施 展，黃 群，徐明月，劉興軍

（廈門大學(xué) 材料學(xué)院，福建 廈門 361005）

微型屏蔽線圈式的磁電效應(yīng)測(cè)試方法研究

施 展，黃 群，徐明月，劉興軍

（廈門大學(xué) 材料學(xué)院，福建 廈門 361005）

磁電效應(yīng)是施加磁場(chǎng)產(chǎn)生電極化的物理效應(yīng)，動(dòng)態(tài)法測(cè)量磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)，是測(cè)量磁電材料的磁電效應(yīng)的一類主要方法。本文嘗試設(shè)計(jì)了一種屏蔽線圈式的微型磁電測(cè)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(jì)，從而擴(kuò)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(dòng)態(tài)法磁電效應(yīng)測(cè)試方法。

磁電效應(yīng)；測(cè)試方法；動(dòng)態(tài)法；屏蔽；微型測(cè)試系統(tǒng)；低溫系統(tǒng)

材料的磁電效應(yīng)通常指的是施加磁場(chǎng)后材料產(chǎn)生電極化的效應(yīng)。產(chǎn)生的電極化除以施加磁場(chǎng)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(yīng)大小的一個(gè)性能指標(biāo)。

最早磁電效應(yīng)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(yīng)。磁電效應(yīng)和材料的晶體學(xué)對(duì)稱性、d軌道電子的排布都有關(guān)系，通常要求化合物同時(shí)具有鐵磁或者反鐵磁性，以及壓電效應(yīng)。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(yīng)，而且通常要在很低的溫度下才能被檢測(cè)到。這是因?yàn)檫@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(yīng)的材料是通過復(fù)合磁致伸縮材料和壓電材料產(chǎn)生的。這類復(fù)合型的磁電效應(yīng)是一種間接效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)過程是施加磁場(chǎng)導(dǎo)致磁致伸縮材料發(fā)生磁致伸縮效應(yīng)，產(chǎn)生的應(yīng)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(fù)合型的磁電效應(yīng)很容易在室溫下實(shí)現(xiàn)。

磁電效應(yīng)的檢測(cè)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(dòng)態(tài)法[6-9]。靜態(tài)法的原理是直接利用磁電效應(yīng)的定義來檢測(cè)，即施加一個(gè)直流磁場(chǎng) HDC，測(cè)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(shí)際實(shí)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(duì)測(cè)量線路的絕緣度要求很高。實(shí)際上檢測(cè)線路都有一定的直流電阻，材料本身也會(huì)有一定的電阻，因此采用靜態(tài)法測(cè)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(dǎo)致測(cè)量結(jié)果隨時(shí)間發(fā)生明顯衰減。為了避免這一缺陷，后來出現(xiàn)了動(dòng)態(tài)法，即在一個(gè)大直流偏置磁場(chǎng)HDC上，疊加一個(gè)很小的微擾磁場(chǎng)dH，然后通過電荷放大器測(cè)量產(chǎn)生的電極化，或者通過高阻抗電壓表測(cè)量電極化累積產(chǎn)生的電壓dV。采用動(dòng)態(tài)法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，大直流偏置磁場(chǎng)產(chǎn)生的電極化迅速被衰減，而小微擾磁場(chǎng)通常是正弦變化的交變磁場(chǎng)，可以連續(xù)地激勵(lì)樣品產(chǎn)生連續(xù)的電荷/電壓輸出，大大降低了對(duì)測(cè)量儀表的絕緣度的要求。動(dòng)態(tài)法大大降低了對(duì)檢測(cè)設(shè)備的需求，成為磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)的一種通用測(cè)試方法。國內(nèi)多家單位都報(bào)道了采用動(dòng)態(tài)法進(jìn)行磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)的測(cè)試。比如清華大學(xué)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(dòng)態(tài)法磁電測(cè)試系統(tǒng)，并帶有樣品旋轉(zhuǎn)功能[6]。北京科技大學(xué)潘德安課題組報(bào)道了采用類似的方法，結(jié)合LabVIEW信號(hào)處理程序建立的虛擬鎖相放大器，組建的動(dòng)態(tài)法測(cè)試系統(tǒng)[9]。廈門大學(xué)施展課題組報(bào)道了采用動(dòng)態(tài)法建立的快速測(cè)試系統(tǒng)[7]和多參數(shù)同步測(cè)試系統(tǒng)[8]。這些測(cè)試系統(tǒng)都采用了動(dòng)態(tài)法的基本測(cè)試原理，不同的地方在于一些樣品角度、信號(hào)采集、磁場(chǎng)掃描方式的具體實(shí)現(xiàn)方式有所區(qū)別。

