CN103353583A - 一种磁场传感器 - Google Patents

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王中林
杨亚
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Abstract

本发明提供一种磁场传感器，在纳米发电机上固定磁敏感体，所述磁敏感体在磁场的作用下将带动纳米发电机产生形变，在纳米发电机的两电极产生电信号，通过探测纳米发电机的输出信号进行磁场强度测量。本发明通过将磁能转化成机械能，进一步转化成电能，从而测量相应的磁场，无需外接电源，即可进行磁场强度的测量。

Description

一种磁场传感器
技术领域
本发明涉及传感器领域，特别是涉及探测磁场变化的磁场传感器。
背景技术
磁场无论是在古代还是在现代都起着非常重要的作用，磁场的探测在航海、矿物探测、环境监测等领域都是非常重要的。目前，已经报道的磁场传感器有两种，一种是基于霍尔效应机理的磁传感器，其工作原理是当电流垂直于待测磁场通过导体时，在导体的垂直于待测磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，通过测量产生的电势差来探测磁场强度；另外一种是基于磁电阻机理的磁传感器，其工作原理是通电的金属或半导体在变化的磁场作用时会引起电阻值的变化，通过测量金属或半导体的电阻变化可以反应磁场的变化。
现有的两种磁场传感器虽然都可以进行磁场测量，但是，这两种机理的磁场传感器进行磁场测量时都需要外部的电源提供通过磁场的电流，在没有外部电源的条件下，这两种磁场传感器是不可以工作的。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种无需外部电源的磁场传感器。
为了达到上述目的，本发明提供一种磁场传感器，包括：纳米发电机和磁敏感体，其中，
所述磁敏感体固定在所述纳米发电机上；
所述磁敏感体在变化的磁场作用下带动所述纳米发电机发生形变，使所述纳米发电机产生电信号。
优选的，所述纳米发电机为压电纳米发电机，包括：
柔性基底；
所述柔性基底上的底电极层；
所述底电极层上的压电层；
所述压电层上的顶电极层。
优选的，所述压电层为压电材料薄膜，或者纤锌矿结构材料纳米线阵列。
优选的，所述底电极层和/或顶电极层为ITO薄膜。
优选的，所述纳米发电机为摩擦电纳米发电机，所述摩擦电纳米发电机具有层状结构，依次包括底电极层、第一绝缘层、绝缘支撑体、第二绝缘层和顶电极层，其中，
所述第一绝缘层与第二绝缘层的材料存在摩擦电极序差；
所述绝缘支撑体使所述第一绝缘层与第二绝缘层之间形成空隙，在所述变化的磁场作用下，所述磁敏感体使所述第一绝缘层与第二绝缘层互相接触。
优选的，所述第一绝缘层和/或第二绝缘层的材料为无机非金属材料、有机高分子材料或其组合。
优选的，所述磁敏感体为铁磁材料。
优选的，所述纳米发电机的一端被固定，所述磁敏感体固定在所述纳米发电机的自由端，所述磁敏感体在所述变化的磁场作用下移动。
优选的，所述纳米发电机为两端被固定的片状结构，所述磁敏感体固定在所述纳米发电机的中间，所述磁敏感体在所述变化的磁场作用下移动。
优选的，所述磁敏感体固定在所述摩擦电纳米发电机的所述底电极层或顶电极层上。
与现有技术相比，本发明的振动探测器具有下列优点：
本发明提供一种磁场传感器，采用固定在压电纳米发电机或者摩擦电纳米发电机上的磁敏感体，磁敏感体在磁场的作用下将带动纳米发电机产生形变，因此在纳米发电机的两电极产生电信号。本发明可以将磁能转化成机械能，进一步转化成电能，从而测量相应的磁场。采用本发明的磁场传感器进行磁场强度测量，无需外接电源，是一种自驱动的磁场传感器。
本发明的磁场传感器可以用来监控磁场的动态变化过程，应用于自驱动磁场传感器***中。
附图说明
通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为本发明磁场传感器实施例一的工作原理图；
