МНОГОСЛОЙНАЯ КЕРАМИЧЕСКАЯ ГЕТЕРОСТРУКТУРА С МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ЭФФЕКТОМ И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ
MULTILAYER CERAMIC HETEROSTRUCTURE WITH MAGNETOELECTRIC EFFECT AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF

Изобретение относится к электронной технике, а именно: к области создания магнитоэлектрических преобразователей, применяемых в качестве основы для датчиков магнитных полей, устройств СВЧ-электроники, основы для технологии магнитоэлектрической записи информации и для накопителей электромагнитной энергии и энергии вибраций.
Изобретение поясняется графическими материалами (Фиг.1÷4, Таблицы 1÷2).
Фиг.1. Многослойная керамическая гетероструктура с магнитоэлектрическим эффектом.
1 - слой электропроводящего клея; 2 - пьезокерамика; 3 - магнитостриктор; 4 - электропроводящий контакт.
Фиг.2. Зависимости магнитоэлектрического отклика от величины напряженности постоянного магнитного поля на частоте одного из резонансов.
Фиг.3. Прототип заявляемого устройства. Датчики постоянного магнитного поля.
а) - одноэлементный датчик; б) - двухэлементный датчик с расширенным диапазоном измерения постоянного магнитного поля;
1 - электропроводящий контакт; 2 - пьезокерамика; 3 - магнитостриктор; 4 - подмагничивающая катушка.
Фиг.4. Трубчатая печь для соединения элементов пакета.
Таблица 1. Характеристики слоистой структуры с магнитоэлектрическим эффектом, полученной по заявляемому способу.
Таблица 2. Основные параметры электропроводящего клея.
Известен способ получения слоистых гетероструктур с магнитоэлектрическим эффектом (Bichurin M.I., Petrov V.M., Petrov R.V. Ferroelectrics, 2002, v.280, p.199-202, прототип), включающий:
- формирование пакета чередующихся слоев магнитостриктора и пьезокерамики методом шликерного литья;
- соединение слоев пакета спеканием при температуре 1200°С в трубчатой или камерной печи;
- поляризацию керамики приложением напряжения с целью индуцирования пьезоэлектрической активности;
- нарезку пакета на изделия, требуемого размера.
Особенности известного способа:
- высокие энергозатраты на формирование пакета чередующихся слоев магнитостриктора и пьезокерамики методом шликерного литья и на спекание слоев пакета;
- низкая чувствительность готового изделия к постоянным и переменным магнитным полям.
Технический результат заявляемого способа заключается в том, что он характеризуется низкой энергоемкостью и возможностью получения готового изделия с высокой чувствительностью к постоянным и переменным магнитным полям.
5
Технический результат достигается тем, что формирование пакета производится в три стадии: вначале на всю поверхность магнитострикторов наносятся электропроводящие контакты, затем все поверхности магнитострикторов и пьезокерамики кроме торцевых покрываются слоем электропроводящего эпоксидного клея, после чего формируется пакет чередованием слоев магнитостриктора и пьзокерамики, соединение слоев осуществляется прессованием при температуре 60÷100°С и избыточном давлении (1,3÷2,6)·10 Па.
5
Исследованием уровня техники установлено, что способов получения слоистых гетероструктур с магнитоэлектрическим эффектом, содержащих формирование пакета в три стадии: вначале на всю поверхность магнитострикторов наносятся электропроводящие контакты, затем все поверхности магнитострикторов и пьезокерамики кроме торцевых покрываются слоем электропроводящего эпоксидного клея, после чего формируется пакет чередованием слоев магнитостриктора и пьзокерамики, соединение слоев осуществляется прессованием при температуре 60÷100°С и избыточном давлении (1,3÷2,6)·10Па, не обнаруживается.
Известен способ получения слоистых гетероструктур с магнитоэлектрическим эффектом (Bichurin M.I., Petrov V.M., Petrov R.V. Ferroelectrics, 2002, V.280, p.199-202, прототип).
Отличительные признаки заявляемого способа в сравнении с прототипом:
5
- в известном способе формирование пакета чередующихся слоев магнитостриктора и пьезокерамики осуществляется методом шликерного литья, а в заявляемом - формирование пакета происходит в три стадии: вначале на всю поверхность магнитострикторов наносятся электропроводящие контакты, затем все поверхности магнитострикторов и пьезокерамики, кроме торцевых, покрываются слоем электропроводящего эпоксидного клея, после чего формируется пакет чередованием слоев магнитостриктора и пьзокерамики, соединение слоев осуществляется прессованием при температуре 60÷100°С и избыточном давлении (1,3÷2,6)·10Па,
5
- в известном способе слои пакета соединяются спеканием при температуре 1200°С, а в заявляемом - прессованием при температуре 50÷100°С и избыточном давлении (1,3÷2,6)·10Па;
- известный способ включает стадию поляризации пьезокерамики после формирования структуры путем приложением напряжения, в заявляемом способе эта стадия отсутствует.
