CN101047225A - 磁电耦合器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种磁电耦合器件，其包括：两个磁致伸缩材料片；压电器件，其位于两个磁致伸缩材料片之间并与其耦合，用以将磁致伸缩材料产生的位移转换为电信号；以及夹具，其上安装耦合在一起的压电器件和两个磁致伸缩材料片。本发明的磁电耦合器件通过具有高应变和高压电系数的压电器件与磁致伸缩材料的耦合可将磁电耦合系数提高到以前同类型器件的4倍，从而可使其制成的传感器的灵敏度进一步提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁电耦合器件，具体来说，涉及一种具有高磁电耦合系数的磁电耦合器件。
背景技术
八十年代，人们将具有磁致伸缩效应的铁磁性材料与具有压电效应的压电材料形成复合材料，磁电耦合系数得到极大的提高。特别是将两种材料做成片状，然后再迭层，性能更好(C.W.Nan，Phys.Rev.B50，6082(1994))。目前应用较多的压电材料有PbZrO3-PbTiO3(锆钛酸铅，PZT)陶瓷、BaTiO3陶瓷、(BaSr)Nb2O6陶瓷、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)单晶、Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PZN-PT)单晶、P(VDF-TrFE)聚合物等；磁致伸缩材料有Tb1-xDyxFe2(铽镝铁，Terfenol-D)、CoFe2O4、Ni-Fe-O系等。在由压电材料和磁致伸缩材料形成的各种复合材料中，具有Terfenol-D/PZT/Terfenol-D结构的复合材料具有较高的磁电耦合系数。但由于Terfenol-D/PZT/Terfenol-D一般沿横向进行极化和磁化，而横向极化和磁化(沿厚度方向)的磁电耦合系数比纵向极化和纵向磁化(即沿平板方向极化和磁化)的磁电耦合系数小(S.X.Dong，J.F.Li and D.Viehland，IEEE Trans.Ultrason.Ferroelectr.Freq.Control，50，1253(2003))，因此，具有Terfenol-D/PZT/Terfenol-D结构的复合材料仍存在磁电耦合系数低而使其应用受到限制的问题。
在现有技术中，许多压电器件具有比压电材料更高的压电系数，如钹式(Cymbal)压电复合换能器。钹式压电复合换能器是一种结构简单的压电器件，其通过将两片没有锥顶的锥形金属片连结在PZT压电陶瓷的两边，可以充分利用压电陶瓷的d33和d31，并产生极大的位移和极高的压电系数。通过有限元模拟可优化压电陶瓷的尺寸、优化金属片的形状和尺寸，由此制成的Cymbal驱动器的位移为相同尺寸陶瓷片的40倍，并且其有效压电电荷系数为PZT的40倍(A.Dogan，K.Uchino，R.E.Newnham，IEEE Trans.Ultrason.Ferroelectr.Freq.Control，44，597(1997))。然而，受到从复合材料寻找突破的传统思维模式所限，目前尚未有用压电器件代替压电材料的提案。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高磁电耦合系数的磁电耦合器件，其中通过具有高应变和高压电系数的压电器件与磁致伸缩材料片的耦合，可进一步提高磁电耦合系数，进而提高器件的灵敏度。
为实现上述目的，本发明提供一种磁电耦合器件，其包括：两个磁致伸缩材料片；压电器件，其位于两个磁致伸缩材料片之间并与其耦合，用以将磁致伸缩材料产生的位移转换为电信号；以及夹具，其上安装耦合在一起的压电器件和两个磁致伸缩材料片。
优选地，该磁致伸缩材料片的材料为铽镝铁、CoFe2O4、或Ni-Fe-O系。该磁电耦合器件沿厚度方向进行磁化和极化。该夹具包括两个金属铝片和连接这两个铝片的螺杆。
优选地，该压电器件为钹式压电复合换能器，其包含一个压电材料片及两个金属帽，所述金属帽位于压电材料片的两侧并与其耦合，在所述金属帽内部形成有空腔，在压电材料片上形成有金属电极。该压电材料片的材料为锆钛酸铅陶瓷、BaTiO3陶瓷、(BaSr)Nb2O6陶瓷、PMN-PT单晶、PZN-PT单晶、或P(VDF-TrFE)聚合物。所述金属帽为没有锥顶的圆锥形，其材料为钛或铜。导电引线通过导电银浆粘贴在钹式压电复合换能器的斜面上。
