CN114200359A - 一种仿鲑鱼磁感知机理的仿生me磁传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种仿鲑鱼磁感知机理的仿生ME磁传感器及其制备方法，其中，所述仿生ME磁传感器包括：第一磁致伸缩结构；第二磁致伸缩结构，所述第一磁致伸缩结构设置于所述第二磁致伸缩结构的一面；压电反应结构，所述压电反应结构设置于所述第二磁致伸缩结构的另一面；其中，第一磁致伸缩结构、第二磁致伸缩结构和压电反应结构组成圆柱状，所述第一磁致伸缩结构与所述第二磁致伸缩结构具有不同的磁致伸缩系数。在本发明中，通过仿生ME磁传感器的圆柱状结构的设置方式，配合第一磁致伸缩结构与第二磁致伸缩结构具有不同的磁致伸缩系数，使传感器拥有自偏置效应，增大压电反应结构的受力作用，提高应力传递效率，进一步达到拥有更高灵敏度的效果。
Description
技术领域
本发明涉及传感器相关领域，尤其涉及一种仿鲑鱼磁感知机理的仿生ME磁传感器及其制备方法。
背景技术
导航技术是综合自动控制、计算机、微电子学、光学、力学以及数学等多学科的高技术研发应用，是国家武器精准制导的核心技术，实现航天航空执行任务的关键技术，民用定位规划路线的重要技术。随着时间的发展，人民对动态载体运动目标例如：导弹、飞机、卫星、坦克、舰船等方面的应用需求不断提高。从早期使用太阳月亮等自然现象进行定位导航，到如今使用卫星实现精准定位，导航技术已经发生多次革新，对于导航技术的研讨与应用亦得到巨大的进展。海洋与我们的生活早已密不可分，海洋中拥有着丰富的矿物资源、生物资源和不可再生资源，是世界资源的瑰宝。探索海洋拥有着巨大科研意义，开发海洋，使得海洋空间更好的被我们利用是实现可持续发展远大目标的必由之路。因此，水下导航技术受到研究者们的广泛重视，对于更完善的水下导航技术的研究已经跃然纸上。
近年来，随着水下导航与水下机器人技术的蓬勃发展，研究更为精确的水下导航技术被提上日程。传统的导航模式例如卫星导航、水声导航、图像导航、地磁导航、地形匹配导航等模式都极易受外部环境干扰，无法在水下复杂的环境中使用，目前在水下导航中广泛应用的是惯性导航，其虽不受外部环境干扰，但是导航误差会随时间累计，无法远距离使用。地球是一个巨大的磁铁，地磁是地球任何地方都普遍存在的物质，故而地磁导航为新式水下导航技术提供了思路与可能，设计一款更为精确的磁传感器可以为地磁导航提供巨大帮助。
目前，磁传感器在汽车技术、航空航天、生物医疗及国防武器装备等方面有广泛的应用。磁传感器的精确稳定性和低成本提高了工厂的生产率。几种常见的磁传感器有：GMR，磁通门传感器，光泵磁力仪，霍尔传感器和超导量子干涉仪(SQUID)。但这些传感器都有显而易见的缺点，例如：灵敏度低，需要外接大电源或不能在室温下工作。这些缺点使它们在许多应用场合下显得非常繁琐和臃肿，无法应用于更加复杂的环境。面对上述问题，ME层合板式磁传感器进入人们的视线，这种器件是一种简单和容易获得的技术。对于构建这样的器件，有许多可用的磁性材料。此外，这种传感器可以在室温下工作，也不是使用需要特别小心的易碎材料，从而有利于坚固可靠的设备的建造。另外，这种传感器是自供电传感器，故而可以在测量设备和传感器之间没有电接触的情况下开发，使它们特别适合在恶劣环境中使用。
在现有的设计方案中，现有的ME层合板式磁传感器中间起粘合作用的环氧树脂层由于老化使得应力渐渐消耗，从而降低了应力传递效率，并且需要电磁铁提供大的直流偏置磁场进行作用，从而增大了传感器的体积和电磁噪声，另外现有的ME层合板式磁传感器设计为长条或方形板层状结构，从而存在基片夹持效应，导致应力传递效果较差。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种仿鲑鱼磁感知机理的仿生ME磁传感器及其制备方法，旨在解决现有的ME层合板式磁传感器设置为长条或方形结构且环氧树脂层导致灵敏度较低的问题。
本发明的技术方案如下：
一种仿鲑鱼磁感知机理的仿生ME磁传感器，其中，包括：
第一磁致伸缩结构；
第二磁致伸缩结构，所述第一磁致伸缩结构设置于所述第二磁致伸缩结构的一面；
压电反应结构，所述压电反应结构设置于所述第二磁致伸缩结构的另一面；
其中，第一磁致伸缩结构、第二磁致伸缩结构和压电反应结构组成圆柱状，所述第一磁致伸缩结构与所述第二磁致伸缩结构具有不同的磁致伸缩系数。
