CN104949694B - 一种磁扭型磁电传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁扭型磁电传感器。该磁电传感器采用单片压电片，将该单片压电片电极进行分割处理，形成两段以上彼此间隔的小压电区；然后将各段小压电区沿厚度方向进行电极化处理，相邻的两段小压电片的极化方向相反，极化完毕后将极化方向相同的各段小压电片相连作为一输出端，得到两个输出端；工作状态时，磁铁在外加磁场作用下产生磁扭力，通过界面接触带动各段小压电区产生弯曲变形，从而在两个输出端产生电压输出。与现有技术相比，该结构的磁电传感器一方面避免了采用双片电压片时产生界面滑移而导致失效的问题，另一方面降低了制作成本，有利于大规模生产。

Description

一种磁扭型磁电传感器

技术领域

本发明涉及电子材料器件学领域，具体涉及一种可探测磁信号的磁扭型磁传感器。

背景技术

传感器技术已经成为衡量现代化进步的一项重要技术，高精度、廉价、低功耗的传感器已经成为目前传感器的发展趋势。

作为传感器中的一种，磁传感器在现代科学技术发展中扮演着重要角色，其可靠性和灵活性的提高也使其应用变得越来越广泛。以类型分类，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。

这些磁传感器都有其自身的优缺点。针对低频探测而言，目前最高精度的磁传感器是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、光泵型磁传感器等，然而，这些类型的磁传感器要么价格昂贵、要么制作复杂，制约了普遍应用。

相比而言，磁电传感器因制备简单而受到人们的青睐。目前，常见的磁电型传感器主要由磁致伸缩材料和压电材料层叠复合，通过材料的内禀耦合实现磁电转换，获得磁电效应。这种层状磁电效应最早是由SQM Technology公司提出（US patentNo.5675252.1997），后来美国的Penn state Univedrsity，Virginia Tech，OaklandUniversity，俄罗斯的Novgorod state University，中国的清华大学和南京大学等单位进行了相关的研究工作。

这种层状磁电传感器的工作原理是：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，从而实现磁到电的转换。这种耦合方式称为磁致伸缩-压电耦合磁电方式。为了获得强的磁电效应，往往需要采用具有强磁致伸缩系数和强压电系数的材料进行复合。常见的具有巨磁致伸缩系数的材料有铽镝铁（Terfenol-D）、铁镓（Galfenol）、非晶合金（Metglass）等。但是，Terfenol-D和Galfenol均需要昂贵稀土材料来制备，价钱昂贵，因而限制了其规模化使用；Metglass虽然比较便宜，但是使用其制成的磁电传感器灵敏度容易受地球磁场影响，因而限制了其在多种场合下的使用。

2008年，科学家提出了一种不采用磁致伸缩材料制成磁电器件的方法，参见发表于2008年93期美国AIP协会物理杂志Applied physics letters上名为Giantmagnetoelectric effect in Pb(Zr,Ti)O-3-bimorph/NdFeB laminate device的文章。该方法采用压电双晶片和磁铁复合而实现磁电效应，为了与前述的层状磁电传感器区别，这种磁电器件也被称为磁扭型磁电传感器。磁扭型磁电传感器由于采用了便宜的磁铁取代磁致伸缩材料，而使得其制作成本大大降低；此外，与层状磁电传感器不同，磁扭型磁电传感器采用磁钮力致压电变形，而磁铁，如NdFeB等的磁钮力在比较宽的工作范围内均能保持稳定，这使得该类传感器在极宽的磁场范围都具有很稳定的灵敏度。

但是，目前的磁扭型磁电传感器结构中多采用叠放在一起的压电双晶片，在长时间工作环境中该压电双晶片容易发生界面滑移而导致失效，另外采用多片压电片也使得器件制作成本增加。

发明内容

本发明针对上述采用压电双晶片的磁扭型磁电传感器结构的不足，提供了一种新型结构的磁扭型磁电传感器，其具有结构简单、制作成本低、性能稳定，以及适用于大规模生产等优点。

一种磁扭型磁电传感器，包括压电片以及磁铁；

所述的磁铁至少与压电片的一端相连接；

所述的压电片采用单片压电片，该单片压电片电极经分割处理，形成两段及两段以上的小压电区，相邻的两段小压电区之间存在间隔；然后将各段小压电区沿厚度方向进行极化处理，相邻的两段小压电区的极化方向相反，极化完毕后将极化方向相同的各段小压电片相连作为一输出端，得到两个输出端；

工作状态时，磁铁在外加磁场作用下产生磁扭力，通过界面接触带动单片压电片弯曲变形，从而带动各段小压电区产生弯曲变形、沿厚度方向的上下表面产生相反的应力，在两个输出端产生电压输出。

所述的单片压电片采用本领域通用的压电材料制成，具体材料不限，优选由压电系数d₃₃或者d₃₁在10pC/N以上的压电材料，例如选用压电陶瓷片、压电单晶片或者压电聚合物等。

所述的单片压电片的形状不限，优选为片状体。

所述的磁铁采用本领域常见的永磁体，具体材料不限，例如可以选用金属合金磁铁或者铁氧体磁铁材料等，如钕铁硼磁铁（NdFeB）、钐钴磁铁（SmCo）和铁氧体磁铁等。

所述的磁铁至少与单片压电片的一端相连接，具体分为如下两种情况：

（1）单片压电片的一端与磁铁相连，另一端受束缚固定；

如图1中（a）所示，单片压电片经电极分割处理、极化处理后，A1（A2）区和B1（B2）区沿厚度方向的极化方向相反。

工作状态时，如图1中（b）与（c）所示，当施加外加磁场δH，对应磁感应强度为δB时，磁场将与磁铁的磁矩m发生作用，产生磁扭力δτ=m×δB，该磁扭力δτ将使磁铁向磁矩m与B一致的方向扭转。由于磁铁受压电片束缚而压电片一端受夹持等束缚，从而使压电片产生弯曲变形，这种弯曲变形将在压电片沿厚度方向的上下两个表面产生相反的应力。由于同一极化区上下两个表面极化指向相反，所以产生了相同极性的电荷（例如，图1（b）中上表面A1和下表面A2电荷极性相同，上表面B1和下表面B2电荷极性相同），而由于A1（A2）和B1（B2）的极化方向相反，所以A1（A2）和B1（B2）的电荷相反。将A1和A2导通连接作为一个输出端，B1和B2导通连接作为另外一个输出端，即产生电压输出。

（2）单片压电片的两端分别与第一磁铁与第二磁铁相连接，并且第一磁铁与第二磁铁的磁化方向相反；

如上述（1）所述，第一磁铁与第二磁铁均产生磁扭力，第一磁铁产生的磁扭力和第二磁铁产生的磁扭力方向相反，而却在压电片两端，所以第一磁铁和第二磁铁将使得压电片产生相同的应力，起叠加效果，因此与上述（1）中一端夹持一端加磁铁的情况相比少了夹持机构，增加了应用的灵活性。

当磁铁在外加磁场作用下产生磁扭力，磁铁至少与单片压电片的一端相连接。该连接方式不限，例如，磁铁可以连接在单片压电片的端面，也可以连接在单片压的上表面与下表面等，所述的上表面与下表面是指沿压电片厚度方向上、下表面。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

采用单片压电片，通过分割、极化处理后，使其形成两个电压输出端，一方面有效避免了采用双片电压片时产生界面滑移而导致失效的问题，另一方面有效降低了制作成本，有利于大规模生产。

附图说明

图1是本发明磁扭型磁电传感器的工作原理图；

图2是本发明实施例1中的磁扭型磁电传感器的结构示意图；

图3是本发明实施例2中的磁扭型磁电传感器的结构示意图；

图4是本发明实施例3中的磁扭型磁电传感器的结构示意图；

图5是本发明实施例4中的磁扭型磁电传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1：

本实施例中，磁扭型磁电传感器的结构如图2所示，包括单片压电片1以及磁铁。

单片压电片1尺寸为：长29mm、宽6mm、厚0.8mm，沿厚度方向将该单片压电片电极分割处理，形成两段小压电区，并且该段小压电片之间间隔1mm。

磁铁由磁铁2与3组成，磁铁2与3均为NdFeB，并且该磁铁2与3的磁矩M方向均与单片压电片1的厚度方向相平行。

将该两段压电区沿厚度方向进行极化处理，并且极化方向相反。另外，在位于左边的小压电片的左端留出4mm不覆电极，用以固定夹持，即采用固定夹持装置将该端进行固定；在位于右边的小压电片的右端留出4mm不覆电极用以粘结磁铁，即将磁铁2与3分别粘结在该留出部分沿厚度方向的上下表面。

该两段压电区沿厚度方向的极化，且极化方向相反，上表面电极分别为A1、B1，下表面分别为A2、B2。极化完毕后将A1和A2上下导通连接作为一输出端，将B1和B2上下导通连接作为另一输出端，得到两输出端。

