RU2464586C2

RU2464586C2 - Passive alternating magnetic field sensor

Info

Publication number: RU2464586C2
Application number: RU2010103865/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Ионов (RU); Александр Сергеевич Ионов; Мирза Имамович Бичурин (RU); Мирза Имамович Бичурин; Юрий Жанович Пукинский (RU); Юрий Жанович Пукинский; Сергей Николаевич Иванов (RU); Сергей Николаевич Иванов
Original assignee: Открытое акционерное общество "ОКБ-Планета" (ОАО "ОКБ-Планета")
Priority date: 2010-02-04
Filing date: 2010-02-04
Publication date: 2012-10-20
Also published as: RU2010103865A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: passive alternating magnetic field sensor has a substrate and at least one magnetosensitive element made from multilayer or volumetric magnetoelectric composite material containing magnetostrictive and piezoelectric phases, on which current-conducting linings are deposited. The sensor also has a permanent magnet whose magnetic field vector is codirectional with the polarisation vector of the piezoelectric phase of the magnetosensitive element. Increase in sensitivity and widening of the range of measured magnetic field values is carried out by achieving maximum magnetoelectric effect in the detecting element of the passive alternating magnetic field sensor.

EFFECT: design of an alternating magnetic field sensor which does not require additional power, high sensitivity and wider range of measured alternating magnetic fields.

2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для преобразования переменного магнитного поля в электрическое напряжение в составе измерительной аппаратуры и в различных системах автоматического управления, а также в качестве питающего элемента.The invention relates to measuring equipment and can be used to convert an alternating magnetic field into electric voltage as part of measuring equipment and in various automatic control systems, as well as as a power element.

Известны устройства для измерения магнитной индукции, например датчики, использующие эффект Холла. Конструктивно они представляют собой полупроводниковую пластину прямоугольной формы. Под действием тока I и магнитной индукции В, векторы которых взаимно перпендикулярны, на обкладках датчика возникает измерительное напряжение U_H. Величина этого напряжения зависит от геометрии (длины L и толщины D) датчика, тока I, коэффициента Холла R_H и магнитной индукции В:Known devices for measuring magnetic induction, for example, sensors using the Hall effect. Structurally, they are a rectangular semiconductor wafer. Under the action of current I and magnetic induction B, the vectors of which are mutually perpendicular, a measuring voltage U _H arises on the sensor plates. The magnitude of this voltage depends on the geometry (length L and thickness D) of the sensor, current I, Hall coefficient R _H and magnetic induction B:

Материалами для изготовления датчика Холла, как правило, служат полупроводниковые материалы: кремний, арсенид индия (InAs), антимонид индия (InSb) и др.Semiconductor materials, as a rule, are materials for the manufacture of a Hall sensor: silicon, indium arsenide (InAs), indium antimonide (InSb), etc.

Недостатком таких устройств является низкая чувствительность и низкая точность измерений, особенно в области малых значений индукции, так как при этом необходимо в значительной степени увеличивать протекающий ток, а также недостаточный диапазон измерения магнитных полей. Кроме того, датчики Холла являются активными элементами и всегда требуют для своей работы дополнительное питание из-за особенностей применения в них полупроводниковых материалов.The disadvantage of such devices is the low sensitivity and low accuracy of measurements, especially in the region of small values of induction, since it is necessary to significantly increase the flowing current, as well as an insufficient range of measurement of magnetic fields. In addition, Hall sensors are active elements and always require additional power for their work due to the peculiarities of using semiconductor materials in them.

Известен магнитоэлектрический (МЭ) материал, который, благодаря наличию в нем магнитоэлектрического эффекта, позволяет преобразовывать переменное магнитное поле в электрическое напряжение без дополнительных затрат энергии. Такие МЭ материалы могут применяться в датчиках магнитного поля.Known magnetoelectric (ME) material, which, due to the presence of a magnetoelectric effect in it, allows you to convert an alternating magnetic field into electrical voltage without additional energy costs. Such ME materials can be used in magnetic field sensors.

Прототипом предлагаемого изобретения является магнитоэлектрический датчик постоянного магнитного поля (Патент №2244318 МПК: G01R 33/02 - Датчик постоянного магнитного поля), содержащий два МЭ чувствительных элемента, на торцы которых нанесены токопроводящие обкладки. МЭ элементы выполнены из многослойного или объемного композиционного МЭ материала состава феррит - пьезокерамика с различным процентным содержанием пьезокерамики.The prototype of the invention is a magnetoelectric constant magnetic field sensor (Patent No. 2244318 IPC: G01R 33/02 - Permanent magnetic field sensor) containing two ME sensitive elements, on the ends of which are applied conductive plates. ME elements are made of a multilayer or bulk composite ME material of the composition ferrite - piezoceramics with various percentages of piezoceramics.

Основные недостатки такого датчика - невозможность измерений переменных магнитных полей и необходимость дополнительного питания для работы.The main disadvantages of such a sensor are the impossibility of measuring alternating magnetic fields and the need for additional power for operation.