所述仿鲑鱼磁感知机理的仿生ME磁传感器，其中，所述第一磁致伸缩结构、第二磁致伸缩结构和压电反应结构的表面设置为圆形，所述第一磁致伸缩结构、第二磁致伸缩结构和压电反应结构的表面受轴向、径向和周向约束。
所述仿鲑鱼磁感知机理的仿生ME磁传感器，其中，所述仿生ME磁传感器为圆片层合状传感器；所述第一磁致伸缩结构设置为呈圆片状的第一磁致伸缩片，所述第二磁致伸缩结构设置为呈圆片状的第二磁致伸缩片，所述压电反应结构设置为呈圆片状的压电层；所述第一磁致伸缩片下端与所述第二磁致伸缩片的上端连接，所述第二磁致伸缩片的下端与所述压电层的上端连接。
所述仿鲑鱼磁感知机理的仿生ME磁传感器，其中，所述第一磁致伸缩片采用第一正磁致伸缩材料，第二磁致伸缩片采用第一负磁致伸缩材料，第一正磁致伸缩材料与第一负磁致伸缩材料均设置为横向磁化，所述压电层设置为沿厚度方向极化。
所述仿鲑鱼磁感知机理的仿生ME磁传感器，其中，所述仿生ME磁传感器为圆环嵌套状传感器；所述第一磁致伸缩结构设置为呈圆弧状的磁致伸缩带，所述第二磁致伸缩结构设置为呈圆环状的磁致伸缩环，所述压电反应结构设置为呈圆环状的压电环；所述磁致伸缩环的圆环内壁与所述压电环的圆环外壁连接，所述磁致伸缩带的内弧一侧与所述磁致伸缩环的圆环外侧连接。
所述仿鲑鱼磁感知机理的仿生ME磁传感器，其中，所述磁致伸缩带采用第二正磁致伸缩材料，所述磁致伸缩环采用第二负磁致伸缩材料，第二正磁致伸缩材料与第二负磁致伸缩材料均设置为横向磁化，所述压电环设置为沿圆环径向极化。
所述仿鲑鱼磁感知机理的仿生ME磁传感器，其中，所述仿生ME磁传感器还包括第三磁致伸缩结构和第四磁致伸缩结构，所述第四磁致伸缩结构设置于所述第三磁致伸缩结构的一端，所述压电反应结构设置于所述第三磁致伸缩结构的另一端。
一种仿鲑鱼磁感知机理的仿生ME磁传感器的制备方法，其中，该方法包括如下步骤：
提供第一磁致伸缩结构、第二磁致伸缩结构以及压电反应结构；
将第一磁致伸缩结构连接在第二磁致伸缩结构的一面上，将压电反应结构连接在第二磁致伸缩结构的另一面上，得到仿生ME磁传感器。
所述仿生ME磁传感器的制备方法，其中，所述仿生ME磁传感器为圆片层合状传感器；提供第一正磁致伸缩材料，第一负磁致伸缩材料，压电材料和粘合剂；
将第一正磁致伸缩材料、第一负磁致伸缩材料与压电材料均切割成直径相同的薄圆片，得到第一磁致伸缩片、第二磁致伸缩片和压电层；
将第一磁致伸缩片、第二磁致伸缩片和压电层依次叠合，在第一磁致伸缩片与第二磁致伸缩片之间和第二磁致伸缩片与压电层之间涂覆粘合剂，得到圆片层合状传感器；
或所述仿生ME磁传感器为圆环嵌套状传感器；
提供第二正磁致伸缩材料，第二正磁致伸缩材料和压电材料；
将第二负磁致伸缩材料和压电材料切割成圆环状，得到磁致伸缩环和压电环，其中，磁致伸缩环的内圈直径小于压电环的外圈直径；
对第二正磁致伸缩材料进行切割，得到磁致伸缩带；
将压电环嵌入磁致伸缩环的内圈，并将磁致伸缩带贴合在磁致伸缩环的外圈，得到圆环嵌套状传感器。
一种仿生ME磁传感器测试装置，其中，用于测试所述的仿鲑鱼磁感知机理的仿生ME磁传感器，所述测试装置包括：
交流磁场发生器和直流磁场发生器，所述仿生ME磁传感器设置在所述交流磁场发生器上；
锁相放大器，所述锁相放大器的一端连接于所述仿生ME磁传感器的一侧；
信号发生器，所述信号发生器的首端与所述锁相放大器的另一端连接，所述信号发生器的尾端与所述交流磁场发生器连接；
高斯磁力计，所述高斯磁力计与所述仿生ME磁传感器的另一侧连接；
电源结构，所述电源结构与所述直流磁场发生器连接。
有益效果：本发明提供了一种仿鲑鱼磁感知机理的仿生ME磁传感器及其制备方法，其中，所述仿生ME磁传感器包括：第一磁致伸缩结构；第二磁致伸缩结构，所述第一磁致伸缩结构设置于所述第二磁致伸缩结构的一面；压电反应结构，所述压电反应结构设置于所述第二磁致伸缩结构的另一面；其中，第一磁致伸缩结构、第二磁致伸缩结构和压电反应结构组成圆柱状，所述第一磁致伸缩结构与所述第二磁致伸缩结构具有不同的磁致伸缩系数。在本发明中，通过仿生ME磁传感器的圆柱状结构的设置方式，配合第一磁致伸缩结构与第二磁致伸缩结构具有不同的磁致伸缩系数，从而增大压电反应结构的受力作用，提高应力传递效率，进一步达到拥有更高灵敏度的效果。
附图说明
图1为本发明的仿鲑鱼磁感知机理的仿生ME磁传感器为圆片层合状传感器的立体结构图。