图2和图3为本发明磁场传感器实施例一的结构示意图；
图4为本发明磁场传感器实施例二的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有的两种磁场传感器，无论是是基于霍尔效应机理的磁传感器，还是基于磁电阻机理的磁传感器，进行磁场测量时都需要外部的电源提供通过磁场的电流，在没有外部电源的条件下，这两种磁场传感器是不可以工作的。研究发现，磁场对磁性材料具有吸引力，吸引力的大小和磁场的强度成正比。这种吸引力作用在纳米发电机上，并会导致发电机的弯曲变形，其结果是发电机的输出信号可以被用来探测磁场的强度。为了克服现有磁场传感器的缺陷，本发明提供一种无需外部电源供电即可进行磁场变化感应的磁场传感器，本发明的技术方案是采用纳米发电机结合磁敏感体，当固定在纳米发电机上的磁敏感体在磁场变化时发生位置变化，带动纳米发电机发生形变，使纳米发电机产生电信号。本发明就是利用纳米发电机的输出信号探测磁场的强度。
实施例一：
本实施例中，参见图1，磁场传感器包括纳米发电机和磁敏感体104，其中，所述纳米发电机为压电纳米发电机，包括压电层101、以及压电层101上下表面的电极层103。所述压电纳米发电机的一端被固定，磁敏感体104固定在所述压电纳米发电机的自由端。
本实施例中的磁敏感体104可以为一圆形的铁片，固定在纳米发电机的自由端，作为磁场的探测单元--磁敏感体。纳米发电机的上下两电极层103用铜线引出，并连接到一个电压表102。将本实施例的磁场传感器放置在待探测的磁场附近，这里的磁场可以是电磁体105产生的磁场，或者是永磁体产生的磁场等。使待探测的磁场放置在铁片的正下方，当磁场发生变化时，铁片和磁场之间的吸引力将导致纳米发电机弯曲变形，并最终输出电压信号。铁片和磁场之间的吸引力随着磁场强度的增强而增大，发电机的输出信号随着吸引力的增强而增大。
这里的压电层可以为磁控溅射方法制备的PZT（锆钛酸铅）、BTO（钛酸钡）等具有压电特性的薄膜，或者水热法制备的纤锌矿结构纳米线阵列，例如ZnO、GaN、InN、CdS等的纳米线阵列。
在本实施例中，纳米发电机采用压电纳米发电机，其具体结构可以参见图2，包括：柔性的基底110、柔性基底110上的底电极层111、底电极层111上的压电层；所述压电层上的顶电极层114。本实施例中的压电层为ZnO、GaN、InN、CdS等的纳米线阵列，在纳米线阵列中填充有弹性介电层113，用于支撑阵列中的纳米线，其中，纳米线阵列与柔性基底110或底电极层111基本垂直。底电极层111和顶电极层114都可以为导电ITO薄膜或者其它柔性电极材料。参见图2，磁敏感体115固定在压电纳米发电机的一端。
当纳米发电机的一端被固定，即柔性基底110的一端A被固定时，磁敏感体115固定在纳米发电机的自由端，当磁场强度发生变化时，所述磁敏感体在变化的磁场作用下移动，使纳米发电机发生形变导致底电极层111和顶电极层114之间产生电信号。
在本发明的其他实施例中，也可以将片状纳米发电机的两端都固定，参见图3，将柔性基底110的两端A和B都固定，将磁敏感体116固定在纳米发电机的中部，具体可以固定在顶电极层114的中部。
本实施例中的柔性基底可以为PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯，polyethylene terephthalate）等柔性有机物。
实施例二：
本实施例的磁场传感器中，纳米发电机为摩擦电纳米发电机，摩擦电纳米发电机的具体结构参见图4，所述摩擦电纳米发电机包括衬底200、衬底上依次包括底电极层201、第一绝缘层202、绝缘粘结层205、第二绝缘层204和顶电极层203，其中，所述第一绝缘层202与第二绝缘层204的材料存在摩擦电极序差；所述绝缘粘结层205使所述第一绝缘层202与第二绝缘层204之间形成空隙206，磁敏感体207在磁场作用下，使第一绝缘层202与第二绝缘层203互相接触。磁敏感体207受到磁场的作用力越强，第一绝缘层202与第二绝缘层203互相接触面积越大，在底电极层201和顶电极层203之间产生的电信号越强。因此，通过测量底电极层201和顶电极层203之间产生的电信号可以获得磁场的变换情况。
