CN101545957B - 一种栅结构磁电式磁场传感器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感技术领域，具体为一种栅结构磁电式磁场传感器及制作方法。传感器包括压电材料，若干磁致伸缩细棒和永磁材料，压电材料上设有栅状导电银膜，导电银膜上设有电极引线；导电银膜的数量和宽度与磁致伸缩细棒一一对应，磁致伸缩细棒位于栅状导电银膜上并相互平行，永磁材料平行放置在中间位置的磁致伸缩细棒上。本发明显著提高了传感器对交变磁场的测量灵敏度，可对交变磁场及导线产生的交变电流进行检测，具有无需供电即可产生与被检测交变磁信号成正比的电压输出信号的特点，在较宽的频率范围内输出灵敏度几乎不随频率改变；不仅可用于交变磁场及交变电流信号的测量，还可用于交变磁场环境下的发电。
Description
技术领域
本发明涉及传感技术领域，具体是一种采用栅结构，利用铁磁电层合材料的磁致压电效应原理制作的磁电式磁场传感器。
背景技术
磁致压电效应是指利用磁场来产生电场的效应，即利用磁信号来产生电信号输出的效应。具有较大磁电灵敏度，且具有应用前景的材料是磁致伸缩材料和压电材料组合成的这种层合结构材料，它是利用磁致伸缩材料在外磁场作用下产生磁致伸缩，从而在压电材料表面产生切向应力，压电材料受此应力作用在两表面上产生电荷或两表面间产生电压的效应。由于该效应具有广阔的应用前景，目前，对该效应的研究已形成国际上的一个研究热点。
国外已开展的研究：
2003年在美国Virginia的Shuxiang Dong，Jie-Fang Li等人在IEEE TRANSACTION ONULTRASONICS，FERROELECTRICS AND FREQUENCY CONTROL，VOL.50，No.10上发表了“Longitudinal and transverse magnetoelectric voltage coefficients ofmagnetostrictive/piezoelevtric laminate composite:Theory”论文，该文给出了长方形磁致伸缩和压电材料的磁电效应的理论进行了分析，并给出了一种等效电路；2005年，Russia的D.A.Filippov，在Physicsof the solid state，Vol.47，No.6.pp1118-1121上发表了“Theoryof themagnetoelectric effect in ferromagnetic-piezoelectric heterostructures”的论文，文中也提出了对双层结构的层合材料磁电效应的理论；2006年，Shuxiang Dong，Jie-Fang Li等在Journalofmaterials science，2006，41，pp97-106上发表了“Magnetoelectrictriccoupling，efficiency，and voltagegain effect in piezoelectric-piezomagnetic laminate composites”的论文，文中介绍了这种长方形层合结构的磁电效应，并给出了一种变压器结构；Shuxiang Dong，Junyi Zhai等在Journal ofapplied physics 100，124106(2006)上发表了一篇“Enhanced magnetoelectric effect in three-phaseMnZnFeO/TbDyFe/Pb(Zr，Ti)O3 composites”的论文，文章给出了一种在层合材料两端加MnZn铁氧体材料来增加灵敏度的方法；2006年，Shuxiang Dong和Jungyi Zhai等在Appliedphysics letters，89，(122903)上发表了采用μ金属与层合材料组合的磁电效应研究，目的是提高传感器的灵敏度；2007年，Y.M.Jia，S.W.Or等在Applied Physics A，86，pp525-528上给出了“Magnetoelectriceffect in composites of magnet，metal-cap，and piezoceramic”文章，介绍了一种金属圆台外加磁铁结构的磁电效应研究结果。
国内已开展的研究有：
