CN110794346A - 一种基于磁扭电效应的磁场传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种基于磁扭电效应的磁场传感器及其制造方法，包括压电材料、弹性层材料、永磁体材料、柔性电极、以及压电材料的上表面电极、下表面电极；压电材料的上、下表面贴合柔性电极，并以三明治结构封装于弹性层之间，压电材料位于弹性层长度方向的中心位置，弹性层的两端各自粘接一对永磁体，永磁体材料在外磁场的作用下产生扭矩，并对压电材料产生压应力的作用，压电材料产生电信号输出，继而实现对外界直流磁场、交流磁场的传感。本发明的磁场传感器，相比于常见的磁电传感器，无需偏置磁场，驱动简单，能耗低，基于磁扭电的悬臂梁结构也大大提高了传感器的使用寿命。

Description

一种基于磁扭电效应的磁场传感器及其制造方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，特别涉及一种基于磁扭电效应的磁场传感器结构及其制造方法。

背景技术

通常的磁电传感器主要由磁致伸缩材料和压电/铁电材料构成，磁致伸缩材料和压电/铁电材料通过“磁-弹-电”耦合理论进行相互作用，实现电极化强度到磁化强度的相互转换。应变是“磁-弹-电”耦合中的关键因素，为了获得更高的磁电响应，通常需要对磁致伸缩材料施加直流偏置磁场，使其达到应变-磁场曲线中斜率最大的位置。该种方式的磁电传感器主要有以下的缺陷：第一，需要外接亥姆霍兹线圈为其提供直流偏置磁场，这使其无法成为无源器件，不利于其广泛应用；第二，所需要的直流偏置磁场往往很高，比如，Terfenol-D磁致伸缩材料的直流偏置磁场高达几百到几千Oe，Metglas磁致伸缩材料的直流偏置磁场高达几个Oe，这些材料在使用时需要对亥姆霍兹线圈输入很高的电流来维持直流偏置磁场，大大增加了器件的能耗以及系统的发热。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于磁扭电效应的磁场传感器结构及其制造方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于磁扭电效应的磁场传感器，包括压电材料、弹性层材料、永磁体材料和柔性电极；两片柔性电极贴于压电材料的上、下表面；贴好柔性电极的压电材料由两层弹性层材料以“三明治”结构封装好，压电材料封装在弹性层材料长度方向的中心位置，柔性电极和压电材料位于两层弹性层材料的夹层之间；四个大小相同的永磁体材料分成两对，两对永磁体材料分别粘接于封装后的弹性层材料的两端，同一端的永磁体材料分别粘接在封装后的弹性层材料上下表面；压电材料包括上电极面下电极面，压电材料为薄片结构。

进一步的，压电材料为AlN、石英、LiNbO₃、BaTiO₃、ZnO、Pb(Zr,Ti)O₃、Pb(Mg,Nb)O₃-PbTiO₃、Pb(Zn,Nb)O₃-PbTiO₃或BiScO₃-PbTiO₃中的一种；弹性层材料为长条薄片状，为Cu、Fe、Ni、Ti或Al中的一种。

进一步的，永磁体材料为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体或稀土永磁材料中的一种。

进一步的，柔性电极的基底材料为苯二甲酸乙二醇酯PET、聚二甲基硅氧烷PDMS、聚乙烯PE、聚氯乙烯PVC或聚丙烯PP中的一种，柔性电极中的导电材料为Au、Ag、Al、Cu、Pt或Ni中的一种。

进一步的，上电极面和下电极面的材料为Au、Ag、Al、Cu、Pt、W、Fe、Co、Ni或Ti中的一种。

进一步的，压电材料的长度为1-5mm，宽度为1-5mm，厚度小于1mm；弹性层材料长度为1-30mm，宽度为1-5mm，厚度小于0.1mm；永磁体材料的长度小于弹性层材料长度的一半，永磁体材料的宽度小于弹性层材料的宽度，永磁体材料的磁化方向为其厚度或者长度方向。

进一步的，一种基于磁扭电效应的磁场传感器的制造方法，包括以下步骤：

步骤1，提供一个压电材料，将压电材料切割成需要的尺寸，并用超纯水超声清洗干净；

步骤2，压电材料的上、下两个表面的电极面和通过银浆退火、蒸镀或者磁控溅射的方式镀上电极；

步骤3，压电材料在做好电极后沿厚度方向极化；

步骤4，两片柔性电极贴合于电极面和，用于传导电信号，柔性电极的导电材料不是全覆盖基底，在导电材料的空隙位置适量涂覆少量环氧树脂，并在室温下固化24小时，用于柔性电极和压电材料之间的粘接；

