Transformator piezoelektryczny ze sprz eniem magnetycznym

MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 4, (2012), 447-451 www.ptcer.pl/mccm Transformator piezoelektryczny ze sprz eniem magnetycznym LUCJAN KOZIELSKI 1 *, MA GORZATA P O SKA 1, MA GORZATA ADAMCZYK 1, MIROS AW M. BU KO 2, PAWE JANIK 3 1 Uniwersytet l ski, Wydzia Informatyki i Nauki o Materia ach, ul. ytnia 12, 41-205 Sosnowiec 2 AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydzia In ynierii Materia owej i Ceramiki, al. Mickiewicza, 30-059 Kraków 3 Uniwersytet l ski, Instytut Informatyki, ul. B dzi ska 39, 41-200 Sosnowiec *e-mail: lucjan.kozielski@us.edu.pl Streszczenie Cyrkonian tytanian o owiu i lantanu jest klasycznym materia em ferro- i piezoelektrycznym. Wprowadzenie do jego struktury niewielkich ilo ci elaza(iii) w miejsce jonów lantanu powoduje pojawienie si efektu sprz enia magnetoelektrycznego, którego wielko wynika z odpowiednio dobranych proporcji wprowadzonej domieszki. Metod bezpo redniej reakcji w ciele sta ym uzyskano proszki, a nast pnie spieki materia ów o sk adach Pb 0,91 La 0,09 (Zr 0,65 Ti 0,35 ) 0,9775 O 3 (PLZT) oraz Pb 0,91 (La 0,5 Fe 0,5 ) 0,09 (Zr 0,65 Ti 0,35 ) 0,9775 O 3 (PLFZT). Okre lono sk ady fazowe, mikrostruktur, przenikalno elektryczn i straty dielektryczne obydwu materia ów. Z materia u PLFZT skonstruowano transformator piezoelektryczny, na którym okre lono wielko sprz enia magnetoelektrycznego oraz parametry przetwarzania wej ciowego sygna u napi ciowego funkcji nat enia zewn trznego pola magnetycznego. Stwierdzono, e pomimo stosunkowo niewielkiej warto ci sprz - enia uzyskano istotne warto ci przesuni cia cz stotliwo ciowego oraz spadek amplitudy napi cia wyj ciowego w polu magnetycznym. S owa kluczowe: materia y multiferroiczne, efekt magnetoelektryczny, transformator piezoelektryczny PIEZOELECTRIC TRANSFORMER WITH MAGNETIC FEEDBACK Dense lead lantanium zirconate titanate (PLZT) ceramics is typically used for the fabrication of high power piezoelectric devices. The replacement of a small amount of lanthanium ions with iron(iii) ones into the PLZT structure (PLFZT) leads to a multiferroic material with both piezoelectric and magnetic properties. Powders of Pb 0.91 La 0.09 (Zr 0.65 Ti 0.35 ) 0.9775 O 3 and Pb 0.91 (La 0.5 Fe 0.5 ) 0.09 (Zr 0.65 Ti 0.35 ) 0.9775 O 3 were prepared by direct solid state reaction, and the phase composition, microstructure, dielectric permittivity and dielectric loss were determined for the sintered materials. The PLFZT material was used to construct a piezoelectric transformer with magnetic feedback, which converted an electrical a.c. input voltage into ultrasonic vibrations, and reconverted them back to an output as a.c. voltage proportionally to the magnetic eld intensity. In despite of relatively low electromagnetic feedback, a substantial shift of voltage frequency and a voltage drop were observed in the magnetic eld. Keywords: Multiferroic materials, Magnetoelectric effect, Piezoelectric transformer 1. Wprowadzenie Cyrkonian tytanian o owiu domieszkowany lantanem i elazem (PLFZT) jest materia em, który posiada wiele interesuj cych w a ciwo ci zwi zanych ze zjawiskiem multiferroiczno ci i oddzia ywaniem pola magnetycznego na parametry piezoelektryczne [1, 2]. Zwi zki tego typu mog si charakteryzowa wysok magnetostrykcj, czyli znaczn zmian wymiarów liniowych materia u zwi zanych ze zmian magnetyzacji. W materia ach magnetostrykcyjnych zewn trzne pole magnetyczne odwraca domeny magnetyczne, opisywane w takim przypadku jako elipsy poprzeczne