SK500622021A3 - Device for measuring the magneto-dielectric properties of thin dielectric layers and a system containing this device - Google Patents

Device for measuring the magneto-dielectric properties of thin dielectric layers and a system containing this device Download PDF

Info

Publication number
SK500622021A3
SK500622021A3 SK50062-2021A SK500622021A SK500622021A3 SK 500622021 A3 SK500622021 A3 SK 500622021A3 SK 500622021 A SK500622021 A SK 500622021A SK 500622021 A3 SK500622021 A3 SK 500622021A3
Authority
SK
Slovakia
Prior art keywords
flat carrier
measuring
slot
measured sample
coil
Prior art date
Application number
SK50062-2021A
Other languages
Slovak (sk)
Inventor
doc. Ing. olník Bystrík, PhD.
RNDr. Rajňák Michal, PhD.
Original Assignee
Technická Univerzita V Košiciach
Ústav experimentálnej fyziky SAV, v. v. i.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technická Univerzita V Košiciach, Ústav experimentálnej fyziky SAV, v. v. i. filed Critical Technická Univerzita V Košiciach
Priority to SK50062-2021A priority Critical patent/SK500622021A3/en
Priority to PCT/SK2022/050009 priority patent/WO2023101614A1/en
Publication of SK500622021A3 publication Critical patent/SK500622021A3/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/72Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
    • G01N27/74Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables of fluids
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/06Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a liquid

Abstract

Zariadenie na meranie magneto-dielektrických vlastností tenkých dielektrických vrstiev sa vyznačuje tým, že obsahuje: elektromagnet (2) obsahujúci: dve feromagnetické jadrá (1) tvaru E, usporiadané vonkajšími stĺpikmi tesne oproti sebe, kde stredné stĺpiky oboch feromagnetických jadier (1) sú kratšie ako vonkajšie stĺpiky tak, že medzi koncami stredných stĺpikov je vytvorená štrbina (3) s hrúbkou h na prijatie plochého nosiča (6) s meranou vzorkou, kde hrúbka h musí byť menšia ako 1/8 najmenšieho rozmeru prierezu stredného stĺpika a väčšia ako 1mm; minimálne jednu cievku (4) navinutú na aspoň časti aspoň jedného stĺpika aspoň jedného feromagnetického jadra (1) tvaru E, kde cievka obsahuje kontakty na napojenie na prúdový zdroj (7), a plochý nosič (6) z elektroizolačného materiálu, prispôsobený na vsunutie do štrbiny (3), a obsahujúci minimálne dve elektródy na pripojenie meracieho zariadenia (8), na meranie magneto-dielektrických vlastností meranej vzorky, a kde medzi elektródami je vytvorený priestor na prijatie meranej vzorky. Vynález sa týka aj meracieho systému obsahujúceho takého zariadenie.The device for measuring the magneto-dielectric properties of thin dielectric layers is characterized by the fact that it contains: an electromagnet (2) containing: two E-shaped ferromagnetic cores (1), arranged with the outer posts close to each other, where the central posts of both ferromagnetic cores (1) are shorter as outer posts such that a slot (3) of thickness h is formed between the ends of the middle posts to receive the flat carrier (6) with the measured sample, where the thickness h must be less than 1/8 of the smallest cross-sectional dimension of the middle post and greater than 1mm; at least one coil (4) wound on at least part of at least one column of at least one E-shaped ferromagnetic core (1), where the coil contains contacts for connection to a current source (7), and a flat carrier (6) made of electro-insulating material, adapted to be inserted into slots (3), and containing at least two electrodes for connecting the measuring device (8), for measuring the magneto-dielectric properties of the measured sample, and where a space is created between the electrodes to receive the measured sample. The invention also relates to a measuring system containing such a device.

Description

Vynález sa týka zariadenia na testovanie magneto-dielektrických vlastností tenkých dielektrických vrstiev. Vynález sa týka oblasti monitorovacej a meracej techniky v elektrotechnike.The invention relates to a device for testing the magneto-dielectric properties of thin dielectric layers. The invention relates to the field of monitoring and measuring technology in electrical engineering.

Doterajší stav technikyCurrent state of the art

Na meranie dielektrickej odozvy kvapalných dielektrík v externých magnetických poliach sa často používajú kondenzátory vložené do rôznych zdrojov magnetického poľa [1]. Tento typ testovania je nevyhnutný najmä ak ide o kvapalné dielektrika obohatené magnetickými aditívami (magnetické kvapaliny) [2,3]. V priemyselných a laboratórnych podmienkach sa kvapalné dielektrikum naleje do špecializovanej nádobky, v ktorej sú umiestnené elektródy prevažne z diamagnetického materiálu. Nádoba je následne vložená medzi dva ploché permanentné magnety, medzi ktorými je vytvorené statické magnetické pole [4]. V týchto podmienkach je možné sledovať dielektrickú odozvu dielektrika meraním jeho dielektrickej permitivity, ktorá je kľúčovou vlastnosťou dielektrických materiálov. Intenzitu externého magnetického poľa medzi permanentnými magnetmi je možné meniť len diskrétne navrstvením viacerých magnetov alebo zmenou ich vzájomnej vzdialenosti. Nevýhodou tohto spôsobu je značná nehomogenita magnetického poľa v objeme testovaného dielektrika. Nehomogenita súvisí so silným rozptylovým poľom na hranách magnetov, ktorá narastá so vzdialenosťou medzi magnetmi. Homogénne magnetické pole permanentného magnetu s jednou stabilnou hodnotou je možné dosiahnuť v Halbachovom valci, ktorý je zložený zo segmentov permanentných magnetov s vhodne usporiadanými magnetickými momentmi [5]. Priestor tohto valca, do ktorého je možné vložiť kondenzátor so skúmaným dielektrikom je však obmedzený iba na jednu hodnotu intenzity magnetického poľa. Na generovanie magnetického poľa s regulovateľnou intenzitou pri zachovanej distribúcii magnetického poľa je možné využiť elektromagnety. Medzi najdostupnejšie patrí solenoid, ktorý vytvára homogénne magnetické pole v smere svojej osi v prevažnej časti svojho vnútorného priestoru [6]. Pre súčasne používané nádobky na testovanie kvapalných dielektrík je žiadúci väčší pracovný priestor, ktorý poskytujú Helmholtzové cievky [7]. Ide o dve kruhové cievky s rovnakým polomerom súosovo uložené vo vzdialenosti rovnej ich polomeru. Ďalším zariadením na generovanie magnetického poľa s regulovateľnou intenzitou je elektromagnet s pólovými nadstavcami, medzi ktoré je možné vložiť testovaciu nádobku s dielektrikom [8]. Vďaka feromagnetickým vlastnostiam pólových nadstavcov je možné dosiahnuť magnetické pole vyššej intenzity.To measure the dielectric response of liquid dielectrics in external magnetic fields, capacitors embedded in various magnetic field sources are often used [1]. This type of testing is necessary especially when it comes to liquid dielectrics enriched with magnetic additives (magnetic liquids) [2,3]. In industrial and laboratory conditions, the liquid dielectric is poured into a specialized container in which the electrodes, mainly made of diamagnetic material, are placed. The container is then inserted between two flat permanent magnets, between which a static magnetic field is created [4]. In these conditions, it is possible to monitor the dielectric response of the dielectric by measuring its dielectric permittivity, which is a key property of dielectric materials. The intensity of the external magnetic field between the permanent magnets can only be changed discretely by layering several magnets or by changing their mutual distance. The disadvantage of this method is the considerable inhomogeneity of the magnetic field in the volume of the tested dielectric. The inhomogeneity is related to the strong scattering field at the edges of the magnets, which increases with the distance between the magnets. A homogeneous magnetic field of a permanent magnet with one stable value can be achieved in a Halbach cylinder, which is composed of segments of permanent magnets with appropriately arranged magnetic moments [5]. However, the space of this cylinder, in which the capacitor with the studied dielectric can be inserted, is limited to only one value of the magnetic field intensity. Electromagnets can be used to generate a magnetic field with adjustable intensity while maintaining the distribution of the magnetic field. Among the most available is the solenoid, which creates a homogeneous magnetic field in the direction of its axis in the majority of its internal space [6]. For currently used containers for testing liquid dielectrics, a larger working space provided by Helmholtz coils [7] is desirable. These are two circular coils with the same radius placed coaxially at a distance equal to their radius. Another device for generating a magnetic field with adjustable intensity is an electromagnet with pole extensions, between which a test container with a dielectric can be inserted [8]. Thanks to the ferromagnetic properties of the pole extensions, it is possible to achieve a magnetic field of higher intensity.

