CC BY
28
УДК 537.9
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В СТРУКТУРЕ МЕТГЛАС/ЦТС/МЕТГЛАС
С.Н.Иванов, Г.А.Семенов, В.С.Леонтьев
THE INFLUENCE OF TEMPERATURE ON THE MAGNETOELECTRIC EFFECT IN METGLAS/PZT/METGLAS STRUCTURE
S.N.Ivanov, G.A.Semenov, V.S.Leont'ev
Институт электронных и информационных систем НовГУ, viktorsergeevich.novsu@gmail.com
Рассмотрена методика и измерительный стенд для проведения исследований влияния температуры на магнитоэлектрический эффект. При изменении температуры от 263 К до 363 К в симметричной слоистой структуре метглас/ЦТС/метглас наблюдался сдвиг резонансной частоты и нелинейное изменение амплитуды выходного напряжения. Получено максимальное значение магнитоэлектрического коэффициента по напряжению aE = 57,14 В/смЭ при температуре 273 К.
Ключевые слова: магнитоэлектрический эффект, электромеханический резонанс, пьезоэлектрический эффект, пьезоэлектрические преобразователи тока и напряжения
The method and the measuring stand of magnetoelectric effect temperature influence research are considered. Temperature dependent resonance frequency shift and nonlinear changing in the value of the output voltage in symmetric metglas/PZT/metglas laminate structure in the temperature range from 263 К to 363 К were observed. Magnetoelectric voltage coefficient aE maximum value about 57.14 V/cm Oe at the temperature of 273 K was obtained.
Keywords: magnetoelectric effect, electromechanical resonance, piezoelectric effect, piezoelectric current and voltage convertors
Введение
Особенностью развития современной радиоэлектронной аппаратуры является микроминиатюризация, увеличение надежности и повышение функциональной сложности изделий за счет совершенст-
вования технологии, использования новых физических принципов и применения функциональных материалов, сочетающих в себе различные типы упорядочения.
Магнитоэлектрические (МЭ) материалы, состоящие из магнитострикционной и пьезоэлектриче-
ской компонент, обладают одновременно магнитным и электрическим упорядочением. В результате взаимодействия пьезоэлектрических и магнитострикци-онных подсистем между собой в таких материалах наблюдается МЭ эффект.
МЭ эффект проявляется в виде индуцирования электрической поляризации во внешнем магнитном поле или в появлении намагниченности во внешнем электрическом поле:
P = аЧН1 , М^ =а ц/ ^Еу,
где Р — электрическая поляризация, М, — намагниченность, Ну — магнитное поле, Еу — электрическое поле, а у — тензор МЭ восприимчивости, ц0
— магнитная постоянная [1].
Количественно МЭ эффект характеризуется магнитоэлектрическим коэффициентом по напряжению аЕ, определяемым как отношение индуцированного электрического поля Е к приложенному магнитному полю Н:
аЕ =Е/Н.
На основе МЭ эффекта разработан ряд устройств, работающих в широком частотном диапазоне, например датчики постоянного и переменного тока, датчики постоянного и переменного магнитного поля, преобразователи, трансформаторы, СВЧ устройства магнитного типа с электрическим управлением и
др. [2].
Перспективным устройством является МЭ ги-ратор, позволяющий преобразовывать ток в напряжение, напряжение в ток, емкость в индуктивность, индуктивность в емкость, инвертировать импеданс и изменять фазу входного сигнала [3,4].
Применение МЭ гиратора позволяет сформировать в цепи индуктивность и отказаться от применения в микросхемах катушек индуктивности, занимающих большую площадь. Замена традиционных намоточных изделий, таких как трансформаторы, дроссели, катушки индуктивности в источниках вторичного электропитания на МЭ гиратор позволит вывести их разработку на более высокий инженерный и инновационный уровень.
