CC BY
18
УДК 537.9 DOI: https://doi.org/10.34680/2076-8052.2019.4(116).21-24
ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАТНОГО МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В КОМПОЗИТНОЙ СТРУКТУРЕ МЕТГЛАС-ЦТС-МЕТГЛАС
В.С.Леонтьев, О.В.Лысенко, М.И.Бичурин
RESEARCH OF THE REVERSE MAGNETOELECTRIC EFFECT IN THE COMPOSITE STRUCTURE METGLAS-PZT-METGLAS
V.S.Leontiev, O.V.Lisenko, M.I.Bichurin
Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого, viktorsergeevich. novsu@gmail. com
Магнитоэлектрические (МЭ) композиты характеризуются наличием гигантского МЭ эффекта в отличие от известных однофазных структур. Исследования МЭ композитов открыли широкие возможности для создания различных приложений на основе слоистых магнитострикционно-пьезоэлектрических структур. В данной статье представлены результаты исследования обратного МЭ эффекта. Для измерения обратного МЭ эффекта на исследуемый образец была намотана катушка индуктивности, с которой впоследствии снимался выходной сигнал. Рассмотрен процесс создания магнитострикционно-пьезоэлектрического композита. Приведены выходные характеристики магнитоэлектрической структуры. Измеренная зависимость выходного напряжения от электрического поля объясняется изменением пьезомагнитного коэффициента для магнитного слоя. Частотная зависимость выходного напряжения имеет резонансный характер. Проводится обсуждение перспектив разработки датчика электрического поля на основе обратного МЭ эффекта.
Ключевые слова: магнитоэлектрический эффект, магнитоэлектрическая структура, электрическое поле, датчик электрического поля
Magnetoelectric (ME) composites are known to enable the achievement of ME voltage coefficients many orders of magnitude larger than previously reported values for single phase materials. The advancements have opened up many possibilities in applications of sensors, transformers, and microwave devices based on layered magnetostrictive piezoelectric structures. We presented the results of a study of the inverse ME effect. The process of creating a magnetostrictive piezoelectric composite is considered. To measure the inverse ME effect, an inductor was wound on the sample under study, with which the output signal was subsequently recorded. The process of creating a magnetostrictive piezoelectric composite is considered. The frequency dependence of the ME voltage shows a resonance character. The measured static magnetic field dependence of ME voltage has been attributed to the variation in the piezomagnetic coefficient for magnetic layer. The output characteristics of the magnetoelectric structure are shown. The prospects of developing an electric field sensor based on the inverse ME effect are proposed. Keywords: magnetoelectric effect, magnetoelectric structure, electric field, electric field sensor
Введение
В последние годы интенсивно изучается МЭ эффект в магнитострикционно-пьезоэлектрических структурах для создания различного рода высокочувствительных сенсоров нового поколения. В материалах такого рода МЭ эффект проявляется как результат взаимодействия магнитострикционной и пьезоэлектрической фаз компонентов, т.е. электрическая поляризация индуцируется внешним переменным магнитным полем в присутствии подмагничивающего поля — прямой МЭ эффект. Обратный МЭ эффект заключается в индуцировании переменным электрическим полем намагниченности. Значение МЭ эффекта характеризуется МЭ коэффициентом по напряжению а. Практически для расчета МЭ коэффициентов приходится решать множество сложных аналитических уравнений.
В большинстве мультиферроиках (Сг203 и др.) МЭ эффект незначителен и его величина не превышает 20 мВ/смО, и наблюдается, как правило, при низких температурах или в больших магнитных полях, что ограничивает их практическое применение. Значительно больший по величине МЭ эффект обнаружен в композитных структурах, содержащих маг-
нитострикционную и пьезоэлектрическую фазы. Таким образом, использование композитных структур открывает широкие возможности для практического применения [1]. Одним из основных применений являются высокочувствительные датчики магнитных полей — магнитометры [2].
В данной статье представлены исследования обратного МЭ эффекта. Полученные результаты могут быть использованы для создания датчика электрического поля.
Принцип работы
Принцип работы МЭ элемента показан на рис.1. Внешнее переменное электрическое поле E~ воздействует на пластину 1 из пьезокерамики ЦТС, вследствие чего в ней возникает обратный магнитоэлектрический эффект. Происходит деформация пьезоэлектрической пластины 1 и механически связанных с ней магнитострикционных пластин 2. В пластинах 2 возникает обратный магнитострикционный эффект, при этом в них меняется величина намагниченности M. Изменение намагниченности элемента приводит к возникновению вокруг него собственного переменного магнитного поля, которое наводит ЭДС в соленоидальной катушке 4, число витков N = 300.
Рис.1. Конструкция магнитоэлектрического элемента
Полученный сигнал снимается с катушки 4. Величина выходного напряжения пропорциональна величине напряженности внешнего переменного электрического поля E~. Магнитоэлектрический элемент при этом находится в магнитном поле И0 постоянного магнита 3 — поле смещения, которое необходимо для работы структуры в линейном режиме.
Теоретическая модель обратного МЭ эффекта
Обратный МЭ эффект заключается в индуцировании переменным электрическим полем намагниченности. Коэффициент обратного МЭ эффекта а определяется по формуле:
ав = B/E = В/(Ш).
Как известно, величина напряженности электрического поля, создаваемого между двумя параллельными проводящими пластинами, описывается выражением:
где й — расстояние между пластинами.
Подробное описание теоретической модели прямого и обратного МЭ эффекта рассмотрено в [3].
Изготовление композитной структуры
В качестве чувствительного элемента была выбрана композитная структура, состоящая из магнитоэлектрического элемента, выполненного в форме пластины из пьезоэлектрика 1 и пластин метгласа 2 (рис.2). Магнитоэлектрический элемент состоит из композиционного слоистого материала метглас— пьезокерамика ЦТС—метглас, с 50% процентным содержанием метгласа и 50% содержанием ЦТС.