图2为本发明的图1中圆片层合状传感器的压电层的立体结构图。
图3为本发明的仿鲑鱼磁感知机理的仿生ME磁传感器为圆环嵌套状传感器的立体结构图。
图4为本发明的图3中圆环嵌套状传感器的压电环的立体结构图。
图5为本发明的五层模式下更高灵敏度的仿生ME磁传感器的立体结构图。
图6为本发明的仿生ME磁传感器实验测试台的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种仿鲑鱼磁感知机理的仿生ME磁传感器及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者间接连接至该另一个部件上。
还需说明的是，本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
在现有的设计方案中，现有的ME层合板式磁传感器中间起粘合作用的环氧树脂层由于老化使得应力渐渐消耗，从而降低了应力传递效率，并且需要电磁铁提供大的直流偏置磁场进行作用，从而增大了传感器的体积和电磁噪声，另外现有的ME层合板式磁传感器设计为长条或方形板层状结构，从而存在基片夹持效应，导致应力传递效果较差。
为了解决上述问题，本发明提供了一种仿鲑鱼磁感知机理的仿生ME磁传感器，能够增大应力传递效果，使传递效率更高，从而增大传感器灵敏度，如图1或图4所示，所述仿生ME磁传感器包括：第一磁致伸缩结构；第二磁致伸缩结构，所述第一磁致伸缩结构设置于所述第二磁致伸缩结构的一面；压电反应结构，所述压电反应结构设置于所述第二磁致伸缩结构的另一面；其中，第一磁致伸缩结构、第二磁致伸缩结构和压电反应结构组成圆柱状，所述第一磁致伸缩结构与所述第二磁致伸缩结构具有不同的磁致伸缩系数。
具体地，仿生ME磁传感器设置为圆柱状结构，进一步可设置为圆片层合状或圆环嵌套状，第一磁致伸缩结构与第二磁致伸缩结构组成正负磁致伸缩部分，压电反应结构为压电部分；
需要说明的是，磁致伸缩部分在外磁场作用下发生伸缩形变从而对压电层传递应力，压电层受到应力振动从而产生感应电压；不同的磁致伸缩系数使得正负磁致伸缩部分之间产生自偏置磁场，从而使仿生ME磁传感器拥有自偏置效应，进一步达到感知磁场的自发性行为；仿生ME磁传感器中的第一磁致伸缩结构与第二磁致伸缩结构具有不同的磁致伸缩系数，从而在仿生ME磁传感器内产生自偏置磁场，进而使得仿生ME磁传感器拥有自偏置效应，从而使仿生ME磁传感器(即正负磁致伸缩多层异质结构)在谐振条件下相较于传统ME磁传感器具有更高的ME零偏效应和最大ME电压系数。
在本发明的较佳实施例中，正因为采用了上述的技术方案，通过仿生ME磁传感器的圆柱状结构的设置方式，配合第一磁致伸缩结构与第二磁致伸缩结构具有不同的磁致伸缩系数，从而增大压电反应结构的受力作用，提高应力传递效率，进一步达到拥有更高灵敏度的效果。
在本实施例中，所述第一磁致伸缩结构、第二磁致伸缩结构和压电反应结构的表面设置为圆形，所述第一磁致伸缩结构、第二磁致伸缩结构和压电反应结构的表面受轴向、径向和周向约束。
具体地，仿生ME磁传感器形成的圆柱状的外表面和内表面受轴向、径向和周向约束；在外部磁场作用下，由于第一磁致伸缩结构与第二磁致伸缩结构的形状改变，压电反应结构的无穷小单元将同时受到径向力和切向力的作用，大大提高了压电反应结构的受力作用，从而使仿生ME磁传感器形成的圆柱状结构ME电压系数远大于传统的平板结构。
在一个较佳实施例中，所述仿生ME磁传感器为圆片层合状传感器；所述第一磁致伸缩结构设置为呈圆片状的第一磁致伸缩片10，所述第二磁致伸缩结构设置为呈圆片状的第二磁致伸缩片20，所述压电反应结构设置为呈圆片状的压电层30；所述第一磁致伸缩片10下端与所述第二磁致伸缩片20的上端连接，所述第二磁致伸缩片20的下端与所述压电层30的上端连接。
具体地，所述第一磁致伸缩片10采用第一正磁致伸缩材料，第二磁致伸缩片20采用第一负磁致伸缩材料，第一正磁致伸缩材料与第一负磁致伸缩材料均设置为横向磁化，所述压电层设置为沿厚度方向极化。
需要说明的是，磁化是在磁场下材料沿着横或者纵方向伸缩；极化方向是压电材料在外部机械作用下的谐振方向，如图2箭头P所指方向为极化方向。