Uvedené spôsoby predstavujú konštrukčne robustné riešenia a vyžadujú výkonný prúdový zdroj. Takéto riešenia nie sú vhodné najmä ak je žiadúce testovať tenké dielektrické vrstvy, či už kvapalné alebo tuhé.The mentioned methods represent structurally robust solutions and require a powerful current source. Such solutions are not suitable especially if it is desirable to test thin dielectric layers, whether liquid or solid.

Cieľom tohto vynálezu je vyhotoviť konštrukčne jednoduché, spoľahlivé a energeticky nenáročné zariadenie na meranie magneto-dielektrických vlastností tenkých dielektrických vrstiev ako aj merací systém.The aim of this invention is to create a structurally simple, reliable and energy-efficient device for measuring the magneto-dielectric properties of thin dielectric layers as well as a measurement system.

Podstata vynálezuThe essence of the invention

Zariadenie na meranie magneto-dielektrických vlastností tenkých dielektrických vrstiev podľa tohto vynálezu obsahuje:The device for measuring the magneto-dielectric properties of thin dielectric layers according to the present invention includes:

- elektromagnet ktorý obsahuje:- an electromagnet that contains:

o dve feromagnetické jadrá tvaru E s relatívnou permeabilitou min. 10 000, usporiadané vonkajšími stĺpikmi tesne oproti sebe, kde stredné stĺpiky oboch elektromagnetov sú kratšie ako vonkajšie stĺpiky tak, že medzi koncami stredných stĺpikov je vytvorená štrbina o hrúbke h na prijatie nosiča s meranou vzorkou, kde hrúbka h musí byť menšia ako 1/8 najmenšieho rozmeru prierezu stredného stĺpika a väčšia ako 1 mm;by two E-shaped ferromagnetic cores with a relative permeability of min. 10,000, arranged with outer posts close to each other, where the middle posts of both electromagnets are shorter than the outer posts so that a gap of thickness h is formed between the ends of the middle posts to receive the carrier with the measured sample, where the thickness h must be less than 1/8 of the smallest cross-sectional dimension of the middle column and greater than 1 mm;

o minimálne jednu cievku navinutú na aspoň časti aspoň jedného stĺpika aspoň jedného feromagnetického jadra tvaru E, kde cievka obsahuje kontakty na napojenie na prúdový zdroj; ao at least one coil wound on at least part of at least one column of at least one E-shaped ferromagnetic core, where the coil contains contacts for connection to a current source; a

- plochý nosič z elektro-izolačného materiálu, prispôsobený na vsunutie do štrbiny, a obsahujúci minimálne dve elektródy na pripojenie meracieho zariadenia, na meranie magneto-dielektrických vlastností meranej vzorky, a kde medzi elektródami je vytvorený priestor na prijatie meranej vzorky.- a flat carrier made of electro-insulating material, adapted to be inserted into the slot, and containing at least two electrodes for connecting the measuring device, for measuring the magneto-dielectric properties of the measured sample, and where a space is created between the electrodes to receive the measured sample.

Jadrá elektromagnetu môžu byť vyrobené z masívneho feromagnetického materiálu alebo vrstvené z plechu. Materiál jadier musí byť vyrobený z materiálu s relatívnou permeabilitou minimálne 10 000. Výhodne môžu byť jadrá z magneticky mäkkej zliatiny železa a niklu (permalloy) s relatívnou permeabilitou väčšou ako 50 000, výhodne väčšou ako 100 000, najvýhodnejšie väčšou alebo rovnou ako 500 000, prípadne môžu byť jadrá z feritu (zliatiny železa a uhlíka) s relatívnou permeabilitou väčšou ako 10 000, výhodne väčšou ako 15Electromagnet cores can be made of solid ferromagnetic material or layered from sheet metal. The material of the cores must be made of a material with a relative permeability of at least 10,000. Preferably, the cores can be made of a magnetically soft alloy of iron and nickel (permalloy) with a relative permeability greater than 50,000, preferably greater than 100,000, most preferably greater than or equal to 500,000, optionally, the cores can be made of ferrite (an alloy of iron and carbon) with a relative permeability greater than 10,000, preferably greater than 15

SK 50062-2021 A3SK 50062-2021 A3

000, najvýhodnejšie väčšou alebo rovnou 20 000. Jadrá tiež môžu byť vyrobené zo zliatiny kobaltu a železa s relatívnou permeabilitou väčšou ako 10 000, výhodnejšie viac ako 15 000 a najvýhodnejšie väčšou alebo rovnou 18 000.000, most preferably greater than or equal to 20,000. The cores may also be made of a cobalt-iron alloy with a relative permeability greater than 10,000, more preferably greater than 15,000 and most preferably greater than or equal to 18,000.

Podľa výhodného uskutočnenia sú feromagnetické jadrá tvaru E usporiadané nad sebou tak že štrbina je uložená horizontálne - pozdĺžna os štrbiny je horizontála.According to a preferred embodiment, the E-shaped ferromagnetic cores are arranged above each other so that the slot is placed horizontally - the longitudinal axis of the slot is horizontal.

Podľa ďalšieho výhodného uskutočnenia sú feromagnetické jadrá tvaru E identické, t. j. rovnakého tvaru, rozmerov aj materiálu.According to another preferred embodiment, the E-shaped ferromagnetic cores are identical, i.e. j. of the same shape, dimensions and material.

Rozmery jedného jadra tvaru E (uloženého stĺpikmi hore) môžu výhodne byť napr. dĺžka: 65 mm, šírka: 26 mm, výška (krajných stĺpikov) 23 mm, kde výška stredného stĺpika je 22 mm, hrúbka stredného stĺpika je 19 mm, a kde hrúbka krajných stĺpikov je 9 mm. Do rozsahu hodnôt výhodných rozmerov jadra patria hodnoty získané vynásobením vyššie uvedených hodnôt koeficientom v intervale od 0,3 do 3.The dimensions of one E-shaped core (stored with the columns up) can be advantageously e.g. length: 65 mm, width: 26 mm, height (of end posts) 23 mm, where the height of the middle post is 22 mm, the thickness of the middle post is 19 mm, and where the thickness of the end posts is 9 mm. Values obtained by multiplying the above values by a coefficient in the interval from 0.3 to 3 belong to the range of values of advantageous core dimensions.

Stĺpiky feromagnetických jadier tvaru E sú výhodne štvorcového, obdĺžnikového alebo kruhového prierezu. Stredný stĺpik je výhodnejšie konštruovať v kruhovom priereze kvôli vyššej homogenite magnetického poľa. Najvýhodnejší priemer kruhového stĺpika je 20 mm. Do rozsahu výhodných hodnôt priemeru kruhového stĺpika patria hodnoty od 6 mm do 60 mm.E-shaped ferromagnetic core posts are preferably square, rectangular or circular in cross-section. It is preferable to construct the middle column in a circular cross-section due to higher homogeneity of the magnetic field. The most advantageous diameter of the circular column is 20 mm. Values from 6 mm to 60 mm belong to the range of advantageous values for the diameter of the circular post.

