[发明专利]一种多耦合磁传感器

说明书

技术领域

本发明涉及电子器件学领域，具体涉及一种可探测磁信号的多耦合磁传感器。

背景技术

传感器技术已经成为制约现代化进步的一项重要技术，而传感器的发展经历了从普通到高精度，昂贵到大众化的一个发展过程，发展廉价、高精度、低功耗的传感器已经成为目前传感器发展的一个大趋势。

磁传感器作为传感器大类中的一种，在现代科学技术的发展中扮演着越来越重要的作用，其可靠性和灵活性也使其应用变得越来越广泛。从类型上分，磁传感器可以分为：感应线圈型(Search coil)、霍尔效应型(Hall effect)、磁电阻型(AMR或GMR)、磁隧道型(MTJ或SDJ)、磁光型(Magneto-optical)、光泵型(Optically pumped)、磁二极管型(Magneto-diode)、磁三极管型(Magneto-transistor)、原子磁力型(Nuclear precession)、磁通门型(Fluxgate)、磁电型(magnetoelectric)、超导量子干涉型(SQUID)等。这些传感器都有其自身的优缺点，针对低频探测而言，最高精度的传感器目前是SQUID，然而SQUID需要在低温下工作，且价格昂贵，很难得到普遍应用；其他探测精度比较高的磁传感器有原子磁力型、磁通门型、磁电阻型、光泵型等，然而，这些类型的磁传感器要么价格昂贵、要么制作工艺复杂，制约了其普遍应用。因而，有必要开发新的廉价高精度的磁传感器技术。磁电型磁传感器，由于其制作工艺简单，性价比相对比较低，越来越收到青睐。

目前的磁电型传感器主要由磁致伸缩材料和压电材料通过层叠复合的方式来获得磁电效应(与麦克斯维电磁感应定律不一样的是，其通过材料的内禀耦合来实现磁电的转换，而非空间的电磁感应)。层状磁电效应最早的由SQM Technology公司提出(US patent No.5675252.1997)，其后的研究工作陆续在美国的Penn state Univedrsity，Virginia Tech，Oakland University，俄罗斯的Novgorod state University，中国的清华大学和南京大学等单位陆续展开。层状复合磁电材料的提出可以说是磁电传感器发展的一个里程碑，其磁电电压系数(一个用来反映磁电耦合能力的参数)在V/cm.Oe的量级，有的高达10V/cm.Oe，谐振状态下甚至高达几百V/cm.Oe。磁电层状复合材料的出现，使得磁电传感器的应用成为了可能。为了获得强的磁电效应，往往需要采用强磁致伸缩系数和强压电系数的材料进行复合。其工作原理是：当磁场作用到磁电传感器时，磁致伸缩材料发生形变，通过界面力的耦合将形变传递给压电材料，从而使压电材料发生形变，通过压电材料的正压电效应输出电荷，从而实现了磁到电的转换。这种耦合方式我们称之为传统的磁致伸缩-压电耦合磁电方式。

2008年，另外一种新型的磁电耦合方式被发现(参见发表于2008年93期美国AIP协会物理杂志Applied physics letters上名为Giant magnetoelectriceffect in Pb(Zr，Ti)O-3-bimorph/NdFeB laminate device的文章)，这种耦合方式与上述的磁致伸缩-压电耦合方式不同，其通过磁扭力(根据经典电动力学)与压电的耦合方式来实现耦合，这种耦合方式也可实现了强的磁电效应，低频可达上百V/cm.Oe，谐振时甚至可高达几千V/cm.Oe。这种耦合方式我们称之为磁扭-压电耦合磁电方式。

发明内容

本发明提供了一种多耦合的磁传感器，将磁致伸缩-磁扭-压电通过结构设计耦合在一块，从而实现更加理想的磁电传感器设计。

一种多耦合磁传感器，包括传感器本体和施加在传感器本体上的直流磁场；

所述的传感器本体包括磁致伸缩材料片(简称：磁伸缩片)、通过界面的连接与磁伸缩片复合的压电材料片(简称：压电片)以及通过界面的连接与磁伸缩片和/或压电片复合的磁铁块，所述的压电片设有电压输出端。

所述的磁伸缩片采用本领域通用的磁致伸缩材料制成，为片状体，优选磁致伸缩系数高于5ppm的材料，如可选用铽镝铁(Terfenol-D)、非晶合金(即Metglass)或铁镓(即Galfenol)等常见的磁致伸缩材料。

所述的压电片采用本领域通用的压电材料制成，为片状体，优选压电系数d₃₃或者d₃₁在10pC/N以上的材料，如可选用压电陶瓷片、压电单晶片或者压电聚合物等。