微型屏蔽線圈式的磁電效應測試方法研究

施 展，黃 群，徐明月，劉興軍

（廈門大學 材料學院，福建 廈門 361005）

微型屏蔽線圈式的磁電效應測試方法研究

施 展，黃 群，徐明月，劉興軍

（廈門大學 材料學院，福建 廈門 361005）

磁電效應是施加磁場產(chǎn)生電極化的物理效應，動態(tài)法測量磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)，是測量磁電材料的磁電效應的一類主要方法。本文嘗試設(shè)計了一種屏蔽線圈式的微型磁電測試方法，改變了以往的電磁屏蔽方式，從屏蔽樣品改為屏蔽線圈，并采用單線圈的設(shè)計，從而擴大了樣品空間，提供一種可以微型化，便于嵌入低溫系統(tǒng)的動態(tài)法磁電效應測試方法。

磁電效應；測試方法；動態(tài)法；屏蔽；微型測試系統(tǒng)；低溫系統(tǒng)

材料的磁電效應通常指的是施加磁場后材料產(chǎn)生電極化的效應。產(chǎn)生的電極化除以施加磁場的值，稱為材料的磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)，是衡量材料的磁電效應大小的一個性能指標。

最早磁電效應是在 Cr2O3單晶體[1-4]中被發(fā)現(xiàn)的，后來一大類單相的化合物都被發(fā)現(xiàn)具有磁電效應。磁電效應和材料的晶體學對稱性、d軌道電子的排布都有關(guān)系，通常要求化合物同時具有鐵磁或者反鐵磁性，以及壓電效應。至今為止，只有很少的十幾種化合物中發(fā)現(xiàn)具有磁電效應，而且通常要在很低的溫度下才能被檢測到。這是因為這些化合物的鐵磁居里溫度或者反鐵磁奈爾溫度都比較低，低于居里溫度/奈爾溫度才能具有鐵磁、反鐵磁性。另一大類具有磁電效應的材料是通過復合磁致伸縮材料和壓電材料產(chǎn)生的。這類復合型的磁電效應是一種間接效應，實現(xiàn)過程是施加磁場導致磁致伸縮材料發(fā)生磁致伸縮效應，產(chǎn)生的應變傳遞給壓電材料，壓電材料產(chǎn)生電極化（電壓）。磁致伸縮材料和壓電材料都很容易在室溫下獲得，因此復合型的磁電效應很容易在室溫下實現(xiàn)。

磁電效應的檢測具有很多不同原理，大致可以分為兩大類，一類是靜態(tài)法[5]，一類是動態(tài)法[6-9]。靜態(tài)法的原理是直接利用磁電效應的定義來檢測，即施加一個直流磁場 HDC，測量樣品產(chǎn)生的電極化（或者極化電荷累積產(chǎn)生的電壓V）。靜態(tài)法十分簡單直接，但是實際實現(xiàn)有一定技術(shù)困難。主要原因在于電極化屬于靜電電荷積累，對測量線路的絕緣度要求很高。實際上檢測線路都有一定的直流電阻，材料本身也會有一定的電阻，因此采用靜態(tài)法測量到的電極化很容易通過線路和材料本身形成漏電流通道，導致測量結(jié)果隨時間發(fā)生明顯衰減。為了避免這一缺陷，后來出現(xiàn)了動態(tài)法，即在一個大直流偏置磁場HDC上，疊加一個很小的微擾磁場dH，然后通過電荷放大器測量產(chǎn)生的電極化，或者通過高阻抗電壓表測量電極化累積產(chǎn)生的電壓dV。采用動態(tài)法具有明顯的優(yōu)勢，大直流偏置磁場產(chǎn)生的電極化迅速被衰減，而小微擾磁場通常是正弦變化的交變磁場，可以連續(xù)地激勵樣品產(chǎn)生連續(xù)的電荷/電壓輸出，大大降低了對測量儀表的絕緣度的要求。動態(tài)法大大降低了對檢測設(shè)備的需求，成為磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)的一種通用測試方法。國內(nèi)多家單位都報道了采用動態(tài)法進行磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)的測試。比如清華大學的南策文課題組建立了采用電荷放大器、亥姆赫茲線圈、電磁鐵為主要部件的動態(tài)法磁電測試系統(tǒng)，并帶有樣品旋轉(zhuǎn)功能[6]。北京科技大學潘德安課題組報道了采用類似的方法，結(jié)合LabVIEW信號處理程序建立的虛擬鎖相放大器，組建的動態(tài)法測試系統(tǒng)[9]。廈門大學施展課題組報道了采用動態(tài)法建立的快速測試系統(tǒng)[7]和多參數(shù)同步測試系統(tǒng)[8]。這些測試系統(tǒng)都采用了動態(tài)法的基本測試原理，不同的地方在于一些樣品角度、信號采集、磁場掃描方式的具體實現(xiàn)方式有所區(qū)別。