本发明的磁电耦合器件通过具有高应变和高压电系数的压电器件与磁致伸缩材料的耦合将磁电耦合系数提高到以前同类型器件的4倍，从而使其制成的传感器的灵敏度进一步提高。这将极大地扩展磁电耦合器件的应用范围。
附图说明
图1(a)和图1(b)分别为本发明的磁电耦合器件的结构示意图及器件照片。
图2为本发明的磁电耦合器件的测量系统的示意图。
图3为本发明的磁电耦合器件的磁电电压随交流磁场的变化。
图4为本发明的磁电耦合器件的磁电电压系数随直流偏置磁场的变化。
具体实施方式
本发明的磁电耦合器件主要由具有高应变和高压电系数的压电器件和磁致伸缩材料片构成。在此，以钹式压电复合换能器(压电器件)和铽镝铁(磁致伸缩材料)片为例，说明本发明的磁电耦合器件的具体结构。
下面，参照图1(a)和1(b)描述本发明的磁电耦合器件的结构及其制造方法。
图1(a)为本发明的磁电耦合器件的结构示意图，而图1(b)为本发明的磁电耦合器件的照片。
如图1(a)所示，本发明的磁电耦合器件100包括：钹式压电复合换能器110、铽镝铁片120以及夹具。
钹式压电复合换能器110包括PZT压电陶瓷片111和金属帽112。在PZT压电陶瓷片111上涂有银电极。这里，PZT压电陶瓷片111的压电陶瓷成分为Pb(Zr0.52Ti0.48)O3，且为圆形，其直径为12.7mm，厚度为1mm，沿厚度方向极化。金属帽112的金属材料为钛，其厚度为0.2～0.4mm，且为没有锥顶的圆锥形，在其内部形成空腔，具体来说，腔顶直径为2.5mm，腔底直径为9mm，腔体深度为0.3mm左右。PZT压电陶瓷片111与金属帽112之间可通过Eccobond环氧树脂胶粘合。优选地，导电引线通过导电银浆粘贴在钹式压电复合换能器110的斜面上，从而能有效地采集磁电电荷。
铽镝铁片120的成分为Tb1-xDyxFe2，且为圆形，其直径为2.5mm、厚度为2mm。铽镝铁片120通过Eccobond环氧树脂胶粘接在钹式压电复合换能器110的两侧。
夹具包括两个金属铝片和连接这两个铝片的螺杆，其中螺杆用于调节位置，以改变夹具产生的压力。粘合在一起的铽镝铁片120和钹式压电复合换能器110(如图1(b)左侧所示)安装在夹具上(如图1(b)右侧所示)。
钹式压电复合换能器中的压电材料可以是PZT陶瓷，也可以是PMN-PT、PZN-PT等其它压电材料。钹式压电复合换能器中的金属帽的材料可以是钛，也可以为铜等。磁致伸缩材料可以是Terfenol-D(铽镝铁)，也可以是CoFe2O4，Ni-Fe-O系等其它磁致伸缩材料。
下面，描述如图1(a)和图1(b)所示的本发明的磁电耦合器件100的制造方法。
1、钹式压电复合换能器的制作
钹式压电复合换能器110包括压电陶瓷片111和金属帽112。PZT压电陶瓷片111的压电陶瓷成份为Pb(Zr0.52Ti0.48)O3，采用固相反应工艺烧结而成。烧结温度为1250℃。保温2小时。将压电陶瓷加工成直径12.7mm、厚度1.0mm的圆片。然后涂上银电极，沿厚度方向极化。金属帽112的材料为金属钛，采用锻压的办法将0.3mm厚的钛板制成没有锥顶的圆锥形。腔顶直径为2.5mm，腔底直径为9mm，腔体深度为0.3mm左右。用沙纸抛磨金属帽112的边沿，然后用Eccobond环氧树脂胶将金属帽112与压电陶瓷片111粘接。整个过程在室温下完成，并固化24小时。
2、磁电耦合器件的制作
铽镝铁片120的成分为Tb1-xDyxFe2。先将Tb1-xDyxFe2棒切割成直径2.5mm、厚度2mm的圆片，适当抛磨，然后用Eccobond环氧树脂胶将抛磨后的Tb1-xDyxFe2片粘接在钹式压电复合换能器110的腔顶上，固化24小时。之后安装在由金属铝片制成的夹具上。用可调节位置的螺杆连接两铝片，以改变夹具产生的压力。
下面，参照图2至4描述本发明的磁电耦合器件的测量。
图2为本发明的磁电耦合器件的测量系统的示意图。图3为本发明的磁电耦合器件的磁电电压随交流磁场的变化。图4为本发明的磁电耦合器件的磁电电压系数随直流偏置磁场的变化。
本发明的磁电耦合器件的测量系统如图2所示，待测的磁电耦合器件位于一对亥姆霍兹线圈之间并平放在电磁铁内；网络分析仪与器件的电压输出端相连接，以采用开路方式记录磁电电压；高斯(Gauss)计与置于磁场内的霍尔(Hall)探头相连接，以对磁场强度进行测量；交流功率放大器和直流功率放大器分别与亥姆霍兹(Helmholtz)线圈和电磁铁相连接，以放大由信号发生器产生的信号，从而驱动交流磁场和直流磁场；示波器与交流功率放大器相连接，以监测信号。
