CN116718964A - 一种高信噪比磁电传感器及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高信噪比磁电传感器及其制备方法和应用，包括磁电异质结、PCB板和绕组线圈；磁电异质结固定设置于PCB板上，绕组线圈围绕设置于PCB板外周并与PCB板连接；磁电异质结包括压电层和磁性层，磁性层固定设置于压电层的两侧，磁性层采用磁致伸缩材料，磁致伸缩材料具有横向排列的磁畴壁。本发明提出控制驱动场幅值在不影响磁畴壁转动的前提下激发器件工作于谐振模态，从而提升传感灵敏度。

Description

一种高信噪比磁电传感器及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于磁电传感器技术领域，特别涉及一种高信噪比磁电传感器及其制备方法和应用。

背景技术

弱磁探测技术为生物医学、地磁勘测、无损探伤等应用提供了技术保障，目前针对弱磁探测的磁场传感器主要集中于磁阻传感器、磁通门传感器、超导量子干涉仪等，但它们存在灵敏度低、功耗大、体积大等固有缺陷，难以完全满足高精度、小体积、低功耗场景下的弱磁探测需求。且弱磁信号的背景噪声随着探测频率的降低，呈现1/f的增长趋势，其等效磁噪声可达到uT/Hz1/2量级，对弱磁探测的灵敏度提升构成了极大挑战。近年来研究人员基于磁电耦合效应设计的新型高灵敏度、低功耗的弱磁探测技术，利用磁致伸缩材料和压电材料结合形成的异质结形成本征材料不具备的多物理场耦合特性，磁致伸缩效应与压电效应之间通过应力应变传递，实现磁场信号和电压信号的转换，与现有的弱磁探测技术相比，基于磁电耦合原理的弱磁探测技术具有高灵敏度、低功耗、易集成、宽频带的特点，有望成为下一代弱磁传感技术的核心。

然而由于电、热、磁噪声等的影响，严重限制了低频(10Hz)以内的交流磁场传感。因此，提出一种可提升传感灵敏度的，同时可抑制驱动信号带来的额外噪声磁电传感器结构是有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高信噪比磁电传感器及其制备方法和应用，以解决驱动信号带来的额外噪声限制了低频的交流磁场传感，导致传感灵敏度下降的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种高信噪比磁电传感器，包括磁电异质结、PCB板和绕组线圈；磁电异质结固定设置于PCB板上，绕组线圈围绕设置于PCB板外周并与PCB板连接；磁电异质结包括压电层和磁性层，磁性层固定设置于压电层的两侧，磁性层采用磁致伸缩材料，磁致伸缩材料具有横向排列的磁畴壁。

可选的，横向排列的磁畴壁采用真空横磁退火工艺诱导产生，真空横磁退火工艺包括在2×10^-3Pa压强条件下，横向施加2～4kOe磁场，升温至磁致伸缩材料居里温度以上50～100℃后保温20～30分钟，在维持磁场条件下降至常温。

可选的，磁致伸缩材料为非晶合金软磁材料或巨磁致伸缩材料，非晶合金软磁材料包括各向同性非晶软磁合金FeSiB、FeCoSiB或FeCuNbSiB；巨磁致伸缩材料为Terfonel-D。

可选的，磁性层的数量为3～10层，磁性层单层厚度为20～300μm；长度为20～100mm；宽度为2～5mm。

可选的，压电层12的材料包括PZT、压电单晶、压电陶瓷中的一种或多种组合。

可选的，压电层的厚度为0.1～0.5mm；长度为10mm～50mm；宽度为2～5mm。

可选的，绕组线圈为醇沾漆包铜圆线、热粘铜圆线、铝制线、铜包铝线中的一种；绕组线圈的直径为0.1～0.5mm；绕组线圈绕制圈数300～1000匝。

可选的，PCB板中间为镂空态，柔性电极焊接于PCB板中心处焊盘；绕组线圈外侧设置有封装外壳，封装外壳为圆柱形树脂固定壳，内部设计PCB板卡槽，PCB板通过卡槽固定于壳层中心。

第二方面，本发明提供一种高信噪比磁电传感器的制备方法，包括：

制备所述磁电异质结，磁电异质结具有压电层和位于压电层两侧的磁性层，磁性层采用磁致伸缩材料，磁致伸缩材料具有横向排列的磁畴壁，将多层磁性层采用环氧树脂粘接后常温固化10小时以上；

