6.3. Магнитоэлектрические устройства твердотельной электроники

Низкочастотные датчики магнитного поля

Одним из перспективных направлений использования композиционных феррит-пьезоэлектрических материалов является создание датчиков физических величин с широким частотным диапазоном. Керамическая технология изготовления композиционных материалов обуславливает их низкую стоимость по сравнению с монокристаллическими и поликристаллическими материалами и позволяет изготавливать датчики в микроэлектронном исполнении.

Комплексные исследования слоистых МЭ композитов на основе терфенола и пьезокерамики ЦТС проведены Viehland et al [150-153]. Авторы использовали метод эквивалентных схем для анализа МЭ эффекта в трехслойных структурах и предложили варианты конструкций МЭ датчиков магнитного поля.

В качестве примеров МЭ устройств можно указать датчики постоянного и переменного магнитного поля на основе многослойных и объемных композиционных МЭ материалов, пригодные для промышленного изготовления с применением микроэлектронной технологии [114-115, 117, 118, 120, 122]. Основу датчика постоянного магнитного поля (рис 6.1) составляет диск из многослойного композиционного МЭ материала, на торцы которого нанесены токопроводящие обкладки, служащие для измерения напряжения, индуцированного в результате МЭ взаимодействия. МЭ материал помещается на подложку, на обратной стороне которой сформирована подмагничивающая катушка, создающая импульсное магнитное поле напряженностью 10 Э. Для создания импульсного подмагничивающего поля использовался стандартный генератор прямоугольных импульсов, частота импульсов от 10 Гц до 1 кГц. При помещении такого датчика в постоянное магнитное поле и при подаче на подмагничивающую катушку импульса тока на обкладках МЭ материала возникал импульс напряжения, пропорциональный величине измеряемого постоянного поля. Подмагничивающая катушка должна иметь хороший тепловой контакт с подложкой, что позволит уменьшить ее габариты за счет пропускания импульсных токов значительной величины.

Рис. 6.1. Датчик постоянного магнитного поля. 1. Обкладка МЭ материала. 2. Подложка. 3. МЭ материал. 4. Подмагничивающая катушка.

Для расширения диапазона измеряемых постоянных магнитных полей можно применить датчик с двумя чувствительными МЭ элементами. Основу датчика (рис 6.2) составляют два диска из композиционного МЭ материала, на торцы которых нанесены токопроводящие обкладки, служащие для измерения напряжения, индуцированного в результате МЭ взаимодействия.

МЭ материал помещается на подложку, на которой сформирована подмагничивающая катушка, создающая импульсное магнитное напряженностью 10 Э.При помещении такого датчика в постоянное магнитное поле и при подаче на подмагничивающую катушку импульса тока на обкладках МЭ элементов возникнет импульс напряжения, пропорциональный по величине измеряемому постоянному полю. Подмагничивающая катушка должна иметь хороший тепловой контакт с подложкой, что позволит уменьшить ее габариты за счет пропускания импульсных токов значительной величины.

Особенностью датчика постоянного магнитного поля, показанного на рис. 6.2 является применение второго МЭ элемента, расположенного на другой стороне подложки. При таком расположении МЭ элементов они находятся в одинаковых условиях, то есть можно считать, что подмагничивающее поле и измеряемое поле в этих элементах одинаковы. В данном датчике используются два МЭ элемента, с различным содержанием пьезокерамики, при этом насыщение двух элементов датчика происходит при разных величинах поля (рис. 6.2). Также желательно, чтобы максимальное выходное напряжение было одинаковым. Перед применением датчик калибруется, при этом одновременно измеряются напряжения на обоих элементах датчика. О величине измеряемого поля можно судить по величине выходного напряжения первого и второго элементов. В табл. 6.1 приведены зависимости выходного напряжения первого и второго элементов датчика (рис. 6.2) от постоянного магнитного поля, объясняющие принцип работы датчика.

Таблица 6.1

Зависимость выходного напряжения первого и второго элементов датчика (рис.6.2) от постоянного магнитного поля.

