Feromagnetické sklom potiahnuté mikrodrôty a ich aplikácie v senzorovej technike

Feromagnetické sklom potiahnuté mikrodrôty a ich aplikácie v senzorovej technike RNDr. Eva Komová, PhD. O b s a h : 1. Úvod 2. Charakteristika mikrodrôtov 3. Využitie magnetických vlastností mikrodrôtov pri konštrukcii senzorov 4. Záver 1

1. Úv o d Feromagnetické sklom potiahnuté mikrodrôty kompozitné materiály: Kovové jadro priemeru 1-20 µm Sklenený obal hrúbky 2-20 µm Výroba: Taylorova Ulitovského metóda v jednom kroku z 0,25 g zliatiny 10 km drôtu vákuová pumpa sklenená trubička 20 μm zliatina G. Herzer et al.: JMMM 294 (2005) 252-266 tavenie chladiaca voda vzorka navíjanie 2 V.N. Parkhachev: Installation for production of glass insulated microwire directly from liquid metal US patent 3,256,584

2. Ch a ra k te ris tik a m ik ro d rô to v Fyzikálne vlastnosti magnetických mikrodrôtov ovplyvňuje: 1. Chemické zloženie materiálu jadra (magneticky tvrdé resp. magneticky mäkké) 2. Distribúcia mechanických napätí v mikrodrôte 3. Štruktúra materiálu (amorfná, resp. nanokryštalická, kryštalická): a) amorfné nízka anizotropia b) nanokryštalické anizotropia vzrastie, klesá magnetostrikcia 4. Geometria: a) tvarová anizotropia: priemer drôtu dlžka µm mm pomer demagnetizačných faktorov v rôznych význačných smeroch drôtu: axiálny smer - demagnetizačný faktor najmenší b) vzájomný pomer hrúbky skleneného obalu drôtu a jadra 3

2. 1 Am o rfn é m ik ro d rô ty Magnetické vlastnosti: určené magnetoelastickou a tvarovou anizotropiou magnetoelastická anizotropia z magnetoelastickej interakcie magnetických momentov s mechanickými napätiami Distribúcia mechanických napätí v mikrodrôte: Axiálne Radiálne σ radiálne σ axiálne indukované ťahaním a prudkým chladením + dôsledok rôznych teplotných koeficientov rozťažnosti kovového jadra a skleneného obalu R. Varga: Habilitačná práca PF UPJŠ Košice (2009) Vzájomné pôsobenie mechanických a magnetických stavov magnetostrikcia λs 4

2. 1 Magnetostrikcia λs (Typické zloženie) Am o rfn é m ik ro d rô ty Najvýhodnejš ia orientácia mag netických momentov Magnetická anizotropia Doménová š truktúra Hysterézna slučka VEĽKÁ KLADNÁ (Fe75Si15B10) v smere prevládajúcich napätí axiálna λ>0 Bistabilná VEĽKÁ ZÁPORNÁ kolmo na mechanické (axiálne + radiálne) napätie cirkulárna λ<0 (Co71Fe4Si15 B10) MALÁ extrémne nízka λ 0 (Co66Fe4Si7,5B12.5) Zhukova et al.: The Open Materials Science Journal (2007) Volume 1 5 M. Vázquez and A. Hernando: J. Phys. D: Appl. Phys. 29 (1996) 939 949. Printed in the UK

2. 1 vysoká citlivosť amorfného feromagnetického materiálu jadra na externé podnety Am o rfn é m ik ro d rô ty využitie v senzorovej technike Magnetické javy využiteľné na konštrukciu senzorov 1. Zmeny magnetickej susceptibility vplyvom externého magnetického poľa, teploty a mechanického napätia 2. Závislosť kritického poľa (premagnetizačného ) od externých parametrov 3. GMI efekt 6

Senzory na báze zmien magnetickej susceptibility χ = M H H (A/m) λs malá susceptibilita λs veľká záporná susceptibilita susceptibilita λs veľká kladná citlivosť materiálu na externé magnetické pole H H (A/m) H (A/m) M. Ipatov, R. Varga et al.: Journal Noncrystal. Solids 353 (2007) 7

Senzory na báze zmien magnetickej susceptibility v závislosti od externého magnetického poľa 1. Schematické zobrazenie konštrukcie senzoru magnetického poľa 1. Senzory statické: mikrodrôt upevnený v konštrukcii senzora sníma zmenu magnetického poľa H Snímacia cievka Mikrodrôt V Budiaca cievka -detekcia externého magnetického poľa -prekročenie kritického magnetického poľa -po pripojení výstupu z voltmetra na čítač frekvencie (udalostí)počítanie súčiastok z feromagnetického materiálu -meranie otáčok -snímanie polohy otvorených dverí (s magnetom) -snímanie obsadenia parkovacieho miesta 2. Senzory dynamické: magnetické pole je presne definované a mení sa poloha mikrodrôtu v ňom ~I 1. Senzor merania otáčok Senzor Mikrodrôt 2. Dynamický lineárny senzor polohy Magnet 8

