基于功能梯度磁電復(fù)合材料的新型自偏置磁傳感器

陳　蕾

(重慶文理學(xué)院機(jī)器視覺與智能信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶　永川　402160)

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基于功能梯度磁電復(fù)合材料的新型自偏置磁傳感器

陳蕾

(重慶文理學(xué)院機(jī)器視覺與智能信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶永川402160)

[摘要]文章采用超磁致伸縮材料Terfenol-D(Tb0.37Dy0.63Fe2)、金屬玻璃Metglas 2605SA1和壓電材料PZT(Pb(Zr, Ti)O3)，設(shè)計(jì)了一種基于功能梯度磁電復(fù)合材料的新型自偏置磁傳感器.利用Metglas和Terfenol-D之間的磁導(dǎo)率和矯頑力差異產(chǎn)生較強(qiáng)的磁化梯度，打破原有的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致內(nèi)建磁場產(chǎn)生，進(jìn)一步提高了零偏置磁場下磁致伸縮材料的壓磁系數(shù)和磁電響應(yīng).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該傳感器獲得了較高的低頻和高頻零偏置磁電電壓系數(shù)，分別達(dá)到9.14 mV/Oe和572 mV/Oe，并且諧振磁電電壓輸出和激勵交變磁場之間呈線性變化關(guān)系.該自偏置磁傳感器避免了傳統(tǒng)磁電傳感器對偏置磁場的依賴，具有制作簡單、成本低、體積小，無需偏置磁場以及靈敏度高等優(yōu)點(diǎn).

[關(guān)鍵詞]磁電效應(yīng)；功能梯度磁電復(fù)合材料；自偏置磁傳感器；磁致伸縮材料

磁傳感器應(yīng)用廣泛，種類繁多，原理各異.由于磁電復(fù)合材料不但成本低、尺寸小，而且對磁場的敏感度比霍耳元件和磁阻要高得多，成為磁傳感器的極佳選擇[1-6].然而，新的應(yīng)用環(huán)境要求磁傳感器微型化且靈敏度高.磁電復(fù)合材料的磁電電壓系數(shù)與磁致伸縮材料的壓磁系數(shù)成正比[7].壓磁系數(shù)是偏置磁場的函數(shù).這導(dǎo)致傳統(tǒng)的磁電復(fù)合傳感器較強(qiáng)地依賴于偏置磁場.在零偏置磁場條件下，傳統(tǒng)磁電復(fù)合材料難以對微小磁場做出響應(yīng)；而采用永磁體產(chǎn)生偏置磁場時尺寸較大，大大限制了器件的尺寸及應(yīng)用范圍.因此，如何提高磁電復(fù)合材料的零偏置磁電響應(yīng)特性和磁場靈敏度成為目前國際上一個新的研究熱點(diǎn).Jia Y M等人[8]提出將PMN-PT放于兩片NdFeB之間組成三明治結(jié)構(gòu)的層狀復(fù)合材料，與傳統(tǒng)層合結(jié)構(gòu)相比，這種層合結(jié)構(gòu)不需要任何偏置磁場，但磁場靈敏度相對較低，并不適合于低強(qiáng)度磁場的測量.實(shí)際上，利用功能梯度鐵磁材料的空間磁化梯度可以產(chǎn)生內(nèi)建磁場.2005年美國的Srinivasan等人[9]就曾報道，采用復(fù)合梯度鐵氧體所產(chǎn)生內(nèi)建磁場強(qiáng)度可達(dá)到30 Oe.因此，我們提出采用Terfenol-D、金屬玻璃Metglas 2605SA1和PZT壓電材料復(fù)合構(gòu)建一種新型的功能梯度磁電傳感器，來提高零偏置磁電電壓輸出和磁場靈敏度，從而避免傳統(tǒng)磁電復(fù)合磁傳感器對偏置磁場的依賴，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍.

1自偏置傳感器的工作原理

磁電復(fù)合材料的磁電電壓系數(shù)(dVME/dHac表示磁電復(fù)合材料的交流磁場靈敏度)與Terfenol-D的壓磁系數(shù)成正比.壓磁系數(shù)是偏置磁場的函數(shù).這導(dǎo)致磁電復(fù)合材料磁電響應(yīng)特性依賴于偏置磁場，壓磁系數(shù)隨偏置磁場的改變而變化，相應(yīng)地，磁電電壓系數(shù)也隨偏置磁場變化.當(dāng)偏置磁場為零時，各個磁疇在Terfenol-D內(nèi)混亂排列，并且每個磁疇的磁致伸縮形變在各個方向上都有分布，整個Terfenol-D在宏觀上并不顯出在某一方向上的伸長或者縮短，Terfenol-D的壓磁系數(shù)近似等于零，磁電電壓系數(shù)非常小.

