專利名稱：聲波耦合磁電效應(yīng)及器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是利用磁致伸縮薄片的磁致伸縮效應(yīng)和壓電薄片的壓電效應(yīng)，通過(guò)聲波耦合構(gòu)成復(fù)合磁電效應(yīng)，制得復(fù)合磁電器件。當(dāng)受到外界弱磁場(chǎng)微擾時(shí)，磁致伸縮薄片產(chǎn)生周期性彈性形變，這種周期形變傳輸?shù)街車橘|(zhì)即形成聲波，在聲波作用下，壓電薄片受到周期性的外力，即會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電荷或電壓輸出，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)弱磁場(chǎng)測(cè)量的目的。本發(fā)明屬于磁性材料及磁電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
磁電效應(yīng)是材料在磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象。磁電材料在傳感器領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，可以用來(lái)轉(zhuǎn)換能量，傳感信號(hào)，檢測(cè)磁場(chǎng)等。能產(chǎn)生磁電效應(yīng)的材料可分為單相和復(fù)合材料。但單相材料的實(shí)用價(jià)值不高，因其磁電性能很低且大多只能在低溫下才能被明顯觀測(cè)到，這就導(dǎo)致了磁電體制備的另一條道路一復(fù)合材料的開(kāi)辟。復(fù)合磁電材料的磁電耦合是基于復(fù)合材料界面處的力學(xué)傳遞，利用了鐵電材料的壓電效應(yīng)和鐵磁材料的磁致伸縮(magnetostriction)效應(yīng),原理簡(jiǎn)單但是效果驚人,使磁電電壓系數(shù)比在單相磁電體中測(cè)得的磁電電壓系數(shù)高出近百倍，達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用的要求。磁電耦合是鐵電材料的壓電效應(yīng)和鐵磁材料的磁致伸縮效應(yīng)構(gòu)成的一種乘積效應(yīng)，可以表達(dá)為
磁電效應(yīng)=力效應(yīng)X電效應(yīng) Kt效應(yīng)力效應(yīng)目前，磁電效應(yīng)的研究多采用層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，磁致伸縮相和壓電相間采用膠粘劑連接，如圖I所示，磁致伸縮相在橫向(方向I)形變并耦合至壓電相，經(jīng)由壓電效應(yīng)在縱向(方向3)產(chǎn)生電極化，則磁電電壓系數(shù)與壓電相的橫向壓電系數(shù)d31成正比。磁電層狀復(fù)合材料與霍爾元件和巨磁阻元件相比，不但成本低，尺寸小，而且對(duì)磁場(chǎng)的敏感度高得多，因此磁電層合材料是磁敏傳感器的最佳選擇。此外，與霍爾元件或巨磁阻作為傳感器需要消耗電能不同，磁電材料是自發(fā)電式的傳感器，傳感過(guò)程中不需要電功率輸入而直接可以產(chǎn)生電輸出。在雙層層合材料的實(shí)驗(yàn)研究中，所測(cè)量到的磁電電壓系數(shù)總是其理論預(yù)測(cè)的30%左右，這通常被認(rèn)為是層間耦合不夠理想所致，即界面的機(jī)械關(guān)聯(lián)意味著兩種材料表面的接觸可能是非光滑平整的，膠粘劑不能實(shí)現(xiàn)形變的完全傳遞。我們?cè)谟^察三層層合材料的實(shí)驗(yàn)時(shí)卻發(fā)現(xiàn)磁電系數(shù)有了很大提高，而層間耦合狀況此時(shí)并未改變，我們經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)分析認(rèn)為雙層膜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)普遍低于理論估計(jì)的原因除層間耦合不理想以外，還由非均勻形變?cè)斐桑从捎陔p層膜中兩層的彈性模量不同，因此壓電相在距離接觸面不同距離的平面內(nèi)形變量不同，為非均勻形變，而三層膜是關(guān)于中心面對(duì)稱的，形變的均勻性提高。