Magnetoelectric (ME) composites composed of magnetostrictive and piezoelectric materials derive interfacial coupling of magnetoelectric conversion between magnetic and electric properties, thus enabling to detect ultra-low magnetic field. To improve the performance of ME composite sensors, various research teams have explored adopting highly efficient magnetostrictive and piezoelectric phases, tailoring of device geometry/structure, and developing signal process technique. As a result, latest ME composites have achieved not only outstanding ME conversion coefficient but also sensing of ultra-low magnetic field below 1pT. This article reviews the recent research trend of ME composites for sensing of ultra-low magnetic field.
The influences of the load resistance $R_L$ on the magnetoelectric (ME) characteristics of $NiZnFe_2O_4+PZT$ composite were investigated in the non-resonance frequency range. The ME coefficient peak increases with increasing $R_L$, but the frequency indicating the ME coefficient peak decreases with increasing $R_L$. The maximum output power peak is approximately $9.3{\times}10^{-10}mW/Oe$ near $R_L=3.3M{\Omega}$ at f=280 Hz, and the ME coefficient seems to be saturated at $R_L>20M{\Omega}$. This frequency shift effect of $R_L$ shows that the frequency range for an ME sensor application can be modulated with the appropriate value of $R_L$. The ME output voltage has a good linear response to the ac field Hac and shows fair stability over a range of temperatures. The measured non-linearity of this sample is approximately 0.8%. This sample will allow for a low-strength magnetic ac-field sensor. The result from this sample will serve as basic data for a signal-processing circuit system.
Since 2010, polymer-based magnetoelectric (ME) composites have been developed with detailed investigations of multiferroic properties such as piezoelectric, magnetostrictive, and magnetoelectric, etc. In particular, as a piezoelectric polymer, poly(vinylidene fluoride) and its co-polymers have been widely used in ME composites for energy harvesting, health monitoring, environment treatment, and bio-medical applications. In this study, main research trend and selected experimental results of polymer-based ME composites are briefly reviewed with respect to composite structure as well as application field. A conclusion was drawn that the polymer-based ME composites would be feasible as flexible devices or functional membranes in the near future.
Magnetoelectric (ME) composites were designed using the PMN-PZT single crystal and Ni foils; the properties and magnetic-field sensitivities of ME composites with different piezoelectric vibration modes (i.e., 31, 32, and 36 modes that depend on the crystal orientation of the single crystal) were compared. In the off-resonance condition, the ME coupling properties of the ME composites with the 32 and 36 piezoelectric vibration modes were better than those of the ME composites with the 31 piezoelectric vibration mode. However, in the resonance condition, the ME coupling properties of the ME composites were almost similar, irrespective of the piezoelectric vibration mode. Additionally, in the off-resonance condition (at 1 kHz), the magnetic-field sensitivity of the ME composites with the 36 piezoelectric vibration mode was up to 2 nT and those of the ME composites with the 31 and 32 piezoelectric vibration modes were up to 5 nT. These magnetic-field sensitivities are similar to those offered by conventional high-sensitivity magnetic-field sensors; the potential of the proposed sensor to replace costly and bulky high-sensitivity magnetic field sensors is significant.
This paper proposes a magnetoelectric (ME) composite transducer structure consisting of a magnetostrictive H-type Fe-Ni fork substrate and piezoelectric PZT plates. The fork composite structure has a higher ME voltage coefficient compared to other ME composite structures due to the higher quality (Q) factor. The ME sensitivity of the fork structure reaches 12 V/Oe (i.e., 150 V/cm Oe). The fork composite with two PZT plates electrically connected in series exhibits over 5 times higher ME voltage coefficient than the output of the rectangle structure in the same size. The experiment shows the composite of a Fe-Ni fork substrate and PZT plates has a significantly enhanced ME voltage coefficient and a higher ME sensitivity relative to the prior sandwiched composite laminates. By the use of a lock-in amplifier with 10 nV resolution, this transducer can detect a weak magnetic field of less than $10^{-12}$ T. This transducer can also be designed for a magnetoelectric energy harvester due to its passive high-efficiency ME energy conversion.
Laminate composites composed of $0.95Pb(Zr_{0.52}Ti_{0.48})O_3-0.05Pb(Mn_{1/3}Sb_{2/3})O_3$ piezoelectric ceramic and Fe-Si-B based magnetostrictive amorphous alloy are fabricated, and the effect of control of the areal dimensions and the thickness of the piezoelectric layer on the magnetoelectric(ME) properties of the laminate composites is studied. As the aspect ratio of the piezoelectric layer and the magnetostrictive layer increases, the maximum value of the ME voltage coefficient(${\alpha}_{ME}$) increases and the intensity of the DC magnetic field at which the maximum ${\alpha}_{ME}$ value appears decreases. Moreover, as the thickness of the piezoelectric layer decreases, ${\alpha}_{ME}$ tends to increase. The ME composites exhibit ${\alpha}_{ME}$ values higher than $1Vcm^{-1}Oe^{-1}$ even at the non-resonance frequency of 1 kHz. This study shows that, apart from the inherent characteristics of the piezoelectric composition, small thicknesses and high aspect ratios of the piezoelectric layer are important dimensional determinants for achieving high ME performance of the piezoelectric-magnetostrictive laminate composite.
