CN102427111A

CN102427111A - 一种柔性的层状磁电元件

Info

Publication number: CN102427111A
Application number: CN2011103844342A
Authority: CN
Inventors: 于昊
Original assignee: Xian Jiaotong Liverpool University
Current assignee: Xian Jiaotong Liverpool University
Priority date: 2011-11-28
Filing date: 2011-11-28
Publication date: 2012-04-25

Abstract

本发明公开了一种柔性的层状磁电元件，其特征在于，包括粘合在一起的柔性压电材料层和柔性磁致伸缩材料层，所述柔性压电材料层上下表面有电极。本发明的磁电元件为柔性的，可弯曲折叠的，可以应用于很多场合，特别是用于医疗领域的“可穿戴”磁传感器件。

Description

一种柔性的层状磁电元件

技术领域

本发明涉及一种采用柔性层状复合磁电材料作为磁场传感器的技术，具体涉及一种柔性的层状磁电元件。

背景技术

磁电材料(也叫铁电磁体)是同时具有磁性、铁电性材料的总称，在结构上同时存在磁有序和电有序状态。这两种有序状态发生相互作用，产生一种新的效应，称作“磁电效应”，即：磁电材料置于外加磁场中时，材料的电极化状态将会发生改变；相反地，置于外加电场中时，材料的磁化状态也将发生相应变化。这种对外场响应的能力大小通常采用磁电转化系数α(α=dE/dH)来评价，即微小磁场变化引起的电场改变。对磁电材料的研究正受到越来越多的关注，主要是因为磁电材料同时兼具磁性、铁电性、磁电性三种性能，是一种曾经被忽视但最近重获重视的多功能材料。从组成上，磁电材料可分为单相与复合材料两大类。单相磁电材料主要集中在对钇铁石榴石、硼酸物、稀土或铁(锰)酸盐和磷酸盐等体系。磁电复合材料主要通过压电体(包括PZT、PMN-PT、PT、BT等)与磁性材料(包括金属磁性材料和铁氧体)的复合形成：压电相与磁性相复合置于外加磁场中，磁致伸缩效应导致磁性相发生形变，产生应力，应力传递到压电相上，由正压电效应，在压电材料表面产生束缚电荷，即发生“磁电效应”；反之亦然。简而言之，通过应力、应变的传递作用实现磁致伸缩效应与压电效应的耦合，宏观上体现为磁场与电场的相互转化，微观上体现为磁有序与电有序状态的改变。实验表明，复合材料比单相材料有更大的磁电转化系数，因此，从应用角度考虑，复合材料受到越来越多的关注。

由于磁电特性的存在，磁电材料用于磁场探测可以获得极高的灵敏度磁电信号与交流磁场存在良好的线性关系，材料种类丰富，制备简单，性能可调空间大，可以设计制成各种复杂的结构，与微电子电路兼容性好，因此在元器件设计上应比其它材料更为简化，更为智能和多样。以微弱磁场探测为例，磁场传感器可用于电缆路径的探测与电缆的鉴别，用于导航和侦察交通异常状况；在医学方面，用于探测人体电磁波，检测疾病；在军事上被改良用于侦察潜艇；在地质勘探、考古、空间磁场探测、航天器飞行姿态控制等许多领域中得到应用。从使用功能上看，磁传感器可制成磁编码器、位移传感器、转速传感器、气象传感器、新电功能图传感器等等。只要设计巧妙，磁传感器几乎可应用在所有自动控制和传感领域。目前磁场传感器虽然得到了较好的发展，但是微弱磁场信号的探测尚有很大的发展空间和需求，特别是用作军事用途。以灵敏度为例，SQUID可能是目前普遍使用最为灵敏的磁场探测器，可惜其使用需要低温条件，设备庞大昂贵，无法实现灵活机动。而军事探测则要求探测器体积小性能稳定、操作简单。在这方面，磁电材料优势明显，其灵敏度已经堪比SQUID甚至更高，却只需在室温运行，所以可以实现小体积，控制读写简单。除此之外，目前的各种磁场传感器尚存在着一些缺陷。霍尔器件虽然使用方便，价格便宜，但精度仍显不够，温度稳定性不好。因此，研究和开发新型磁场探测用磁电材料在今后很长一段时间仍将是国内外研究的重点和热门方向。如何利用磁电材料研制出体积小、灵敏度高、使用温度广、成本低、室温性能稳定的新型磁场探测技术是本项目提出的客观应用需要。