V štrbine pri hranách stĺpikov sa vytvára rozptylové (nehomogénne) pole. Miera tejto nehomogenity rastie s hrúbkou medzery. Na zaistenie dostatočnej homogenity magnetického poľa v štrbine, hrúbka štrbiny musí byť menšia ako 1/8 najmenšieho rozmeru prierezu stredného stĺpika. Hrúbka štrbiny musí byť zároveň väčšia ako hrúbka plochého nosiča. Z konštrukčného hľadiska musí byť hrúbka štrbiny aspoň 1 mm. Výhodne je hrúbka štrbiny 2 mm.A scattering (inhomogeneous) field is created in the gap near the edges of the columns. The degree of this inhomogeneity increases with the thickness of the gap. To ensure sufficient homogeneity of the magnetic field in the slot, the thickness of the slot must be less than 1/8 of the smallest cross-sectional dimension of the middle post. The thickness of the slot must also be greater than the thickness of the flat carrier. From a structural point of view, the thickness of the slot must be at least 1 mm. Preferably, the thickness of the slot is 2 mm.

Vyššie uvedené konštrukčné usporiadanie jadier elektromagnetu, umožňuje relatívne malé rozmery a hmotnosť zariadenia podľa vynálezu a z toho vyplývajúci jednoduchý spôsob transportu zariadenia podľa vynálezu, ako aj malý príkon potrebný na dosiahnutie využiteľného magnetického poľa. To znamená, že takéto zariadenie pre svoju funkciu nepotrebuje robustný prúdový zdroj. Taktiež táto konštrukcia zabezpečí homogénnu distribúciou magnetického poľa v štrbine bez nežiadúcich rozptylových (okrajových) polí. Ďalšou výhodu zariadenia podľa vynálezu je jeho jednoduchá konštrukcia a nízke obstarávacie náklady.The above-mentioned structural arrangement of the electromagnet cores enables the relatively small dimensions and weight of the device according to the invention and the resulting simple way of transporting the device according to the invention, as well as the small power required to achieve a usable magnetic field. This means that such a device does not need a robust current source for its function. Also, this design ensures a homogeneous distribution of the magnetic field in the slot without unwanted stray (edge) fields. Another advantage of the device according to the invention is its simple construction and low procurement costs.

Vzhľadom na malú hrúbku štrbiny je taktiež možné dosiahnuť väčšie hodnoty magnetickej indukcie aj pri pretekaní menšieho elektrického prúdu. V dôsledku použitia malých hodnôt elektrického prúdu nedochádza k výraznému ohrevu cievky a celého elektromagnetu. Týmto spôsobom sa dá vyhnúť nežiaducemu ohrevu nosiča so vzorkou od elektromagnetu.Due to the small thickness of the slot, it is also possible to achieve larger values of magnetic induction even when a smaller electric current is flowing. Due to the use of small values of electric current, significant heating of the coil and the entire electromagnet does not occur. In this way, unwanted heating of the carrier with the sample from the electromagnet can be avoided.

Vďaka malému prúdu, a hmotnosti je zabezpečená aj vyššia bezpečnosť a menšie riziko úrazu. Takéto zariadenie preto môže byť vhodné aj do školských podmienok alebo aj na popularizáciu vedy a techniky.Thanks to the small current and weight, higher safety and less risk of injury are ensured. Such a device can therefore also be suitable for school conditions or for the popularization of science and technology.

Podľa výhodného uskutočnenia, na zabezpečenie mechanickej pevnosti a geometrickej stálosti elektromagnetu, môže byť cievka navinutá na tepelne a elektricky izolačnej kostričke a kostrička je osadená na aspoň časti aspoň jedného stĺpika aspoň jedného feromagnetického jadra tvaru E. Kostrička definuje tvar dutiny elektromagnetu, a musí pasovať na stĺpik jadra E.According to a preferred embodiment, to ensure the mechanical strength and geometrical stability of the electromagnet, the coil can be wound on a thermally and electrically insulating core, and the core is mounted on at least part of at least one column of at least one E-shaped ferromagnetic core. The core defines the shape of the cavity of the electromagnet, and must fit on core column E.

Kostrička môže byť z Teflónu, polyetylénu alebo sklolaminátu s izolačným odporom viac ako 100 ΜΩ. Vinutie cievky by malo pozostávať z izolovaného elektrického vodiča s vysokou elektrickou vodivosťou, minimálne 57 x 106 S/m.The shell can be made of Teflon, polyethylene or fiberglass with an insulation resistance of more than 100 ΜΩ. The coil winding should consist of an insulated electrical conductor with a high electrical conductivity, at least 57 x 10 6 S/m.

Podľa výhodného uskutočnenia je kostrička s cievkou osadená okolo stredného stĺpika feromagnetického jadra tvaru E, pozdĺž celej dĺžky stĺpika.According to a preferred embodiment, the body with the coil is fitted around the central pillar of the E-shaped ferromagnetic core, along the entire length of the pillar.

Podľa ďalšieho výhodného uskutočnenia elektromagnet obsahuje dve cievky navinuté na kostričke, kde každá cievka je osadená na jednom vonkajšom stĺpiku feromagnetického jadra tvaru E. V prípade dvoch cievok je možné získať magnetické pole s vyššou intenzitou pri pretekaní menšieho prúdu v obidvoch cievkach. Na druhej strane, pri použití dvoch cievok môže byť jedná napájaná jednosmerným prúdom a druhá striedavým. Tým sa v štrbine dosiahne kombinované (superponované) magnetické pole, ktoré je výsledkom súčtu vektora striedavej zložky magnetického poľa a vektora jednosmernej zložky magnetického poľa. Z hľadiska poskytovania experimentálnych možností je toto uskutočnenie výhodnejšie.According to another advantageous embodiment, the electromagnet contains two coils wound on a body, where each coil is mounted on one outer column of the E-shaped ferromagnetic core. In the case of two coils, it is possible to obtain a magnetic field with a higher intensity when a smaller current flows in both coils. On the other hand, when using two coils, one can be powered by direct current and the other by alternating current. This results in a combined (superimposed) magnetic field in the slot, which is the result of the sum of the vector of the alternating component of the magnetic field and the vector of the direct component of the magnetic field. From the point of view of providing experimental possibilities, this implementation is more advantageous.

Plochý nosič na meranú vzorku je z elektro-izolačného materiálu. Plochý nosič musí mať rozmery vhodné na vsunutie do štrbiny. Plochý nosič obsahuje aktívnu resp. mernú plochu, čo je plocha na uloženie vzorky vo forme tenkej vrstvy. V podstate je to priestor/plocha medzi elektródami.The flat carrier for the measured sample is made of electro-insulating material. The flat carrier must have dimensions suitable for insertion into the slot. The flat carrier contains an active or measurement area, which is the area for depositing the sample in the form of a thin layer. Basically it is the space/area between the electrodes.

Rozmery aktívnej plochy plochého nosiča sú výhodne v rozmedzí 90 % až 10 % plochy (prierezu) stredného stĺpika jadra elektromagnetu, výhodnejšie menšie ako 85 % plochy stredného stĺpika elektromagnetu a najvýhodnejšie menšie ako 80 % plochy stredného stĺpika elektromagnetu.The dimensions of the active area of the flat carrier are preferably in the range of 90% to 10% of the area (cross-section) of the central pillar of the electromagnet core, more preferably smaller than 85% of the area of the central pillar of the electromagnet and most preferably smaller than 80% of the area of the central pillar of the electromagnet.

Výhodne má plochý nosič také rozmery aby bol celý zasunuteľný do štrbiny, to znamená, že po uložení v štrbine žiadna jeho časť zo štrbiny nevyčnieva. Plochý nosič obsahuje minimálne dve, prípadne aj viac elektród, medzi ktorými je vytvorený priestor na prijatie testovanej vzorky.Preferably, the flat carrier has such dimensions that it can be completely inserted into the slot, that means that after being placed in the slot, no part of it protrudes from the slot. The flat carrier contains at least two, possibly more electrodes, between which a space is created to receive the tested sample.

