一種小型化溫度和應(yīng)力可控的磁電換能器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種小型化溫度和應(yīng)力可控的磁電換能器，包括磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)，封裝外殼，防磁螺絲，防磁活塞和放置在磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)上表面的多個半導(dǎo)體溫控片；磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)是由兩片超磁致伸縮材料夾一片壓電材料層疊粘接而成疊層式復(fù)合結(jié)構(gòu)；封裝外殼的一個側(cè)表面有開孔并設(shè)置防磁螺絲，防磁活塞與磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)上下層的超磁致伸縮材料相接觸，并與壓電材料間隔設(shè)置于封裝外殼內(nèi)，防磁螺絲和防磁活塞之間設(shè)置防磁彈簧，防磁活塞于與超磁致伸縮材料接觸的一側(cè)面上設(shè)置凹槽，壓電材料的一端置于凹槽內(nèi)；壓電材料的上下兩個面上鍍有金屬薄膜作為電極，金屬薄膜與電極線相連。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，體積小，易于使用，且使用誤差小，具有溫度和壓力可控的優(yōu)點。
【專利說明】一種小型化溫度和應(yīng)力可控的磁電換能器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，具體涉及一種小型化溫度和應(yīng)力可控的磁電換能器?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]磁電層合材料具有強(qiáng)磁電效應(yīng)且易于制備等特點，而被廣泛應(yīng)用于精密控制系統(tǒng)、智能濾波器、驅(qū)動器、傳感器、換能器等，推動尖端技術(shù)、軍事技術(shù)的發(fā)展及傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化。隨著現(xiàn)代高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，對高性能及小型化的基于磁電復(fù)合材料的磁電器件的需求日益增加。
[0003]由磁電層合材料構(gòu)成的磁電器件的工作原理主要是基于超磁致伸縮材料的磁致伸縮效應(yīng)和壓電材料的壓電效應(yīng)。由于超磁致伸縮材料的材料性能會受磁場、應(yīng)力、溫度等偏置條件的影響，因此，由超磁致伸縮材料構(gòu)成的磁電層合材料，可以通過改變偏置條件來調(diào)節(jié)磁電耦合效應(yīng)，從而提高磁電轉(zhuǎn)換性能。在固定外加靜磁場下，對于應(yīng)力控制，一般通過人為或借助外部拉壓裝置對磁致伸縮層進(jìn)行擠壓或拉伸來施加外力，從而改變磁電耦合效應(yīng)的強(qiáng)弱；對于溫度控制，通過改變磁電器件所在工作環(huán)境的溫度或?qū)⑵浞胖糜诤銣叵鋬?nèi)，來改變其磁致伸縮進(jìn)而改變磁電耦合效應(yīng)。但是，這些方法實現(xiàn)溫控和力控使得磁電器件不便及時使用，且使用范圍受到限制，誤差較大，尤其是不利于器件的小型化，使得其實際應(yīng)用價值降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的針對現(xiàn)有技術(shù)存在的實現(xiàn)溫控和力控不便，使用范圍受限以及器件復(fù)雜的問題，提供一種小型化溫度和應(yīng)力可控的磁電換能器，不僅結(jié)構(gòu)簡單，體積小，易于使用，且使用誤差小，具有溫度和應(yīng)力可控的優(yōu)點。
[0005]為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0006]一種小型化溫度和應(yīng)力可控的磁電換能器，其特殊之處在于:包括磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)，防磁材料制成的封裝外殼，防磁螺絲，防磁活塞和放置在磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)上表面的多個半導(dǎo)體溫控片；所述磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)是由兩片超磁致伸縮材料夾一片壓電材料層疊粘接而成疊層式復(fù)合結(jié)構(gòu)，各層之間通過環(huán)氧樹脂粘合，所述磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)通過環(huán)氧樹脂固定于封裝外殼的底面；所述封裝外殼的一個側(cè)表面有開孔并設(shè)置防磁螺絲，防磁活塞與磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)上下層的超磁致伸縮材料相接觸，并與壓電材料間隔設(shè)置于封裝外殼內(nèi)，防磁螺絲和防磁活塞之間設(shè)置防磁彈簧，防磁彈簧的一端固定在防磁螺絲上，另一端固定于防磁活塞上，防磁活塞于與超磁致伸縮材料接觸的一側(cè)面上設(shè)置凹槽，壓電材料的一端置于凹槽內(nèi)；所述壓電材料的上下兩個面上鍍有金屬薄膜作為電極，金屬薄膜與電極線相連。