Выходное напряжение	Напряженность магнитного поля, Э.
	900	1020	2600	3000
Uвых1, В.	0,35	0,4	0,5	0,4
Uвых2, В.	0,4	0,45	0,4	0,3

Каждой величине внешнего постоянного магнитного поля соответствует своя пара значений U_вых1 и U_вых2 . В качестве примера на рис. 6.3 графически показаны значения полей и напряжений, при напряжении на одном из элементов 0,4 В.

При проведении измерений с помощью предложенного датчика одновременно измеряется напряжение на элементе 1 и на элементе 2, измеренные напряжения сравниваются. Величина измеряемого постоянного магнитного поля рассчитывается по выходному напряжению элемента 1, пока напряжение на элементе 1 будет меньше напряжения на элементе 2 (кривые до точки А). Если напряжение на элементе 2 будет меньше напряжения на элементе 1, то величина поля рассчитывается по напряжению элемента 2 (кривые после точки А).Точка А, указанная на рис.3.6., соответствует полю, при котором выходные напряжения двух МЭ элементов равны.

Рис. 6.2. Конструкция датчика постоянного поля с двумя МЭ элементами для расширения диапазона измеряемого магнитного поля. 1. Обкладка МЭ элемента. 2. Подложка. 3. МЭ элемент.4. Подмагничивающая катушка. 5. МЭ элемент.

Рис. 6.3. Применение двух МЭ элементов для расширения диапазона измеряемого магнитного поля.

Магнитоэлектрические устройства СВЧ диапазона

Перспективной областью применения МЭ взаимодействия является создание СВЧ устройств на его основе. В частности, сдвиг линий магнитного резонанса под действием электрического поля, может быть использован для построения электрически управляемых модуляторов, переключателей, фильтров, датчиков мощности, фазовращателей и невзаимных устройств (вентилей, циркуляторов). Прототипами этих устройств могут служить соответствующие резонансные ферритовые приборы [121] при условии замены магнитной управляющей системы на систему электродов, подключенных к источнику управляющего напряжения. Сочетание свойств ферритов и сегнетоэлектриков, а также свойств, обусловленных МЭ взаимодействием, открывают широкое функциональные возможности для устройств на основе композиционных феррит-пьезоэлектрическихматериалов. В ряде случаев использование МЭ материалов может позволить улучшить технико-экономические характеристики приборов. В [51] отмечается, что использование МЭ - материалов позволяет:

· повысить быстродействие благодаря меньшей инерционности управляющей системыи меньшего времени релаксации в материале;

· снизить мощность, потребляемую в цепи управления, поскольку при управлении электрическим полем энергия потребляется практически в момент переключения;

· избавить от наводок, неизбежно возникающих при управлении магнитным полем;

· осуществить развязку цепей управления одновременно электрическим и магнитным полями;

· упростить конструкцию и технологию изготовления приборов, перейти к интегральным устройствам управления;

· расширить функциональные возможности СВЧ - приборов;

· создать принципиально новые приборы.

На СВЧ МЭ эффект сильнее всего проявляется в виде сдвига резонансной линии ФМР под действием управляющего электрического поля [86, 114], и большинство предложенных конструкций работает именно на этом эффекте [29, 51]. На рис. 6.4 представлена конструкция резонансного аттенюатора на рабочую частоту 4ГГц. Основой конструкции аттенюатора является микрополосковая линия передачи (МПЛ) на составной подложке: диэлектрик ФЛАН?5 (e=5) и доскообразный образец композита состава ЦТС – никель-цинковая шпинель толщиной 1мм и диаметром 5мм. Особое внимание уделено согласованию волновых сопротивлений микрополосковых линий в окрестности МЭ резонатора. В объеме МЭ резонатора при помощи шлейфов 0,125 и 0,375длины волны создается круговая поляризация магнитного поля. Для подстройки аттенюатора на концах шлейфов включены конденсаторы переменной емкости.Подстроечные конденсаторы предназначены для точной подстройки электрической длины шлейфов 0,125 и 0,375 длины волны, для формирования круговой поляризации магнитного поля. Постоянный магнит создает в объеме МЭ резонатора необходимое магнитное поле, к управляющим электродам подводится управляющее высокое напряжение. Основным элементом резонансных МЭ СВЧ устройств является МЭ СВЧ резонатор, представляющий собой диск из композиционного многослойного феррит-сегнетоэлектрического материала.Исходя из анализа работы МЭ СВЧ устройств, можно сформулировать требования к параметрам МЭ резонатора:

а) габаритные размеры: толщина диска 0,25¸0,5мм, диаметр 3¸5мм;
б) тангенс угла диэлектрических потерь 10^-2¸10^-3
в) диэлектрическая проницаемость 10¸20;
г) ширина линии ФМР DHr=10¸100 Э;
д) резонансный МЭ эффект (величина сдвига линии ФМР) при Е=100 кВ\см DH_E=10¸100 Э
е)собственнаядобротностьQ₀=100¸1000.

Рис. 6.4. Микрополосковый МЭ резонансный аттенюатор 1 - МЭ резонатор; 2 - подложка; 3 - конденсаторы; 4 – подстроечные конденсаторы; 5 - постоянный магнит; 6 - управляющие электроды; 7 - МПЛ

В основе работы аттенюатора лежит явление резонансного МЭ эффекта. Для наблюдения ФМР к МЭ резонатору прикладывается подмагничивающее поле. При приложении напряжения на электроды, расположенные на торцах МЭ резонатора, вследствие резонансного МЭ эффекта происходит сдвиг линии ФМР, и реализуется электрическая перестройка.

Для расчета аттенюатора применяется метод эквивалентных схем. Сущность метода заключается в следующем: МЭ

резонатор представляется в виде колебательной системы, связанной с линией передачи. Степень связи характеризуется коэффициентами отражения, прохождения и поглощения электромагнитной энергии СВЧ. Из преимуществ метода следует отметить его наглядность и хорошую физическую осмысленность результатов, относительную вычислительную простоту, возможность применения математического аппарата матричной алгебры. Ограничения метода связаны прежде всего с тем, что размеры МЭ резонатора вдоль оси линии передачи ограничены 3…5% длины электромагнитной волны, а соотношения между падающей и отражённой волнами определяются только с учётом волны основного типа на большом расстоянии от МЭ резонатора там, где нераспространяющиеся волны затухают до пренебрежимо малых значений.

Возможны несколько основных схем включения МЭ резонаторов в микрополосковые устройства:

а) МЭ резонатор включается как неоднородность в согласованную линию передачи;
б) МЭ резонатор включается как элемент связи двух линий передачи. Связь между входной и выходной линиями передачи осуществляется на резонансной частоте;
в) МЭ резонатор включается как неоднородность в короткозамкнутой линии передачи;
г) комбинированная схема включения, где резонатор включен в линию передачи одновременно как элемент связи и как неоднородность.

Для устройства, рассмотренного в настоящей работе, МЭ резонатор представляется колебательным контуром Ro-L2-C, связанным индуктивно через L1 с линией передачи с волновым сопротивлением Ztl. Эквивалентная схема включения МЭ резонатора приведена на рисунке 6.5.

Рис. 6.5. Эквивалентная схема МЭ резонатора, включенного в МПЛ

При создании аттенюатора наилучший результат получается при невзаимной связи резонатора с МПЛ, то есть в случае, когда внешняя выходная добротность резонатора равна нулю. Для случая невзаимной связи МЭ резонатора с МПЛ соотношения для коэффициента прохождения ½Т½, фазы Dj и поглощения Х имеют вид:

(6.1)

где К - коэффициент связи МЭ резонатора с линией передачи, x - нормированная расстройка магнитного поля от резонансного значения:

(6.2)

где Н_р - значение резонансного поля для данной частоты;
Н₀ - постоянное подмагничивающее поле;
DН - полуширина резонансной кривой МЭ образца;
DН_Е-индуцированное магнитное поле посредством МЭ взаимодействия.