步骤5，贴好柔性电极的压电材料，以环氧树脂为粘合剂被封装在两片弹性层材料之间，环氧树脂在室温下固化24小时；

步骤6，四个大小相同的永磁体材料分成两对，两对永磁体材料用环氧树脂粘接在封装了压电材料后的弹性层材料的两个自由端，在室温下固化24小时；

步骤7，在柔性电极的输出端焊接导线便于引出信号。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明的基于磁扭电效应的磁电传感器，不需要外接直流偏置磁场，即可使用，大大降低了器件的能耗，扩展了器件使用范围。同时该发明的悬臂梁结构，也不同于传统的悬臂梁结构，传统的悬臂梁结构中压电材料的激励以应变为媒介，由于压电材料脆性的存在，其使用寿命不长。本发明的悬臂梁结构为三明治结构，压电材料的激励以应力为媒介，压电材料工作在压缩模式，使用寿命大大延长。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

其中：1、压电材料；2、弹性层材料；3、永磁体材料；4、柔性电极；5压电材料的上电极面；6、压电材料的下电极面。

图2为永磁体材料的磁化方向示意图；

图3为本发明的交流、直流磁场灵敏度的测试结果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

请参阅图1至图3，一种基于磁扭电效应的磁场传感器，包括压电材料1、弹性层材料2、永磁体材料3和柔性电极4；两片柔性电极4贴于压电材料1的上、下表面；贴好柔性电极4的压电材料1由两层弹性层材料2以“三明治”结构封装好，压电材料1封装在弹性层材料2长度方向的中心位置，柔性电极4和压电材料1位于两层弹性层材料2的夹层之间；四个大小相同的永磁体材料分成两对，两对永磁体材料3分别粘接于封装后的弹性层材料2的两端，同一端的永磁体材料3分别粘接在封装后的弹性层材料2上下表面；压电材料1包括上电极面5下电极面6，压电材料1为薄片结构。

压电材料1为AlN、石英、LiNbO₃、BaTiO₃、ZnO、Pb(Zr,Ti)O₃、Pb(Mg,Nb)O₃-PbTiO₃、Pb(Zn,Nb)O₃-PbTiO₃或BiScO₃-PbTiO₃中的一种；弹性层材料2为长条薄片状，为Cu、Fe、Ni、Ti或Al中的一种。

永磁体材料3为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体或稀土永磁材料中的一种。

柔性电极4的基底材料为苯二甲酸乙二醇酯PET、聚二甲基硅氧烷PDMS、聚乙烯PE、聚氯乙烯PVC或聚丙烯PP中的一种，柔性电极4中的导电材料为Au、Ag、Al、Cu、Pt或Ni中的一种。

上电极面5和下电极面6的材料为Au、Ag、Al、Cu、Pt、W、Fe、Co、Ni或Ti中的一种。

压电材料1的长度为1-5mm，宽度为1-5mm，厚度小于1mm；弹性层材料2长度为1-30mm，宽度为1-5mm，厚度小于0.1mm；永磁体材料3的长度小于弹性层材料2长度的一半，永磁体材料3的宽度小于弹性层材料2的宽度，永磁体材料3的磁化方向为其厚度或者长度方向。

磁场传感器工作时，中间位置被夹持，在力学上可以看作共用固定端的两个悬臂梁，谐振频率可以根据

进行调整，h是悬臂梁的厚度，l是悬臂梁的长度，

为平均密度，

V_e是悬臂梁中环氧树脂的体积分数，ρ_e是环氧树脂的密度，V_m是弹性层材料在悬臂梁中的体积分数，ρ_m是弹性层的密度，是悬臂梁的横向弹性模量，

E_m是弹性层材料的弹性模量，E_e是环氧树脂的弹性模量，β₁＝0.597,β₂＝1.494,……β_n≈n-0.5，n是悬臂梁弯曲模态的阶数。

进一步的，传感器的压电材料工作在压缩模式，材料受到压应力的作用，d₃₃压电系数对传感器的输出起主导作用，压电材料选用d₃₃压电系数较高的压电多晶陶瓷材料或者单晶材料。压电材料选用压电单晶时，可以对晶体的切向进行优化，达到d₃₃最大的效果。

一种基于磁扭电效应的磁场传感器的制造方法，包括以下步骤：

步骤1，提供一个压电材料1，将压电材料切割成需要的尺寸，并用超纯水超声清洗干净；

步骤2，压电材料1的上、下两个表面的电极面5和6通过银浆退火、蒸镀或者磁控溅射的方式镀上电极；

步骤3，压电材料1在做好电极后沿厚度方向极化；

步骤4，两片柔性电极4贴合于电极面5和6，用于传导电信号，柔性电极4的导电材料不是全覆盖基底，在导电材料的空隙位置适量涂覆少量环氧树脂，并在室温下固化24小时，用于柔性电极4和压电材料1之间的粘接；

步骤5，贴好柔性电极4的压电材料1，以环氧树脂为粘合剂被封装在两片弹性层材料2之间，环氧树脂在室温下固化24小时；

步骤6，四个大小相同的永磁体材料分成两对，两对永磁体材料3用环氧树脂粘接在封装了压电材料1后的弹性层材料2的两个自由端，在室温下固化24小时；永磁体的磁化方向如图2所示，可以有4种情况(A、B、C、D)，这4种情况下，永磁体都可以在外加磁场的作用下对弹性层产生扭矩作用；

