Детектирование неоднородных магнитных полей при помощи магнитоэлектрического композита

Перспективность использования магнитоэлектрических (МЭ) композитов обусловлена широким спектром их возможного применения, особенно в качестве сенсоров малых магнитных полей при комнатной температуре в медико-диагностическом оборудовании для магнитокардиографии и магнитоэнцефалографии. В большинстве работ по изучению МЭ-композитов структуры измеряют в однородных магнитных полях, однако, для практического применения необходимо детальное рассмотрение взаимодействия с неоднородными магнитными полями (НМП). Проведены измерения НМП с радиальной симметрией, возникающего вокруг тонкого провода с переменным электрическим током, при разных положениях МЭ-датчика относительно единичного провода. Для детектирования НМП подготовлена градиентная МЭ-структур b-LN/Ni/Metglas с коэффициентом чувствительности к магнитному полю 120 В/Тл. За счет наличия слоя никеля и его остаточной намагниченности не было необходимости в подаче подмагничивающего поля. МЭ-композит показал ненулевое значение МЭ-коэффициента (0,24 В/(см · Э)) в отсутствии постоянного внешнего магнитного поля. Показано, что амплитуда выходного сигнала с МЭ-композита, расположенного в переменном НМП, зависит от взаимного расположения исследуемого образца и силовых линий магнитного поля от единичного проводника. При этом наибольший сигнал достигается, когда длинная сторона МЭ-образца перпендикулярна к проводнику с током, а плоскость симметрии, разделяющая длинную сторону пластины пополам, содержит ось проводника. В области частот от 400 Гц до 1 кГц, где влияние вибрационных шумов и других наводок не даёт большой вклад, лимит детектирования структуры составляет (2 ± 0,4) нТл/Гц^1/2.

1. Turutin A.V., Kubasov I.V., Kislyuk A.M., Kuts V.V., Malinkovich M.D., Parkhomenko Y.N., Sobolev N.A. Ultra-sensitive magnetoelectric sensors of magnetic fields for biomedical applications. Nanobiotechnology Reports. 2022; 17(3): 261—289. https://doi.org/10.1134/S2635167622030223

2. Li M., Matyushov A., Dong C., Chen H., Lin H., Nan T., Qian Z., Rinaldi M., Lin Y., Sun N.X. Ultra-sensitive NEMS magnetoelectric sensor for picotesla DC magnetic field detection. Applied Physics Letters. 2017; 110(14): 143510. https://doi.org/10.1063/1.4979694

3. Jovičević Klug M., Thormählen L., Toxværd S.D., Höft M., Knöchel R., Quandt E., Meyners D., Röbisch V., McCord J. Antiparallel exchange biased multilayers for low magnetic noise magnetic field sensors. Applied Physics Letters. 2019; 114(19): 192410. https://doi.org/10.1063/1.5092942

4. Jing W.Q., Fang F. A flexible multiferroic composite with high self-biased magnetoelectric coupling. Composites Science and Technology. 2017; 153: 145—150. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2017.10.010

5. Yang Sh.-Y., Xu J., Zhang X., Fan S., Zhang Ch.-Y., Huang Y., Li Q., Wang X., Cao D., Xu J., Li S. Self-biased metglas/PVDF/Ni magnetoelectric laminate for AC magnetic sensors with a wide frequency range. Journal of Physics D: Applied Physics. 2022; 55(17): 175002. https://doi.org/10.1088/1361-6463/ac4cf5

6. Turutin A.V., Skryleva E.A., Kubasov I.V., Milovich F.O., Temirov A.A., Raketov K.V., Kislyuk A.M., Zhukov R.N., Senatulin B.R., Kuts V.V., Malinkovich M.D., Parkhomenko Y.N., Sobolev N.A. Magnetoelectric MEMS magnetic field sensor based on a laminated heterostructure of bidomain lithium niobate and metglas. Materials (Basel). 2023; 16(2): 484. https://doi.org/10.3390/ma16020484

7. Elzenheimer E., Hayes P., Thormählen L., Engelhardt E., Zaman A., Quandt E., Frey N., Höft M., Schmidt G. Investigation of converse magnetoelectric thin-film sensors for magnetocardiography. IEEE Sensors Journal. 2023; 23(6): 5660—5669. https://doi.org/10.1109/JSEN.2023.3237910

8. Reermann J., Elzenheimer E., Schmidt G. Real-time biomagnetic signal processing for uncooled magnetometers in cardiology. IEEE Sensors Journal. 2019; 19(11): 4237—4249. https://doi.org/10.1109/JSEN.2019.2893236

