CN112087221A - 一种采用磁场触发的磁电数据触发器及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种采用磁场触发的磁电数据触发器及其实现方法，包括三层磁电异质结以及均匀缠绕在异质结外围的铜质线圈，磁场脉冲触发信号由施加在矩形磁电异质结两端的电磁铁提供，利用磁电效应通过控制偏置磁场诱导磁致伸缩相产生不同程度的磁化，从而对磁电异质结的动态磁‑机应变进行调控，在交变磁场的激励下通过改变偏置磁场方向和大小出现的剩磁实现输出电压的保持与转换功能，使磁电异质结的铁电层产生非易失性的电压，并引起输出高/低电平状态的改变，进而实现经典数据触发的“跟踪”与“保持”功能。与传统D触发器相比，磁电数据触发器具有低损耗、响应快以及接线简单等显著优势，可以替代传统D触发器并将其应用于现代数字化系统中。

Description

一种采用磁场触发的磁电数据触发器及其实现方法
技术领域
本发明涉及D触发器的技术领域，尤其涉及一种采用磁场触发的磁电数据触发器及其实现方法。
背景技术
数据触发器(D 触发器)是一种具有记忆功能以及双稳定状态转换的信息存储器件，是在现代大规模数字集成电路设计中，尤其是在同步时序集成电路、时钟分频、数据锁存设计中的一种重要的逻辑单元电路。D触发器主要在数字系统以及计算机系统具有广泛的应用，可用作数字信号的寄存、移位寄存、分频、波形发生以及计数等逻辑功能器件。
现有的D触发器由许多门电路或者许多数量的晶体管电路构成，但是现有的COMS技术所制备的晶体管具有漏电流和沟道效应，尤其是随着运行时间的增加，这种漏电流和沟道效应会产生大量的热，增加了不必要的损耗。此外，不论是由门电路还是晶体管构成的D触发器，需要其组成一定的逻辑阵列才能完成D触发器的功能，这就意味着需要使用大量的导线和使用多个晶体管。这种也将导致接线冗余，增加不必要的电路损耗、增加了响应时间以及不利于器件的小型化。在专利申请号为“201910511022.7”、专利名称为“一种基于磁性斯格明子的锁存器与触发器及控制方法”中公开了基于磁性斯格明子的锁存器为重金属HM层和铁磁FM层的双层结构，由两个基于磁性斯格明子的锁存器级联构成触发器，降低了功耗，但是这个结构的触发器是通过改变输入端D的施加电压作为触发信号源，控制磁性斯格明子在铁磁层中的位置，在结构上仍需要使用一定的导线，与传统的D触发器相比，研发一种可以具有低损耗、接线简单、紧凑型的D触发器更具有实际意义。
发明内容
针对目前传统的D触发器接线冗余，体积大，电路损耗严重和响应时间长的技术问题，本发明提出一种采用磁场触发的磁电数据触发器。
为了解决上述问题，本发明的技术方案详述如下：
一种采用磁场触发的磁电数据触发器，包括两层铁磁元件，两层铁磁元件之间设置有压电元件，两层铁磁元件和压电元件整体缠绕有铜质线圈，铁磁元件外侧且沿铁磁元件长度方向设置有偏置磁场源，在交流磁场下，偏置磁场源与铁磁元件相配合，铁磁元件与压电元件相配合，压电元件上下表面均设置有电极，电极上引出有导线。
优选地，所述两层铁磁元件对称设置在压电元件两侧且两层铁磁元件和压电元件整体形状为三明治结构；所述两层铁磁元件和压电元件以及其外部的铜质线圈组成磁电数据触发器结构。
一种采用磁场触发的磁电数据触发器的实现方法，包括以下步骤：
S1、首先对交流磁场源通入交流电流，使两层铁磁元件层和压电元件层产生磁致伸缩效应和压电效应，此时压电元件上引出的导线输出磁电电压信号；
S2、根据步骤S1，当交流磁场频率为谐振频率情况下，通过逐步提高偏置磁场源的直流电流强度，偏置磁场源产生的偏置磁场强度同步提高，铁磁元件层的磁化强度随着偏置磁场强度先增大后减小，铁磁元件与压电元件整体组成的磁电异质结产生的磁电电压系数随着偏置磁场强度先增大后减小。
