Преобразователь напряжения на основе обратного магнитоэлектрического эффекта

А.В. Калгин, докторант, С.А. Гриднев, З.Х. Граби, И.И. Попов, студент гр. ТФ-121

Кафедра физики твердого тела

Развивающаяся быстрыми темпами современная электронная техника требует создания и исследования материалов с комплексом необычных физических свойств. Такими материалами, в частности, являются композиты ферромагнетик-пьезоэлектрик благодаря возможности изменения в них поляризации под действием магнитного поля (прямой магнитоэлектрический эффект) и намагниченности посредством электрического поля (обратный магнитоэлектрический эффект). Вследствие этого композиты ферромагнетик-пьезоэлектрик имеют заманчивые перспективы практического применения в новом поколении устройств функциональной электроники, позволяющих управлять магнитными характеристиками электрическим полем и электрическими характеристиками магнитным полем, а изучение в них магнитоэлектрического (МЭ) эффекта представляет собой актуальную физическую задачу.

В настоящей работе изучен обратный МЭ эффект в двухслойных композитах Tb_0,12Dy_0,2Fe_0,68 – Pb(Zr_0,53Ti_0,47)O₃ (TDF – PZT) с различной толщиной ферромагнитного слоя TDF. Для этого к обкладкам пьезоэлектрического слоя PZT с размерами 8 х 6 х 0,3 мм³ каждого композита прикладывалось переменное электрическое напряжение U_вх. от 0,5 до 8 В частотой f, изменяющейся в интервале 20-350 кГц. В результате обратного пьезоэффекта это вызывало деформацию слоя PZT, которая из-за механической связи между слоями PZT и TDF передавалась слою TDF с размерами 6 х 6 х А мм³ (А = 0,3; 0,6; 0,9; 1,2 и 1,5 мм) и приводила вследствие магнитоупругого эффекта к изменению намагниченности композита. Состояние намагниченности композита обнаруживалось путем измерения амплитуды напряжения U_вых., индуцируемого в катушке индуктивности с числом витков 200, внутрь которой помещался образец композита (рис. 1).

Рис. 1. Схематическое изображение образца композита TDF – PZT с намотанной вокруг него катушкой индуктивности. Стрелками показано направление намагниченности M и поляризации P	Рис. 2. Зависимости Uвых. от Uвх. для образцов композитов с разной толщиной TDF, мм: 0,3 (1), 0,6 (2), 0,9 (3), 1,2 (4) и 1,5 (5)

Зависимости U_вых. от U_вх. при постоянном магнитном поле напряженностью 655 Э и на резонансной частоте первой гармоники продольных колебаний по длине образца для композитов TDF – PZT представлены на рис. 2. Видно, что зависимости U_вых.(U_вх.) являются близкими к линейным.

Структуру, показанную на рис. 1, можно использовать как преобразователь напряжения с коэффициентом трансформации η = U_вых./U_вх., обладающий в отличие от обычного трансформатора, всего одной обмоткой, что позволяет существенно упростить конструкцию и уменьшить габариты устройства.

Оценка η для композита 0,9 TDF – 0,3 PZT, слой TDF которого имеет толщину А = 0,9 мм, при U_вх. = 8 В и U_вых. = 26 мВ, измеренном в постоянном магнитном поле напряженностью 655 Э и на резонансной частоте образца 124,4 кГц, а также с учетом пьезоэлектрического d₃₁ = 150 ∙ 10^-12 м/В и пьезомагнитного q₁₁ = 3,89 ∙ 10^-9 м/А модулей композита, дает значение 0,003.

Поскольку толщина образца композита 0,9 TDF – 0,3 PZT (0,0012 м) много меньше длины звуковой волны (~ 0,03 м), то композит можно считать гомогенной средой и для обсуждения полученного результата можно использовать метод эффективных параметров гетерогенной среды. В соответствии с этим методом изученные композиты можно характеризовать некоторыми эффективными параметрами, а коэффициент трансформации для них при поперечной ориентации намагниченности и поляризации находится по формуле

(1)

где N − число витков катушки; L и W − длина и ширина образца композита соответственно; d₃₁ и q₁₁ − пьезоэлектрический и пьезомагнитный модули; – эффективная плотность композита TDF – PZT; ρ_E, ρ_TDF и ρ_PZT – плотности эпоксидного клея, ферромагнетика TDF и пьезоэлектрика PZT соответственно; V_E = m_E /(m_TDF + m_E), V_TDF = m_TDF /(m_TDF + m_E) и V_PZT = h_PZT/(h_TDF + h_PZT) – соответственно объемное содержание эпоксидного клея, ферромагнитного порошка TDF и пьезокерамики PZT в композите TDF – PZT; m_E – масса эпоксидного клея; m_TDF – масса ферромагнитного порошка TDF, h_TDF – толщина ферромагнитного слоя образца и h_PZT – толщина пьезоэлектрического слоя образца.

В формуле (1) параметр <s₁₁> – эффективная упругая податливость композита TDF – PZT, рассчитываемая по формуле

(2)

(3)

где − эффективная упругая податливость ферромагнитного порошка с эпоксидным клеем, − упругая податливость эпоксидного клея, − упругая податливость ферромагнетика TDF, − упругая податливость пьезоэлектрика PZT и V_E/_TDF − объемное содержание ферромагнитного порошка с эпоксидным клеем в композите TDF – PZT.

Используя формулы (1), (2) и (3), а также экспериментальные данные ρ_E = 1200 кг/м³, ρ_TDF = 4000 кг/м³, ρ_PZT = 7100 кг/м³, m_E = 0,36 г, m_TDF = 1,66 г, h_TDF = 0,9 мм, h_PZT = 0,3 мм, f = 124,4 кГц, N = 200, W = 6 мм, L = 8 мм (за длину образца бралась длина слоя PZT), d₃₁ = 150 ∙ 10^-12 м/В, q₁₁ = 0,3 ∙ 10^-9 м/А, = 20 ∙ 10^-12 м²/Н, = 78 ∙ 10^-12 м²/Н и = 15 ∙ 10^-12 м²/Н, получим η ≈ 0,001 по порядку величины совпадающий с экспериментально определенным η = 0,003, что свидетельствует о возможности использования метода эффективных параметров гетерогенной среды в условиях данного эксперимента.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 13-02-00663) и Российского научного фонда (проект № 14-12-00583).

УДК 538.95