本实施例中的第一绝缘层202和第二绝缘层204的材料，可以采用无机非金属材料或有机高分子材料，可以均为无机非金属材料，或者有机高分子材料。第一绝缘层202或第二绝缘层204面向空隙206的表面也可以为具有纳米结构的表面，例如纳米线阵列等。
作为一个具体实施例，本实施例磁场传感器中摩擦电纳米发电机的具体制备过程可以为，在柔性的PET基底上沉积一层导电ITO薄膜作为顶电极层，利用模板制作纳米结构的PDMS阵列，在其底部沉积一层导电ITO薄膜作为底电极层。利用Kapton胶带连接PET和PDMS结构的两端使PET和PDMS之间形成空隙，导电的ITO薄膜朝向外面。其中，PET和PDMS分别为第一绝缘层和第二绝缘层。
磁敏感体在摩擦电纳米发电机上的位置与实施例一中的类似，可以如图4中位于纳米发电机的顶电极层上，并且位于顶电极层的中间位置。
根据摩擦电纳米发电机的固定部位不同，磁敏感体在摩擦电纳米发电机上固定的位置可以不同，对于具有自由端的摩擦电纳米发电机，磁敏感体的固定位置优选为自由端；对于有多个固定位置的摩擦电纳米发电机，磁敏感体的固定位置优选为摩擦电纳米发电机的中间位置。
采用本发明的磁场传感器在测试磁场之前，需要对制作的磁场传感器进行校准，确定磁场和传感器的距离。
本发明的磁场传感器可以用来测量磁场变化的动态过程。如果磁场保持不变，纳米发电机的形变保持在某一固定的状态下，没有输出电信号被观察到。
本发明的所有实施例中，磁敏感体的形状和材料不应该限定本发明的保护范围，在磁场中受到力作用的材料都可以作为磁敏感体的材料，例如磁性材料，Fe、Co、Ni等材料。磁敏感体的形状可以为块状、片状、薄膜等形状。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种磁场传感器，其特征在于，包括：纳米发电机和磁敏感体，其中，
所述磁敏感体固定在所述纳米发电机上；
所述磁敏感体在变化的磁场作用下带动所述纳米发电机发生形变，使所述纳米发电机产生电信号。
2.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，所述纳米发电机为压电纳米发电机，包括：
柔性基底；
所述柔性基底上的底电极层；
所述底电极层上的压电层；
所述压电层上的顶电极层。
3.根据权利要求2所述的磁场传感器，其特征在于，所述压电层为压电材料薄膜，或者纤锌矿结构材料纳米线阵列。
4.根据权利要求2或3所述的磁场传感器，其特征在于，所述底电极层和/或顶电极层为ITO薄膜。
5.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，所述纳米发电机为摩擦电纳米发电机，所述摩擦电纳米发电机具有层状结构，依次包括底电极层、第一绝缘层、绝缘支撑体、第二绝缘层和顶电极层，其中，
所述第一绝缘层与第二绝缘层的材料存在摩擦电极序差；
所述绝缘支撑体使所述第一绝缘层与第二绝缘层之间形成空隙，在所述变化的磁场作用下，所述磁敏感体使所述第一绝缘层与第二绝缘层互相接触。
6.根据权利要求5所述的磁场传感器，其特征在于，所述第一绝缘层和/或第二绝缘层的材料为无机非金属材料、有机高分子材料或其组合。
7.根据权利要求1、2或5所述的磁场传感器，其特征在于，所述磁敏感体为铁磁材料。
8.根据权利要求2或3所述的磁场传感器，其特征在于，所述纳米发电机的一端被固定，所述磁敏感体固定在所述纳米发电机的自由端，所述磁敏感体在所述变化的磁场作用下移动。
9.根据权利要求2或3所述的磁场传感器，其特征在于，所述纳米发电机为两端被固定的片状结构，所述磁敏感体固定在所述纳米发电机的中间，所述磁敏感体在所述变化的磁场作用下移动。
10.根据权利要求5或6所述的磁场传感器，其特征在于，所述磁敏感体固定在所述摩擦电纳米发电机的所述底电极层或顶电极层上。
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