SK500622021A3 - Zariadenie na meranie magneto-dielektrických vlastností tenkých dielektrických vrstiev a systém obsahujúci toto zariadenie - Google Patents
Zariadenie na meranie magneto-dielektrických vlastností tenkých dielektrických vrstiev a systém obsahujúci toto zariadenie Download PDFInfo
- 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
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/72—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
- G01N27/74—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables of fluids
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
- G01N27/06—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a liquid
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
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.
Description
Vynález sa týka zariadenia na testovanie magneto-dielektrických vlastností tenkých dielektrických vrstiev. Vynález sa týka oblasti monitorovacej a meracej techniky v elektrotechnike.
Doterajší stav techniky
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.
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.
Cieľom tohto vynálezu je vyhotoviť konštrukčne jednoduché, spoľahlivé a energeticky nenáročné zariadenie na meranie magneto-dielektrických vlastností tenkých dielektrických vrstiev ako aj merací systém.
Podstata vynálezu
Zariadenie na meranie magneto-dielektrických vlastností tenkých dielektrických vrstiev podľa tohto vynálezu obsahuje:
- elektromagnet ktorý obsahuje:
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;
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; 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.
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 15
SK 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.
Podľa výhodného uskutočnenia sú feromagnetické jadrá tvaru E usporiadané nad sebou tak že štrbina je uložená horizontálne - pozdĺžna os štrbiny je horizontála.
Podľa ďalšieho výhodného uskutočnenia sú feromagnetické jadrá tvaru E identické, t. j. rovnakého tvaru, rozmerov aj materiálu.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Podľa výhodného uskutočnenia je kostrička s cievkou osadená okolo stredného stĺpika feromagnetického jadra tvaru E, pozdĺž celej dĺžky stĺpika.
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.
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.
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.
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.
SK 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.
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.
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.
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.
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.
Plochý nosič výhodne obsahuje úchyt na zasunutie do a vysunutie zo štrbiny.
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.
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.
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).
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.
Meracie vodiče zabezpečujúce pripojenie elektród k meraciemu prístroju sú výhodne vyrobené technológiou, ktorá eliminuje vplyv elektromagnetickej interferencie okolia.
Následne bude opísaný spôsob fungovania zariadenia a systému podľa tohto vynálezu:
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.
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.
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.
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.
Vďaka malým rozmerom zariadenia môže byť systém použitý na generovanie homogénneho magnetického poľa pre výskum magneto-dielektrických vlastností materiálov pri nízkych teplotách, napríklad
SK 50062-2021 A3 ponorením celého systému do kvapalného dusíka.
Prehľad obrázkov na výkresoch
Na obrázku 1 je zobrazený perspektívny pohľad na rozložené feromagnetické jadrá tvaru písmena E
Na obrázku 2 je zobrazený perspektívny pohľad na jadro elektromagnetu v zloženom stave.
Na obrázku 3 je zobrazený čiastočný rez feromagnetickým jadrom tvaru E a cievkou umiestnenou na strednom stĺpci jadra.
Na obrázku 4 je zobrazený prierez feromagnetickým jadrom v zloženom stave s plochým nosičom vloženým do štrbiny.
Na obrázku 5 je zobrazený horný pohľad na feromagnetické jadro a kostru, na ktorej je navinutá cievka s prívodmi pripojenými na zdroj elektrického prúdu.
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.
Príklady uskutočnenia vynálezu
Príklad 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.
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.
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.
Príklad 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.
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.
Príklad 3
V tomto príklade môže byť systém využitý na vyvolanie a detekciu Fréederickszových fázových prechodov vo feronematických kvapalných kryštáloch.
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 odozva
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.
Príklad 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.
Príklad 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.
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.
Priemyselná využiteľnosť
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.
SK 50062-2021 A3
Zoznam vzťahových značiek
- feromagnetické jadro tvaru písmena E
- elektromagnet
3 - štrbina
- cievka
- kostrička
- plochý nosič na vzorku
- prúdový zdroj
8 - merací prístroj
SK 50062-2021 A3
Zoznam citovanej literatúry:
[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).
[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.
[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).
[7] S. R. Trout, IEEE Trans. Magn. 24, 2108 (1988).
[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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
9. Zariadenie podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 7, vyznačujúce rozmery plochého nosiča (6) sú také, že je celý zasunuteľný do štrbiny (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).
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.
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).
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.
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 %.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SK50062-2021A SK500622021A3 (sk) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | Zariadenie na meranie magneto-dielektrických vlastností tenkých dielektrických vrstiev a systém obsahujúci toto zariadenie |
| 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 (sk) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | Zariadenie na meranie magneto-dielektrických vlastností tenkých dielektrických vrstiev a systém obsahujúci toto zariadenie |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| SK500622021A3 true SK500622021A3 (sk) | 2023-06-14 |
Family
ID=84688244
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SK50062-2021A SK500622021A3 (sk) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | Zariadenie na meranie magneto-dielektrických vlastností tenkých dielektrických vrstiev a systém obsahujúci toto zariadenie |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| SK (1) | SK500622021A3 (sk) |
| WO (1) | WO2023101614A1 (sk) |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3909851A1 (de) * | 1989-03-25 | 1990-09-27 | Erwin Halstrup | Messvorrichtung |
| 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 |
| US9410948B2 (en) * | 2009-03-23 | 2016-08-09 | Koninklijke Philips N.V. | Manipulation of magnetic particles in a biological sample |
| EP3349000B1 (en) * | 2014-11-28 | 2019-11-13 | Parker Hannifin Manufacturing Limited | Sensor apparatus |
-
2021
- 2021-11-30 SK SK50062-2021A patent/SK500622021A3/sk unknown
-
2022
- 2022-11-10 WO PCT/SK2022/050009 patent/WO2023101614A1/en unknown
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 | |
| 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 | |
| Antonov et al. | Nondiagonal impedance of amorphous wires with circular magnetic anisotropy | |
| JP2014528147A (ja) | イオントラップ | |
| Basharat et al. | Design and analysis of multilayer solenoid coil for faraday modulator | |
| 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 | |
| Ledieu et al. | New achievements in high-frequency permeability measurements of magnetic materials | |
| SK500622021A3 (sk) | Zariadenie na meranie magneto-dielektrických vlastností tenkých dielektrických vrstiev a systém obsahujúci toto zariadenie | |
| Warshi et al. | Design and development of a fully automated experimental setup for in situ temperature dependent magneto-dielectric measurements | |
| Ye et al. | A quantitative model for the sensitivity of untuned voltage output fluxgate sensors | |
| Ripka et al. | Symmetrical core improves micro-fluxgate sensors | |
| US20160274199A1 (en) | Susceptometer and process for determining magnetic susceptibility | |
| 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 | |
| Chaudhuri et al. | Broad band magnetotransport at room temperature in La0. 7Sr0. 3− xCaxMnO3: Electrically detected magnetic resonances | |
| Marracci et al. | Study and characterization of a Rogowski coil with superparamagnetic magnetite core | |
| Haraszczuk et al. | Spectroscopic susceptibility measurements of magnetic markers by sv-gmr needle probe | |
| O’Donnell et al. | Planar fluxgate current sensor integrated in printed circuit board |