CN102520372B - 一种多耦合磁传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多耦合磁传感器，包括传感器本体和施加在传感器本体上的直流磁场；所述的传感器本体包括磁致伸缩材料片、通过界面的连接与磁致伸缩材料片复合的压电材料片以及通过界面的连接与磁致伸缩材料片和/或压电材料片复合的磁铁块，所述的压电材料片设有电压输出端。本发明多耦合磁传感器可简单通过边界条件调整磁伸缩-压电和磁扭-压电的相位，使得两种耦合效应叠加，获得比一般磁伸缩-压电或磁扭-压电更大的磁电耦合效应，从而输出更大的电压。
Description
技术领域
本发明涉及电子器件学领域，具体涉及一种可探测磁信号的多耦合磁传感器。
背景技术
传感器技术已经成为制约现代化进步的一项重要技术，而传感器的发展经历了从普通到高精度，昂贵到大众化的一个发展过程，发展廉价、高精度、低功耗的传感器已经成为目前传感器发展的一个大趋势。
磁传感器作为传感器大类中的一种，在现代科学技术的发展中扮演着越来越重要的作用，其可靠性和灵活性也使其应用变得越来越广泛。从类型上分，磁传感器可以分为：感应线圈型(Search coil)、霍尔效应型(Hall effect)、磁电阻型(AMR或GMR)、磁隧道型(MTJ或SDJ)、磁光型(Magneto-optical)、光泵型(Optically pumped)、磁二极管型(Magneto-diode)、磁三极管型(Magneto-transistor)、原子磁力型(Nuclear precession)、磁通门型(Fluxgate)、磁电型(magnetoelectric)、超导量子干涉型(SQUID)等。这些传感器都有其自身的优缺点，针对低频探测而言，最高精度的传感器目前是SQUID，然而SQUID需要在低温下工作，且价格昂贵，很难得到普遍应用；其他探测精度比较高的磁传感器有原子磁力型、磁通门型、磁电阻型、光泵型等，然而，这些类型的磁传感器要么价格昂贵、要么制作工艺复杂，制约了其普遍应用。因而，有必要开发新的廉价高精度的磁传感器技术。磁电型磁传感器，由于其制作工艺简单，性价比相对比较低，越来越收到青睐。
目前的磁电型传感器主要由磁致伸缩材料和压电材料通过层叠复合的方式来获得磁电效应(与麦克斯维电磁感应定律不一样的是，其通过材料的内禀耦合来实现磁电的转换，而非空间的电磁感应)。层状磁电效应最早的由SQM Technology公司提出(US patent No.5675252.1997)，其后的研究工作陆续在美国的Penn state Univedrsity，Virginia Tech，Oakland University，俄罗斯的Novgorod state University，中国的清华大学和南京大学等单位陆续展开。层状复合磁电材料的提出可以说是磁电传感器发展的一个里程碑，其磁电电压系数(一个用来反映磁电耦合能力的参数)在V/cm.Oe的量级，有的高达10V/cm.Oe，谐振状态下甚至高达几百V/cm.Oe。磁电层状复合材料的出现，使得磁电传感器的应用成为了可能。为了获得强的磁电效应，往往需要采用强磁致伸缩系数和强压电系数的材料进行复合。其工作原理是：当磁场作用到磁电传感器时，磁致伸缩材料发生形变，通过界面力的耦合将形变传递给压电材料，从而使压电材料发生形变，通过压电材料的正压电效应输出电荷，从而实现了磁到电的转换。这种耦合方式我们称之为传统的磁致伸缩-压电耦合磁电方式。
2008年，另外一种新型的磁电耦合方式被发现(参见发表于2008年93期美国AIP协会物理杂志Applied physics letters上名为Giant magnetoelectriceffect in Pb(Zr，Ti)O-3-bimorph/NdFeB laminate device的文章)，这种耦合方式与上述的磁致伸缩-压电耦合方式不同，其通过磁扭力(根据经典电动力学)与压电的耦合方式来实现耦合，这种耦合方式也可实现了强的磁电效应，低频可达上百V/cm.Oe，谐振时甚至可高达几千V/cm.Oe。这种耦合方式我们称之为磁扭-压电耦合磁电方式。
