[发明专利]一种磁电传感换能器

说明书

技术领域

本发明属于压电器件，具体地说是一种高性能磁电传感换能器。

背景技术

压电材料是受到压力作用时在两端面间出现电压的晶体材料。利用压电材料的特性可实现机械能和电能间的互相转换。压电材料广泛用于多种传感器、换能器、驱动器中，在现代军事、科技、国民经济的各行业、领域等都有着重要的应用。

其中，弱磁场的有效探测在军事和民用上受到高度的重视，它广泛应用在地磁场探测、海洋磁场探测、人体脑磁场测量、磁噪声测量等众多领域，具有其它信号探测方式不可替代的优点。早期以Cr₂O₃为代表的单相的磁电材料，由于其使用温度范围大多都远低于室温，并且磁电电场系数仅为20mV/cm·Oe、磁电效应比较小，使得这些单相磁电材料难于获得实际的应用，近些年来，科研人员基于压电效应与磁致伸缩效应，制备出了一系列的压电/磁致伸缩复合材料，大大提高了磁电系数，与已有的常规磁电材料，如单相材料、铁电-铁磁混合烧结、铁电-铁磁薄膜复合材料等材料相比，层状复合材料的磁电性能提高了100多倍，制成的磁电传感器的灵敏度也大幅提高。随着科学技术的进步，人们对探测的灵敏度要求越来越高。但是，由于材料性能的限制，进一步提升磁电系数，提高探测的灵敏度仍然是一个迫切需要解决而又难以解决的重要课题。本发明基于高性能压电单晶材料PMN-PT及机电变压效应，通过优化压电材料结构、调节尺寸以及电极分布，发明了一种结构简单、体积小、灵敏度更高的磁电传感换能器。

发明内容

本发明的目的是提供结构简单、体积小、灵敏度更高的磁电传感换能器。

本发明的目的是这样实现的：

一种磁电传感换能器，由磁致伸缩材料和压电材料组成，上部的磁致伸缩材料、中部的压电材料和下部的磁致伸缩材料三层材料之间用绝缘胶粘接；三层材料的厚度比例为1∶0.6-1∶1；压电材料为铌镁酸铅-钛酸铅单晶材料。

铌镁酸铅-钛酸铅单晶材料的化学组成为(1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3O₃)-xPbTiO₃(PMN-PT)，用来制备该器件的最优组分范围为0.28＜x＜0.33，结晶学取向为<001>方向。

磁致伸缩材料是具有显著磁致伸缩效应的、可将电能转换为机械能或将机械能转换为电能的金属、合金以及铁氧体等磁性材料，英文名称：magnetostrictive material。

本发明磁电传感换能器结构如图1所示，为具有磁致伸缩材料-压电材料-磁致伸缩材料的层状结构。磁致伸缩材料、压电材料的输入部分和磁致伸缩材料之间用一层薄的绝缘胶连接，实现机械耦合，三层材料优化后的厚度比例为1∶0.6-1∶1。利用上、下部的磁致伸缩材料实现磁场能量和弹性能间的转变，然后传递到压电材料的输入部分，通过正压电效应，在压电材料的输入部分产生电压信号输出V_out1，同时该弹性能量传递到压电材料的输出部分，由于机电耦合作用，在谐振频率下得到了进一步放大的电压信号V_out2。

如图2所示的压电材料还可同时实现磁电信号输出及进一步放大的功能。整个压电材料分为两部分，沿长度方向极化的输入部分和输出部分；还设有输入电极、公共接地电极、输出电极。当输入部分受到应变作用时，由逆压电效应，低频下在输入部分和接地端之间输出非常平稳的电压信号。同时，此应变会传递到输出部分，通过机电变压效应，在谐振态下输出端和接地端间产生放大效应，得到放大后的电压信号，从而大大的提高磁电系数。

本发明的优点是：

1、提供多端输出。输入端，低频下具有平坦的频率响应，适用于传感器件；输出端，在谐振态下具有高电压输出，适用于高性能的换能器件。

2、结构简单，制作方便。

3、无需供电，响应快。

附图说明

图1为磁电传感换能器件的结构示意图。

图中：1为磁致伸缩材料；2为压电材料；3为磁致伸缩材料；4为电压输出端；5是公共接地端；6为电压输出端；

图2为具有放大效应的压电材料的结构图。

图中：7为输入部分，沿长度方向极化；8为输出部分，沿长度方向极化；9为输入部分电极；10为公共接地电极，11为输出电极。

图3为具有放大功能的压电材料的升压比曲线。

图4为磁电传感换能器件的输入部分磁电系数随频率的变化曲线，对应压电材料输入部分的磁电系数α_V。