Senzory na báze zmien magnetickej susceptibility v závislosti od teploty Závislosť susceptibility od teploty λs malá λs veľká kladná susceptibilita susceptibilita Hopkinsonovo maximum T=TC T ( C) A. Zhukov et al.: PIERS Proccedings, Hangzhou, China (2008) Budiaca cievka R. Varga et al.: JMMM (2002) T < TC Mikrodrôt s nízkou TC Snímacia cievka T T ( C) Aplikácie: Senzory teploty Senzory kritickej teploty 9

Senzory na báze zmien magnetickej susceptibility Závislosť susceptibility od napätia 3500 K σ λ s.σ χ 1 σ χ susceptibilita 3000 FeSiB 2500 Budiaca cievka 2000 napätie 1500 1000 500 0 0 50 100 150 200 250 σ (MPa) σ (MPa) 300 350 Snímacia cievka Magnetoelastické pero Aplikácie: Senzory napätia Senzory malých hmotností Meranie výchylky periodického pohybu mikrodrôt snímacia cievka pružina M. Vázquez: Gaint Magnetoimpedance and Applications (2004) 10

Senzory na báze zmien kritického poľa Hsw λs veľká kladná doménová štruktúra mikrodrôtov s λs > 0 magnetizácia 2 hodnoty +Ms a -Ms...zmena stavu po aplikácii kritického poľa Hsw -premagnetizačný proces jedným Barkhausenovým skokom jedinej uzatváracej axiálnej domény - navonok sa prejavuje bistabilným magnetickým správaním - perfektne pravouhlá hysterézna slučka aplikovaťeľnosť nielen pre senzoriku, ale i v oblasti spintroniky, informačných a pamäťových technológií, ktoré vyžadujú zvýšenie rýchlosti prenosu a kapacity informácií, zvýšenie citlivosti a zníženie energetických strát a geometrických rozmerov 11

Senzory na báze zmien kritického poľa Časové priebehy napätí v budiacej a v snímacej cievke U1,U2 (a.u.) U1 snímacia cievka budiaca cievka U2 mikrodrôt 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 t (ms) 12

Senzory na báze zmien kritického poľa Magnetické kódovanie osôb, tovaru H H M M V U Hc H H t1 t2 t3 t t 00000001001000001000000000100100000010 Digital Codes t Hysterézna slučka trojice mikrodrôtov s rozdielnou Hsw Magnetický kód G. Herzer et al.: JMMM 294 (2005) 252-266 13

Senzory na báze zmien kritického poľa 1. Závislosť Hsw od teploty 3. Závislosť Hsw od frekvencie 350 Hsw = f (Ta) senzor teploty, kritickej teploty Hsw H (A/m) (A / m) 300 sw 250 200 300 400 500 600 700 800 T (K) Ta(K) a sw Hsw H (A/m) (A/m) 770 K 700 K 520 K 0 50 100 720K 620 K as cast Hsw = f (f) senzor frekvencie 300 200 2. Závislosť Hsw od napätia 432 403 375 346 317 288 259 231 202 173 144 115 86 400 H (A/m) 100 200 0 MPa 14MPa 28 MPa 70 MPa 140 MPa fit Hswsw (A/m) 150 500 Hsw = f (σ) senzor napätia, sily, hmotnosti 150 σ (MPa) σ (MPa) 1. Komova et al.: Applied Physics Letters (2008) 0 3 6 9 1/3 12 15 1/3 f (Hz f1/3 (Hz) 1/3) Komova et al.:j. Physics: Condensed Matter (2007) Ďalšie aplikácie senzory magnetického poľa senzor elektrického prúdu senzor uhla natočenia dynamický senzor kmitov 2. Komova et al.: Acta Physica Polonica (2008) 14

Senzory na báze GMI efektu (Giant MagnetoImpedance effect) GMI efekt prudký pokles impedancie magnetického vodiča v axiálnom magnetickom poli Závislosť ΔZ/Z od HDC a od f iac HDC HAC ΔZ/Z (%) λs malá záporná HDC H.K. Lachowicz et al.: Sensors and Actuators A 119 (2005) doménová štruktúra mikrodrôtov iac...striedavý elektrický prúd HAC...indukované cirkulárne magnetické pole HDC...stacionárne axiálne magnetické pole Skin efekt δ = ρ π.f.μ Φ zmena hĺbky prieniku skin efektu v magnetickom vodiči - následok aplikovaného magnetického poľa veľmi vysokej frekvencie 15

