RU188677U1 - Магнитоэлектрический сенсор магнитных полей - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники и, в частности, к устройствам измерения магнитных полей при помощи магнитоэлектрических материалов, которые содержат пьезоэлектрическую балку с магнитострикционным слоем. Сущность полезной модели заключается в том, что в качестве сенсора магнитного поля используется магнитоэлектрический композиционный материал, выполненный в форме плоского камертона на единой монокристаллической основе таким образом, чтобы приложение внешнего магнитного поля вызывало изгиб зубьев камертона в противоположных направлениях, а внешний акустический вибрационный шум вызывал бы изгиб зубьев камертона в одном направлении, и заряды, индуцируемые за счёт пьезоэлектрического эффекта на зубьях камертона складывались при воздействии на сенсор магнитного поля и вычитались при воздействии на сенсор внешнего акустического сигнала. Технический результат – повышение чувствительности структуры к магнитному полю. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Полезная модель относится к области измерительной техники и, в частности, к устройствам измерения магнитных полей при помощи магнитоэлектрических материалов, которые содержат пьезоэлектрическую балку с магнитострикционным слоем. Данное устройство может быть использовано для детектирования сверхслабых переменных и постоянных магнитных полей в промышленности, медицине, космической технике и в различных областях науки.

Среди возможных применений композитных магнитоэлектрических материалов одним из наиболее перспективных и близких к практической реализации является создание на основе таких материалов высокочувствительных сенсоров сверхслабых магнитных полей.

В настоящее время сверхслабые магнитные поля (до единиц фемтотесла, фТл) безальтернативно измеряются сверхпроводящими квантовыми интерферометрами (СКВИДами). Для функционирования СКВИДов требуются низкие (криогенные) температуры, составляющие несколько градусов Кельвина, что является существенным недостатком таких приборов. Вместе с тем, датчики на основе магнитоэлектрических композитов, для работы которых не требуется охлаждения, хотя по своей чувствительности и не являются полной альтернативой СКВИДам во всем диапазоне измерения малых магнитных полей, могут перекрыть значительную доля диапазона, доступную пока только СКВИДам. Датчики на основе магнитоэлектрических композитов имеют такие важные области применения, как измерение сверхслабых токов в живых организмах, в том числе в организме человека. Измерение сверхслабых токов позволит диагностировать нарушения в сердечно-сосудистой системе. Очень важны также бесконтактные измерения сверхслабых токов в маломощных устройствах и электронных схемах, измерения магнитных полей во многих отраслях промышленности и в исследовательских работах.

Известно, что при приложении магнитного поля к магнитоэлектрическому (МЭ) композиционному материалу за счет эффекта магнитострикции в магнитомягком слое возникает деформация, которая изгибает пьезоэлектрический материал, что приводит к возникновению разности потенциалов на обкладках структуры (C.-W. Nan, M.I. Bichurin, S. Dong, D. Viehland, and G. Srinivasan, "Multiferroic magnetoelectric composites: Historical perspective, status, and future directions," J. Appl. Phys., vol. 103, no. 3, pp. 031101-031135, 2008). Данный эффект позволяет эффективно преобразовывать магнитное поле в электрическое, что можно использовать для детектирования сверхслабых магнитных полей порядка пТл и суб-пТл.

Известно устройство (патент US 2015/0247904 А1, опубликован 03.09.2015), в котором МЭ сенсор исполнен в виде слоистой структуры плоского конденсатора, закрепленного в виде балки на основании из стеклотекстолита с помощью эпоксидного клея. В качестве магнитострикционного материала в устройстве использовали аморфный слой сплава FeCoSiB толщиной 2 мкм, осажденного при помощи магнетронного распыления на подложку кремния, который играл также роль изолирующего слоя. Далее, для придания материалу магнитной анизотропии структуру подвергали отжигу при температурах от 250°С до 350°С в приложенном внешнем магнитном поле. С обратной стороны подложки при помощи магнетронного распыления наносили пьезоэлектрический слой цирконата-титаната свинца (PZT) толщиной 5 мкм, на который затем осаждали металлический контакт. Пленку пьезоэлектрического материала поляризовали приложением внешнего электрического поля. Выводы выходного напряжения располагали со стороны пьезоэлектрического слоя.

Помещение описанного устройства в переменное магнитное поле вызывает деформацию магнитострикционного слоя, что приводит к изгибу кремниевой подложки изолятора, которая в свою очередь изгибает пьезоэлектрический слой. Наведенный на обкладках структуры за счет пьезоэлектрического эффекта некомпенсированный электрический заряд пропорционален величине магнитного поля. Максимальный МЭ отклик структуры составил 30 мВ/Э.