В зависимости от применения датчика токопроводящие обкладки могут располагаться на разных сторонах магниточувствительного элемента [Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапока Е.В. Пьезоэлектрические датчики. - М.: Изд-во «Техносфера», 2006, с.108, 208].Depending on the application of the sensor, the conductive plates may be located on different sides of the magnetically sensitive element [Sharapov V.M., Musienko M.P., Sharapoka E.V. Piezoelectric sensors. - M .: Publishing house "Technosphere", 2006, p.108, 208].

Технической задачей изобретения является создание датчика переменного магнитного поля, который не требует для своей работы дополнительного питания (пассивный).An object of the invention is the creation of a variable magnetic field sensor, which does not require additional power (passive) for its operation.

Поставленная задача достигается тем, что пассивный датчик переменного магнитного поля, содержащий подложку и, по меньшей мере, один магниточувствительный элемент из многослойного или объемного магнитоэлектрического композиционного материала, содержащего магнитострикционную и пьезоэлектрическую фазы, на который нанесены токопроводящие обкладки, причем пассивный датчик переменного магнитного поля содержит постоянный магнит, вектор магнитного поля которого сонаправлен с вектором поляризации пьезоэлектрической фазы магниточувствительного элемента.This object is achieved in that a passive variable magnetic field sensor containing a substrate and at least one magnetically sensitive element of a multilayer or bulk magnetoelectric composite material containing a magnetostrictive and piezoelectric phase, on which conductive plates are applied, the passive variable magnetic field sensor permanent magnet, the magnetic field vector of which is aligned with the polarization vector of the piezoelectric phase of the magnetosensitivity tionary element.

На фиг.1 представлен пассивный датчик переменного магнитного поля. На фиг.2 представлен график зависимости напряжения на выходе датчика магнитного поля от напряженности переменного магнитного поля частотой 1кГц.Figure 1 presents a passive sensor of an alternating magnetic field. Figure 2 presents a graph of the voltage at the output of the magnetic field sensor from the intensity of an alternating magnetic field with a frequency of 1 kHz.

Датчик содержит несущую подложку 1, постоянный магнит 2, который может быть изготовлен в виде магнитной пленки, расположенной под магниточувствительным МЭ элементом 3. МЭ элемент 3 состоит из МЭ материала, содержащего пьезоэлектрический 4 и магнитострикционный 5 слои, на противоположных поверхностях МЭ материала токопроводящие обкладки 6 могут быть нанесены, например, параллельно подложке. Для обеспечения линейной зависимости МЭ эффекта пьезоэлектрический слой 4 предварительно поляризуется.The sensor contains a carrier substrate 1, a permanent magnet 2, which can be made in the form of a magnetic film located under the magnetically sensitive ME element 3. The ME element 3 consists of a ME material containing piezoelectric 4 and magnetostrictive 5 layers, on the opposite surfaces of the ME material conductive plates 6 can be applied, for example, parallel to the substrate. To ensure a linear dependence of the ME effect, the piezoelectric layer 4 is pre-polarized.

Датчик работает следующим образом. При приложении к магниточувствительному МЭ элементу 3, находящемуся в постоянном магнитном поле магнита 2, переменного магнитного поля Н магнитострикционный слой 5 из-за магнитострикции меняет свою форму, деформация передается в пьезоэлектрическую фазу слоя 4 и, как результат, появляется измерительное напряжение U_H на токопроводящих обкладках 6 МЭ композиционного материала. Как известно [М.И.Бичурин, В.М.Петров, Д.А.Филиппов, Г.Сринивасан, С.В.Нан. Магнитоэлектрические материалы. - М.: Изд-во «Академия Естествознания», 2006. - 296 с.], возникающее электрическое напряжение U_Hзависит от измеряемого переменного магнитного поля Н, отношения толщины пьезоэлектрического и магнитострикционного слоев n, толщины пьезоэлектрического слоя h, пьезомагнитной константы d, пьезоэлектрической константы напряжения g, податливости пьезоэлектрического (s^E) и магнитострикционного (s^H) материалов, коэффициента электромеханического взаимодействия k²:The sensor operates as follows. When an alternating magnetic field H is applied to the magnetically sensitive ME element 3 located in the constant magnetic field of magnet 2, the magnetostrictive layer 5 changes its shape due to magnetostriction, the deformation is transferred to the piezoelectric phase of layer 4, and, as a result, the measuring voltage U _H on the conductive plates 6 ME composite material. As is known [M.I. Bichurin, V. M. Petrov, D. A. Filippov, G. Srinivasan, S. V. Nan. Magnetoelectric materials. - M .: Academy of Natural Sciences Publishing House, 2006. - 296 p.], The resulting electric voltage U _H depends on the measured alternating magnetic field H, the ratio of the thickness of the piezoelectric and magnetostrictive layers n, the thickness of the piezoelectric layer h, the piezomagnetic constant d, piezoelectric voltage constant g, compliance of the piezoelectric (s ^E ) and magnetostrictive (s ^H ) materials, the coefficient of electromechanical interaction k ² :

