CC BY
23
ЭЛЕКТРОНИКА
УДК 621.317
ДВУХУРОВНЕВЫЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК М.И.Бичурин, В.М.Петров, В.С.Леонтьев, А.Ф.Саплев TWO-RANGE MAGNETOELECTRIC SENSOR
M.LBichurin, V.M.Petrov, V.S.Leont'ev, AF.Saplev
Институт электронных и информационных систем НовГУ, mirza.bichurin@novsu.ru
Представлен двухуровневый магнитоэлектрический (МЭ) датчик, состоящий из слоев пермендюра (сплав Fe-Co-V), никеля и цирконата-титаната свинца (ЦТС). Проведен расчет вклада магнитострикции магнитных слоев в величину МЭ коэффициента по напряжению. Двухуровневый режим характеризуется противоположными знаками МЭ коэффициента при различных значениях внешнего постоянного магнитного поля. Установлено, что МЭ коэффициент определяется внешним магнитным полем и параметрами слоистой структуры.
Ключевые слова: магнитоэлектрический эффект, слоистая структура, двухдиапазонный датчик
In this study, we present a two-range magnetoelectric ME sensor design comprised of permendur (Fe-Co-V alloy), nickel, and lead zirconate titanate (PZT) laminate composite. A systematic study was conducted to clarify the contribution of magnetostrictive layers to the ME response over the applied range of magnetic bias field. The two-range behavior was characterized by opposite sign of the ME response when magnetic dc bias is in different sub-ranges. The ME coefficient as a function of magnetic bias field was found to be dependent on the laminate composite structure.
Keywords: magnetoelectric effect, layered structure, two-range sensor
Введение
Мультиферроик представляет собой материал, который обладает двумя или более видами упорядочения (ферромагнетизм, ферроэлектричество, ферро-упругость). Композит, состоящий из ферромагнитной и сегнетоэлектрической фаз, позволяет связывать электрические и магнитные параметры через упругие деформации. Магнитоэлектрический (МЭ) эффект в композите обусловлен механическими деформациями. К настоящему времени изучены структуры, включающие ферриты, манганиты или сплавы переходных металлов, используемые в качестве ферромагнитной фазы, и титаната бария, ЦТС, PMN-PT или PZN-PT для пьезоэлектрической фазы. В последние годы активно исследуется МЭ композиционная структура, в которой в качестве пьезоэлектрика используется лан-гатит. Композиционные материалы обладают сильным МЭ эффектом и имеют широкие перспективы применения для создания новых функциональных устройств [1-4]. Основные преимущества таких устройств на основе МЭ эффекта заключаются в возможности работы при комнатной температуре, простоте изготовления и низкой стоимости.
Известны пассивные MЭ датчики магнитного поля, которые работают при комнатной температуре и могут иметь эксплуатационные и стоимостные преимущества по сравнению с традиционными устройствами, в том числе СКВИД, на эффекте Холла, индукционные, магниторезистивные [5]. Самая высокая
чувствительность, как правило, наблюдается в МЭ датчиках с использованием метгласа, ферромагнитного сплава с высокой магнитной проницаемостью и большим значением пьезомагнитных коэффициентов. Как правило, используется метглас в виде лент толщиной около 25 мкм, полученных быстрой закалкой. Однако ленты с более высокой толщиной имеют слабые магнитные параметры вследствие кристаллизации. Для повышения чувствительности МЭ датчиков используют структуры, состоящие из нескольких слоев метгласа. Слои метгласа соединяются между собой посредством клея. Толщина клея составляет от 2 до 10 мкм.
Описание эксперимента
В статье представлены результаты исследования МЭ эффекта в многослойной структуре пермен-дюр (Г), сплав с 49% железа, 49% кобальта и 2% ванадия, никеля (№) и ЦТС (PZT). Рассматривается пятислойная структура P-Ni-PZT-Ni-P для того, чтобы избежать изгибных деформаций благодаря симметрии структуры (рис.1). Известно, что изгибные деформации уменьшают величину МЭ эффекта. Положительный и отрицательный пьезомагнитный коэффициент пермендюра и никеля, соответственно, приводит к появлению низкочастотных МЭ эффектов, противоположных по знаку. Двухуровневый режим работы датчика характеризуется противоположным знаком МЭ эффектов при различном внешнем постоянном магнитном поле.
