автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка магнитоэлектрических датчиков магнитного поля и СВЧ мощности на основе композиционных материалов

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1 Анализ состояния исследований магнитоэлектрических материалов.

1.2 Магнитоэлектрические материалы.

1.3 Методы измерения параметров МЭ материалов.

1.4 Датчики магнитного поля.

1.5 Датчики СВЧ мощности.

1.6 Выводы, постановка задачи исследований.

ГЛАВА 2. МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В ДИАПАЗОНЕ НИЗКИХ ЧАСТОТ И СВЧ.

2.1 Магнитоэлектрическое взаимодействие в диапазоне низких частот.

2.2 Резонансный магнитоэлектрический эффект в многослойных композиционных материалах.

2.3 Магнитоэлектрическая восприимчивость композиционных материалов.

2.4 Электродипольные переходы на СВЧ.

2.5 Экспериментальные результаты.

2.6 Выводы.

ГЛАВА 3. НИЗКОЧАСТОТНЫЕ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ.

3.1 Расчет магнитной чувствительности композиционного МЭ датчика магнитного поля.

3.2 Датчик постоянного магнитного поля.

3.3 Датчик с расширенным диапазоном измерения постоянного магнитного поля.

3.4 Датчик переменного магнитного поля.

3.5 Экспериментальные результаты.

3.6 Конструкции датчиков магнитного поля.

3.6 Выводы.

ГЛАВА 4. МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ СВЧ ДИАПАЗОНА.

4.1 Расчет МЭ датчика СВЧ мощности.

4.2 Микрополосковый резонансный датчик СВЧ мощности.

4.3 Волноводный резонансный датчик СВЧ мощности.

4.5 МЭ датчик СВЧ мощности на основе тороидального резонатора.

4.6 Конструкции датчиков СВЧ мощности.

4.7 Экспериментальные результаты.

4.8 Выводы.

Приборы для контроля и измерения магнитного поля и мощности в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) находят широкое применение в науке и технике. Расширение используемых в современной технике диапазонов магнитных полей и частот стимулирует разработки новых измерительных элементов и устройств контроля. Успешное решение поставленных задач возможно лишь при глубоком и всестороннем исследовании и поиске новых физических явлений и эффектов в твёрдом теле, позволяющих создавать качественно новые радиоэлектронные компоненты и устройства твердотельной электроники [1-3].

В настоящее время широко применяются датчики магнитного поля на основе эффекта Холла, эффекта Гаусса, магниторезистивного эффекта. Обладая высокой чувствительностью и точностью, эти приборы, как правило, имеют узкий диапазон рабочих температур и низкую стойкость к воздействию радиации. В диапазоне СВЧ для измерения мощности применяются устройства, которые также имеют ряд недостатков. Так, например, калориметры отличаются сложностью конструкции, громоздкостью и инерционностью; детекторные диоды чувствительны к воздействию статического электричества и обладают низкой стойкостью к воздействию радиации. Основные недостатки болометров и термисторов -инерционность и низкая перегрузочная способность.

Одним из перспективных путей создания датчиков физических величин с широким частотным диапазоном, устойчивых к значительным механическим и электрическим нагрузкам, к воздействиям высоких температур и высоких уровней радиации, является использование объемных и многослойных композиционных магнитоэлектрических (МЭ) материалов. Керамическая технология изготовления композиционных МЭ материалов обуславливает их низкую стоимость по сравнению с монокристаллическими и поликристаллическими материалами и позволяет изготавливать датчики в микроэлектронном исполнении. В низкочастотном диапазоне композиционные МЭ материалы могут использоваться для создания датчиков постоянных и переменных магнитных полей. В диапазоне СВЧ композиционные МЭ материалы могут служить основой для создания датчиков мощности, обладающих такими свойствами, как частотная селективность, электрическая перестройка, возможность работы при высоких уровнях мощности, при которых традиционные датчики теряют работоспособность или выходят из строя.