将绕组线圈作为磁驱动端口均匀绕制于磁电异质结并与PCB板端部焊盘连接；

绘制与磁电异质结适配的PCB电路板，分为两路共地信号，第一路与所述绕组线圈焊接，第二路与所述压电层的电极焊接，所述第一端口和第二端口分别连接所述绕组线圈和压电层的电极并作为磁驱动供给端和信号输出端；

安装封装外壳。

第三方面，本发明提供一种高信噪比磁电传感器的应用，其特征在于，高信噪比磁电传感器应用于弱磁探测中。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明提出控制驱动场幅值在不影响磁畴壁转动的前提下激发器件工作于谐振模态，从而提升传感灵敏度。

本发明所述传感器结构免除低频1/f噪声干扰，并将磁噪声与微观磁畴运动结合抑制磁驱动信号带来额外磁噪声干扰，基于此工作方式的传感器可支持弱直流磁场和低频交流磁场的检测，完成机械谐振强化与直流/低频磁传感的系统整合。基于微观磁畴运动的缓冲作用可获得一种可提升传感灵敏度，同时可抑制驱动信号带来的额外噪声的高信噪比磁电传感器。弱磁信号通过所述传感器实现磁调控电输出，同时支持直流和低频磁场检测。具有高灵敏度、高信噪比、低成本、制备简单的优势。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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是本申请所述磁电传感器100的结构示意图；

图2是本申请磁性层10的结构示意图；

图3a是图2中A区沿Y方向截面结构的退火前形貌示意图；

图3b是图3a中的磁畴排列形貌示意图；

图4是图2中A区沿Y方向截面结构的退火后磁畴排列形貌示意图；

图5是本申请所述磁电传感器等效电路示意图；

图6是本申请所述磁电传感器在磁驱动下检测直流/低频信号的工作原理示意图；

图7是本申请利用LabView程序测试不同磁驱动调制幅度下的电压噪声谱密度实验结果示意图；

图8是本申请利用LabView程序测试在磁驱动工作条件下磁电传感器对低频磁场检测的线性度和灵敏度实验结果示意图。

具体实施方式

为了使本申请要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本申请中，术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本申请中，“至少一种”是指一种或者多种，“多种”是指两种或两种以上，多层是指两层或两层以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。

在本申请实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“相连”“连接”“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；也可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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在本申请实施例中的具体含义。

应理解，在本申请的各种实施例中，各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，部分或全部步骤可以并行执行或先后执行，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

本申请实施例说明书中所提到的相关成分的重量不仅仅可以指代各组分的具体含量，也可以表示各组分间重量的比例关系，因此，只要是按照本申请实施例说明书相关组分的含量按比例放大或缩小均在本申请实施例说明书公开的范围之内。具体地，本申请实施例说明书中所述的质量可以是μg、mg、g、kg等化工领域公知的质量单位。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，用来将目的如物质彼此区分开，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。例如，在不脱离本申请实施例范围的情况下，第一XX也可以被称为第二XX，类似地，第二XX也可以被称为第一XX。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

术语解释：

磁畴(Magnetic Domain)理论是用量子理论从微观上说明铁磁质的磁化机理。所谓磁畴，是指铁磁体材料在自发磁化的过程中为降低静磁能而产生分化的方向各异的小型磁化区域，每个区域内部包含大量原子，这些原子的磁矩都像一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。分子或原子是构成物质材料的基元，基元中电子绕着原子核的运转形成了电流，该电流产生的磁场，使每个基元都相当于一个微小的磁体，由大量基元组成一个集团结构，集团中所有基元产生的磁场都同方向整齐排列，这样的集团叫做磁畴。在居里温度以下，在大块铁磁性或亚铁磁性(见铁氧体)单晶体(或多晶体中的晶粒)中，形成很多小区域，每个区域内的原子磁矩沿特定的方向排列，呈现均匀的自发磁化。但是在不同的区域内，磁矩的方向不同，使得晶体总的磁化强度为零。这种自发磁化的小区域也称为磁畴。

各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。宏观物体一般总是具有很多磁畴，这样，磁畴的磁矩方向各不相同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩为零，它也就不能吸引其它磁性材料。也就是说磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后，它才能对外显示出磁性。