Для широкого внедрения разработанных МЭ устройств в радиоэлектронную аппаратуру необходимо понимание влияния внешних воздействий на их характеристики. К таким воздействиям относятся температура, влажность, давление, вибрация, ударные ускорения, статическое электричество, ионизирующее излучение и другие.
Влияние температуры на МЭ эффект в композиционных материалах на сегодняшний день изучено недостаточно [5-10], при этом задача получения полной картины о влиянии температуры и других внешних воздействий на характеристики МЭ материалов является актуальной задачей.
Целью настоящей работы является разработка измерительного стенда, методики измерений и проведение исследований влияния температуры на величину и характер МЭ эффекта в симметричной слоистой структуре метглас/ЦТС/метглас.
Измерительный стенд
Температурные исследования МЭ эффекта проводились на разработанном измерительном стенде, включающем в себя нагреваемый и охлаждаемый вакуумный термостолик, нагревательный элемент, емкость с жидким азотом (сосуд Дьюара), контроллер управления, защитный кожух, генератор сигналов AWG-4150, осциллограф АКИП-4116/3 и мультиметр Fluke 289 (рис.1).
Исследуемый образец размещался внутри специально разработанной универсальной измерительной ячейки, которая с помощью вакуума фиксировалась на термостолике. Нагрев образца осуществлялся за счет теплопроводности конструкции ячейки. Для исключения образования конденсата под защитный кожух принудительно подавался сухой азот. Температура образца контролировалась с помощью термопары К-типа, размещенной внутри измерительной ячейки.
Разработанный измерительный стенд позволяет проводить исследования характеристик образцов в диапазоне температур от 208 К до 453 К как в ручном, так и автоматическом режиме (за счет объединения контроллера управления, генератора, осциллографа и мульти-метра с ПК посредством GPIB и USB интерфейсов в единый автоматизированный измерительный комплекс).
Образец Термопара.
Рис.1. Схема измерительного стенда
Универсальная измерительная ячейка
Для проведения исследований влияния внешних воздействий на МЭ эффект в композиционных материалах разработана универсальная измерительная ячейка, состоящая из корпуса, соленоида и системы постоянных магнитов (рис.2).
Рис.2. Конструкция универсальной измерительной ячейки
Корпус ячейки выполнен из термостойкого пластика на принтере 3D Picaso Builder. Постоянное однородное магнитное поле H величиной 12 Э создавалось в центре измерительной ячейки с помощью двух магнитов из сплава Nd-Fe-B. Модулирующее магнитное поле h(t) амплитудой 1 Э осуществлялось подачей с генератора на обмотку соленоида напряжения переменной частоты.
Исследуемый образец
Исследуемый образец представлял собой симметричную магнитоэлектрическую слоистую структуру в форме прямоугольной пластины, состоящую из пьезоэлектрических и магнитострикционных слоев, механически соединённых между собой. Основой выступает пластина пьезокерамики цирконата-титаната свинца (ЦТС) марки ЦТС-19 размером 10x5^1 мм, к которой с помощью клея БФ-2 присоединялись пластины метгласа (FeBSiC) размером 10x5x0,02 мм по три слоя с каждой стороны (рис.3).
Образец размещался в измерительной ячейке таким образом, что постоянное и переменное магнитные поля были направлены параллельно плоскости его поверхности и ортогонально направлению поляризации пластины ЦТС. При такой ориентации полей наблюдается поперечный МЭ эффект.
Рис.3. Структура исследуемого образца и направления электрических и магнитных полей
Переменное магнитное поле за счет магнито-стрикции создает в намагниченном слое метгласа
периодические механические деформации, которые за счет механической связи между слоями передаются слою ЦТС. Благодаря пьезоэлектрическому эффекту в слое ЦТС индуцируется переменное напряжение, которое измеряется с помощью проволочных выводов, припаянных к слою метгласа. Величина этого напряжения будет характеризовать МЭ взаимодействие в исследуемом образце.