磁电耦合器件的测量过程如下。先将磁电耦合器件放在1.5至3kOe的直流磁场中沿厚度方向磁化30分钟，然后进行测量。在测量中，采用装有冷却水螺管的电磁铁和一对亥姆霍兹线圈分别提供直流磁场和交流磁场。一般而言，装有冷却水螺管的电磁铁可以产生0～3kOe的直流偏置磁场。一对亥姆霍兹(Helmholtz)线圈可以产生0～10Oe的交流磁场，频率范围为0～100kHz。开始测量后，固定好霍尔探头，然后开启信号发生器、交流功率放大器、交流磁场，调节电磁铁电源的电压和频率，就可以开始测量。数据会自动记录到网络分析仪上。若要加偏置磁场，则开启直流功率放大器和直流磁场。
如图3所示，本发明的磁电耦合器件的磁电电压系数在500Oe的偏置磁场下为41.0mV/Oe(频率为1kHz)，而用PZT陶瓷做压电材料的同类型器件在同样模式(T-T)、同样偏置磁场下的磁电电压系数为10mV/Oe(频率为1kHz)(S.X.Dong，J.F.Li and D.Viehland，IEEE Trans.Ultrason.Ferroelectr.Freq.Control，50，1236(2003))。可见本发明的磁电耦合器件的磁电耦合系数为以前同类型器件的4倍。
考虑到本发明的磁电耦合器件的特殊性，假设胶粘层没有介电损耗和磁损耗，该磁电耦合器件是一种理想的磁弹电系统，则在测试频率远小于器件的谐振频率时，磁电耦合系数可以表示为(J.Ryu，A.Vazquez Garazo，K.Uchino，and H.-E.Kim，Jpn.J.Appl.Phys.40，4948(2001)；D.A.Berlincourt，D.R.Curran，and H.Jaffe，in Physical Acoustics：Principles and Methods，editedby W.Mason(Academic，New York，1964)，Vol.1，Part A，Chap.3，pp.169-270)：
其中，tp和g33是PZT压电陶瓷的厚度和压电电压常数，c33和λ是Terfenol-D的弹性刚度系数和磁致伸缩系数，H3是沿厚度方向的磁场强度，θ是钹式压电复合换能器的斜面和金属帽法线的夹角。显然，磁电耦合系数和压电材料的压电电压常数及铁磁材料的磁致伸缩系数成正比，钹式压电复合换能器的设计(如θ角)也对磁电耦合系数有一定的影响。图4中在1kOe的偏置磁场下磁电耦合系数达到最大值，为56.8mV/Oe。超过1kOe后开始减小。原因是过高的偏置磁场反而会使Terfenol-D的磁致伸缩系数变小，从而使磁电耦合系数变小。
由于磁电耦合系数的提高，用该磁电耦合器件制成的传感器的灵敏度也会提高。这将极大地扩展磁电耦合器件的应用范围。另外，该器件也可以采用L-T模式工作，即Terfenol-D采用纵向极化，钹式压电复合换能器采用横向极化。总之，由于钹式压电复合换能器是一种全新的器件，它与磁致伸缩材料的组合将带来很多新的设计、新的性能。
Claims (8)
1.一种磁电耦合器件，其特征在于包括：
两个磁致伸缩材料片；
压电器件，其位于两个磁致伸缩材料片之间并与其耦合，用以将磁致伸缩材料产生的位移转换为电信号；以及
夹具，其上安装耦合在一起的压电器件和两个磁致伸缩材料片。
2.根据权利要求1所述的磁电耦合器件，其特征在于该磁致伸缩材料片的材料为铽镝铁、CoFe2O4、或Ni-Fe-O系。
3.根据权利要求1所述的磁电耦合器件，其特征在于沿厚度方向进行磁化和极化。
4.根据权利要求1所述的磁电耦合器件，其特征在于该夹具包括两个金属铝片和连接这两个铝片的螺杆。
5.根据权利要求1所述的磁电耦合器件，其特征在于该压电器件为钹式压电复合换能器，其包含一个压电材料片及两个金属帽，所述金属帽位于压电材料片的两侧并与其耦合，在所述金属帽内部形成有空腔，在压电材料片上形成有金属电极。
6.根据权利要求5所述的磁电耦合器件，其特征在于该压电材料片的材料为锆钛酸铅陶瓷、BaTiO3陶瓷、(BaSr)Nb2O6陶瓷、PMN-PT单晶、PZN-PT单晶、或P(VDF-TrFE)聚合物。
7.根据权利要求5所述的磁电耦合器件，其特征在于所述金属帽为没有锥顶的圆锥形，其材料为钛或铜。
8.根据权利要求5所述的磁电耦合器件，其特征在于导电引线通过导电银浆粘贴在钹式压电复合换能器的斜面上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110831 Termination date: 20170327 |