Недостатками этого устройства являются низкое значение МЭ отклика и невысокая чувствительность к магнитному полю, которая лимитируется внешними акустическими шумами. Кроме того, процесс создания магнитострикционного и пьезоэлектрического слоев требует проведения трудоемких и энергозатратных процессов осаждения, отжига, поляризации, что увеличивает время создания таких устройств и снижает воспроизводимость заданных параметров. Помимо этого, используемый в пьезоэлектрическом слое твердый раствор PZT содержит в своем составе токсичный свинец, что предъявляет повышенные требования к безопасности при изготовлении, использовании и утилизации устройства.

Известно также устройство (патент RU 184785 U1, опубликован 31.07.2018), которое состоит из пьезоэлектрических волокон на основе керамики манганата-ниобата-титаната свинца (PMN-PT), заключенных в полимерную матрицу, покрытую с двух сторон полиимидной пленкой с встречно-штыревыми электродами. Магнитострикционные слои, изготовленные из волокон аморфного металлического сплава FeBSi, наносятся с двух сторон поверх встречно-штыревых электродов и изолируются от них непроводящей пленкой.

При помещении данного устройства в некоторое переменное магнитное поле в структуре возникает деформация за счет магнитострикции в магнитном слое. За счет механической связи между магнитострикционными и пьезоэлектрическими волокнами, реализуемой через гибкую полиимидную пленку и тонкий изолирующий слой, возникающие механические деформации передаются пьезоэлектрическим волокнам, что приводит к возникновению разности потенциалов на контактных площадках встречно-штыревых электродов за счет прямого пьезоэлектрического эффекта. Для достижения наилучшей чувствительности устройство помещается в некоторое постоянное магнитное поле смещения для достижения насыщения магнитострикции в магнитном слое.

К существенным недостаткам такой конструкции относится использование в устройстве полиимидной пленки, которая рассеивает на себе значительную часть энергии механических деформаций магнитострикционного слоя, что существенно снижает МЭ отклик. Кроме того, используемый в пьезоэлектрическом слое твердый раствор PMN-PT содержит в своем составе токсичный свинец, что предъявляет повышенные требования к безопасности при изготовлении, использовании и утилизации устройства.

Наиболее близким по техническому решению является магнитоэлектрический сенсор магнитного поля с компенсацией вибраций (патент US 9,810,749 В2, опубликован 07.11.2017), который состоит из нескольких отдельных МЭ структур в виде кантилеверов, симметрично закрепленных с помощью эпоксидного клея относительно держателя в некотором удерживающем корпусе. МЭ структуры расположены попарно друг напротив друга, причем нижние стороны разделены расстоянием, определяемым толщиной держателя, а длинные оси всех структур сонаправленны. Каждая отдельная МЭ структура представляет собой кремниевую подложку, на одну из сторон которой нанесен слой магнитострикционного материала (в устройстве использовали аморфный сплав FeCoSiB), а на другую - слой пьезоэлектрика (в данном случае PZT).

При приложении к устройству периодически изменяющегося во времени магнитного поля МЭ структуры изгибаются навстречу друг другу при действии поля в одном направлении и в противоположных направлениях при обратном направлении поля. Изгиб приводит к деформации пьезоэлектрического материала и появлению разности потенциалов на электрических контактах структуры. Внешний вибрационный шум, напротив, всегда вызывает изгиб балок в одном и том же направлении. Таким образом, вибрационный и магнитоэлектрический отклики от пары симметричных МЭ структур отличаются по фазе, что позволяет эффективно разделять эти две составляющие и осуществлять частичную компенсацию вибрационного шума.

Недостатком этого устройства является использование двух отдельных МЭ структур, согласованных по физическим параметрам для эффективного подавления вибрационного шума. В частности, высокие требования предъявляются к идентичности размеров, массы, электромеханических и магнитомеханических характеристик функциональных слоев, качества закрепления в держателе. В связи с необходимостью применения нескольких технологических процессов при изготовлении структур, точный контроль согласования пары МЭ кантилеверов по указанным параметрам затруднителен. Кроме того, используемый в пьезоэлектрическом слое твердый раствор PZT содержит в своем составе токсичный свинец, что предъявляет повышенные требования к безопасности при изготовлении, использовании и утилизации устройства.