Впервые предположение о возможности существования веществ, молекулы которых одновременно имеют электрические и магнитные дипольные моменты, а также о том, что электрическое поле может наряду с электрической поляризацией вызывать намагниченность, а магнитное -наряду с намагниченностью и электрическую поляризацию высказал профессор Московского Университета С.А.Богуславский ещё в 1916 году [4]. Однако, экспериментально магнитоэлектрический эффект (МЭЭ) в окиси хрома обнаружил Д.Н.Астров только в 1960 году [5]. В настоящее время известно уже большое число МЭ материалов и как у нас в стране, так и за рубежом продолжается поиск и исследование новых. Задача эта является достаточно актуальной, особенно в связи с тем, что в последнее время показана широкая перспектива практического использования МЭ материалов [2]. Наличие у них ряда важных для техники свойств (диэлектрических, магнитных, оптических и др.) позволяет надеяться, что на их основе могут быть созданы элементы функциональной электроники. Кроме того, вследствие существования взаимосвязи между диэлектрическими и магнитными подсистемами эти вещества могут найти принципиально новые применения. В обзоре [2] особенно отмечается перспективность использования магнитоэлектрических материалов для построения устройств, работающих в СВЧ и оптическом диапазонах. В частности, это могут быть СВЧ устройства магнитного типа, управление параметрами которых осуществляется электрическим полем.

Между тем в литературе в настоящее время практически отсутствуют сведения о свойствах МЭ материалов и разработке на их основе измерительных устройств. Учитывая перечисленные выше их преимущества, исследование МЭ материалов и построение на их основе датчиков магнитных полей и СВЧ мощности представляется весьма актуальным.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие основные задачи:

- разработать обоснованные требования к МЭ материалам по физическим параметрам и величине МЭ восприимчивости с целью построения на их основе датчиков магнитного поля и СВЧ мощности;

- разработать методы измерения параметров МЭ материалов в низкочастотном и СВЧ диапазонах и на их основе создать измерительные установки и провести экспериментальные исследования ряда композиционных МЭ материалов;

- на основе результатов исследований многослойных и объемных композиционных МЭ материалов в низкочастотном диапазоне разработать датчики для измерения постоянных и переменных магнитных полей;

- с учетом исследований композиционных МЭ материалов в диапазоне СВЧ разработать датчик СВЧ мощности;

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений.

4.8 ВЫВОДЫ.

1. Рассмотрены основные параметры и разработаны требования к МЭ материалам, использующимся в качестве чувствительных элементов датчиков мощности СВЧ диапазона.

2. Разработан метод расчета параметров микрополоскового и волноводного датчиков СВЧ мощности.

3. Предложен вариант конструкции резонансного микрополоскового датчика СВЧ мощности с чувствительностью не менее 1 мВ/Вт.

4. Предложен вариант конструкции резонансного волноводного датчика СВЧ мощности с чувствительностью не менее 0,4 мВ/Вт.

5. Предложена конструкция тороидального датчика СВЧ мощности с чувствительностью не менее 0,1 мВ/Вт.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В работе получены следующие основные результаты.

1. Разработаны обоснованные требования к композиционным МЭ материалам по физическим параметрам и величине МЭ восприимчивости с целью построения на их основе низкочастотных и СВЧ устройств.

2. Предложены методы измерения параметров МЭ материалов в диапазонах низких частот и СВЧ.

3. Предложен метод электродипольных переходов для измерения параметров МЭ материалов в СВЧ диапазоне и создана измерительная установка.

4. На основе экспериментальных результатов показано, что в диапазоне СВЧ состав МЭ материала из 5% пьезокерамики и 95% феррита является оптимальным.

5. Разработаны датчики постоянного и переменного магнитного поля на основе многослойных и объемных композиционных МЭ материалов, по своей конструкции датчики пригодны для промышленного изготовления с применением микроэлектронной технологии. При использовании образца толщиной 0,5 мм чувствительность датчика составляет не менее 1 мВ/Э, что является достаточной величиной для практического использования.

6. Разработаны микрополосковый и волноводный датчики СВЧ мощности на основе многослойных и объемных композиционных МЭ материалов. Чувствительность датчиков не менее 1мВ/Вт, что сравнимо с чувствительностью терморезисторных и болометрических измерителей мощности. Рассмотрены варианты включения датчиков мощности в СВЧ тракт. Преимущество разработанных датчиков заключается в широком диапазоне измерений СВЧ мощности величиной до 10 Вт.

7. Разработанные датчики магнитного поля и СВЧ мощности использованы при проведении НИР и в учебном процессе.

1. Magnetoelectric Interaction Phenomena in Crystals / Eds. A. J Freeman, H. Shmid. London. N.-Y. Paris: Gordon and Breach, 1975. 228 p.

2. Магнитоэлектрические материалы. Физические свойства на сверхвысоких частотах / М.И. Бичурин, В.М. Петров, Н.Н. Фомич, Яковлев Ю.М. // Обзоры по электронной технике. Сер. 6, 1985. Вып. 2 (1113). М. 80 с.

