Регистрация / Вход
Прислать материал

Магнитоэлектрические взаимодействия в пленочных структурах ферромагнетик-сегнетоэлектрик и их применение для создания миниатюрных датчиков магнитных полей и автономных источников электрической энергии

Номер контракта: 14.583.21.0009

Руководитель: Фетисов Юрий Константинович

Должность руководителя: Уполномоченное лицо

Докладчик: Экономов Николай Андреевич, доцент каф. физики МИРЭА

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "МИРЭА Российский технологический университет"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
датчик магнитного поля, автономный источник энергии, магнитоэлектрический эффект, пленочная композитная структура, магнитострикция, пьезоэлектрический эффект, температурные измерительные установки.

Цель проекта:
Целями проекта являются создание опережающего научно-технологического задела межотраслевой направленности, который послужит для последующей разработки инновационной продукции; разработка новых эффективных измерительных средств, которые найдут применение в различных областях науки и техники; расширение и повышение уровня международного научно-технического сотрудничества с научными и производственными организациями стран СНГ. Для достижения целей предполагается решить следующие задачи: разработать технологии изготовления композитных структур ферромагнетик-пьезоэлектрик; создать стенды для исследования характеристик магнитоэлектрических (МЭ) эффектов в таких структурах; разработать конструкции и изготовить макеты высокочувствительных датчиков магнитных полей и источников электрической энергии на основе композитных структур, продемонстрировать возможности применения МЭ датчиков магнитных полей в технике, геофизике и медицине, подготовить проект задания на опытно-конструкторскую работу по изготовлению датчиков магнитных полей.

Основные планируемые результаты проекта:
Основные планируемые результаты проекта следующие:
1. Проведенный анализ характеристик перспективных магнитострикционных и пьезоэлектрических материалов для изготовления композитных структур, анализ и обосно-ванный выбор конструкций магнитоэлектрических датчиков на их основе.
2. Разработанные методы изготовления толстопленочных композитных структур ферромагнетик – пьезоэлектрик.
3. Разработанные методы изготовления тонкопленочных структур ферромагнетик- пьезоэлектрик на подложках.
4. Разработанные и изготовленные: стенд для измерения магнитострикционных и пьезоэлектрических характеристик композитных структур; стенд для измерения температурных характеристик магнитоэлектрических структур и датчиков полей.
5. Разработанные новые принципы создания высокочувствительных широкополосных датчиков магнитных полей на основе магнитоэлектрического эффекта в структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик.
6. Разработанные модели и методики расчета характеристик магнитоэлектрических датчиков магнитных полей.
7. Изготовленные макеты датчиков переменных и постоянных магнитных полей.
8. Разработанные и изготовленные электронные схемы для регистрации и обработки сигналов магнитоэлектрических датчиков магнитных полей.
9. Разработанный и изготовленный макет автономного источника электрической энергии, использующего магнитоэлектрический эффект.
10. Сформулированные перспективные направления применения МЭ датчиков магнитных полей в различных областях науки и техники, геофизике и медицине.
11. Подготовленное задание на ОКР по производству высокочувствительных магнитоэлектрических датчиков магнитных полей.

Основные характеристики планируемых результатов следующие:
1. Характеристики стенда для температурных измерений:
- диапазон изменения температуры от минус 60 до плюс 80 градусов Цельсия;
- точность установки и поддержания температуры ± 0.2 град. Цельсия;
- объем измерительной ячейки от 5 см3 до 20 см3;
- расход азота в режиме измерений от 0.1 л/час до 2 л/час;
- потребляемая электрическая мощность не более 400 Вт.
2. Характеристики стенда для измерения магнитострикции и пьезоэффекта:
- диапазон измерений пьезомодуля и пьезомагнитного модуля от 1•10−6 до 200•10−6 ;
- точность измерения пьезомодуля не хуже 0.5•10−6;
- диапазон прикладываемых магнитных полей от нуля до 0.2 Тл;
- диапазон прикладываемых напряжений от нуля до 2 кВ.
- режим измерения и записи данных автоматический от 100 до 200 точек.
3. Характеристики макета датчика переменных магнитных полей:
- рабочий диапазон частот должен составлять от 1 Гц до 100 кГц;
- регистрируемое поле в широкой полосе частот должно быть не менее 1 мЭ;
- регистрируемое поле на резонансной частоте должно быть не менее 1 мкЭ;
- макет датчика должен работать в диапазоне комнатных температур;
- потребляемая мощность макета датчика не должна превышать 10 мВт.
4. Характеристики макета датчика постоянных магнитных полей:
- минимальное регистрируемое поле должно быть не более 1 мЭ;
- макет датчика должен работать в диапазоне комнатных температур;
- потребляемая мощность макета датчика не должна превышать 10 мВт.
5. Характеристики макета автономного источника энергии:
- диапазон частот магнитных полей от 20 Гц до 1 кГц;
- выходное постоянное напряжение не менее 1 В;
- сопротивление нагрузки от 1 кОм до 1 Мом;
- максимальная выходная мощность от 10 мкВт до 1 мВт.


Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечным продуктом, который может быть создан с использованием результатов выполнения проекта, являются высокочувствительные датчики магнитных полей нового типа, позволяющие измерять как постоянные, так и переменные магнитные поля. В проекте экспериментально и теоретически разработаны принципы создания таких датчиков, технология изготовления чувствительных элементов датчиков, созданы и испытаны макеты датчиков, продемонстрирована их работоспособность. Предлагаемые технологические решения являются новыми, что подтверждено получением патента на полезную модель. Полученные результаты соответствуют мировому уровню в данной области, что подтверждается тремя публикациями в ведущих международных научных журналах и тремя докладами на международных конференциях.
Кроме того, результаты выполнения данного проекта используются для создания новых измерительных установок. Так, в проекте разработана и создана автоматизированная установка для измерения температурных характеристик материалов и устройств в диапазоне температур от минус 150 С до плюс 150 градусов Цельсия, обладающая целым рядом преимуществ, по сравнению с существующими импортными установками. Создана также автоматизированная установка для прецизионного измерения магнитострикции и пьезоэффекта, аналоги которой отечественной и зарубежной промышленностью в настоящее время не выпускаются.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
В результате выполнения проекта будут разработаны принципы и технологии создания нового класса высокочувствительных МЭ датчиков магнитных полей, которые найдут применение при модернизации существующих и создании новых устройств и систем, применяемых в науке и технике, геофизике и медицине. МЭ датчики могут быть использованы в бесконтактных системах обнаружения и идентификации магнитных объектов (автомобилей, подводных аппаратов и т.д.), компактных досмотровых системах нового поколения, системах охраны периметра предприятий. Датчики могут найти применение в устройствах бесконтактной регистрации различных физических величин (перемещение, скорость вращения, давление, температура и т.д.), которые широко распространены в различных системах сбора информации и управления на предприятиях, в современных транспортных системах (автомобили, авиа- и судостроение) для измерения скорости вращения двигателей и колес, в системах зажигания и т.д. Высокая чувствительность МЭ датчиков полей позволит применить их в геофизике для регистрации изменения поля Земли, в геологоразведке для поиска полезных ископаемых, для измерений магнитных полей живых объектов в биологии и медицине. На основе МЭ датчиков может быть реализован «электронный компас», являющийся ключевым элементов приборов геомагнитной ориентации транспортных и космических систем. МЭ датчики могут быть использованы для бесконтактного измерения постоянного и переменного токов, что определяет их востребованность в энергетических системах. Потенциально высокая температурная и радиационная стойкость делает МЭ датчики перспективными для использования в ядерной энергетике. Полученные новые знания в области МЭ взаимодействий в композитных структурах будут использованы для разработки инновационных устройств и систем микро- и наноэлектроники, в том числе: электрически управляемых устройств обработки радиосигналов, элементов памяти нового типа, переключаемых электрическим полем, автономных источников электрической энергии с неограниченным сроком службы, преобразующих слабые акустические и магнитные поля в электрическое напряжение.
Внедрение разрабатываемых датчиков магнитных полей позволит повысить надежность и безопасность сложных транспортных и энергетических систем, уменьшить затраты на их эксплуатацию, расширить функциональные возможности и снизить стоимость геофизической и медицинской аппаратуры, обеспечить импортозамещение в некоторых отраслях промышленности.

Текущие результаты проекта:
Основные результаты работ на втором этапе выполнения проекта (2015 год):
Подготовлен отчет о проведенных научных исследованиях, включающий описание принципов создания широкополосных магнитоэлектрических датчиков постоянных магнитных полей, описание стенда для измерений температурных характеристик, описание стенда для измерений магнитострикции и пьезоэффекта, описание электронных схем, технологический регламент изготовления толстопленочных структур. Разработан и изготовлен стенд для измерений температурных характеристик структур и датчиков. Разработан и изготовлен стенд для измерений магнитострикции и пьезоэффекта. Зарубежный партнер по проекту ГО «НПЦ НАН Беларуси по материаловедению» подготовил аннотационный отчет, включающий результаты экспериментальных исследований тонкопленочных структур ферромагнетик-пьезоэлектрик и описание методов расчета характеристик магнитоэлектрических датчиков магнитных полей.