專利名稱：復(fù)合結(jié)構(gòu)的直流磁傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁-電轉(zhuǎn)化裝置，尤其涉及一種復(fù)合結(jié)構(gòu)的直流磁傳感器。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，磁傳感器不僅可直接用于磁場測量，還可用于磁場有關(guān)的其他物理量(包括光、電以及力等物理量)的間接測量或控制，為磁傳感器的飛速發(fā)展提供了更好的機(jī)會，并形成了非?？捎^的磁傳感器產(chǎn)業(yè)。傳統(tǒng)的超導(dǎo)量子干涉器件SQUID具有極高的靈敏度，其靈敏度可達(dá)10_14 T，但是它需要在低溫-273度下工作，并且制造工藝復(fù)雜，成本較高，儀器體積大，不便于攜帶，這些都限制了它的應(yīng)用范圍；而光泵式磁傳感器、核磁共振磁傳感器和磁通門傳感器又存在結(jié)構(gòu)笨重、復(fù)雜、價格昂貴、需要電源供電、功耗高等缺陷；感應(yīng)式磁傳感器雖然測量精度 較高，但是其線圈的體積較大，不利于小空間磁場的測量，并且不適合于探測緩慢變化的磁場；磁敏二極管和三極管傳感器以及霍爾磁傳感器雖然體積小，重量輕，但靈敏度低，且測量精度受溫度影響較大；而半導(dǎo)體磁阻效應(yīng)傳感器和各向異性磁阻效應(yīng)傳感器磁場的靈敏度較低，不適合測量微弱磁場；巨磁阻效應(yīng)傳感器雖然靈敏度較高，但受溫度的限制；由于現(xiàn)有的磁傳感器存在這樣或那樣的缺陷，這就需要研究新的磁傳感器和測量方法，擴(kuò)展磁傳感的應(yīng)用范圍和豐富磁傳感測量的手段和方法。隨著新興磁性材料的不斷發(fā)展，研究者們研制出了一種新型的基于磁致伸縮材料/ 壓電材料復(fù)合的磁傳感器(Y. Fetisov, Bush, A. Kamentsev. Magnetic Field SensorsUsing Magnetoelectric Effect in Ferrite-piezoelectric Multilayers[C]. Sensors.Proceedings of IEEE, 2004 (3) :1106-1108.)，由于磁致伸縮材料的壓磁系數(shù)是外加偏置磁場的函數(shù)，而磁致伸縮/壓電復(fù)合材料的磁電電壓系數(shù)與壓磁系數(shù)成正比，那么，磁致伸縮/壓電復(fù)合材料在外加交變磁場激勵下輸出的磁電電壓與外加直流偏置磁場有關(guān)，利用該特性可用于探測直流磁場。另一方面，外加激勵交變磁場的大小也會影響磁致伸縮材料的機(jī)械形變，進(jìn)一步影響壓電層輸出的磁電電壓。磁致伸縮/壓電復(fù)合材料的磁電電壓隨交變磁場的增加而增大，利用該特性可用于探測交流磁場，因此磁致伸縮/壓電復(fù)合材料在直流磁場和交流磁場探測中具有極大的應(yīng)用潛力?；诖胖律炜s材料/壓電材料復(fù)合的磁傳感器具有高的磁場靈敏度和磁機(jī)耦合特性，是一種無源的傳感器，傳感過程中無需電功率輸入可直接產(chǎn)生電信號輸出，可制備成無源交流磁傳感器，并且其結(jié)構(gòu)簡單，體積小，測量方便，成本較低，具備既可探測交流磁場，又可探測直流磁場的優(yōu)點，使其在磁場測量中比傳統(tǒng)的磁傳感器具有更大的優(yōu)勢。但是目前國內(nèi)外所報道的磁致伸縮材料/壓電材料復(fù)合磁傳感器的直流磁場靈敏度都較低，不適合于測量低強(qiáng)度磁場。

發(fā)明內(nèi)容
針對背景技術(shù)中的問題，本發(fā)明提出了一種復(fù)合結(jié)構(gòu)的直流磁傳感器，包括由磁致伸縮材料層和壓電材料層組成的層狀結(jié)構(gòu)體，其改進(jìn)在于在磁致伸縮材料層上設(shè)置有非晶態(tài)合金薄膜層，非晶態(tài)合金薄膜層和壓電材料層分別位于磁致伸縮材料層大平面的兩側(cè)。由磁致伸縮材料層和壓電材料層組成的層狀結(jié)構(gòu)體即形成現(xiàn)有的磁致伸縮材料/壓電材料復(fù)合的磁傳感器，此磁傳感器的工作原理是磁致伸縮材料層的壓磁系數(shù)是偏置磁場的函數(shù)，在交變磁場作用產(chǎn)生下，磁致伸縮材料層產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，此機(jī)械應(yīng)力的作用通過層間相界面耦合傳遞到壓電材料層上，由于壓電效應(yīng)使壓電材料產(chǎn)生磁電電壓輸出，且磁電電壓輸出隨外加直流偏置磁場變化而變化，利用該特性可用于靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)磁場傳感。