CN102842575A - 声波耦合磁电效应及器件 - Google Patents

Abstract

本发明是利用磁致伸缩效应和压电效应，通过声波耦合制得复合磁电器件。当受到外界弱磁场微扰时，磁致伸缩薄片产生周期性弹性形变并传输到周围介质形成声波，在声波作用下压电薄片受到周期性的外力，产生对应的电荷或电压输出，可以实现对弱磁场的测量。由于采用声波耦合方式，无需使用胶粘剂，即保留了传统层状复合磁电材料的结构简洁性，又避免了层间耦合的非理想型和非均匀性，可获得更稳定磁电性质和更大的磁电电压系数。

Description

声波耦合磁电效应及器件

技术领域

本发明是利用磁致伸缩薄片的磁致伸缩效应和压电薄片的压电效应，通过声波耦合构成复合磁电效应，制得复合磁电器件。当受到外界弱磁场微扰时，磁致伸缩薄片产生周期性弹性形变，这种周期形变传输到周围介质即形成声波，在声波作用下，压电薄片受到周期性的外力，即会产生对应的电荷或电压输出，从而可以实现对弱磁场测量的目的。本发明属于磁性材料及磁电子学技术领域。 

背景技术

磁电效应是材料在磁场的作用下产生电极化的现象。磁电材料在传感器领域具有广阔的应用前景，可以用来转换能量，传感信号，检测磁场等。能产生磁电效应的材料可分为单相和复合材料。但单相材料的实用价值不高，因其磁电性能很低且大多只能在低温下才能被明显观测到，这就导致了磁电体制备的另一条道路—复合材料的开辟。 

复合磁电材料的磁电耦合是基于复合材料界面处的力学传递，利用了铁电材料的压电效应和铁磁材料的磁致伸缩（magnetostriction）效应，原理简单但是效果惊人，使磁电电压系数比在单相磁电体中测得的磁电电压系数高出近百倍，达到了实际应用的要求。磁电耦合是铁电材料的压电效应和铁磁材料的磁致伸缩效应构成的一种乘积效应，可以表达为：  

目前，磁电效应的研究多采用层状复合结构材料，磁致伸缩相和压电相间采用胶粘剂连接，如图1所示，磁致伸缩相在横向（方向1）形变并耦合至压电相，经由压电效应在纵向（方向3）产生电极化，则磁电电压系数与压电相的横向压电系数d₃₁成正比。 

磁电层状复合材料与霍尔元件和巨磁阻元件相比，不但成本低，尺寸小，而且对磁场的敏感度高得多，因此磁电层合材料是磁敏传感器的最佳选择。此外， 与霍尔元件或巨磁阻作为传感器需要消耗电能不同，磁电材料是自发电式的传感器，传感过程中不需要电功率输入而直接可以产生电输出。 

在双层层合材料的实验研究中，所测量到的磁电电压系数总是其理论预测的30%左右，这通常被认为是层间耦合不够理想所致，即界面的机械关联意味着两种材料表面的接触可能是非光滑平整的，胶粘剂不能实现形变的完全传递。我们在观察三层层合材料的实验时却发现磁电系数有了很大提高，而层间耦合状况此时并未改变，我们经过大量的实验分析认为双层膜实验数据普遍低于理论估计的原因除层间耦合不理想以外，还由非均匀形变造成，即由于双层膜中两层的弹性模量不同，因此压电相在距离接触面不同距离的平面内形变量不同，为非均匀形变，而三层膜是关于中心面对称的，形变的均匀性提高。 

 本发明提出了采用声波耦合结构构成磁电复合材料，如图2所示，将TbDyFe等磁致伸缩材料切割成薄片，将PZT等压电材料也切割成对应面积的薄片，中间细杆仅起到连接作用，并无物理意义。 

此磁电效应是通过声波进行耦合，理论推导较为简单，磁致伸缩相本构方程为 

$S_{3m}=q_{33}^m{H}_3---\left(1\right)$

压电相本构方程为 

$D_3=d_{33}^P{T}_{3p}+{\mathrm{\ϵ}}_{33}^P{E}_3=0---\left(2\right)$

其中d,q,ε分别为压电系数，压磁系数和介电常数，S,T为二阶应变和应力张量，H,E,D分别为磁场强度，电场强度和电极化矢量。 

利用声压公式T_3m=ρuω·S_3m，其中ρ为空气介质密度，u为声速，ω为声波频率，可解得磁电电压系数 

${\mathrm{\α}}_E=\frac{{\mathrm{dE}}_3}{{\mathrm{dH}}_3}=\frac{q_{33}^m{d}_{33}^p}{{\mathrm{\ϵ}}_{33}^p}\·\mathrm{\ρu\ω}---\left(3\right)$

