CN110749847A - 基于直流偏置磁场的最优直流偏置磁场值的确定方法 - Google Patents

Abstract

一种基于直流偏置磁场的最优直流偏置磁场值的确定方法，其步骤依次为：利用能量最小原理确定材料在直流偏置磁场中稳定状态下的磁化情况、建立单畴物理模型、采用数值计算的方法确定材料在直流偏置磁场下的稳定状态、确定器件灵敏度达到最优的直流偏置磁场大小。其有益效果是：对于不同类型材料，材料的各向异性常数K以及M_D也会影响最优直流偏置磁场的选取，可通过相同方法进行分析。

Description

基于直流偏置磁场的最优直流偏置磁场值的确定方法

技术领域

本发明涉及材料与传感领域，特别是一种基于直流偏置磁场的最优直流偏置磁场值的确定方法。

背景技术

磁电效应是材料电极化性质随外加磁场变化(正磁电效应)或材料磁学性质随外加电场变化(逆磁电效应)的现象。磁电材料由铁磁材料与铁电材料通过应变调节复合而成。铁磁材料的磁致伸缩效应与铁电材料的压电效应通过应变耦合使得材料具有磁电效应。由于磁电材料可以实现电场能量与磁场能量的相互转换，这种材料在工业生产中具有广泛的应用前景。磁电效应目前被用于磁场传感、电场传感、能量收集、磁记录、微波调制等领域的器件研究中，对传感器设计、通信等应用场景有重要意义。

对于利用磁电效应设计的传感器等器件，提升磁电效应可以有效提升器件的性能。目前已有多种理论，通过设计材料的合成方法、结构或外加条件来提升材料的磁电效应。利用直流磁场偏置是提升材料正磁电效应与逆磁电效应的有效手段。直流偏置磁场对于磁电材料的初始磁化及提升材料灵敏度具有重要意义。一般的磁电器件通过永磁铁提供这种直流磁场偏置。合适的直流偏置磁场可以最大程度提高磁电材料的正、逆磁电系数。通过施加直流磁场，铁磁材料电流零点偏移至磁致伸缩效应最显著的区域，从而达到响应的最大化。

目前，大多数针对利用直流磁场偏置提升材料磁电效应的研究只针对单一的材料系统和应用场景，基于实验的结果进行分析，因而在不同系统中选取的最优偏置磁场大小不具有普适性。因此，需要通过分析磁电材料耦合机理，建立合适的理论模型对磁电材料最优偏置磁场进行研究。

发明内容

本发明的目为：

设计合适的物理模型，确定用于提升磁电效应的最优直流磁场偏置大小。

基于上述目的，以铁电铁磁复合材料为例，在铁磁材料中建立单畴能量模型，在能量最小原理前提下，计算用于提升磁电效应的最优直流磁场偏置大小。

设计思路为：

以特定铁磁材料为例，建立材料的单畴能量模型，利用能量最小原理确定材料在直流偏置磁场下的稳定状态。

具体设计方案为：

一种基于直流偏置磁场的最优直流偏置磁场值的确定方法，其步骤依次为：利用能量最小原理确定材料在直流偏置磁场中稳定状态下的磁化情况、建立单畴物理模型、采用数值计算的方法确定材料在直流偏置磁场下的稳定状态、确定器件灵敏度达到最优的直流偏置磁场大小，具体的确定方法为：