3. Bichurin M.I., Kiliba Y.V., Petrov R.V. Magnetoelectric microwave phase shifters. Proceedings of the 3rd international conference on magnetoelectric interaction phenomena in crystals (MEIPIC-3) // Ferroelectrics, 1997, V.204 №.1-4, P.311-319.

4. Богуславский C.A. Избранные труды по физике. М.: Физматгиз, 1961, 436 с.

5. Астров Д.И. Магнитоэлектрический эффект в окиси хрома. ЖЭТФ // 1961. Т. 40. №4. С. 1035-1041.

6. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. М.: Наука, 1976. 564с.

7. Дзялошинский И.Б. К вопросу о магнитоэлектрическом эффекте в антиферромагнетиках // ЖЭТФ. 1959. Т. 37. С. 881-882.

8. Folen V.J., Rado G.T., Stalder E.W. Anysotropy of the magnetoelectric effect in Cr203 // Phys. Rev. Lett. 1961. V.6. №11. P. 607-608.

9. Asher E. The interaction between magnetization and polarization: Phenomenological symmetry consideration.-J. Phys. Soc. J., 1969. V.28, suppl., P.7-14.

10. O'Dell Т.Н. The electrodynamics of magnetoelectric media. Amsterdam: North-Holland Publ. Company, 1970. 304p.

11. Смоленский Г.А., Чупис И.Е. Сегнетомагнетики // УФН. 1982. Т.137. №3. С. 415-448.

12. Leibler К., Isupow V.A., Bielska-Lewandowska Н. New two- and uhree- phase ferroelectric- ferromagnetic materials // Acta Phys.Polonica. 1971. V. A40. P. 815-827.

13. Магнитно-сегнетоэлектрическая керамика / В.А.Исупов, С.А.Кижаев, В.В.Кириллов и др. // Неорганические материалы., 1973. Т.9. №10. С. 18541855.

14. Boomgard J., Born R. A sintered magnetoelectric composite material BaTiOr Ni(Co, Mn)Fe204 // J. of Mater. Science. 1978. V. 13. P. 1538-1548.

15. Исследование ферромагнитного резонанса в системе феррит-пьезоэлектрик / М.И.Бичурин, С.Э.Софроньев, О.Г.Фомин // Актуальные проблемы получения и применения сегнето- и пьезоматериалов. М.: НИИТЭХИМ, 1981. С. 202-203.

16. Алыиин Б.И., Астров Б.Н. О магнитоэлектрическом эффекте в окиси титана Ti203 // ЖЭТФ. 1963. Т.44. №4. С. 1195-1198.

17. Bonfim A., Gehring G.A. Magnetoelectric effect in antiferromagnetic crystalls. // Advances in Physics. 1980. V. 29. № 4. P.731-769.

18. Бичурин М.И. и др. Магнитоэлектрическая восприимчивость ферримагнетиков в диапазоне СВЧ и методы измерений // Сегнетомагнитные вещества. М.: Наука. 1990. С. 67-69.

19. Бичурин М.И., Браун А.А., Килиба Ю.В., Петров В.М., Петров Р.В. Методы измерения магнитоэлектрической восприимчивости в композиционных материалах на СВЧ // 2 Веер. Н.-т. конф.: Тез. докл. Н. Новгород. НГТУ. Ч. 1, 1997. С. 22- 23.

20. Техническая электродинамика. Вольман В.И., Пименов Ю.В. / М.: Связь, 1971.488 с.

21. Основы электродинамики. Федоров Н.Н. / М.: Высш. школа. 1980. 339 с.

22. Skeie Н. Nonreciprocal Coupling with Single-Crystal Ferrites // IEEE Trans. MTT, 1964, V.12, №6. P. 587- 594.

23. Бараночников M.J1. Микромагнитоэлектроника. М.: ДМК Пресс, 2001. Т. 1 554 с.

24. Харвей А.Ф. Техника свервысоких частот / под. Ред. Л.Б.Баскакова. М.: Советское радио, 1965. Т. 1. 717 с.

25. Harshe G., Dougherty J. О., Newnham R. E. Theoretical modeling of multilayer magnetoelectric composites // Int. J. Appl. Electromagn. Mater. 4, 145 (1993).

26. Harshe G., Dougherty J. O., Newnham R. E. Theoretical modeling of 3-0/0-3 magnetoelectric composites // Int. J. Appl. Electromagn. Mater. 4, 161 (1993).

