RU193362U1

RU193362U1 - PLANAR MAGNETOELECTRIC MAGNETIC FIELD SENSOR

Info

Publication number: RU193362U1
Application number: RU2019125184U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Алексеевич Бурдин; Юрий Константинович Фетисов; Дмитрий Владимирович Чашин; Николай Андреевич Экономов; Александр Иванович Стогний
Priority date: 2019-08-08
Filing date: 2019-08-08
Publication date: 2019-10-28

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в различных областях науки и промышленности для измерения постоянных магнитных полей. Предложен планарный магнитоэлектрический датчик магнитного поля, содержащий пьезоэлектрическую пластину с электродами, на поверхность которой последовательно нанесены: первый диэлектрический слой, первый проводящий слой, второй диэлектрический слой, слой магнитострикционного материала, третий диэлектрический слой и второй проводящий слой, при этом проводящие слои электрически соединены на одном конце. Полезная модель обеспечивает возможность выполнения конструкции, позволяющей использовать методы интегральной технологии для изготовления датчика. 3 ил.The utility model relates to the field of measurement technology and can be used in various fields of science and industry to measure constant magnetic fields. A planar magnetoelectric magnetic field sensor is proposed, comprising a piezoelectric plate with electrodes on the surface of which are successively applied: a first dielectric layer, a first conductive layer, a second dielectric layer, a magnetostrictive material layer, a third dielectric layer and a second conductive layer, while the conductive layers are electrically connected to one end. The utility model provides the ability to perform a design that allows you to use the methods of integrated technology for the manufacture of the sensor. 3 ill.

Description

Область техники, к которой относится полезная модельThe technical field to which the utility model relates.

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в различных областях науки и промышленности для измерения постоянных магнитных полей.The utility model relates to the field of measurement technology and can be used in various fields of science and industry to measure constant magnetic fields.

Уровень техникиState of the art

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели (прототипом) является магнитоэлектрический датчик постоянных магнитных полей, описанный в документе [Петрова Р.В. и др. Магнитоэлектрический магнетометр / Вестник Новгородского государственного университета, 2013, Т.1, №75, с. 29-32]. Известный датчик содержит пьезоэлектрическую пластину с электродами на поверхности, две пластины из магнитострикционного материала, механически связанные с указанной пьезоэлектрической пластиной, и катушку возбуждения. Указанное устройство работает следующим образом. При воздействии на такой датчик переменного магнитного поля возбуждения и постоянного магнитного поля Н между электродами пьезоэлектрика вследствие комбинации магнитострикции и пьезоэлектричества генерируется переменное электрическое напряжение, амплитуда которого пропорциональна полю u~Н, что и используется для измерения поля.Closest to the proposed utility model (prototype) is a magnetoelectric constant magnetic field sensor described in the document [R. Petrova et al. Magnetoelectric magnetometer / Bulletin of Novgorod State University, 2013, V.1, No. 75, p. 29-32]. The known sensor contains a piezoelectric plate with electrodes on the surface, two plates of magnetostrictive material, mechanically connected with the specified piezoelectric plate, and an excitation coil. The specified device operates as follows. When such a sensor is exposed to an alternating magnetic field of excitation and a constant magnetic field H between the electrodes of the piezoelectric, due to a combination of magnetostriction and piezoelectricity, an alternating electric voltage is generated whose amplitude is proportional to the field u ~ H, which is used to measure the field.

Недостатком известного датчика является исполнение источника возбуждения в виде объемной электромагнитной катушки, что не позволяет использовать методы интегральной технологии для изготовления датчика.A disadvantage of the known sensor is the execution of the excitation source in the form of a volume electromagnetic coil, which does not allow the use of methods of integrated technology for the manufacture of the sensor.

Раскрытие сущности полезной моделиUtility Model Disclosure

Предлагаемая полезная модель направлена на решение технической задачи по устранению этого недостатка прототипа.The proposed utility model is aimed at solving the technical problem of eliminating this drawback of the prototype.

При этом технический результат заключается в возможности выполнения конструкции, позволяющей использовать методы интегральной технологии для изготовления датчика.In this case, the technical result consists in the possibility of performing a design that allows using the methods of integrated technology for the manufacture of the sensor.

Технический результат достигается тем, что планарный магнитоэлектрический датчик магнитного поля содержит пьезоэлектрическую пластину с электродами, на поверхность которой последовательно нанесены: первый диэлектрический слой, первый проводящий слой, второй диэлектрический слой, слой магнитострикционного материала, третий диэлектрический слой и второй проводящий слой, при этом проводящие слои электрически соединены на одном конце.The technical result is achieved by the fact that a planar magnetoelectric magnetic field sensor contains a piezoelectric plate with electrodes on the surface of which are successively deposited: a first dielectric layer, a first conductive layer, a second dielectric layer, a magnetostrictive material layer, a third dielectric layer and a second conductive layer, while the layers are electrically connected at one end.

Указанные признаки предлагаемой полезной модели являются существенными и совокупность этих признаков достаточна для получения требуемого технического результата.The indicated features of the proposed utility model are significant and the combination of these features is sufficient to obtain the required technical result.

