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      一種柵結(jié)構(gòu)磁電式磁場(chǎng)傳感器及制作方法

      文檔序號(hào):7424696閱讀:271來源:國知局
      專利名稱:一種柵結(jié)構(gòu)磁電式磁場(chǎng)傳感器及制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及傳感技術(shù)領(lǐng)域,具體是一種采用柵結(jié)構(gòu),利用鐵磁電層合材料的磁致壓電效 應(yīng)原理制作的磁電式磁場(chǎng)傳感器。
      技術(shù)背景磁致壓電效應(yīng)是指利用磁場(chǎng)來產(chǎn)生電場(chǎng)的效應(yīng),即利用磁信號(hào)來產(chǎn)生電信號(hào)輸出的效 應(yīng)。具有較大磁電靈敏度,且具有應(yīng)用前景的材料是磁致伸縮材料和壓電材料組合成的這種 層合結(jié)構(gòu)材料,它是利用磁致伸縮材料在外磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生磁致伸縮,從而在壓電材料表面 產(chǎn)生切向應(yīng)力,壓電材料受此應(yīng)力作用在兩表面上產(chǎn)生電荷或兩表面間產(chǎn)生電壓的效應(yīng)。由 于該效應(yīng)具有廣闊的應(yīng)用前景,目前,對(duì)該效應(yīng)的研究己形成國際上的一個(gè)研究熱點(diǎn)。國外已開展的研究2003年在美國Virginia的Shuxiang Dong, Jie-Fang Li等人在IEEE TRANSACTION ON ULTRASONICS,FERROELECTRICS AND FREQUENCY CONTROL, VOL.50,No. 10上發(fā)表 了 " Longitudinal and transverse magnetoelectric voltage coefficients of magnetostrictive/piezoelevtric laminate composite:Theory,,論文,該文纟合出了長方形磁致伸縮禾口 壓電材料的磁電效應(yīng)的理論進(jìn)行了分析,并給出了一種等效電路;2005年,Russia的 D.A.FiIippov,在Physicsof the solid state,Vol.47,No.6.pplll8-1121上發(fā)表了 "Theoryof the magnetoelectric effect in ferromagnetic-piezoelectric heterostructures"的i侖文,文中也提出了對(duì) 雙層結(jié)構(gòu)的層合材料磁電效應(yīng)的理論;2006年,Shuxiang Dong, Jie-Fang Li等在Joumalof materials science,2006,41,pp97-106上發(fā)表了"Magnetoelectrictriccoupling,efFiciency,and voltage gain effect in piezoelectric-piezomagnetic laminate composites"的論文,文中介紹了這禾中長方形 層合結(jié)構(gòu)的磁電效應(yīng),并給出了一種變壓器結(jié)構(gòu);Shuxiang Dong,Junyi Zhai等在Journal of applied physics 100,124106(2006)上發(fā)表了一篇"Enhanced magnetoelectric effect in three-phase MnZnFeO/TbDyFe/Pb(Zr,Ti)03 composites"的論文,文章給出了一種在層合材料兩端加MnZn 