如图1或图2所示，圆片层合状传感器设置为正磁致伸缩层-负磁致伸缩层-压电层的三层圆片层合结构，所述第一磁致伸缩片10、第二磁致伸缩片20和压电层30的厚度与直径相同，所述压电层30上下两个平面端通过镀银分别形成正电极和负电极，第一磁致伸缩片10与第二磁致伸缩片20之间通过粘合剂贴合连接，第二磁致伸缩片20与压电层30之间通过粘合剂贴合连接；环氧树脂与固定剂按比例混合形成粘合剂。
在另一个较佳实施例中，所述仿生ME磁传感器为圆环嵌套状传感器；所述第一磁致伸缩结构设置为呈圆弧状的磁致伸缩带90，所述第二磁致伸缩结构设置为呈圆环状的磁致伸缩环80，所述压电反应结构设置为呈圆环状的压电环70；所述磁致伸缩环80的圆环内壁与所述压电环70的圆环外壁连接，所述磁致伸缩带90的内弧一侧与所述磁致伸缩环80的圆环外侧连接。
具体地，所述磁致伸缩带90采用第二正磁致伸缩材料，所述磁致伸缩环80采用第二负磁致伸缩材料，第二正磁致伸缩材料与第二负磁致伸缩材料均设置为横向磁化，所述压电环设置为沿圆环径向极化。
需要说明的是，如图4箭头P所指方向为极化方向。
如图3或图4所示，所述圆环嵌套状传感器设置为正磁致伸缩带-负磁致伸缩环-压电环的三层圆环嵌套结构，所述压电环70、磁致伸缩环80和磁致伸缩带90的厚度一致，所述压电环70的外圈直径大于所述磁致伸缩环80的内圈直径，压电环70的外壁与磁致伸缩环80的内壁连接，所述磁致伸缩带90设置为可首尾相连，磁致伸缩带90的内弧一侧与磁致伸缩环80的圆环外侧连接；磁致伸缩带90可设置为首尾不相连，磁致伸缩带90的内弧一侧与磁致伸缩环80的圆弧外侧贴合即可。
所述压电环70上下两个平面镀银形成正电极和负电极，所述压电环70与磁致伸缩环80的环间距比范围为1：1.2至1：2。
需要说明的是，压电环70与磁致伸缩环80进行过盈配合，根据鲑鱼磁感知生物机理显示鲑鱼体内磁颗粒与细胞膜紧密锚定，产生优异的机械耦合作用。这一良好的耦合结构无需多余的磁夹杂运动，避免了运动相关粘性耗散，提高信号传递效率。传感器设计为热嵌套模式层层嵌入，减少了环氧树脂与胶层的使用，减少环氧树脂层处应力和电流的消耗，提高应力传递效率与ME耦合系数，使得传感器性能得以提升。传统的ME传感器利用环氧树脂层层粘合连接，导致环氧树脂层处拥有巨大的应力和电流消耗，大大降低应力传递效率，降低ME耦合系数。此外，环氧树脂层的老化或疲劳可能会再次恶化层合板的ME耦合。因此将磁颗粒与细胞膜耦合这一生物特点应用于ME传感器，使得整个传感器部分设计为热嵌套模式过盈配合嵌入，减少环氧树脂的使用，从而很大程度上地解决了环氧树脂消耗应力信号的问题，提高应力传递效率，从而提升仿生ME传感器的性能。
需要说明的是，圆环或圆片均为薄薄的圆柱，磁场有一定穿透性，所以每一片圆环或圆片都会收到上下表面和侧面的约束；长条状物体受力没有圆形物体均匀平稳，圆柱状可以收到更多微元面的力。
在另一个较佳实施例中，所述仿生ME磁传感器还包括第三磁致伸缩结构和第四磁致伸缩结构，所述第四磁致伸缩结构设置于所述第三磁致伸缩结构的一端，所述压电反应结构设置于所述第三磁致伸缩结构的另一端。
具体地，如图5所示，仿生ME磁传感器包括依次叠合设置的第一磁致伸缩片10、第二磁致伸缩片20、压电层30、第三磁致伸缩片40和第四磁致伸缩片50，所述仿生ME传感器为正磁致伸缩层-负磁致伸缩层-压电层-负磁致伸缩层-正磁致伸缩层的五层模式，随着层数的叠加，压电层受到应力逐步加强，大大提高传感器性能。
需要说明的是，本发明的设计灵感来源于鲑鱼磁感知生物机理模型。鲑鱼嗅觉玫瑰花结的磁性细胞中存在微小磁颗粒。这些磁颗粒与磁性细胞的细胞膜紧密耦合，当磁场作用于其上时，会发生位移或旋转，将机械应力直接传导到细胞膜。细胞膜受到应力改变膜电位从而引发神经反应，促使鲑鱼感知磁场，即磁颗粒-细胞膜-神经反应传递模型。模仿这一模型设计传感器结构。磁致伸缩材料的原理为其内部含有磁畴颗粒，磁畴在外部磁场作用下通过位移或旋转改变排列方式，从而导致其在某个方向上的长度发生微小变化。这与磁性细胞附近的磁颗粒作用不谋而合。因此仿生ME磁传感器设计为正磁致伸缩-负磁致伸缩-压电部分应力传递结构，正磁致伸缩材料和负磁致伸缩材料分别模仿细胞膜外部磁颗粒和细胞膜，压电部分输出感应电压模仿鲑鱼神经反应。整个传感器设计为圆片层合或圆环嵌套型，进一步模仿细胞膜受力情况。
