专利名称：自发电宽频层叠磁致压电效应交流磁场传感器及制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型交流磁场传感器，具体是一种发电型宽频层叠磁致压电效应交流 磁场传感器。
背景技术：
随着信息技术的发展，对传感器的要求越来越高，在汽车电子、航空航天、交通运 输、自动控制、机器人技术等领域对新型、微型、无源、高灵敏度、线性、宽带、快响应、 小质量、低成本传感器需求越来越强烈。
在电磁兼容、电力工程、电机工程等领域需监测与磁信号有关的物理量，如空间杂 散交变磁场、电机产生的磁场、电流产生的磁场等。目前市场上对动态磁场测量的传感器 主要有霍耳(Hall)效应传感器、各向异性磁阻(AMR)传感器、巨磁阻(GMR)效
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感器都需有电源供电才可工作，Hall传感器温度稳定性较差，且Hall传感器及AMR传感 器灵敏度都较小。无需供电且可测磁的传感器主要有根据法拉第电磁感应原理的电磁线 圈，但这种线圈输出信号随被测信号频率改变，在小尺寸低频下，输出信号很微弱。
本发明所制作的传感器具有无需电源供电即可工作，且具有高灵敏度、线性、宽带、 快响应、小质量的特点，可广泛应用于交通运输、机械加工工业、航空航天、地球环境、 电力工程、自动控制等行业，具有广阔的应用前景。
文献检索发现较早提出关于此类层叠复合材料压磁效应概念的研究论文发表在2002 年的A卯lied Physics letters, Vol.81 ， P100-101，由美国马里兰大学的Kiyotaka Mori and Manfred Wuttig提出"Magnetoelectric coupling in Terfenol—D/polyvinylidenedifluoride composites"。此后在美国费吉尼亚的Dong Shuxiang等人于2003年在美国的Applied Physics letters, Vol.83,p4812-4814发表了关于片状磁致伸縮材料/压电材料/片状磁致伸縮 材料结构器件磁电效应的研究论文，其实验中的偏置磁场由大型电磁铁产生，他们的研究 注重于对该效应进行实验探讨及对该效应的理论进行较为深入的研究，未构成本发明所提 出的传感器。国内重庆大学的文玉梅在《传感技术学报》上对Terfenol-D和PZT超声变 幅杆结构的电磁换能器进行过研究(传感技术学报，Vol.20， No.8， 2007,P 1742-1746)， 他们还对"GMM/弹性板/PZT层状复合结构的纵振磁电响应"进行过研究(物理学报， Vol.57,No.7，2008， P4545-4551)，但她们提出的器件结构与本发明提出的传感器结构有很大区别。
发明内容
本发明的目的在于使以上的实验室中的原理性研究成果变成一种在实际中可实现的 传感器，提供了一种发电型宽频层叠磁致压电效应微型磁场传感器的制作具体方法，特别 是在本发明中采用巨磁致伸縮系数的细棒而不用薄板，另一主要特别之处在于本发明将一 小块永磁与以上层叠结构合为一体，从而构成具有真正意义上的传感器，且能保持宽的频 带范围。
本发明的原理是，巨磁致伸縮材料在偏置磁场的作用下有较大的磁致伸縮系数，交 变磁场将引起磁致伸縮材料伸縮，伸縮所产生的应力传递给压电材料，压电材料内形成交 变电场，该电场对应一电压信号，这就对该传感器给出了定性的原理解释，其定量解释较 为复杂。但理论结果表明，磁电效应与巨磁致伸縮材料与层叠结构的体积比、压电材料的 压电系数、机电耦合系数等参数有关。
本发明是通过以下技术方案实现的
一种自发电宽频层叠磁致压电效应交流磁场传感器，为磁致伸縮棒/压电材料/磁致伸 縮棒/永磁材料的层叠结构；所说的压电材料的上下表面有银薄膜电极，磁致伸縮棒上设 置有信号输出引线。
上述所说的传感器，其中磁致伸缩棒为矩形截面，长宽比>5。 上述所说的传感器，其中压电材料具有和磁致伸縮棒相同的长度和宽度。 上述所说的传感器，其中永磁材料的长或宽、或者长和宽都小于磁致伸縮棒，永磁 材料相对于磁致伸縮棒的中心呈非对称设置。
上述所说的传感器，其中磁致伸缩棒是具有磁致伸縮特性的Td-Dy-Fe (Terfenol-D)棒。