н„. II,
ттштятттж
Ni
ШШ^ШШШШ^^Ш!'-- -- \
Рис.1. Пятислойная композитная МЭ структура P-Ni-PZT-Ni-P
Далее приведено теоретическое моделирование МЭ эффекта в многослойной МЭ структуре Р-№-Р2Т-№-Р. Рассмотрим образец в плоскости (1,2) с толщиной вдоль направления 3, как показано на рис.1. Постоянное Н0 и переменное Н магнитные поля прикладываются вдоль оси х. Пластина ЦТС поляризована вдоль оси г электрическим полем Е3. Толщина образца t предполагается намного меньше ширины м>, которая, в свою очередь, считается малой по сравнению с длиной L. Таким образом, t << м> << L и единственными ненулевыми компонентами деформации являются Х-компоненты. Теоретическое моделирование основано на уравнениях упругости и материальных уравнениях отдельных слоев: % _ Т + pdзl Е;
pD3 = pd3\ pT\ + ps33 E
m1 о _ m1 m\rri
= S11 T1
ml ml
qii H\;
m2o m2 m2t i m2 m2rr .
¿1 = Sil T\ + q\\ H\;
(1)
где Sl и Т — компоненты деформации и напряжения, Е3 и D3 — векторные компоненты электрического поля и электрического смещения, 5ц, qu и d3-i — упругие податливости, пьезомагнитные и пьезоэлектрические коэффициенты, е33 — диэлектрическая проницаемость. Верхние индексы р, т1 и т2 соответствуют слоям ЦТС, пермендюра и никеля соответственно. Для идеальной механической связи граничные условия имеют следующий вид:
m1s _ m2s _PS •
(2)
PT1•Pt + ^Т^ + т2Тут^ _ 0, где pt, m1t и m2t — толщины пьезоэлектрических и двух магнитострикционных компонентов.
Уравнения 1 и 2 позволяют найти компоненты напряжений. Выходное напряжение, индуцированное на пьезоэлектрическом слое, можно найти из условия разомкнутой цепи, PD3 = 0. Выражение для МЭ коэффициента по напряжению имеет вид:
СъГЪт+^Ы т\гГ2) Pdзlр^
U = --
p 833 pt[ % + (1- pKh)(nm% + r m1Y„)]
(3)
где pK31 — коэффициент электромеханической связи, r\ = m1t / p t и Г2 = m2t / pt.
Расчетная зависимость поля смещения от выходного напряжения для структур P-PZT-P и Ni-PZT-Ni представлена на рис.2, толщина слоя PZT=1 мм. Параметры материалов, используемых для теоретических расчетов, представлены далее: pdn =175-10-12 m/V,psu = 15,3-10-12 m2/N,833/ 80 =1750,
= 7,8-10-12 m2/N, m2su = 4,9-10-12 m2/N.
Для более точной оценки исследований использовались пластины из пермендюра и никеля
различной толщины. Магнитострикция в плоскости X для никеля насыщается при 35 10-6, Н > 100 Э, и пьезомагнитный коэффициент связи m2q имеет максимальное значение 0,4 10-6/ Э при Н = 50 Э [6]. При увеличении постоянного магнитного поля Н наблюдается увеличение магнитострикции в плоскости X для пермендюра и насыщение происходит при 70-10-6, Н > 200 Э. Коэффициент пьезомагнитной связи mlq = dXl / dH\ для пермендюра имеет максимальное значение 10-6/ Э при Н = 100 Э. Зависимость постоянного поля смещения от пьезомагнит-ного коэффициента для № и от магнитострикции для пермендюра представлены на рис.2 [6,7].
40
80
H, Э
120
Рис.2. Зависимость МЭ коэффициента по напряжению от подмагничивающего поля для P-PZT-P (1) и Ni-PZT-Ni (2), толщина слоя PZT составляет 1 мм
Из графика видно, что зависимость МЭ коэффициента по напряжению от подмагничивающего поля отличается по знаку для структур Р-Р2Т-Р и №-Р2Т-№. Это связано с положительной магнито-стрикцией для пермендюра и отрицательной магни-тострикцией для никеля.