发明内容
本发明提供了一种多耦合的磁传感器，将磁致伸缩-磁扭-压电通过结构设计耦合在一块，从而实现更加理想的磁电传感器设计。
一种多耦合磁传感器，包括传感器本体和施加在传感器本体上的直流磁场；
所述的传感器本体包括磁致伸缩材料片(简称：磁伸缩片)、通过界面的连接与磁伸缩片复合的压电材料片(简称：压电片)以及通过界面的连接与磁伸缩片和/或压电片复合的磁铁块，所述的压电片设有电压输出端。
所述的磁伸缩片采用本领域通用的磁致伸缩材料制成，为片状体，优选磁致伸缩系数高于5ppm的材料，如可选用铽镝铁(Terfenol-D)、非晶合金(即Metglass)或铁镓(即Galfenol)等常见的磁致伸缩材料。
所述的压电片采用本领域通用的压电材料制成，为片状体，优选压电系数d33或者d31在10pC/N以上的材料，如可选用压电陶瓷片、压电单晶片或者压电聚合物等。
所述的磁铁块采用本领域常见的永磁铁，如金属合金磁铁或者铁氧体磁铁材料，优选剩余磁场强度较强的磁铁即剩余磁场强度不低于1mT的磁铁块，如钕铁硼磁铁(NdFeB)、钐钴磁铁(SmCo)和铁氧体磁铁等。
所述的界面的连接的方式为胶粘、共烧、物理沉积或者化学沉积中的一种。所述的磁伸缩片与压电片可按任意顺序连接在一起，可选用常见的如单叠片(Unimorph)、双叠片(Bimorph)、纵-横(L-T)结构、纵-纵(L-L)结构、横-横(T-T)结构、横-纵(T-L)结构、推-拉(Push-pull)结构、多层(Multi-layer)、钹(Cymbal)结构、彩虹(rainbow)结构、Moonie结构等中的一种。
所述的直流磁场由一个磁铁、两个磁铁、一个电磁铁线圈、两个电磁铁线圈、由一个磁铁和一个电磁铁线圈组成的磁场发生装置或者直接由地球磁场提供。
所述的两个磁铁、两个电磁铁线圈或者由一个磁铁和一个电磁铁线圈组成的磁场发生装置的设置方式优选为：异极相对设置。
所述的磁铁和/或电磁铁线圈可以粘接到传感器本体上，或者与传感器本体之间存在空隙，优选与传感器本体之间存在一定的空隙。
所述的磁致伸缩材料片可为多层；所述的压电片也可为多层；所述的磁铁块可为多个。
所述的多耦合磁传感器可用于探测交流磁场的磁信号。
所述的交流磁场与磁铁块的磁矩可以为任意不平行的角度，即所述的交流磁场与磁铁块磁矩M的夹角大于0°小于180°；优选为交流磁场与磁铁块的磁矩M互相垂直，即交流磁场与磁铁块磁矩的矢量夹角为90°，以获得最大的磁扭矩，从而利于磁扭与压电的耦合作用，提高多耦合效应。
本发明多耦合磁传感器工作原理如下：
本发明多耦合磁传感器本身是通过多耦合实现其磁电效应的，即磁伸缩-磁扭-压电多重耦合。
1、磁伸缩-压电耦合：施加在传感器本体上的交流磁场Hac与磁致伸缩材料片发生作用，这种作用通过磁致伸缩材料片的压磁效应把磁场转换为形变，这种形变通过界面力的耦合把力传递给压电片，从而通过压电片的逆压电效应输出电压V1。
2、磁扭-压电耦合：施加在传感器本体上的交流磁场Hac与磁铁块发生作用，这种作用根据经典电动力学的原理将在磁铁块中产生一种交流磁扭矩τac，交流磁扭矩τac通过磁铁块与磁伸缩片和/或压电片的界面作用把力传递给压电片，从而通过压电片的逆压电效应输出电压V2。
3、磁伸缩-磁扭-压电多耦合：本发明多耦合磁传感器的结构即器件设计使得磁伸缩-压电耦合和磁扭-压电耦合两种耦合效应共同作用，磁传感器本体的电压为V＝V1+V2，一般磁伸缩和磁扭彼此间的耦合作用还会对结果有些影响，所以一般V要加入一个修正系数V0，其与边界条件(如施加在传感器本体上的直流磁场的大小)、多耦合磁传感器的结构等有很大的关系。
