Сенсоры на магнитоэлектрических (МЭ) материалах предназначены для работы в цепях постоянного и переменного тока и фиксируют наличие переменного электромагнитного поля и постоянного магнитного поля [1-6]. Достаточно широкое распространение аналогов МЭ-датчиков, таких как датчики Холла, индукционные катушки, в том числе двойные индукционные катушки (катушки Гельмгольца), SQUID сенсоры (Superconducting Quantum Interference Device - «сверхпроводящий квантовый интерферометр») - сверхчувствительные магнитометры, используемые для измерения очень слабых магнитных полей, феррозонды, магнитотранзисторы, магнитодиоды, магниторезисторы, магнитооптические и волоконно-оптические системы и др. Сравнительные характеристики сенсоров приведены в табл. 1. Датчики могут найти широкое применение в медицинской технике в качестве измерителей магнитных полей человека и живых существ для измерения магнитобиологических реакций, электрических сигналов сердца, поиска ферромагнитных включений, сигналов скелетных мышц, глаз, фоновой и вызванной активности мозга, клетчатки глаза, также возможно применение МЭ-датчиков для магнитной томографии. В охранных системах МЭ-датчики могут быть использованы как датчики движения, в металлоискателях. Для автомобилестроения - в системах АБС, системах управления двигателем. В робототехнике - контроль угловых и линейных перемещений. В измерительной технике - для производства магнитометров, приборов для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств материалов. В зависимости от определяемой величины возможно применение для измерения: напряжённости поля (эрстедметры), направления поля (инклинаторы и деклинаторы), градиента поля (градиентометры), магнитной индукции (тесламетры), магнитного потока (веберметры, или флюксметры), коэрцитивной силы (коэрцитиметры), магнитной проницаемости (мю-метры), магнитной восприимчивости (каппа-метры), магнитного момента. В устройствах автоматики и электроники - как бесконтактные датчики тока. Возможно применение в таких сферах, как геология, при поиске полезных ископаемых; в археологии, при археологических раскопках; в астрофизике, при исследовании орбит планет; в навигации на море, космосе и авиации; в сейсмологии (предсказании землетрясений). Цель данной работы - это исследование характеристик магнитоэлектрических сенсоров на основе пьезокерамики ЦТС и метгласа для определения возможности разработки на их основе магнитометров.
Таблица 1 - Сравнение магнитных датчиков
Конструкция МЭ-датчика
Конструированию МЭ-датчиков и изучению материалов для них посвящено большое количество работ зарубежных авторов, в том числе [7; 8], что свидетельствует о большой актуальности темы и востребованности этих устройств.
Рассмотрим конструкцию МЭ-датчика. Конструкция представляет собой структуру, состоящую из тонкой пластины пьезокерамики ЦТС (0.9[Pb(Zr0.52Ti0.48)O3]-0.1[Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 +3 mol%MnO2) и двух металлических магнитострикционных обкладок из аморфного магнито-мягкого сплава на основе железа - метглас (FeBSiC), рис. 1. Слоёв метгласа может быть в одной обкладке не один, а несколько, в зависимости от необходимой чувствительности.
Рисунок 1. Конструкция МЭ-датчика: 1 - ЦТС; 2 - метглас; 3 - МЭ-датчик; 4 - составной МЭ-датчик.
Обкладки метгласа соединялись с ЦТС посредством клеевого соединения. Клей подбирался из соображений технологичности и надёжности. Оптимальным клеем являлся эпоксидный двухкомпонентный быстросохнущий клей. Толщина клеевого соединения должна по возможности стремиться к минимуму и не превышать нескольких микрон. Толщина клея определяется в основном технологией склеивания. Хорошие результаты показывает технология прессования.
Измерительный комплекс
Для измерений магнитоэлектрического коэффициента использовалась установка, которая включала в себя катушки Гельмгольца для создания переменного и постоянного магнитного полей, генератор низкочастотных колебаний, двухлучевой осциллограф, источник постоянного тока, гауссметр. Катушки Гельмгольца создавали переменное магнитное поле величиной до 10 Э и постоянное магнитное поле - до 100 Э. Для создания постоянных сильных магнитных полей также использовался электромагнит и постоянные магниты. Датчик помещался в центр между катушками. Результаты измерений регистрировались на осциллографе. Данные измерений приведены ниже.
