CN202916428U

CN202916428U - 异形端点耦合磁电器件

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Publication number: CN202916428U
Application number: CN 201220410670
Authority: CN
Inventors: 李向阳; 刘敬
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-08-19
Filing date: 2012-08-19
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2022-08-19

Abstract

本实用新型是利用磁致伸缩柱和压电圆环的复合磁电效应，构成异形端点耦合磁电器件,其是将磁致伸缩材料和压电材料结合起来构成的，主要由以下两个部分组成：磁致伸缩柱（1），压电圆环（2）。由于采用端点耦合方式，无需使用胶粘剂，即保留了传统层状复合磁电材料的层状结构简洁性，又避免了层间耦合的非理想型和非均匀性，可获得更稳定的磁电性质和更大的磁电电压系数。

Description

异形端点耦合磁电器件

技术领域

本实用新型是利用磁致伸缩柱和压电圆环的复合磁电效应，构成异形端点耦合磁电器件。当受到外界磁场微扰时，被压电圆环所夹持的磁致伸缩柱产生形变，力传递到压电圆环后使其内外极化表面产生对应于微扰磁场的电荷和电压，从而可以实现对弱磁场测量的目的。本实用新型属于磁性材料及磁电子学技术领域。

技术背景

磁电效应是材料在磁场的作用下产生电极化的现象。磁电材料因为兼有铁磁和铁电性能，在传感器制备领域具有广阔的应用前景，一直备受关注，磁电效应除了可以用来转换能量，传感信号，检测磁场外，在信息产业上也具有巨大的潜在应用价值。

能产生磁电效应的材料可分为单相和复合材料。磁电效应最早是在低温下反铁磁性单晶Cr₂O₃中观察到的，随后发现其他单晶如BiFeO₃和BaMnF₄等也存在磁电效应。单相材料的磁电性能很低，且大多只能在低温下才能被明显观测到，因此没有实际应用价值，这就导致了磁电体制备的另一条道路—复合材料的开辟。

复合磁电材料的概念早在1948年就由Tellegen提出，1972年van Suchtelen提出的方案使这个概念真正可行，这种复合材料的磁电耦合基于复合材料界面处的力学传递，利用了铁电材料的压电效应和铁磁材料的磁致伸缩效应（magnetostriction），原理简单但是效果惊人，使磁电电压系数比当时在单相磁电体中测得的磁电电压系数高出近百倍，达到了实际应用的要求。磁电耦合是铁磁材料的磁致伸缩效应和铁电材料的压电效应构成的一种乘积效应，可以表达为：

目前，磁电效应的研究多采用层状复合结构，磁致伸缩相和压电相间采用胶粘剂连接，如图1所示，磁致伸缩相在横向（方向1）形变并耦合至压电相，经由压电效应在纵向（方向3）产生电极化，则磁电电压系数与压电相的横向压电系数d₃₁成正比。

磁电层状复合材料与几种常见的磁性测量转换元件（如霍尔元件和磁阻元件）相比，不但成本低，尺寸小，而且对磁场的敏感度要高得多，因此磁电层合材料是磁敏传感器的最佳选择，此外，与霍尔元件或巨磁阻作为传感器需要消耗电能不同，磁电材料是自发电式的传感器，传感过程中不需要电功率输入而直接可以产生电输出。

在双层层合材料的实验研究中，所测量到的磁电系数总是其理论预测的20%-40%。这通常被认为是层间耦合不够理想所致，即胶粘剂由于弹性模量较低和界面不平整而不能实现形变的完全传递。我们在观察三层层合材料的实验时却发现磁电系数有了很大提高，而层间耦合状况此时并未改变，我们经过大量的实验分析认为双层膜实验数据普遍低于理论估计的原因除层间耦合不理想以外，还由非均匀形变造成，即由于双层膜中两层的弹性模量不同，因此压电相在距离接触面不同距离的平面内形变量不同，为非均匀形变，而三层膜是关于中心面对称的，形变的均匀性提高。

本实用新型提出了采用端点耦合结构构成异形磁电复合材料，如图2所示，将TbDyFe等磁致伸缩材料切割成柱状，夹持在PZT等压电材料构成的压电圆环内，磁致伸缩材料的长度与压电圆环的内径相等。由于在制备时施加预应力，则制备完成后处于夹持状态，无须使用胶粘剂即可实现应变或应力的传递，即保证为理想的端点耦合。与此同时，形变的非均匀性也将不复存在。因此，异形端点耦合结构即保留了传统磁电器件层状结构的简洁性，又避免了层间耦合的非理想型和非均匀性，同时获得更稳定的磁电性质和更大的磁电电压系数。