需要注意的是，只有V1和V2是同相位(设计的时候使磁伸缩和磁扭力对传感器本体的形变模式(弯曲、伸缩或扭转的形式)一致且相位(弯曲、伸缩或扭转的方向)一致)时，磁伸缩-压电和磁扭-压电这两种效应将叠加，从而获得更大的电压输出幅度V＝|V1|+|V2|；而当V1和V2是反相位(设计的时候使磁伸缩和磁扭力对传感器本体的形变模式(弯曲、伸缩或扭转的形式)一致但相位(弯曲、伸缩或扭转的方向)相反)时，磁伸缩-压电和磁扭-压电这两种效应将互相削弱，从而减小电压幅度V＝|V1|-|V2|。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明多耦合磁传感器可简单通过边界条件(如改变施加在传感器本体上的直流磁场的大小)调整磁伸缩-压电和磁扭-压电的相位，使得两种耦合效应叠加，获得比一般磁伸缩-压电更大的磁电耦合效应，从而输出更大的电压。
本发明多耦合磁传感器原理不同于现有的磁传感器，为磁传感器的发展提供了一个全新的理念，将对我国磁传感器的发展起到积极的推动作用。另外，由于本发明多耦合磁传感器的制作工艺简单，也比较容易实现工业化生产。
附图说明
图1为本发明多耦合磁传感器的一种结构示意图；
图2为本发明多耦合磁传感器的一种结构示意图；
图3为本发明多耦合磁传感器的一种结构示意图；
图4为本发明多耦合磁传感器的一种结构示意图；
图5为本发明多耦合磁传感器的一种结构示意图；
图6为本发明多耦合磁传感器的一种结构示意图。
具体实施方式
以下叙述中所指的厚度面指与厚度方向垂直的平面。
实施例1
如图1所示，本发明的多耦合磁传感器通过夹持作用固定传感器本体一端；传感器本体包括磁伸缩片2以及通过502胶水与磁伸缩片2胶粘的压电片1，磁伸缩片2和压电片1以单叠片结构连接在一起，以及通过502胶水与压电片1胶粘的磁铁块3；压电片1的极化方向P为其厚度方向，且压电片1的厚度面上有输出电极，作为压电片1的电压输出端Vo；磁铁块3的S极紧挨压电片1且磁铁块3的磁化方向M(即磁矩M)垂直于磁致伸缩片2所在的厚度面；磁铁4放置在远离传感器本体被夹持的一端且与传感器本体之间存在一定的空隙；磁铁4的N极靠近磁伸缩片2且磁铁4的磁化方向M(即磁矩M)平行于磁伸缩片2的长度方向，用于提供施加在传感器本体上的直流磁场Hdc。磁铁块3靠近磁铁4。本实施例的磁铁块3也可以替换粘贴到磁伸缩片2的右下方。
磁伸缩片2为一片Terfenol-D，尺寸为(28×6×1)mm3(长×宽×高)；压电片1为一片普通的型号为PZT-5的压电陶瓷片，尺寸为(30×4×0.3)mm3(长×宽×高)；磁铁块3和磁铁4均为钕铁硼(NdFeB)磁体，型号为N42，尺寸为(φ8×3)mm2(直径×高度)。
本发明多耦合磁传感器具体工作时：
将所需要检测的交流磁场的磁信号Hac施加到传感器本体的长度方向上，使交流磁场的磁信号Hac与磁铁块3的磁矩M互相垂直，即交流磁场的磁信号Hac与磁铁块3的磁矩M的夹角为90°，以获得最大的磁扭矩，从而为获得最大的传感器输出电压提供保障。
磁铁块3的磁矩M与所探测的交流磁场的磁信号Hac作用时，根据经典电动力学的原理将在磁铁块3中产生一种交流磁扭矩τac，通过界面接触把力传递给压电片1带动压电片1伸长和弯曲，从而使得压电片1产生一种包含有与交流磁场的磁信号Hac相同频率和与交流磁场的磁信号Hac大小相关的电压向量Vo2；此外，由于磁铁块3和磁铁4对磁伸缩片2的作用，使磁伸缩片2处于磁偏置状态，磁伸缩片2与交流磁场的磁信号Hac作用时，发生形变，这种形变通过界面接触把力传递给压电片1带动压电片1伸长和弯曲，从而也使得压电片1产生一种包含有与交流磁场的磁信号Hac相同频率和与交流磁场的磁信号Hac大小相关的电压向量Vo1；Vo1和Vo2通过压电片1的电压输出端Vo输出电压向量Vo＝Vo1+Vo2，实现多耦合输出。
实施例2
如图2所示，本发明多耦合磁传感器是对实施例1中多耦合磁传感器的改进，与实施例1所不同的是用两片极化方向P相对的压电片代替实施例1中的一片压电片1，形成压电双晶片1，电压输出为串联模式输出。本实施例的磁铁块3也可以替换粘贴到磁致伸缩片2的右下方。
实施例3