do kierunku pola magnetycznego, w kierunku zgodnym z kierunkiem pola, powoduj c tym samym obrócenie tych elips i wyd u enie materia u. W najbardziej znanych materia ach ferromagnetycznych takich jak elazo, nikiel czy kobalt zmiana ich d ugo ci jest rz du 10. cz ci na milion (ppm). Tym niemniej, istnieje grupa zwi zków mi dzymetalicznych b d cych roztworami sta ymi DyFe 2 z innymi pierwiastkami ziem rzadkich, z regu y terbem (Terfenol-D), w których wyst puje gigantyczny efekt magnetostrykcyjny o wielko ci co najmniej kilku tysi cy ppm. Interesuj cym faktem jest to, e Terfenol-D przetwarza do 50% zgromadzonej w nim energii, podczas gdy najlepszy materia piezoelektryczny typu PZT tylko 35%. Ta 15-procentowa ró nica powoduje cz stsze stosowanie tego materia u w aplikacjach zwi zanych z czujnikami i przetwornikami (aktuatorami). Mimo bardzo dobrych parametrów przetwarzania energii materia ów kompozytowych bazuj cych na Terfenolu-D przy projektowaniu takich konstrukcji nale y pami ta równie o jego mankamentach m.in. takich jak znaczny spadek warto ci modu u Younga pod wp ywem pola magnetycznego (z warto ci 76 do 10 GPa przy nat eniu pola magnetycznego H = 1 T), ma a trwa o mechaniczna czy te bar- 447

L. KOZIELSKI, M. P O SKA, M. ADAMCZYK, M.M. BU KO, P. JANIK Rys. 1. Schemat uk adu pomiarowego do wyznaczania wp ywu pola magnetycznego na parametry przetwarzania transformatora piezoelektrycznego. Fig. 1. Scheme of gain dependence on magnetic eld intensity measurements setup. dzo du e straty przy wy szych cz stotliwo ciach pracy. Wad tego typu pozbawione s jednofazowe materia y multiferroiczne, wykazuj ce jednoczesne uporz dkowanie ferromagnetyczne i ferroelektryczne, i cechuj ce si znacznym sprz eniem magneto-elektrycznym. Do materia ów tej grupy nale y równie PLFZT [3, 4], b d cy przedmiotem niniejszej pracy. Multiferroiczne materia y jednofazowe wykazuj w pewnych przypadkach szereg zalet w porównaniu z kompozytowymi materia ami tego samego typu. Mo na w ród nich wyró ni : lepsz anizotropi w a ciwo ci, ma e straty dielektryczne oraz wi ksz wytrzyma o, wynikaj c zazwyczaj z nieobecno ci s abej, polimerowej fazy cz cej. Celem niniejszej pracy by o okre lenie wp ywu dodatku elaza na w a ciwo ci dielektryczne cyrkonianu tytanianu o owiu domieszkowanego lantanem ze szczególnym uwzgl dnieniem parametrów przetwarzania energii pola magnetycznego na elektryczn. Dodatkowym celem by o u ycie otrzymanego materia do konstrukcji transformatora piezoelektrycznego i pomiar jego charakterystyk napi ciowych [5]. 2. Eksperyment Materia ami wyj ciowymi by y cyrkonian tytanian o owiu domieszkowany lantanem o formalnym sk adzie chemicznym Pb 0,91 La 0,09 (Zr 0,65 Ti 0,35 ) 0,9775 O 3 (PLZT) oraz podobny zwi zek domieszkowany jonami elaza(iii) w miejsce jonów lantanu zgodnie z formu Pb 0,91 (La 0,5 Fe 0,5 ) 0,09 (Zr 0,65 Ti 0,35 ) 0,9775 O 3 (PLFZT). Proszki obydwu zwi zków otrzymano metod bezpo redniej syntezy w fazie sta ej, wychodz c z mieszanin odpowiednich tlenków: PbO, La 2 O 3, ZrO 2, TiO 2 i Fe 2 O 3. Wszystkie tlenki posiada y czysto klasy cz.d.a. (POCh). Odpowiednie nawa ki tlenków mielono w planetarnym m ynie kulowym (RETCH PM400) przez 24 h, a uzyskan mieszanin pra ono przez 3h w 925 C. Proszki po syntezie mielono w planetarnym m ynie kulowym w przez 24 h, po czym prasowano je jednoosiowo pod ci nieniem 200 MPa i spiekano przez 3 h w 1250 C. Spieki obu materia ów w kszta cie p askich dysków zosta y poddane procesom ukierunkowania domen ferroelektrycznych i ferromagnetycznych, czyli polaryzacji i namagnesowaniu