Известна слоистая гетероструктура с магнитоэлектрическим эффектом (патент на изобретение №2244318, 2005 г., прототип), содержащая чередующиеся слои магнитостриктора и пьезокерамики (Фиг.3).
Известное устройство содержит электропроводящий контакт 1, слой пьезокерамики 2, магнитостриктор 3 и подмагничивающую катушку 4.
Недостаток известного устройства - низкая чувствительность к постоянным и переменным магнитным полям.
-6
-9
-6
-9
o
DC
o
DC
Технический результат заявляемого устройства заключается в том, что чувствительность слоистой гетероструктуры с магнитоэлектрическим эффектом к постоянному магнитному полю достигает 3,5·10Т, к переменному магнитному полю - 80·10 Т. Максимальное значение коэффициента магнитоэлектрического преобразования равно 45 В/(см·Э) и наблюдается вблизи пьезомеханического резонанса на частоте f=144 кГц, материал находится вблизи магнитного насыщения µH=5 мТ, моделирующее поле µH=0,15 мТ; отсутствуют падения напряжения на диэлектрических слоях магнитострикционной керамики благодаря созданию проводящего слоя на поверхности пластинок ферритов; чувствительность по постоянному и переменному полям составляет 3,5·10 Т и 80·10 Т соответственно; диапазон рабочих постоянных полей 0÷0,12 Т, по переменному полю - 0÷0,06 Т.
Технический результат достигается тем, что устройство содержит 9÷11 чередующихся слоев магнитостриктора и пьезокерамики, толщина слоя пьезокерамики - 0,10÷0.13 мм, магнитостриктора - 0,25÷0,30 мм.
Отличительные признаки заявляемого устройства в сравнении с прототипом:
- в известном устройстве толщина слоя пьзокерамики и магнитостриктора менее 70 мкм, а в заявляемом толщина слоя пьезокерамики - 0,10÷0,13 мм, магнитостриктора - 0,25÷0,30 мм (Генерируемое напряжение в пьезоэлектрических слоях пропорционально толщине, к тому же абсолютная деформация, вызванная магнитосрикцией, пропорциональная толщине магнитоактивного слоя. Оба эти фактора увеличивают выходной магнитоэлектрических сигнал, что упрощает его детектирование);
- диэлектрические слои магнитоактивного материла электрически закорочены, благодаря нанесению на поверхность магнитной керамики электропроводящих контактов. Это позволяет устранить падение напряжения на диэлектрических слоях магнитостриктора.
Описание изобретения
Композиционная керамическая гетеросруктура может рассматриваться как батарея последовательно соединенных конденсаторов из пьезоэлектрической керамики. Каждый пьезоэлемент батареи механически жестко соединен с керамическими магнитоактивными материалами - магнитострикционными ферритами. Слои ферритов в свою очередь полностью покрыты электропроводящими контактами, что обеспечивает электрический контакт между слоями пьезоактивного материала. Вся в целом композиционная гетероструктура механически монолитна.
При изменении магнитного поля происходят изменения размеров ферритов за счет магнитострикции, что вызывает механические воздействия на пьезоэлементы, это обуславливает возникновением разности потенциалов на каждом пьезоэлементе и суммарной разности потенциалов между верхним и нижним слоями металлизации композиционной гетеростурктуры в целом; изменение граничных условий уравнений состояния пьезокерамики в пьезоэлементах, это приводит к изменению диэлектрической проницаемости и, соответственно, емкости гетероструктуры в целом; изменение упругих характеристик гетеростурктуры и ее размеров, это приводит к изенению частот резонанса и антирезонанса различных мод колебаний. У такой композиционной керамической структуры можно измерить:
- разность потенциалов, возникающую между верхним и нижним слоями металлизации композиционной гетероструктуры;
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mn>3</mn><mn>3</mn></mrow><mi>T</mi></msubsup><mo>/</mo><msub><mi>ε</mi><mn>0</mn></msub></mrow>
- емкость гетероструктуры, которая определяется, в основном, диэлектрической проницаемостью
пьезокерамики и размерами пьезоэлементов;
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mi>r</mi><mi>i</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mi>a</mi><mi>i</mi></msubsup></mrow>
- частоты резонанса
и антирезонанса
, которые определяются, в основном, модами колебаний, размерами и упругими характеристиками композиционной гетероструктуры в целом.
