КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Современное развитие электронной техники, в особенности таких ее новых областей, как твердотельная электроника СВЧ, акустоэлектроника, спин-волновая электроника и т. д., требует от разработчиков создания новых материалов с широким диапазоном физических свойств. Известные полупроводниковые, сегнетоэлекгрические и магнитные материалы уже практически исчерпали свои возможности и по ряду параметров не соответствуют требованиям новой техники. В связи с этим в настоящее время большое внимание уделяется поиску материалов, сочетающих в необходимой комбинации традиционные свойства, как, например, магнитные полупроводники, сегне- тоэлектрические полупроводники и т.д. Очевидно, что такие материалы будут отличаться большим многообразием свойств и могут служить основой для разработки крайне необходимых в технике многофункциональных приборов.

К магнитоэлектрическим (МЭ) материалам, или мультиферрои- кам, относят такие материалы, которые обладают магнитным и электрическим упорядочением [53]. Наличие в этих материалах взаимодействующих между собой магнитной и электрической подсистем приводит к различным магнитоэлектрическим (МЭ) эффектам, которые могут быть использованы при решении научных и прикладных задач.

Все МЭ-материалы, или магнитоэлектрики, в зависимости от структурно-технологических параметров делятся на три группы: однофазные, композиционные объемные и многослойные МЭ-мате- риалы.

  • • Однофазные материалы — это обычные монокристаллические или поликристаллические материалы. Примером однофазных МЭ- материалов могут служить рубин (А12Оэ: Сг3+), окись хрома (Сг203), литиевая феррошпинель (LiQ 5Fe2 504) и др.
  • • Композиционные — в общем случае многофазные материалы представляют собой изготовленные по керамической технологии механические смеси магнитных и электрических компонентов. В качестве примера композиционных МЭ-материалов можно привести такие смеси, какникель-цинковая шпинель (NiljcZnjcFe204) — титанат бария (ВаТЮ3), железоиттриевый гранат (Y3Fe5012) — пьезокерамика типа ZTS и др.

Композиционные многослойные МЭ-материалы образуются посредством механического контакта магнитных и электрических составляющих структуры.

Очевидно, композиционный многослойный материал можно считать одномерной моделью композиционного объемного материала. Роль магнитных и электрических составляющих многослойной структуры выполняют различные ферриты и сегнетоэлектрики в виде тонких пластинок, пленок и т.д.

В соответствии с электрическими свойствами каждую из групп МЭ-материалов можно разделить на два класса, обладающих упорядоченной и неупорядоченной электрической структурой. С учетом магнитных свойств каждый класс, в свою очередь, делится на три типа:

  • • парамагнетики;
  • • антиферромагнетики;
  • • слабые ферромагнетики и ферримагнетики.

Однофазные МЭ-материалы, обладающие одновременно электрической и магнитной структурой, называются ферримагнетиками или сегнетомагнетиками.

Общим для всех этих материалов является наличие в них МЭ- взаимодействия. В отличие от остальных магнитоэлектриков сегне- томагнетики характеризуются спонтанным, а не индуцированным МЭ-взаимодействием. При этом согласно теории в сегнетомагнетиках МЭ-взаимодействие по величине значительно больше, чем в остальных магнитоэлектриках.

Однако сегнетомагнетики из-за технологических трудностей, связанных с изготовлением качественных материалов, пока не нашли практического применения. Кроме того, как обнаружилось при проектировании сегнетоэлектрических СВЧ-приборов, наличие электрически упорядоченной структуры в материалах приводит к значительным потерям мощности в диапазоне СВЧ. Поэтому использование МЭ-взаимодействия в магнитоэлектриках, обладающих электрически неупорядоченной структурой, может оказаться перспективным, такие материалы — ферримагнетики, благодаря своим уникальным магнитным свойствам, широко применяются в технике СВЧ.

В МЭ-материалах в диапазоне СВЧ может наблюдаться ряд новых эффектов, обусловленных МЭ-взаимодействием. Основные из них:

  • • резонансный МЭ-эффект — эффект, наблюдаемый в области магнитного резонанса и представляющий собой смещение (или сдвиг) резонансных линий во внешнем постоянном электрическом поле;
  • • нерезонансный МЭ-эффекг — изменение магнитной восприимчивости в электрическом поле вне резонансной области;
  • • резонансный пьезомагнитоэлектрический эффект, возникающий в результате совместного воздействия на материал, находящийся в резонансных условиях внешнего электрического поля и одноосного давления;
  • • эффекты линейного преобразования электрических и магнитных составляющих СВЧ-поля друг в друга возникают при помещении намагниченного МЭ-материала в пучность электрической составляющей СВЧ-поля возможно наблюдение электродипольных переходов. Интенсивность электродипольных и магнитодипольных переходов может быть одного порядка.