wzd u osi symetrii dysku (Rys. 1). Polaryzacja zosta a przeprowadzona w temperaturze 150 C przez 15 minut w polu elektrycznym o nat eniu 3 kv mm 1, a namagnesowanie w temperaturze pokojowej w polu magnetycznym o nat eniu 1 T. W nast pnej kolejno ci, przez odpowiednie naniesienie elektrod metalicznych, zosta a wytworzona struktura dyskowego transformatora piezoelektrycznego o radialnym kierunku rozchodzenia si drga w jego materiale. Dolna powierzchnia dysku zosta a w pe ni pokryta warstw pasty srebrnej, natomiast obszar górnej powierzchni zosta podzielony na dwie cz ci: na rodkowy okr g o rednicy 6 mm i zewn trzny pier cie o rednicach odpowiednio 7 mm i 10 mm. Do rodkowej, wej ciowej cz ci zosta doprowadzony sygna napi ciowy z generatora Hameg HM 8131 i wzmacniacza HS2011, natomiast napi cie wyj ciowe zosta o zmierzone przy pomocy woltomierza cyfrowego Agilent HP34401A. Warto amplitudy napi cia z generatora i wzmacniacza by a równa 1 V, a zakres cz stotliwo ci pomiarowych zosta wybrany w pobli u cz stotliwo ci drga w asnych transformatora. Transformator zosta umieszczony w sta ym polu magnetycznym wytworzonym przez elektromagnesy o nat eniu 600 Oe i jednocze nie w zmiennym polu magnetycznym generowanym przez uk ad cewek Helmholza o nat eniu 100 Oe i cz stotliwo ci 1kHz. Schemat uk adu pomiarowego zosta zamieszczony na Rys. 1. Mikrostruktury spieków obserwowano na prze amach za pomoc skaningowego mikroskopu elektronowego HITACHI S-4700. Ilo ciow analiz fazow wykonano metod Rietvelda na podstawie dyfraktogramów uzyskanych przy u yciu dyfraktometru X Pert Pro (Panalytical), stosuj c ltrowane promieniowanie CuK. Pomiary dielektryczne przeprowadzono w uk adzie z precyjnym mostkiem LCR typu QuadTech 1920 w zakresie cz stotliwo ci od 20 Hz do 1 MHz. 3. Wyniki i dyskusja Warto ci g sto ci pozornej spieków okre lone metod wa enia hydrostatycznego wynosi y odpowiednio 7,32 g cm 3 w przypadku PLZT i 7,26 g cm 3 w przypadku PLFZT. Mikrostruktury powierzchni prze amów obu materia ów prezentuje Rys. 2. redni rozmiar ziaren w tworzywie PLZT jest równy 3,3 m (Rys. 1a), podczas gdy w PLFZT warto ta jest nieco wi ksza i wynosi 4,2 m (Rys. 1b). W obu przypadkach mikrostruktury s jednorodne, o stosunkowo ma ym rozrzucie wielko ci ziaren, posiadaj cych izometryczne kszta ty. 448 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 4, (2012)

TRANSFORMATOR PIEZOELEKTRYCZNY ZE SPRZ ENIEM MAGNETYCZNYM Rys. 2. Obrazy SEM prze amów próbek: a) PLZT i b) PLFZT. Fig. 2. SEM images of fracture surfaces: a) PLZT and b) PLFZT. Analiza dyfrakcyjna wykaza a, e PLZ T po procesie spiekania sk ada si wy cznie z fazy o strukturze typu perowskitu, opisywanej symetri romboedryczn i grup przestrzenn R 3c. Wprowadzenie jonów elaza do uk adu spowodowa o zmian symetrii struktury perowskitowej. PLFZT sk ada si w 88,2% wag. z fazy tetragonalnej, opisywanej grup przestrzenn P 4mm; pozosta o ci jest faza romboedryczna oraz ladowe, poni ej 2% wag., ilo ci fazy o strukturze pirochloru i nieustalonej stechiometrii. Fakt zmiany sk adu chemicznego tworz cych si roztworów sta ych potwierdzaj zmiany odpowiednich sta ych sieciowych. W przypadku PLZT parametr sieciowy a = 5,7406 Å, za c = 14,1018 Å, a w przypadku PLFZT odpowiednio a = 5,7610 Å i c = 14,1670 Å. Temperaturowe zmiany warto ci przenikalno ci dielektrycznej ( ) i wielko ci strat dielektrycznych (tg ) obu materia ów zosta y przedstawione odpowiednio na Rys. 3. Strza kami na wykresach zosta y zaznaczone maksima przenikalno ci elektrycznej odpowiadaj ce temperaturom Curie, T C, przej