9. Ma J.N., Xin C.Z., Ma J., Lin Y.H., Nan C.W. Design and analysis of a self-biased broadband magnetoelectric cantilever operated at multi-frequency windows. AIP Advances. 2017; 7(3): 035013. https://doi.org/10.1063/1.4978872

10. Greve H., Woltermann E., Quenzer H.-J., Wagner B., Quandt E. Giant magnetoelectric coefficients in (Fe90Co10)78Si12B10-AlN thin film composites. Applied Physics Letters. 2010; 96(18): 182501. https://doi.org/10.1063/1.3377908

11. Hayes P., Schell V., Salzer S., Burdin D., Yarar E., Piorra A., Knöchel R., Fetisov Y.K., Quandt E. Electrically modulated magnetoelectric AlN/FeCoSiB film composites for DC magnetic field sensing. Journal of Physics D: Applied Physics. 2018; 51(35): 354002. https://doi.org/10.1088/1361-6463/aad456

12. Su J., Niekiel F., Fichtner S., Thormaehlen L., Kirchhof C., Meyners D., Quandt E., Wagner B., Lofink F. AlScN-based MEMS magnetoelectric sensor. Applied Physics Letters. 2020; 117(13): 132903. https://doi.org/10.1063/5.0022636

13. Huang D., Lu C., Han B., Wang X., Li C., Xu C., Gui J., Lin C. Giant self-biased magnetoelectric coupling characteristics of three-phase composite with end-bonding structure. Applied Physics Letters. 2014; 105(26): 263502. https://doi.org/10.1063/1.4904799

14. Mandal S.K., Sreenivasulu G., Petrov V.M., Srinivasan G. Magnetization-graded multiferroic composite and magnetoelectric effects at zero bias. Physical Review B. 2011; 84(1): 014432. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.84.014432

15. Li M., Wang Z., Wang Y., Li J., Viehland D. Giant magnetoelectric effect in self-biased laminates under zero magnetic field. Applied Physics Letters. 2013; 102(8): 082404 https://doi.org/10.1063/1.4794056

16. Deka B., Lee Y.-W., Yoo I.-R., Gwak D.-W., Cho J., Song H.-C., Choi J.-J., Hahn B.-D., Ahn C.-W., Cho K.-H. Designing ferroelectric/ferromagnetic composite with giant self-biased magnetoelectric effect. Applied Physics Letters. 2019; 115(19): 192901. https://doi.org/0.1063/1.5128163

17. Huang D., Lu C., Bing H. Multipeak self-biased magnetoelectric coupling characteristics in four-phase Metglas/Terfenol-D/Be-bronze/PMN-PT structure. AIP Advances. 2015; 5(4): 047140. https://doi.org/10.1063/1.4919248

18. Zhang H., Lu C., Sun Z. Large self-biased magnetoelectric response in four-phase Heterostructure with multiple low-frequency peaks. Applied Physics Letters. 2015; 106(3): 033505. https://doi.org/10.1063/1.4906414

19. Fetisov L.Y., Dzhaparidze M.V., Savelev D.V., Burdin D.A., Turutin A.V., Kuts V.V., Milovich F.O., Temirov A.A., Parkhomenko Y.N., Fetisov Y.K. Magnetoelectric effect in amorphous ferromagnetic FeCoSiB/langatate monolithic heterostructure for magnetic field sensing. Sensors (Basel). 2023; 23(9): 4523. https://doi.org/10.3390/s23094523

20. Bichurin M.I., Sokolov O.V., Leontiev V.S., Petrov R.V., Tatarenko A.S., Semenov G.A., Ivanov S.N., Turutin A.V., Kubasov I.V., Kislyuk A.M., Malinkovich M.D., Parkhomenko Y.N., Kholkin A.L., Sobolev N.A. Magnetoelectric effect in the bidomain lithium niobate/nickel/metglas gradient structure. Physica Status Solidi (B): Basic Solid State Physics. 2020; 257(3): 1900398. https://doi.org/10.1002/pssb.201900398

21. Yang S.-C., Park C.-S., Cho K.-H., Priya S. Self-biased magnetoelectric response in three-phase laminates. Journal of Applied Physics. 2010: 108(9): 093706. https://doi.org/10.1063/1.3493154

22. Kumar A., Arockiarajan A. Temperature dependent magnetoelectric (ME) response in press-fit FeNi/PZT/Ni self-biased ring composite. Journal of Applied Physics. 2019; 126(9): 094102. https://doi.org/10.1063/1.5108708

