнитном поле Я (см. рисунок 4.12) со стороны витков катушки действует сила Ампера, которая создает распределенный момент сил с линейной плотностью вдоль х: Мх = FAlh = INia/лоНЬ, (4.20) где N\ - число витков катушки на единицу длины, а и Ъ - ширина и толщина структуры. В результате, в структуре возникают касательные механические напряжения, распределение которых неоднородно по длине и толщине структуры и дается формулой ТМУ) = у У. (4.21)
Механические напряжения равны нулю на свободном конце структуры (х = 0), линейно растут при приближении к точке крепления (JC = L) и обращаются в ноль в центральной плоскости (у = 0) структуры. В слое пьезоэлек-трика компоненты электрической индукции D и деформации S связаны с компонентами механического напряжения Т и электрического поля Е соотношениями (4.16), а неоднородное распределение поля Еу(ху) в слоях структуры имеет вид (4.17). Интегрируя (4.21) с учетом соотношений (4.16) и (4.17) по объему структуры и принимая во внимание встречные направления поляризации слоев, находим связанный заряд на внешних поверхностях слоев АЖЬаЬ2 q = 8J (А2Т
Как и ранее, условие постоянства потенциалов на электродах приводит к перераспределению зарядов и установлению разности потенциалов между электродами, равной и = q/C, где С = oaL/b - емкость структуры.
Окончательно, учитывая увеличение деформаций в Q (добротность) раз на частоте резонанса f\, получаем приближенное выражение для амплитуды электрического напряжения, генерируемого биморфной пьезоэлектрической структурой с возбуждающей катушкой в магнитном поле: u Q NIH (4.23) Видно, что амплитуда напряжения зависит от электрических и механических параметров биморфной структуры и числа витков катушки N.
Измерения проводили на монолитной биморфной PZT-структуре, изготовленной из пьезокерамики ЦТС-46 (ОАО "НПП Элпа", Зеленоград). Длина структуры вдоль оси х составляла 12 мм, ширина вдоль оси z - а = 8 мм, а толщина каждого слоя вдоль оси у равнялась /2 = 0.1 мм. Один конец структуры был жестко закреплен на массивном основании, так что длина свободной части биморфа вдоль оси х составляла L = 9.5 мм. На свободную часть биморфа бала намотана и закреплена эпоксидным клеем возбуждающая катушка с активным сопротивлением 4.8 Ом, содержащая N = 75 витков провода диаметром 80 мкм. Структура помещалась на вращающейся подставке ме жду полюсами электромагнита в постоянное магнитное поле Н = (0 - 10) кЭ. Через катушку пропускали переменный ток с амплитудой / до 40 мА и частотой / от 10 Гц до 200 кГц от генератора ГЗ-117. Частотные и полевые зависимости амплитуды и генерируемого напряжения регистрировали с помощью осциллографа TDS 3032В с входным сопротивлением 1 МОм.
На рис. 4.14 показана измеренная зависимость амплитуды напряжения с PZT-биморфа uif) от частоты возбуждающего тока/при / = 17 мА и магнитном поле Я = 2.7 кЭ. Резонанс вблизи частоты fx = 1.14 кГц с амплитудой кі(/і) = 1.2 В и добротностью Q = 49 соответствует возбуждению основной моды изгибных колебаний структуры. Подставляя в формулу (1.14) параметры PZT (7=7-1010 Н/м2, у =7.7-103 кг/м3) и размеры структуры, получаем частоту резонанса/і = 1.08 кГц, хорошо совпадающую с измеренной.