[0007]進(jìn)一步，所述的磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)中的壓電材料為PZT，超磁致伸縮材料為Terfenol-D 材料。
[0008]進(jìn)一步，所述壓電材料和超磁致伸縮材料的形狀是矩形片狀。
[0009]進(jìn)一步，所述封裝外殼的上表面開設(shè)用于放置磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)的部分鏤空結(jié)構(gòu)。[0010]進(jìn)一步，所述半導(dǎo)體溫控片為半導(dǎo)體制冷片或半導(dǎo)體加熱片。
[0011]進(jìn)一步，所述金屬薄膜為鍍于壓電材料的上下兩個面的Ag、Au或Cu的金屬薄膜，優(yōu)選為Ag金屬薄膜。
[0012]進(jìn)一步,所述金屬薄膜的厚度的量級在微米級,優(yōu)選為50um。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0014]首先，本發(fā)明可通過改變半導(dǎo)體溫控片的種類和數(shù)量來控制超磁致伸縮材料溫度的高低，可以改變其形變量，從而實現(xiàn)層合材料磁電耦合效應(yīng)的溫度可控；通過改變防磁螺絲的松緊可控制所施加給超磁致伸縮材料的應(yīng)力大小，而不同的應(yīng)力會導(dǎo)致其產(chǎn)生不同程度的形變，通過層合材料捆綁效應(yīng)傳遞給壓電層的形變程度也不同，使得壓電材料產(chǎn)生不同的電壓，即實現(xiàn)了層合材料磁電耦合效應(yīng)的應(yīng)力可控；而且，溫度控制和應(yīng)力控制之間工作獨立，不會相互干擾。
[0015]其次，本發(fā)明克服了對磁電材料的傳統(tǒng)研究過程中溫度和應(yīng)力控制時的條件不具有自帶性的特點，實現(xiàn)了溫控和力控裝置與層合材料結(jié)構(gòu)于一體，實現(xiàn)了可控條件下的器件小型化；同時，通過調(diào)節(jié)自身溫度或應(yīng)力控制整個裝置的磁電耦合效應(yīng)，不僅可以實現(xiàn)器件磁電轉(zhuǎn)換能力的增減，使其具有更大的實際可應(yīng)用性，還能在不同的應(yīng)用條件下找到磁電器件的最佳工作狀態(tài)，獲得最強(qiáng)磁電耦合強(qiáng)度，從而提高磁電轉(zhuǎn)換性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明封裝后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖；
[0018]圖3是圖1的俯視圖；
[0019]圖4是圖2的俯視圖；
[0020]圖5是溫度控制下本發(fā)明的最大磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)曲線圖；
[0021]圖6是應(yīng)力控制下本發(fā)明的磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)曲線圖；
[0022]其中，1-磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)、2-半導(dǎo)體溫控片、3-防磁螺絲、4-封裝外殼、5-防磁彈簧、6-防磁活塞、7-超磁致伸縮材料、8-壓電材料、9-金屬薄膜、10-電極線。
【具體實施方式】
[0023]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0024]圖1至圖4示出了本發(fā)明提供的小型化溫度和應(yīng)力可控的磁電換能器。為了便于說明，僅僅不出了與本發(fā)明相關(guān)的部分。
[0025]本發(fā)明實施例的小型化溫度和應(yīng)力可控的磁電換能器，該小型化溫度和應(yīng)力可控的磁電換能器包括:
[0026]磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)，防磁材料制成的封裝外殼，防磁螺絲，防磁活塞和放置在磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)上表面的多個半導(dǎo)體溫控片；磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)是由兩片超磁致伸縮材料夾一片壓電材料層疊粘接而成疊層式復(fù)合結(jié)構(gòu)，各層之間通過環(huán)氧樹脂粘合，所述磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)通過環(huán)氧樹脂固定于封裝外殼的底面；封裝外殼的一個側(cè)表面有開孔并設(shè)置防磁螺絲，防磁活塞與磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)上下層的超磁致伸縮材料相接觸，并與壓電材料間隔設(shè)置于封裝外殼內(nèi)，防磁螺絲和防磁活塞之間設(shè)置防磁彈簧，防磁彈簧的一端固定在防磁螺絲上，另一端固定于防磁活塞上，防磁活塞于與超磁致伸縮材料接觸的一側(cè)面上設(shè)置凹槽，壓電材料的一端置于凹槽內(nèi)；壓電材料的上下兩個面上鍍有金屬薄膜作為電極，金屬薄膜與電極線相連。
[0027]作為本發(fā)明實施例的一優(yōu)化方案，磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)中的壓電材料為PZT，超磁致伸縮材料為Terfenol-D材料。
[0028]作為本發(fā)明實施例的一優(yōu)化方案，所述壓電材料和超磁致伸縮材料的形狀是矩形片狀。
[0029]作為本發(fā)明實施例的一優(yōu)化方案，所述封裝外殼的上表面開設(shè)用于放置磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)的部分鏤空結(jié)構(gòu)。
[0030]作為本發(fā)明實施例的一優(yōu)化方案，所述半導(dǎo)體溫控片為半導(dǎo)體制冷片或半導(dǎo)體加熱片。
[0031]作為本發(fā)明實施例的一優(yōu)化方案，所述金屬薄膜為鍍于壓電材料的上下兩個面的Ag、Au或Cu的金屬薄膜,優(yōu)選為Ag金屬薄膜。
[0032]作為本發(fā)明實施例的一優(yōu)化方案，所述金屬薄膜的厚度為0.05mm。
[0033]下面結(jié)合附圖1至4及具體實施例對本發(fā)明的應(yīng)用原理作進(jìn)一步描述。
[0034]實施例1:
[0035]本發(fā)明的小型化溫度和應(yīng)力可控的磁電換能器包括:磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)I,防磁材料制成的封裝外殼4，防磁螺絲3，防磁活塞6和放置在磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)I上表面的多個半導(dǎo)體溫控片2 ;磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)I是由兩片超磁致伸縮材料7夾一片壓電材料8層疊粘接而成疊層式復(fù)合結(jié)構(gòu)，壓電材料8為PZT材料，超磁致伸縮材料7為Terfenol-D材料，形狀均是矩形片狀，各層之間通過環(huán)氧樹脂粘合，磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)I通過環(huán)氧樹脂固定于封裝外殼4的底面；封裝外殼4的一個側(cè)表面有開孔并設(shè)置防磁螺絲3,防磁活塞6與磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)I上下層的超磁致伸縮材料7相接觸，并與壓電材料8間隔設(shè)置于封裝外殼4內(nèi)，防磁螺絲3和防磁活塞6之間設(shè)置防磁彈簧5，防磁彈簧5的一端固定在防磁螺絲3上，另一端固定于防磁活塞6上,防磁活塞6于與超磁致伸縮材料7接觸的一側(cè)面上設(shè)置凹槽,壓電材料8的一端置于凹槽內(nèi)；壓電材料8的上下兩個面上鍍有金屬薄膜作為電極，金屬薄膜9與電極線10相連以測試經(jīng)磁電轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的電壓，金屬薄膜9為鍍于壓電材料的上下兩個面的Ag、Au或Cu的金屬薄膜,優(yōu)選為Ag金屬薄膜,金屬薄膜9的厚度為0.05_。防磁螺絲3采用防磁不銹鋼制作，防磁彈簧5采用硅青銅線、錫青銅線或者錢青銅線制作，防磁活塞6采用防磁硬塑料材料制作。
[0036]封裝外殼4的上表面部分鏤空用于放置磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)1，其余面均封閉。
[0037]半導(dǎo)體溫控片可以是半導(dǎo)體制冷片或者半導(dǎo)體加熱片兩種，可拆卸，放置半導(dǎo)體的種類和數(shù)量依條件而定，放置位置可移動。