需要说明的是，仿生ME磁传感器设计为圆片层合结构或圆环嵌套结构，整体为近似圆柱形，应力传递更大，传递效率更高。圆柱可以简化为一个无限小的板层状结构，圆柱的边界条件与板层状结构不同。平板结构的外层均处于平面应力条件下，垂直方向不受约束，而圆柱的外表面和内表面受轴向、径向和周向约束。当其在磁场中收缩(或膨胀)时，由于自束缚效应，不仅其周长减小(或增大)，其直径和高度也同时减小(或增大)。然后，由于正负磁致伸缩层形状的改变，每个压电层的无穷小单元将同时受到径向力和切向力的作用。因此，大大提高了压电层的受力作用。而ME效应在很大程度上取决于层间的力学耦合，因此圆片层合和圆环嵌套结构的ME电压系数将远大于方形平板结构，故而圆片层合和圆环嵌套结构磁传感器拥有着更高的应力传递效率与线性度，拥有更高的灵敏度。
需要说明的是，仿生ME磁传感器基本设计结构为正磁致伸缩-负磁致伸缩-压电层的三层圆片层合结构或正磁致伸缩-负磁致伸缩-压电环的三层圆环嵌套结构。在传感器要求灵敏度更高的情况下，两种结构可提高为正磁致伸缩-负磁致伸缩-压电层-负磁致伸缩-正磁致伸缩的五层模式，层数的叠加使得压电层受到应力显著加强，提高传感器性能，从而使得传感器具有很高的设计灵活度。
所述仿生ME磁传感器拥有良好的自偏置特性，正磁致伸缩-负磁致伸缩-压电层状异质结构(正负磁致伸缩多层异质结构)，由压电材料、正磁致伸缩材料和负磁致伸缩材料多层构成。相应的，由于正磁致伸缩材料和负磁致伸缩材料之间的强磁相互作用以及附加的磁致伸缩效应，可以观察到巨大的磁致伸缩电压系数和自偏置磁致伸缩效应。因为正负磁致伸缩材料由于磁基本属性数值的差距，在外部磁场作用下会产生磁相互作用从而产生内置磁场，代替偏置磁场，实现自偏置效应。正磁致伸缩-负磁致伸缩-压电层状异质结构ME磁传感器在最佳偏置甚至接近零偏置的情况下具有很强的交流灵敏度。正磁致伸缩材料的附加应力增强了整个磁致伸缩反应过程。正磁致伸缩材料、负磁致伸缩材料组合异质结构与传统的正磁致伸缩材料组合复合结构相比，该异质结构在谐振条件下具有更高的ME零偏效应和最大ME电压系数。这种ME效应的增强主要是由于正负磁致伸缩磁性层由于磁性梯度的不同而产生的内置偏磁场以及负磁致伸缩层中具有明显滞后和残余磁化的强本征各向异性场等原因导致的。此外，相对磁导率较高的正磁致伸缩材料层将层间因应力-应变耦合作用引起的附加应力转移到负磁致伸缩层，故而正磁致伸缩层的磁致伸缩达到饱和时，负磁致伸缩层上的附加应力达到最大值。相应地，这也导致有效压磁系数的升高。正负磁致伸缩多层异质结构不仅实现自偏置效应，也获得了相比较于传统ME传感器来说更为巨大的ME电压系数。
磁致伸缩是指物体在磁场中磁化时，在磁化方向会发生伸长或缩短，当通过改变与磁体的距离时其尺寸即发生显著变化的铁磁性材料，通常称为铁磁伸缩材料。这些物质在磁场作用下，其尺寸伸长或缩短，当去掉外加磁场后又恢复其原来的尺寸。磁致伸缩效应可用磁致伸缩系数γ来描述，
压电陶瓷(PZT)是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料，简称为压电效应。压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作，具有敏感的特性。构成其主要成分的晶相都是具有铁电性的晶粒，由于陶瓷是晶粒随机取向的多晶聚集体，因此其中各个铁电晶粒的自发极化矢量也是混乱取向的。为了使陶瓷能表现出宏观的压电特性，就必须在压电陶瓷烧成并于端面被复电极之后，将其置于强直流电场下进行极化处理，以使原来混乱取向的各自发极化矢量沿电场方向择优取向。经过极化处理后的压电陶瓷，在电场取消之后，会保留一定的宏观剩余极化强度，从而使陶瓷具有了一定的压电性质。
需要说明的是，仿生ME磁传感器基本原理为：磁致伸缩层在外加磁场作用下纵向延伸，由于磁电复合材料的约束效应，磁致伸缩层产生的应力转移到压电材料层上。然后压电层根据压电效应在厚度方向上产生电极化。由于磁致伸缩复合结构的非对称性，外加磁场诱导的磁致伸缩材料发生伸缩，导致压电层的变形，因此压电层结构会发生弯曲振动，从而将机械能转化为电能，产生感应电压。
磁致伸缩层的应变求取如上式所示，ε和σ为磁致伸缩层的应变和应力；饱和杨氏模量Es；饱和磁致伸缩系数λs；初始应力σ0；磁畴旋转饱和应力σλ；热膨胀系数α；饱和磁致伸缩应变斜率β；磁化强度
Ms；饱和磁化强度；ΔT为变化的温度。