長期以來，動態(tài)法檢測磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)時，都采用對樣品進行電磁屏蔽的做法，以消除激勵線圈自身產(chǎn)生的電場在樣品上引起的電壓。以往的測試系統(tǒng)中，廣泛采用亥姆赫茲線圈產(chǎn)生微擾磁場[6-9]。亥姆赫茲線圈是一對完全一樣的線圈，線圈之間的距離等于線圈半徑，可以在兩個線圈的中心位置產(chǎn)生均勻的磁場。為了獲得較大的樣品空間，屏蔽腔的體積也必須相應增大，亥姆赫茲線圈的尺寸也需要增加，并且亥姆赫茲線圈的尺寸基本上為樣品空間的兩倍。當測量裝置需要放入體積較小低溫測試裝置（如 Quantum Design公司的物性綜合測試系統(tǒng)PPMS）中時，以往的動態(tài)法測試方法將很難實現(xiàn)。為了增加樣品空間，實現(xiàn)測量裝置的小型化，本文設(shè)計了一種新的測試方法，通過改變屏蔽方式，選擇單線圈的方式，制作了能夠放入低溫系統(tǒng)的測量單元。

1 設(shè)計原理

根據(jù)法拉第電磁感應定律，不論屏蔽材料的形狀和拓撲結(jié)構(gòu)如何，導體內(nèi)部的電場為零。根據(jù)這一原理，采用屏蔽線圈式的測試裝置，屏蔽層之外的空間，也相當于一個被屏蔽層包裹的封閉空間，滿足電場為零的條件。屏蔽線圈的原理如圖1所示，屏蔽罩完全包裹電磁線圈，屏蔽罩與驅(qū)動電源的地線相連，構(gòu)成了對線圈產(chǎn)生電場的屏蔽。處于線圈外部的樣品，不會接收到電場的影響，只感受到線圈產(chǎn)生的磁場的影響。

圖1 測試系統(tǒng)組成方框圖Fig.1 Block diagram of the test system

圖2給出了測試裝置的示意圖。測試裝置的底座完全設(shè)計成為與PPMS系統(tǒng)多功能樣品測試桿匹配的插針式底座。電磁線圈設(shè)計為扁平的單層線圈，完全包裹在屏蔽罩內(nèi)。單層線圈的設(shè)計與之前報道的測試裝置中常用的亥姆赫茲線圈具有顯著不同。亥姆赫茲線圈是常見的可以提供較小均勻磁場的線圈裝置，相比之下，單層線圈只在中心位置提供比較均勻的磁場。但在狹小的空間內(nèi)（小于20 mm的低溫腔體內(nèi)），如果采用亥姆赫茲線圈，樣品實際可以提供的均勻磁場區(qū)，也依舊只有5 mm左右，并且較為封閉的雙線圈將使樣品的裝卸十分困難。綜合考慮，本設(shè)計采用了扁平的單線圈，大大提升了樣品空間的開放性，方便了樣品的安裝。

圖2 屏蔽線圈式的磁電微型測試單元示意圖Fig.2 Illustration of a miniature dynamic magnetoelectric test device by coil shielding

測量單元安裝在PPMS多功能測試桿后的效果示意圖如圖3所示。從圖中可以看出，在20 mm的空間里，線圈加屏蔽層只占用了2 mm的空間，依舊保留了18 mm的樣品空間。扁平線圈的高度也只有2 mm，幾乎不影響樣品的裝夾。

圖3 測試單元安裝在PPMS系統(tǒng)后的示意圖Fig.3 Illustration of the test device installed in PPMS system