上述所说的传感器，其中的压电材料是PZT材料，也可以是PMN-PT材料，或其他 具有高的压电系数的压电材料；压电材料可以沿厚度方向极化也可沿纵向(长度方向)极 化；压电材料的上下表面的银薄膜电极，沿厚度方向极化。
上述所说的传感器，其中的永磁材料是Nd-Fe-B永磁，磁化沿厚度方向。 采用具有巨磁致伸縮系数的细棒， 一方面可减小传感器体积，另一方面由于采用了 细棒结构，使退磁场大大减小，故巨磁致伸缩棒可在较小的偏置磁场下产生较大的磁致伸 缩，因此可实现用一小磁铁提供的偏置磁场即可使传感器工作，且能保持大的磁场灵敏度;采用永磁材料与层叠结构合为一体，可使传感器灵敏度提高，是由于单个磁铁在两棒中产 生的偏置磁场有一差值，形成类似悬臂梁的结构，增大了输出电压的灵敏度。 本发明具体制作方法的步骤如下
(1) 制作两个相同的磁致伸縮棒；
(2) 制作与磁致伸缩棒具有同样长度和宽度的压电材料，该压电材料沿厚度方向极 化或可长度方向极化，在压电材料的上下表面镀银，形成银薄膜电极，沿厚度方向极化；
(3) 用银导电胶将磁致伸縮细棒与压电材料粘接，在一定温度下施压处理；
(4) 在磁致伸縮材料上引出信号输出引线，包括在压电材料镀导电层上制作电信号
引线；
(5) 在以上磁致伸縮棒的一面上粘贴一永磁，磁化沿厚度方向。 更具体的操作是
1、 对巨磁致伸缩圆柱形材料进行切割加工，制作出长为10-15mm，截面为lXlmm2 的具有巨磁致伸縮特性的Td-Dy-Fe (Terfenol-D)具有矩形截面的细棒，这样得到的材料 具有大的长宽比及长厚比；
2、 制作出由PZT或其它具有高的压电系数的压电材料，压电材料可以是PZT材料， 也可以是PMN-PT材料，材料可以沿厚度方向极化也可沿纵向(长度方向)极化，它与 上述巨磁致伸縮材料具有同样长度和宽度，压电材料的上下表面镀银，形成银薄膜电极， 对压电材料沿厚度方向加电场进行极化；
3、 用银导电胶将巨磁致伸縮细棒与压电材料粘接，在8(TC温度下施压处理；
4、 在巨磁致伸缩材料上各引出一根信号输出引线；
5、 在以上巨磁致伸縮材料的一面上粘贴一 5XlX0.5mmS,质量约0.15g的Nd-Fe-B 永磁，该磁铁沿厚度方向磁化；
6、 对以上层叠结构进行封装，即制成一实用的传感器。 本发明具有以下优点
本发明釆用Terfenol-D细棒，而非Terfenol-D片状材料。由于细棒的退磁因子小， 易于磁化，因此可实现采用微小磁铁构成整个传感器；
(1) 本发明微型永磁与Terfenol-D棒/压电材料/Terfenol-D棒合为一体，使磁场传 感器成为一整体；
(2) 本发明采用Terfenol-D棒，使传感器体积大大减小，但却能保持高的灵敏度；(3) 本发明制作的传感器体积小，其共振频率高，使其具有高的频带宽度；
(4) 本发明磁铁的非对称结构设计可明显增强传感器的灵敏度；
(5) 本发明由于采用细棒后可使永磁材料质量减小，使共振频率增大。
图1是发电型宽频层叠磁致压电效应交流磁场传感器实例的结构示意图。图中1为
NdFeB永磁材料，2和8为电信号输出线，3为上层Terfenol-D巨磁致伸縮材料，4为压 电PZT材料上表面镀银层，5为PZT压电材料，6为PZT材料下表面镀银层，7为下层 Terfenol-D巨磁致伸縮材料。
具体实施例方式
以下结合附图作进一部的描述
实施例1:
图1所示的传感器的制备如下
(1) 将大尺寸的Terfenol-D圆柱形棒材切割，获得长10mm,宽lmm，高lmm的 Terfenol-D细棒3和细棒7，细棒3和细棒7相对两面经抛光处理；
(2) 制作与(1)描述的Terfenol-D细棒3同宽，而厚为0.8mm的PZT-5H材料5, 在压电材料5的上下表面分别镀银层4和6，用CLD-5导电胶在8(TC下烘30分钟升温至 12(TC保持3小时，再冷却至室温，将PZT-5H材料5粘贴于Terfenol-D材料3和7之间， 形成Terfenol-D/压电材料/Terfenol-D层叠结构，该PZT材料沿厚度方向用强电场进行极 化，在Terfenol-D的细棒上经信号输出线2、 8输出电压信号；
(3) 将宽为lmm,厚为0.5mm，长为5mm,质量为0.15g的NdFeB永磁1用胶粘剂粘 于Terfenol-D棒3上，该磁体沿厚度方向磁化，其表面磁场为320Oe;
