專利名稱：一種柵結(jié)構(gòu)磁電式磁場傳感器及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種采用柵結(jié)構(gòu)，利用鐵磁電層合材料的磁致壓電效 應(yīng)原理制作的磁電式磁場傳感器。
技術(shù)背景磁致壓電效應(yīng)是指利用磁場來產(chǎn)生電場的效應(yīng)，即利用磁信號來產(chǎn)生電信號輸出的效 應(yīng)。具有較大磁電靈敏度，且具有應(yīng)用前景的材料是磁致伸縮材料和壓電材料組合成的這種 層合結(jié)構(gòu)材料，它是利用磁致伸縮材料在外磁場作用下產(chǎn)生磁致伸縮，從而在壓電材料表面 產(chǎn)生切向應(yīng)力，壓電材料受此應(yīng)力作用在兩表面上產(chǎn)生電荷或兩表面間產(chǎn)生電壓的效應(yīng)。由 于該效應(yīng)具有廣闊的應(yīng)用前景，目前，對該效應(yīng)的研究己形成國際上的一個(gè)研究熱點(diǎn)。國外已開展的研究2003年在美國Virginia的Shuxiang Dong， Jie-Fang Li等人在IEEE TRANSACTION ON ULTRASONICS,FERROELECTRICS AND FREQUENCY CONTROL, VOL.50,No. 10上發(fā)表 了 " Longitudinal and transverse magnetoelectric voltage coefficients of magnetostrictive/piezoelevtric laminate composite:Theory，，論文，該文纟合出了長方形磁致伸縮禾口 壓電材料的磁電效應(yīng)的理論進(jìn)行了分析，并給出了一種等效電路；2005年，Russia的 D.A.FiIippov,在Physicsof the solid state,Vol.47，No.6.pplll8-1121上發(fā)表了 "Theoryof the magnetoelectric effect in ferromagnetic-piezoelectric heterostructures"的i侖文,文中也提出了對 雙層結(jié)構(gòu)的層合材料磁電效應(yīng)的理論；2006年，Shuxiang Dong, Jie-Fang Li等在Joumalof materials science,2006,41，pp97-106上發(fā)表了"Magnetoelectrictriccoupling，efFiciency,and voltage gain effect in piezoelectric-piezomagnetic laminate composites"的論文，文中介紹了這禾中長方形 層合結(jié)構(gòu)的磁電效應(yīng)，并給出了一種變壓器結(jié)構(gòu)；Shuxiang Dong,Junyi Zhai等在Journal of applied physics 100,124106(2006)上發(fā)表了一篇"Enhanced magnetoelectric effect in three-phase MnZnFeO/TbDyFe/Pb(Zr,Ti)03 composites"的論文，文章給出了一種在層合材料兩端加MnZn 鐵氧體材料來增加靈敏度的方法；2006年，Shuxiang Dong禾卩Jungyi Zhai等在Applied physics letters,89,(122903)上發(fā)表了采用u金屬與層合材料組合的磁電效應(yīng)研究，目的是提高 傳感器的靈敏度；2007年，Y.MJia，S.W.Or等在AppliedPhysicsA，86， pp525-528上給出 了 "Magnetoelectriceffect in composites of magnet,metal-cap,and piezoceramic，，文章，介紹了 一 種金屬圓臺外加磁鐵結(jié)構(gòu)的磁電效應(yīng)研究結(jié)果。