Теоретический расчет
Как известно [11], в области электромеханического резонанса (ЭМР) в магнитоэлектрических материалах наблюдается резкое увеличение МЭ эффекта, при этом частота продольных колебаний в области ЭМР для образца в форме прямоугольной пластины будет определяться из соотношения [12,13]:
ъ_¿Л",
где У — эффективный модуль Юнга; р — эффективная плотность; п — номер гармоники; Ь — длина образца.
у а + у а
у т^т 1
р =
a + a
m wp pmam + ppap
a + a '
mp
где Ут, Рт, ат — модуль Юнга, плотность и толщина магнитострикционного слоя; Ур, рр, ар — модуль
Юнга, плотность и толщина пьезоэлектрического слоя.
Величина поперечного МЭ коэффициента по напряжению аЕ,ъх рассчитывается из соотношения [1]:
a Я,31 =
2 mgu^ffPSnV(1-V) tan(kL/2) s2(pd32i-pe33)kL -2pd3lVmsu tan(kL/2),
где pd31 — пьезоэлектрический модуль, mg11 — пье-
зомагнитный коэффициент,
— коэффици-
енты податливости пьезоэлектрической и магнитост-рикционной фазы, р е33 — диэлектрическая проницаемость, Ь — длина образца, V — объемная доля пьезоэлектрической компоненты.
k = ю
Р
V 1-V
-+-
s11 s11
где ю — угловая частота.
_ Vmsu + (1-V)р*п,
V _ (vm +Vp ),
где V", Vе — объем магнитострикционной и пьезоэлектрической фазы.
Veff = Im m„ 2 m
S2 msum^ukL
(mS11
S1 +mg121m И1 )kLs2 +2mg121m И1 pS11 (1 - V )tg(kL/ 2)'
где — магнитная восприимчивость.
Согласно теоретическому расчету значение МЭ коэффициент по напряжению аЕ31 рассматриваемого образца составило 64,3 В/см-Э на частоте /р = 149,7 кГц.
p
m
и
s
Результаты исследований
Температурные исследования МЭ эффекта заключались в измерении амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) путем снятия зависимости амплитуды выходного напряжения от частоты переменного магнитного поля при различной температуре.
Рис.4. АЧХ структуры метглас/ЦТС/метглас при температуре 297 К
Как видно из графика на рис.4, АЧХ образца в диапазоне частот f = 0-300 кГц при температуре 297 К имеет резонансный характер с максимумом 5,6 В на частоте 150,5 кГц (расчетное значение — 149,7 кГц). Значение аЕ,31 = 50 В/смЭ (расчетное значение — 64,3 В/см-Э). Среднее значение амплитуды выходного сигнала вне резонансной области ЭМР составляет порядка 300 мВ.
Измерения АЧХ проводились при температуре от 263 К до 363 К с шагом в 10 К. Из-за инерционности тепловых процессов перед каждым измерением образец выдерживался в течение 25 мин при заданной температуре для установления стационарного теплового состояния.
Рис.5. Температурная зависимость АЧХ структуры мет-глас/ЦТС/метглас
Изменение температуры образца от 263 К до 363 К приводит к изменению амплитуды индуцированного на образце напряжения и сдвигу частоты резонанса (рис.5).
С увеличением температуры образца наблюдается сдвиг резонансной частоты в сторону ее уменьшения, что объясняется изменениями линейных размеров образца, эффективной плотности и модуля Юнга. Зависимость изменения частоты от температуры может быть описана линейной функцией и составляет -0,03 кГц/К (рис.6).
Рис.6. Температурная зависимость резонансной частоты ^ структуры метглас/ЦТС/метглас
Температурные изменения амплитуды выходного напряжения имеют нелинейный характер с максимумом при 273 К (рис.7). При этом экспериментальное значение МЭ коэффициента по напряжению в точке максимума достигает 57,14 В/смЭ. Нелинейность температурной зависимости амплитуды объясняется наличием температурных изменений d31, , е33 и свойств клея.