发明内容

要解决的技术问题：

本实用新型提出了采用端点耦合构成磁电器件的方式，由压电圆环和夹持在其内的磁致伸缩柱构成异形结构。可以较好的解决现有的层状复合磁电材料的缺点，比如层间耦合不理想和形变的非均匀性。加上这种新型结构表现的是纵向磁电效应，从而可以大幅提高磁电电压系数和获得更稳定的磁电性质，更有利于磁电器件的实际应用。

为解决技术问题采取的技术方案：

一种异形端点耦合磁电器件，是将磁致伸缩材料和压电材料结合起来构成的，主要由磁致伸缩柱和压电圆环两个部分组成，其中磁致伸缩柱的长度与压电圆环内径相同。首先切割压电圆环和磁致伸缩柱，按图（2）所示制备异形端点耦合磁电器件。制备完成后，利用直流电磁铁产生偏置磁场H，利用赫姆霍兹线圈产生交变磁场δH，在压电圆环的内外表面电极间测量极化电压δV，这里利用到了电荷放大器和示波器两种仪器。根据测量结果和公式α_E=δV/t_PZTδH即可求出磁电电压系数，并据此分析偏置磁场和谐振频率的影响，其中t_PZT为PZT的厚度。

有益效果：根据以上叙述，可知本实用新型有如下特点：

（1）本实用新型提出了采用端点耦合构成磁电器件的方式，避免了传统层合磁电材料因胶粘剂不能完全传递形变所造成的层间耦合不理想情况，从而可以获得更稳定的磁电性质和更大的磁电电压系数。

（2）层合材料的压电相在距离接触面不同距离的平面内形变量不同，为非均匀形变。本实用新型中由于压电圆环的受力与极化方向均在纵向即厚度方向，则应力或形变可以完全传递，避免了形变的非均匀性，也有利于提高磁电电压系数。

（3）由于制备的端点耦合磁电器件中磁致伸缩材料处于夹持状态，即受到预应力作用，在较小的偏置磁场下即可表现出极佳性质，于实际应用极为有利。

（4）正如之前所说的，层合材料的磁电电压系数与压电相的横向压电系数成正比。在本实用新型提出的这种结构中，压电相的受力与极化方向均在纵向即厚度方向，故所得磁电电压系数与压电相的纵向压电系数d₃₃成正比，而纵向压电系数大约是横向压电系数的3倍，故所得磁电电压系数将有较大提高。

（5）因磁电电压系数的提高，异形端点耦合磁电器件将可以在更宽频带的激励磁场下工作，更具实用价值。

附图说明：

附图1为传统的层状磁电复合材料示意图，图中包含磁致伸缩相和压电相，两相材料通过胶粘剂实现界面的机械关联。

附图2为异形端点耦合磁电效应及器件示意图，图中包括压电圆环和夹持在其中的磁致伸缩柱，磁致伸缩柱的长度和压电圆环的内径相同。

具体实施方案：

（1）如图2所示，将磁致伸缩系数较大的材料如TbDyFe等切割成柱状，对PZT等压电材料构成的压电圆环施加预应力，使磁致伸缩柱夹持在圆环中间，即可制得异形端点耦合磁电器件，其中磁致伸缩材料的长度与压电圆环的内径相等。

（2）在异型端点耦合磁电器件受到施加的偏置磁场H和交变磁场δH时，TbDyFe在磁致伸缩效应的作用下产生形变，传递到PZT压电圆环后，在压电效应的作用下圆环内外表面将产生对应的电压δV，分别测量交变磁场δH和电压δV，根据公式α_E=δV/t_PZTδH即可求出磁电电压系数，其中t_PZT为PZT的厚度。

（3）然后固定交变磁场δH在某一较低频率（如f=1KHz），改变偏置磁场，通过测量即可得到磁电电压系数α_E与偏置磁场的关系，找出α _E最大时对应的偏置磁场。由于磁致伸缩柱受到预应力的作用，在较小的偏置磁场和相当宽的范围内，α_E都接近最大值，这对于实际应用更为有利。

（4）保持α_E最大时所对应的偏置磁场不变，测量不同频率交变磁场下的磁电电压系数，找出谐振峰，即在某些谐振频率时磁电电压系数具有极值。

Claims

1.一种异形端点耦合磁电器件,其是将磁致伸缩材料和压电材料结合起来构成的，其特征是，主要由以下两个部分组成：磁致伸缩柱（1），压电圆环（2）。

2.根据权利要求1所述的一种异形端点耦合磁电器件，其特征是：磁致伸缩柱的长度与压电圆环内径相同。