[發明專利]一種多耦合磁傳感器

有效

• 申請號: 201110426477.2
• 申請日: 2011-12-19
• 公開（公告）號: CN102520372A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 邢增平;錢華榮;徐凱;何彬
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: G01R33/02
• 分類號: G01R33/02
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 劉誠午

技術領域

本發明涉及電子器件學領域，具體涉及一種可探測磁信號的多耦合磁傳感器。

背景技術

傳感器技術已經成為制約現代化進步的一項重要技術，而傳感器的發展經歷了從普通到高精度，昂貴到大眾化的一個發展過程，發展廉價、高精度、低功耗的傳感器已經成為目前傳感器發展的一個大趨勢。

磁傳感器作為傳感器大類中的一種，在現代科學技術的發展中扮演著越來越重要的作用，其可靠性和靈活性也使其應用變得越來越廣泛。從類型上分，磁傳感器可以分為：感應線圈型(Search?coil)、霍爾效應型(Hall?effect)、磁電阻型(AMR或GMR)、磁隧道型(MTJ或SDJ)、磁光型(Magneto-optical)、光泵型(Optically?pumped)、磁二極管型(Magneto-diode)、磁三極管型(Magneto-transistor)、原子磁力型(Nuclear?precession)、磁通門型(Fluxgate)、磁電型(magnetoelectric)、超導量子干涉型(SQUID)等。這些傳感器都有其自身的優缺點，針對低頻探測而言，最高精度的傳感器目前是SQUID，然而SQUID需要在低溫下工作，且價格昂貴，很難得到普遍應用；其他探測精度比較高的磁傳感器有原子磁力型、磁通門型、磁電阻型、光泵型等，然而，這些類型的磁傳感器要么價格昂貴、要么制作工藝復雜，制約了其普遍應用。因而，有必要開發新的廉價高精度的磁傳感器技術。磁電型磁傳感器，由于其制作工藝簡單，性價比相對比較低，越來越收到青睞。

目前的磁電型傳感器主要由磁致伸縮材料和壓電材料通過層疊復合的方式來獲得磁電效應(與麥克斯維電磁感應定律不一樣的是，其通過材料的內稟耦合來實現磁電的轉換，而非空間的電磁感應)。層狀磁電效應最早的由SQM?Technology公司提出(US?patent?No.5675252.1997)，其后的研究工作陸續在美國的Penn?state?Univedrsity，Virginia?Tech，Oakland?University，俄羅斯的Novgorod?state?University，中國的清華大學和南京大學等單位陸續展開。層狀復合磁電材料的提出可以說是磁電傳感器發展的一個里程碑，其磁電電壓系數(一個用來反映磁電耦合能力的參數)在V/cm.Oe的量級，有的高達10V/cm.Oe，諧振狀態下甚至高達幾百V/cm.Oe。磁電層狀復合材料的出現，使得磁電傳感器的應用成為了可能。為了獲得強的磁電效應，往往需要采用強磁致伸縮系數和強壓電系數的材料進行復合。其工作原理是：當磁場作用到磁電傳感器時，磁致伸縮材料發生形變，通過界面力的耦合將形變傳遞給壓電材料，從而使壓電材料發生形變，通過壓電材料的正壓電效應輸出電荷，從而實現了磁到電的轉換。這種耦合方式我們稱之為傳統的磁致伸縮-壓電耦合磁電方式。

2008年，另外一種新型的磁電耦合方式被發現(參見發表于2008年93期美國AIP協會物理雜志Applied?physics?letters上名為Giant?magnetoelectriceffect?in?Pb(Zr，Ti)O-3-bimorph/NdFeB?laminate?device的文章)，這種耦合方式與上述的磁致伸縮-壓電耦合方式不同，其通過磁扭力(根據經典電動力學)與壓電的耦合方式來實現耦合，這種耦合方式也可實現了強的磁電效應，低頻可達上百V/cm.Oe，諧振時甚至可高達幾千V/cm.Oe。這種耦合方式我們稱之為磁扭-壓電耦合磁電方式。

發明內容

本發明提供了一種多耦合的磁傳感器，將磁致伸縮-磁扭-壓電通過結構設計耦合在一塊，從而實現更加理想的磁電傳感器設計。

一種多耦合磁傳感器，包括傳感器本體和施加在傳感器本體上的直流磁場；

所述的傳感器本體包括磁致伸縮材料片(簡稱：磁伸縮片)、通過界面的連接與磁伸縮片復合的壓電材料片(簡稱：壓電片)以及通過界面的連接與磁伸縮片和/或壓電片復合的磁鐵塊，所述的壓電片設有電壓輸出端。

所述的磁伸縮片采用本領域通用的磁致伸縮材料制成，為片狀體，優選磁致伸縮系數高于5ppm的材料，如可選用鋱鏑鐵(Terfenol-D)、非晶合金(即Metglass)或鐵鎵(即Galfenol)等常見的磁致伸縮材料。

所述的壓電片采用本領域通用的壓電材料制成，為片狀體，優選壓電系數d₃₃或者d₃₁在10pC/N以上的材料，如可選用壓電陶瓷片、壓電單晶片或者壓電聚合物等。