27. M. I. Bichurin, V. M. Petrov, and G. Srinivasan, in The abstracts of the reports IV conf. "Magnetoelectric Interaction Phenomena in Crystals" (Veliky Novgorod, Russia, 2001), edited by M. I. Bichurin (Novgorod State University), 62.

28. Bichurin M. I., Kornev I. A., Petrov V. M., Tatarenko A. S., Kiliba Yu.V., Srinivasan G., Phys. Rev. В 64, 094409 (2001).

29. Бичурин М.И., Петров B.M., Влияние одноосного давления на спектр магнитного резонанса в ферримагнетиках / Новгородский политехи, институт. Новгород, 1986 г. 17 с. Деп. в ВИНИТИ №588-В86.

30. Ludwig G.W., Ham F.S.Electrically induced transitionsbetween spin levels // Phys. Rev. Lett. 1962. V.8. N 5. P.210-212.

31. Bichurin M.I. et al Investigation of magnetoelectric interaction in composite. // Ferroelectrics. 1997. V. 204. P. 289 — 297.

32. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Советское радио, 1964. 695 с.

33. Бичурин М.И., Килиба Ю.В. Петров Р.В. Датчики электромагнитного поля // VIII Всеросс. Н.-т. конф.: Тез. докл. Н. Новгород. НГТУ. Т. 2, 1996. С. 324.

34. Килиба Ю.В. Петров Р.В. Магнитоэлектрические датчики // XXI Гагаринские чтения: Тез. докл. М. МГАТУ. 1996, Ч.З. С. 148.

35. Бичурин М.И., Петров В.М., Srinivasan G., Килиба Ю.В. Композиционные магнитоэлектрические датчики магнитного поля // IV Межд. НТК: Тез. докл. М.: МИЭТ, 2002. Ч. 1. С. 329.

36. Bichurin М. I., Petrov V. М., Petrov R. V., Kiliba Y.V., Bukashev F. I., Smirnov Yu., Eliseev D. N. Magnetoelectric Sensor of Magnetic Field // Ferroelectrics, 2002. V. 280, P. 199-202.

37. Влияние облучения на элементы электронных схем / Под ред. В.Н. Бочкова и С.П. Соловьева. М.: Атомиздат, 1967. 427с.

38. Patent application publication US2001/0040450 Al. Passive solid-state magnetic field sensors and applications therefore. Li et al. Pub date Nov. 15 2001.

39. United states patent. Patent number 5,675,252. Composite structured piezomagnetometer. Walter N. Podney. Pub date Oct. 7 1997.

40. Patent application publication US2001/028245 Al. Magnetic field sensors. Li et al. Pub date Oct. 11 2001.

41. A.C. 1689859 (СССР) Датчик частоты вращения. Витебское отделение института физики твердого тела и полупроводников АН БССР.

42. A.Е.Гелясин, В.М.Лалетин. заявл 10.05.1989, опубл. 07.11.1991 бюл. №14.

43. А.С. 1487618 (СССР) Датчик перемещения. Витебское отделение института физики твердого тела и полупроводников АН БССР. А.Е.Гелясин,

44. B.М.Лалетин, Л.И.Трофимович. заявл 13.11.1987.

45. Bracke L.P.M., van Vliet R.G. // Int. J. Electronics, 51, 225 (1981).

46. Srinivasan G., Rasmussen E. Т., Gallegos J., Bokhan Yu. I., Laletin V. M. Theory of magnetoelectric effects at microwave frequencies in a piezoelectric magnetostrictive multilayer composite // PHYS REV В. V 64. 094409.

47. Бичурин М.И., Петров B.M., Srinivasan G., Килиба Ю.В. Композиционные магнитоэлектрические датчики СВЧ мощности // IV межд. НТК: Тез. докл. М.: МИЭТ, 2002. Ч. 1. С. 330.

48. Bichurin М. I., Petrov V. М., Petrov R. V., Kapralov G.N., Kiliba Y.V., Bukashev F. I., Tatarenko A.S. Magnetoelectric microwave devices. // Ferroelectrics, 2002. V. 280. P. 211-218.

49. Бичурин М.И., Петров P.B., Килиба Ю.В. Магнитоэлектрический СВЧ фазовращатель // Международный форум по проблемам науки, техники и образования: Тез. докл. М. МИИГАИК, 1997. 4.2. С.77.

50. Бичурин М.И., Петров Р.В., Килиба Ю.В. Магнитоэлектрический СВЧ фазовращатель // Международный форум по проблемам науки, техники и образования: Сб. докл. М. МИИГАИК, 1997. С. 239-245.