磁电耦合效应是指磁场改变电极化强度(正磁电效应)或者电场改变磁化强度(逆磁电效应)的现象。磁电材料包括单相磁电材料和复合磁电材料，复合磁电材料由于常温下磁电效应强而受到广泛研究。复合磁电材料中，正磁电效应是指磁电耦合材料的磁致伸缩层(磁性层)感受到外部磁场变化，在磁致伸缩效应作用下产生应力应变，传递至压电层，压电层由于压电效应从而产生电信号的过程。正磁电系数表示为其中/>表示磁场的变化，/>表示电场的变化。反之，复合磁电材料感受到外部电场的变化，由于逆压电效应产生应力应变并传递至磁致伸缩层，在逆磁致伸缩效应作用下产生磁场的变化，即为逆磁电效应，逆磁电系数/>表示电场的变化，/>表示磁场的变化。

基于磁电耦合效应设计的磁电式传感器，利用磁致伸缩材料和压电材料结合形成的异质结具备的多物理场耦合特性,克服磁致伸缩材料和压电材料本征材料不具备多物理场耦合特性的问题，磁致伸缩效应与压电效应之间通过应力应变传递，实现磁场信号和电压信号的转换，与现有的弱磁探测技术相比，基于磁电耦合原理的弱磁探测技术具有高灵敏度、低功耗、易集成、宽频带的特点。

本发明提出一种高信噪比磁电传感器及其制备方法和应用，通过微观磁畴运动抑制磁噪声，并控制驱动场幅值在不影响磁畴壁转动的前提下激发器件工作于谐振模态，从而提升传感灵敏度的同时抑制驱动信号带来的额外噪声。弱磁信号通过所述传感器实现磁调控电输出，同时支持直流和低频磁场检测，可选的，驱动磁场为交流磁场，幅值为交流驱动场最大值。

第一方面，本申请提供一种高信噪比磁电传感器，所述磁电传感器包括：磁电异质结，所述磁电异质结具有压电层和位于压电层两侧的磁性层，所述磁性层采用非晶合金软磁材料，所述非晶合金软磁材料具有横向排列的磁畴壁，和/或，所述磁性层采用巨磁致伸缩材料，所述巨磁致伸缩材料具有横向排列的磁畴壁；PCB板，具有第一端口和所述第二端口，所述磁电异质结通过环氧树脂层固定于所述PCB板上；绕组线圈，绕设于所述PCB板外周并与所述PCB板连接；以及封装外壳。

所述磁电异质结为将磁性层和压电层通过直接粘接、烧结、磁控溅射等方法复合而成的材料体系，其中所述磁性层采用磁畴壁横向排列的非晶合金软磁材料，将磁性层的不规则磁畴重新排列，形成条状畴，磁畴壁呈横向排列可在一定幅度范围内的磁驱动下仅引起磁畴旋转而不会造成磁畴壁位移，从而抑制外部驱动源带来的额外磁噪声，增大传感信噪比，同理，所述磁性层也可选用具有横向排列的磁畴壁的巨磁致伸缩材料。换言之，所述磁驱动的磁电传感器结构，通过磁性层微观磁畴运动降低磁噪声的影响，完成磁驱动信号的优化。

如图1所示为本申请磁电传感器100的结构示意图。所述磁电传感器100包括电异质结10、PCB板20、绕组线圈30以及封装外壳40。其中所述磁电异质结10具有压电层12和位于压电层两侧的磁性层11，其中，所述磁性层11采用非晶合金软磁材料，所述非晶合金软磁材料具有大致横向排列的磁畴壁，可选的，所述磁性层11采用巨磁致伸缩材料，所述巨磁致伸缩材料具有大致横向排列的磁畴壁。

所述PCB板20，具有第一端口21和第二端口22，所述第一端口21和所述第二端口22为信号输出/输入端口，所述磁电异质结10通过环氧树脂层13固定于所述PCB板20上；绕组线圈30，绕设于所述PCB板20外周并与所述PCB板20通过导线实现电连连接；所述封装外壳40，可选的，采用树脂材料并利用3D打印技术制造形成所述封装外壳40。

可选的，所述磁电异质结10的两电极和所述绕组线圈30均焊接至PCB电路板20，通过所述第一端口21和所述第二端口22(SMA同轴线输出端口)与外部进行数据传输，磁场可通过所述第一端口21加载至所述绕组线圈30驱动信号。