如图3所示，本发明多耦合磁传感器是对实施例2中多耦合磁传感器的改进，使得磁电的转换效果更好，与实施例2所不同的是加了一块磁铁块5在磁伸缩片2的下方，磁铁块5的N极通过502胶水与磁伸缩片2胶粘，磁铁块5与磁铁块3相对设置，磁铁块5的磁矩M与磁铁块3的磁矩M一致。
本实例在所需要检测的交流磁场的磁信号Hac为10Hz、0.1Oe输入情况下，获得7.92mV的电压输出，等同于1.32V/cm.Oe的磁电电压系数。对比没有添加磁铁块3和磁铁块5的常规磁致伸缩-压电双晶片(见发表于2006年Applied physics letter第88期的名为“Detection of pico-Tesla magnetic fieldsusing magneto-electric sensors at room temperature”文章)的0.51V/cm.Oe磁电电压系数，结果大了2.6倍。
实施例4
如图4所示，本发明多耦合磁传感器是对实施例3中多耦合磁传感器的改进，使得磁电的转换效果更好，与实施例3所不同的是通过夹持作用固定传感器本体的中间部分，并将磁铁块3的位置更换即将磁铁块3的S极通过502胶水与磁伸缩片2的左下方胶粘，磁铁块5的磁矩M与磁铁块3的磁矩M相反。
实施例5
如图5所示，本发明多耦合磁传感器是对实施例4中多耦合磁传感器的改进，与实施例4所不同的是增加了两块磁铁块6和磁铁块7，磁铁块6的N极通过502胶水与最外层的压电片1的左上方胶粘，磁铁块7的S极通过502胶水与最外层的压电片1的右上方胶粘，磁铁块6与磁铁块3相对设置，磁铁块7与磁铁块5相对设置，磁铁块6的磁矩M方向与磁铁块3的磁矩M方向一致，磁铁块7的磁矩M方向与磁铁5的磁矩方向M一致；本实施例可以没有夹持作用。
实施例6
如图6所示，本发明多耦合磁传感器是对实施例3的重构，在一些需要大电容探测的场合中需要，与实施例3所不同的是用两片极化方向P相同的压电片代替实施例3中两片极化方向P相反的压电片1，形成压电双晶片1，且电压输出为并联模式输出，压双晶电片1的中间电极接地。
Claims (10)
1.一种多耦合磁传感器，其特征在于，所述的多耦合磁传感器包括传感器本体和施加在传感器本体上的直流磁场；
所述的传感器本体包括磁致伸缩材料片、通过界面的连接与磁致伸缩材料片复合的压电材料片以及通过界面的连接与磁致伸缩材料片和/或压电材料片在端部复合的磁铁块，所述的压电材料片设有电压输出端；
所述的传感器本体一端或者中间夹持固定。
2.根据权利要求1所述的多耦合磁传感器，其特征在于，所述的磁致伸缩材料片的磁致伸缩系数大于5ppm；
或者，所述的压电材料片的压电系数d33或者d31在10pC/N以上。
3.根据权利要求1所述的多耦合磁传感器，其特征在于，所述的磁铁块的剩余磁场强度不低于1mT。
4.根据权利要求1所述的多耦合磁传感器，其特征在于，所述的磁致伸缩材料片的磁伸缩和磁铁块的磁扭力对传感器本体的形变模式一致且相位一致。
5.根据权利要求1所述的多耦合磁传感器，其特征在于，所述的界面的连接的方式为胶粘、共烧、物理沉积或者化学沉积中的一种。
6.根据权利要求1所述的多耦合磁传感器，其特征在于，所述的直流磁场由一个磁铁、两个磁铁、一个电磁铁线圈、两个电磁铁线圈、由一个磁铁和一个电磁铁线圈组成的磁场发生装置或者直接由地球磁场提供。
7.根据权利要求6所述的多耦合磁传感器，其特征在于，所述的两个磁铁、两个电磁铁线圈或者由一个磁铁和一个电磁铁线圈组成的磁场发生装置的设置方式为：异极相对设置。
8.根据权利要求1-7任一项所述的多耦合磁传感器在探测交流磁场的磁信号中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述的交流磁场与磁铁块磁矩的夹角大于0°小于180°。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述的交流磁场与磁铁块磁矩的夹角为90°。
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