Пример осуществления способа
Был изготовлен ряд образцов магнитоэлектрических слоистых гетероструктур по созданной технологии.
Размеры конструкции многослойных композиционных керамических гетеросруктур на основе магнито- и пьезоактивных материалов и количество слоев выбрано с учетом получения максимальной величины магнитоэлектрического отклика от гетероструктуры и техническими параметрами, требуемых для датчиков измерения магнитных полей.
1
2
Технологически удобны диапазоны размеров: - длина L~(5-30) мм; - ширина W~(5÷30) мм; - высота Н~(0,15÷3) мм. Толщина слоев керамики магнитострикционных ферритов t и пьезоэлементов t может варьироваться в диапазоне ~ (30÷300) мкм.
0,8
0,2
2
4
Пакет состоял из 11 чередующихся слоев пьезоактивного материала ЦТС-46 и магнитострикционного материала никель-цинкового феррита состава NiZnFeO.
Изготовление пакетов многослойных композиционных гетероструктур происходило путем склеивания послойно ферритных и пьезоактивных слоев, с последующей подпресовкой и низкотемпературным отжигом.
В качестве материала для образования сильной механической связи между слоями использовался электропроводящий эпоксидный клей TDS CW2460. Основные параметры клея представлены ниже в Таблице 2.
Для обеспечения электрического контакта между слоями пьезокерамики на поверхность ферритовых пластинок были нанесены серебряные электроды. Толщину слоя проводящего материала, выполненного из сплава серебра с палладием, выбирают технологически минимальной - порядка h~(1,5÷6,0) мкм.
После склейки слоев, пакет помещался в прижимное устройство и отжигался при температуре 60÷100°С в трубчатой трехзонной печи TZF 15/610 в воздушной атмосфере (Фиг.4).
Величину магнитоэлектрического эффекта в планарных структурах характеризует коэффициент МЭ-преобразования k. Другим важным показателем является чувствительность датчика к постоянным и переменным полям. Для использования данной гетероструктуры в качестве датчика магнитных полей важным является наличие линейной зависимости между внешним полем и величиной напряжения, снимаемого с обкладок композита.
Характеристики устройства, полученного таким способом, представлены в Таблице 1.
Заявляемый способ апробирован в условиях лабораториях Тверского государственного университета с получением образцов многослойной керамической гетероструктуры с магнитоэлектрическим эффектом.
Заявляемая слоистая структура с магнитоэлектрическим эффектом может быть использована в качестве основы для магнитоэлектрического преобразователя постоянных и медленно меняющихся переменных магнитных полей.
Таблица 1
Коэффициент МЭ-преобразования k, В/см*Э
Чувствительность по постоянному полю, Т
Чувствительность по переменному полю, Т
Диапазон рабочих постоянных, Т
Диапазон рабочих переменных, Т
Диапазон линейности композита, Т
Макс. значение 45 В/см*Э Наблюдается вблизи пьезомеханического резонанса Г=144 кГц, материал находится вблизи магнитного насыщения µ<sub>o</sub>H<sub>DC</sub>=5 мТ, моделирующее поле µ<sub>o</sub>H<sub>AC</sub>=0,15 мТ
3.5*10<sup>-6</sup>
80*10<sup>-9</sup>
0-0,12
0-1
0-0,005
Таблица 2
Параметр
Метод тестирования
Значение
Минимальная рабочая температура, °C
-55
Максимальная рабочая температура, °C
150
Время отвердевания
При 24°C, ч
5
При 65°C, мин
15
Время работы с материалом при температуре (22 <sup>V</sup>C), мин
10
Соотношение компонентов
1:1
Удельное объемное сопротивление при температуре (25°С), Ом×см<sup>3</sup>
MIL-STD-883E NOTICE 3, method 5011,4
0,038
Предел прочности на разрыв, кгс×см
ASTM-D-638-02A
70
Удлинение, %
ASTM-D-638-02A
0,3
Предел прочности при сжатии, кгс×см<sup>2</sup>
ASTM-D-638-02A
77,34
Сила изгиба, кгс×см<sup>2</sup>
ASTM-D-790-03
0,1758
Предел прочности на сдвиг, кгс×см<sup>2</sup>
ASTM-D-732-02
16,45
Ударная вязкость образца с надрезами по Изоду, Дж×м<sup>2</sup>
ASTM-D256-02 1
819,59
Коэффициент теплового расширения, мм/мм
ASTM-E-831-03
79,3×10<sup>6</sup>
Удельная плотность, г/см<sup>3</sup>
ASTM-D-256-02 E1
2,34
Коэффициент теплопроводности. Вт/(м×°С)
ASTM-C-518
0,578