Наиболее эффективно МЭ-связь будет осуществляться в области магнитного резонанса. При распространении в МЭ-материалах спиновых волн оказывается возможным по аналогии с резонансными эффектами управлять с помощью электрического поля их основными характеристиками.

Анализ практической применимости МЭ-материалов показывает, что наиболее эффективными МЭ-материалами в диапазоне СВЧ следует считать пьезоэлектрические ферримагнетики и композиционные многослойные материалы, поскольку в них МЭ-эффекты достигают максимальной величины. Кроме того, эти материалы взаимно дополняют друг друга по МЭ-свойствам. Что касается МЭ-парамагне- тиков, антиферромагнетиков и слабых ферромагнетиков, то они имеют слабые магнитные свойства, а для композиционных объемных материалов характерны большие потери.

Перспективная область применения МЭ-взаимодействия — создание СВЧ-устройств на его основе. Резонансный МЭ-эффект, проявляющийся в виде сдвига линии магнитного резонанса под действием электрического поля, может быть использован для построения электрически управляемых аттенюаторов, модуляторов, переключателей, фильтров, датчиков мощности, фазовращателей и невзаимных устройств (вентилей, циркуляторов). Прототипами этих устройств могут служить соответствующие резонансные ферритовые приборы при условии замены магнитной управляющей системы на систему электродов, подключенных к источнику управляющего напряжения.

Нерезонансный МЭ-эффект, связанный с изменением магнитной восприимчивости под действием управляющего электрического поля, проявляется значительно слабее, чем резонансный, поэтому его целесообразно использовать только в распределенных структурах, где МЭ-материал взаимодействует с электромагнитным полем на участке СВЧ-тракта, имеющем значительную электрическую длину. Этот эффект может применяться для построения электрически управляемых фазовращателей и невзаимных устройств.

Линейную МЭ-связь и электродипольные переходы, связанные с преобразованием магнитных составляющих поля в электрические и наоборот, можно использовать для построения селективных датчиков мощности. Такие датчики могут оказаться особенно перспективными для измерения СВЧ-полей в мощных резонаторах.

Нелинейная МЭ-связь в принципе позволяет осуществлять ограничение мощности, генерацию высших гармоник и параметрическую генерацию, что можно использовать для построения соответствующих СВЧ-устройств.

Взаимодействие электромагнитных полей со спиновыми волнами в МЭ-материале может использоваться для усиления и генерации этих волн, а также для разработки нового класса приборов на связанных спиновых волнах. Кроме того, МЭ-взаимодействие позволяет управлять параметрами спиновых волн с помощью электрического поля.

Одним из перспективных путей создания датчиков физических величин с широким частотным диапазоном, устойчивых к значительным механическим и электрическим нагрузкам, к воздействиям высоких температур и высоких уровней радиации, является использование объемных и многослойных композиционных магнитоэлектрических (МЭ) материалов. Керамическая технология изготовления композиционных МЭ-материалов обусловливает их низкую стоимость по сравнению с монокристаллическими и поликристаллическими материалами.

Основная характеристика МЭ-материалов на низких частотах — линейная МЭ-константа, которая определяется соотношением

где Н— внешнее магнитное поле, приложенное к МЭ-образцу; Е — электрическое поле, индуцированное посредством МЭ-взаи- модействия.

Линейная МЭ-константа композиционного МЭ-материала может быть определена на основе решения уравнений эластостатики и электростатики. Проведенные расчеты показывают, что для увеличения МЭ-констант необходимо использовать ферритовый компоненте максимальной магнитострикцией и малой намагниченностью насыщения, а сегнетоэлектрический компонент — с большими пьезоэлектрическими коэффициентами. На основе проведенных расчетов разработаны конструкции датчиков постоянного магнитного поля (рис. 7.7,7.8).

Основу датчика постоянного магнитного поля (см. рис 7.7) составляет диск из многослойного композиционного МЭ-материала, на торцы которого нанесены электроды, служащие для измерения напряжения, индуцированного в результате МЭ-взаимодействия. МЭ-ма- териал помещается на подложку, на обратной стороне которой сформирована подмагничивающая катушка, создающая импульсное магнитное поле. При помещении такого датчика в постоянное магнитное поле и при подаче на подмагничивающую катушку импульса тока на электродах МЭ-материала возникал импульс напряжения, пропорциональный величине измеряемого постоянного поля. Для расширения диапазона измеряемых постоянных магнитных полей был применен датчик с двумя чувствительными МЭ-элементами с различным содержанием пьезокерамики (см. рис.7.8). Применение двух МЭ-элементов для измерения магнитного поля позволило расширить диапазон измеряемых полей в 2 раза по сравнению с одноэлементным датчиком.