工作状态时，外加磁场，包括Hac（交流）和Hdc（直流），在磁场作用下磁铁2与3产生磁扭力，带动压电片产生弯曲变形，从而带动各段压电区产生弯曲变形，并且沿上表面A1与B1产生压（拉）应力，沿下表面A2与B2产生相反的拉（压）应力，从而在两个输出端产生电压输出。

本实施例中，低频0.1～10Hz输出为2V/cm.Oe，谐振～150Hz输出为50V/cm.Oe。

实施例2：

本实施例中，磁扭型磁电传感器的结构与实施例1中的结构基本相同，所不同的是在位于左边的小压电片的左端留出4mm不覆电极，用以粘结磁铁4与5，即将磁铁4与5分别粘结在该留出部分沿厚度方向的上下表面，如图3所示。其中，与磁铁2与3相同，磁铁4与5均为NdFeB，但是该磁铁4与5的磁矩方向与磁铁2与3的磁矩方向相反。

工作状态时，外加磁场，在磁场作用下磁铁2与3产生磁扭力，磁铁4与5产生相反方向的磁扭力。磁铁2与3产生的磁扭力带动位于右边的小压电片产生弯曲变形，从而带动压电片产生弯曲变形，并且沿上表面A1、B1产生压（拉）应力，沿下表面A2、B2产生相反的拉（压）应力，从而在两个输出端产生电压输出。磁铁4与5产生的磁扭力使压电片产生的弯曲变形效果与磁铁2和3效果一样，因此起叠加效果。与实施例1相比，这种结构的磁扭型磁电传感器无需夹持机构，增加了应用的灵活性。

本实施例中，低频0.1～10Hz输出为2V/cm.Oe，谐振～900Hz输出为45V/cm.Oe。

实施例3：

本实施例中，磁扭型磁电传感器的结构与实施例1中的结构基本相同，所不同的是该单片压电片为多段电极，形成十段小压电极化区，并且彼此相邻的两段小压电极化区之间间隔1mm，如图4所示。

电极A1和A2在厚度方向重叠，电极B1和B2在厚度方向重叠。将该十段小压电区沿厚度方向进行极化处理；相邻的两段小压电区的极化方向相反。极化完毕后将A1和A2连接作为一输出端，将B1和B2连接另一输出端。与实施例1相比，这种结构的磁扭型磁电传感器的优点是电容大，抗干扰性强。

实施例4：

本实施例中，磁扭型磁电传感器的结构与实施例3中的结构基本相同，所不同的是在位于左边的小压电片的左端留出4mm不覆电极，用以粘结磁铁4与5，即将磁铁4与5分别粘结在该留出部分沿厚度方向的上下表面，如图5所示。其中，与磁铁2与3相同，磁铁4与5均为NdFeB，但是该磁铁4与5的磁矩方向与磁铁2与3的磁矩方向相反。与实施例3相比，这种结构的磁扭型磁电传感器无需夹持机构，增加了应用的灵活性。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种磁扭型磁电传感器，包括压电片以及磁铁，其特征是：

所述的磁铁至少与压电片的一端相连接；

所述的压电片采用单片压电片，该单片压电片电极经分割处理，形成两段以上的小压电区，相邻的两段小压电区之间存在间隔；然后将各段小压电区沿厚度方向进行电极化处理，相邻的两段小压电区的极化方向相反，极化完毕后将极化方向相同的各段小压电区相连作为一输出端，得到两个输出端；

工作状态时，磁铁在外加磁场作用下产生磁扭力，通过界面接触带动单片压电片弯曲变形，从而带动各段小压电区产生弯曲变形、沿厚度方向的上下表面产生相反的应力，在两个输出端产生电压输出。

2.根据权利要求1所述的磁扭型磁电传感器，其特征是：所述的单片压电片由压电系数d₃₃或者d₃₁在10pC/N以上的压电材料构成。

3.根据权利要求2所述的磁扭型磁电传感器，其特征是：所述的压电材料为压电陶瓷、压电单晶或者压电聚合物。

4.根据权利要求1所述的磁扭型磁电传感器，其特征是：所述的单片压电片的形状为片状体。

5.根据权利要求1所述的磁扭型磁电传感器，其特征是：所述的单片压电片的一端与磁铁相连，单片压电片的另一端受束缚固定。

6.根据权利要求1所述的磁扭型磁电传感器，其特征是：所述的单片压电片的两端分别与第一磁铁与第二磁铁相连接，并且第一磁铁与第二磁铁的磁化方向相反。