SK 50062-2021 A3SK 50062-2021 A3

Podľa ďalšieho výhodného uskutočnenia má aktívna plocha plochého nosiča také rozmery aby, po vložení plochého nosiča do štrbiny, prierez stredného stĺpika prekrýval celú aktívnu plochu nosiča, takže vzorka neprečnieva za hranu stĺpika. Tým sa zabezpečí že celá meraná vzorka bude umiestnená do homogénneho mag. poľa a meranie bude presnejšie. Veľkosť vzorky je možné si aj prispôsobiť prierezu stĺpika.According to another advantageous embodiment, the active surface of the flat carrier has such dimensions that, after inserting the flat carrier into the slot, the cross-section of the central column overlaps the entire active surface of the carrier, so that the sample does not protrude beyond the edge of the column. This will ensure that the entire measured sample will be placed in a homogeneous mag. field and the measurement will be more accurate. The size of the sample can also be adapted to the cross-section of the column.

Podľa výhodného uskutočnenia je plochý nosič vyrobený z dvoch sklenených platní s nanesenou elektricky vodivou vrstvou, napr. z materiálu ITO (Indium Tin Oxide), vo funkcii elektródy a kontaktu na pripojenie k meraciemu prístroju.According to a preferred embodiment, the flat carrier is made of two glass plates with an applied electrically conductive layer, e.g. made of ITO (Indium Tin Oxide) material, in the function of electrode and contact for connection to the measuring device.

Podľa ďalšieho výhodného uskutočnenia je plochý nosič vo forme rovinného kondenzátora so vzduchovou medzerou, kde medzera tvorí priestor na prijatie meranej vzorky, prípadne s tenkou vrstvou dielektrika, ktoré tvorí meranú vzorku.According to another advantageous embodiment, the flat carrier is in the form of a planar capacitor with an air gap, where the gap forms a space for receiving the measured sample, or with a thin layer of dielectric that forms the measured sample.

Podľa ďalšieho výhodného uskutočnenia je plochým nosičom podložné sklíčko na meranú vzorku. Príslušné elektródy sú naparené na podložnom sklíčku v tvare rovnobežných prúžkov alebo vo forme dvoch sústredných kružníc s vodivými vývodmi na pripojenie k meraciemu prístroju. Tá časť tenkej vrstvy vzorky priliehajúcej (naliatej) na podložné sklíčko, ktorá sa nachádza medzi naparenými elektródami, je v kontakte s elektródami, a tým aj vystavená elektrickému poľu a meraniu magneto-dielektrických vlastností.According to another advantageous embodiment, the flat carrier is a slide for the measured sample. The corresponding electrodes are steamed on the slide in the form of parallel strips or in the form of two concentric circles with conductive leads for connection to the measuring device. That part of the thin layer of the sample adhering (poured) to the slide, which is located between the vaporized electrodes, is in contact with the electrodes, and thus also exposed to the electric field and the measurement of magneto-dielectric properties.

V niektorých prípadoch si experiment nevyžaduje priamy kontakt elektród so vzorkou. V tom prípade môžu byť elektródy vo väčšej vzdialenosti od seba tak, aby vzorka, ktorá je medzi nimi, sa ich nedotýkala. Elektródy tiež môžu byť výhodne naparené na spodnej strane podložného sklíčka a vzorka umiestnená na vrchnej strane sklíčka.In some cases, the experiment does not require direct contact of the electrodes with the sample. In that case, the electrodes can be further apart so that the sample between them does not touch them. The electrodes can also advantageously be vaporized on the bottom side of the glass slide and the sample placed on the top side of the glass slide.

Plochý nosič výhodne obsahuje úchyt na zasunutie do a vysunutie zo štrbiny.The flat carrier preferably includes a handle for inserting into and out of the slot.

Zariadením podľa tohto vynálezu je možné merať vzorky ktoré sú vo forme tenkej vrstvy hrúbky 1 pm až 3 mm kvapalného alebo tuhého dielektrika. Za dielektrikum sa v tomto prípade považuje aj vrstva biologického materiálu.With the device according to the invention, it is possible to measure samples that are in the form of a thin layer of 1 pm to 3 mm of liquid or solid dielectric. A layer of biological material is also considered a dielectric in this case.

Ďalším aspektom tohto vynálezu je aj merací systém obsahujúci meracie zariadenie podľa tohto vynálezu, prúdový zdroj, napojený na kontakty cievky ako aj jeden alebo viac meracích prístrojov napojených na kontakty plochého nosiča.Another aspect of this invention is also a measurement system containing a measurement device according to the invention, a current source connected to the contacts of the coil as well as one or more measuring devices connected to the contacts of the flat carrier.

Meracím prístrojom môže byť kapacitný mostík, impedančný analyzátor, LCR meter alebo aj iné zariadenie, ktoré umožňuje merať frekvenčnú závislosť komplexnej impedancie a jej jednotlivých zložiek (kapacita, indukčnosť, odpor).The measuring device can be a capacitive bridge, an impedance analyzer, an LCR meter or another device that allows you to measure the frequency dependence of the complex impedance and its individual components (capacitance, inductance, resistance).

Ako prúdový zdroj sa výhodne použije regulovateľný zdroj elektrického prúdu s ultranízkymi emisiami (kde celkové harmonické skreslenie prúdu (THD) je menšie alebo rovné 0,1 %, výhodnejšie 0,05 % a najvýhodnejšie 0,01 %) na dosiahnutie požadovaného magnetického poľa. Výhodne je použiť prúdový zdroj s výkonom 100 W - 500 W na dosiahnutie magnetického poľa o indukcii 100 pT - 100 mT.As a current source, a controllable current source with ultra-low emissions (where the total harmonic distortion (THD) of the current is less than or equal to 0.1%, preferably 0.05% and most preferably 0.01%) is preferably used to achieve the desired magnetic field. It is preferable to use a current source with a power of 100 W - 500 W to achieve a magnetic field with an induction of 100 pT - 100 mT.

Meracie vodiče zabezpečujúce pripojenie elektród k meraciemu prístroju sú výhodne vyrobené technológiou, ktorá eliminuje vplyv elektromagnetickej interferencie okolia.The measuring wires ensuring the connection of the electrodes to the measuring device are advantageously made with technology that eliminates the influence of electromagnetic interference from the environment.

Následne bude opísaný spôsob fungovania zariadenia a systému podľa tohto vynálezu:Subsequently, the method of operation of the device and system according to the present invention will be described:

Cievka/cievky umiestnené na feromagnetickom jadre sú pripojené na prúdový zdroj. Prechodom elektrického prúdu cievkou sa generuje magnetické pole, ktorého tok vedú spojené feromagnetické jadrá tvaru E. Vďaka vytvorenej štrbine vznikol voľný priestor s kvázi homogénnou indukciou magnetického poľa, ktorý je možné využiť na vloženie nosiča so vzorkou, ktorej magneto-dielektrické vlastnosti sa majú merať. Veľkosť magnetickej indukcie sa reguluje zmenou veľkosti prúdu tečúceho cievkou.The coil/coils placed on the ferromagnetic core are connected to a current source. By passing an electric current through the coil, a magnetic field is generated, the flow of which is led by the connected E-shaped ferromagnetic cores. Thanks to the created gap, a free space with a quasi-homogeneous induction of the magnetic field was created, which can be used to insert a carrier with a sample whose magneto-dielectric properties are to be measured. The amount of magnetic induction is regulated by changing the amount of current flowing through the coil.

Plochý nosič so vzorkou je po vložení do štrbiny vystavený pôsobeniu homogénneho magnetického poľa. V prípade použitia plochých elektród uložených v rovine štrbiny je vektor intenzity elektrického poľa v kondenzátore rovnobežný s vektorom magnetickej indukcie v štrbine elektromagnetu. Pri použití pásikových elektród umiestnených v rovine štrbiny vedľa seba je možné dosiahnuť kolmé pôsobenie vektora magnetickej indukcie na vektor intenzity elektrického poľa medzi elektródami.The flat carrier with the sample is exposed to a homogeneous magnetic field after being inserted into the slot. In the case of using flat electrodes placed in the slot plane, the electric field intensity vector in the capacitor is parallel to the magnetic induction vector in the electromagnet slot. When using strip electrodes placed next to each other in the slot plane, it is possible to achieve a perpendicular effect of the magnetic induction vector on the electric field intensity vector between the electrodes.