可见磁电电压系数与压电相的纵向压电系数d₃₃成正比，故可称为纵向磁电效应。 

此结构中由于耦合是通过声波方法进行，无须使用胶粘剂进行界面机械连 接，即可实现应变或应力在两相材料间的传递，即保证为理想耦合。与此同时，形变的非均匀性也将不复存在。因此，声波耦合结构即保留了层状结构的简洁性，又避免了层间耦合的非理想型和非均匀性，同时获得更稳定的磁电性质和更大的磁电电压系数。 

发明内容

要解决的技术问题： 

本发明提出了采用声波耦合构成磁电器件的方式，由磁致伸缩薄片和压电薄片组成。可以较好的解决现有的层状复合材料的缺点，比如层间耦合不理想和形变的非均匀性。加上这种新型结构表现的是纵向磁电效应，从而可以大幅提高磁电电压系数和获得更稳定的磁电性质，更有利于磁电器件的实际应用。 

为解决技术问题采取的技术方案： 

首先切割磁致伸缩薄片和压电薄片，按图2所示制备声波耦合磁电器件。制备完成后，利用直流电磁铁产生偏置磁场H，利用赫姆霍兹线圈产生交变磁场δH，在压电薄片的上下表面电极间测量极化电压δV，这里利用到了电荷放大器和示波器两种仪器。根据测量结果和公式α_E=δV/t_PZT即可求出磁电电压系数，并据此分析偏置磁场和谐振频率的影响，其中t_PZT为PZT的厚度。 

有益效果：根据以上叙述，可知本发明有如下特点： 

（1）本发明提出了采用声波耦合构成磁电器件的方式，避免了层合材料因胶粘剂不能完全传递形变所造成的层间耦合不理想情况，从而可以获得更稳定的磁电性质和更大的磁电电压系数； 同样由于应力或形变通过声波可以完全传递，避免了形变的非均匀性，也有利于提高磁电电压系数； 

（2）正如背景中所述，传统的层状复合磁电材料的磁电电压系数与压电相的横向压电系数成正比。但在本发明提出的这种结构中，压电相的受力与极化方向均在纵向即厚度方向，故所得磁电电压系数与压电相的纵向压电系数d₃₃成正比，而纵向压电系数大约是横向压电系数的3倍，故所得磁电电压系数将有较大提高； 

（3）因磁电电压系数的提高，声波耦合磁电器件将可以在更宽频带的激励磁场下工作，更具实用价值。 

（4）偏置磁场也可由永磁材料产生，则系统的传感部分不需消耗电能即可工作。 

附图说明：

附图1为传统的层状复合磁电材料示意图，图中包含磁致伸缩相和压电相，两相材料通过胶粘剂实现界面的机械关联。(层状磁电复合材料示意图) 

附图2为声波耦合磁电效应及器件示意图，图中包括磁致伸缩薄片和压电薄片，两者面积相同，中间用细杆连接构成整体。 

具体实施方案：

（1）如图2所示，将磁致伸缩系数较大的材料如TbDyFe等切割成薄片，压电系数较大的材料如PZT也切割成相同面积的薄片，中间用细杆连接，此细杆仅起到连接作用，并无物理意义。 

 （2）在声波耦合磁电器件受到施加的偏置磁场H和交变磁场δH时，TbDyFe薄片在磁致伸缩效应的作用下产生形变，这种周期形变传输到周围介质即形成声波，在声波作用下，压电薄片受到周期性的外力，即会产生对应的电压输出δV，分别测量交变磁场δH和电压δV，根据公式α_E=δV/t_PZT即可求出磁电电压系数，其中t_PZT为PZT的厚度。 

（3）然后固定交变磁场δH在某一较低频率（如f=1KHz），改变偏置磁场，通过测量即可得到磁电电压系数α_E与偏置磁场的关系，找出α _E最大时对应的偏置磁场。 

（4）保持α_E最大时所对应的偏置磁场大小不变，此时磁场可用永磁材料产生，测量不同频率交变磁场下的磁电电压系数，找出谐振峰，即在某些谐振频率时磁电电压系数具有极值。 

Claims (3)

1.声波耦合磁电器件是将磁致伸缩薄片和压电薄片结合起来构成的，可用于弱磁场测量领域。其结构特征主要由以下两个部分组成：（1）磁致伸缩薄片，（2）压电薄片。

2.按权利要求书一所述的声波耦合磁电器件，其原理特征在于：磁致伸缩薄片的形变和压电薄片受力之间是通过声波传递的，不存在界面的机械连接。

3.根据声波耦合磁电器件的原理，压电相的受力与极化方向均在纵向即厚度方向，故所得磁电电压系数与压电相的纵向压电系数d₃₃成正比。

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