The magnetoelectric (ME) characteristics for Terfenol-D/PZT laminate composite dependence on bias magnetic field is investigated. At low frequency, ME response is determined by the piezomagnetic coefficient $d_{33,m}$ and the elastic compliance $s_{33}^H$ of magnetostrictive material, $d_{33,m}$ and $s_{33}^H$ for Terfenol-D are inherently nonlinear and dependent on $H_{dc}$, leading to the influence of $H_{dc}$ on low-frequency ME voltage coefficient. At resonance, the mechanical quality factor $Q_m$ dependences on $H_{dc}$ results in the differences between the low-frequency and resonant ME voltage coefficient with $H_{dc}$. In terms of ${\Delta}E$ effect, the resonant frequency shift is derived with respect to the bias magnetic field. Considering the nonlinear effect of magnetostrictive material and $Q_m$ dependence on $H_{dc}$c, it predicts the low-frequency and resonant ME voltage coefficients as a function of the dc bias magnetic field. A good agreement between the theoretical results and experimental data is obtained and it is found that ME characteristics dependence on $H_{dc}$ are mainly influenced by the nonlinear effect of magnetostrictive material.
자기전기복합체(magnetoelectric, ME compositie)는 자왜재료와 압전재료의 결합현상을 이용하는 재료로서 지난 20여 년간 이론적, 실험적으로 많은 연구가 진행되어 왔다. 자기전기복합체의 출력특성은 구성하는 소재, 계면층, 복합체의 형상, 자기장하 진동모드 등의 많은 구성요소의 최적화를 통하여 급속히 향상되고 있다. 하지만 자기전기복합체의 자기전기 결합 특성 평가는 대부분의 연구들에서 구체적인 방법을 제시하지 않아 어떻게 측정한 것인지가 불명확한 경우가 많다. 본 논문에서는 자기전기복합체의 비공진, 공진상황에서 자기전기 전압계수를 어떻게 측정할 수 있는지에 대한 자세한 방법을 소개한다. 평가를 위한 샘플로서 대칭적인 구조를 가지는 Gelfenol/PMN-PZT/Gelfenol 자기전기복합체를 제조하였다. 압전 재료로는 이방성의 (011) 32 모드의 PMN-PZT 압전 단결정과 자왜재료로는 Galfenol 합금을 사용하여 에폭시로 접착하였다. 컴퓨터 인터페이스로 자동화된 자기전기 전압특성 측정 시스템의 구성을 우선 설명하고, 자기전기 결합특성의 측정 방법을 단계별로 설명한다. 본 튜토리얼 논문에서는 자기전기결합 특성과 특성평가방법을 이해하고자 하는 연구자들에게 도움이 될 수 있는 평가방법의 원리와 절차를 제공하고자 하였다.
Magnetoelectric(ME) bulk composites with PZT-PNN-PZN/$Fe_2O_4$ were prepared by using a conventional ceramic methods and investigated on the ME voltage vs frequency of ac magnetic fields. We made the electric equivalent circuits by using the Maxwell-Wagner model and simulated the frequency dependence of ME voltage in low frequency region. ME devices were described by a series of two equivalent circuits of piezoelectric and magnetic, which have the relaxation time ${\tau}$ due to the interaction between ME device and load resistor. Equivalent circuit of piezoelectric material is independent of frequency. However ferrite magnetic materials have Debye absorption and dipolar dispersion, whose equivalent circuit is a function of frequency. Therefore we suggest the resistance in the equivalent circuit is proportion to $1+{\omega}^2{\tau}^2$ and the capacitance is in inverse proportion to $1+{\omega}^2{\tau}^2$ in the magnetic materials.
Yang, Jin;Wen, Yumei;Li, Ping;Dai, Xianzhi;Li, Ming
Journal of Magnetics
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제16권2호
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pp.150-156
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2011
Magnetoelectric (ME) transducers were originally intended for magnetic field sensors but have recently been used in vibration energy harvesting. In this paper, a new broadband vibration energy harvester has been designed and fabricated to be efficiently applicable over a range of source frequencies, which consists of two cantilever beams, two magnetoelectric (ME) transducers and a magnetic circuit. The effects of the structure parameters, such as the non-linear magnetic forces of the ME transducers and the magnetic field distribution of the magnetic circuit, are analyzed for achieving the optimal vibration energy harvesting performances. A prototype is fabricated and tested, and the experimental results on the performances show that the harvester has bandwidths of 5.6 Hz, and a maximum power of 0.25 mW under an acceleration of 0.2 g (with g = $9.8\;ms^2$).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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