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(chǎng)產(chǎn)生，進(jìn)一步提高了零偏置磁場(chǎng)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(lì)交變磁場(chǎng)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(duì)偏置磁場(chǎng)的依賴，具有制作簡(jiǎn)單、成本低、體積小，無(wú)需偏置磁場(chǎng)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(duì)磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng).在零偏置磁場(chǎng)條件下，傳統(tǒng)磁電復(fù)合材料難以對(duì)微小磁場(chǎng)做出響應(yīng)；而采用永磁體產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)時(shí)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(chǎng)靈敏度成為目前國(guó)際上一個(gè)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(chǎng)，但磁場(chǎng)靈敏度相對(duì)較低，并不適合于低強(qiáng)度磁場(chǎng)的測(cè)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(chǎng).2005年美國(guó)的Srinivasan等人[9]就曾報(bào)道，采用復(fù)合梯度鐵氧體所產(chǎn)生內(nèi)建磁場(chǎng)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(lái)提高零偏置磁電電壓輸出和磁場(chǎng)靈敏度，從而避免傳統(tǒng)磁電復(fù)合磁傳感器對(duì)偏置磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)，壓磁系數(shù)隨偏置磁場(chǎng)的改變而變化，相應(yīng)地，磁電電壓系數(shù)也隨偏置磁場(chǎng)變化.當(dāng)偏置磁場(chǎng)為零時(shí)，各個(gè)磁疇在Terfenol-D內(nèi)混亂排列，并且每個(gè)磁疇的磁致伸縮形變?cè)诟鱾€(gè)方向上都有分布，整個(gè)Terfenol-D在宏觀上并不顯出在某一方向上的伸長(zhǎng)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(shì).從公式中可知，內(nèi)建磁場(chǎng)的強(qiáng)度主要取決于內(nèi)建磁標(biāo)勢(shì).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(gè)較高的內(nèi)建磁場(chǎng)，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(chǎng)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(zhǎng)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(gè)較高的內(nèi)建磁標(biāo)勢(shì)，最終導(dǎo)致內(nèi)建磁場(chǎng)的產(chǎn)生.利用Terfenol-D的壓磁系數(shù)對(duì)磁場(chǎng)的依賴特性，引起壓磁系數(shù)的增強(qiáng)，進(jìn)一步通過(guò)與PZT壓電材料耦合來(lái)獲得較高的自偏置磁電電壓輸出和磁場(chǎng)靈敏度.

2實(shí)驗(yàn)方法

如圖2所示，實(shí)驗(yàn)使用一對(duì)環(huán)形超強(qiáng)永磁鐵釹鐵硼來(lái)產(chǎn)生直流偏置磁場(chǎng)，調(diào)整兩環(huán)形磁鐵距離改變偏置磁場(chǎng)Hbias大小，磁場(chǎng)大小由高斯計(jì)測(cè)量.采用信號(hào)發(fā)生器(Agilent 33250A)產(chǎn)生一個(gè)正弦波信號(hào)，通過(guò)長(zhǎng)直螺線管感應(yīng)出交變磁場(chǎng)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(zhǎng)度方向與線圈軸向平行，偏置磁場(chǎng)和交變磁場(chǎng)的方向都平行于長(zhǎng)度方向.在測(cè)量過(guò)程中通過(guò)改變信號(hào)發(fā)生器的頻率來(lái)研究磁電電壓系數(shù)與交變磁場(chǎng)頻率的關(guān)系，改變偏置磁場(chǎng)大小來(lái)研究磁電電壓系數(shù)與直流偏置磁場(chǎng)的關(guān)系.

圖2　磁電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)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(chǎng)峰值為1 Oe激勵(lì)下，測(cè)得偏置磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)變化曲線

由圖3可知，兩種傳感器的變化趨勢(shì)一致，隨著偏置磁場(chǎng)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(gè)最大值，然后再緩慢減小.但當(dāng)偏置磁場(chǎng)Hbias= 0 Oe時(shí)，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(bào)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(chǎng)的產(chǎn)生，進(jìn)一步引起Terfenol-D壓磁系數(shù)增強(qiáng).同時(shí)，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(chǎng)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(shì)：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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)、交流小磁場(chǎng)頻率鎖定在35.8 kHz下測(cè)得的輸出電壓隨交流磁場(chǎng)大小的變化.可以看出，MTP磁傳感器的輸出電壓與交變磁場(chǎng)有良好的線性關(guān)系(直線中間的略微形變是由于測(cè)量?jī)x表量程改變所致) , 可換算得到該復(fù)合磁傳感器的磁場(chǎng)分辨率為7.4×10- 10T.這說(shuō)明MTP磁傳感器可以在交流磁場(chǎng)的測(cè)量方面得到很好的應(yīng)用.

圖5　MTP傳感器諧振時(shí)磁電電壓隨交變磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)靈敏度)為572 mV/Oe，并且輸出電壓與交變磁場(chǎng)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(jiǎn)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(hào)]TP212

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1673-8004(2016)02-0068-04

[作者簡(jiǎn)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61304255)；重慶市教育委員會(huì)科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ131221).

[收稿日期]2015-05-26