2 結(jié)果與討論

圖4為采用有限元方法模擬的線圈在靜態(tài)電流的激勵下產(chǎn)生的磁場。線圈的直徑為20 mm，厚度為2 mm，激勵條件為4.08安匝。從圖4中可以看出，在靠近線圈的部位，磁場具有較大的值，而在線圈的中心部位，有一個直徑大約為6 mm的均勻磁場區(qū)，磁感應強度的值為119.4 A/m。由于磁場的大小隨線圈直徑的減小而增加，因此，雖然單線圈的匝數(shù)不能做得很多，但是減小的直徑依舊保證了能產(chǎn)生和原有亥姆赫茲線圈相當?shù)拇艌鰪姸龋?27.36 A/m）。模擬結(jié)果表明，所設(shè)計的電磁線圈，可以提供較大的樣品空間，而且保證了一定的磁場強度。

圖4 有限元模擬的磁場空間分布（灰色為電磁線圈）Fig.4 Spatial distribution of static magnetic field by finite element simulation

微型磁電測試單元實際的中心磁場隨電壓頻率的變化關(guān)系，如圖5所示。在電壓頻率為1 kHz時，中心磁場強度為111.44 A/m，這與圖4模擬的中心磁場強度119.4 A/m十分接近。

圖5 實際測得的磁場強度隨頻率變化關(guān)系Fig.5 The actual measured magnetic field intensity changed with voltage’s frequency

采用該測試單元，對3 mm×3 mm×5 mm Ni/PZT磁電材料的測試結(jié)果如圖6所示。在1 kHz下，激勵磁場強度為111.44 A/m。采用PPMS系統(tǒng)對樣品施加-0.2～0.2 T的掃描磁場，采用鎖相放大器測量樣品產(chǎn)生的電壓。調(diào)用PPMS自帶的LabVIEW例程，可以同步采集溫度、磁場，形成如圖6所示的磁電回線。從圖6中可以看出，測量結(jié)果與傳統(tǒng)屏蔽樣品式的測量結(jié)果在誤差范圍內(nèi)十分吻合，表明了屏蔽線圈式的屏蔽方式，也起到了同樣的屏蔽效果，實現(xiàn)了準確的測量。變換不同的溫度，可以得到不同溫度下的磁電回線。該測試方法實現(xiàn)了與 PPMS系統(tǒng)兼容，大大提高了該測試方法的通用性。作為一種新型的性能測試拓展模塊，該方法可以依托已有的PPMS系統(tǒng)，迅速得到推廣應用，成為磁電性能的通用測試方法。

圖6 Ni/PZT磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)dV/dH隨外加直流磁場HDC的變化趨勢Fig.6 The change of Ni/PZT magnetoelectric coefficient dV/dH with DC magnetic field HDC

3 結(jié)論

根據(jù)法拉第感應定律，本文設(shè)計了屏蔽線圈式的微型動態(tài)磁電效應的測量方法。通過扁平線圈、屏蔽線圈的設(shè)計，有效地實現(xiàn)了電場的屏蔽，并擴大了樣品的測試空間。實際檢測結(jié)果表明，該測試方法可以很好實現(xiàn)與PPMS系統(tǒng)的兼容，作為PPMS的拓展功能，成為磁電性能測試的通用方法。

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（編輯：陳豐）

A miniature dynamic magnetoelectric test method by shielding coil

SHI Zhan, HUANG Qun, XU Mingyue, LIU Xingjun
(College of Materials, Xiamen University, Xiamen 361005, Fujian Province, China)

Magnetoelectric effect is the effect that applied magnetic field induces an electric polarization. The dynamic method is the main test method of magnetoelectric coefficient. Here, this article attempted to design a miniature test system by shielding coil. In this design, shielding method was changed from sample-shielding to coil-shielding and the coil was changed from dual-coils to single-coil. After changing, the sample space is enh anced obviously, while the test system size is very small. This study provides a miniature dynamic magnetoelectric test method which can be easily embedded into general cryogenic system.

magnetoelectric effect; measurement method; dynamic method; shielding; miniature test system;cryogenic system

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.07.012

O482.5

A

1001-2028（2017）07-0062-04

2017-04-17

施展

施展（1980－），男，福建晉江人，副教授，主要從事電子器件、復合材料研究，E-mail: shizhan@xmu.edu.cn 。

時間：2017-06-29 10:24

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170629.1024.012.html