式中的ψ(r)表示內(nèi)建磁標(biāo)勢.從公式中可知，內(nèi)建磁場的強(qiáng)度主要取決于內(nèi)建磁標(biāo)勢.因此，本文提出利用磁導(dǎo)率和矯頑力差異較大的Terfenol-D和金屬玻璃Metglas 2605SA1產(chǎn)生一個較高的內(nèi)建磁場，提高復(fù)合后結(jié)構(gòu)在零偏置下的壓磁系數(shù)，增強(qiáng)其磁場靈敏度.

圖1　自偏置磁電傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

將Terfenol-D、Metglas2605SA1和PZT復(fù)合得到自偏置磁電傳感器的結(jié)構(gòu)，如圖1所示.PZT材料沿著厚度方向極化，Terfenol-D材料沿著長度方向磁化.Terfenol-D和PZT尺寸分別為12.0 mm×3.0 mm×1.0 mm 和12.0 mm×3.0 mm×0.8 mm.Metglas2605SA1的尺寸為12.0 mm ×3.0 mm ×0.03 mm.由于金屬玻璃Metglas 2605SA1(μr> 40000)和Terfenol-D(μr= 5)之間的磁導(dǎo)率和矯頑力差異產(chǎn)生較強(qiáng)的磁化梯度，原有的平衡狀態(tài)被打破，從而在兩種材料中將產(chǎn)生一個較高的內(nèi)建磁標(biāo)勢，最終導(dǎo)致內(nèi)建磁場的產(chǎn)生.利用Terfenol-D的壓磁系數(shù)對磁場的依賴特性，引起壓磁系數(shù)的增強(qiáng)，進(jìn)一步通過與PZT壓電材料耦合來獲得較高的自偏置磁電電壓輸出和磁場靈敏度.

2實(shí)驗(yàn)方法

如圖2所示，實(shí)驗(yàn)使用一對環(huán)形超強(qiáng)永磁鐵釹鐵硼來產(chǎn)生直流偏置磁場，調(diào)整兩環(huán)形磁鐵距離改變偏置磁場Hbias大小，磁場大小由高斯計(jì)測量.采用信號發(fā)生器(Agilent 33250A)產(chǎn)生一個正弦波信號，通過長直螺線管感應(yīng)出交變磁場作用在樣品器件上.樣品器件放置于永磁鐵和線圈中間，其長度方向與線圈軸向平行，偏置磁場和交變磁場的方向都平行于長度方向.在測量過程中通過改變信號發(fā)生器的頻率來研究磁電電壓系數(shù)與交變磁場頻率的關(guān)系，改變偏置磁場大小來研究磁電電壓系數(shù)與直流偏置磁場的關(guān)系.

圖2　磁電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測量原理圖

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在工作頻率1 kHz和交變磁場峰值為1 Oe激勵下，測得偏置磁場范圍0～700 Oe內(nèi)Terfenol-D/PZT(TP)和Metglas/Terfenol-D/PZT(MTP)磁傳感器的磁電電壓系數(shù)隨偏置磁場的變化關(guān)系，如圖3所示.

圖3　TP和MTP磁傳感器的低頻磁電電壓系數(shù)隨偏置磁場變化曲線

由圖3可知，兩種傳感器的變化趨勢一致，隨著偏置磁場的增加，TP和MTP傳感器的磁電電壓系數(shù)逐漸增加達(dá)到一個最大值，然后再緩慢減小.但當(dāng)偏置磁場Hbias= 0 Oe時，TP磁傳感器的低頻諧振磁電電壓系數(shù)僅僅為1.89 mV/Oe，而MTP磁傳感器的磁電電壓系數(shù)達(dá)到9.14 mV/Oe，遠(yuǎn)大于TP磁傳感器和Jia Y M等人所報道的NdFeB/PMN-PT/NdFeB復(fù)合材料(1.25 mV/Oe).由此可見，引入Metglas使得Terfenol-D和Metglas之間形成磁化梯度，導(dǎo)致內(nèi)建磁場的產(chǎn)生，進(jìn)一步引起Terfenol-D壓磁系數(shù)增強(qiáng).同時，由于壓磁系數(shù)與低頻磁電電壓系數(shù)成正比[10，11]，壓磁系數(shù)的增強(qiáng)將最終導(dǎo)致磁電電壓系數(shù)的提高.

