专利名称：一种磁电传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁电传感器领域，具体涉及一种含有高磁导粉体与磁致伸缩材料复合 层的磁电传感器。
背景技术：
观测铁磁性物体(如汽车、摩托车等)的运动，在交通控制方面具有非常重要且现 实的意义。随着车辆普及程度的提高和人民生活质量的改善，城市的车辆急剧增长，交通状 况的恶化已经成为城市交通系统里急需解决的问题，改善的方法即在交通管理部门建立完 善的交通监控系统，通过对交通状况进行动态监控从而能更好对交通进行管制，实现社会 运作的高效化。数据采集系统在交通监控系统中起到非常重要的作用，而车辆探测传感器 是数据采集系统的关键部分，传感器的性能好坏对数据采集系统的准确性起决定性作用。 传统的车辆交通数据采集是通过在路面上铺设地感线圈来对过往车辆进行探测，但是这类 传感器需要开路面进行安装和维护，很不方便，而且容易使路面受损；其他像红外、超声波 的探测方法虽然无需开路面，但是使用这类方法的产品性能容易受雨、雪、雾、大风等天气 的影响。磁电传感器主要由巨磁致伸缩材料(如"TerfenoUKGalfenol、Metglass等)和 强压电材料(如PZT、PMNPT、PZMPT等)复合而成，具有灵敏度高( nT)、可低频准静态工 作(< IOHz)、能耗低(< mW)、体积小(cm3)、被动式(无法被探测到，隐蔽性强，避开飙车 族的雷达探测器的探测)等特点。特别是能耗极低这一特点，符合了世界科学发展中绿色、 低能耗、智能化的大趋势，决定了磁电传感器研究的重要性和必要性。因而，如能开发适用 于交通控制等领域的高灵敏低功耗磁电传感器，将具有普遍的应用价值。
发明内容
本发明提供了一种高灵敏低功耗的含有高磁导粉体与磁致伸缩材料层的磁电传 感器。一种磁电传感器，包括由磁致伸缩材料层、压电材料层和高磁导率粉体复合而成 的磁电传感器本体。所述的复合的方式可采用现有的复合方法，如可将高磁导率粉体通过嵌入的方式 嵌入到磁致伸缩材料层中形成含有高磁导率粉体的磁致伸缩材料层，然后再将含有高磁导 率粉体的磁致伸缩材料层与压电材料层粘接。所述的含有高磁导率粉体的磁致伸缩材料层中高磁导率粉体的分布可使得磁场 在磁致伸缩材料层中均勻分布。为了达到更好地发明效果，所述的含有高磁导率粉体的磁 致伸缩材料层中高磁导率粉体呈对称分布。所述的含有高磁导率粉体的磁致伸缩材料层的数量可根据需要增加或减少，增加 层数有提高磁电系数的效果，但同时也带来成本的增加。所述的含有高磁导率粉体的磁致伸缩材料层和压电材料层可按任意顺序粘接在一起，可选用常见的如纵-横(L-T)结构、纵-纵(L-L)结构、横-横(T-T)结构、横-纵 (T-L)结构、推-拉(Push-pull)结构、多层(Multi-layer)、钹(Cymbal)结构、Moonie 结 构等中的一种。所述的磁致伸缩材料层在外界磁场发生改变后会发生形变，采用本领域通用的磁 致伸缩材料，如可选用铽镝铁(即Terfenol-D)或铁镓(即(ialfenol)等常见的磁致伸缩 材料。所述的压电材料层在受到外界施加的压力后能产生一定的电荷输出，采用本领域 通用的压电材料，如可选用常见的锆钛酸铅(PZT)、铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)、铌锌酸 铅-锆钛酸铅(PZM-PZT)、聚偏氟乙烯(PVDF)等压电材料。所述的高磁导率粉体为具有较高的磁导率的粉体，一般选用相对磁导率大于50 的高磁导率粉体，常见的如锰锌铁氧体粉体。为了进一步提高磁电传感器的灵敏度，所述的磁电传感器还包括两个分别位于磁 电传感器本体两端的磁铁；所述的两个磁铁异极相对，磁极方向与磁致伸缩材料层的磁化 方向一致时可获得最好效果。本发明通过将高磁导率粉体与现有常用磁电材料中的磁致伸缩材料层进行复合， 从而改变磁致伸缩材料层中的磁场分布，使得磁电传感器的各段性能趋于均勻，从而能有 效改变磁电电压系数。与现有技术相比，本发明具有如下优点现有磁电传感器往往需要一定的磁场偏置才能获得比较大的磁电转换效率，这种 磁场偏置在实际应用中一般由磁铁来提供，而磁铁的磁场在磁电材料的分布上往往是不均 勻的，分段来看，各段磁电性能并不在优化点上，这样使得整体不在一个最佳的设计点，而 本发明磁电传感器中采用了高磁导率的粉体与磁致伸缩材料的复合层，各段的磁电性能趋 于一致并呈现整体性能最优化，所获得的磁电效率比现有没有该复合层的磁电传感器提高 了 20%，大大提升了磁电传感器的探测性。本发明磁电传感器能够通过感应车辆运动时车辆自身磁场的辐射以及车辆运动 切割地球磁场的辐射来获得信号，灵敏度高，体积小，安装比较方便，可在路边安装，不受天 气影响，轻松实现M小时全天候监控。此外，多磁电传感器单元阵列还能判断车辆的大致 类型，其发展将带动城市交通监控系统的全面升级，大大提高了社会的运作效率。