При критической связи МЭ резонатора с МПЛ (К=1) формулы (6.1) принимают вид

(6.3)

Коэффициент связи МЭ резонатора с МП линией при y_o=h/2 :

(6.4)

где V_ф ? объем резонатора, мм³,

c^’’_р ? магнитная восприимчивость при резонансе,
z_л - волновое сопротивление линии передачи, Ом,
z₀ ? волновое сопротивление свободного пространства (120p), Ом,
h - толщина подложки, мм,
l_в ? длина волны в МПЛ, мм,
e - эффективная относительная диэлектрическая проницаемость, учитывающая диэлектрические свойства составной подложки.

На рисунке 6.3 представлена зависимость вносимого затухания от нормированной расстройки электрического поля.

Рис. 6.6. Зависимость затухания от нормированной расстройки

При помощи подстроечных «укорачивающих» емкостей можно получить невзаимную связь МЭ резонатора с МПЛ, а также скорректировать коэффициент связи резонатора и МПЛ.

Наилучшие результаты были получены при использовании слоистых композитов ЦТС и Ni_0.5Zn_0.5Fe₂O₄. Под действием управляющего электрического поля сдвиг линии ФМР достигает 20 Э при полуширине линии ФМР около 200 Э. Расстройка подмагничивающего поля относительно резонансного составляла 10?20 Э. Вносимое аттенюатором затухание при перестройке электрическим полем меняется в пределах от 5 дБ до 11 дБ.

В данной работе установлено (п. 4), что наблюдаемая величина сдвига резонансного магнитного поля для слоистого композита состава монокристаллический ЖИГ – монокристаллический PMN-PT, равная 3200 А/м в постоянном электрическом поле 8 кВ/см позволяет реализовать перечисленные выше преимущества устройств на МЭ композитах [86, 114]. Резонансная частота гиромагнитного резонатора, изготовленного из слоистого композита состава монокристаллический ЖИГ – монокристаллический PMN-PT, позволяет реализовать электрическую перестройку резонансной частоты на величину, значительно превышающую ширину линии магнитного резонанса.

В качестве примера рассмотрим проходной волноводный фазовращатель (рис. 6.7), представляющий собой отрезок волновода, в области круговой поляризации которого расположен резонатор на основе МЭ композита [51]. Резонатор помещен в резонансное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом, и выполнен из МЭ композита в форме диска, на обе плоскости которого нанесены электроды. Электроды

Рис. 6.7. Волноводный фазовращатель: 1 – МЭ композит; 2 - электроды; 3 - волновод.

подключены к источнику управляющего напряженияс помощью тонких проводников, расположенных параллельно широким стенкам волновода.

Рабочая точка на фазовой характеристике устройства выбирается в области максимальной крутизны дисперсионной кривой вне резонансной области. Переменную составляющую намагниченности создает электрическое поле, приложенное к образцу, посредством МЭ эффекта. При этом приведенный выше сдвиг линии ФМР 3200 А/м в электрическом поле 8 кВ/см при ширине линии ФМР 320 А/м достаточен для получения изменения фазы прошедшей волны равного π/2.

В работе установлено, что сдвиг линии ФМР композита состава монокристаллический ЖИГ – монокристаллический PMN-PT в переменном электрическом поле 80 В/см на частоте электромеханического резонанса составил 3200 А/м при ширине линии ФМР 320 А/м, что позволяет рекомендовать композит указанного состава для создания электрически перестраиваемых устройств твердотельной электроники. При этом напряженность переменного управляющего электрического поля может быть уменьшена приблизительно в 100 раз по сравнению с постоянным управляющим полем.

МЭ взаимодействие в области магнитоакустического резонанса может использоваться для управления параметрами ФМР спомощью электрического поля.

предыдущий раздел | содержание| следующий раздел

Поиск в журналах РАЕ:

Авторы Публикации