鐵氧體材料來增加靈敏度的方法;2006年,Shuxiang Dong禾卩Jungyi Zhai等在Applied physics letters,89,(122903)上發(fā)表了采用u金屬與層合材料組合的磁電效應(yīng)研究,目的是提高 傳感器的靈敏度;2007年,Y.MJia,S.W.Or等在AppliedPhysicsA,86, pp525-528上給出 了 "Magnetoelectriceffect in composites of magnet,metal-cap,and piezoceramic,,文章,介紹了 一 種金屬圓臺(tái)外加磁鐵結(jié)構(gòu)的磁電效應(yīng)研究結(jié)果。國內(nèi)已開展的研究有國內(nèi)對(duì)這種層合材料的研究主要在重慶大學(xué)文玉梅領(lǐng)導(dǎo)的研究小組,開展了對(duì)磁致伸縮 材料與壓電材料及金屬膜片組合材料的磁電效應(yīng)的研究,還對(duì)喇叭形(超聲變幅桿復(fù)合結(jié)構(gòu) 磁電換能器作過研究,見《傳感技術(shù)學(xué)報(bào)》,2007年,第8期;楊帆,文玉梅,李平,鄭敏, 卞雷祥在《物理學(xué)報(bào)》,2007,第6期上發(fā)表過"考慮損耗的磁致/壓電復(fù)合材料的諧振磁電 響應(yīng)分析";2007年,南京大學(xué)的胡淵,龔國斌,曹東升登在《復(fù)合材料學(xué)報(bào)》上發(fā)表了 "壓 電/磁致伸縮/環(huán)氧樹脂層合復(fù)合材料的磁電效應(yīng)及其頻率特性"的研究論文,這是將壓電材 料粉末與磁伸材料粉末混合用膠混合,壓制成塊材,對(duì)其磁電效應(yīng)進(jìn)行研究;南京大學(xué)的 N.Zhang等還在Journal of applied physics雜志上發(fā)表"Is the magnetoelectric coupling is stickup bilayers liner "的研究論文,對(duì)雙層結(jié)構(gòu)的磁電效應(yīng)做過研究,但這種材料的磁電效應(yīng) 靈敏度并不大;2008年,楊偉偉,文玉梅,李平,卞雷祥在《物理學(xué)報(bào)》,2008,第57巻,第7 期上發(fā)表"GMM/彈性板/PZT層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)的縱振磁電響應(yīng)"的研究論文;另外,中國科 學(xué)院上海硅酸鹽研究所賈艷敏等對(duì)PMN-PT作為壓電材料的構(gòu)成的層合材料作過研究,有 關(guān)研究論文發(fā)表在《科學(xué)通報(bào)》,2008,第53巻,第10期,pll72,"復(fù)合材料Terfenol-D/PMNT 的磁電和逆磁電響應(yīng)"。其他單位對(duì)此效應(yīng)的研究則鮮有報(bào)道。從國內(nèi)外在該方面的研究來看,人們的研究均集中在對(duì)長方形(最常用的尺寸為12mm X6mm)磁致伸縮材料與一具有同樣面積的壓電材料上,都是停留在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)磁電效應(yīng) 進(jìn)行研究;對(duì)細(xì)棒形結(jié)構(gòu)至今未有報(bào)道,對(duì)將稀土永磁直接粘貼在傳感器上未作報(bào)道,對(duì)有 細(xì)棒構(gòu)成的柵結(jié)構(gòu)更未見有報(bào)道。且現(xiàn)有的研究均局限于實(shí)驗(yàn)室研究中,偏置磁場(chǎng)通常釆用 大型電磁鐵產(chǎn)生,未見有真正實(shí)用的傳感器器件的報(bào)道。對(duì)我們所提出的柵結(jié)構(gòu)磁致伸縮材 料與壓電材料結(jié)合制得的新型磁傳感器尚未見報(bào)道。