国内对这种层合材料的研究主要在重庆大学文玉梅领导的研究小组，开展了对磁致伸缩材料与压电材料及金属膜片组合材料的磁电效应的研究，还对喇叭形(超声变幅杆复合结构磁电换能器作过研究，见《传感技术学报》，2007年，第8期；杨帆，文玉梅，李平，郑敏，卞雷祥在《物理学报》，2007，第6期上发表过“考虑损耗的磁致/压电复合材料的谐振磁电响应分析”；2007年，南京大学的胡渊，龚国斌，曹东升登在《复合材料学报》上发表了“压电/磁致伸缩/环氧树脂层合复合材料的磁电效应及其频率特性”的研究论文，这是将压电材料粉末与磁伸材料粉末混合用胶混合，压制成块材，对其磁电效应进行研究；南京大学的N.Zhang等还在Journal of applied physics杂志上发表“Is the magnetoelectric coupling isstickup bilayers liner？”的研究论文，对双层结构的磁电效应做过研究，但这种材料的磁电效应灵敏度并不大；2008年，杨伟伟，文玉梅，李平，卞雷祥在《物理学报》，2008，第57卷，第7期上发表“GMM/弹性板/PZT层状复合结构的纵振磁电响应”的研究论文；另外，中国科学院上海硅酸盐研究所贾艳敏等对PMN-PT作为压电材料的构成的层合材料作过研究，有关研究论文发表在《科学通报》，2008，第53卷，第10期，p1172，“复合材料Terfenol-D/PMNT的磁电和逆磁电响应”。其他单位对此效应的研究则鲜有报道。
从国内外在该方面的研究来看，人们的研究均集中在对长方形(最常用的尺寸为12mm×6mm)磁致伸缩材料与一具有同样面积的压电材料上，都是停留在实验室中对磁电效应进行研究；对细棒形结构至今未有报道，对将稀土永磁直接粘贴在传感器上未作报道，对有细棒构成的栅结构更未见有报道。且现有的研究均局限于实验室研究中，偏置磁场通常采用大型电磁铁产生，未见有真正实用的传感器器件的报道。对我们所提出的栅结构磁致伸缩材料与压电材料结合制得的新型磁传感器尚未见报道。
本发明提出了一种细棒形磁致伸缩材料在压电材料表面形成栅结构，与同尺寸的未用栅结构的传感器相比，栅结构可使传感器灵敏度提高3～5倍甚至更多(这取决于栅数目，随栅数目增多灵敏度增大)。即采用栅结构可实现增敏目的，通过研制出的传感器进行实验，确实实现了增敏。
发明内容
本发明的目的是提出一种具有栅结构磁致伸缩材料与压电材料通过层合构成的利用磁电效应的磁电式传感器。这种结构可在一块压电材料上，制作出多个压电元件，通过各压电元件的串、并联来提高传感器的电压灵敏度及电荷灵敏度，因此为此类传感器提出了一种有效增敏的方法，使用该方法可使灵敏度提高数倍。将永磁材料直接粘于磁致伸缩材料的表面，该磁铁为磁致伸缩材料提供一定值的静态偏置磁场，在交变磁场作用下可实现自发电检测，因此该传感器无需供电即可实现检测。还可用于在有交变磁场的环境下自发电，可给无线传感器网络提供工作电源。
一种磁电式磁场传感器，包括压电材料，若干磁致伸缩细棒和永磁材料，压电材料上设有栅状导电银膜，导电银膜上设有电极引线；导电银膜的数量和宽度与磁致伸缩细棒一一对应，磁致伸缩细棒位于栅状导电银膜上并相互平行，永磁材料平行放置在中间位置的磁致伸缩细棒上。
上述磁电式磁场传感器，巨磁致伸缩材料为Td0.3Dy0.7Fe2(Terfenol-D)
上述磁电式磁场传感器，压电材料为锆钛酸铅(PZT)
上述磁电式磁场传感器，磁致伸缩细棒的长度为0.5厘米～5厘米，宽度0.5～1.5mm，厚度为0.5～1.5mm
上述磁电式磁场传感器，永磁材料为NdFeB，宽度与压电材料同宽，长度为压电材料长度的一半。
上述磁电式磁场传感器，细棒的具体数目根据压电材料的宽度、栅距和栅宽而定。
上述磁电式磁场传感器的制备方法，具体为：将大块磁致伸缩材料制成若干磁致伸缩细棒，将压电材料的导电银膜制成栅状结构；在导电银膜上引出电极引线；用胶将磁致伸缩细棒粘贴于压电材料的导电银膜上，细棒与细棒间保持平行，施压后放置自然晾干或烘烤，再将NdFeB永磁材料直接粘于磁致伸缩细棒表面。
对上述磁电式磁场传感器进行性能检测，检测方法为：在导电银膜上引出引线，采用并联或串联的方式将各压电条的信号进行叠加实现增敏，将传感器放于长直螺线管的中心位置，在长直螺线管(其轴心中心处的电流磁场灵敏度为15Oe/0.1A)中通入1KHz的交变电流，则在传感器中产生交变电压，交变电压的幅值与交变磁场的幅值成正比；改变频率并当频率得到一定值时，灵敏度会得到最大值，此时即出现共振现象。