國內(nèi)已開展的研究有國內(nèi)對這種層合材料的研究主要在重慶大學(xué)文玉梅領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，開展了對磁致伸縮 材料與壓電材料及金屬膜片組合材料的磁電效應(yīng)的研究，還對喇叭形(超聲變幅桿復(fù)合結(jié)構(gòu) 磁電換能器作過研究，見《傳感技術(shù)學(xué)報(bào)》，2007年，第8期；楊帆,文玉梅，李平，鄭敏, 卞雷祥在《物理學(xué)報(bào)》，2007，第6期上發(fā)表過"考慮損耗的磁致/壓電復(fù)合材料的諧振磁電 響應(yīng)分析"；2007年，南京大學(xué)的胡淵，龔國斌，曹東升登在《復(fù)合材料學(xué)報(bào)》上發(fā)表了 "壓 電/磁致伸縮/環(huán)氧樹脂層合復(fù)合材料的磁電效應(yīng)及其頻率特性"的研究論文，這是將壓電材 料粉末與磁伸材料粉末混合用膠混合，壓制成塊材，對其磁電效應(yīng)進(jìn)行研究；南京大學(xué)的 N.Zhang等還在Journal of applied physics雜志上發(fā)表"Is the magnetoelectric coupling is stickup bilayers liner "的研究論文，對雙層結(jié)構(gòu)的磁電效應(yīng)做過研究,但這種材料的磁電效應(yīng) 靈敏度并不大;2008年，楊偉偉，文玉梅,李平,卞雷祥在《物理學(xué)報(bào)》，2008，第57巻，第7 期上發(fā)表"GMM/彈性板/PZT層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)的縱振磁電響應(yīng)"的研究論文；另外，中國科 學(xué)院上海硅酸鹽研究所賈艷敏等對PMN-PT作為壓電材料的構(gòu)成的層合材料作過研究，有 關(guān)研究論文發(fā)表在《科學(xué)通報(bào)》，2008，第53巻，第10期，pll72，"復(fù)合材料Terfenol-D/PMNT 的磁電和逆磁電響應(yīng)"。其他單位對此效應(yīng)的研究則鮮有報(bào)道。從國內(nèi)外在該方面的研究來看，人們的研究均集中在對長方形(最常用的尺寸為12mm X6mm)磁致伸縮材料與一具有同樣面積的壓電材料上，都是停留在實(shí)驗(yàn)室中對磁電效應(yīng) 進(jìn)行研究；對細(xì)棒形結(jié)構(gòu)至今未有報(bào)道，對將稀土永磁直接粘貼在傳感器上未作報(bào)道，對有 細(xì)棒構(gòu)成的柵結(jié)構(gòu)更未見有報(bào)道。且現(xiàn)有的研究均局限于實(shí)驗(yàn)室研究中，偏置磁場通常釆用 大型電磁鐵產(chǎn)生，未見有真正實(shí)用的傳感器器件的報(bào)道。對我們所提出的柵結(jié)構(gòu)磁致伸縮材 料與壓電材料結(jié)合制得的新型磁傳感器尚未見報(bào)道。本發(fā)明提出了 一種細(xì)棒形磁致伸縮材料在壓電材料表面形成柵結(jié)構(gòu)，與同尺寸的未用柵結(jié)構(gòu)的傳感器相比，柵結(jié)構(gòu)可使傳感器靈敏度提高3 5倍甚至更多(這取決于柵數(shù)目，隨柵數(shù)目增多靈敏度增大)。即采用柵結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)增敏目的，通過研制出的傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確實(shí)實(shí)現(xiàn)了增敏。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出一種具有柵結(jié)構(gòu)磁致伸縮材料與壓電材料通過層合構(gòu)成的利用磁 電效應(yīng)的磁電式傳感器。這種結(jié)構(gòu)可在一塊壓電材料上，制作出多個(gè)壓電元件，通過各壓電 元件的串、并聯(lián)來提高傳感器的電壓靈敏度及電荷靈敏度，因此為此類傳感器提出了一種有 效增敏的方法，使用該方法可使靈敏度提高數(shù)倍。將永磁材料直接粘于磁致伸縮材料的表面，該磁鐵為磁致伸縮材料提供一定值的靜態(tài)偏置磁場，在交變磁場作用下可實(shí)現(xiàn)自發(fā)電檢測， 因此該傳感器無需供電即可實(shí)現(xiàn)檢測。還可用于在有交變磁場的環(huán)境下自發(fā)電，可給無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)提供工作電源。