S3、根据步骤S2，在偏置磁场强度不变时，改变偏置磁场源通入的直流电流方向时，铁磁元件层外侧偏置磁场方向改变，磁电电压系数的符号也发生变化；
S4、根据步骤S3，当偏置磁场消失时，铁磁元件层和压电元件层组成的磁电异质结存在剩余磁电电压输出，并且剩余磁电电压符号与前一偏置磁场状态下的磁电电压符合保持一致。
优选地，所述步骤S2中铁磁元件为镍锌铁氧体材料，铁磁元件在磁化过程中出现剩磁和娇挽场，当偏置磁场强度为0时，铁磁元件的磁化强度为1.53emu/g，磁电电压信号值为107.1mV/cmOe；当偏置磁场强度为24.5Oe时，铁磁元件的磁化强度为0。
优选地，所述步骤S3中，偏置磁场强度维持不变时，当偏置磁场方向角为0°，此时磁电电压系数的实部随着偏置磁场谐振频率逐步增大而呈现先增大后减小；当偏置磁场方向角为180°时，磁电电压系数的实部随着偏置磁场频率的逐步增大而呈现先减小后增大。
优选地，所述当偏置磁场强度为38Oe，偏置磁场方向角为0°，偏置磁场谐振频率f=58kHz时，此时的磁电电压系数输出值为+117.2V/cm Oe；当保持偏置磁场强度不变的情况下，改变偏置磁场方向角为180°，偏置磁场谐振频率f=58kHz时，此时的磁电电压系数输出值为-116.5 V/cm Oe。
优选地，所述当偏置磁场强度为0Oe，偏置磁场方向角为0°，交流磁场谐振频率f=58kHz时，此时的磁电电压系数输出值为+30.6V/cm Oe；当保持偏置磁场强度不变的情况下，改变偏置磁场方向角为180°，偏置磁场谐振频率f=58kHz时，此时的磁电电压系数输出值为-30V/cm Oe。
优选地，所述步骤S4中，通过偏置磁场源向铁磁元件施加5s的磁矢量脉冲，磁矢量脉冲强度为38Oe，磁矢量脉冲的周期为60s，相邻周期施加的磁矢量脉冲方向相反；当磁脉冲消失时即偏置强度为0Oe时，铁磁元件和压电元件组成的磁电异质结通过导线仍输出磁电电压信号，并且磁电电压的符号与前一磁脉冲施加状态下导线输出的磁电电压的符号保持一致。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明利用正磁电效应原理制成的一类新型磁电数据触发器，整体结构三层磁电异质结以及均匀缠绕在异质结外围的铜质线圈，磁场脉冲触发信号由施加在矩形磁电异质结两端的电磁铁提供，利用磁电效应通过控制偏置磁场诱导磁致伸缩相产生不同程度的磁化，即剩余磁化和磁化方向改变，从而对磁电异质结的动态磁-机应变进行调控，在交变磁场的激励下通过改变偏置磁场方向和大小出现的剩磁实现输出电压的保持与转换功能，使磁电异质结的铁电层产生非易失性的电压，并引起输出高/低电平状态的改变，进而实现经典数据触发的“跟踪”与“保持”功能；整体利用磁致伸缩效应与压电效应的乘积效应、剩磁效应以及180°的磁电相移效应，通过通过外部偏置磁场的方向和大小的改变引起剩余磁化和动态应变的变化达到对输出电压状态的控制，从而实现磁电数据触发器的功能，铁磁材料与压电材层合而成的磁电异质结为实现新型D触发器的实现提供了可能，与传统D触发器相比，磁电数据触发器具有低损耗、响应快以及接线简单等显著优势，不仅能够实现磁计数功能并替代电梯运行时的电磁计数装置，而且可以替代传统D触发器并将其应用于现代数字化系统中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中磁电数据触发器的结构示意图。
图2为本发明中铁磁材料镍锌铁氧体的磁滞回线。
图3为本发明中低频处磁电电压系数随偏置磁场的变化曲线。