实验及理论证明，磁电层状复合材料有非常大的磁电转化系数，比其他磁电材料大500倍以上，被称作巨磁电（Giant ME，简写为GME）效应。自2001年以来，基于层状复合磁电材料的GME效应越来越受到关注。目前国际上已经实现交流磁场探测最高灵敏度达10 ^-15特斯拉（在共振频率附近），而低频及直流磁场探测灵敏度可达10 ^-12特斯拉甚至更高，这些极限已经堪比SQUID的检测精度（如液氦温度下10 ^-14特斯拉）。尤其值得注意的是，磁电材料相关传感元件的制备成本非常低。因此在磁传感器领域有很大的市场应用前景。最近，基于层状复合磁电材料的原理型器件已经被开发出来用于地球磁场检测和磁扫描探针显微镜。

之前研究报导的磁电层状材料都是由硬性材料（金属和陶瓷）组成的，形成的器件具有刚性，不易弯曲。在很多应用场合，使用柔性材料作为传感器件具有更多的优势。特别是用于医疗领域的磁传感器件，如果能够达到“可穿戴”，将有更多的应用前景。

发明内容

本发明目的是：提供一种柔性的，可弯曲折叠的柔性的层状磁电元件。

本发明的技术方案是：一种柔性的层状磁电元件，其特征在于，包括粘合在一起的柔性压电材料层和柔性磁致伸缩材料层，所述柔性压电材料层上下表面有电极。

进一步的，所述柔性的层状磁电元件为柔性压电材料层/柔性磁致伸缩材料层双层结构，或柔性磁致伸缩材料层/柔性压电材料层/柔性磁致伸缩材料层三层结构，或柔性压电材料层与柔性磁致伸缩材料层交替排列的多层结构。

进一步的，所述柔性压电材料层略长于柔性磁致伸缩材料层。

进一步的，所述柔性压电材料层为柔性压电聚合物或复合物。

进一步的，所述柔性磁致伸缩材料层为柔性磁致伸缩合金层。

进一步的，所述柔性的层状磁电元件为矩形，圆形，三角形，正方形或其它多边形。

进一步的，所述柔性压电材料层和柔性磁致伸缩材料层之间采用粘合剂粘合。

进一步的，所述粘合剂可以是环氧树脂，AB胶或其它强力胶。

本发明的优点是：

区别于现有的霍尔元件等磁场传感器等，传统的磁场传感器为半导体元件或者电磁线圈等，都属于固定形状、有一定刚度的传感器，本发明的磁电元件为柔性的，可弯曲折叠的，可以应用于很多场合，特别是用于医疗领域的“可穿戴”磁传感器件。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的柔性的层状磁电元件结构示意图。

图2为交流磁场测量示意图。

图3为直流磁场测量示意图。

其中：1 Metglas材料层；2 PVDF层；3 PVDF的上表面，极化为正电极；4 PVDF的下表面，极化为负电极。

具体实施方式

实施例：本发明的柔性的层状磁电元件采用了层状磁电复合材料，分别由磁致伸缩材料和压电材料复合而成，两种材料均选取具有一定柔性的材料制成。压电材料可采用PVDF薄膜、PZT纤维等任何具有压电性的柔性材料。磁致伸缩材料可采用商业metglas合金及任何具有柔性的磁致伸缩材料。层状复合可以是压电/磁致伸缩双层复合，也可以是磁致伸缩/压电/磁致伸缩三层复合，也包括四层以上的多层复合。根据需要，复合材料可以剪裁成矩形，圆形，三角形等形状。

对于磁场的探测基于磁电耦合原理：即磁场会引起磁致伸缩材料的形变，这种形变传递给压电材料，导致压电材料产生电信号，从而可以识别磁信号。

对交流磁场的测量：

该传感器可以测量交流磁场。直接将器件置于待测磁场之中，检测压电层产生的电信号即可。电信号可经过锁相放大器放大，经由示波器等读出设备读出。

传感器有共振频率，在共振频率附近可以有很高的灵敏度（10^-14 特斯拉）；在非共振频率灵敏度不是很高，但也有响应，对于要求不高的领域，也可进行交流磁场的测量。

对直流磁场的测量：

对直流磁场的测量通过间接的方式。由于器件的磁电效应灵敏的依赖于偏置磁场。对器件外加一个振幅恒定，频率为器件共振频率的交流磁信号源。在交流信号源振幅固定的情况下，器件的交流磁电耦合系数（交流电压振幅/交流磁信号振幅）正比于偏置磁场。因此，可以把待测直流磁场作为偏置磁场。可以获得待测磁场的大小。灵敏度可致10^-12 特斯拉。