本發(fā)明方案的原理是在現(xiàn)有的前述磁傳感器的基 礎(chǔ)上，增加一非晶態(tài)合金薄膜層，該非晶態(tài)合金薄膜層能改變磁致伸縮材料的磁電性能，提高磁致伸縮材料層和壓電材料層組成的層狀結(jié)構(gòu)體的磁導(dǎo)率，從而使磁致伸縮材料層的壓磁系數(shù)得到提高，同時也提高了復(fù)合材料的品質(zhì)因數(shù)，最終使壓電材料層獲得更強(qiáng)的電輸出，提高傳感器的直流靈敏度?；谇笆龅目傮w方案，本發(fā)明還提出了如下三種優(yōu)選結(jié)構(gòu)
優(yōu)選結(jié)構(gòu)一所述層狀結(jié)構(gòu)體由兩層磁致伸縮材料層和一層壓電材料層組成，兩層磁致伸縮材料層分別設(shè)置于壓電材料層大平面的上、下兩側(cè)；兩層磁致伸縮材料層外表面的大平面上各設(shè)置有一層非晶態(tài)合金薄膜層。該結(jié)構(gòu)在厚度方向上形成對稱結(jié)構(gòu)，只有一種振動模態(tài)即縱向振動模態(tài)，其諧振工作頻率高達(dá)IlOkHz以上，利用該特性可用于高頻交流磁場的測量。優(yōu)選結(jié)構(gòu)二 所述層狀結(jié)構(gòu)體由一層磁致伸縮材料層和一層壓電材料層組成，磁致伸縮材料層和壓電材料層重疊設(shè)置；磁致伸縮材料層外表面的大平面上設(shè)置有一層非晶態(tài)合金薄膜層。該結(jié)構(gòu)在厚度方向上形成非對稱結(jié)構(gòu)，因此存在兩種振動模態(tài)，即彎曲振動模態(tài)和縱向振動模態(tài)，故而該器件存在兩個諧振工作頻率，可同時完成低頻和高頻交流磁場的測量。優(yōu)選結(jié)構(gòu)三所述層狀結(jié)構(gòu)體由兩層磁致伸縮材料層和兩層壓電材料層組成，兩層壓電材料層重疊設(shè)置，兩層壓電材料層外表面的大平面上各設(shè)置有一層磁致伸縮材料層；兩層磁致伸縮材料層外表面的大平面上各設(shè)置有一層非晶態(tài)合金薄膜層。該結(jié)構(gòu)與優(yōu)選結(jié)構(gòu)一一樣，也形成的是對稱結(jié)構(gòu)，但是由于結(jié)構(gòu)層中設(shè)置了兩層壓電材料層，將兩層壓電材料層的輸出信號進(jìn)行串聯(lián)，可獲得更強(qiáng)的電輸出，從而大大提高傳感器的磁場靈敏度。磁致伸縮材料層、壓電材料層和非晶態(tài)合金薄膜層的形狀還可采用如下的優(yōu)選方案磁致伸縮材料層、壓電材料層和非晶態(tài)合金薄膜層的橫截面形狀均為矩形，其中，磁致伸縮材料層沿矩形的長度方向磁化，壓電材料層沿層狀結(jié)構(gòu)體的厚度方向極化。進(jìn)一步地，非晶態(tài)合金薄膜層的厚度既小于磁致伸縮材料層的厚度又小于壓電材料層的厚度。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是提高了傳感器的直流靈敏度，而且尺寸較小，有利于制備小型化高靈敏的磁傳感器件，相比傳統(tǒng)的磁致伸縮材料/壓電材料復(fù)合的磁傳感器，本發(fā)明的傳感器既可以探測交流磁場也可以探測直流磁場，具有更強(qiáng)的探測功能。


圖I、本發(fā)明的優(yōu)選結(jié)構(gòu)一的結(jié)構(gòu)示意 圖2、本發(fā)明的優(yōu)選結(jié)構(gòu)二的結(jié)構(gòu)示意 圖3、本發(fā)明的優(yōu)選結(jié)構(gòu)三的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式一種復(fù)合結(jié)構(gòu)的直流磁傳感器，包括由磁致伸縮材料層I和壓電材料層2組成的層狀結(jié)構(gòu)體，其改進(jìn)在于在磁致伸縮材料層I上設(shè)置有非晶態(tài)合金薄膜層3，非晶態(tài)合金薄膜層3和壓電材料層2分別位于磁致伸縮材料層I大平面的兩側(cè)。進(jìn)一步地，所述層狀結(jié)構(gòu)體由兩層磁致伸縮材料層I和一層壓電材料層2組成，兩層磁致伸縮材料層I分別設(shè)置于壓電材料層2大平面的上、下兩側(cè)；兩層磁致伸縮材料層I 外表面的大平面上各設(shè)置有一層非晶態(tài)合金薄膜層3。