[0038]Terfenol-D 層的尺寸為 14_xl2_xl.5mm, PZT 的尺寸為 14_xl2_x0.5mm,各層之間通過環(huán)氧樹脂粘合。同時，在PZT層的上下兩個表面分別鍍上一層銀薄膜，銀薄膜的尺寸為:14mmxl2mmx0.05mmo
[0039]本實例中，將磁電換能器放置于能產(chǎn)生穩(wěn)定磁場的兩塊電磁鐵中，通過控制直流電流源的電流輸出，可以控制電磁鐵產(chǎn)生的磁場大小。在本例中，室溫為25°C，將半導(dǎo)體溫控片(制冷片/加熱片)放置于磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)上，實現(xiàn)溫度從(TC至80°C范圍內(nèi)調(diào)控，在不同的溫度下均控制所施加的磁場從O至40000e逐漸增大，得到在此過程中的最大的磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)值如圖5所示。從圖5中可以看出:溫度降低使得最大磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)升高，溫度從室溫降到0°C，磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)提高了 5.8%。
[0040]在本實施例中，以自然狀態(tài)下的螺絲位置為初始狀態(tài)，將螺絲每旋緊I圈，在與超磁致伸縮材料相連的活塞表面用測力儀所測得的相對應(yīng)的應(yīng)力會增加20Mpa。在室溫條件下，螺絲處于初始位置時獲得最大磁電系數(shù)的靜磁場為H=5000e，旋轉(zhuǎn)螺絲以施加壓應(yīng)力，測得與超磁致伸縮材料相連的活塞表面產(chǎn)生的壓力為50MPa時，磁電系數(shù)隨溫度的變化曲線趨于平穩(wěn)，減小了溫度升高而引起的磁電系數(shù)的劇烈衰減，如圖6所示。從圖6中可以看出:當(dāng)無壓應(yīng)力時，溫度從從0°C升高到200°C時,磁電系數(shù)從1160mV/cm0e降低到548.4mV/cm0e，降低了 52.7% ;而當(dāng)壓應(yīng)力為_50MPa時，溫度從(TC升高到200°C時，磁電系數(shù)從643.4mV/cm0e降低到642.4mV/cm0e，僅僅降低了 0.155%，也就是說在_50MPa應(yīng)力作用下，溫度升高并未引起磁電效應(yīng)的劇烈浮動，也就是說壓應(yīng)力的施加將磁電系數(shù)維持穩(wěn)定水平。上述分析可知，通過半導(dǎo)體溫控片降低溫度有助于提高換能器性能；增大材料所受壓應(yīng)力將抑制溫度升高引起的磁電系數(shù)的劇烈衰減，有助于增強(qiáng)材料的溫度穩(wěn)定性，有利于材料應(yīng)用在有較大溫差的環(huán)境中。綜上，通過本發(fā)明所設(shè)計的裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度和應(yīng)力共同調(diào)控磁電換能器的性能。
[0041]本發(fā)明的磁電換能器的控制方法，將換能器放入弱磁場源內(nèi)，即電磁鐵磁的兩個極之間，超磁致伸縮材料會發(fā)生形變，形變會通過層合材料的捆綁效應(yīng)傳遞給壓電材料，使得壓電材料產(chǎn)生電壓，而所產(chǎn)生的電壓與磁場的比值即為磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)，表征磁電轉(zhuǎn)換的能力；通過改變半導(dǎo)體溫控片的種類和數(shù)量來控制超磁致伸縮材料溫度的高低，可以改變其形變量，從而實現(xiàn)了層合材料磁電耦合效應(yīng)的溫度可控；通過記錄防磁螺絲旋轉(zhuǎn)一圈，其所連接的防磁彈簧的形變長度，并用測力儀測出防磁彈簧形變相同的長度時通過活塞后可以產(chǎn)生的力，即可得到防磁螺絲旋轉(zhuǎn)一圈在與磁致伸縮材料的接觸面上會產(chǎn)生的力的大小，改變防磁螺絲的松緊可控制所施加給超磁致伸縮材料的應(yīng)力，而不同的應(yīng)力會導(dǎo)致其產(chǎn)生不同的形變，亦可使壓電材料產(chǎn)生不同的電壓，即實現(xiàn)了層合材料磁電耦合效應(yīng)的應(yīng)力可控。