单抽物理模型公式为：

E＝E_m+E_k+E_e+E_me+E_d

其中，E_m为塞曼能量，E_k为各向异性能量，E_e为弹性势能，E_me为磁弹性能，E_d为退磁能，

沿z轴方向的磁通密度B可以表示为：

B＝(1-N_z)Mα_z

得到磁化强度偏角

与由外力产生的材料应变的关系，根据磁化强度偏角随物理量的变化情况确定最优直流偏置磁场值。

E_m为塞曼能量，其计算公式为：

E_m＝HMα_x

其中，

磁化强度角度

可以由H和T的函数表示，在

在0到π/2之间取值的约束条件下，当能量E最小时，

取得最优值，H取沿x轴方向的偏置磁场强度。

E_k为各向异性能量，其计算公式为：

E_k＝Kα_z ²

其中，K为各向异性常数。

E_e为弹性势能，其计算公式为：

其中，c为弹性常数，ε为应变。

E_me为磁弹性能，其计算公式为：

其中，b为磁弹性常数，b＝3(c₁₁-c₁₂)λ_s/2，λ_s为磁致伸缩常数。

E_d为退磁能，其计算公式为：

E_d＝N_z(Mα_z)²/2

其中，N_z为铁磁材料的退磁系数，受材料的尺寸和形状影响。

通过本发明的上述技术方案得到的基于直流偏置磁场的最优直流偏置磁场值的确定方法，其有益效果是：

对于不同类型材料，材料的各向异性常数K以及M_D也会影响最优直流偏置磁场的选取，可通过相同方法进行分析。

附图说明

图1是本发明所述铁磁材料各物理量及外界参数的坐标关系示意图；

图2是基于数值计算得到的在外加磁场偏置较小的情况下磁化角度

与轴向应变ε_zz的关系；

图3是基于数值计算得到的在外加磁场偏置较大的情况下磁化角度

与轴向应变ε_zz的关系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体描述。

一种基于直流偏置磁场的最优直流偏置磁场值的确定方法，其步骤依次为：利用能量最小原理确定材料在直流偏置磁场中稳定状态下的磁化情况、建立单畴物理模型、采用数值计算的方法确定材料在直流偏置磁场下的稳定状态、确定器件灵敏度达到最优的直流偏置磁场大小，具体的确定方法为：

单抽物理模型公式为：

E＝E_m+E_k+E_e+E_me+E_d

其中，E_m为塞曼能量，E_k为各向异性能量，E_e为弹性势能，E_me为磁弹性能，E_d为退磁能，

沿z轴方向的磁通密度B可以表示为：

B＝(1-N_z)Mα_z

得到磁化强度偏角

与由外力产生的材料应变的关系，根据磁化强度偏角随物理量的变化情况确定最优直流偏置磁场值。

E_m为塞曼能量，其计算公式为：

E_m＝HMα_x

其中，

磁化强度角度可以由H和T的函数表示，在

在0到π/2之间取值的约束条件下，当能量E最小时，

取得最优值，H取沿x轴方向的偏置磁场强度。

E_k为各向异性能量，其计算公式为：

E_k＝Kα_z ²

其中，K为各向异性常数。

E_e为弹性势能，其计算公式为：

其中，c为弹性常数，ε为应变。

E_me为磁弹性能，其计算公式为：

其中，b为磁弹性常数，b＝3(c₁₁-c₁₂)λ_s/2，λ_s为磁致伸缩常数。

E_d为退磁能，其计算公式为：

E_d＝N_z(Mα_z)²/2

其中，N_z为铁磁材料的退磁系数，受材料的尺寸和形状影响。

实施例1

一种利用直流偏置磁场有效提升材料磁电效应的理论模型设计。以特定铁磁材料为例，建立铁磁材料的单畴能量模型，确定用于提升磁电效应的最优直流磁场偏置大小。

非晶或纳米晶金属铁磁材料具有很大的磁致弹性耦合特性，高磁化率，同时易于加工，被普遍用于铁磁材料的应用中。在薄膜、带状物和块状材料中，带状材料最具有普适性。实施例1主要以带状的非晶金属材料Metglas为例，该材料所含主要元素为Fe、B、Si、C，在构建能量模型时作为铁磁相，以研究最佳的直流偏置磁场。

图1描述了带状Metglas材料各物理量坐标关系。其中，z方向为材料的轴向，拉力T的方向沿z轴方向，垂直于外加磁场H的方向。机械力引起磁化强度M在z轴和x轴之间的旋转，从而改变磁化角度

磁化强度沿z轴的分量M为研究的目标变量。

在外场的作用下，根据能量最小原理，材料内部的磁化稳定在能量最小的状态，单一磁畴能量为

E＝E_m+E_k+E_e+E_me+E_d

其中，E_m为塞曼能量，E_k为各向异性能量，E_e为弹性势能，E_me为磁弹性能，E_d为退磁能。各能量可由以下公式计算：

E_m＝HMα_x

E_k＝Kα_z ²

E_d＝N_Z(Mα_z)²/2

其中，

K为各向异性常数，b为磁弹性常数，b＝3(c₁₁-c₁₂)λ_s/2，λ_s为磁致伸缩常数，c为弹性常数，ε为应变。N_z为带状Metglas的退磁系数，受材料的尺寸和形状影响。根据能量最小原理，磁化强度角度