Описание чертежей и осуществление полезной моделиDescription of drawings and implementation of utility model

На фиг. 1 показана конструкция заявляемой полезной модели. Планарный магнитоэлектрический датчик содержит пьезоэлектрическую пластину 1 с электродами 2 на поверхностях, диэлектрические слои 3, слой магнитострикционного материала 4 и два проводящих слоя 5, электрически соединенных на одном конце. Все слои и пьезоэлектрическая пластина механически связаны друг с другом.In FIG. 1 shows the design of the claimed utility model. The planar magnetoelectric sensor contains a piezoelectric plate 1 with electrodes 2 on the surfaces, dielectric layers 3, a layer of magnetostrictive material 4 and two conductive layers 5, electrically connected at one end. All layers and the piezoelectric plate are mechanically connected to each other.

Представленная конструкция не является единственно возможной, но обеспечивает получение требуемого технического результата.The presented design is not the only possible, but provides the desired technical result.

Работает устройство следующим образом. Через проводящие слои 5 от внешнего источника пропускают переменный электрический ток I с частотой ƒ. Электрический ток создает между проводящими слоями 5 переменное магнитное, которое воздействует на слой магнитострикционного материала 4. Это магнитное поле вызывает деформацию магнитострикционного материала, которая передается пьезоэлектрической пластине 1. В результате между электродами 2 пьезоэлектрической пластины 1 генерируется электрическое напряжение u с той же частотой ƒ. При воздействии на датчик внешнего магнитного поля Н, направленного в плоскости структуры вдоль ее длинной оси, амплитуда напряжения и линейно растет с увеличением Н, что и используется для измерения поля.The device operates as follows. Through the conductive layers 5 from an external source an alternating electric current I with a frequency ƒ is passed. The electric current creates an alternating magnetic current between the conducting layers 5, which acts on the magnetostrictive material layer 4. This magnetic field causes a deformation of the magnetostrictive material, which is transmitted to the piezoelectric plate 1. As a result, an electric voltage u is generated between the electrodes 2 of the piezoelectric plate 1 with the same frequency ƒ. When the sensor is exposed to an external magnetic field H directed in the plane of the structure along its long axis, the voltage amplitude increases linearly with increasing H, which is used to measure the field.

Для подтверждения осуществления настоящей полезной модели был изготовлен макет планарного магнитоэлектрического датчика поля. Пьезоэлектрическая пластина была изготовлена из керамики марки ЦТС-19 с электродами и имела размеры 25 мм × 5 мм × 0,22 мм. Поверхности пластины были покрыты диэлектрическим слоем толщиной ~1 мкм. В качестве магнитострикционного материала использовали аморфный сплав состава FeBSiC (Metglas 2605SA1). Слой магнитострикционного материала имел размеры 25 мм × 5 мм и толщину 20 мкм. Поверхность слоя магнитострикционного материала была покрыта слоем диэлектрика толщиной ~1 мкм. Затем на поверхности слоя магнитострикционного материала с обоих сторон были нанесены проводящие слои из меди размерами 24 мм × 4 мм и толщиной ~2 мкм. Проводящие слои были электрически соединены с одного конца. Описанная конструкция может быть изготовлена методами интегральной технологии.To confirm the implementation of this utility model, a mock-up of a planar magnetoelectric field sensor was made. The piezoelectric plate was made of ceramic of the TsTS-19 brand with electrodes and had dimensions of 25 mm × 5 mm × 0.22 mm. The plate surfaces were coated with a dielectric layer ~ 1 μm thick. An amorphous alloy of the composition FeBSiC (Metglas 2605SA1) was used as a magnetostrictive material. The magnetostrictive material layer was 25 mm × 5 mm and a thickness of 20 μm. The surface of the magnetostrictive material layer was coated with a ~ 1 μm thick dielectric layer. Then, conductive layers of copper with dimensions of 24 mm × 4 mm and a thickness of ~ 2 μm were deposited on both sides of the layer of magnetostrictive material. The conductive layers were electrically connected at one end. The described design can be made by integrated technology.

На фиг. 2 приведена измеренная зависимость амплитуды генерируемого напряжения u от напряженности постоянного магнитного поля Н при амплитуде возбуждающего тока I=100 мА и частоте тока ƒ=3,5 кГц. Видно, что в области малых полей Н<15 Э зависимость примерно линейна, что и определяет диапазон рабочих полей макета изготовленного датчика. Чувствительность датчика к магнитному полю составляла S=u/Н≈1,8 мВ/Э. Напряжение шума равнялось u_шум ≈0,1 мВ. Отсюда получаем минимальное детектируемое поле Н_мин=u_шум/S≈0,05 Э.In FIG. Figure 2 shows the measured dependence of the amplitude of the generated voltage u on the intensity of the constant magnetic field H at the amplitude of the exciting current I = 100 mA and the current frequency ƒ = 3.5 kHz. It can be seen that in the region of small fields H <15 Oe, the dependence is approximately linear, which determines the range of working fields of the model of the manufactured sensor. The sensitivity of the sensor to the magnetic field was S = u / Н≈1.8 mV / Oe. The noise voltage was equal to u _noise ≈0.1 mV. From here we obtain the minimum detectable field N _min = u _noise / S≈0.05 E.

На фиг. 3 показана зависимость напряжения u, генерируемого изготовленным датчиком, от тока через возбуждения I при постоянном поле Н=15 Э.In FIG. Figure 3 shows the dependence of the voltage u generated by the manufactured sensor on the current through excitations I at a constant field H = 15 Oe.

Claims

A planar magnetoelectric magnetic field sensor containing a piezoelectric plate with electrodes, characterized in that the surface of the piezoelectric plate is sequentially deposited: a first dielectric layer, a first conductive layer, a second dielectric layer, a magnetostrictive material layer, a third dielectric layer and a second conductive layer, wherein the layers are electrically connected at one end.