一種磁電式磁場傳感器，包括壓電材料，若干磁致伸縮細(xì)棒和永磁材料，壓電材料上設(shè) 有柵狀導(dǎo)電銀膜，導(dǎo)電銀膜上設(shè)有電極引線；導(dǎo)電銀膜的數(shù)量和寬度與磁致伸縮細(xì)棒一一對 應(yīng)，磁致伸縮細(xì)棒位于柵狀導(dǎo)電銀膜上并相互平行，永磁材料平行放置在中間位置的磁致伸 縮細(xì)棒上。上述磁電式磁場傳感器，巨磁致伸縮材料為Tdo.3Dya7Fe2 (Terfenol-D) 上述磁電式磁場傳感器，壓電材料為鋯鈦酸鉛(PZT)上述磁電式磁場傳感器，磁致伸縮細(xì)棒的長度為0.5厘米 5厘米，寬度0.5~1.5mm,厚 度為0.5-1.5mm上述磁電式磁場傳感器，永磁材料為NdFeB,寬度與壓電材料同寬，長度為壓電材料 長度的一半。上述磁電式磁場傳感器，細(xì)棒的具體數(shù)目根據(jù)壓電材料的寬度、柵距和柵寬而定。 上述磁電式磁場傳感器的制備方法，具體為將大塊磁致伸縮材料制成若干磁致伸縮細(xì) 棒，將壓電材料的導(dǎo)電銀膜制成柵狀結(jié)構(gòu)；在導(dǎo)電銀膜上引出電極引線；用膠將磁致伸縮細(xì) 棒粘貼于壓電材料的導(dǎo)電銀膜上，細(xì)棒與細(xì)棒間保持平行，施壓后放置自然晾干或烘烤，再 將NdFeB永磁材料直接粘于磁致伸縮細(xì)棒表面。對上述磁電式磁場傳感器進(jìn)行性能檢測，檢測方法為在導(dǎo)電銀膜上引出引線，采用并 聯(lián)或串聯(lián)的方式將各壓電條的信號進(jìn)行疊加實(shí)現(xiàn)增敏，將傳感器放于長直螺線管的中心位 置，在長直螺線管(其軸心中心處的電流磁場靈敏度為15Oe/0.1A)中通入lKHz的交變電 流，則在傳感器中產(chǎn)生交變電壓，交變電壓的幅值與交變磁場的幅值成正比；改變頻率并當(dāng) 頻率得到一定值時(shí)，靈敏度會得到最大值，此時(shí)即出現(xiàn)共振現(xiàn)象。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，具體方法及步驟如下1. 本發(fā)明是在沿縱向(長度方向)或沿厚度方向極化的較大塊壓電材料上，制作出條狀導(dǎo)電層(通常為銀層)，相鄰兩條導(dǎo)電條間隔可從0.5 1.5mm間變化，導(dǎo)電條寬也 可從0.5 1.5mm間變化；2. 用Terfenol-D材料制作磁致伸縮棒,棒寬與導(dǎo)電柵寬度相等，厚度為0.5 1.5mm，其 長度略短于壓電材料導(dǎo)電柵長度，棒表面采用拋光方法使其表面光滑平整；3. 將磁致伸縮細(xì)棒粘貼于壓電材料的導(dǎo)電銀膜上，可單面粘貼，亦可雙面粘貼，雙面粘貼兩面應(yīng)保持對齊；4. 將導(dǎo)電電極用電極引線進(jìn)行串聯(lián)或并連，對每個(gè)傳感器僅能選擇一種連接方式；5. 將具有極高磁能極的NdFeB永磁材料粘貼于磁致伸縮材料的表面上，最終制作完 成該傳感器的傳感頭；6. 對電極串聯(lián)連接的傳感器制作出電荷放大器與其配合使用；7. 對電極并聯(lián)連接的傳感器的配上高輸出阻抗、短連接線的儀器。 本發(fā)明顯著提高了傳感器對交變磁場的測量靈敏度，可對交變磁場及導(dǎo)線產(chǎn)生的交變電流進(jìn)行檢測，具有無需供電即可產(chǎn)生與被檢測交變磁信號成正比的電壓輸出信號的特點(diǎn)，在 較寬的頻率范圍內(nèi)輸出靈敏度幾乎不隨頻率改變；不僅可用于交變磁場及交變電流信號的測 量，還可用于交變磁場環(huán)境下的發(fā)電。


圖1磁傳感器橫主視圖(未包括永磁材料) 圖2磁傳感器俯視中1、 PZT壓電材料截面2、巨磁致伸縮細(xì)棒截面3、導(dǎo)電柵截面4、電極引線具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)例作進(jìn)一步描述。用長13mm,寬6mm，厚1.2mm的沿橫向極化的Pb(Zn.JV)03(PZT5H)材料表面銀電極每面 都分割成4條，每條寬度lmm，間隔約0.7mm;用長12mm,寬0.9mm，高lmm的 Terfenol-D(TbDyFe)的磁伸材料細(xì)棒在壓電材料兩面分別粘貼，磁伸材料細(xì)棒的易磁化方向 沿棒長方向，再制作好電極與導(dǎo)線的連線，本發(fā)明實(shí)例采用串聯(lián)方式，粘貼長方體NdFeB 永磁，其軸向表面場為420Oe;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在低頻下0.1~65KHz下，傳感器的磁靈敏 度系數(shù)達(dá)176mV/Oe，而用長12mm寬6mm高lmm的整塊磁伸材料制作的傳感器磁靈敏度 系數(shù)僅為52mV/Oe，對比可知釆用本發(fā)明提出的柵結(jié)構(gòu)在減小傳感器體積減輕傳感器重量 的情況下，還可大幅度增大傳感器的靈敏度，可見柵結(jié)構(gòu)構(gòu)思獨(dú)特，增敏效果明顯;在82KHz 處產(chǎn)生共振，共振時(shí)磁場靈敏度系數(shù)達(dá)1.81V/Oe。