Рис.2. Слоистая магнитоэлектрическая структура метглас— ЦТС—метглас
Использование данной композитной структуры позволит значительно повысить чувствительность МЭ элемента. Данная структура была получена методом клеевой технологии. Пластины метгласа толщиной т1 = 29 мкм и ЦТС толщиной Р1 =0,5 мм соединялись путем клеевой прослойки при температуре 50°С в течение 3 часов под приложенным вертикальным давлением 100 кПа с помощью поршневого цилиндра. Габаритные размеры слоистой композитной структуры составляли: 10* 1 *0,6 мм.
1 пппп
9000
8000
7000 РЗ 6000
У- 5000 Я ш ^ 4000
3000 2000
1000 N
)0
0 Р ис.3 !. З 5 ави 0 сим ост ь вь ыхо 1С дне )0 го нап ряж ени £ Ъ я о >0 Гц т ча сто ты. Об 2С рат Ю ны М Э э фф 21 зкт 3(
Рис.4. Зависимость выходного напряжения от частоты при различном расстоянии электродов
Результаты измерений
Был исследован обратный МЭ эффект (рис.3), который заключается в возникновении намагниченности в материале под действием внешнего электрического поля. Максимальный отклик выходного напряжения наблюдался на частоте электромеханического резонансного ^ез = 188 кГц и составил ивых = 8,8 В. Далее была рассмотрена работа МЭ структуры под действием электрического напряжения, подаваемого на параллельные металлические пластины.
На рис.4 представлена зависимость выходного напряжения от частоты при различном значении напряженности электрического поля, путем изменения расстояния между электродами. Видно, что смещение частоты не наблюдается. При увеличении расстояния между электродами величина выходной амплитуды уменьшается прямо пропорционально. Максимальный отклик наблюдается на частоте электромеханического резонанса обратного МЭ эффекта ^ = 188 кГц, при
этом величина выходного напряжения ивых = 2,48 В. Для проведения экспериментальных исследований была собрана специальная установка, структурная блок-схема которой представлена на рис.5. Между двумя параллельными металлическими электродами, на которые подавалось переменное напряжение, был установлен МЭ элемент. Расстояния между электродами менялось от 0,035 до 0,065 м, размеры каждого из электродов — 0,1*0,65 м. Напряженность электрического поля между электродами изменялась в диапазоне от 2,48 В/м до 285,71 В/м.
Рис.5. Структурная блок-схема экспериментальной установки
Е'500,В/мм
Рис.6. Зависимость выходного напряжения от напряженности электрического поля
Результаты экспериментальных измерений МЭ элемента при помещении в электрическое поле представлены на рис.6. Наблюдается хорошая линейность и чувствительность выходной характеристики, что является важным параметром при разработке приложений. Величина напряженности электрического поля ограничивалась возможностями экспериментальной установки. При значении напряженности электрического поля 2,85 В/м значение выходного напряжения составило 0,03 В, при значении напряженности электрического поля 285,71 В/м выходное напряжение составило 2,48 В.
Анализ полученных результатов (рис.6) показывает, что существует линейная зависимость выходного напряжения, снимаемого с катушки индуктивности 5 (рис.1), от входного переменного напряжения, которое подается с источника напряжения на параллельные металлические электроды и описывается следующим выражением: ивых = кЕвх, где к = 0,86 см, что позволяет найти аВ = 0,12 Гсхм/В.
Заключение
В данной статье представлены результаты исследования обратного магнитоэлектрического эффекта в образце, чувствительным элементом которого является магнитострикционно-пьезоэлектрическая слоистая структура. Приведены выходные характеристики МЭ структуры, представлен способ изготовления композитной МЭ структуры.
Получена зависимость выходного напряжения от напряженности электрического поля. При значении напряженности электрического поля 285,71 В/м,
выходное напряжение составило 2,48 В, коэффициент обратного МЭ эффекта аВ = 0,12 Гсхм/В.
Данный результат имеет высокую практическую значимость для магнитоэлектрических сенсоров, основанных на МЭ эффекте. Полученные данные можно использовать для разработки датчика электрического поля на основе обратного МЭ эффекта.
Статья подготовлена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках государственного задания, проект №8.11100.2018/11.12, при частичной поддержке РФФИ, проект № 18-32-00386.
1. Бичурин М.И. и др. Магнитоэлектрические материалы: особенности технологии и перспективы применения // Сешетомагнитные вещества. М.: Наука, 1990. С.118-133.
2. Петров Р.В., Леонтьев В.С. Магнитоэлектрический магнитометр // Вестник НовГУ. 2013. № 75. C.29-32.
3. Bichurin M.I., Petrov V.M., Petrov R.V. Direct and inverse magnetoelectric effect in layered composites in electromechanical resonance range: A review // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2012. V.324. P.3548-3550, doi:10.1016/j.jmmm.2012.02.086.
References
1. Bichurin M.I. i dr. Magnitoelektricheskie materialy: osoben-nosti tekhnologii i perspektivy primeneniia [Magnetoelectric materials: technology and application prospects]. Seshe-tomagnitnye veshchestva. Moscow, Nauka, 1990, p.118-133.
2. Petrov R.V., Leont'ev V.S. Magnitoelektricheskii magni-tometr [Magnetoelectric magnetometer]. Vestnik NovGU, 2013, no. 75, pp. 29-32.
3. Bichurin M.I., Petrov V.M., Petrov R.V. Direct and inverse magnetoelectric effect in layered composites in electromechanical resonance range: A review. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2012, vol. 324, pp.3548-3550. doi:10.1016/j.jmmm.2012.02.086.