本發(fā)明提出了采用聲波耦合結(jié)構(gòu)構(gòu)成磁電復(fù)合材料，如圖2所示，將TbDyFe等磁致伸縮材料切割成薄片，將PZT等壓電材料也切割成對(duì)應(yīng)面積的薄片，中間細(xì)桿僅起到連接作用，并無(wú)物理意義。此磁電效應(yīng)是通過(guò)聲波進(jìn)行耦合，理論推導(dǎo)較為簡(jiǎn)單，磁致伸縮相本構(gòu)方程為S =Cf^H,(I)壓電相本構(gòu)方程為D3 = J^T3p + εζ3Ε3 =0(2)其中d，q，ε分別為壓電系數(shù)，壓磁系數(shù)和介電常數(shù)，S，T為二階應(yīng)變和應(yīng)力張量，H, Ε, D分別為磁場(chǎng)強(qiáng)度，電場(chǎng)強(qiáng)度和電極化矢量。
利用聲壓公式T3m=Puco ^S3m，其中P為空氣介質(zhì)密度，u為聲速，ω為聲波頻率，可解得磁電電壓系數(shù)
t//·；, q "',JH…OCf =——-=-、-、· PU O)(3)
F JH, ε 可見(jiàn)磁電電壓系數(shù)與壓電相的縱向壓電系數(shù)d33成正比，故可稱為縱向磁電效應(yīng)。此結(jié)構(gòu)中由于耦合是通過(guò)聲波方法進(jìn)行，無(wú)須使用膠粘劑進(jìn)行界面機(jī)械連接，即可實(shí)現(xiàn)應(yīng)變或應(yīng)力在兩相材料間的傳遞，即保證為理想耦合。與此同時(shí)，形變的非均勻性也將不復(fù)存在。因此，聲波耦合結(jié)構(gòu)即保留了層狀結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)潔性，又避免了層間耦合的非理想型和非均勻性，同時(shí)獲得更穩(wěn)定的磁電性質(zhì)和更大的磁電電壓系數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明提出了采用聲波耦合構(gòu)成磁電器件的方式，由磁致伸縮薄片和壓電薄片組成?？梢暂^好的解決現(xiàn)有的層狀復(fù)合材料的缺點(diǎn)，比如層間耦合不理想和形變的非均勻性。加上這種新型結(jié)構(gòu)表現(xiàn)的是縱向磁電效應(yīng)，從而可以大幅提高磁電電壓系數(shù)和獲得更穩(wěn)定的磁電性質(zhì)，更有利于磁電器件的實(shí)際應(yīng)用。為解決技術(shù)問(wèn)題采取的技術(shù)方案首先切割磁致伸縮薄片和壓電薄片，按圖2所示制備聲波耦合磁電器件。制備完成后，利用直流電磁鐵產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)H，利用赫姆霍茲線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)δ H，在壓電薄片的上下表面電極間測(cè)量極化電壓S V，這里利用到了電荷放大器和示波器兩種儀器。根據(jù)測(cè)量結(jié)果和公式α Ε= δ V/tPZT即可求出磁電電壓系數(shù)，并據(jù)此分析偏置磁場(chǎng)和諧振頻率的影響，其中tPZTSPZT的厚度。有益效果根據(jù)以上敘述，可知本發(fā)明有如下特點(diǎn)(I)本發(fā)明提出了采用聲波耦合構(gòu)成磁電器件的方式，避免了層合材料因膠粘劑不能完全傳遞形變所造成的層間耦合不理想情況，從而可以獲得更穩(wěn)定的磁電性質(zhì)和更大的磁電電壓系數(shù)；同樣由于應(yīng)力或形變通過(guò)聲波可以完全傳遞，避免了形變的非均勻性，也有利于提高磁電電壓系數(shù)；(2)正如背景中所述，傳統(tǒng)的層狀復(fù)合磁電材料的磁電電壓系數(shù)與壓電相的橫向壓電系數(shù)成正比。但在本發(fā)明提出的這種結(jié)構(gòu)中，壓電相的受力與極化方向均在縱向即厚度方向，故所得磁電電壓系數(shù)與壓電相的縱向壓電系數(shù)d33成正比，而縱向壓電系數(shù)大約是橫向壓電系數(shù)的3倍，故所得磁電電壓系數(shù)將有較大提高；(3)因磁電電壓系數(shù)的提高，聲波耦合磁電器件將可以在更寬頻帶的激勵(lì)磁場(chǎng)下工作，更具實(shí)用價(jià)值。(4)偏置磁場(chǎng)也可由永磁材料產(chǎn)生，則系統(tǒng)的傳感部分不需消耗電能即可工作。