Použitím zdroja elektrického prúdu s ultra-nízkym alebo nízkym kmitočtom (1 uHz - 1 Hz) sa v štrbine elektromagnetu generuje magnetické pole s ultra-nízkym alebo nízkym kmitočtom. Takýmto spôsobom je možné skúmať okrem iného napríklad aj biologické materiály. Umiestnením materiálu anorganickej alebo organickej povahy do štrbiny elektromagnetu je možné merať elektro-fyzikálne vlastnosti materiálov ako sú elektrická vodivosť, rezistivita, dielektrické straty, permitivita, atď. v externom homogénnom magnetickom poli s ultra-nízkym alebo nízkym kmitočtom.By using an ultra-low or low frequency electric current source (1 uHz - 1 Hz), an ultra-low or low frequency magnetic field is generated in the slot of the electromagnet. In this way, it is possible to examine, among other things, also biological materials. By placing an inorganic or organic material in the slot of an electromagnet, it is possible to measure the electro-physical properties of materials such as electrical conductivity, resistivity, dielectric losses, permittivity, etc. in an external homogeneous magnetic field with ultra-low or low frequency.

Zariadenie a merací systém podľa tohto vynálezu je možné výhodne využiť v rôznych oblastiach experimentálneho výskumu alebo priemyselného testovania, kde je potrebné sledovať dielektrické vlastnosti tenkých vrstiev kvapalných či tuhých dielektrík v podmienkach externého magnetického poľa.The device and measurement system according to the present invention can be advantageously used in various areas of experimental research or industrial testing, where it is necessary to monitor the dielectric properties of thin layers of liquid or solid dielectrics under conditions of an external magnetic field.

Vďaka malým rozmerom zariadenia môže byť systém použitý na generovanie homogénneho magnetického poľa pre výskum magneto-dielektrických vlastností materiálov pri nízkych teplotách, napríkladThanks to the small dimensions of the device, the system can be used to generate a homogeneous magnetic field for research on the magneto-dielectric properties of materials at low temperatures, for example

SK 50062-2021 A3 ponorením celého systému do kvapalného dusíka.SK 50062-2021 A3 by immersing the entire system in liquid nitrogen.

Prehľad obrázkov na výkresochOverview of images on drawings

Na obrázku 1 je zobrazený perspektívny pohľad na rozložené feromagnetické jadrá tvaru písmena EFigure 1 shows a perspective view of the unfolded E-shaped ferromagnetic cores

Na obrázku 2 je zobrazený perspektívny pohľad na jadro elektromagnetu v zloženom stave.Figure 2 shows a perspective view of the assembled electromagnet core.

Na obrázku 3 je zobrazený čiastočný rez feromagnetickým jadrom tvaru E a cievkou umiestnenou na strednom stĺpci jadra.Figure 3 shows a partial section through an E-shaped ferromagnetic core and a coil located on the center column of the core.

Na obrázku 4 je zobrazený prierez feromagnetickým jadrom v zloženom stave s plochým nosičom vloženým do štrbiny.Figure 4 shows a cross-section of the ferromagnetic core in the assembled state with a flat carrier inserted into the slot.

Na obrázku 5 je zobrazený horný pohľad na feromagnetické jadro a kostru, na ktorej je navinutá cievka s prívodmi pripojenými na zdroj elektrického prúdu.Figure 5 shows a top view of the ferromagnetic core and frame, on which a coil is wound with leads connected to a source of electric current.

Na obrázku 6 je zobrazený horný pohľad na feromagnetické jadro, kostru, na ktorej je navinutá cievka s prívodmi pripojenými na zdroj elektrického prúdu a merací prístroj pripojený na rovinný kondenzátor vložený do štrbiny medzi strednými stĺpikmi jadier.Figure 6 shows a top view of a ferromagnetic core, a frame on which a coil is wound with leads connected to a source of electric current and a measuring device connected to a planar capacitor inserted in the slot between the central posts of the cores.

Príklady uskutočnenia vynálezuExamples of implementation of the invention

Príklad 1Example 1

Zariadenie podľa vynálezu obsahuje elektromagnet 2 vo forme dvoch jadier 1 z feritu v tvare písmena E usporiadaných na sebe stĺpikmi oproti sebe, tak že vrchné a spodné vonkajšie stĺpiky na seba tesne doliehajú a medzi strednými stĺpikmi je vytvorená štrbina 3 hrúbky 2 mm (ako je zobrazené na obr. 2). Rozmery zloženého jadra sú 65 mm x 26,5 mm x 65 mm.The device according to the invention contains an electromagnet 2 in the form of two cores 1 of ferrite in the shape of the letter E, arranged on top of each other with posts facing each other, so that the upper and lower outer posts are in close contact with each other, and a gap 3 with a thickness of 2 mm is created between the middle posts (as shown in Fig. 2). The dimensions of the folded core are 65 mm x 26.5 mm x 65 mm.

Na strednom stĺpiku spodného jadra je osadená cievka 4 navinutá na kostričke 5 z izolantu s rozmermi 19,5 mm x 26,5 mm x 22 mm. Cievka 4 má desať vrstiev. Každá vrstva má 18 závitov z medeného izolovaného drôtu s priemerom žily 1,1 mm.On the middle column of the lower core is mounted coil 4 wound on a core 5 made of insulator with dimensions of 19.5 mm x 26.5 mm x 22 mm. Coil 4 has ten layers. Each layer has 18 turns of insulated copper wire with a core diameter of 1.1 mm.

Alternatívne môže zariadenie obsahovať dve cievky 4, osadené na vonkajších stĺpikoch spodného feromagnetického jadra 1. Každá cievka 4 je navinutá na kostričke 5 z izolantu s rozmermi 10 mm x 26,5 x 22 mm. Každá cievka 4 má 10 vrstiev, každá vrstva má 18 závitov z medeného izolovaného drôtu s priemerom žily 1,1 mm.Alternatively, the device can contain two coils 4, mounted on the outer posts of the lower ferromagnetic core 1. Each coil 4 is wound on a core 5 made of insulator with dimensions of 10 mm x 26.5 x 22 mm. Each coil 4 has 10 layers, each layer has 18 turns of insulated copper wire with a core diameter of 1.1 mm.

Príklad 2Example 2

V tomto príklade je systém použitý na zisťovanie vplyvu magnetického poľa na polarizačné procesy v hybridnej nanokvapaline s magnetickými aditívami. Hybridnou nanokvapalinou sa rozumie suspenzia nemagnetických a magnetických nanočastíc v nepolárnej kvapaline, v ktorej na rozhraniach nanočastíc dochádza k polarizačným procesom.In this example, the system is used to investigate the effect of a magnetic field on polarization processes in a hybrid nanofluid with magnetic additives. A hybrid nanofluid is a suspension of non-magnetic and magnetic nanoparticles in a non-polar liquid, in which polarization processes occur at the nanoparticle interfaces.