Пассивность датчика переменного магнитного поля достигается благодаря появлению МЭ эффекта в композиционном материале под действием постоянного магнитного поля от постоянного магнита (магнитной пленки). При МЭ эффекте деформация магнитострикционного слоя 5 МЭ композиционного материала, под действием измеряемого магнитного поля, приводит к возникновению пропорционального электрического напряжения в пьезоэлектрической фазе слоя 4.The passivity of the variable magnetic field sensor is achieved due to the appearance of the ME effect in the composite material under the action of a constant magnetic field from a permanent magnet (magnetic film). In the ME effect, the deformation of the magnetostrictive layer 5 of the ME composite material, under the influence of the measured magnetic field, leads to the appearance of a proportional electric voltage in the piezoelectric phase of layer 4.

МЭ материал обычно представляет собой композиционную керамику, состоящую из двух компонентов: феррита и пьезокерамики, обладающих магнитострикцией и пьезоэффектом, соответственно. Существуют объемные МЭ материалы, состоящие из смеси феррита и пьезокерамики, также существуют слоистые МЭ материалы, в которых чередуются слои феррита и пьезокерамики.The ME material is usually a composite ceramic consisting of two components: ferrite and piezoceramics with magnetostriction and piezoelectric effect, respectively. There are bulk ME materials consisting of a mixture of ferrite and piezoceramics, and there are also layered ME materials in which layers of ferrite and piezoceramics alternate.

Максимальный МЭ эффект достигается подбором величины магнитного поля постоянного магнита, выбором объемных долей пьезоэлектрической и магнитострикционной фаз [М.И.Бичурин, В.М.Петров, Д.А.Филиппов, Г.Сринивасан. С.В.Нан. Магнитоэлектрические материалы. - М.: Изд-во «Академия Естествознания», 2006. - 296 с.]. На фиг.2 представлен график зависимости возникающего электрического напряжения пассивного датчика переменного магнитного поля (фиг.1) под действием переменного магнитного поля частотой 1кГц и напряженностью 30, 20 и 10 Э. В качестве пьезоэлектрического слоя применена пьезокерамика ЦТС толщиной 0,28 мм, в качестве магнитострикционного слоя - никель толщиной 0,03 мм с каждой стороны. Для достижения максимального отклика от магниточувствительного элемента величина постоянного магнитного поля выбрана из соображений обеспечения наибольшей намагниченности магнитострикционной фазы и составляет 80 Э. Как видно из графика, зависимость величины возникающего электрического напряжения датчика от напряженности переменного магнитного поля носит линейный характер как результат предварительной поляризации Р пьезоэлектрической фазы.The maximum ME effect is achieved by selecting the magnitude of the magnetic field of the permanent magnet, by choosing the volume fractions of the piezoelectric and magnetostrictive phases [M.I. Bichurin, V. M. Petrov, D. A. Filippov, G. Srinivasan. S.V. Nan. Magnetoelectric materials. - M.: Publishing House "Academy of Natural Sciences", 2006. - 296 p.]. Figure 2 presents a graph of the arising electric voltage of a passive sensor of an alternating magnetic field (Fig. 1) under the action of an alternating magnetic field with a frequency of 1 kHz and a strength of 30, 20 and 10 E. As a piezoelectric layer, a PZT 0.28 mm thick ceramic is applied, in the magnetostrictive layer is nickel 0.03 mm thick on each side. To achieve the maximum response from the magnetically sensitive element, the magnitude of the constant magnetic field is selected from the considerations of ensuring the greatest magnetization of the magnetostrictive phase and is 80 E. .

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет измерять переменные магнитные поля и не требует для своей работы дополнительных затрат энергии. Кроме того, оно повышает чувствительность и расширяет диапазон измеряемых переменных магнитных полей за счет достижения максимального МЭ эффекта в чувствительном элементе пассивного датчика переменного магнитного поля.Thus, the present invention allows to measure alternating magnetic fields and does not require additional energy for its work. In addition, it increases the sensitivity and expands the range of measured variable magnetic fields by achieving the maximum ME effect in the sensitive element of the passive sensor of an alternating magnetic field.

При изготовлении пассивного датчика переменного магнитного поля применяются хорошо отработанные керамические технологии для получения МЭ композиционного материала, что обуславливает его более низкую себестоимость и высокую надежность по сравнению с датчиками магнитного поля на эффекте Холла.In the manufacture of a passive variable magnetic field sensor, well-developed ceramic technologies are used to obtain ME composite material, which leads to its lower cost and high reliability compared to Hall effect magnetic field sensors.

Claims

A passive variable magnetic field sensor containing a substrate and at least one magnetically sensitive element of a multilayer or bulk magnetoelectric composite material containing a magnetostrictive and piezoelectric phase, on which conductive plates are applied, characterized in that the passive variable magnetic field sensor contains a permanent magnet, whose magnetic field vector is aligned with the polarization vector of the piezoelectric phase of the magnetically sensitive element.