進(jìn)一步地，所述層狀結(jié)構(gòu)體由一層磁致伸縮材料層I和一層壓電材料層2組成，磁致伸縮材料層I和壓電材料層2重疊設(shè)置；磁致伸縮材料層I外表面的大平面上設(shè)置有一層非晶態(tài)合金薄膜層3。進(jìn)一步地，所述層狀結(jié)構(gòu)體由兩層磁致伸縮材料層I和兩層壓電材料層2組成，兩層壓電材料層2重疊設(shè)置，兩層壓電材料層2外表面的大平面上各設(shè)置有一層磁致伸縮材料層I ;兩層磁致伸縮材料層I外表面的大平面上各設(shè)置有一層非晶態(tài)合金薄膜層3。進(jìn)一步地，磁致伸縮材料層I、壓電材料層2和非晶態(tài)合金薄膜層3的橫截面形狀均為矩形，其中，磁致伸縮材料層I沿矩形的長度方向磁化，壓電材料層2沿層狀結(jié)構(gòu)體的厚度方向極化。進(jìn)一步地，非晶態(tài)合金薄膜層3的厚度既小于磁致伸縮材料層I的厚度又小于壓電材料層2的厚度。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合結(jié)構(gòu)的直流磁傳感器，包括由磁致伸縮材料層(I)和壓電材料層(2)組成的層狀結(jié)構(gòu)體，其特征在于在磁致伸縮材料層(I)上設(shè)置有非晶態(tài)合金薄膜層(3)，非晶態(tài)合金薄膜層(3)和壓電材料層(2)分別位于磁致伸縮材料層(I)大平面的兩側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)的直流磁傳感器，其特征在于所述層狀結(jié)構(gòu)體由兩層磁致伸縮材料層(I)和一層壓電材料層(2 )組成，兩層磁致伸縮材料層(I)分別設(shè)置于壓電材料層(2 )大平面的上、下兩側(cè)；兩層磁致伸縮材料層(I)外表面的大平面上各設(shè)置有一層非晶態(tài)合金薄膜層(3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)的直流磁傳感器，其特征在于所述層狀結(jié)構(gòu)體由一層磁致伸縮材料層(I)和一層壓電材料層(2)組成，磁致伸縮材料層(I)和壓電材料層(2)重疊設(shè)置；磁致伸縮材料層(I)外表面的大平面上設(shè)置有一層非晶態(tài)合金薄膜層(3)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)的直流磁傳感器，其特征在于所述層狀結(jié)構(gòu)體由兩層磁致伸縮材料層(I)和兩層壓電材料層(2 )組成，兩層壓電材料層(2 )重疊設(shè)置，兩層壓電材料層(2 )外表面的大平面上各設(shè)置有一層磁致伸縮材料層(I);兩層磁致伸縮材料層(I)外表面的大平面上各設(shè)置有一層非晶態(tài)合金薄膜層(3)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)的直流磁傳感器，其特征在于磁致伸縮材料層(I)、壓電材料層(2)和非晶態(tài)合金薄膜層(3)的橫截面形狀均為矩形，其中，磁致伸縮材料層(I)沿矩形的長度方向磁化，壓電材料層(2)沿層狀結(jié)構(gòu)體的厚度方向極化。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)的直流磁傳感器，其特征在于非晶態(tài)合金薄膜層(3)的厚度既小于磁致伸縮材料層(I)的厚度又小于壓電材料層(2)的厚度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種復(fù)合結(jié)構(gòu)的直流磁傳感器，包括由磁致伸縮材料層和壓電材料層組成的層狀結(jié)構(gòu)體，其特征在于在磁致伸縮材料層上設(shè)置有非晶態(tài)合金薄膜層，非晶態(tài)合金薄膜層和壓電材料層分別位于磁致伸縮材料層大平面的兩側(cè)。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是提高了傳感器的直流靈敏度，而且尺寸較小，有利于制備小型化高靈敏的磁傳感器件，相比傳統(tǒng)的磁致伸縮材料/壓電材料復(fù)合的磁傳感器，本發(fā)明的傳感器既可以探測交流磁場也可以探測直流磁場，具有更強(qiáng)的探測功能。
文檔編號G01R33/02GK102937705SQ20121047096
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月20日
發(fā)明者李平, 文玉梅, 陳蕾 申請人:重慶大學(xué)