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.
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 magnetostrictive material is magnetized in magnetic field and produces a nonuniform demagnetizing field inside and outside it. The demagnetization is decided by the permeability of magnetostrictive material and its size. The magnetoelectric performances are determined by the synthesis of the applied and demagnetizing fields. An analytical model is proposed to predict the magnetoelectric voltage coefficient (MEVC) of magnetostrictive/piezoelectric laminate composite using equivalent circuit method, in which the nonuniform demagnetizing field is taken into account. The theoretical and experimental results indicate that the MEVC is positively connected with the permeability and the piezomagnetic coefficient of magnetostrictive material. To obtain the maximum MEVC, both the permeability and the piezomagnetic coefficient of magnetostrictive material should be taken into account in selecting the suitable 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.
The dynamic magnetostriction characteristics of an Fe-based nanocrystalline FeCuNbSiB alloy are investigated as a function of the dc bias magnetic field. The experimental results show that the piezomagnetic coefficient of FeCuNbSiB is about 2.1 times higher than that of Terfenol-D at the low dc magnetic bias $H_{dc}$ = 46 Oe. Moreover, FeCuNbSiB has a large resonant dynamic strain coefficient at quite low Hdc due to a high mechanical quality factor, which is 3-5 times greater than that of Terfenol-D at the same low $H_{dc}$. Based on such magnetostriction characteristics, we fabricate a new type of transducer with FeCuNbSiB/PZT-8/FeCuNbSiB. Its maximum resonant magnetoelectric voltage coefficient achieves ~10 V/Oe. The ME output power reaches 331.8 ${\mu}W$ at an optimum load resistance of 7 $k{\Omega}$ under 0.4 Oe ac magnetic field, which is 50 times higher than that of the previous ultrasonic-horn-substrate composite transducer and it decreases the size by nearly 86%. The performance indicate that the FeCuNbSiB/PZT-8/FeCuNbSiB transducer is promising for application in highly efficient magnetoelectric energy conversion.
Magnetoelectric (ME) composite is composed of a piezoelectric material and a magnetostrictive material. Among various ME structures, 2-2 type layered ME composites are anticipated to be used as high-sensitivity magnetic field sensors and energy harvesting devices especially operating at its resonance modes. Rosen type piezoelectric transducer using piezoelectric material is known to amplify a small electrical input voltage to a large electrical output voltage. The output voltage of these Rosen type piezoelectric transducers can be further enhanced by modifying them into ME composite structures. Herein, we fabricated Rosen type ME composites by sandwiching Rosen type PMN-PZT single crystal between two Ni layers and studied their ME coupling. However, the voltage step-up ratio at the resonance frequency was found to be smaller than the value calculated with αME value. The ATILA FEA (Finite Elements Analysis) simulation results showed that the position of the nodal point was changed with the presence of a magnetostrictive layer. Thus, while designing a Rosen type ME composite with high performance in a resonant driving situation, it is necessary to optimize the position of the nodal point by optimizing the thickness or length of the magnetostrictive layer.
In this study, we investigated the microstructure and piezoelectric properties of 0.96(K0.456Na0.536)Nb0.95Sb0.05-0.04Bi0.5(Na0.82K0.18)0.5ZrO3 (KNNS-BNKZ) ceramics based on one-step and two-step sintering processes. One-step sintering led to significant abnormal grain (AG) growth at temperatures above 1,085 ℃. With increasing sintering temperature, piezoelectric and dielectric properties were enhanced, resulting in a high d33 = 506 pC/N for one-step specimen sintered at 1,100 ℃ (one-step 1,100 ℃ specimen). However, for one-step 1,115 ℃ specimen, a slight decrease in d33 was observed, emphasizing the importance of a high tetragonal (T) phase fraction for superior piezoelectric properties. Achieving a relative density above 84 % for samples sintered by the one-step sintering process was challenging. Conversely, two-step sintering significantly improved the relative density of KNNS-BNKZ ceramics up to 96 %, attributed to the control of AG nucleation in the first step and grain growth rate control in the second step. The quantity of AG nucleation was affected by the duration of the first step, determining the final microstructure. Despite having a lower T phase fraction than that of the one-step 1,100 ℃ specimen, the two-step specimen exhibited higher piezoelectric coefficients (d33 = 574 pC/N and kp = 0.5) than those of the one-step 1,100 ℃ specimen due to its higher relative density. Performance evaluation of magnetoelectric composite devices composed of one-step and two-step specimens showed that despite having a higher g33, the magnetoelectric composite with the one-step 1,100 ℃ specimen exhibited the lowest magnetoelectric voltage coefficient, due to its lowest kp. This study highlights the essential role of phase fraction and relative density in enhancing the performance of piezoelectric materials and devices, showcasing the effectiveness of the two-step sintering process for controlling the microstructure of ceramic materials containing volatile elements.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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