本發(fā)明提出了 一種細(xì)棒形磁致伸縮材料在壓電材料表面形成柵結(jié)構(gòu),與同尺寸的未用柵結(jié)構(gòu)的傳感器相比,柵結(jié)構(gòu)可使傳感器靈敏度提高3 5倍甚至更多(這取決于柵數(shù)目,隨柵數(shù)目增多靈敏度增大)。即采用柵結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)增敏目的,通過研制出的傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn),確實(shí)實(shí)現(xiàn)了增敏。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出一種具有柵結(jié)構(gòu)磁致伸縮材料與壓電材料通過層合構(gòu)成的利用磁 電效應(yīng)的磁電式傳感器。這種結(jié)構(gòu)可在一塊壓電材料上,制作出多個(gè)壓電元件,通過各壓電 元件的串、并聯(lián)來提高傳感器的電壓靈敏度及電荷靈敏度,因此為此類傳感器提出了一種有 效增敏的方法,使用該方法可使靈敏度提高數(shù)倍。將永磁材料直接粘于磁致伸縮材料的表面,該磁鐵為磁致伸縮材料提供一定值的靜態(tài)偏置磁場(chǎng),在交變磁場(chǎng)作用下可實(shí)現(xiàn)自發(fā)電檢測(cè), 因此該傳感器無需供電即可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。還可用于在有交變磁場(chǎng)的環(huán)境下自發(fā)電,可給無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)提供工作電源。一種磁電式磁場(chǎng)傳感器,包括壓電材料,若干磁致伸縮細(xì)棒和永磁材料,壓電材料上設(shè) 有柵狀導(dǎo)電銀膜,導(dǎo)電銀膜上設(shè)有電極引線;導(dǎo)電銀膜的數(shù)量和寬度與磁致伸縮細(xì)棒一一對(duì) 應(yīng),磁致伸縮細(xì)棒位于柵狀導(dǎo)電銀膜上并相互平行,永磁材料平行放置在中間位置的磁致伸 縮細(xì)棒上。上述磁電式磁場(chǎng)傳感器,巨磁致伸縮材料為Tdo.3Dya7Fe2 (Terfenol-D) 上述磁電式磁場(chǎng)傳感器,壓電材料為鋯鈦酸鉛(PZT)上述磁電式磁場(chǎng)傳感器,磁致伸縮細(xì)棒的長度為0.5厘米 5厘米,寬度0.5~1.5mm,厚 度為0.5-1.5mm上述磁電式磁場(chǎng)傳感器,永磁材料為NdFeB,寬度與壓電材料同寬,長度為壓電材料 長度的一半。上述磁電式磁場(chǎng)傳感器,細(xì)棒的具體數(shù)目根據(jù)壓電材料的寬度、柵距和柵寬而定。 上述磁電式磁場(chǎng)傳感器的制備方法,具體為將大塊磁致伸縮材料制成若干磁致伸縮細(xì) 棒,將壓電材料的導(dǎo)電銀膜制成柵狀結(jié)構(gòu);在導(dǎo)電銀膜上引出電極引線;用膠將磁致伸縮細(xì) 棒粘貼于壓電材料的導(dǎo)電銀膜上,細(xì)棒與細(xì)棒間保持平行,施壓后放置自然晾干或烘烤,再 將NdFeB永磁材料直接粘于磁致伸縮細(xì)棒表面。對(duì)上述磁電式磁場(chǎng)傳感器進(jìn)行性能檢測(cè),檢測(cè)方法為在導(dǎo)電銀膜上引出引線,采用并 聯(lián)或串聯(lián)的方式將各壓電條的信號(hào)進(jìn)行疊加實(shí)現(xiàn)增敏,將傳感器放于長直螺線管的中心位 置,在長直螺線管(其軸心中心處的電流磁場(chǎng)靈敏度為15Oe/0.1A)中通入lKHz的交變電 流,則在傳感器中產(chǎn)生交變電壓,交變電壓的幅值與交變磁場(chǎng)的幅值成正比;改變頻率并當(dāng) 頻率得到一定值時(shí),靈敏度會(huì)得到最大值,此時(shí)即出現(xiàn)共振現(xiàn)象。