利用新材料的新效應(yīng)發(fā)明出新型傳感器， 并采用層疊柵結(jié)構(gòu)增敏技術(shù)提高傳感器的靈敏度，是具有新意的思想；這種傳感器無需電源 供電通過自發(fā)電即可實(shí)現(xiàn)對外部磁信號的檢測，且具有高靈敏度，低噪聲，它是一款節(jié)能的 綠色傳感器，在實(shí)際的檢測技術(shù)中具有廣泛的用途，其應(yīng)用領(lǐng)域有待進(jìn)一步開發(fā)。
權(quán)利要求
1、一種柵結(jié)構(gòu)磁電式磁場傳感器，包括壓電材料，若干磁致伸縮細(xì)棒和永磁材料，壓電材料上設(shè)有柵狀導(dǎo)電銀膜，導(dǎo)電銀膜上設(shè)有電極引線；導(dǎo)電銀膜的數(shù)量和寬度與磁致伸縮細(xì)棒一一對應(yīng)，磁致伸縮細(xì)棒位于柵狀導(dǎo)電銀膜上并相互平行，永磁材料平行放置在中間位置的磁致伸縮細(xì)棒上。
2、 權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于巨磁致伸縮材料為Tda3Dya7Fe2 (Terfenol-D)。
3、 權(quán)利要求l所述的傳感器，其特征在于壓電材料為鋯鈦酸鉛(PZT)。
4、 權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于:磁致伸縮細(xì)棒的長度為0.5厘米 5厘米，寬度0.5 1.5mm，厚度為0.5~1.5mm。
5、 權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于永磁材料為NdFeB，寬度與壓 電材料同寬，長度為壓電材料長度的一半。
6、 權(quán)利要求l所述的傳感器，其特征在于柵狀導(dǎo)電銀膜之間的間隔為 0.5~1.5mm，導(dǎo)電銀膜的寬度為0.5 L5mm。
7、 權(quán)利要求1所述的傳感器的制備方法，具體為將大塊磁致伸縮材料制 成若干磁致伸縮細(xì)棒，將壓電材料的導(dǎo)電銀膜制成柵狀結(jié)構(gòu)；在導(dǎo)電銀膜上引出 電極引線；用膠將磁致伸縮細(xì)棒粘貼于壓電材料的導(dǎo)電銀膜上，細(xì)棒與細(xì)棒間保 持平行，施壓后放置自然晾干或烘干，再將NdFeB永磁材料直接粘于磁致伸縮 細(xì)棒表面。
8、 權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于磁致伸縮棒細(xì)棒粘貼于壓電 材料的單面或雙面，雙面粘貼兩面應(yīng)保持對齊。
全文摘要
本發(fā)明涉及傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種柵結(jié)構(gòu)磁電式磁場傳感器及制作方法。傳感器包括壓電材料，若干磁致伸縮細(xì)棒和永磁材料，壓電材料上設(shè)有柵狀導(dǎo)電銀膜，導(dǎo)電銀膜上設(shè)有電極引線；導(dǎo)電銀膜的數(shù)量和寬度與磁致伸縮細(xì)棒一一對應(yīng)，磁致伸縮細(xì)棒位于柵狀導(dǎo)電銀膜上并相互平行，永磁材料平行放置在中間位置的磁致伸縮細(xì)棒上。本發(fā)明顯著提高了傳感器對交變磁場的測量靈敏度，可對交變磁場及導(dǎo)線產(chǎn)生的交變電流進(jìn)行檢測，具有無需供電即可產(chǎn)生與被檢測交變磁信號成正比的電壓輸出信號的特點(diǎn)，在較寬的頻率范圍內(nèi)輸出靈敏度幾乎不隨頻率改變；不僅可用于交變磁場及交變電流信號的測量，還可用于交變磁場環(huán)境下的發(fā)電。
文檔編號H02N2/00GK101545957SQ20091003117
公開日2009年9月30日 申請日期2009年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月24日
發(fā)明者英 駱, 鮑丙豪 申請人:江蘇大學(xué)