Техническим результатом предложенной полезной модели является компенсация акустических шумов и повышение чувствительности структуры к магнитному полю путем создания магнитоэлектрической структуры, выполненной на подложке из единого монокристалла в форме плоского камертона.

Технический результат достигается тем, что магнитоэлектрический сенсор магнитных полей содержит монокристаллическую основу, имеющую форму плоского камертона, нерабочая сторона которого жестко зафиксирована в держателе, на верхнюю часть одного зубца и на нижнюю часть другого зубца камертона нанесены магнитострикционные слои, являющиеся первыми электродами, при этом на каждом из зубцов зеркально симметрично магнитострикционным слоям относительно средней плоскости зубца расположены пьезоэлектрические слои, с внешней стороны которых нанесены вторые электроды, причем первые и вторые электроды гальванически соединены с возможностью дифференциального вычитания электрических сигналов, наведенных акустическим шумом и сложения электрических сигналов, наведенных измеряемым магнитным полем.

В качестве монокристаллической основы используют монокристалл пьезоэлектрического материала, а пьезоэлектрический слой реализован на каждом из зубьев в виде биморфной структуры, полученной в результате склеивания, спекания или тонкопленочного напыления.

В качестве пьезоэлектрическкого материала использован сегнетоэлектрический монокристалл ниобата лития, а биморфная структура в зубьях представляет собой два плоских сегнетоэлектрических макродомена одинаковой площади с векторами спонтанной поляризации, направленными антипараллельно.

В качестве пьезоэлектрическкого материала использованы сегнетоэлектрический монокристалл ниобат лития или танталат лития, а биморфная структура в зубьях представляет собой два плоских сегнетоэлектрических макродомена одинаковой площади с векторами спонтанной поляризации, направленными антипараллельно.

Послойная схема магнитоэлектрического сенсора магнитных полей в форме камертона представлена на фиг. 1. На фиг. 2 представлена эквивалентная электрическая схема магнитоэлектрического сенсора магнитных полей в форме камертона. Прототип магнитоэлектрического сенсора магнитных полей в форме камертона представлен фиг. 3. Результат измерения чувствительности к магнитному полю прототипа и одного из зубцов магнитоэлектрического сенсора представлена на фиг. 4.

Магнитоэлектрический сенсор магнитных полей содержит монокристаллическую основу 1, первые электроды 2 и 3, вторые электроды 4 и 5, выводы 6. Также показан прототип сенсора 7, закрепленного в держателе 8.

Конструкция сенсора выполнена из композитного магнитоэлектрического материала в форме плоского камертона, нерабочая сторона которого жестко зафиксирована. Основа 1, из которой выполняется камертонная конструкция, вырезается из единой монокристаллической пластины в форме прямоугольника, который затем прорезают посередине на расстоянии, несколько меньшем длинной стороны прямоугольника, формируя таким образом два отдельных зубца камертона. Зубцы изготовленного таким образом плоского камертона имеют одинаковые длину, ширину, толщину и условия закрепления на нерабочей стороне кристалла, благодаря чему очень хорошо согласованы между собой по резонансным частотам и добротности. На каждый из зубцов наносят магнитострикционный материал, причем на одном из зубцов слой расположен сверху относительно плоскости монокристаллической основы, а на другом -снизу относительно плоскости монокристаллической основы. Оба магнитострикционных слоя представляют собой отдельные электроды. С обратной по отношению к монокристаллической основе стороны каждого из зубцов наносят пьезоэлектрический материал, на который поверх наносят тонкопленочные металлические электроды. Полезный сигнал снимается с двух контактных площадок на нерабочей стороне плоского камертона, которые представляют собой выводы, попарно гальванически связанные электродами. Сенсор магнитного поля закрепляется за нерабочую сторону в жестком держателе, предпочтительно изолированном от внешних механических вибраций; съем полезного сигнала осуществляют с контактных площадок посредством тонких металлических проводов или прижимных контактов.

В качестве монокристаллической основы может использоваться непьезоэлектрический материал или пьезоэлектрический материал. В последнем случае нанесение дополнительного слоя пьезоэлектрического материала не требуется, магнитострикционные слои 2, 3 и электроды 4, 5 наносят сразу на пьезоэлектрическую монокристаллическую основу, как это описано выше.

Для увеличения чувствительности сенсора магнитного поля пьезоэлектрический слой на каждом из зубьев плоского камертона может представлять собой биморф, содержащий два равных объема сегнетоэлектрического материала, имеющих встречные направления спонтанной электрической поляризации. Биморф может быть получен склеиванием, спеканием или представлять собой единый монокристалл со сформированной в объеме встречно-поляризованной сегнетоэлектрической бидоменной структурой.