图4为本发明中偏置磁场强度为38Oe，方向为0º和180º下磁电电压系数的实部随频率的变化曲线。
图5为本发明中偏置磁场从0º和180º方向撤去以后，磁电电压系数的实部随频率的变化曲线。
图6为本发明中交流磁场的谐振频率处非易失性与稳定性测试结果图。
图7为本发明运行时的输出状态示意图。
图中，100为铁磁元件，101为压电元件，102为铜制线圈，103为上导线，104为下导线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：如图1所示，一种采用磁场触发的磁电数据触发器，包括两层铁磁元件100，两层铁磁元件100之间设置有压电元件101，具体使用的矩形铁磁元件100的尺寸为38mm×5mm×0.5mm，矩形压电元件101的尺寸为40mm×5mm×0.5mm，铁磁元件和压电元件的形状均为矩形，矩形铁磁元件的材料为镍锌铁氧体材料，镍锌铁氧体材料的化学方程式为Ni0.8Zn0.2Fe2O4，所述压电元件的材料为压电陶瓷PZT-8，压电元件沿着厚度方向极化，矩形铁磁元件与所述压电元件的厚度与宽度一致，所述压电元件的长度略长于所述矩形铁磁元件，便于压电元件上电极的焊接与引线。
两层铁磁元件100对称设置在压电元件101两侧且两层铁磁元件100和压电元件101整体形状为三明治状，矩形铁磁元件通过环氧树脂胶与所述压电元件层合成三层的三明治状磁电异质结，两层铁磁元件100和压电元件101整体缠绕有铜质线圈102，磁电异质结周围缠绕铜质线圈组成磁电数据触发器，偏置磁场施加于磁电数据触发器的长度方向，铁磁元件100外侧且沿铁磁元件100长度方向设置有偏置磁场源，偏置磁场源与铜质线圈102和铁磁元件100相配合，铁磁元件100与压电元件101相配合，压电元件101上下表面均设置有电极，电极上引出有导线，导线为磁电数据触发器的输出端，导线包括上导线103和下导线104。
磁电数据触发器的制备方法，包括步骤1:制备矩形铁磁元件100，取AR级的Fe2O3、NiO和ZnO粉末按照化学表达式Ni0.8Zn0.2Fe2O4中的摩尔比精确称重,加入甲醇溶剂后与二氧化锆球在行星式球磨机中湿磨15h，湿磨时甲醇溶剂的质量为上述粉末总重的一半；待溶剂完全挥发后将收集到的混合粉末放入马弗炉在800°C的温度下预烧3h；将预烧后的混合粉末再次倒入行星式球磨机与甲醇溶剂和二氧化锆球混合进行二次湿磨15h，湿磨时甲醇溶剂的质量为上述粉末总重的一半;待混合粉末自然冷却至室温，加入3w.t%的PVA粘结剂在3000psi压力下用压片机压成片状样坯；片状样坯被Al2O3粉末包裹后置入马弗炉在600°C温度下排胶3h，后分两段升温至1275°C，先用升温速率为1.1°C/min缓慢升温至800 C，接着升温速率为2.5°C/min从800°C升温至1275°C；并在1275°C温度下保持4h烧结成型，利用低速切割机将烧结后的样坯切成38mm×5mm×0.5mm的矩形铁磁元件101样片。 步骤2：将压电元件和铁磁元件粘结，将矩形铁磁元件100样片用600#细砂纸双面抛光后用甲醇清洗，用环氧树脂胶粘结在尺寸为40mm×5mm×0.5mm的PZT-8矩形压电元件101的上下表面，用固定夹夹住器件使其受压为5MPa，置于120°C条件下在干燥箱内加热2h,取出冷却至室温，在Ag电极上两根Pt丝导线，导线作为一种由磁触发的磁电D触发器的电压输出端103，得到层状磁电异质结元件。 步骤3：绕线圈，在层状磁电复合元件外周均匀密绕500匝铜质线圈102，并在铜质线圈102的首尾两端预留线头并敷焊锡，作为提供交流电流的功能端。
实施例2：一种采用磁场触发的磁电数据触发器的实现方法，包括以下步骤：