电相和磁相之间的交变接触力对ME耦合起着决定性作用。对接触力的推导为了解复合材料的ME效应提供了基础。接触力是由静磁场下的磁致伸缩产生的。交变磁场叠加在静止磁场上，磁场振幅由HS-Hac变化为HS+Hac。计算交变接触力如下所示
压电层部分，基于压电效应，PZT表面电荷可计算为：
其中d31、d32为PZT的压电系数，K31、K32为机电耦合参数。
PZT的ME电压可计算为：
其中C为PZT的电容，e为介电常数，SP和tP为PZT的面积和厚度。然后，传感器ME系数αME表示为：
因为正负磁致伸缩材料由于磁基本属性数值的差距，当它们组合在一起时，磁致伸缩材料的空间对称性被破坏，导致强磁化梯度M。根据麦克斯韦方程组，两种不同磁致伸缩材料之间的磁化梯度可以产生一个内部静磁电位ψ：
其中r为位置向量，以这种方式，磁标量诱导一个内部磁场，它可以表示为：
对于自偏置磁场，总直流偏置由外加直流磁场Hdc和Hint组成。由于磁致伸缩材料的压磁系数与总直流偏置的关系，导致其在零偏时具有较高的磁电效应。ME电压系数与压磁系数成正比，因此可以在没有任何外部直流偏置的情况下获得更强的ME电压系数。
因此，正负磁致伸缩材料结合可以在外部磁场作用下产生磁相互作用从而产生内置磁场，代替偏置磁场，实现自偏置效应。正磁致伸缩-负磁致伸缩-压电层状异质结构的ME磁传感器在最佳偏置甚至接近零偏置的情况下具有很强的交流灵敏度。正磁致伸缩层的附加应力增强了整个磁致伸缩反应过程。对于磁致伸缩材料，磁致伸缩随偏置磁场的增大而增大，在最高偏置处磁致伸缩达到饱和。低偏置磁场下，正磁致伸缩层迅速达到饱和，导致一个大磁致伸缩应变。由于通量浓度效应，产生额外应力作用于负磁致伸缩层。提高层间的应力-应变耦合效用。当正磁致伸缩材料完全磁致伸缩饱和时，对下层负磁致伸缩材料的作用力达到最大值，使得更大的应力传递到压电层部分，提高传感器性能。
在这种情况下，正磁致伸缩层对负磁致伸缩层相应的附加应力σ计算方法如下：
Δε0为正磁致伸缩层的磁致伸缩应变。E、v、t分别为弹性模量、泊松比和厚度。这里，下标f和n分别表示正磁致伸缩层和负磁致伸缩层。
正磁致伸缩材料、负磁致伸缩材料和压电材料的多层异质结构与传统的正磁致伸缩材料组合层相比，该多层异质结构在谐振条件下具有更高的ME自偏置效应和最大ME电压系数。这种ME效应的增强主要是由于正负磁致伸缩层由于磁性梯度等基本属性的不同而产生的自偏置磁场以及负磁致伸缩层中具有明显滞后和残余磁化的强本征各向异性场等原因导致的。此外，相对磁导率较高的正磁致伸缩层将层间的应力-应变耦合作用引起的附加应力转移到负磁致伸缩层，故而当正磁致伸缩材料的磁致伸缩达到饱和时，负磁致伸缩层上的附加应力达到最大值。相应地，这也导致有效压磁系数的升高。ME电压系数随磁场的变化是由压磁系数对磁场的依赖关系决定的，这是一种近似的正比例关系，故而正负磁致伸缩多层异质结构不仅实现自偏置效应，也获得了相较于传统正磁致伸缩材料组合结构来说更为巨大的ME电压系数。
因此，传感器设计为正磁致伸缩-负磁致伸缩-压电层的三层圆片层合结构或正磁致伸缩-负磁致伸缩-压电层的三层圆环嵌套结构。在传感器要求灵敏度更高的情况下，两种结构可提高为正磁致伸缩-负磁致伸缩-压电层-负磁致伸缩-正磁致伸缩的五层模式，随着层数的叠加，压电层受到应力逐步加强，大大提高传感器性能。其中，圆片层合结构中，正负磁致伸缩材料均横向磁化，压电层沿厚度方向极化。圆环嵌套结构中，正负磁致伸缩材料均横向磁化，压电环沿圆环径向极化。
基于上述实施例，本发明提供了一种仿鲑鱼磁感知机理的仿生ME磁传感器的制备方法，其中，该方法包括如下步骤：
提供第一磁致伸缩结构、第二磁致伸缩结构以及压电反应结构；
将第一磁致伸缩结构连接在第二磁致伸缩结构的一面上，将压电反应结构连接在第二磁致伸缩结构的另一面上，得到仿生ME磁传感器。
在一个较佳的实施例中，所述仿生ME磁传感器为圆片层合状传感器；提供第一正磁致伸缩材料，第一负磁致伸缩材料，压电材料和粘合剂；该方法包括如下步骤：
S10、将第一正磁致伸缩材料、第一负磁致伸缩材料与压电材料均切割成直径相同的薄圆片，得到第一磁致伸缩片、第二磁致伸缩片和压电层；
S20、将第一磁致伸缩片、第二磁致伸缩片和压电层依次叠合，在第一磁致伸缩片与第二磁致伸缩片之间和第二磁致伸缩片与压电层之间涂覆粘合剂，得到圆片层合状传感器。