图1为本发明磁电传感器的一种结构示意图；图2为图1中含有高磁导率粉体的磁致伸缩材料层的结构示意图。
具体实施例方式如图1和图2所示，本发明磁电传感器，包括磁电传感器本体和两个分别位于磁电 传感器本体两端的磁铁Ia和磁铁lb，磁电传感器本体包括压电材料层2以及分别与压电材 料层2两面粘接的含有高磁导率粉体的磁致伸缩材料层如和含有高磁导率粉体的磁致伸 缩材料层4b。磁电传感器的制备方法为取两片尺寸均为^X12Xlmm3的Terfenol-D(Tb(1_x)
4DyxFe(2_y),x^ 0. 3，y 0)片作为磁致伸缩材料层，通过开微孔工艺，在Terfenol-D片厚度 方向开出一系列均勻分布的直径约为Imm的小孔，将高磁导率粉体即锰锌铁氧体粉体3与 硅胶混合后填充入小孔中，并烘烤固化，得到含有高磁导率粉体的磁致伸缩材料层如和含 有高磁导率粉体的磁致伸缩材料层4b。取尺寸为30X 12X Imm3的PZT5片作为压电材料层 2，将含有高磁导率粉体的磁致伸缩材料层如和含有高磁导率粉体的磁致伸缩材料层4b分 别粘接在压电材料层2的两面，形成纵-横结构(即L-T结构)，即制得磁电传感器本体。 然后，在磁电传感器本体两端各放置一个小型的!^e2O3磁铁，制得磁电传感器。本发明磁电传感器的磁电电压系数提高了 20%以上。本发明磁电传感器的工作原理如下磁铁的磁场可以认为是多个磁偶极子提供，而磁偶极子的磁场B可以简单表示为 如下公式 Β χ, υ, ζ)
4 TT Γ5(1)其中r是磁场点距离磁偶极子的中心距离，μ ^为真空磁导率，μ是磁矩。为了简化，式⑴可以写成如下形式(非向量简单化)
a b = ]--ξ-
r r(2)a, b可简单认为常数，对式(2)进行距离微分，得到 dB - 5a 3b 3b— = —^ + — —
or r r r(3)从式(3)可见，随着磁场点距离磁偶极子的中心距离r的增加，磁偶极子的磁场B 变化率降低。本发明磁电传感器中由于引入了高磁导率粉体，使得优化的磁致伸缩材料的磁场 偏置的需求降低，这样，实际应用中作为偏置的电磁铁距离将远离磁电传感器，从式(3)的 分析可以看出，由于磁铁距离增加，磁场变化率的降低，使得在含有高磁导率粉体的磁致伸 缩材料中磁场的变化率也下降，从而能提高磁电传感器的均勻性和整体性能。
权利要求
1.一种磁电传感器，其特征在于，所述的磁电传感器包括由磁致伸缩材料层、压电材料 层和高磁导率粉体复合而成的磁电传感器本体。
2.根据权利要求1所述的磁电传感器，其特征在于，所述的复合方式为将高磁导率粉 体通过嵌入的方式嵌入到磁致伸缩材料层中形成含有高磁导率粉体的磁致伸缩材料层，然 后再将含有高磁导率粉体的磁致伸缩材料层与压电材料层粘接。
3.根据权利要求2所述的磁电传感器，其特征在于，所述的含有高磁导率粉体的磁致 伸缩材料层中高磁导率粉体呈对称分布。
4.根据权利要求1所述的磁电传感器，其特征在于，所述的磁致伸缩材料层的材料为 铽镝铁或铁镓。
5.根据权利要求1所述的磁电传感器，其特征在于，所述的压电材料层的压电系数d33 大于等于20pC/N。
6.根据权利要求1所述的磁电传感器，其特征在于，所述的高磁导率粉体的相对磁导 率大于50。
7.根据权利要求6所述的磁电传感器，其特征在于，所述的高磁导率粉体为锰锌铁氧 体粉体。
8.根据权利要求1所述的磁电传感器，其特征在于，所述的磁电传感器包括两个分别 位于磁电传感器本体两端的磁铁。
9.根据权利要求8所述的磁电传感器，其特征在于，所述的两个磁铁异极相对，磁极方 向与磁致伸缩材料层的磁化方向一致。
全文摘要
本发明公开了一种磁电传感器，包括由磁致伸缩材料层、压电材料层和高磁导率的粉体复合而成的磁电传感器本体。该磁电传感器中采用了高磁导率的粉体与磁致伸缩材料的复合层，各段的磁电性能趋于一致并呈现整体性能最优化，所获得的磁电效率比现有没有该复合层的磁电传感器提高了20％，大大提升了磁电传感器的探测性。
文档编号G01D5/12GK102062612SQ20101057694
公开日2011年5月18日 申请日期2010年12月7日 优先权日2010年12月7日
发明者邢增平 申请人:中国科学院宁波材料技术与工程研究所