柔性传感器在环境复杂的或空间局促的或空间可能不利于刚性传感器的领域。例如，对于人体等柔软对象的磁场等检测，柔性的传感器可以任意改变形状、缠绕或环绕于对象之上而基本不影响测量结果。而传统的形状不可改变的磁场传感器则不具备此类优点。

此外，该器件的优势在于，对于空间狭小或局促的测量对象，传感器因为可以弯曲而就可以深入测量空间内部进行磁场测量。而传统器件由于形状、尺寸已经固定；对于复杂内部空间或狭小内部空间则可能无法深入其中进行检测。

（1）器件的制备

采用商业的PVDF压电材料，商业的Metglas合金材料，分别剪裁成20mm长，5mm宽的矩形。当然，根据需要，可剪裁成其他长度尺寸或者形状（椭圆，圆形）的样品。PVDF可略长2mm左右，为了预留出做电极的空间。

压电层PVDF需已经过电极化的压电材料。Metglas需事先抛光。

将两层材料采用环氧树脂或AB胶等粘贴剂粘贴复合。也可采用三层粘合的三明治结构或多层结构。

对PVDF上、下表面点电极。可以用刷银胶的方法，也可采用镀金膜的方式。对电极引出导线，连接读出设备。

信号可以经由锁相放大器放大后通过示波器等读出。

器件如图1所示。

（2）交流磁场的测量

将器件置于待测交流磁场内，电极连接好锁相放大器和示波器；可以直接探测磁场信号。

测量方式如图2所示，21为柔性元件，施加交流外加磁场；22为连接锁相放大器放大信号；23为经由示波器输出。正弦曲线H _ac 表示待测交流磁场信号。针对实例1测量的结果为：共振频率1KHZ，在共振频率附近的交流磁电耦合系数可达30毫伏每厘米奥斯特，精度很高。可以作为磁场探测器。

（3）直流磁场的测量

首先对器件施加一个恒定的交流磁场（例如振幅为5奥斯特），该磁场应对应器件的共振频率（对于实例中的样品，共振频率为1kHZ）。同样，输出信号经放大和读出。这时，可获得稳定的交流输出信号（信号A）。

将器件置于待测直流磁场中，以待测直流磁场为偏置场。会发现，信号A的振幅随该待测直流磁场而线性变化。因为器件在使用前已经被校准，因此，可以读出待测磁场的数值。

测量方式如图3所示，31为柔性元件；32为连接锁相放大器放大信号；33为经由示波器输出，以交流磁场H _ac 为参考信号，待测信号H _dc 为直流磁场信号。

针对实例1所述样品的测量结果为，在微磁场区间，磁电耦合系数与外直流磁场的关系接近线性，因此可作为一种直流磁场探测器件。

以上实施例仅为本发明其中的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种柔性的层状磁电元件，其特征在于，包括粘合在一起的柔性压电材料层和柔性磁致伸缩材料层，所述柔性压电材料层上下表面有电极。

2.根据权利要求1所述的柔性的层状磁电元件，其特征在于，所述柔性的层状磁电元件为柔性压电材料层/柔性磁致伸缩材料层双层结构，或柔性磁致伸缩材料层/柔性压电材料层/柔性磁致伸缩材料层三层结构，或柔性压电材料层与柔性磁致伸缩材料层交替排列的多层结构。

3.根据权利要求1所述的柔性的层状磁电元件，其特征在于，所述柔性压电材料层略长于柔性磁致伸缩材料层。

4.根据权利要求2或3所述的柔性的层状磁电元件，其特征在于，所述柔性压电材料层为PVDF层。

5.根据权利要求2或3所述的柔性的层状磁电元件，其特征在于，所述柔性磁致伸缩材料层为柔性磁致伸缩合金层。

6.根据权利要求1所述的柔性的层状磁电元件，其特征在于，所述柔性的层状磁电元件为矩形，圆形，三角形，正方形或其它多边形。

7.根据权利要求1所述的柔性的层状磁电元件，其特征在于，所述柔性压电材料层和柔性磁致伸缩材料层之间采用粘合剂粘合。

8.根据权利要求7所述的柔性的层状磁电元件，其特征在于，所述粘合剂可以是环氧树脂，AB胶或其它强力胶。