具体地，将正磁致伸缩材料，负磁致伸缩材料与压电材料均切割成薄圆片，三种圆片直径相同，负磁致伸缩材料与压电材料厚度比1：1，三种圆片直径相同，压电材料上下端镀银，从而引出电极；然后将环氧树脂与固化剂按比例混合得到粘合剂，覆盖于三个圆片层之间，最后通过高温固化建立良好的机械耦合，得到仿生ME磁传感器(即圆片层合状传感器)。
在另一个较佳的实施例中，所述仿生ME磁传感器为圆环嵌套状传感器；提供第二正磁致伸缩材料，第二正磁致伸缩材料和压电材料；该方法包括如下步骤：
K10、将第二负磁致伸缩材料和压电材料切割成圆环状，得到磁致伸缩环和压电环，其中，磁致伸缩环的内圈直径小于压电环的外圈直径；
K20、对第二正磁致伸缩材料进行切割，得到磁致伸缩带；
K30、将压电环嵌入磁致伸缩环的内圈，并将磁致伸缩带贴合在磁致伸缩环的外圈，得到圆环嵌套状传感器。
具体地，压电材料制成圆环状，压电环上下端镀银，负磁致伸缩材料切割为圆环，压电环与负磁致伸缩环的厚度比为1：1，正磁致伸缩材料切割为宽度与两圆环厚度一致的带，尺寸设计要求在组装传感器时进行热嵌套结合；在组装之前，压电环镀银表面的内外边缘进行抛光，去除银电极，以避免上下电极之间的传导；在装配过程中，利用热风枪将负磁致伸缩环加热半分钟，以略微扩大其内径，覆盖垫片，利用小锤将压电环慢慢嵌入，完成过盈配合；嵌入完成后，将正磁致伸缩带粘合于负磁致伸缩环的外围；正磁致伸缩环-负磁致伸缩环-压电环复合材料组装完成后，通过焊接将导电丝附着在压电环上下电极的表面。
为实现热嵌套结构，应使压电环的外径略大于负磁致伸缩环的内径，以此实现加热膨胀后的层层嵌入，传感器为三层圆环结构，压电环输出感应电压大小与压电环厚度成反比；因中间环负磁致伸缩环为主要应力输出，故而压电环与负磁致伸缩环的环间距比为1：1.2-1：2。
设计圆片与圆环状ME磁传感器测试装置，偏压场由电磁铁提供，验证传感器自偏置性能，交流振荡场由亥姆霍兹线圈产生。高斯磁力计测量磁场强度。在DSP锁相放大器上测量交流磁场在PZT环上感应的输出电压，该放大器同时控制亥姆霍兹线圈的输入电流。效率值(ME电压系数)计算简化为：αME＝VME/h·tPZT；其中，h为交流磁场幅值，tPZT为PZT压电层的厚度。
基于上述实施例，本发明还提供了一种仿生ME磁传感器测试装置，其中，用于测试所述的仿鲑鱼磁感知机理的仿生ME磁传感器，所述测试装置包括：
交流磁场发生器和直流磁场发生器，所述仿生ME磁传感器设置在所述交流磁场发生器上；
锁相放大器，所述锁相放大器的一端连接于所述仿生ME磁传感器的一侧；
信号发生器，所述信号发生器的首端与所述锁相放大器的另一端连接，所述信号发生器的尾端与所述交流磁场发生器连接；
高斯磁力计，所述高斯磁力计与所述仿生ME磁传感器的另一侧连接；
电源结构，所述电源结构与所述直流磁场发生器连接。
具体地，如图6所示，直流磁场发生器为电磁铁，交流磁场发生器为亥姆霍兹线圈，电源结构是直流电源，通过直流电源为电磁铁通电提供偏压场，验证传感器自偏置性能，交流振荡场由亥姆霍兹线圈产生，高斯磁力计测量磁场强度，在DSP锁相放大器上测量交流磁场在PZT环上感应的输出电压，该放大器同时控制亥姆霍兹线圈的输入电流。效率值(ME电压系数)计算简化为：αME＝VME/h·tPZT；其中，h为交流磁场幅值，tPZT为PZT压电层的厚度。
测试装置中，通过给两块铷磁铁通电实现直流偏置磁场的发生，改变两块铷磁铁距离即可改变直流偏置磁场的大小。锁相放大器可以实现在噪声环境中提取微小的有效电压信号，即使噪声信号比有效信号大，只要固定有效频率值，即可准确测量到有效信号幅值。
综上所述，本发明提供了一种仿鲑鱼磁感知机理的仿生ME磁传感器及其制备方法，其中，所述仿生ME磁传感器包括：第一磁致伸缩结构；第二磁致伸缩结构，所述第一磁致伸缩结构设置于所述第二磁致伸缩结构的一面；压电反应结构，所述压电反应结构设置于所述第二磁致伸缩结构的另一面；其中，第一磁致伸缩结构、第二磁致伸缩结构和压电反应结构组成圆柱状，所述第一磁致伸缩结构与所述第二磁致伸缩结构具有不同的磁致伸缩系数。在本发明中，通过仿生ME磁传感器的圆柱状结构的设置方式，配合第一磁致伸缩结构与第二磁致伸缩结构具有不同的磁致伸缩系数，从而增大压电反应结构的受力作用，提高应力传递效率，进一步达到拥有更高灵敏度的效果。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种仿鲑鱼磁感知机理的仿生ME磁传感器，其特征在于，包括：