Рис.7. Температурная зависимость амплитуды выходного напряжения структуры метглас/ЦТС/метглас
В структурах, изготовленных с помощью клеевого соединения магнитострикционного и пьезоэлектрического слоев, свойства клея играют ключевую роль. Так, например, в исследуемом образце МЭ эффект практически исчезает при температуре выше 363 К, что соответствует верхней рабочей температуре клея БФ-2, применяемого в изготовлении образца (рис.5).
Заключение
В соответствии с поставленной целью разработаны измерительный стенд и методика проведения измерений температурной зависимости МЭ эффекта в слоистых структурах в диапазоне температур от 208 К до 453 К. Разработана универсальная измерительная ячейка для проведения исследований влияния внешних воздействий на МЭ эффект. Экспериментально исследованы характеристики симметричной слоистой структуры метглас/ЦТС/метглас в диапазоне температур от 263 К до 363 К.
Полученные результаты показали, что при изменении температуры образца наблюдался сдвиг резонансной частоты и изменение амплитуды выходного напряжения. Зависимость резонансной частоты от температуры имеет линейный характер и составляет порядка -0,03 кГц/К. Зависимость амплитуды выходного напряжения от температуры имеет нелинейный характер с максимумом ивых = 6,4 В при температуре 273 К, что соответствует МЭ коэффициенту по напряжению аЕ =57,14 В/смЭ.
Результаты исследований позволяют создать предпосылки для более глубокого понимания влияния внешних воздействий, в частности температуры, на МЭ эффект, а также частично прояснить вопросы термостабилизации и термокомпенсации разработанных МЭ устройств, работающих в широком диапазоне частот, таких как датчики, гираторы, преобразователи тока и напряжения и др.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №17-48-530190.
1. 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.
2. Nan C.W., Bichurin M.I., Dong S.X. et al. Multiferroic magnetoelectric composites: Historical perspective, status, and future directions // Appl. Phys. 2008. V.103. P.031101.
3. Филиппов А.В., Белый С.В., Джуни Жай, Семенов Г.А. Магнитоэлектрический гиратор // Вестн. Новг. гос. ун-та. Сер.: Техн. науки. 2008. № 46. С.54-56.
4. Гиратор магнитоэлектрический / М.И.Бичурин, А.В.Филиппов, Г.А.Семёнов // Патент на полезную модель № 88879 от 20.11.2009.
5. Бурдин Д.А., Фетисов Ю.К., Чашин Д.В., Экономов Н.А. Влияние температуры на характеристики резонансного магнитоэлектрического эффекта в структуре магнионио-бат титанат свинца - никель // Письма в ЖТФ. 2012. Т.38. №6. C.41-47.
6. Бурдин Д.А., Фетисов Ю.К., Чашин Д.В., Экономов Н.А. Температурные характеристики магнитоэлектрического взаимодействия в дисковых резонаторах цирконат тита-нат свинца - никель // Журнал технической физики. 2013. Т.83. C.107-112.
7. Fang F., Xu. Y.T., Yang W. Magnetoelectric coupling of laminated composites under combined thermal and magnetic loadings // J. Appl. Phys. 2012. V.111. P.023906.
8. Ye J.X., Ma J.N., Hu J.M. et al. Temperature dependence of magnetoelectric coupling in FeBSiC/PZT/FeBSiC laminates // J. Appl. Phys. 2014. V.116. P.074103.
9. Burdin D.A., Ekonomov N.A., Chashin D.V. et al. Temperature Dependence of the Resonant Magnetoelectric Effect in Layered Heterostructures // Materials. 2017. V.10. P.1183.
10. Shen Y., Gao J., Wang Y. et al. Thermal stability of magnetoelectric sensors // Appl. Phys. Lett. 2012. V.100. P.173505.
11. Bichurin M.I., Petrov V.M., Averkin S.V. and Filippov A.V. Electromechanical resonance in magnetoelectric layered structures // Physics of the Solid State. 2010. Vol.52. №10. P.2116-2122.
12. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики / Под ред. В.М. Шарапова. М.: Техносфера, 2006. 632 с.
13. Фетисов Л.Ю., Фетисов Ю.К., Каменцев К.Е. Влияние электрического поля на характеристики магнитоэлектрического взаимодействия в композитной структуре фер-ромагнетик-сегнетоэлектрик // Физика твердого тела. 2009. Т.51. Вып. 11. С.2175-2179.
References
1. 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.
2. 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, no. 3, id.031101.
3. Filippov A.V., Belyi S.V., Dzhuni Zhai, Semenov G.A. Magnitoelektricheskii gyrator [Magnetoelectric gyrator]. Vestnik NovGU. Ser. Tekhnicheskie nauki - Vestnik NovSU. Issue: Engineering Sciences, 2008, no. 46, pp. 54-56.
4. Bichurin M.I., Filippov A.V., Semenov G.A. Girator magnitoelektricheskii [Magnetoelectric gyrator]. Patent RF no. 88879, 2009.
5. Burdin D.A., Fetisov Iu.K., Chashin D.V., Ekonomov N.A. Vliianie temperatury na kharakteristiki rezonansnogo magni-toelektricheskogo effekta v strukture magnioniobat titanat svintsa - nikel' [Temperature dependence of the characteristics of the resonant magnetoelectric effect in a lead magnesium niobate-lead titanate/nickel structure]. Pis'ma v Zhurnal tekhnicheskoi fiziki (Pis'ma v ZhTF) - Technical Physics Letters, 2012, vol. 38, no. 7, pp. 661-664.
6. Burdin D.A., Fetisov Iu.K., Chashin D.V., Ekonomov N.A. Temperaturnye kharakteristiki magnitoelektricheskogo vzai-modeistviia v diskovykh rezonatorakh tsirkonat titanat svintsa - nikel' [Temperature behavior of magnetoelectric interaction in composite PZT-nickel disk resonators]. Zhurnal tekhnicheskoi fiziki - Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics, 2013, vol. 58, no. 3, pp. 414-419.
7. Fang F., Xu. Y.T., Yang W. Magnetoelectric coupling of laminated composites under combined thermal and magnetic loadings. J. of Applied Physics, 2012, v.111, no. 2, p.023906.
8. Ye J.X., Ma J.N., Hu J.M., Li Z., Feng M., Zhang Q.M., Nan C.-W. Temperature dependence of magnetoelectric coupling in FeBSiC/PZT/FeBSiC laminates. Journal of Applied Physics, 2014, vol. 116, no. 7, p. 074103.
9. Burdin D.A., Ekonomov N.A., Chashin D.V., Fetisov L.Y., Fetisov Y.K., Shamonin M. Temperature dependence of the resonant magnetoelectric effect in layered heterostructures. Materials, 2017, vol. 10, p. 1183.
10. Shen Y., Gao J., Wang Y., Li J., Viehland D. Thermal stability of magnetoelectric sensors. Applied Physics Letters, 2012, vol. 100, no. 17, p. 173505.
11. Bichurin M.I., Petrov V.M., Averkin S.V., Filippov A.V. Electromechanical resonance in magnetoelectric layered structures. Physics of the Solid State, 2010, vol. 52, no. 10, pp. 2116-2122.
12. Sharapov V.M., Musienko M.P., Sharapova E.V. P'ezoelek-tricheskie datchiki [Piezoelectric sensors]. Moscow, "Tekhnosfera" Publ., 2006. 632 p.
13. Fetisov L.Iu., Fetisov Iu.K., Kamentsev K.E. Vliianie elek-tricheskogo polia na kharakteristiki magnitoelektricheskogo vzaimodeistviia v kompozitnoi strukture ferromagnetik-segnetoelektrik [Effect of an electric field on the characteristics of magnetoelectric interaction in a ferromagnet-ferroelectric composite structure]. Fizika tverdogo tela -Physics of the Solid State, 2009, v.51, no. 11, pp.2308-2312.
