[发明专利]一种柔性的层状磁电元件

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用柔性层状复合磁电材料作为磁场传感器的技术，具体涉及一种柔性的层状磁电元件。

背景技术

磁电材料(也叫铁电磁体)是同时具有磁性、铁电性材料的总称，在结构上同时存在磁有序和电有序状态。这两种有序状态发生相互作用，产生一种新的效应，称作“磁电效应”，即：磁电材料置于外加磁场中时，材料的电极化状态将会发生改变；相反地，置于外加电场中时，材料的磁化状态也将发生相应变化。这种对外场响应的能力大小通常采用磁电转化系数α(α=dE/dH)来评价，即微小磁场变化引起的电场改变。对磁电材料的研究正受到越来越多的关注，主要是因为磁电材料同时兼具磁性、铁电性、磁电性三种性能，是一种曾经被忽视但最近重获重视的多功能材料。从组成上，磁电材料可分为单相与复合材料两大类。单相磁电材料主要集中在对钇铁石榴石、硼酸物、稀土或铁(锰)酸盐和磷酸盐等体系。磁电复合材料主要通过压电体(包括PZT、PMN-PT、PT、BT等)与磁性材料(包括金属磁性材料和铁氧体)的复合形成：压电相与磁性相复合置于外加磁场中，磁致伸缩效应导致磁性相发生形变，产生应力，应力传递到压电相上，由正压电效应，在压电材料表面产生束缚电荷，即发生“磁电效应”；反之亦然。简而言之，通过应力、应变的传递作用实现磁致伸缩效应与压电效应的耦合，宏观上体现为磁场与电场的相互转化，微观上体现为磁有序与电有序状态的改变。实验表明，复合材料比单相材料有更大的磁电转化系数，因此，从应用角度考虑，复合材料受到越来越多的关注。

由于磁电特性的存在，磁电材料用于磁场探测可以获得极高的灵敏度磁电信号与交流磁场存在良好的线性关系，材料种类丰富，制备简单，性能可调空间大，可以设计制成各种复杂的结构，与微电子电路兼容性好，因此在元器件设计上应比其它材料更为简化，更为智能和多样。以微弱磁场探测为例，磁场传感器可用于电缆路径的探测与电缆的鉴别，用于导航和侦察交通异常状况；在医学方面，用于探测人体电磁波，检测疾病；在军事上被改良用于侦察潜艇；在地质勘探、考古、空间磁场探测、航天器飞行姿态控制等许多领域中得到应用。从使用功能上看，磁传感器可制成磁编码器、位移传感器、转速传感器、气象传感器、新电功能图传感器等等。只要设计巧妙，磁传感器几乎可应用在所有自动控制和传感领域。目前磁场传感器虽然得到了较好的发展，但是微弱磁场信号的探测尚有很大的发展空间和需求，特别是用作军事用途。以灵敏度为例，SQUID可能是目前普遍使用最为灵敏的磁场探测器，可惜其使用需要低温条件，设备庞大昂贵，无法实现灵活机动。而军事探测则要求探测器体积小性能稳定、操作简单。在这方面，磁电材料优势明显，其灵敏度已经堪比SQUID甚至更高，却只需在室温运行，所以可以实现小体积，控制读写简单。除此之外，目前的各种磁场传感器尚存在着一些缺陷。霍尔器件虽然使用方便，价格便宜，但精度仍显不够，温度稳定性不好。因此，研究和开发新型磁场探测用磁电材料在今后很长一段时间仍将是国内外研究的重点和热门方向。如何利用磁电材料研制出体积小、灵敏度高、使用温度广、成本低、室温性能稳定的新型磁场探测技术是本项目提出的客观应用需要。

实验及理论证明，磁电层状复合材料有非常大的磁电转化系数，比其他磁电材料大500倍以上，被称作巨磁电（Giant ME，简写为GME）效应。自2001年以来，基于层状复合磁电材料的GME效应越来越受到关注。目前国际上已经实现交流磁场探测最高灵敏度达10^-15特斯拉（在共振频率附近），而低频及直流磁场探测灵敏度可达10^-12特斯拉甚至更高，这些极限已经堪比SQUID的检测精度（如液氦温度下10^-14特斯拉）。尤其值得注意的是，磁电材料相关传感元件的制备成本非常低。因此在磁传感器领域有很大的市场应用前景。最近，基于层状复合磁电材料的原理型器件已经被开发出来用于地球磁场检测和磁扫描探针显微镜。

之前研究报导的磁电层状材料都是由硬性材料（金属和陶瓷）组成的，形成的器件具有刚性，不易弯曲。在很多应用场合，使用柔性材料作为传感器件具有更多的优势。特别是用于医疗领域的磁传感器件，如果能够达到“可穿戴”，将有更多的应用前景。

发明内容

本发明目的是：提供一种柔性的，可弯曲折叠的柔性的层状磁电元件。