23. Bichurin M.I., Petrov R.V., Leontiev V.S., Sokolov O.V., Turutin A.V., Kuts V.V., Kubasov I.V., Kislyuk A.M., Temirov A.A., Malinkovich M.D., Parkhomenko Y.N. Self-biased bidomain LiNbO3/Ni/metglas magnetoelectric current sensor. Sensors (Basel). 2020; 20(24): 7142. https://doi.org/10.3390/s20247142

24. Turutin A.V., Vidal J.V., Kubasov I.V., Kislyuk A.M., Malinkovich M.D., Parkhomenko Y.N., Kobeleva S.P., Kholkin A.L., Sobolev N.A. Low-frequency magnetic sensing by magnetoelectric metglas/bidomain LiNbO3 long bars. Journal of Physics D: Applied Physics. 2018; 51(21): 214001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/aabda4

25. Huo Y., Sofronici S., Wang X., D’Agati M.J., Finkel P., Bussmann K., Mion T., Staruch M., Jones N.J., Wheeler B., McLaughlin K.L., Allen M.G., Olsson R.H. Low noise, strain modulated, multiferroic magnetic field sensor systems. IEEE Sensors Journal. 2023; 23(13): 14025—14040. https://doi.org/10.1109/JSEN.2023.3279229

26. Özden M.-Ö., Teplyuk A., Gümüs Ö., Meyners D., Höft M., Gerken M. Magnetoelectric cantilever sensors under inhomogeneous magnetic field excitation. AIP Advances. 2020; 10(2): 025132. https://doi.org/10.1063/1.5136239

27. Friedrich R.-M., Zabel S., Galka A., Lukat N., Wagner J.-M., Kirchhof C., Quandt E., McCord J., Selhuber-Unkel C., Siniatchkin M., Faupel F. Magnetic particle mapping using Magnetoelectric sensors as an imaging modality. Scientific Reports. 2019; 9(1): 2086. https://doi.org/0.1038/s41598-018-38451-0

28. Isakovic J., Dobbs-Dixon I., Chaudhury D., Mitrecic D. Modeling of inhomogeneous electromagnetic fields in the nervous system: A novel paradigm in understanding cell interactions, disease etiology and therapy. Scientific Reports. 2018; 8(1): 12909. https://doi.org/0.1038/s41598-018-31054-9

29. Kubasov I.V., Kislyuk A.M., Turutin A.V., Malinkovich M.D., Parkhomenko Y.N. Bidomain ferroelectric crystals: Properties and prospects of application. Russian Microelectronics. 2021; 50(8): 571–616. https://doi.org/10.1134/S1063739721080035

30. Kuts V.V., Turutin A.V., Kislyuk A.M., Kubasov I.V., Zhukov R.N., Temirov A.A., Malinkovich M.D., Sobolev N.A., Parkhomenko Y.N. Magnetoelectric effect in three-layered gradient LiNbO3/Ni/Metglas composites. Modern Electronic Materials. 2022; 8(4): 141–147. https://doi.org/0.3897/j.moem.8.4.98951

31. Spetzler B., Bald C., Durdaut P., Reermann J., Kirchhof C., Teplyuk A., Meyners D., Quandt E., Höft M., Schmidt G., Faupel F. Exchange biased delta-E effect enables the detection of low frequency pT magnetic fields with simultaneous localization. Scientific Reports. 2021; 11(1): 5269. https://doi.org/10.1038/s41598-021-84415-2

32. Gao J., Das J., Xing Z., Li J., Viehland D. Comparison of noise floor and sensitivity for different magnetoelectric laminates. Journal of. Applied Physics. 2010; 108(8): 084509. https://doi.org/10.1063/1.3486483

33. Vidal J.V., Turutin A.V., Kubasov I.V., Malinkovich M.D., Parkhomenko Y.N., Kobeleva S.P., Kholkin A.L., Sobolev N.A. Equivalent magnetic noise in magnetoelectric laminates comprising bidomain LiNbO3 crystals. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2017; 64(7): 1102—1119. https://doi.org/10.1109/TUFFC.2017.2694342

34. More-Chevalier J., Cibert C., Bouregba R., Poullain G. Eddy currents: A misleading contribution when measuring magnetoelectric voltage coefficients of thin film devices. Journal of. Applied Physics. 2015; 117(15): 154104. https://doi.org/10.1063/1.4917534