实施例2:
用Agilent33220A型信号发生器产生正弦信号，给亥姆赫兹圈提供励磁电流，从而在 亥姆赫兹轴线中心附近产生模拟的被测交变磁场，将实施例1制作的传感器放入该磁场 中，则传感器会输出与输入交变磁场成正比的输出电压信号或电荷信号，对横向极化的 PZT材料，压电电压系数达到35mV/Oe;
在0.5 70KHz的频率范围内，传感器输出电压在恒定输入磁场下保持不变。频率增 至80KHz为共振频率点，此时输出电压有一峰值出现，此时dV/dH很高,共振时磁灵敏度 可达1.5V/Oe。交变信号频率在0~500Hz，在输入幅值恒定下，输出随频率增大而增大。 该传感器不仅可检测交变磁场，还可检测与交变磁场相关的其它物理量，也可设计 成对其它物理量的检测。
权利要求
1、一种自发电宽频层叠磁致压电效应交流磁场传感器，其特征是，为磁致伸缩棒/压电材料/磁致伸缩棒/永磁材料的层叠结构；所说的压电材料的上下表面有银薄膜电极，磁致伸缩棒上设置有信号输出引线。
2、 根据权利要求1所说的传感器，其特征在于，其中磁致伸縮棒为矩形截面，长宽
3、 根据权利要求1所说的传感器，其特征在于，其中压电材料具有和磁致伸縮棒相 同的长度和宽度。
4、 根据权利要求1所说的传感器，其特征在于，其中永磁材料的长小于磁致伸縮棒， 永磁材料相对于磁致伸縮棒的中心呈非对称设置。
5、 根据权利要求1所说的传感器，其特征在于，其中磁致伸縮棒是具有磁致伸縮特 性的Td-Dy-Fe棒。
6、 根据权利要求1所说的传感器，其特征在于，其中的压电材料是PZT材料，也 可以是PMN-PT材料，或其它具有高的压电系数的压电材料；压电材料可以沿厚度方向 极化也可沿纵向极化；压电材料的上下表面有银薄膜电极。
7、 根据权利要求1所说的传感器，其特征在于，其中的永磁材料是Nd-Fe-B永磁，磁化沿厚度方向。
8、 一种制作权利要求1所述自发电宽频层叠磁致压电效应交流磁场传感器的方法， 其特征在于，包括以下步骤(1) 制作两个相同的磁致伸縮棒；(2) 制作与磁致伸縮棒具有同样长度和宽度的压电材料，该压电材料沿厚度方向极 化或可长度方向极化，在压电材料的上下表面镀银，形成银薄膜电极；(3) 用银导电胶将磁致伸縮细棒与压电材料粘接，在一定温度下施压处理；(4) 在磁致伸縮材料上引出信号输出引线，包括在压电材料镀导电层上制作电信号引线；(5) 在以上磁致伸縮棒的一面上粘贴一永磁，磁化沿厚度方向。
9、 根据权利要求8所述的制作方法，其特征是，永磁关于压电材料及每层中线呈非 对称，即压电材料两边用巨磁致伸縮材料，在磁致伸縮材料外的一面直接加永磁材料，且 永磁不是安放在磁伸材料的中心。
10、 根据权利要求8所述的制作方法，其特征是，具体操作为(1) 制作长为5 15rnm，截面为1.5 X lmm2的具有巨磁致伸縮特性的Td-Dy-Fe细棒；(2) 制作出由PZT或其它具有高的压电系数的压电材料，压电材料与步骤(1)中 Td-Dy-Fe细棒具有同样长度和宽度，压电材料的上下表面镀金属导电膜，形成薄膜电极， 沿厚度方向极化；(3) 用银导电胶将巨磁致伸縮细棒与压电材料粘接，在80。C温度下施压处理；(4) 在巨磁致伸縮材料上各引出一根信号输出引线；(5) 在以上Terfenol-D/压电材料/Terfenol-D层叠材料的的一面粘贴一5X 1 X0.5mm3 重量约0.15g的Nd-Fe-B永磁，该磁铁沿厚度方向磁化。
全文摘要
一种基于磁致压电效应的发电型交流磁场传感器，为磁致伸缩棒/压电材料/磁致伸缩棒/永磁材料的层叠结构；所说的压电材料的上下表面有银薄膜电极，磁致伸缩棒上设置有信号输出引线。该传感器无需供电即可实现对交变电流的检测，因此为零功耗节能器件。利用其具有小体积，小质量的特点，它可检测的交流磁场频宽为500Hz至70kHz，输出电压与磁场幅值保持非常好的线性关系。本发明由于采用细棒结构，使传感器体积大大减小，且传感器灵敏度、带宽提高。为细棒提供的偏置磁场因使用小尺寸的磁致伸缩材料而大大减小，且可与敏感体合二为一。它可用于对交变磁场的无源检测。
文档编号G01R33/02GK101430369SQ200810155039
公开日2009年5月13日 申请日期2008年10月24日 优先权日2008年10月24日
发明者鲍丙豪 申请人:江苏大学