Одноэлементный датчик постоянного магнитного поля

Рис. 7.7. Одноэлементный датчик постоянного магнитного поля:

1 — электроды МЭ-материала; 2 — подложка; 3 — МЭ-материал; 4 — подмагничивающая катушка; 5— МЭ-материал



Датчик переменного магнитного поля отличается от датчика постоянного магнитного поля тем, что вместо катушки устанавливается постоянный магнит. МЭ-элемент находится в поле постоянного магнита. При помещении такого датчика в переменное магнитное поле на обкладках МЭ-элемента будет возникать переменное напряжение, пропорциональное амплитуде измеряемого переменного поля.

Расчет параметров датчиков магнитного поля проведен методом эквивалентных схем. В результате получено выражение, описывающее выходное напряжение датчика. Из анализа полученных выражений следует, что на выходное напряжение датчика будут оказывать влияние сопротивление нагрузки и параметры самого МЭ-образца.

При расчетах и проведении экспериментального исследования МЭ-датчиков магнитных полей более удобной величиной является ЭДС датчика:

Анализ формулы показывает, что для увеличения чувствительности датчиков магнитного поля необходимо использовать МЭ-материалы с большой линейной МЭ-константой. Также для увеличения чувствительности можно увеличивать толщину МЭ-материала, используемого в датчике. Рассмотрены основные требования к параметрам МЭ-ма- териалов, применяемых в диапазоне низких частот [54].

Для датчиков магнитного поля используются многослойные материалы в форме дисков диаметром 4—5 мм, толщиной 0,4—1 мм, состава феррит никеля — ZST, количество слоев от 14 до 22. Все ма-


Двухэлементный датчик постоянного магнитного поля с расширенным диапазоном измерения

Рис. 7.8. Двухэлементный датчик постоянного магнитного поля с расширенным диапазоном измерения:

7 — электроды МЭ-материала; 2 — подложка; 3 — МЭ-материал; 4 — подмагничива- ющая катушка; 5 — МЭ материал


териалы предварительно поляризованы. Чувствительность разработанных датчиков не менее 1 мВ/Э. Диапазон измеряемых магнитных полей датчика постоянного магнитного поля 1600 Э, переменного — 600 Э и двухэлементного датчика — 3600 Э.

Современные датчики магнитного поля обладают рядом недостатков.

  • 1. Нелинейность в сильных магнитных полях.
  • 2. Узкий динамический диапазон.
  • 3. Ограниченный диапазон рабочих температур.
  • 4. Необходимость подачи питающего напряжения применением полупроводниковых материалов.
  • 5. Наличие остаточных напряжений.
  • 6. Низкая стойкость к статическому электричеству и радиоактивным излучениям.

При применении МЭ-материалов при разработке датчиков магнитного поля многие из перечисленных недостатков будут устранены. Датчики магнитного поля на основе МЭ-материалов устойчивы при воздействии значительных уровней радиации, температурный диапазон от 0 °К до температуры Кюри магнитных материалов [11].

Датчики СВЧ мощности обладают рядом недостатков:

  • 1. Сложность конструкций.
  • 2. Большинство датчиков СВЧ-мощности невозможно создать на основе полосковых линий передачи.
  • 3. Ограниченный диапазон рабочих температур, что обусловлено применением полупроводниковых материалов.
  • 4. Необходимость подачи питающего напряжения.
  • 5. Наличие остаточных напряжений.
  • 6. Низкая стойкость к статическому электричеству, радиоактивным излучениям и механическим воздействиям.

При применении композиционного МЭ-материала для разработки датчиков СВЧ-мощности многие из перечисленных недостатков будут устранены. Датчики СВЧ-мощности на МЭ-матери- алах имеют широкий частотный диапазон от постоянного поля до десятков гигагерц, устойчивы при воздействии значительных уровней радиации, температурный диапазон от 0 °К до температуры Кюри используемых составляющих. Кроме того, возможна реализация в МЭ-датчиках квадратичной или линейной характеристики преобразования.

Одним из перспективных направлений совершенствования датчиков физических величин является использование МЭ-материалов, применение которых позволяет улучшить характеристики устройств, расширить их функциональные возможности, а в некоторых случаях создать датчики со свойствами, недостижимыми в других датчиках магнитного поля и СВЧ-мощности.

При применении в качестве рабочего материала датчика магнитного поля композиционного МЭ-материала многие из перечисленных недостатков будут устранены. Верхняя граница измеряемых магнитных полей будет определяться только механической прочностью материала. МЭ-датчики можно использовать при значительных уровнях магнитных полей, при низких температурах их чувствительность возрастает. При применении в СВЧ-диапазоне можно использовать селективные свойства МЭ-материалов, причем реально создание частотно избирательного датчика мощности с возможностью перестройки.

Анализ представленных работ показывает, что композиционные МЭ-материалы недостаточно изучены. На пути решения задачи создания датчиков магнитного поля и СВЧ-мощности на основе маг- нитоэлектриков стоит целый ряд проблем различного масштаба. По-видимому, главными из них являются проблемы синтеза высококачественных композиционных магнитоэлектрических материалов, разработка методик измерения основных параметров и проектирования датчиков на основе полученных данных.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >