Магнитоэлектрический композиционный материал для датчика магнитного поля
MAGNETOELECTRIC COMPOSITE MATERIAL FOR MAGNETIC FIELD SENSOR

Изобретение относится к магнитоэлектрическим (МЭ) материалам и может быть применено в устройствах, где магнитное поле используется для управления электрическими параметрами (прямой МЭ эффект), а внешнее электрическое поле используется для управления магнитными параметрами (обратный МЭ эффект), например, в датчиках магнитных полей, в сверхвысокочастотных резонаторах, в магнитоэлектрической памяти.
Известны смесевые, слоистые и тонкопленочные магнитоэлектрические композиционные материалы (М. Fiebig. Revival of the magnetoelectric effect, J. Phys. D: Appl. Phys., V. 38, R 123-R 152, 2005). Недостатком этих материалов являются незначительные МЭ коэффициенты в отсутствие внешнего постоянного магнитного поля смещения.
0.12
0.2
0.68
0.53
0.47
3
0,12
0,2
0,68
0,53
0,47
3
Из работы авторов настоящего изобретения (А.В. Калгин, С.А. Гриднев, Z.H. Gribe. Прямой магнитоэлектрический эффект в двухслойных композитных структурах TbDyFe - PbZrTiO при изгибных и продольных колебаниях, ФТТ, Т. 56, Вып. 11, С. 2111-2114, 2014) известен двухслойный МЭ композиционный материал, полученный нанесением магнитострикционного слоя из тщательно перемешанных ферромагнитных гранул терфенола TbDyFe(TDF) и эпоксидного компаунда на предварительно поляризованную пьезоэлектрическую пластину из керамики цирконата-титаната свинца PbZrTiO (PZT). Недостаток этого материала заключается в том, что для обеспечения в нем оптимальной эффективности МЭ взаимодействия необходимо использовать подмагничивающее внешнее постоянное магнитное поле.
Известны МЭ композиционные материалы с внутренним магнитным полем смещения, которые не требуют внешнего постоянного магнитного поля смещения для получения пригодных для практики МЭ коэффициентов (Y. Zhou, D. Maurya, Y. Yan, G. Srinivasan, E. Quandt, S. Priya. Self-biased magne-toelectric composites: an overview and future perspectives, Energy harvesting and systems, V. 3, I. 1, 42 pp., 2015).
Из патента РФ 2363074 (МПК H01L 41/16, H01F 1/00, опубл. 27.07. 2008), принятого за прототип, известен материал для компонентов радиоэлектронных приборов, представляющий собой двухфазную композицию магнитострикционной и сегнетоэлектрической компонент, магнитострикционная компонента которого выполнена из материала с градиентом намагниченности насыщения, а сегнетоэлектрическая компонента - из материала с градиентом поляризации.
Однако здесь возникают трудности с регулированием и подбором оптимальных по величине внутренних магнитных полей. Кроме того, предлагаемый способ приготовления магнитострикционных компонент является трудоемким технологическим процессом.
=
Задачей изобретения является повышение МЭ коэффициентов без подачи внешнего смещающего магнитного поля H.
Технический результат заключается в получении МЭ композиционных материалов с внутренним постоянным магнитным полем, демонстрирующих оптимальные МЭ коэффициенты, и в упрощении условий использования материала в устройствах.
0,12
0,2
0,68
0,53
0,47
3
0,12
0,2
0,68
Технический результат достигается использованием двухкомпонентного материала в виде склеенных между собой магнитострикционного слоя из терфенола TbDyFe и пьезоэлектрической керамики цирконата-титаната свинца PbZrTiO. Магнитострикционная компонента представляет собой распределенные в эпоксидном компаунде гранулы терфенола. Внутреннее постоянное магнитное поле создается разделением магнитострикционного слоя на две области с различной концентрацией гранул TbDyFe. Оптимальная концентрация гранул терфенола в первой области магнитострикционного слоя составляет 0,8 масс. долей, а во второй - от 0,33 до 0,77 масс. долей.
0,12
0,2
0,68
0,53
0,47
3
Для решения задачи изобретения были получены МЭ композиционные материалы (a) TbDyFe - (b) PbZrTiO [(a) TDF - (b) PZT] в виде склеенных между собой магнитострикционного слоя с градиентным распределением в эпоксидном компаунде концентрации терфенола TDF и пьезокерамического слоя из PZT.
На фиг. 1 показаны схематические изображения образцов композитов (а) TDF - (b) PZT, где (а) гранулы TDF распределены случайным образом и (б) имеется градиент концентрации гранул TDF вдоль длины магнитострикционного слоя (изобретение).
=
int
На фиг. 2 приведена зависимость напряженности внутреннего постоянного магнитного поля H (Э) от концентрации частиц х во второй области магнитострикционного слоя.