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的,具體方法及步驟如下1. 本發(fā)明是在沿縱向(長度方向)或沿厚度方向極化的較大塊壓電材料上,制作出條狀導(dǎo)電層(通常為銀層),相鄰兩條導(dǎo)電條間隔可從0.5 1.5mm間變化,導(dǎo)電條寬也 可從0.5 1.5mm間變化;2. 用Terfenol-D材料制作磁致伸縮棒,棒寬與導(dǎo)電柵寬度相等,厚度為0.5 1.5mm,其 長度略短于壓電材料導(dǎo)電柵長度,棒表面采用拋光方法使其表面光滑平整;3. 將磁致伸縮細(xì)棒粘貼于壓電材料的導(dǎo)電銀膜上,可單面粘貼,亦可雙面粘貼,雙面粘貼兩面應(yīng)保持對(duì)齊;4. 將導(dǎo)電電極用電極引線進(jìn)行串聯(lián)或并連,對(duì)每個(gè)傳感器僅能選擇一種連接方式;5. 將具有極高磁能極的NdFeB永磁材料粘貼于磁致伸縮材料的表面上,最終制作完 成該傳感器的傳感頭;6. 對(duì)電極串聯(lián)連接的傳感器制作出電荷放大器與其配合使用;7. 對(duì)電極并聯(lián)連接的傳感器的配上高輸出阻抗、短連接線的儀器。 本發(fā)明顯著提高了傳感器對(duì)交變磁場(chǎng)的測(cè)量靈敏度,可對(duì)交變磁場(chǎng)及導(dǎo)線產(chǎn)生的交變電流進(jìn)行檢測(cè),具有無需供電即可產(chǎn)生與被檢測(cè)交變磁信號(hào)成正比的電壓輸出信號(hào)的特點(diǎn),在 較寬的頻率范圍內(nèi)輸出靈敏度幾乎不隨頻率改變;不僅可用于交變磁場(chǎng)及交變電流信號(hào)的測(cè) 量,還可用于交變磁場(chǎng)環(huán)境下的發(fā)電。


      圖1磁傳感器橫主視圖(未包括永磁材料) 圖2磁傳感器俯視中1、 PZT壓電材料截面2、巨磁致伸縮細(xì)棒截面3、導(dǎo)電柵截面4、電極引線具體實(shí)施方式
      下面結(jié)合實(shí)例作進(jìn)一步描述。用長13mm,寬6mm,厚1.2mm的沿橫向極化的Pb(Zn.JV)03(PZT5H)材料表面銀電極每面 都分割成4條,每條寬度lmm,間隔約0.7mm;用長12mm,寬0.9mm,高lmm的 Terfenol-D(TbDyFe)的磁伸材料細(xì)棒在壓電材料兩面分別粘貼,磁伸材料細(xì)棒的易磁化方向 沿棒長方向,再制作好電極與導(dǎo)線的連線,本發(fā)明實(shí)例采用串聯(lián)方式,粘貼長方體NdFeB 永磁,其軸向表面場(chǎng)為420Oe;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在低頻下0.1~65KHz下,傳感器的磁靈敏 度系數(shù)達(dá)176mV/Oe,而用長12mm寬6mm高lmm的整塊磁伸材料制作的傳感器磁靈敏度 系數(shù)僅為52mV/Oe,對(duì)比可知釆用本發(fā)明提出的柵結(jié)構(gòu)在減小傳感器體積減輕傳感器重量 的情況下,還可大幅度增大傳感器的靈敏度,可見柵結(jié)構(gòu)構(gòu)思獨(dú)特,增敏效果明顯;在82KHz 處產(chǎn)生共振,共振時(shí)磁場(chǎng)靈敏度系數(shù)達(dá)1.81V/Oe。利用新材料的新效應(yīng)發(fā)明出新型傳感器, 并采用層疊柵結(jié)構(gòu)增敏技術(shù)提高傳感器的靈敏度,是具有新意的思想;這種傳感器無需電源 供電通過自發(fā)電即可實(shí)現(xiàn)對(duì)外部磁信號(hào)的檢測(cè),且具有高靈敏度,低噪聲,它是一款節(jié)能的 綠色傳感器,在實(shí)際的檢測(cè)技術(shù)中具有廣泛的用途,其應(yīng)用領(lǐng)域有待進(jìn)一步開發(fā)。