[0042]本發(fā)明通過改變半導(dǎo)體溫控片的種類和數(shù)量來控制超磁致伸縮材料溫度的高低，可以改變其形變量，從而實現(xiàn)層合材料磁電耦合效應(yīng)的溫度可控；防磁螺絲旋轉(zhuǎn)一圈通過記錄其所連接的防磁彈簧的形變長度，并用測力儀測出防磁彈簧形變相同的長度時通過活塞后可以產(chǎn)生的力，即可得到防磁螺絲旋轉(zhuǎn)一圈在與磁致伸縮材料的接觸面上會產(chǎn)生的力的大小，改變防磁螺絲的松緊可控制所施加給超磁致伸縮材料的應(yīng)力大小，而不同的應(yīng)力會導(dǎo)致其產(chǎn)生不同程度的形變，通過層合材料捆綁效應(yīng)傳遞給壓電層的形變程度也不同，使得壓電材料產(chǎn)生不同的電壓，即實現(xiàn)了層合材料磁電耦合效應(yīng)的應(yīng)力可控；而且，溫度控制和應(yīng)力控制之間工作獨立，不會相互干擾。本發(fā)明克服了對磁電材料的傳統(tǒng)研究過程中溫度和應(yīng)力控制時的條件不具有自帶性的特點，實現(xiàn)了溫控和力控裝置與層合材料結(jié)構(gòu)于一體，實現(xiàn)了可控條件下的器件小型化；同時，通過調(diào)節(jié)自身溫度或應(yīng)力控制整個裝置的磁電耦合效應(yīng)，不僅可以實現(xiàn)器件磁電轉(zhuǎn)換能力的增減，使其具有更大的實際可應(yīng)用性，還能在不同的應(yīng)用條件下找到磁電器件的最佳工作狀態(tài)，獲得最強(qiáng)磁電耦合強(qiáng)度，從而提高磁電轉(zhuǎn)換性能；更是由于上述特點，此換能器能夠單獨使用，亦可作為設(shè)計其他器件時的一個組件，具有多面功能性，具有很大的應(yīng)用前景。
[0043]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種小型化溫度和應(yīng)力可控的磁電換能器,其特征在于:包括磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)，防磁材料制成的封裝外殼，防磁螺絲，防磁活塞和放置在磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)上表面的多個半導(dǎo)體溫控片；所述磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)是由兩片超磁致伸縮材料夾一片壓電材料層疊粘接而成疊層式復(fù)合結(jié)構(gòu)，各層之間通過環(huán)氧樹脂粘合，所述磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)通過環(huán)氧樹脂固定于封裝外殼的底面；所述封裝外殼的一個側(cè)表面有開孔并設(shè)置防磁螺絲，防磁活塞與磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)上下層的超磁致伸縮材料相接觸，并與壓電材料間隔設(shè)置于封裝外殼內(nèi)，防磁螺絲和防磁活塞之間設(shè)置防磁彈簧，防磁彈簧的一端固定在防磁螺絲上，另一端固定于防磁活塞上，防磁活塞于與超磁致伸縮材料接觸的一側(cè)面上設(shè)置凹槽，壓電材料的一端置于凹槽內(nèi)；所述壓電材料的上下兩個面上鍍有金屬薄膜作為電極，金屬薄膜與電極線相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小型化溫度和應(yīng)力可控的磁電換能器，其特征在于:所述的磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)中的壓電材料為PZT，超磁致伸縮材料為Terfenol-D材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種小型化溫度和應(yīng)力可控的磁電換能器，其特征在于:所述壓電材料和超磁致伸縮材料的形狀是矩形片狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種小型化溫度和應(yīng)力可控的磁電換能器，其特征在于:所述封裝外殼的上表面開設(shè)用于放置磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)的部分鏤空結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種小型化溫度和應(yīng)力可控的磁電換能器，其特征在于:所述半導(dǎo)體溫控片為半導(dǎo)體制冷片或半導(dǎo)體加熱片。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種小型化溫度和應(yīng)力可控的磁電換能器，其特征在于:所述金屬薄膜為鍍于壓電材料的上下兩個面的Ag、Au或Cu的金屬薄膜，優(yōu)選為Ag金屬薄膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種小型化溫度和應(yīng)力可控的磁電換能器，其特征在于:所述金屬薄膜的厚度的量級在微米級，優(yōu)選為50um。
【文檔編號】H02N2/18GK103731064SQ201310463479
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月9日
【發(fā)明者】周浩淼, 廉靖, 崔曉樂 申請人:中國計量學(xué)院