步骤7，在柔性电极(4)的输出端焊接导线便于引出信号。

传感器用于平行自身方向的交流磁场和直流磁场探测，利用永磁体材料在外界磁场的作用下产生扭矩，对压电材料产生压应力作用，从而实现磁场信号到电压信号的转换。

永磁体材料用于产生磁扭矩，其磁化方向可以沿着悬臂梁的厚度方向进行平行或反平行排列，也可以沿着悬臂梁的长度方向进行平行或反平行排列。

图3为本发明的交流、直流磁场灵敏度的测试结果，以及与商用的LakeShore425Gaussmeter对比。(a)商用的LakeShore 425Gaussmeter交流磁场信号探测结果，交流灵敏度为8E-5T；(b)本发明的直流磁场探测波形；(c)本发明的交流磁场灵敏度测试结果，交流灵敏度为1E-7T；(d)本发明的直流磁场灵敏度测试结果，直流灵敏度为0.01Oe，与商用的LakeShore 425Gaussmeter直流灵敏度(0.01Oe)相当；

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (7)

1.一种基于磁扭电效应的磁场传感器，其特征在于，包括压电材料(1)、弹性层材料(2)、永磁体材料(3)和柔性电极(4)；两片柔性电极(4)贴于压电材料(1)的上、下表面；贴好柔性电极(4)的压电材料(1)由两层弹性层材料(2)以“三明治”结构封装好，压电材料(1)封装在弹性层材料(2)长度方向的中心位置，柔性电极(4)和压电材料(1)位于两层弹性层材料(2)的夹层之间；四个大小相同的永磁体材料分成两对，两对永磁体材料(3)分别粘接于封装后的弹性层材料(2)的两端，同一端的永磁体材料(3)分别粘接在封装后的弹性层材料(2)上下表面；压电材料(1)包括上电极面(5)下电极面(6)，压电材料(1)为薄片结构。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁扭电效应的磁场传感器，其特征在于，压电材料(1)为AlN、石英、LiNbO₃、BaTiO₃、ZnO、Pb(Zr,Ti)O₃、Pb(Mg,Nb)O₃-PbTiO₃、Pb(Zn,Nb)O₃-PbTiO₃或BiScO₃-PbTiO₃中的一种；弹性层材料(2)为长条薄片状，为Cu、Fe、Ni、Ti或Al中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种基于磁扭电效应的磁场传感器，其特征在于，永磁体材料(3)为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体或稀土永磁材料中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种基于磁扭电效应的磁场传感器，其特征在于，柔性电极(4)的基底材料为苯二甲酸乙二醇酯PET、聚二甲基硅氧烷PDMS、聚乙烯PE、聚氯乙烯PVC或聚丙烯PP中的一种，柔性电极(4)中的导电材料为Au、Ag、Al、Cu、Pt或Ni中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种基于磁扭电效应的磁场传感器，其特征在于，上电极面(5)和下电极面(6)的材料为Au、Ag、Al、Cu、Pt、W、Fe、Co、Ni或Ti中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种基于磁扭电效应的磁场传感器，其特征在于，压电材料(1)的长度为1-5mm，宽度为1-5mm，厚度小于1mm；弹性层材料(2)长度为1-30mm，宽度为1-5mm，厚度小于0.1mm；永磁体材料(3)的长度小于弹性层材料(2)长度的一半，永磁体材料(3)的宽度小于弹性层材料(2)的宽度，永磁体材料(3)的磁化方向为其厚度或者长度方向。

7.一种基于磁扭电效应的磁场传感器的制造方法，其特征在于，基于权利要求1至6任意一项所述的一种基于磁扭电效应的磁场传感器，包括以下步骤：

步骤1，提供一个压电材料(1)，将压电材料切割成需要的尺寸，并用超纯水超声清洗干净；

步骤2，压电材料(1)的上、下两个表面的电极面(5)和(6)通过银浆退火、蒸镀或者磁控溅射的方式镀上电极；

步骤3，压电材料(1)在做好电极后沿厚度方向极化；

步骤4，两片柔性电极(4)贴合于电极面(5)和(6)，用于传导电信号，柔性电极(4)的导电材料不是全覆盖基底，在导电材料的空隙位置适量涂覆少量环氧树脂，并在室温下固化24小时，用于柔性电极(4)和压电材料(1)之间的粘接；

步骤5，贴好柔性电极(4)的压电材料(1)，以环氧树脂为粘合剂被封装在两片弹性层材料(2)之间，环氧树脂在室温下固化24小时；

步骤6，四个大小相同的永磁体材料分成两对，两对永磁体材料(3)用环氧树脂粘接在封装了压电材料(1)后的弹性层材料(2)的两个自由端，在室温下固化24小时；

步骤7，在柔性电极(4)的输出端焊接导线便于引出信号。

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