如图2所示为本申请磁性层10的结构示意图，其中X方向为磁性层的长度方向，Y方向为磁性层的宽度方向，厚度方向与所述长度方向及所述宽度方向均相互垂直(图中未标示)。如图3是图2中A区沿Y方向截面结构的退火前磁畴形貌示意图。如图4是图2中A区沿Y方向截面结构的退火后磁畴形貌示意图。具体的，本申请实施例中包含的磁性层11选用各向同性FeSiB非晶合金，为减小声波驱动过程中磁畴壁位移引入的额外磁噪声，采用真空横向磁退火工艺，诱导磁畴排列形成较规则横向排列的条状畴，在一定幅度范围内的磁激励下仅驱动磁畴旋转而不会造成磁畴壁位移，从而抑制外部驱动源引起的磁噪声，增大传感信噪比。需要说明一点，本申请中所述横向排列的磁畴，由于工艺及材料性能所限，大致呈现横向排列，不要求规则分布排列。

在一些可能的实施例中，所述磁性层11采用非晶合金软磁材料，所述非晶合金软磁材料具有大致横向排列的磁畴壁，所述非金软磁合金材料包括各向同性FeSiB非晶合金、FeCoSiB、FeCuNbSiB。在另外一些可能的实施例中，所述磁性层11可选用巨磁致伸缩材料，所述巨磁致伸缩材料具有横向排列的磁畴壁，所述巨磁致伸缩材料包括Terfonel-D巨磁致伸缩材料。巨磁致伸缩材料指磁致伸缩系数大的磁致伸缩材料，非晶合金软磁材料磁致伸缩系数一般是几十ppm，巨磁致伸缩材料的磁致伸缩系数约为在几百ppm。

可选的，具有所述横向排列的磁畴壁的磁性条带需要在磁退火过程中加热至磁性材料的居里温度以上，所述磁场应高于磁性材料的饱和场。其中，采用Kerr观察法观测非晶合金带材在退磁状态下的磁畴结构，磁畴观测挑选样品中心位置。所述kerr观察法即磁光克尔效应，可以采用evico磁性克尔显微镜和磁强计系统，观测磁畴和磁化过程及磁光测量表面，基于磁光克尔效应，可在各种磁性材料上建立磁滞回线(MOKE-magnetometry)。

可选的，所述磁性层11的单层厚度为20μm～300μm，长度为20～100mm，宽度为2～5mm。具体的，参阅2所示，本申请实施例中所述磁性层11的单层厚度为25μm，长度为60mm，宽度为2.5mm，所述磁性层11的形状大致为条带状。

通过对长度、宽度和厚度等结构参数的设计，使磁电异质结整体结构保持长条形，从而增大磁电异质结周围磁通量密度。同时，长条形的磁性层能够减小磁性层内部退磁场，降低厚度范围内磁性层的涡流损耗，达到增强低频传感的灵敏度和分辨率的效果。

参阅图3a所示为图2中A区沿Y方向截面结构的退火前形貌示意图，图3b为图3a中磁畴排列形貌示意图。图3a和图3b即为所述磁性层11退火前通过磁光克尔效应观测畴排列形貌示意图，如图中所示为原始Metglas的磁畴形貌特征，因形状各向异性主导长轴方向为易轴，大多磁畴(图中所示的多个小箭头)沿长轴方向，但存在很多排列不规则的细畴与磁畴壁，且在施加声波激励后，磁畴壁在声波激励下随机重组、无规律运动，导致磁性层内部磁噪声升高。

图4为图2中A区沿Y方向截面结构的退火后磁畴排列形貌示意图，即为所述磁性层11退火后通过磁光克尔效应观测的畴排列形貌示意图。如图4所示，横磁退火与退磁效应共同诱导形成大致横向排列的磁畴壁，且形状各向异性作用使得内部磁畴(图中所示的多个小箭头，即MOKE观测的磁畴方向)与长轴方向(图中X方向)的夹角呈现锐角排列。在一定幅值的声波激励下，磁畴壁不产生位移和转动，仅磁畴随着声波转动，抑制磁畴壁运动带来的磁噪声。

在一些可能的实施例中，所述磁性层11的横向排列的磁畴壁采用真空横磁退火工艺诱导产生，其中所述真空横磁退火工艺包括在2×10-3Pa压强条件下，横向施加2～4kOe磁场，升温至400℃后保温20～30min，在维持磁场条件下降至常温。在另外一些可能的实施例中，薄膜磁电传感器可通过在磁致伸缩层上溅射反铁磁层如IrMn，通过层间相互耦合作用形成交换偏置作用，诱导磁致伸缩层形成单畴结构或规则排列磁畴。