可以由H和T的函数表示。在

在0到π/2之间取值的约束条件下，当能量E最小时，

取得最优值。沿z轴方向的磁通密度B可以表示为：

B＝(1-N_z)Mα_z

可以得到，α_z与B呈线性关系。为研究外加直流偏置磁场的作用，计算时H取沿x轴方向的偏置磁场强度。

实施例2

在实施例1的基础上，利用数值计算的方法对相关参数进行计算，可以得到磁化角度与由外力产生的材料应变的关系。在外加偏置磁场较小的情况下，磁化角度

与轴向应变ε_zz的关系如图2。在外加偏置磁场较小时，偏置磁场可以激励磁化并使磁畴朝轴向旋转。在外加偏置磁场较大的情况下，磁化角度

与轴向应变ε_zz的关系如图3。在外加偏置磁场较大时，当应变为零时，磁化角度保持为0，随着外部拉力的增加，磁化角度会随之发生跳变，此时外力产生的应变足以激活磁畴翻转，磁化方向偏向x轴，随后磁化角度增加或减小至饱和值。当应变一定时，磁化强度沿z轴的分量M与偏置磁场H呈正相关。当直流偏置磁场过大或过小时，磁化强度对于应变的变化灵敏度较低。

对于磁电效应，可以通过测量材料磁通密度B反映铁磁材料的应变，而B则可以由前述表达式由表示。因此，应变测量范围即为

的可测范围。在直流偏置电场为0.01Oe-8.59Oe时，在1ppm-20ppm应变范围内，测量结果基本呈线性。由图3，在20ppm-50000ppm范围内，选取合适的直流偏置，应变也可被测得。当直流偏置电场超过14.9Oe时，由于曲线存在跳变，应变测量范围缩小。

对于不同类型材料，材料的各向异性常数K以及M_D也会影响最优直流偏置磁场的选取，可通过相同方法进行分析。

上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于直流偏置磁场的最优直流偏置磁场值的确定方法，其特征在于，其步骤依次为：确定材料在直流偏置磁场中稳定状态下的磁化情况、建立单畴物理模型、确定材料在直流偏置磁场下的稳定状态、确定器件灵敏度达到最优的直流偏置磁场大小，具体的确定方法为：

单抽物理模型公式为：

E＝E_m+E_k+E_e+E_me+E_d

其中，E_m为塞曼能量，E_k为各向异性能量，E_e为弹性势能，E_me为磁弹性能，E_d为退磁能，

沿z轴方向的磁通密度B可以表示为：

B＝(1-N_z)Mα_z

得到磁化强度偏角

与由外力产生的材料应变的关系，根据磁化强度偏角随物理量的变化情况确定最优直流偏置磁场值。

2.根据权利要求1中所述的基于直流偏置磁场的最优直流偏置磁场值的确定方法，其特征在于，E_m为塞曼能量，其计算公式为：

E_m＝HMα_x

其中，

磁化强度角度

可以由H和T的函数表示，在

在0到π/2之间取值的约束条件下，当能量E最小时，

取得最优值，H取沿x轴方向的偏置磁场强度。

3.根据权利要求1中所述的基于直流偏置磁场的最优直流偏置磁场值的确定方法，其特征在于，E_k为各向异性能量，其计算公式为：

E_k＝Kα_z ²

其中，K为各向异性常数。

4.根据权利要求1中所述的基于直流偏置磁场的最优直流偏置磁场值的确定方法，其特征在于，E_e为弹性势能，其计算公式为：

其中，c为弹性常数，ε为应变。

5.根据权利要求1中所述的基于直流偏置磁场的最优直流偏置磁场值的确定方法，其特征在于，E_me为磁弹性能，其计算公式为：

其中，b为磁弹性常数，b＝3(c₁₁-c₁₂)λ_s/2,λ_s为磁致伸缩常数。

6.根据权利要求1中所述的基于直流偏置磁场的最优直流偏置磁场值的确定方法，其特征在于，E_d为退磁能，其计算公式为：

E_d＝N_z(Mα_z)²/2

其中，N_z为铁磁材料的退磁系数，受材料的尺寸和形状影响。

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