ПЛАНАРНЫЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в различных областях науки и промышленности для измерения постоянных магнитных полей.
Уровень техники
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели (прототипом) является магнитоэлектрический датчик постоянных магнитных полей, описанный в документе [Петрова Р.В. и др. Магнитоэлектрический магнетометр / Вестник Новгородского государственного университета, 2013, Т.1, №75, с. 29-32]. Известный датчик содержит пьезоэлектрическую пластину с электродами на поверхности, две пластины из магнитострикционного материала, механически связанные с указанной пьезоэлектрической пластиной, и катушку возбуждения. Указанное устройство работает следующим образом. При воздействии на такой датчик переменного магнитного поля возбуждения и постоянного магнитного поля Н между электродами пьезоэлектрика вследствие комбинации магнитострикции и пьезоэлектричества генерируется переменное электрическое напряжение, амплитуда которого пропорциональна полю u~Н, что и используется для измерения поля.
Недостатком известного датчика является исполнение источника возбуждения в виде объемной электромагнитной катушки, что не позволяет использовать методы интегральной технологии для изготовления датчика.
Раскрытие сущности полезной модели
Предлагаемая полезная модель направлена на решение технической задачи по устранению этого недостатка прототипа.
При этом технический результат заключается в возможности выполнения конструкции, позволяющей использовать методы интегральной технологии для изготовления датчика.
Технический результат достигается тем, что планарный магнитоэлектрический датчик магнитного поля содержит пьезоэлектрическую пластину с электродами, на поверхность которой последовательно нанесены: первый диэлектрический слой, первый проводящий слой, второй диэлектрический слой, слой магнитострикционного материала, третий диэлектрический слой и второй проводящий слой, при этом проводящие слои электрически соединены на одном конце.
Указанные признаки предлагаемой полезной модели являются существенными и совокупность этих признаков достаточна для получения требуемого технического результата.
Описание чертежей и осуществление полезной модели
На фиг. 1 показана конструкция заявляемой полезной модели. Планарный магнитоэлектрический датчик содержит пьезоэлектрическую пластину 1 с электродами 2 на поверхностях, диэлектрические слои 3, слой магнитострикционного материала 4 и два проводящих слоя 5, электрически соединенных на одном конце. Все слои и пьезоэлектрическая пластина механически связаны друг с другом.
Представленная конструкция не является единственно возможной, но обеспечивает получение требуемого технического результата.
Работает устройство следующим образом. Через проводящие слои 5 от внешнего источника пропускают переменный электрический ток I с частотой ƒ. Электрический ток создает между проводящими слоями 5 переменное магнитное, которое воздействует на слой магнитострикционного материала 4. Это магнитное поле вызывает деформацию магнитострикционного материала, которая передается пьезоэлектрической пластине 1. В результате между электродами 2 пьезоэлектрической пластины 1 генерируется электрическое напряжение u с той же частотой ƒ. При воздействии на датчик внешнего магнитного поля Н, направленного в плоскости структуры вдоль ее длинной оси, амплитуда напряжения и линейно растет с увеличением Н, что и используется для измерения поля.
Для подтверждения осуществления настоящей полезной модели был изготовлен макет планарного магнитоэлектрического датчика поля. Пьезоэлектрическая пластина была изготовлена из керамики марки ЦТС-19 с электродами и имела размеры 25 мм × 5 мм × 0,22 мм. Поверхности пластины были покрыты диэлектрическим слоем толщиной ~1 мкм. В качестве магнитострикционного материала использовали аморфный сплав состава FeBSiC (Metglas 2605SA1). Слой магнитострикционного материала имел размеры 25 мм × 5 мм и толщину 20 мкм. Поверхность слоя магнитострикционного материала была покрыта слоем диэлектрика толщиной ~1 мкм. Затем на поверхности слоя магнитострикционного материала с обоих сторон были нанесены проводящие слои из меди размерами 24 мм × 4 мм и толщиной ~2 мкм. Проводящие слои были электрически соединены с одного конца. Описанная конструкция может быть изготовлена методами интегральной технологии.
шум
мин
шум
На фиг. 2 приведена измеренная зависимость амплитуды генерируемого напряжения u от напряженности постоянного магнитного поля Н при амплитуде возбуждающего тока I=100 мА и частоте тока ƒ=3,5 кГц. Видно, что в области малых полей Н<15 Э зависимость примерно линейна, что и определяет диапазон рабочих полей макета изготовленного датчика. Чувствительность датчика к магнитному полю составляла S=u/Н≈1,8 мВ/Э. Напряжение шума равнялось u ≈0,1 мВ. Отсюда получаем минимальное детектируемое поле Н=u/S≈0,05 Э.
На фиг. 3 показана зависимость напряжения u, генерируемого изготовленным датчиком, от тока через возбуждения I при постоянном поле Н=15 Э.