31
=
~
int
На фиг. 3 представлена зависимость поперечного МЭ коэффициента α (мВ/см*Э) от напряженности внутреннего постоянного магнитного поля H (Э) при напряженности переменного магнитного поля Н=5 Э и резонансной частоте для 1-й гармоники продольных колебаний по ширине изобретения 0,9 TDF - 0,7 PZT с разными величинами градиента концентрации гранул TDF вдоль длины магнитострикционных слоев.
Градиент концентрации магнитных гранул приводит к градиенту намагниченности, который создает внутреннее постоянное магнитное поле. С увеличением градиента концентрации магнитных гранул внутреннее магнитное поле растет.
Решение задачи позволяет получить следующий технический результат. Выбор оптимального градиента концентрации гранул TDF создает условие для достижения внутреннего постоянного магнитного поля, обеспечивающего оптимальный МЭ коэффициент и избавляющего от необходимости использования источников внешнего постоянного магнитного поля, усложняющих конструкции МЭ устройств.
Пример
TDF
TDF
PZT
PZT
=
~
3
3
int
На фиг. 1 показаны схематические изображения образцов композитов (a) TDF - (b) PZT, отличающихся распределением гранул среднего размера z=71 мкм в магнитострикционных слоях. Магнитные слои образцов композитов имеют размеры 6 (длина, Z) * 6 (ширина, W) * а (толщина, а) мм, где а=0,3-1,5 мм, а пьезоэлектрические слои - 8 (длина, L) * 6 (ширина, W) * 0,7 (толщина, b) мм. Стрелками показаны направления внутреннего магнитного поля H, поляризации Р и напряженность переменного магнитного поля H.
=
=
=
int
int
int
Массовая доля гранул в магнитострикционных слоях аналога составляет 0,8, а поскольку гранулы в нем распределены статистически равномерно, то внутреннее магнитное поле смещения H отсутствует. Для получения отличного от нуля H в изобретении создают градиент распределения магнитных гранул по длине магнитострикционного слоя. С этой целью магнитострикционный слой разделяют по длине на две половины, в одной из которых массовая доля гранул 0,8, то есть такая же, как и в аналоге, а в другой составляет х, которую изменяют по величине от 0,33 до 0,77. Это позволяет получать разное по величине H, направленное перпендикулярно поляризации Р в пьезоэлектрическом слое.
=
31
=
31
=
31
=
int
Напряженность H для изобретения 0,9TDF - 0,7PZT изменяется от 18 до 1794 Э при изменении х от 0,33 до 0,77 (фиг. 2) и определяется из зависимости поперечного МЭ коэффициента по напряжению α от Н для случая равномерного распределения частиц в магнитострикционном слое 0,9TDF - 0,7PZT. Для этого на зависимости α(Н) находят значения α для композитов с градиентным распределением гранул TDF в магнитострикционных слоях вдоль длины образцов и сопоставляют их с соответствующими им значениями Н.
опт
=
31
31
=
int
int
Оптимальный поперечный МЭ коэффициент по напряжению 24,2 мВ/(см⋅Э) в изобретении наблюдается при внутреннем магнитном поле величиной 720 Э, которое достигается согласно фиг. 2 при оптимальной х, равной 0,66. При прочих равных условиях поле H=720 Э приводит к росту α до 24,2 мВ/(см⋅Э) в изобретении 0,9TDF - 0,7PZT по сравнению с α=14 мВ/(см⋅Э) при равномерном распределении частиц в магнитострикционном слое 0,9TDF - 0,7PZT, где H=0 Э.
=
int
Магнитоэлектрический композиционный материал с градиентом намагниченности может найти применение в различных устройствах электронной техники и, в частности, в датчиках магнитного поля. Коэффициент чувствительности датчика на основе изобретения 0,9TDF - 0,7PZT с Н=720 Э при напряженности переменного магнитного поля 5 Э, резонансной частоте 1-й гармоники продольных колебаний по ширине изобретения 226,3 кГц и температуре 20°С составит 16,9 В/Тл, что в 3,4 раза больше аналогичного коэффициента самых чувствительных стандартных датчиков Холла.
Магнитоэлектрический композиционный материал (a) TDF - (b) PZT с градиентом намагниченности получают следующим образом.
Создают статистические смеси из тщательно перемешанных ферромагнитных гранул TDF среднего размера z и эпоксидного компаунда, которые в виде двух участков наносят на предварительно поляризованную пластину из PZT так, как показано на фиг. 1б. Указанные участки отличаются массовым содержанием гранул TDF для того, чтобы создать в материале внутреннее смещающее магнитное поле. Магнитострикционный слой склеивают с пьезоэлектрическим слоем, полимеризуют при комнатной температуре в течение 24 ч, а затем шлифовальным листом доводят до требуемых геометрических размеров. Градиент концентрации магнитных гранул и толщины слоев выбирают такими, чтобы обеспечить в материале наибольший МЭ эффект.