cia fazowego z fazy ferro- do fazy paraelektrycznej. Obserwujemy znaczny wzrost T C zwi zany z cz ciowym zast pieniem jonów lantanu jonami elazem; temperatura przej cia fazowego dla PLZT jest równa ok. 140 C, natomiast dla PLFZT ok. 260 C. Warto ci maksymalne przenikalno ci elektrycznej tak e ró ni si istotnie i tak dla PLZT osi ga ok. 1500, podczas gdy dla PLFZT - 3600. Zmienia si tak e sam charakter przej cia fazowego, w przypadku przenikalno dielektryczna straty dielektryczne 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 PLZT 1 khz 5 khz 10 khz 50 khz 100 khz 500 khz 1 MHz 100 200 300 400 temperatura, C przenikalno dielektryczna straty dielektryczne 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 1 khz 5 khz 10 khz 50 khz 100 khz 500 khz 1 MHz a) b) PLFZT 100 200 300 400 temperatura, C Rys. 3. Temperaturowe zale no ci przenikalno ci dielektrycznej ( ) i wielko ci strat dielektrycznych (tg ) dla PLZT (a) oraz PLFZT (b). Fig. 3. Temperature dependences of dielectric permittivity and dielectric loss tangent for PLZT (a) and PLFZT (b) samples. MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 4, (2012) 449

L. KOZIELSKI, M. P O SKA, M. ADAMCZYK, M.M. BU KO, P. JANIK napi cie wyj ciowe, V 2.25 2.20 2.15 2.10 2.05 zmiana cz stotliwo ci spadek amplitudy z polem magnetycznym 100 Oe bez pola magnetycznego ME, mv (cm Oe) 1 11.6 11.4 11.2 11.0 10.8 10.6 2.00 234 235 236 cz stotliwo, khz 10.4 100 200 300 400 500 600 700 H DC, Oe Rys. 4. Przesuni cie cz stotliwo ciowe oraz spadek amplitudy napi cia wyj ciowego spowodowane polem magnetycznym o warto ci 100 Oe w transformatorze piezoelektrycznym wykonanym z PLFZT. Fig. 4. Amplitude drop and frequency shift under 100 Oe of magnetic eld intensity in piezoelectric transformer made of PLFZT. Rys. 5. Zale no napi ciowego wspó czynnika elektromagnetycznego od nat enia pola magnetycznego. Fig. 5. Dependence of magnetoelectric coef cient on magnetic eld intensity. PLZT wykazuje on s ab dyspersj cz stotliwo ciow, czyli przesuni cia temperatur Curie wraz ze zmian cz stotliwo ci pola pomiarowego co wiadczy o rozmytym charakterze przej cia fazowego. Ta sama wielko dla PLFZT osi ga warto maksymaln równ dla wszystkich cz stotliwo- ci i nie wykazuje cech rozmycia. Materia zawieraj cy elazo w porównaniu do czystego PLZT wykazuje równie du y wzrost wielko ci strat dielektrycznych, w temperaturze pokojowej wynosi on od 0,027 (PLZT) do 0,038 (PLFZT). Zwi zany jest z tym wzrost przewodno ci materia u, jednak jego poziom nie jest na tyle du y eby uniemo liwia proces polaryzowania w silnym polu elektrycznym dla ukierunkowania domen ferroelektrycznych. Interesuj cy jest tak e fakt, e na charakterystyce temperaturowej k ta strat dielektrycznych dla PLFZT (Rys. 3b) obserwujemy dwa maksima zwi zane z temperaturami przej fazowych, podczas gdy brak jest takich anomalii na charakterystyce przenikalno ci elektrycznej. Mo e to wiadczy o wyst powaniu zró nicowania chemicznego faz romboedrycznej i tetragonalnej, obecnych w PLFZT - jedna z nich mo e by wyra nie bogatsza w elazo ni druga. Materia PLZT nie wykazywa zmian w parametrach przetwarzania energii zwi zanych z wp ywem pola magnetycznego, natomiast domieszkowany elazem PLFZT zmienia wyra nie zarówno amplitud, jak i cz stotliwo sygna u wyj ciowego (Rys. 4). Jak wynika z wykresu, pod wp ywem pola magnetycznego o nat eniu 100 Oe uzyskano przesuni cie cz stotliwo ciowe o ok. 50 Hz oraz spadek amplitudy napi cia wyj ciowego o ok. 0,2 V. Efekt ten jest wynikiem efektu magnetoelektrycznego (ME), którego napi ciowy