S1、在测试磁电数据触发器时，选用磁电数据触发器的样片、锁相放大器、万用表、振动样品测试仪和电磁铁，电磁铁作为偏置磁场源，磁电数据触发器的样片的输出端口上导线103和下导线104接入锁相放大器，利用锁相放大器检测磁电数据触发器输出端口输出的磁电电压信号；在测试时，首先对交流磁场源和偏置磁场源通入电流，使两层铁磁元件层和压电元件层产生磁致伸缩效应和压电效应，此时压电元件上引出的导线输出磁电电压信号。
S2、根据步骤S1，当交流磁场频率为谐振频率情况下，通过逐步提高电流强度，偏置磁场源产生的偏置磁场强度同步提高，如图2所示，铁磁元件层的磁化强度随着偏置磁场强度先增大后减小，铁磁元件层与压电元件层整体组成的磁电异质结产生的磁电电压系数随着偏置磁场强度先增大后减小，如图3所示，在谐振频率为10kHz处，磁电电压系数随偏置磁场表现出一个典型的先增大后减小，铁磁元件为镍锌铁氧体材料，铁磁元件在磁化过程中出现剩磁和娇挽场，当偏置磁场强度为0时，铁磁元件的磁化强度为1.53emu/g，磁电电压信号值为107.1mV/cmOe；当偏置磁场强度为24.5Oe时，铁磁元件的磁化强度为0。
S3、根据步骤S2，在偏置磁场强度不变时，改变偏置磁场源通入电流方向时，铁磁元件层外侧偏置磁场方向改变，磁电电压系数的符号也发生变化；偏置磁场强度维持不变时，当偏置磁场方向角为0°，此时磁电电压系数的实部随着偏置磁场谐振频率逐步增大而呈现先增大后减小；当偏置磁场方向角为180°时，磁电电压系数的实部随着偏置磁场频率的逐步增大而呈现先减小后增大；如图4所示，当偏置磁场强度为38Oe，偏置磁场方向角为0°，偏置磁场谐振频率f=58kHz时，此时的磁电电压系数输出值为+117.2V/cm Oe；当保持偏置磁场强度不变的情况下，改变偏置磁场方向角为180°，偏置磁场谐振频率f=58kHz时，此时的磁电电压系数输出值为-116.5 V/cm Oe；
如图5所示，所述当偏置磁场强度为0Oe，偏置磁场方向角为0°，偏置磁场谐振频率f=58kHz时，此时的磁电电压系数输出值为+30.6V/cm Oe；当保持偏置磁场强度不变的情况下，改变偏置磁场方向角为180°，偏置磁场谐振频率f=58kHz时，此时的磁电电压系数输出值为-30V/cm Oe。
S4、根据步骤S3，当偏置磁场消失时，铁磁元件层和压电元件层组成的磁电异质结存在剩余磁电电压输出即存在非易失性电压，并且剩余磁电电压符号与前一偏置磁场状态下的磁电电压符合保持一致；如图6所示，通过偏置磁场源向铁磁元件施加5s的磁矢量脉冲，磁矢量脉冲强度为38Oe，磁矢量脉冲为的周期为60s，相邻周期施加的磁矢量脉冲方向相反；当磁脉冲消失时即偏置强度为0Oe时，铁磁元件和压电元件组成的磁电异质结通过导线仍输出磁电电压信号，并且磁电电压的符号与前一磁脉冲施加状态下导线输出的磁电电压的符号保持一致；如图7所示，在0-600s的输出结果图，该触发器为电平触发，当HDC=38Oe时，磁电电压的符号随着偏置磁场方向改变，并跟踪其变化；在偏置磁场撤去以后的零偏置磁场处，磁电电压的符号与前一状态的磁电电压的符号相同，实现输出电压的“保持”。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种采用磁场触发的磁电数据触发器，其特征在于，包括两层铁磁元件（100），两层铁磁元件（100）之间设置有压电元件（101），两层铁磁元件（100）和压电元件（101）整体缠绕有铜质线圈（102），铁磁元件（100）外侧且沿铁磁元件（100）长度方向设置有偏置磁场源，偏置磁场源与铜质线圈（102）和铁磁元件（100）相配合，铁磁元件（100）与压电元件（101）相配合，压电元件（101）上下表面均设置有电极，电极上引出有导线。