Исследуемый экспериментальный образец Р-№-Р2Т-№-Р имел следующие размеры: ЦТС — 10x5x1 мм; № — 10x5x1,75 мм; Р — 10x5x1 мм, суммарная толщина образца составила 6,5 мм. Пьезо-электрик был поляризован с помощью электрического поля 50 кВ/см. Пермендюр соединялся с пластинами никеля и ЦТС посредством клея, толщиной клеевой прослойки 2 мкм. Выходное напряжение снималось прижимными контактами непосредственно с пластин никеля и величину напряжения наблюдали на осциллографе. С помощью катушки Гельмгольца подавалось переменное магнитное поле величиной Н]=1 Э. В качестве источника постоянного магнитного поля Н0 использовался электромагнит. Все измерения проводились на частоте f = 1 кГц. Для уменьшения влияния размагничивающего эффекта к образцу было приложено переменное и постоянное магнитные поля в плоскости образца.
Результаты эксперимента
На рис.3 показана выходная характеристика двухуровневого датчика, которая характеризуется
6
4
2
0
2
2
противоположным знаком МЭ эффекта, когда постоянное магнитное поле находится в разных диапазонах (Н < 75 Э и Н > 75 Э). Однако при одинаковой толщине пермендюра и слоев никеля (г1 = г2 = 1) наблюдается несимметричное выходное напряжения из-за различия величины магнитострикционные в слоях.
2-
1 -
-1 -
-2
r1=r2=1 r1=1, r2=1.75
Эксперимент
30
60 90
Bias field (Oe)
120
150
Рис.3. Зависимость МЭ коэффициента по напряжению от подмагничивающего поля для структуры P-Ni-PZT-Ni-P для толщины слоя PZT 1 мм
Несимметричность отрицательных и положительных пиков можно избежать, используя магнитные слои различной толщины. Используя т\ = 1 и г2 = 1,75, мы получаем приблизительно равные отрицательные и положительные пики для зависимости МЭ коэффициента по напряжению от подмагничивающего поля (рис.3).
Полученные значения МЭ напряжения для структуры P-Ni-PZT-Ni-P показаны на рис.3. Из графика видно, что расчетное значение МЭ напряжения соответствует экспериментальным данным.
Заключение
Рассмотрен двухуровневый датчик, состоящий из магнитострикционо-пьезоэлектрических пластин. В качестве магнитострикционных пластин использовались пластины никеля и пермендюра. Полученные зависимости показывают противоположность знака МЭ коэффициента для структуры P-Ni-PZT-Ni-P, когда постоянное магнитное поле находится в разных диапазонах (Н < 75 Э и Н > 75 Э). Несимметричность отрицательных и положительных пиков можно избежать, используя магнитные слои различной толщины. Было найдено оптимальное соотношение толщины для компонентов композиционной структуры и продемонстрирован рабочий прототип двухуровневого датчика.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант №16-12-10158).
Spaldin N.A., Fiebig M. The renaissance of magnetoelectric multiferroics. Science, 2005, vol. 309, pp. 391-392. Nan C.-W., Bichurin M.I., Dong S., Viehland D., Srinivasan G. Multiferroic magnetoelectric composites: Historical perspective, status, and future directions. Journal of Applied Physics, 2008, vol. 103, p. 031101.
Bichurin M.I., Petrov V.M. Modeling of magnetoelectric effects in composites. Springer Series in Materials Science. Vol. 201. Springer, New York, 2014. 108 p. Bichurin M.I., Petrov V.M., Srinivasan G. Theory of low-frequency magnetoelectric coupling in magnetostrictive-piezoelectric bilayers. Physical Review B, 2003, v.68, p.054402. Wang Ya., Li Ji., Viehland D. Magnetoelectrics for magnetic sensor applications: status, challenges and perspectives. Materials Today, 2014, vol. 17, no. 6, pp. 269-275. Laletin U., Sreenivasulu G., Petrov V.M., Garg T., Kulkarni A.R., Venkataramani N., Srinivasan G. Hysteresis and remanence in magnetoelectric effects in functionally graded magnetostrictive-piezoelectric layered composites. Physical Review B, 2012, vol. 85, p. 104404.
Sreenivasulu G., Laletin U., Petrov V.M., Petrov V.V., Srinivasan G. A permendur-piezoelectric multiferroic composite for low-noise ultrasensitive magnetic field sensors. Applied Physics Letters, 2012, vol. 100, p. 173506.
0
1.
2.
3.
5.
6
7.