可选的，所述退火工艺为真空横向热磁场退火，必须在真空状态下，将材料加热至其居里温度以上，磁性材料由于内部结构完全无序变为顺磁相，在加热状态下加磁场之后磁矩可以重排，所述磁场必须超过材料本征的饱和磁场。具体的，本申请所用磁性材料Metglas为FeSiB非晶合金材料，其居里温度380℃，饱和场约为100Oe，加热至400℃，所用退火磁场为3KOe，保证材料在真空条件、居里温度以上、横向大磁场完成退火，如此将磁畴壁和磁畴重排较为规则。所述磁畴壁沿着长条的宽度方向大致横向排列，可在一定幅值的外部交流场下不产生位移，如此即可达到抑制磁噪声的效果。通过磁性层退火对磁性层进行改性，将其磁畴进行规整排列，减小磁驱动加入后因微观磁畴壁运动带来的磁噪声，在提升磁电传感器灵敏度的同时不会引起传感器本征噪声的提高，有利于探测极限的提升。所述磁电异质结采用长条构型，增强磁通密度，减小退磁场，压电层至于磁性层最中间保证最佳应力应变传递，使得传感器工作于最佳状态。

在一些可能的实施例中，所述压电层12的材料为PZT、压电单晶、压电陶瓷中的一种。在一些可能的实施例中，所述压电层的厚度为0.1～0.5mm，可选的为0.2mm；长度为10mm～50mm，可选的为20mm；宽度为2～5mm，可选的为2.5mm。需要说明的是，同一磁电传感器中所述压电层12的尺寸与所述磁性层11应当相适配，当所述磁电异质结呈长条形，其应力应变传递在条形结构的中间最佳，为保证最佳应力应变传递，将所述压电层至于所述磁性层长度的中间即可，所述压电层的宽度与磁性层保持一致即可。可选的，所述压电层12的厚度为0.2mm，长度为20mm，宽度为2.5mm。

磁电异质结呈长条形，其应力/应变传递在条形结构的中间最佳，为保证最佳应力/应变传递，将所述压电层置于所述磁性层长度的中间即可，所述压电层的宽度与磁性层保持一致即可。

在上述的技术方案中，通过磁性层退火对磁性层进行改性，即采用退火工艺对磁性层进行改性处理，诱导其磁畴呈现一定程度的规整排列，磁畴壁沿长条形磁性层的宽度大致横向排列，磁畴受影响于各向异性，退火诱导的磁各向异性使得磁畴趋向于沿着退火施加的磁场方向横向排列，形状各向异性使得磁畴趋向于沿着长条形材料的长度方向排列，二者互相作用，使得磁畴与长条形材料长度方向呈现锐角，同时得到大致横向排列的磁畴壁，减小磁驱动加入后因微观磁畴壁运动带来的磁噪声，在提升磁电传感器灵敏度的同时不会引起传感器本征噪声的提高，有利于探测极限的提升。所述磁电异质结采用长条构型，增强磁通密度，减小退磁场，压电层置于磁性层最中间保证最佳应力应变传递，使得传感器工作于最佳状态。

根据本申请的另一方面，提供一种磁电传感器的制备方法。可选的，包括以下步骤：

制备所述磁电异质结，所述磁性层采用非晶合金软磁材料，所述非晶合金软磁材料具有横向排列的磁畴壁，和/或，所述磁性层采用巨磁致伸缩材料，所述巨磁致伸缩材料具有横向排列的磁畴壁，将多层磁性层采用环氧树脂粘接后常温固化10小时以上；

绕组线圈，所述绕组线圈作为磁驱动端口均匀绕制于绕设于所述PCB板外周并与所述PCB板连接；

绘制与所述磁电异质结适配的PCB电路板，分为两路共地信号，第一路与所述绕组线圈焊接，第二路与所述压电层电极焊接，所述第一端口和第二端口分别连接所述绕组线圈和所述压电电极并作为磁驱动供给端和信号输出端；

安装封装外壳。

可选的，所述磁电传感器的制备方法包括，磁性层选用步骤一退火后的非晶合金材料，如FeSiB非晶合金材料，可采用环氧树脂粘接多层条带状的磁性层。其中多层为3～10层，例如，4层长为60mm，宽为2.5mm的条状带，可将其放于特制磨具中常温(20～25℃)固化10小时以上，保证环氧树脂层均匀分布。需要说明的是，所述磨具为使用solidworks软件设计，根据所需磁电异质结结匹配不同尺寸，作用是粘接过程中保证环氧树脂更均匀的分布，保证最佳的应力应变传递效果，有更好的磁电系数和灵敏度。