Do štrbiny 3 zariadenia opísaného v príklade 1 sa umiestni plochý nosič 6 so vzorkou (ako je zobrazené na obr. 4) a pripojí sa na merací prístroj 8, ktorým je impedančný analyzátor (ako je zobrazené na obr. 6), ktorým sa testuje dielektrická odozva testovanej vzorky prostredníctvom merania kapacity plochého nosiča v závislosti od frekvencie elektrického poľa. Vplyv magnetického poľa na dielektrickú odozvu testovanej vzorky sa zisťuje meraním kapacity plochého nosiča 6 v rôznych intenzitách magnetického poľa. Požadovaná intenzita magnetického poľa v štrbine 3 elektromagnetu 2 sa reguluje nastavením hodnoty prúdu pomocou zdroja 7 elektrického prúdu (ako je zobrazené na obr. 6) tečúceho vinutím cievky 4 navinutej na kostričke 5. Zaznamenané polarizačné procesy sa prejavia na zmene meranej kapacity a dielektrických strát plochého nosiča 6.A flat carrier 6 with a sample (as shown in Fig. 4) is placed in the slot 3 of the device described in Example 1 and connected to a measuring device 8, which is an impedance analyzer (as shown in Fig. 6), which tests the dielectric the response of the tested sample by measuring the capacitance of the flat carrier as a function of the frequency of the electric field. The influence of the magnetic field on the dielectric response of the tested sample is determined by measuring the capacity of the flat carrier 6 in different intensities of the magnetic field. The desired intensity of the magnetic field in the slot 3 of the electromagnet 2 is regulated by setting the value of the current using the source 7 of electric current (as shown in Fig. 6) flowing through the winding of the coil 4 wound on the body 5. The recorded polarization processes are reflected in the change of the measured capacitance and dielectric losses of the flat carrier 6.

Príklad 3Example 3

V tomto príklade môže byť systém využitý na vyvolanie a detekciu Fréederickszových fázových prechodov vo feronematických kvapalných kryštáloch.In this example, the system can be used to induce and detect Fréedericksz phase transitions in ferronematic liquid crystals.

Do štrbiny 3 zariadenia opísaného v príklade 1 sa umiestni plochý nosič 6 (ako je zobrazené na Obr. 4) vo forme kvapalno-kryštalickej komôrky- rovinného kondenzátora zloženého zo sklenených platní s naparenými tenkými vodivými vrstvami. Kvapalno-kryštalická komôrka je naplnená feronematickým kvapalným kryštálom (kvapalný kryštál dopovaný magnetickými nanočasticami), s cieľom vyvolať a detegovať Fréederickszové fázové prechody vyvolané externým magnetickým poľom. Kvaplno-kryštalická komôrka naplnená testovanou vzorkou sa pripojí na dielektrický tester (ako je zobrazené na obr. 6), ktorým sa testuje dielektrická odozvaIn the slot 3 of the device described in example 1, a flat carrier 6 (as shown in Fig. 4) is placed in the form of a liquid-crystalline cell - a planar capacitor composed of glass plates with vaporized thin conductive layers. The liquid crystal chamber is filled with a ferronematic liquid crystal (a liquid crystal doped with magnetic nanoparticles) in order to induce and detect Fréedericksz phase transitions induced by an external magnetic field. A liquid crystal cell filled with the test sample is connected to a dielectric tester (as shown in Fig. 6) which tests the dielectric response

SK 50062-2021 A3 testovanej vzorky prostredníctvom merania kapacity kvapalno-kryštalickej komôrky. Budením elektromagnetu 2 prúdom vo rozmedzí 100 mA až 3 A z prúdového zdroja 7 sa v štrbine 3 generuje magnetické pole, ktoré vyvolá usporiadanosť magnetických nanočastíc do smeru magnetického poľa. Toto usporadúvanie zvyšuje susceptibilitu molekúl kvapalného kryštálu na magnetické pole, čím dôjde k magnetickému Fréederickszovmu prechodu. Prechod je detegovaný zmenou kapacity kondenzátora - plochého nosiča 6.SK 50062-2021 A3 of the tested sample by measuring the capacity of the liquid crystal cell. By exciting the electromagnet 2 with a current in the range of 100 mA to 3 A from the current source 7, a magnetic field is generated in the slot 3, which causes the arrangement of the magnetic nanoparticles in the direction of the magnetic field. This arrangement increases the susceptibility of the liquid crystal molecules to a magnetic field, resulting in a magnetic Fréedericks transition. The transition is detected by a change in the capacity of the capacitor - flat carrier 6.

Príklad 4Example 4

V tomto príklade je systém použitý na experimentálne testovanie vplyvu magnetického poľa na dielektrickú odozvu tenkej vrstvy magnetickej kvapaliny. Magnetickou kvapalinou sa rozumie stabilná suspenzia magnetických nanočastíc rozptýlených v elektro-izolačnej kvapaline. Vzorka magnetickej kvapaliny vo forme tenkej vrstvy s hrúbkou 10 pm je uväznená medzi elektródami rovinného kondenzátora, ktorý predstavuje plochý nosič 6. Rovinný kondenzátor je vložený do štrbiny 3 hrúbky 2 mm elektromagnetu 2, kde je vystavený externému homogénnemu magnetickému poľu. Elektródy kondenzátora sú pripojené na merací prístroj 8, ktorým je impedančný analyzátor, ktorým sa testuje dielektrická odozva magnetickej kvapaliny prostredníctvom merania kapacity kondenzátora v závislosti od frekvencie priloženého elektrického poľa. Vplyv magnetického poľa na dielektrickú odozvu magnetickej kvapaliny sa zisťuje meraním kapacity kondenzátora v rôznych intenzitách magnetického poľa. Intenzita magnetického poľa v štrbine 3 elektromagnetu 2 sa reguluje nastavením hodnoty prúdu pomocou zdroja 7 elektrického prúdu tečúceho vinutím cievky 4 navinutej na kostričke 5. Pri dosiahnutí kritickej hodnoty magnetického poľa dôjde k štrukturalizácii magnetických nanočastíc v magnetickej kvapaline, čo sa prejaví na zmene meranej kapacity kondenzátora.In this example, the system is used to experimentally test the effect of a magnetic field on the dielectric response of a thin layer of magnetic fluid. A magnetic liquid is a stable suspension of magnetic nanoparticles dispersed in an electro-insulating liquid. A sample of magnetic liquid in the form of a thin layer with a thickness of 10 pm is trapped between the electrodes of a planar capacitor, which is a flat carrier 6. The planar capacitor is inserted into a slot 3 of 2 mm thickness of an electromagnet 2, where it is exposed to an external homogeneous magnetic field. The electrodes of the capacitor are connected to a measuring device 8, which is an impedance analyzer, which tests the dielectric response of the magnetic liquid by measuring the capacitance of the capacitor depending on the frequency of the applied electric field. The influence of the magnetic field on the dielectric response of the magnetic liquid is determined by measuring the capacitance of the capacitor in different intensities of the magnetic field. The intensity of the magnetic field in the slot 3 of the electromagnet 2 is regulated by setting the value of the current using the source 7 of electric current flowing through the winding of the coil 4 wound on the skeleton 5. When the critical value of the magnetic field is reached, the magnetic nanoparticles in the magnetic liquid will be structured, which will be reflected in the change in the measured capacity of the capacitor .

Príklad 5Example 5

V tomto príklade je systém využitý na generovanie homogénneho magnetického poľa s frekvenciou od 1 mHz do 100 Hz s cieľom skúmať biologické materiály.In this example, the system is used to generate a homogeneous magnetic field with a frequency from 1 mHz to 100 Hz in order to investigate biological materials.

Do štrbiny 3 elektromagnetu 2 sa umiestni vzorka s tenkou vrstvou tvorenou biologickým materiálom. Použitím jednosmerného zdroja 7 elektrického prúdu alebo zdroja 7 prúdu s frekvenciou od 1 mHz do 100 Hz sa v štrbine 3 elektromagnetu 2, privedením prúdu do vinutia cievky 4 navinutej na kostričke 5, generuje homogénne magnetické pole statické alebo s ultranízkym alebo nízkym kmitočtom. Následným meraním spektier dielektrickej permitivity biologického materiálu pomocou impedančného analyzátora sa skúma frekvenčná odozva biologického materiálu na magnetické pole statické alebo s ultranízkym kmitočtom.A sample with a thin layer of biological material is placed in slot 3 of electromagnet 2. By using a direct current source 7 or a current source 7 with a frequency from 1 mHz to 100 Hz, a homogeneous static or ultra-low or low-frequency magnetic field is generated in the slot 3 of the electromagnet 2 by supplying current to the winding of the coil 4 wound on the body 5. By subsequent measurement of the dielectric permittivity spectra of the biological material using an impedance analyzer, the frequency response of the biological material to a static or ultra-low frequency magnetic field is investigated.