Наибольшая чувствительность к магнитному полю достигается в случае, когда в качестве монокристаллической основы для плоского камертона и одновременно пьезоэлектрического слоя используется сегнетоэлектрический монокристалл с биморфной структурой, представляющей собой сегнетоэлектрическую бидоменную структуру с антипараллельно направленными векторами спонтанной поляризации, вырезанный таким образом, чтобы магнитоэлектрический эффект в направлении длины зубца был максимален.

Принцип работы сенсора магнитного поля можно описать следующим образом: при нахождении во внешнем магнитном поле за счет магнитострикционного эффекта происходит расширение или сжатие магнитострикционных слоев, приводящее к изгибу каждого из зубьев плоского камертона в противоположных направлениях. Изгиб приводит к деформации пьезоэлектрического материала и появлению разности потенциалов на электрических контактах структуры, причем за счет гальванического соединения электродов 2-3 и 4-5 количество индуцированных на них зарядов складывается. В случае воздействия на сенсор внешнего вибрационного шума изгиб зубьев плоского камертона происходит в одном и том же направлении, и наведенные на поверхности пьезоэлектрика положительные и отрицательные заряды компенсируются благодаря соединению электродов двух зубьев "накрест". Таким образом, реализуется дифференциальная схема, в которой вибрационное воздействие приводит к возникновению на зубьях синфазного сигнала, а магнитное поле - противофазного, причем предлагаемое соединение электродов зубьев позволяет ослабить синфазный сигнал и повысить отношение сигнал-шум.

Главное отличие от других предложенных технических решений, использующих дифференциальную схему, состоит в том, что в настоящем сенсоре магнитного поля в качестве основы для магнитострикционного и пьезоэлектрического слоев использован единый монокристалл, вырезанный в форм-факторе плоского камертона. Благодаря использованному решению достигается высокий уровень согласования механических характеристик между соседними зубьями, минимальные потери механической энергии при взаимодействии зубьев, а также максимально возможная добротность каждого отдельного зубца, практически не зависящая от качества закрепления во внешнем держателе самого камертона. Такая конструкция позволяет достигнуть высокой воспроизводимости характеристик МЭ сенсора при производстве, упрощает процесс создания МЭ структур, что приводит к эффективной компенсации тепловых, акустических шумов и увеличению чувствительности сенсора к магнитному полю.

Экспериментально показано, что прототип сенсора магнитного поля продемонстрировал увеличение чувствительности к магнитному полю по сравнению с чувствительностью одного из зубцов образца, в котором не происходит компенсации тепловых и акустических шумов (фиг. 4). В прототипе устройства в качестве монокристаллической основы была использована прямоугольная пластина ниобата лития (LiNbCb) кристаллографического среза у+128° в которой посередине короткой стороны был проведен продольный разрез на расстояние 90% длины вдоль длинной стороны. В качестве магнитострикционного слоя в прототипе сенсора магнитного поля был использован аморфный магнитомягкий сплав Metglas®, который закрепляли на монокристаллической основе с помощью тонкого слоя эпоксидного клея. В качестве пьезоэлектрического слоя был использован материал монокристаллической основы, в каждом из зубцов которого была сформирована сегнетоэлектрическая бидоменная структура. Для электродов 4 и 5 использовали тонкопленочный тантал, который наносили методом магнетронного распыления мишени.

График чувствительности к магнитному полю прототипа и одного из зубцов МЭ структуры приведен на фиг. 4. Измерения проводились в соответствие с методикой, приведенной в работе (Turutin, A.V.; Vidal, J.V.; Kubasov, I.V., et al. Magnetoelectric metglas/bidomain у + 140°-cut lithium niobate composite for sensing fT magnetic fields. Appl. Phys. Lett. 2018,112,262906, doi: 10.1063/1.5038014).

Сущность полезной модели заключается в том, что в качестве сенсора магнитного поля используется магнитоэлектрический композиционный материал, выполненный в форме плоского камертона на единой монокристаллической основе таким образом, чтобы приложение внешнего магнитного поля вызывало изгиб зубьев камертона в противоположных направлениях, а внешний акустический вибрационный шум вызывал бы изгиб зубьев камертона в одном направлении, и заряды, индуцируемые пьезоэлектрическим эффектом на зубьях камертона и являющиеся полезным выходным сигналом, складывались при воздействии на кристалл магнитного поля и вычитались при воздействии на кристалл внешнего акустического вибрационного шума. Сущность полезной модели поясняется на фиг. 1 и фиг. 2.