第一磁致伸缩结构；
第二磁致伸缩结构，所述第一磁致伸缩结构设置于所述第二磁致伸缩结构的一面；
压电反应结构，所述压电反应结构设置于所述第二磁致伸缩结构的另一面；其中，第一磁致伸缩结构、第二磁致伸缩结构和压电反应结构组成圆柱状，所述第一磁致伸缩结构与所述第二磁致伸缩结构具有不同的磁致伸缩系数。
2.根据权利要求1所述的仿鲑鱼磁感知机理的仿生ME磁传感器，其特征在于，所述第一磁致伸缩结构、第二磁致伸缩结构和压电反应结构的表面设置为圆形，所述第一磁致伸缩结构、第二磁致伸缩结构和压电反应结构的表面受轴向、径向和周向约束。
3.根据权利要求2所述的仿鲑鱼磁感知机理的仿生ME磁传感器，其特征在于，所述仿生ME磁传感器为圆片层合状传感器；所述第一磁致伸缩结构设置为呈圆片状的第一磁致伸缩片，所述第二磁致伸缩结构设置为呈圆片状的第二磁致伸缩片，所述压电反应结构设置为呈圆片状的压电层；所述第一磁致伸缩片下端与所述第二磁致伸缩片的上端连接，所述第二磁致伸缩片的下端与所述压电层的上端连接。
4.根据权利要求3所述的仿鲑鱼磁感知机理的仿生ME磁传感器，其特征在于，所述第一磁致伸缩片采用第一正磁致伸缩材料，第二磁致伸缩片采用第一负磁致伸缩材料，第一正磁致伸缩材料与第一负磁致伸缩材料均设置为横向磁化，所述压电层设置为沿厚度方向极化。
5.根据权利要求2所述的仿鲑鱼磁感知机理的仿生ME磁传感器，其特征在于，所述仿生ME磁传感器为圆环嵌套状传感器；所述第一磁致伸缩结构设置为呈圆弧状的磁致伸缩带，所述第二磁致伸缩结构设置为呈圆环状的磁致伸缩环，所述压电反应结构设置为呈圆环状的压电环；所述磁致伸缩环的圆环内壁与所述压电环的圆环外壁连接，所述磁致伸缩带的内弧一侧与所述磁致伸缩环的圆环外侧连接。
6.根据权利要求5所述的仿鲑鱼磁感知机理的仿生ME磁传感器，其特征在于，所述磁致伸缩带采用第二正磁致伸缩材料，所述磁致伸缩环采用第二负磁致伸缩材料，第二正磁致伸缩材料与第二负磁致伸缩材料均设置为横向磁化，所述压电环设置为沿圆环径向极化。
7.根据权利要求1所述的仿鲑鱼磁感知机理的仿生ME磁传感器，其特征在于，所述仿生ME磁传感器还包括第三磁致伸缩结构和第四磁致伸缩结构，所述第四磁致伸缩结构设置于所述第三磁致伸缩结构的一端，所述压电反应结构设置于所述第三磁致伸缩结构的另一端。
8.一种仿鲑鱼磁感知机理的仿生ME磁传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
提供第一磁致伸缩结构、第二磁致伸缩结构以及压电反应结构；
将第一磁致伸缩结构连接在第二磁致伸缩结构的一面上，将压电反应结构连接在第二磁致伸缩结构的另一面上，得到仿生ME磁传感器。
9.根据权利要求8所述仿生ME磁传感器的制备方法，其特征在于，所述仿生ME磁传感器为圆片层合状传感器；提供第一正磁致伸缩材料，第一负磁致伸缩材料，压电材料和粘合剂；
将第一正磁致伸缩材料、第一负磁致伸缩材料与压电材料均切割成直径相同的薄圆片，得到第一磁致伸缩片、第二磁致伸缩片和压电层；将第一磁致伸缩片、第二磁致伸缩片和压电层依次叠合，在第一磁致伸缩片与第二磁致伸缩片之间和第二磁致伸缩片与压电层之间涂覆粘合剂，得到圆片层合状传感器；
或所述仿生ME磁传感器为圆环嵌套状传感器；
提供第二正磁致伸缩材料，第二正磁致伸缩材料和压电材料；
将第二负磁致伸缩材料和压电材料切割成圆环状，得到磁致伸缩环和压电环，其中，磁致伸缩环的内圈直径小于压电环的外圈直径；
对第二正磁致伸缩材料进行切割，得到磁致伸缩带；
将压电环嵌入磁致伸缩环的内圈，并将磁致伸缩带贴合在磁致伸缩环的外圈，得到圆环嵌套状传感器。
10.一种仿生ME磁传感器测试装置，其特征在于，用于测试上述权利要求1至7任一项所述的仿鲑鱼磁感知机理的仿生ME磁传感器，所述测试装置包括：
交流磁场发生器和直流磁场发生器，所述仿生ME磁传感器设置在所述交流磁场发生器上；
锁相放大器，所述锁相放大器的一端连接于所述仿生ME磁传感器的一侧；信号发生器，所述信号发生器的首端与所述锁相放大器的另一端连接，所述信号发生器的尾端与所述交流磁场发生器连接；
高斯磁力计，所述高斯磁力计与所述仿生ME磁传感器的另一侧连接；电源结构，所述电源结构与所述直流磁场发生器连接。
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