Priemyselná využiteľnosťIndustrial applicability

Priemyselná využiteľnosť je zrejmá. Podľa tohto vynálezu je možné jednoducho generovať relatívne silné a homogénne magnetické polia s malým príkonom v aplikáciách pre meranie magneto-dielektrických vlastností vyvíjaných materiálov. Taktiež je možné podľa tohto vynálezu testovať a skúmať biologické materiály v podmienkach externého homogénneho magnetického poľa.The industrial applicability is obvious. According to this invention, it is possible to easily generate relatively strong and homogeneous magnetic fields with a small input power in applications for measuring the magneto-dielectric properties of developed materials. According to this invention, it is also possible to test and examine biological materials under the conditions of an external homogeneous magnetic field.

SK 50062-2021 A3SK 50062-2021 A3

Zoznam vzťahových značiekList of relationship tags

- feromagnetické jadro tvaru písmena E- ferromagnetic core in the shape of the letter E

- elektromagnet- electromagnet

3 - štrbina3 - slot

- cievka- coil

- kostrička- skeleton

- plochý nosič na vzorku- flat sample carrier

- prúdový zdroj- current source

8 - merací prístroj8 - measuring device

SK 50062-2021 A3SK 50062-2021 A3

Zoznam citovanej literatúry:List of cited literature:

[1] A. S. Semisalova, N. S. Perov, G. V. Stepanov, E. Y. Kramarenko, and A. R. Khokhlov, Soft Matter 9, 11318 (2013).[1] A. S. Semisalova, N. S. Perov, G. V. Stepanov, E. Y. Kramarenko, and A. R. Khokhlov, Soft Matter 9, 11318 (2013).

[2] R. Sahoo, M. V. Rasna, D. Lisjak, A. Mertelj, and S. Dhara, Appl. Phys. Lett. 106, 161905 (2015).[2] R. Sahoo, M. V. Rasna, D. Lisjak, A. Mertelj, and S. Dhara, Appl. Phys. Lett. 106, 161905 (2015).

[3] M. Rajnak, B. Dolnik, J. Kurimsky, R. Cimbala, P. Kopcansky, and M. Timko, J. Chem. Phys. 146, 014704 (2017).[3] M. Rajnak, B. Dolnik, J. Kurimsky, R. Cimbala, P. Kopcansky, and M. Timko, J. Chem. Phys. 146, 014704 (2017).

[4] P. Kopčanský, L. Tomčo, K. Marton, M. Koneracká, M. Timko, and I. Potočová, in J. Magn. Magn. Mater. (North-Holland, 2005), pp. 415-418.[4] P. Kopčanský, L. Tomčo, K. Marton, M. Koneracká, M. Timko, and I. Potočová, in J. Magn. Magn. Mater. (North-Holland, 2005), pp. 415-418.

[5] J. S. Choi and J. Yoo, IEEE Trans. Magn. 44, 2361 (2008).[5] J.S. Choi and J. Yoo, IEEE Trans. Magn. 44, 2361 (2008).

[6] B. D. Cullity and C. D. Graham, Introduction to Magnetic Materials (John Wiley & Sons, Inc., 2008).[6] B. D. Cullity and C. D. Graham, Introduction to Magnetic Materials (John Wiley & Sons, Inc., 2008).

[7] S. R. Trout, IEEE Trans. Magn. 24, 2108 (1988).[7] S. R. Trout, IEEE Trans. Magn. 24, 2108 (1988).

[8] N. Davy, London, Edinburgh, Dublin Philos. Mag. J. Sci. 33, 575 (1942).[8] N. Davy, London, Edinburgh, Dublin Philos. Mag. J. Sci. 33, 575 (1942).

Claims (14)

