[发明专利]磁电式磁场传感器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种交变磁场传感器，可用于交变磁场测量，具体是一种一维磁伸材料与压电材料构成的压电堆组合而成，利用磁致压电效应原理制作的磁电式磁场传感器。

背景技术

目前，磁电效应是国际研究热点之一。磁电效应是指利用材料磁畴变化来使材料内电场发生变化的效应或者利用材料内的电场引起材料内磁畴变化的效应，即在材料中利用磁场信号来产生电信号输出或电场产生磁场的效应。人们对由压电材料与稀土材料复合而成的单相材料的磁电效应理论及实验开展了较多的研究，但就目前已取得的研究结果来看，这类材料可呈现磁电效应但磁电转换灵敏度较小，尚无应用价值，其中特别令人振奋的研究是磁电效应存储器的研究；对多相材料的磁电效应研究集中在具有较大磁电转换系数，且具有应用前景的材料研究即磁致伸缩材料和压电材料组合的层合结构材料构成的器件的研究，它是利用磁致伸缩材料在外磁场作用下产生磁致伸缩，从而在压电材料表面产生切向应力，压电材料受此应力作用而形变从而在两表面上产生电荷或在两表面间产生电场而形成电压的效应。由于压电材料只有经极化后才能呈现压电效应，极化电场受极化电压的限制，因此一般极化均沿材料的厚度方向，若将磁伸材料粘贴在压电材料的表面上，只能利用其压电系数d₃₁，而材料的d₃₁值小于d₃₃值，若能利用d₃₃，则可使传感器的灵敏度提高。层叠结构材料磁电效应的磁电转换系数巨大，在器件制作上具有广阔的应用前景，目前，国际上对该效应的理论、实验及传感和发电器件的研究已形成一个新的研究热点。

美国Virginia的Shuxiang Dong，Jie-Fang Li等人于2003年在IEEE TRANSACTION ONULTRASONICS，FERROELECTRICS AND FREQUENCY CONTROL，VOL.50，No.10上发表了一篇“Longitudinal and transverse magnetoelectric voltage coefficients ofmagnetostrictive/piezoelevtric laminate composite：Theory”论文，该文对由长方形磁致伸缩(长12mm，宽6mm，可谓二维磁伸材料)材料和压电材料构成的器件的磁电效应的理论进行了分析研究，并给出了一种等效电路；Russia的D.A.Filippov于2005年在Physics ofthe solid state，Vol.47，No.6.pp1118-1121上发表了“Theoryof the magnetoelectriceffect in ferromagnetic-piezoelectric heterostructures”的论文，文中推出了双层结构层合材料磁电效应的理论公式；2006年，Shuxiang Dong，Jie-Fang Li等在Journal ofmaterials science，2006，41，pp97-106上发表了“Magnetoelectrictri ccoupling，efficiency，and voltage gain effect in piezoelectric-piezomagnetic laminatecomposites”的论文，文中介绍了这种长方形层合结构的磁电效应，并给出了一种变压器结构；其后，Shuxiang Dong，Junyi Zhai等在Journal of applied physics 100，124106(2006)上发表了一篇“Enhanced magnetoelectric effect in three-phaseMnZnFeO/TbDyFe/Pb(Zr，Ti)O₃ composites”的论文，文章给出了一种在层合材料两端加MnZn铁氧体材料来增加灵敏度的方法；2006年，Shuxiang Dong和Jungyi Zhai等在Appliedphysics letters，89，(122903)上发表了采用μ金属与层合材料组合的磁电效应研究，目的是寻求新材料来提高传感器的灵敏度；2007年，Y.M.Jia，S.W.Or等在Applied Physics A，86，pp525-528上给出了“Magnetoelectric effect in composites of magnet，metal-cap，andpiezoceramic”文章，介绍了一种金属圆台外加磁铁结构的磁电效应研究结果。2009年，Yumei Wen等在IEEE Sensors Journal上发表“Mannetoelectric performances in compositeof piezoelectric ceramic and ferromagnetic constant elasticity alloy”，她们采用常弹性合金材料作为磁伸材料，对三明治结构的磁电效应磁传感器进行了研究，结果表面尽管低频下磁电转换系数较低，但在共振时得到很高的磁电转换系数。