2.根据权利要求1所述的采用磁场触发的磁电数据触发器，其特征在于，所述两层铁磁元件（100）对称设置在压电元件（101）两侧且两层铁磁元件（100）和压电元件（101）整体形状为三明治结构；所述两层铁磁元件（100）和压电元件（101）以及其外部的铜质线圈（102）组成磁电数据触发器结构。
3.一种采用磁场触发的磁电数据触发器的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、首先对铜质线圈通入交流电流产生交流磁场，使两层铁磁元件层和压电元件层产生磁致伸缩效应和压电效应，此时压电元件上引出的导线输出磁电电压信号；
S2、根据步骤S1，当交流磁场频率为谐振频率情况下，通过逐步提高偏置磁场源的电流强度，偏置磁场源产生的偏置磁场强度同步提高，铁磁元件层的磁化强度随着偏置磁场强度先增大后减小，铁磁元件层与压电元件层整体组成的磁电异质结产生的磁电电压系数随着偏置磁场强度呈现先增大后减小的趋势；
S3、根据步骤S2，在偏置磁场强度不变时，改变偏置磁场源通入电流方向时，铁磁元件层外侧偏置磁场方向改变，磁电电压系数的符号也发生变化；
S4、根据步骤S3，当偏置磁场消失时，铁磁元件层和压电元件层组成的磁电异质结存在剩余磁电电压输出，并且剩余磁电电压符号与前一偏置磁场状态下的磁电电压符合保持一致。
4.根据权利要求3所述的采用磁场触发的磁电数据触发器的实现方法，其特征在于，所述步骤S2中铁磁元件层为镍锌铁氧体材料，铁磁元件层在磁化过程中出现剩磁和矫顽场，当偏置磁场强度为0时，铁磁元件层的磁化强度为1.53emu/g，磁电电压信号值为107.1mV/cmOe；当偏置磁场强度为24.5Oe时，铁磁元件的磁化强度为0。
5.根据权利要求3所述的采用磁场触发的磁电数据触发器的实现方法，其特征在于，所述步骤S3中，偏置磁场强度维持不变时，当偏置磁场方向角为0°，此时磁电电压系数的实部随着交流磁场的频率逐步增大而呈现先增大后减小的趋势；当偏置磁场方向角为180°时，磁电电压系数的实部随着交流磁场的频率的逐步增大而呈现先减小后增大的趋势。
6.根据权利要求5所述的采用磁场触发的磁电数据触发器的实现方法，其特征在于，所述当偏置磁场强度为38Oe，偏置磁场方向角为0°，交流磁场的谐振频率f=58kHz时，此时的磁电电压系数输出值为+117.2V/cm Oe；当保持偏置磁场强度不变的情况下，改变偏置磁场方向角为180°，偏置磁场谐振频率f=58kHz时，此时的磁电电压系数输出值为-116.5 V/cmOe。
7.根据权利要求5所述的采用磁场触发的磁电数据触发器的实现方法，其特征在于，所述当偏置磁场强度为0Oe，偏置磁场方向角为0°，交流磁场的谐振频率f=58kHz时，此时的磁电电压系数输出值为+30.6V/cm Oe；当保持偏置磁场强度不变的情况下，改变偏置磁场方向角为180°，偏置磁场谐振频率f=58kHz时，此时的磁电电压系数输出值为-30V/cm Oe。
8.根据权利要求3所述的采用磁场触发的磁电数据触发器的实现方法，其特征在于，所述步骤S4中，通过偏置磁场源向铁磁元件施加5s的磁矢量脉冲，磁矢量脉冲强度为38Oe，磁矢量脉冲的周期为60s，相邻周期施加的磁矢量脉冲方向相反；当磁脉冲消失时即偏置强度为0Oe时，铁磁元件和压电元件组成的磁电异质结通过导线仍输出磁电电压信号，并且磁电电压的符号与前一磁脉冲施加状态下导线输出的磁电电压的符号保持一致。
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