      權(quán)利要求
      1、一種柵結(jié)構(gòu)磁電式磁場(chǎng)傳感器,包括壓電材料,若干磁致伸縮細(xì)棒和永磁材料,壓電材料上設(shè)有柵狀導(dǎo)電銀膜,導(dǎo)電銀膜上設(shè)有電極引線;導(dǎo)電銀膜的數(shù)量和寬度與磁致伸縮細(xì)棒一一對(duì)應(yīng),磁致伸縮細(xì)棒位于柵狀導(dǎo)電銀膜上并相互平行,永磁材料平行放置在中間位置的磁致伸縮細(xì)棒上。
      2、 權(quán)利要求1所述的傳感器,其特征在于巨磁致伸縮材料為Tda3Dya7Fe2 (Terfenol-D)。
      3、 權(quán)利要求l所述的傳感器,其特征在于壓電材料為鋯鈦酸鉛(PZT)。
      4、 權(quán)利要求1所述的傳感器,其特征在于:磁致伸縮細(xì)棒的長度為0.5厘米 5厘米,寬度0.5 1.5mm,厚度為0.5~1.5mm。
      5、 權(quán)利要求1所述的傳感器,其特征在于永磁材料為NdFeB,寬度與壓 電材料同寬,長度為壓電材料長度的一半。
      6、 權(quán)利要求l所述的傳感器,其特征在于柵狀導(dǎo)電銀膜之間的間隔為 0.5~1.5mm,導(dǎo)電銀膜的寬度為0.5 L5mm。
      7、 權(quán)利要求1所述的傳感器的制備方法,具體為將大塊磁致伸縮材料制 成若干磁致伸縮細(xì)棒,將壓電材料的導(dǎo)電銀膜制成柵狀結(jié)構(gòu);在導(dǎo)電銀膜上引出 電極引線;用膠將磁致伸縮細(xì)棒粘貼于壓電材料的導(dǎo)電銀膜上,細(xì)棒與細(xì)棒間保 持平行,施壓后放置自然晾干或烘干,再將NdFeB永磁材料直接粘于磁致伸縮 細(xì)棒表面。
      8、 權(quán)利要求7所述的制備方法,其特征在于磁致伸縮棒細(xì)棒粘貼于壓電 材料的單面或雙面,雙面粘貼兩面應(yīng)保持對(duì)齊。
      全文摘要
      本發(fā)明涉及傳感技術(shù)領(lǐng)域,具體為一種柵結(jié)構(gòu)磁電式磁場(chǎng)傳感器及制作方法。傳感器包括壓電材料,若干磁致伸縮細(xì)棒和永磁材料,壓電材料上設(shè)有柵狀導(dǎo)電銀膜,導(dǎo)電銀膜上設(shè)有電極引線;導(dǎo)電銀膜的數(shù)量和寬度與磁致伸縮細(xì)棒一一對(duì)應(yīng),磁致伸縮細(xì)棒位于柵狀導(dǎo)電銀膜上并相互平行,永磁材料平行放置在中間位置的磁致伸縮細(xì)棒上。本發(fā)明顯著提高了傳感器對(duì)交變磁場(chǎng)的測(cè)量靈敏度,可對(duì)交變磁場(chǎng)及導(dǎo)線產(chǎn)生的交變電流進(jìn)行檢測(cè),具有無需供電即可產(chǎn)生與被檢測(cè)交變磁信號(hào)成正比的電壓輸出信號(hào)的特點(diǎn),在較寬的頻率范圍內(nèi)輸出靈敏度幾乎不隨頻率改變;不僅可用于交變磁場(chǎng)及交變電流信號(hào)的測(cè)量,還可用于交變磁場(chǎng)環(huán)境下的發(fā)電。
      文檔編號(hào)H02N2/00GK101545957SQ20091003117
      公開日2009年9月30日 申請(qǐng)日期2009年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月24日
      發(fā)明者英 駱, 鮑丙豪 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)
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