磁気電気ねじれモードの共振器における磁気弾性結合とデルタ-E効果

主に基本的な曲げまたはバルク共鳴モードで、Delta-E効果を介して小さな振幅と低周波数の磁場を検出するために、磁気電気共振器が研究されています。ここでは、磁場センサーとしての曲げモード（BMS）およびねじれモード（TMS）で動作できる磁気電気薄膜カンチレバーの実験的および理論的調査を提示します。磁気弾性マクロスピンモデルは、電気機械的有限要素モデルと組み合わされ、すべての剛性テンソル成分のデルタE効果の一般的な説明CIJが導出されます。シミュレーションは、C66コンポーネントのDelta-E効果が磁気感度を大幅に増加させ、最大正規化周波数変化ΔFRを有望であることを定量的に確認します。ただし、TMSの電気励起は依然として挑戦的であり、感度の増加を大幅に減少させることがわかっています。実験では、モード番号に対するTMSの感度とΔFRの依存性が明らかになります。これは、BMSと基本的に異なり、モデルによってよく説明されています。TMSへのC11の寄与はモード番号とともに増加するため、1次TMは最高の磁気感度を生成します。全体として、高感度Delta-E効果センサーの設計と、Delta-E効果に基づく周波数調整可能なデバイスのために、一般的な洞察が得られます。

Magnetoelectric resonators have been studied for the detection of small amplitude and low frequency magnetic fields via the delta-E effect, mainly in fundamental bending or bulk resonance modes. Here, we present an experimental and theoretical investigation of magnetoelectric thin-film cantilevers that can be operated in bending modes (BMs) and torsion modes (TMs) as a magnetic field sensor. A magnetoelastic macrospin model is combined with an electromechanical finite element model and a general description of the delta-E effect of all stiffness tensor components Cij is derived. Simulations confirm quantitatively that the delta-E effect of the C66 component has the promising potential of significantly increasing the magnetic sensitivity and the maximum normalized frequency change Δfr. However, the electrical excitation of TMs remains challenging and is found to significantly diminish the gain in sensitivity. Experiments reveal the dependency of the sensitivity and Δfr of TMs on the mode number, which differs fundamentally from BMs and is well explained by our model. Because the contribution of C11 to the TMs increases with the mode number, the first-order TM yields the highest magnetic sensitivity. Overall, general insights are gained for the design of high-sensitivity delta-E effect sensors, as well as for frequency tunable devices based on the delta-E effect.