可选的，所述压电层选用尺寸为长为20mm，宽为2.5mm，厚度为0.2mm的压电陶瓷PZT-5H，极化沿厚度方向(厚度方向同磁性层的厚度方向)，导电电极采用柔性铜电极，粘附于压电层上下表面中心，形成L-T工作模式。需要说明的是，所述L-T模式，其中L即磁致伸缩材料工作灵敏方向为长轴，产生长度方向的应力应变，T指压电层通过压电效应产生厚度方向的电信号。可选的，所述压电陶瓷可用其他具有压电效应的单晶、陶瓷等替代。

图5是本申请所述磁电传感器等效电路示意图。可参阅图5绘制与所述异质结适配的PCB电路板。具体的，参阅图1和图5所示，分为两路共地信号，第一路与所述绕组线圈焊接焊接，第二路与所述压电层两电极焊接，所述第一端口分别连接所述绕组线圈和所述压电电极并作为磁驱动供给端和信号输出端。为保证器件处于自由振动状态，可采用柔性电极焊接于PCB板中心处焊盘，所述PCB板中间设计为镂空态。可选的，所述线圈作为磁驱动端口，可采用直径为0.3mm的醇沾线均匀绕制于圆柱形树脂固定壳，绕制圈数300～1000匝，可选500匝，与PCB板端部焊盘连接。需要说明的是，上述圆柱形树脂固定壳内部设计PCB板卡槽，所述PCB电路板通过卡槽固定于壳层中心，更有效的进行信号传输。

在一些可能的实施例中，器件外部加装圆柱形树脂外壳用作保护和封装，增强器件实用性。

磁驱动输入与信号输出均经由图中所示第一、第二端口，完成一体化传感器结构设计。以上所述传感器尺寸综合考虑了尺寸小型化和信号输出灵敏度，利用范围更广。

可选的，参阅图5所示调控型等效电路图，利用等效电路法，将所述传感器各部分表示为可调控机械阻抗与双端调控式变压器。所述磁电传感器利用磁致伸缩层的非线性应力应变传递机制，通过磁驱动控制等效机械阻抗Zm、绕组线圈的等效电感Lm以及磁性元件的磁变压比φm。C0表示压电层静态等效电容，φp表示与压电柔顺系数、压电系数相关的压电变压比。由等效电路构建的双端口网络通过机械阻抗与两端变压器体现所述传感器电学工作原理，第二端口输入磁驱动使得传感器工作于谐振状态，第一端口得到传感器输出信号。进一步的，所述可调控机械阻抗Zm与双端调控式变压器的磁变压比φm与驱动信号的幅值和频率相关，不同驱动信号下的具体参数通过实验测量。

请参阅图6所示为本申请所述磁电传感器在磁驱动下检测直流/低频信号的工作原理示意图。本申请可用于检测弱直流磁场或低频磁场。信号驱动传感器工作于谐振频率fext，传感器中的磁敏元件捕捉待测弱直流磁场信号或低频磁场信号fac。所述直流磁场检测利用弱直流磁信号在谐振频率处的线性段进行检测；所述低频磁场检测通过传感器组成元件中的磁性层本征非线性机制混频，得到驱动谐振频率附近的边带信号fext-fac和fext+fac，混频信号经由锁相放大器解调输出或在频域直接读取待测低频信号。其工作过程中，磁驱动信号引入的额外磁噪声造成低频传感信噪比的降低。磁致伸缩效应源于磁性层的磁畴转动和磁畴壁位移，所述额外磁噪声主要源于磁畴壁位移，为抑制驱动引起的磁噪声，采用真空横磁退火优化磁性层性能，使不规则畴壁重新分布形成规则条状畴，与退磁场效应结合诱导磁畴壁横向排列，在低于某一幅值的磁驱动下仅诱导磁畴转动，而不引起磁畴壁位移，从而达到抑制磁噪声的效果。

图6所示为磁驱动调控下频率转移结果，中间峰值输出来源于磁驱动信号，左右两边带为频率转移后低频信号与驱动信号混频后的输出幅值。左右边带信号幅值随着驱动幅值的增大递增，同时伴随本底噪声的升高。基于此，本申请发明人认为不断增大磁驱动信号幅值，超过某一幅值后(如0.30Oe)开始诱导磁畴壁位移，磁噪声增大从而引起本底噪声上升。

图7是本申请利用LabView程序测试不同磁驱动调制幅度下的电压噪声谱密度实验结果示意图。其中LabView程序是磁电传感器测试的常用技术手段。针对本申请搭建的低频弱磁探测系统通过频域读取表征所述传感器谐振驱动下经由频率转移进行低频磁场检测的能力，为更好的体现磁驱动的最优信号幅度对噪声的抑制效果，本申请采用频域读取方式体现不同幅值驱动下引起的本底噪声变化。

