[發明專利]一種柔性的層狀磁電元件

無效

• 申請號: 201110384434.2
• 申請日: 2011-11-28
• 公開（公告）號: CN102427111A
• 公開（公告）日: 2012-04-25
• 發明（設計）人: 于昊
• 申請（專利權）人: 西交利物浦大學
• 主分類號: H01L43/00
• 分類號: H01L43/00;H01L43/02;G01R33/06
• 代理公司: 蘇州創元專利商標事務所有限公司 32103
• 代理人: 范晴

技術領域

本發明涉及一種采用柔性層狀復合磁電材料作為磁場傳感器的技術，具體涉及一種柔性的層狀磁電元件。

背景技術

磁電材料(也叫鐵電磁體)是同時具有磁性、鐵電性材料的總稱，在結構上同時存在磁有序和電有序狀態。這兩種有序狀態發生相互作用，產生一種新的效應，稱作“磁電效應”，即：磁電材料置于外加磁場中時，材料的電極化狀態將會發生改變；相反地，置于外加電場中時，材料的磁化狀態也將發生相應變化。這種對外場響應的能力大小通常采用磁電轉化系數α(α=dE/dH)來評價，即微小磁場變化引起的電場改變。對磁電材料的研究正受到越來越多的關注，主要是因為磁電材料同時兼具磁性、鐵電性、磁電性三種性能，是一種曾經被忽視但最近重獲重視的多功能材料。從組成上，磁電材料可分為單相與復合材料兩大類。單相磁電材料主要集中在對釔鐵石榴石、硼酸物、稀土或鐵(錳)酸鹽和磷酸鹽等體系。磁電復合材料主要通過壓電體(包括PZT、PMN-PT、PT、BT等)與磁性材料(包括金屬磁性材料和鐵氧體)的復合形成：壓電相與磁性相復合置于外加磁場中，磁致伸縮效應導致磁性相發生形變，產生應力，應力傳遞到壓電相上，由正壓電效應，在壓電材料表面產生束縛電荷，即發生“磁電效應”；反之亦然。簡而言之，通過應力、應變的傳遞作用實現磁致伸縮效應與壓電效應的耦合，宏觀上體現為磁場與電場的相互轉化，微觀上體現為磁有序與電有序狀態的改變。實驗表明，復合材料比單相材料有更大的磁電轉化系數，因此，從應用角度考慮，復合材料受到越來越多的關注。

由于磁電特性的存在，磁電材料用于磁場探測可以獲得極高的靈敏度磁電信號與交流磁場存在良好的線性關系，材料種類豐富，制備簡單，性能可調空間大，可以設計制成各種復雜的結構，與微電子電路兼容性好，因此在元器件設計上應比其它材料更為簡化，更為智能和多樣。以微弱磁場探測為例，磁場傳感器可用于電纜路徑的探測與電纜的鑒別，用于導航和偵察交通異常狀況；在醫學方面，用于探測人體電磁波，檢測疾病；在軍事上被改良用于偵察潛艇；在地質勘探、考古、空間磁場探測、航天器飛行姿態控制等許多領域中得到應用。從使用功能上看，磁傳感器可制成磁編碼器、位移傳感器、轉速傳感器、氣象傳感器、新電功能圖傳感器等等。只要設計巧妙，磁傳感器幾乎可應用在所有自動控制和傳感領域。目前磁場傳感器雖然得到了較好的發展，但是微弱磁場信號的探測尚有很大的發展空間和需求，特別是用作軍事用途。以靈敏度為例，SQUID可能是目前普遍使用最為靈敏的磁場探測器，可惜其使用需要低溫條件，設備龐大昂貴，無法實現靈活機動。而軍事探測則要求探測器體積小性能穩定、操作簡單。在這方面，磁電材料優勢明顯，其靈敏度已經堪比SQUID甚至更高，卻只需在室溫運行，所以可以實現小體積，控制讀寫簡單。除此之外，目前的各種磁場傳感器尚存在著一些缺陷。霍爾器件雖然使用方便，價格便宜，但精度仍顯不夠，溫度穩定性不好。因此，研究和開發新型磁場探測用磁電材料在今后很長一段時間仍將是國內外研究的重點和熱門方向。如何利用磁電材料研制出體積小、靈敏度高、使用溫度廣、成本低、室溫性能穩定的新型磁場探測技術是本項目提出的客觀應用需要。

實驗及理論證明，磁電層狀復合材料有非常大的磁電轉化系數，比其他磁電材料大500倍以上，被稱作巨磁電（Giant?ME，簡寫為GME）效應。自2001年以來，基于層狀復合磁電材料的GME效應越來越受到關注。目前國際上已經實現交流磁場探測最高靈敏度達10^-15特斯拉（在共振頻率附近），而低頻及直流磁場探測靈敏度可達10^-12特斯拉甚至更高，這些極限已經堪比SQUID的檢測精度（如液氦溫度下10^-14特斯拉）。尤其值得注意的是，磁電材料相關傳感元件的制備成本非常低。因此在磁傳感器領域有很大的市場應用前景。最近，基于層狀復合磁電材料的原理型器件已經被開發出來用于地球磁場檢測和磁掃描探針顯微鏡。

之前研究報導的磁電層狀材料都是由硬性材料（金屬和陶瓷）組成的，形成的器件具有剛性，不易彎曲。在很多應用場合，使用柔性材料作為傳感器件具有更多的優勢。特別是用于醫療領域的磁傳感器件，如果能夠達到“可穿戴”，將有更多的應用前景。

發明內容

本發明目的是：提供一種柔性的，可彎曲折疊的柔性的層狀磁電元件。