Сенсор магнитного поля содержит: монокристаллическую подложку 1, вырезанную в форме плоского камертона; магнитострикционный материал 2 и 3; металлические электроды 4 и 5; выводы 6 выходного напряжения магнитоэлектрического датчика.

Реализация предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.

Пьезоэлектрическая балка в форме камертона 1 вырезана из монокристаллического бидоменного ниобата лития у+128°-среза со следующими размерами: длина камертона составляет 45 мм, ширина 4.5 мм, длина каждого зубца составляет 40 мм, а ширина 2 мм, зазор между зубцами составляет 0.5 мм. На каждый из зубцов ассиметрично нанесены магнитострикционный материал 2, 3 и электроды 4, 5. В качестве электродов был выбран материал тантал. Тантал был нанесен при помощи магнетронного распыления мишени. Толщина металлических электродов 4 и 5 составила 200 нм. В качестве магнитострикционного материала 2 и 3 использовался металлический аморфный материал (Metglas®) толщиной 29 мкм. Метглас наносился на бидоменный ниобат лития при помощи эпоксидного клея. Выводы 6 выходного напряжение выполнялись в виде прижимных контактов к композиционному материалу сенсора. Прототип сенсора 7, закрепленного в держателе 8, представлен на фиг. 3. При помещении структуры в переменное магнитное поле магнитострикционный материал 4 и 5 изгибает каждый из зубцов балки в форме камертона 1 в противоположные стороны относительно друг друга. Изгиб приводит к деформации пьезоэлектрического материала 1 и появлению разности потенциалов на электрических контактах 2, 3 и 4, 5 структуры, причем за счет гальванического соединения электродов 2-3 и 4-5 количество индуцированных на них зарядов складывается. Эквивалентная схема гальванического соединения электродов зубцов балки приведена на фиг. 2. На эквивалентной схеме каждый из зубцов МЭ структуры представлен в виде источника напряжения (VME1 и VME2). В случае воздействия на сенсор внешнего вибрационного шума изгиб зубьев плоского камертона происходит в одном и том же направлении, и наведенные на поверхности пьезоэлектрика положительные и отрицательные заряды компенсируются благодаря соединению электродов 2-3 и 4-5 двух зубьев "накрест". Разность потенциалов пропорциональна магнитному полю, в которое помещена МЭ структура.

Экспериментально установлено, что данный прототип уменьшает влияние тепловых и акустических шумов и увеличивает чувствительность детектирования внешнего магнитного поля по сравнению с чувствительностью одного из зубцов образца, в котором не происходит компенсации тепловых и акустических шумов, в 7 раз.

Claims (4)

1. Магнитоэлектрический сенсор магнитных полей, включающий монокристаллическую основу, имеющую форму плоского камертона, нерабочая сторона которого жестко зафиксирована в держателе, на верхнюю часть одного зубца и на нижнюю часть другого зубца камертона нанесены магнитострикционные слои, являющиеся первыми электродами, при этом на каждом из зубцов зеркально симметрично магнитострикционным слоям относительно средней плоскости зубца расположены пьезоэлектрические слои, с внешней стороны которых нанесены вторые электроды, причем первые и вторые электроды гальванически соединены с возможностью дифференциального вычитания электрических сигналов, наведенных акустическим шумом и сложения электрических сигналов, наведенных измеряемым магнитным полем.

2. Сенсор по п. 1, в котором в качестве монокристаллической основы используют монокристалл пьезоэлектрического материала, а пьезоэлектрический слой реализован на каждом из зубьев в виде биморфной структуры, полученной в результате склеивания, спекания или тонкопленочного напыления.

3. Сенсор по п. 2, в котором в качестве пьезоэлектрическкого материала использован сегнетоэлектрический монокристалл ниобата лития, а биморфная структура в зубьях представляет собой два плоских сегнетоэлектрических макродомена одинаковой площади с векторами спонтанной поляризации, направленными антипараллельно.

4. Сенсор по п. 3, в котором в качестве пьезоэлектрическкого материала использованы сегнетоэлектрический монокристалл танталата лития, а биморфная структура в зубьях представляет собой два плоских сегнетоэлектрических макродомена одинаковой площади с векторами спонтанной поляризации, направленными антипараллельно.

Images