Senzory na báze GMI efektu - experiment Mikrodrôt s veľmi malou zápornou magnetostrikciou zliatina (Fe0,06Co0,94)72,5Si12,5B15 Závislosť impedancie Z od intenzity externého magnetického poľa H Schéma meracieho obvodu 160 f = 1 MHz 150 Z (Ω) Z (Ω ) 140 130 120 110 100-120 -80-40 0 40 80 120 H (A/m) H (A/m) D. Balga: Bakalárska práca LF TU Košice (2010) Prudká zmena impedancie je nepriamo úmerná aplikovanému magnetickému poľu Z/Z (max) = 60 % 16

Senzory na báze GMI efektu - aplikácie Mikrodrôt Princíp konštrukcie štvorbodová metóda merania impedancie Z ~ V R Efekt GMI závisí hlavne od zmeny cirkulárnej magnetickej permeability µ = f(h, T, σ, f) konštrukcia senzorov na báze GMI s využitím závislostí permeability Z = f(h) senzor magnetického poľa Z = f (T) senzor teploty Z = f (σ) senzor mechanického napätia, hmotnosti Z = f (f) senzor frekvencie budiaceho napätia 17

Senzory na báze GMI efektu - aplikácie Senzory magnetického poľa H 1., 2. 1. meranie zemského magnetického poľa (2-3 rozmerné kompasy) 2. meranie akcelerácie 3. detekcia prítomnosti feromagnetických predmetov Magnetická stopa Aichi Micro Intelligent Corporation 4. meranie otáčania Elektrická schéma 5-rozmerného senzoru AMI 501 na meranie magnetického poľa a akcelerácie od firmy Aichi Micro Intelligent Corporation Aichi Micro Intelligent Corporation 18

Senzory na báze GMI efektu - aplikácie 4. Konfigurácia merania uhlovej rýchlosti a frekvencie 5. Dvojrozmerný senzor merania uhla otáčania vzduch GMI prvok Θ = uhol otočenia Permanentný magnet Rotujúci disk Aichi Micro Intelligent Corporation P. Jantaratana, Ch. Sirisathitkul: Sensors 2008, 8, 1575-1584 19

Senzory na báze GMI efektu - aplikácie 6. Konfigurácia senzorov elektrického prúdu a) b) GMI prvok Cu cievka amorfný drôt medený vodič M. Vazquez, Physica B, 299 (2001), 302. P. Jantaratana, Ch. Sirisathitkul: Sensors 2008, 8, 1575-1584 20

Senzory na báze GMI efektu aplikácie Senzory teploty T 1. Senzory kritickej teploty 2. Senzor teploty na báze merania indukčnosti 2. Senzor teploty 1. Senzor kritickej teploty Závislosť indukčnosti od teploty Závislosť impedancie mikrodrôtu nad a pod Curieho teplotou 6,0 as-cast 5,5 j=12ma/cm ; t=15min 5,0 j=12ma/cm ; t=30min 2 j=6ma/cm ; t=15min 3.8%/ºC 2 2 4,5 6.3% /ºC L (μh) 4,0 ΔZ/Z (%) L(µ H) 3,5 3,1%/ºC 3,0 2,5 2,0 1,5 0,2%/ºC 1,0 0 H (A/m) 10 20 30 40 50 60 70 T(ºC) T ( C) A. Zhukov et al.:piers Proccedings, Hangzhou, China (2008) M. Vázquez et al.: International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, 25 (2007) 21

Senzory na báze GMI efektu - aplikácie Senzory napätia, tlaku, hmotnosti, sily Závislosť ΔZ/Z od mechanického napätia Senzor tlaku prúdiaceho vzduchu a) Prúd Air vzduchu flux ΔZ/Z (%) mikrodrôt Microwire V HDC field plachta Sail σ (MPa) A. Zhukov et al.:piers Proccedings, Hangzhou, China (2008) M. Vázquez et al.:international Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, 25 (2007) 22

Senzory na báze GMI efektu - aplikácie Magnetoelastický senzor merania otáčok s magnetickým mikrodrôtom nemodulovaný VF signál mikrodrôt mikrodrôt tlakom modulovaný signál 23

4. Zá v e r Výhody mikrodrôtov 1. Nízka cena 2. Jednoduchá príprava 3. Veľmi malé rozmery 4. Symetria 5. Sklenená izolácia - odolnosť voči vonkajším vplyvom, korózii 6. Vysoká citlivosť 7. Ekonomická prevádzka nízka energetická náročnosť 8. Jednoduchá modifikácia vlastností žíhaním, resp. mechanickým namáhaním Očakávané trendy 1. Skvalitnenie vlastností mikrodrôtov (výskum mikrodrôtov s novým zložením, optimalizácia ďalšieho spracovania) 2. Zvyšovanie stability vlastností nanokryštalické mikrodrôty 3. Nová skupina mikrodrôtov viacplášťové mikrodrôty pre multifunkčné senzorové zariadenia 24

Ď a k u je m za po zo rn o s ť! 25

K o n ie c 26