Измерения
В результате проведённых измерений получены данные, приведённые на рис. 2-5. Исследовался датчик с размерами ЦТС 20х5х0,5 мм, размеры обкладок метгласа 20х5х0,02 мм. Количество слоёв метгласа N варьировалось от 1 до 8 шт., по 4 слоя метгласа на каждую обкладку максимум. На рис. 2 приведены данные зависимости магнитоэлектрического коэффициента αE от количества слоёв метгласа в обкладках датчика. Увеличение количества слоёв приводит к росту коэффициента αE, стремясь к насыщению уже при шести слоях, после седьмого слоя прирост уже не значителен. Максимальный коэффициент при восьми слоях метгласа достигал 0,54 В×см-1×Э-1. Рисунок 3 показывает зависимость αЕ в широком диапазоне частот от 20 Гц до 200 кГц для датчика, содержащего по три слоя метгласа в одной обкладке с каждой стороны. Зависимость носит нелинейный характер. На 20 Гц коэффициент αE имел величину 0,16 В×см-1×Э-1, постепенно увеличиваясь и достигая локального максимума на частотах 200-400 Гц в размере 0,46 В×см-1×Э-1, затем убывая до величины 0,16 В×см-1×Э-1 на частоте 2500 Гц и менее, до 0,04 В×см-1×Э-1 на частоте 16 кГц. Понижение коэффициента на низких частотах обусловлено чувствительностью измерительной аппаратуры. На частоте 88,22 кГц имеется второй максимум αE, который обусловлен размерным резонансом в пластине пьезоэлектрика. Пик достигал значения 3,9 В×см-1×Э-1, превышая значение нерезонансного коэффициента в окрестности максимума в сто раз. Добротность, рассчитанная по формуле
, (1)
где f0 - резонансная частота, f1 и f2 - частоты, рассчитанные по уровню резонансного напряжения 0.7, даёт значение 550.
Рисунок 2. Зависимость aЕ от количества слоёв метгласа.
Рисунок 3. Зависимость αЕ от частоты.
Измерения показали, что при изменении величины переменного магнитного поля изменения коэффициента αЕ не происходит. Рис. 4 демонстрирует зависимость αЕ от величины постоянного магнитного поля. Для датчика с размерами ЦТС 20х5х0,5 мм, размерами обкладок метгласа 20х5х0,02 мм, количеством слоёв метгласа три на каждую обкладку зависимость имела следующий характер: нулевая чувствительность датчика соответствовала нулевому полю, далее коэффициент αЕ практически линейно повышался при увеличении величины постоянного магнитного поля и достигал 0,46 В×см-1×Э-1 при подмагничивающем поле около 25 Э. В дальнейшем кривая имеет нелинейное снижение, достигая при подмагничивающем поле 200 Э величины 0,04 В×см-1×Э-1.
Рисунок 4. Зависимость αЕ от величины постоянного магнитного поля.
Значительно увеличить чувствительность датчиков можно, соединяя их последовательно в одну цепь, как показано на рис. 1 для составного МЭ-датчика.
На рис. 5. показана зависимость αЕ от количества элементов в датчике. Использовались датчики с размерами ЦТС 20х5х0,5 мм, размерами обкладок метгласа 20х5х0,02 мм, количеством слоёв метгласа четыре на каждую обкладку. Прямого суммирования напряжения на выходе системы не происходит, как это видно на рис. 5. Максимально достижимый коэффициент αЕ достигал 1,28 В×см-1×Э-1. Это объясняется фазовым сдвигом, равным 45° на каждый элемент составного датчика. Тем не менее с помощью данной схемы удаётся повысить чувствительность прибора практически в два с половиной раза.
Рисунок 5. Зависимость αЕ от количества элементов в датчике.
Повышение чувствительности МЭ-сенсоров возможно также применением материалов, имеющих лучшие характеристики, например: используя материалы с большей величиной пьезоэлектрического коэффициента и большей величиной коэффициента магнитострикции, варьируя толщину слоёв и форму сенсора, используя новейшие технологические приёмы производства, уменьшая шумы сенсора, подбирая необходимые режимы работы, проводя точный теоретический расчёт. Усиливая сигналы сенсора и проводя обработку сигнала, также удаётся получить требуемый параметр чувствительности. Расчётные параметры датчиков, проведённые согласно методикам [9] для низкочастотного МЭ-эффекта и [10] для МЭ-эффекта на резонансе, с хорошей точностью подтверждают полученные результаты.
Заключение
Сенсоры на основе МЭ-материалов могут найти широкое применение в научных, медицинских и промышленных приборах. Изученные сенсоры позволяют анализировать постоянные и переменные магнитные поля с высокой чувствительностью. Эксперименты поведённые с МЭ-сенсорами, убедительно доказали возможность создания и применения. На частоте 200 Гц коэффициент αЕ достигал 0,46 В×см-1×Э-1, на частоте 88,22 кГц на частоте резонанса αЕ достигал значения 3,9 В×см-1×Э-1, для составного датчика коэффициент αЕ достигал величины 1,28 В×см-1×Э-1 на частоте 200 Гц. Исследованные характеристики магнитоэлектрических сенсоров на основе пьезокерамики ЦТС и метгласа позволяют утверждать, что на их основе возможно построение современных высокочувствительных магнитометров.
Рецензенты:
- Захаров А.Ю., д.ф.-м.н., профессор, ФГБОУ ВПО «Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого», г. Великий Новгород.
- Корнышев Н.П., д.т.н., ведущий научный сотрудник, НИИ ПТ «РАСТР», г. Великий Новгород.