具体的，信号发生器提供驱动信号施加于所述绕组线圈，锁相放大器SR865内部信号源提供低频信号给四环线圈产生低频磁场Hac，PC端控制动态信号分析仪SR785在谐振频率附近100Hz带宽内采集信号并转化为电压噪声谱密度在频域输出，直观反映不同驱动幅值对本底噪声影响以及频率搬移结果。

具体的，本申请根据上述测试方法进行磁驱动和电驱动的频率转移表征，图5中所述第一端口21与压电层输出连接，所述第二端口22与所述绕组线圈连接。磁驱动测试中信号发生器连接B端口提供激励磁场，磁谐振调控下谐振频率确定为35570Hz。需要说明的是，是上述过程中，不同传感器由于手工差异等因素，谐振频率略有差别，需要经过扫频扫场确定具体谐振频率。其中，本申请测试过程中将低频磁场频率固定为10Hz，幅值固定为0.01Oe。

如图8所示是本申请利用LabView程序测试在磁驱动工作条件下磁电传感器对低频磁场检测的线性度和灵敏度实验结果示意图。针对所述传感器结构进行低频磁场灵敏度表征。具体的，信号发生器提供对应谐振的磁场激励或电场激励，PC端通过LabView程序控制SR865产生固定频率、幅度线性变化的低频信号给四环线圈产生低频磁场，PC端同时控制动态信号分析仪SR785进行锁频，记录和频fext+fac和差频fext-fac的信号幅值，利用误差棒分析保证信号采集准确度，同时反映器件测试稳定性。可选的，上述测试方法进行基于磁驱动的低频磁场灵敏度表征，测试连接不变，仅PC端LabView程序设置不同。本申请测试过程中固定低频磁场频率为10Hz，幅值从40nT以0.8倍率降低至100pT，以获得不同激励幅值下低频磁场线性度、灵敏度、准确度表征。与上述实验结果相符，在Hmod＝0.30Oe的磁驱动下有最佳激励幅值在产生磁致伸缩效应时仅驱动磁畴转动而不影响磁畴壁，从而抑制磁噪声影响，对应传感工作中最佳信噪比，可获得最佳灵敏度。

再一方面，本申请提供一种磁电传感器弱磁探测中的应用。具体的，本申请在通过磁驱动信号的引入使得传感器工作于谐振模态，优化驱动方式，规避了低频1/f噪声。尽管磁驱动信号引入额外的磁噪声源，通过给出磁噪声与磁性层微观运动机制的联系，通过真空磁退火的方式，将磁性层的不规则磁畴重新排列，形成条状畴，磁畴壁呈横向排列，在一定幅度范围内的磁驱动下仅引起磁畴旋转而不会造成磁畴壁位移，从而抑制外部驱动源带来的额外磁噪声，增大传感信噪比。通过弱直流磁场传感基于声波激励下互易式传感器线性工作段，弱低频交流传感基于磁驱动下的非线性耦合机制，经由混频在谐振频率附近检测低频信号。

本申请通过优化磁驱动型磁电传感器的工作模式与结构，在块体磁电异质结的研究中将调控方式与微观机制结合，分析优化方式与优化条件。此类传感器可用于直流弱磁传感、低频弱磁传感。

本申请第一方面提供的磁电传感器，通过结合磁性层微观磁畴运动对磁噪声的影响，完成了磁驱动信号的优化。与已知技术相比，通过研究额外磁噪声与微观机制的联系，发现控制驱动场幅值在不影响磁畴壁转动的前提下激发器件工作于谐振模态，能够在提升传感灵敏度的同时抑制驱动信号带来的额外噪声。

本申请第二方面提供磁电传感器的制备方法，结构方面通过在PCB电路板的两路共地信号线连接磁电异质结电极与绕组线圈，作为驱动端和信号输出端，PCB电路板中间作镂空设计，利用柔性电极焊接于PCB中心焊盘，使异质结在声波驱动下处于自由振动状态。将绕组线圈接头连接于PCB端边焊盘，并将绕组线圈的包铜圆线均匀绕制于圆柱形树脂固定壳，绕制匝数300～1000圈。通过在圆柱形树脂固定壳内部设计PCB板卡槽，并将所述PCB电路板通过卡槽固定于壳层中心，器件外部加装圆柱形树脂外壳用作保护和封装，可增强器件整体实用性。