本发明是通过以下技术方案实现的，具体方法及步骤如下：
1.本发明是在沿纵向(长度方向)或沿厚度方向极化的较大块压电材料上，制作出条状导电层(通常为银层)，相邻两条导电条间隔可从0.5～1.5mm间变化，导电条宽也可从0.5～1.5mm间变化；
2.用Terfenol-D材料制作磁致伸缩棒，棒宽与导电栅宽度相等，厚度为0.5～1.5mm，其长度略短于压电材料导电栅长度，棒表面采用抛光方法使其表面光滑平整；
3.将磁致伸缩细棒粘贴于压电材料的导电银膜上，可单面粘贴，亦可双面粘贴，双面粘贴两面应保持对齐；
4.将导电电极用电极引线进行串联或并连，对每个传感器仅能选择一种连接方式；
5.将具有极高磁能极的NdFeB永磁材料粘贴于磁致伸缩材料的表面上，最终制作完成该传感器的传感头；
6.对电极串联连接的传感器制作出电荷放大器与其配合使用；
7.对电极并联连接的传感器的配上高输出阻抗、短连接线的仪器。
本发明显著提高了传感器对交变磁场的测量灵敏度，可对交变磁场及导线产生的交变电流进行检测，具有无需供电即可产生与被检测交变磁信号成正比的电压输出信号的特点，在较宽的频率范围内输出灵敏度几乎不随频率改变；不仅可用于交变磁场及交变电流信号的测量，还可用于交变磁场环境下的发电。
附图说明
图1磁传感器横主视图(未包括永磁材料)
图2磁传感器俯视图
图中1、PZT压电材料截面2、巨磁致伸缩细棒截面3、导电栅截面4、电极引线
具体实施方式
下面结合实例作进一步描述。
用长13mm，宽6mm，厚1.2mm的沿横向极化的Pb(Zr1-xTix)O3(PZT5H)材料表面银电极每面都分割成4条，每条宽度1mm，间隔约0.7mm；用长12mm，宽0.9mm，高1mm的Terfenol-D(TbDyFe)的磁伸材料细棒在压电材料两面分别粘贴，磁伸材料细棒的易磁化方向沿棒长方向，再制作好电极与导线的连线，本发明实例采用串联方式，粘贴长方体NdFeB永磁，其轴向表面场为420Oe；实验结果表明，在低频下0.1～65KHz下，传感器的磁灵敏度系数达176mV/Oe，而用长12mm宽6mm高1mm的整块磁伸材料制作的传感器磁灵敏度系数仅为52mV/Oe，对比可知采用本发明提出的栅结构在减小传感器体积减轻传感器重量的情况下，还可大幅度增大传感器的灵敏度，可见栅结构构思独特，增敏效果明显；在82KHz处产生共振，共振时磁场灵敏度系数达1.81V/Oe。利用新材料的新效应发明出新型传感器，并采用层叠栅结构增敏技术提高传感器的灵敏度，是具有新意的思想；这种传感器无需电源供电通过自发电即可实现对外部磁信号的检测，且具有高灵敏度，低噪声，它是一款节能的绿色传感器，在实际的检测技术中具有广泛的用途，其应用领域有待进一步开发。
Claims (8)
1.一种栅结构磁电式磁场传感器，包括压电材料，若干磁致伸缩细棒和永磁材料，压电材料上设有栅状导电银膜，栅状导电银膜上设有电极引线；栅状导电银膜的数量和宽度与磁致伸缩细棒一一对应，磁致伸缩细棒粘接在栅状导电银膜上并相互平行，永磁材料直接粘于磁致伸缩细棒表面。
2.权利要求1所述的传感器，其特征在于：磁致伸缩细棒材料为Td0.3Dy0.7Fe2(Terfenol-D)。
3.权利要求1所述的传感器，其特征在于：压电材料为锆钛酸铅(PZT)。
4.权利要求1所述的传感器，其特征在于：磁致伸缩细棒的长度为0.5厘米～5厘米，宽度0.5～1.5mm，厚度为0.5～1.5mm。
5.权利要求1所述的传感器，其特征在于：永磁材料为NdFeB，宽度与压电材料同宽，长度为压电材料长度的一半。
6.权利要求1所述的传感器，其特征在于：栅状导电银膜之间的间隔为0.5～1.5mm，栅状导电银膜的宽度为0.5～1.5mm。
7.权利要求1所述的传感器的制备方法，具体为：将大块磁致伸缩材料制成若干磁致伸缩细棒，将压电材料的导电银膜制成栅状结构；在栅状导电银膜上引出电极引线；用胶将磁致伸缩细棒粘贴于压电材料的栅状导电银膜上，细棒与细棒间保持平行，施压后放置自然晾干或烘干，再将永磁材料直接粘于磁致伸缩细棒表面。
8.权利要求7所述的制备方法，其特征在于：磁致伸缩棒细棒粘贴于压电材料的单面或双面，双面粘贴两面应保持对齐。
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