wspó czynnik sprz enia dla badanego uk adu dochodzi do 11,5 mv (cm Oe) 1 w przypadku cz stotliwo ci pola magnetycznego równej 1 khz (Rys. 5). Ta stosunkowo niska warto wspó czynnika okaza a si wystarczaj ca do wytworzenia sprz enia magnetycznego oddzia uj cego na parametry przetwarzania energii transformatora piezoelektrycznego. Wyja nienie nadspodziewanie du ego sprz enia magnetycznego wynika ze specy ki transformatora piezoelektrycznego pracuj cego w warunkach rezonansu elektromechanicznego. Jedn z konsekwencji powstania tego typu rezonansu w konstrukcjach dyskowych jest silne wzmocnienie napi ciowe, zazwyczaj na poziomie 100 razy, które w opisywanym przypadku powoduje wzmocnienie efektu magnetoelektrycznego. Dodatkowo, wysoki wspó czynnik dobroci mechanicznej w materia ach typu PZT poci ga za sob niezwykle w ski i stromy kszta t charakterystyki amplitudowo-cz stotliwo ciowej (Rys. 4). Dlatego te nawet bardzo niewielkie zmiany wspó czynników piezoelektrycznych i sta- ych spr ysto ci, zwi zanych z przeorientowaniem domen ferromagnetycznych przez pole magnetyczne, silnie wp ywaj na mierzone parametry i s w tego typu urz dzeniach atwe do detekcji. Z tego te wzgl du transformator piezoelektryczny mo e by z powodzeniem stosowany jako czujnik pola magnetycznego. Ponadto, pomiar zmian pola magnetycznego jest mo liwy przy u yciu konwencjonalnych multimetrów bez u ycia zaawansowanych technik pomiarowych, poniewa wzmocnienie nawet s abego sygna u jest realizowane wewn trznie przez transformator piezoelektryczny. 4. Podsumowanie i wnioski Przedstawiona praca prezentuje nowy sposób detekcji pola magnetycznego przy u yciu transformatora piezoelektrycznego wykonanego z jednofazowego materia u multiferroicznego. Zastosowany materia o sk adzie Pb 0,91 (La 0,5 Fe 0,5 ) 0,09 (Zr 0,65 Ti 0,35 ) 0,9775 O 3 zapewnia wystarczaj co wysok wielko napi ciowego wspó czynnika magnetoelektrycznego potrzebn do konstrukcji transformatora piezoelektrycznego ze sprz eniem magnetycznym. Przedstawiona konstrukcja mo e pos u y jako modelowe rozwi zanie tanich i niezawodnych urz dze do detekcji pola magnetycznego, zast puj c ma o trwa e kompozyty warstwowe, zawieraj ce materia magnetostrykcyjny taki jak Terfenol -D. Najwa niejsz zalet w tym wypadku b dzie mo liwo stosowania do pomiaru nat enia pola magnetycznego konwencjonalnych multimetrów, zamiast stosowanej tradycyjnie kosztownej techniki pomiarowej typu lock-in. 450 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 4, (2012)

TRANSFORMATOR PIEZOELEKTRYCZNY ZE SPRZ ENIEM MAGNETYCZNYM Podzi kowania Praca zosta a wykonana w ramach realizacji projektu rozwojowego nr R 015 0005 04 nansowanego ze rodków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wy szego. Literatura [1] Kunz K., Enoksson P., Stemme G.: Highly sensitive triaxial silicon accelerometer integrated PZT thin lm detectors, Sensors and Actuators, A 92, (2001), 156. [2] Wadhawan V.K.: Introduction to Ferroic Materials, Gordon and Breach Science Publishers, Singapore, 2000. [3] Dutta S., Choudhary R.N.P.: Effect of trivalent iron substitution on structure and properties of PLZT ceramics, Appl. Phys., A 90, (2008), 323. [4] Sanchez D.A., Kumar A., Ortega N., Katiyar R.S., Scott J.F.: Appl. Phys. Lett., 97, (2010), 202910. [5] Islam R. A., Kim H., Priya S., Stephanou H.: Piezoelectric transformer based ultrahigh sensitivity magnetic eld sensor, Appl. Phys. Lett., 89, (2006), 2357941. Otrzymano 13 pa dziernika 2011, zakceptowano 15 grudnia 2011 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 4, (2012) 451