(a)TP磁傳感器

(b) MTP磁傳感器

圖4為零偏置磁場下，TP和MTP磁傳感器諧振頻率附近的磁電電壓系數(shù)譜，即諧振頻率附近磁電電壓系數(shù)隨頻率變化的曲線.由此可知，TP和MTP磁傳感器具有相似的變化趨勢：隨頻率增大，磁電電壓系數(shù)逐漸增加, 隨后進(jìn)入快速增加階段至峰值點(diǎn)后隨頻率增大而迅速減小.在零偏置磁場下，TP磁傳感器諧振磁電電壓系數(shù)達(dá)到0.143 V/Oe，諧振頻率為33.5 kHz，MTP磁傳感器諧振磁電電壓系數(shù)為0.572 V/Oe，諧振頻率為35.8 kHz.FMP傳感器顯現(xiàn)較好的交流磁場靈敏度.諧振磁電電壓系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于低頻磁電電壓系數(shù).根據(jù)圖4可計(jì)算得到TP和MTP磁傳感器的有效機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qmech分別為59.82和74.58.正是由于有效機(jī)械品質(zhì)因數(shù)決定了諧振磁電響應(yīng)的增益特性，提高了諧振磁電電壓系數(shù).

圖5為MTP磁傳感器在零偏置磁場、交流小磁場頻率鎖定在35.8 kHz下測得的輸出電壓隨交流磁場大小的變化.可以看出，MTP磁傳感器的輸出電壓與交變磁場有良好的線性關(guān)系(直線中間的略微形變是由于測量儀表量程改變所致) , 可換算得到該復(fù)合磁傳感器的磁場分辨率為7.4×10- 10T.這說明MTP磁傳感器可以在交流磁場的測量方面得到很好的應(yīng)用.

圖5　MTP傳感器諧振時磁電電壓隨交變磁場響應(yīng)特性

4結(jié)論

本文介紹了基于功能梯度磁電復(fù)合材料的新型自偏置磁傳感器.研究結(jié)果表明，自偏置磁傳感器MTP的低頻磁電電壓系數(shù)(磁場靈敏度)達(dá)到9.14 mV/Oe，是TP磁傳感器的4.84倍.諧振磁電電壓系數(shù)(磁場靈敏度)為572 mV/Oe，并且輸出電壓與交變磁場具有良好的線性關(guān)系.該傳感器的結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，傳感性能好，靈敏度高，制作簡單，采用現(xiàn)有的薄膜制備工藝，有利于研制微型化、高靈敏度的磁傳感器件，為實(shí)現(xiàn)磁電復(fù)合磁傳感器的微型化提供了一種新思路.

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(責(zé)任編輯穆剛)

The novel self-bias magnetic sensor based on functionally stepped magnetoelectric composite materials

CHEN Lei

(Key Lab of Computer Vision and Intelligent Information System，Chongqing University of Arts and Sciences，Yongchuan Chongqing 402160，China)

Abstract：A brand-new self-bias magnetic sensor based on functionally stepped magnetoelectric composite materials is presented using the Metglas 2605SA1, giant magnetostrictive Terfenol-D and piezoelectric PZT. The strong magnetization gradients are achieved due to the great differences in the magnetic permeability and coercivity between Metglas and Terfenol-D. Consequently, the spatial symmetry of these two materials is broken and yields an internal magnetic field, which enhances the piezomangetic coefficient of magnetostrictive material and magnetoelectric response at zero bias. Experimental results show that the low-frequency and resonant ME voltage coefficients for Metglas/Terfenol-D/PZT (MTP) magnetic sensor achieve 9.14 mV/Oe and 572 mV/Oe, respectively. Furthermore, there is an excellent linear relationship between AC magnetic field input and resonant magnetoelectric voltage output. Such a type of self-bias magnetic sensors avoids the dependence of traditional magnetoelectric sensor on the dc bias magnetic field. It has the advantages of very simple fabrication, extremely small size, quite low cost, no bias magnetic field required and high magnetic field sensitivity, et al.

Key words：magnetoelectric effect; functionally stepped magnetoelectric composite materials; self-bias magnetic sensor; magnetostrictive material

[中圖分類號]TP212

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]1673-8004(2016)02-0068-04

[作者簡介]陳蕾(1979—)，女，重慶市人，副教授，博士，主要從事傳感技術(shù)方面的研究.

[基金項(xiàng)目]國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61304255)；重慶市教育委員會科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ131221).

[收稿日期]2015-05-26