長期以來，動(dòng)態(tài)法檢測(cè)磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)時(shí)，都采用對(duì)樣品進(jìn)行電磁屏蔽的做法，以消除激勵(lì)線圈自身產(chǎn)生的電場(chǎng)在樣品上引起的電壓。以往的測(cè)試系統(tǒng)中，廣泛采用亥姆赫茲線圈產(chǎn)生微擾磁場(chǎng)[6-9]。亥姆赫茲線圈是一對(duì)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(gè)線圈的中心位置產(chǎn)生均勻的磁場(chǎng)。為了獲得較大的樣品空間，屏蔽腔的體積也必須相應(yīng)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(dāng)測(cè)量裝置需要放入體積較小低溫測(cè)試裝置（如 Quantum Design公司的物性綜合測(cè)試系統(tǒng)PPMS）中時(shí)，以往的動(dòng)態(tài)法測(cè)試方法將很難實(shí)現(xiàn)。為了增加樣品空間，實(shí)現(xiàn)測(cè)量裝置的小型化，本文設(shè)計(jì)了一種新的測(cè)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(cè)量單元。

1 設(shè)計(jì)原理

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，不論屏蔽材料的形狀和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如何，導(dǎo)體內(nèi)部的電場(chǎng)為零。根據(jù)這一原理，采用屏蔽線圈式的測(cè)試裝置，屏蔽層之外的空間，也相當(dāng)于一個(gè)被屏蔽層包裹的封閉空間，滿足電場(chǎng)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(dòng)電源的地線相連，構(gòu)成了對(duì)線圈產(chǎn)生電場(chǎng)的屏蔽。處于線圈外部的樣品，不會(huì)接收到電場(chǎng)的影響，只感受到線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)的影響。

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

圖2給出了測(cè)試裝置的示意圖。測(cè)試裝置的底座完全設(shè)計(jì)成為與PPMS系統(tǒng)多功能樣品測(cè)試桿匹配的插針式底座。電磁線圈設(shè)計(jì)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(jì)與之前報(bào)道的測(cè)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(chǎng)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(chǎng)。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(shí)際可以提供的均勻磁場(chǎng)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(jì)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(cè)試單元示意圖Fig.2 Illustration of a miniature dynamic magnetoelectric test device by coil shielding

測(cè)量單元安裝在PPMS多功能測(cè)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(cè)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(lì)下產(chǎn)生的磁場(chǎng)。線圈的直徑為20 mm，厚度為2 mm，激勵(lì)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(chǎng)具有較大的值，而在線圈的中心部位，有一個(gè)直徑大約為6 mm的均勻磁場(chǎng)區(qū)，磁感應(yīng)強(qiáng)度的值為119.4 A/m。由于磁場(chǎng)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(dāng)?shù)拇艌?chǎng)強(qiáng)度（127.36 A/m）。模擬結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)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(chǎng)強(qiáng)度。

圖4 有限元模擬的磁場(chǎng)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(cè)試單元實(shí)際的中心磁場(chǎng)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(shí)，中心磁場(chǎng)強(qiáng)度為111.44 A/m，這與圖4模擬的中心磁場(chǎng)強(qiáng)度119.4 A/m十分接近。

圖5 實(shí)際測(cè)得的磁場(chǎng)強(qiáng)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(cè)試單元，對(duì)3 mm×3 mm×5 mm Ni/PZT磁電材料的測(cè)試結(jié)果如圖6所示。在1 kHz下，激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度為111.44 A/m。采用PPMS系統(tǒng)對(duì)樣品施加-0.2～0.2 T的掃描磁場(chǎng)，采用鎖相放大器測(cè)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(chǎng)，形成如圖6所示的磁電回線。從圖6中可以看出，測(cè)量結(jié)果與傳統(tǒng)屏蔽樣品式的測(cè)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(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的測(cè)量。變換不同的溫度，可以得到不同溫度下的磁電回線。該測(cè)試方法實(shí)現(xiàn)了與 PPMS系統(tǒng)兼容，大大提高了該測(cè)試方法的通用性。作為一種新型的性能測(cè)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(yīng)用，成為磁電性能的通用測(cè)試方法。

圖6 Ni/PZT磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)dV/dH隨外加直流磁場(chǎng)HDC的變化趨勢(shì)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(yīng)定律，本文設(shè)計(jì)了屏蔽線圈式的微型動(dòng)態(tài)磁電效應(yīng)的測(cè)量方法。通過扁平線圈、屏蔽線圈的設(shè)計(jì)，有效地實(shí)現(xiàn)了電場(chǎng)的屏蔽，并擴(kuò)大了樣品的測(cè)試空間。實(shí)際檢測(cè)結(jié)果表明，該測(cè)試方法可以很好實(shí)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(cè)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(fù)合材料研究，E-mail: shizhan@xmu.edu.cn 。

時(shí)間：2017-06-29 10:24

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