附圖I為傳統(tǒng)的層狀復(fù)合磁電材料示意圖，圖中包含磁致伸縮相和壓電相，兩相材料通過(guò)膠粘劑實(shí)現(xiàn)界面的機(jī)械關(guān)聯(lián)。(層狀磁電復(fù)合材料示意圖)附圖2為聲波耦合磁電效應(yīng)及器件示意圖，圖中包括磁致伸縮薄片和壓電薄片，兩者面積相同，中間用細(xì)桿連接構(gòu)成整體。 具體實(shí)施方案(I)如圖2所示，將磁致伸縮系數(shù)較大的材料如TbDyFe等切割成薄片，壓電系數(shù)較大的材料如PZT也切割成相同面積的薄片，中間用細(xì)桿連接，此細(xì)桿僅起到連接作用，并無(wú)物理意義。(2)在聲波稱合磁電器件受到施加的偏置磁場(chǎng)H和交變磁場(chǎng)δ H時(shí),TbDyFe薄片在磁致伸縮效應(yīng)的作用下產(chǎn)生形變，這種周期形變傳輸?shù)街車橘|(zhì)即形成聲波，在聲波作用下，壓電薄片受到周期性的外力，即會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電壓輸出SV，分別測(cè)量交變磁場(chǎng)δΗ和電壓δ V，根據(jù)公式aE=SV/tPZT即可求出磁電電壓系數(shù)，其中tPZTSPZT的厚度。(3)然后固定交變磁場(chǎng)δΗ在某一較低頻率(如f=lKHz)，改變偏置磁場(chǎng)，通過(guò)測(cè)量即可得到磁電電壓系數(shù)αΕ與偏置磁場(chǎng)的關(guān)系，找出α Ε最大時(shí)對(duì)應(yīng)的偏置磁場(chǎng)。(4)保持α ε最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的偏置磁場(chǎng)大小不變,此時(shí)磁場(chǎng)可用永磁材料產(chǎn)生,測(cè)量不同頻率交變磁場(chǎng)下的磁電電壓系數(shù)，找出諧振峰，即在某些諧振頻率時(shí)磁電電壓系數(shù)具有極值。
權(quán)利要求
1.聲波耦合磁電器件是將磁致伸縮薄片和壓電薄片結(jié)合起來(lái)構(gòu)成的，可用于弱磁場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域。其結(jié)構(gòu)特征主要由以下兩個(gè)部分組成(I)磁致伸縮薄片，(2)壓電薄片。
2.按權(quán)利要求書(shū)一所述的聲波耦合磁電器件，其原理特征在于磁致伸縮薄片的形變和壓電薄片受カ之間是通過(guò)聲波傳遞的，不存在界面的機(jī)械連接。
3.根據(jù)聲波耦合磁電器件的原理，壓電相的受カ與極化方向均在縱向即厚度方向，故所得磁電電壓系數(shù)與壓電相的縱向壓電系數(shù)d33成正比。
全文摘要
本發(fā)明是利用磁致伸縮效應(yīng)和壓電效應(yīng)，通過(guò)聲波耦合制得復(fù)合磁電器件。當(dāng)受到外界弱磁場(chǎng)微擾時(shí)，磁致伸縮薄片產(chǎn)生周期性彈性形變并傳輸?shù)街車橘|(zhì)形成聲波，在聲波作用下壓電薄片受到周期性的外力，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電荷或電壓輸出，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)弱磁場(chǎng)的測(cè)量。由于采用聲波耦合方式，無(wú)需使用膠粘劑，即保留了傳統(tǒng)層狀復(fù)合磁電材料的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔性，又避免了層間耦合的非理想型和非均勻性，可獲得更穩(wěn)定磁電性質(zhì)和更大的磁電電壓系數(shù)。
文檔編號(hào)H01L25/18GK102842575SQ20121029503
公開(kāi)日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月19日
發(fā)明者劉敬, 李向陽(yáng) 申請(qǐng)人:劉敬, 李向陽(yáng)