1. Zariadenie na meranie vyznačujúce sa tým, magneto-dielektrických vlastností tenkých dielektrických vrstiev, že obsahuje: Elektromagnet (2) obsahujúci: dve feromagnetické jadrá (1) tvaru E, usporiadané vonkajšími stĺpikmi tesne oproti sebe, kde stredné stĺpiky oboch feromagnetických jadier (1) sú kratšie ako vonkajšie stĺpiky tak, že medzi koncami stredných stĺpikov je vytvorená štrbina (3) o hrúbke h na prijatie plochého nosiča (6) s meranou vzorkou, kde hrúbka h musí byť menšia ako 1/8 najmenšieho rozmeru prierezu stredného stĺpika a väčšia ako 1 mm; minimálne jednu cievku (4) navinutú na aspoň časti aspoň jedného stĺpika aspoň jedného feromagnetického jadra (1) tvaru E, kde cievka obsahuje kontakty na napojenie na prúdový zdroj (7); plochý nosič (6) z elektro-izolačného materiálu, prispôsobený na vsunutie do štrbiny (3), a obsahujúci minimálne dve elektródy na pripojenie meracieho zariadenia (8), na meranie magneto-dielektrických vlastností meranej vzorky, a kde medzi elektródami je vytvorený priestor na prijatie meranej vzorky.1. A device for measuring the magneto-dielectric properties of thin dielectric layers, that it contains: An electromagnet (2) containing: two E-shaped ferromagnetic cores (1), arranged with outer posts close to each other, where the middle posts of both ferromagnetic cores (1 ) are shorter than the outer posts so that a slot (3) of thickness h is formed between the ends of the middle posts to receive the flat carrier (6) with the measured sample, where the thickness h must be less than 1/8 of the smallest cross-sectional dimension of the middle post and greater than 1 mm; at least one coil (4) wound on at least part of at least one column of at least one E-shaped ferromagnetic core (1), where the coil contains contacts for connection to a current source (7); flat carrier (6) made of electro-insulating material, adapted to be inserted into the slot (3), and containing at least two electrodes for connecting the measuring device (8), for measuring the magneto-dielectric properties of the measured sample, and where a space is created between the electrodes for acceptance of the measured sample. 2. Zariadenie podľa nároku 1, vyznačujúce sa tým, že cievka (4) je navinutá na tepelne a elektricky izolačnej kostričke (5), ktorá je osadená okolo stredného stĺpika feromagnetického jadra (1) tvaru E, pozdĺž celej dĺžky stĺpika.2. Device according to claim 1, characterized in that the coil (4) is wound on a thermally and electrically insulating shell (5), which is fitted around the middle column of the E-shaped ferromagnetic core (1), along the entire length of the column. 3. Zariadenie podľa nároku 1, v y z n a č u j ú c e s a t ý m , že elektromagnet (2) obsahuje dve cievky (4) navinuté na tepelne a elektricky izolačné kostričky (5), kde každá kostrička (5) je osadená na jednom vonkajšom stĺpiku feromagnetického jadra (1) tvaru E.3. Device according to claim 1, characterized in that the electromagnet (2) contains two coils (4) wound on thermally and electrically insulating coils (5), where each coil (5) is mounted on one outer ferromagnetic column E-shaped cores (1). 4. Zariadenie podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, v y z n a č u j ú c e s a t ý m , že feromagnetické jadrá (1) v tvare E elektromagnetu tvorí permalloy - zliatina železa a niklu - s relatívnou permeabilitou väčšou ako 50 000 alebo ferit s relatívnou permeabilitou väčšou ako 10 000.4. Device according to any of the preceding claims, characterized in that the ferromagnetic cores (1) in the E-shaped electromagnet are made of permalloy - an alloy of iron and nickel - with a relative permeability greater than 50,000 or ferrite with a relative permeability greater than 10 000. 5. Zariadenie podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, v y z n a č u j ú c e s a t ý m , že plochým nosičom (6) je rovinný kondenzátor, so vzduchovou medzerou, kde medzera tvorí priestor na prijatie meranej vzorky, prípadne kondenzátor s dielektrickou vrstvou ktorá tvorí meranú vzorku.5. Device according to any of the preceding claims, characterized in that the flat carrier (6) is a planar capacitor with an air gap, where the gap forms a space for receiving the measured sample, or a capacitor with a dielectric layer that forms the measured sample. 6. Zariadenie podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúce sa tým, že elektromagnet (2) je usporiadaný tak, že feromagnetické jadrá (1) tvaru E sú uložené nad sebou a pozdĺžna os štrbiny (3) je horizontála.6. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the electromagnet (2) is arranged in such a way that the E-shaped ferromagnetic cores (1) are placed one above the other and the longitudinal axis of the slot (3) is horizontal. 7. Zariadenie podľa nároku 6, vyznačujúce sa tým, že plochým nosičom (6) je podložné sklíčko s naparenými elektródami vo forme paralelných pásikov alebo sústredných kružníc medzi ktorými je miesto na uloženie meranej vzorky.7. Device according to claim 6, characterized in that the flat carrier (6) is a glass slide with vaporized electrodes in the form of parallel strips or concentric circles, between which there is a place for storing the measured sample. 8. Zariadenie podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúce sa tým, že plochý nosič (6) obsahuje aktívnu plochu na prijatie meranej vzorky vo forme tenkej vrstvy, a kde rozmery plochého nosiča (6) a aktívnej plochy sú také, že po zasunutí plochého nosiča (6) do štrbiny (3), prierez stredného stĺpika prekrýva celú aktívnu plochu plochého nosiča (6).8. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the flat carrier (6) contains an active surface for receiving the measured sample in the form of a thin layer, and where the dimensions of the flat carrier (6) and the active surface are such that after inserting the flat carrier (6) into the slot (3), the cross-section of the middle column covers the entire active surface of the flat carrier (6). 9. Zariadenie podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 7, vyznačujúce rozmery plochého nosiča (6) sú také, že je celý zasunuteľný do štrbiny (3).9. Device according to any one of claims 1 to 7, characterized by the dimensions of the flat carrier (6) being such that it can be fully inserted into the slot (3). 10. Zariadenie podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, v y z n a č plochý nosič (6) obsahuje úchyt na zasunutie a vysunutie zo štrbiny (3).10. The device according to any one of the preceding claims, wherein the flat carrier (6) contains a handle for insertion and removal from the slot (3). 11. Zariadenie podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, v y z n a č tým, že vonkajšie jú jú ce sa sa tým, tým, že že feromagnetické jadrá (1) tvaru E sú identické.11. The device according to any one of the preceding claims, characterized in that the ferromagnetic cores (1) of the E shape are identical. 12. Systém, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že obsahuje zariadenie podľa ktoréhokoľvek predchádzajúcich nárokov, prúdový zdroj (7) napojený na kontakty cievky (4) a minimálne jeden merací prístroj (8) na meranie magneto-dielektrických vlastností meranej vzorky pripojené na elektródy plochého nosiča (6).12. System, characterized in that it contains a device according to any of the previous claims, a current source (7) connected to the contacts of the coil (4) and at least one measuring device (8) for measuring the magneto-dielectric properties of the measured sample connected to flat carrier electrodes (6). 13. Systém podľa nároku 10, vyznačujúci sa tým, že meracím prístrojom (8) je kapacitný mostík, impedančný analyzátor, LCR meter alebo iné zariadenie, ktoré umožňuje merať komplexnú impedanciu a jej jednotlivé zložky - odpor, indukčnosť, kapacita - v závislosti od frekvencie priloženého elektrického poľa.13. System according to claim 10, characterized in that the measuring device (8) is a capacitance bridge, impedance analyzer, LCR meter or other device that allows measuring complex impedance and its individual components - resistance, inductance, capacity - depending on the frequency of the attached electric field. 14. Systém podľa nároku 13 alebo 14, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že prúdovým zdrojom (7) je regulovateľný zdroj elektrického prúdu s ultranízkymi emisiami, kde celkové harmonické skreslenie prúdu THD je menšie alebo rovné 0,1 %, výhodnejšie 0,05 % a najvýhodnejšie 0,01 %.14. The system according to claim 13 or 14, characterized in that the current source (7) is a controllable source of electric current with ultra-low emissions, where the total harmonic distortion of the current THD is less than or equal to 0.1%, more preferably 0, 05% and most preferably 0.01%.
SK50062-2021A 2021-11-30 2021-11-30 Device for measuring the magneto-dielectric properties of thin dielectric layers and a system containing this device SK500622021A3 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SK50062-2021A SK500622021A3 (en) 2021-11-30 2021-11-30 Device for measuring the magneto-dielectric properties of thin dielectric layers and a system containing this device
PCT/SK2022/050009 WO2023101614A1 (en) 2021-11-30 2022-11-10 Device for measuring the magneto-dielectric properties of thin dielectric layers and a system containing the device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SK50062-2021A SK500622021A3 (en) 2021-11-30 2021-11-30 Device for measuring the magneto-dielectric properties of thin dielectric layers and a system containing this device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
SK500622021A3 true SK500622021A3 (en) 2023-06-14

Family

ID=84688244

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SK50062-2021A SK500622021A3 (en) 2021-11-30 2021-11-30 Device for measuring the magneto-dielectric properties of thin dielectric layers and a system containing this device

Country Status (2)

Country Link
SK (1) SK500622021A3 (en)
WO (1) WO2023101614A1 (en)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3909851A1 (en) * 1989-03-25 1990-09-27 Erwin Halstrup MEASURING DEVICE
US6437563B1 (en) * 1997-11-21 2002-08-20 Quantum Design, Inc. Method and apparatus for making measurements of accumulations of magnetically susceptible particles combined with analytes
RU2011142784A (en) * 2009-03-23 2013-04-27 Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. MANIPULATION BY MAGNETIC PARTICLES IN A BIOLOGICAL SAMPLE
SG11201704183WA (en) * 2014-11-28 2017-06-29 Parker Hannifin Mfg Ltd Sensor apparatus

Also Published As

Publication number Publication date
WO2023101614A1 (en) 2023-06-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Maksymov et al. Broadband stripline ferromagnetic resonance spectroscopy of ferromagnetic films, multilayers and nanostructures
Fiorillo Measurements of magnetic materials
Knobel et al. Giant magnetoimpedance
Garaio et al. A multifrequency eletromagnetic applicator with an integrated AC magnetometer for magnetic hyperthermia experiments
Ditchburn et al. Planar rectangular spiral coils in eddy-current non-destructive inspection
Jha et al. Design of multilayered epsilon-near-zero microwave planar sensor for testing of dispersive materials
Chen et al. DC voltages in Py and Py/Pt under ferromagnetic resonance
Antonov et al. Nondiagonal impedance of amorphous wires with circular magnetic anisotropy
JP2014528147A (en) Ion trap
Hardoň et al. The magneto-dielectric anisotropy effect in the oil-based ferrofluid
Starostenko et al. Microwave properties of composites with glass coated amorphous magnetic microwires
Bajracharya et al. Resonant precession of magnetization and precession—Induced DC voltages in FeGaB thin films
Cansever et al. Investigating spin-transfer torques induced by thermal gradients in magnetic tunnel junctions by using micro-cavity ferromagnetic resonance
Ledieu et al. New achievements in high-frequency permeability measurements of magnetic materials
SK500622021A3 (en) Device for measuring the magneto-dielectric properties of thin dielectric layers and a system containing this device
Ye et al. A quantitative model for the sensitivity of untuned voltage output fluxgate sensors
Ripka et al. Symmetrical core improves micro-fluxgate sensors
US9196946B2 (en) Resonator and biosensor system including the same
Ripka et al. Multiwire core fluxgate
Rozanov et al. Analytical representations for frequency dependences of microwave permeability
Cui et al. Magnetic permeability measurement method for particle materials
Marracci et al. Study and characterization of a Rogowski coil with superparamagnetic magnetite core
Kolomeytsev et al. The Fluxgate Magnetometer Simulation in Comsol Multiphysics
O’Donnell et al. Planar fluxgate current sensor integrated in printed circuit board
Haraszczuk et al. Spectroscopic susceptibility measurements of magnetic markers by sv-gmr needle probe