本申请第三方面提供的磁电传感器可在弱磁探测中具备良好应用。所述磁电传感器支持磁驱动下直流磁场和低频磁场传感。在交流传感方面，通过非线性效应，将低频信号转移到谐振频率进行测试，规避低频1/f噪声，抑制额外磁噪声，利用机械谐振增益提升传感灵敏度，实现低频微弱磁场的高灵敏度测量，提升传感信噪比，从而在弱磁探测中具有很好的应用前景。

与现有技术相比，本申请具有以下优点和进步：所述磁电传感器结构优化了集成度及实用性。所述优化方式将块体磁电异质结的调控方式与磁性层微观结构相结合，给出因驱动信号引入的噪声本征来源，并研究了抑制额外磁噪声的方法。本申请支持磁驱动下直流磁场和低频磁场传感，在交流传感方面，通过非线性效应，将低频信号转移到谐振频率进行测试，规避低频1/f噪声，抑制额外磁噪声，利用机械谐振增益提升传感灵敏度，实现低频微弱磁场的高灵敏度测量，提升传感信噪比。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高信噪比磁电传感器，其特征在于，包括磁电异质结(10)、PCB板(20)和绕组线圈(30)；磁电异质结(10)固定设置于PCB板上，绕组线圈(30)围绕设置于PCB板(20)外周并与PCB板(20)连接；磁电异质结(10)包括压电层(12)和磁性层(11)，磁性层(11)固定设置于压电层(12)的两侧，磁性层(11)采用磁致伸缩材料，磁致伸缩材料具有横向排列的磁畴壁。

2.根据权利要求1所述的一种高信噪比磁电传感器，其特征在于，横向排列的磁畴壁采用真空横磁退火工艺诱导产生，真空横磁退火工艺包括在2×10^-3Pa压强条件下，横向施加2～4kOe磁场，升温至磁致伸缩材料居里温度以上50～100℃后保温20～30分钟，在维持磁场条件下降至常温。

3.根据权利要求1所述的一种高信噪比磁电传感器，其特征在于，磁致伸缩材料为非晶合金软磁材料或巨磁致伸缩材料，非晶合金软磁材料包括各向同性非晶软磁合金FeSiB、FeCoSiB或FeCuNbSiB；巨磁致伸缩材料为Terfonel-D。

4.根据权利要求1所述的一种高信噪比磁电传感器，其特征在于，磁性层的数量为3～10层，磁性层单层厚度为20～300μm；长度为20～100mm；宽度为2～5mm。

5.根据权利要求1所述的一种高信噪比磁电传感器，其特征在于，压电层12的材料包括PZT、压电单晶、压电陶瓷中的一种或多种组合。

6.根据权利要求1所述的一种高信噪比磁电传感器，其特征在于，压电层的厚度为0.1～0.5mm；长度为10mm～50mm；宽度为2～5mm。

7.根据权利要求1所述的一种高信噪比磁电传感器，其特征在于，绕组线圈为醇沾漆包铜圆线、热粘铜圆线、铝制线、铜包铝线中的一种；绕组线圈的直径为0.1～0.5mm；绕组线圈绕制圈数300～1000匝。

8.根据权利要求1所述的一种高信噪比磁电传感器，其特征在于，PCB板中间为镂空态，柔性电极焊接于PCB板中心处焊盘；绕组线圈外侧设置有封装外壳，封装外壳为圆柱形树脂固定壳，内部设计PCB板卡槽，PCB板通过卡槽固定于壳层中心。

9.一种高信噪比磁电传感器的制备方法，其特征在于，基于权利要求1至8任意一项所述的高信噪比磁电传感器，包括：

制备所述磁电异质结，磁电异质结具有压电层和位于压电层两侧的磁性层，磁性层采用磁致伸缩材料，磁致伸缩材料具有横向排列的磁畴壁，将多层磁性层采用环氧树脂粘接后常温固化10小时以上；

将绕组线圈作为磁驱动端口均匀绕制于磁电异质结并与PCB板端部焊盘连接；

绘制与磁电异质结适配的PCB电路板，分为两路共地信号，第一路与所述绕组线圈焊接，第二路与所述压电层的电极焊接，所述第一端口和第二端口分别连接所述绕组线圈和压电层的电极并作为磁驱动供给端和信号输出端；

安装封装外壳。

10.一种高信噪比磁电传感器的应用，其特征在于，高信噪比磁电传感器应用于弱磁探测中。