專利名稱：一種磁電傳感換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于壓電器件，具體地說是一種高性能磁電傳感換能器。
背景技術(shù)：
壓電材料是受到壓力作用時(shí)在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料。利用壓電材料的特 性可實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能間的互相轉(zhuǎn)換。壓電材料廣泛用于多種傳感器、換能器、驅(qū)動(dòng)器中， 在現(xiàn)代軍事、科技、國民經(jīng)濟(jì)的各行業(yè)、領(lǐng)域等都有著重要的應(yīng)用。其中，弱磁場的有效探測在軍事和民用上受到高度的重視，它廣泛應(yīng)用在地磁場 探測、海洋磁場探測、人體腦磁場測量、磁噪聲測量等眾多領(lǐng)域，具有其它信號(hào)探測方式不 可替代的優(yōu)點(diǎn)。早期以Cr2O3為代表的單相的磁電材料，由于其使用溫度范圍大多都遠(yuǎn)低 于室溫，并且磁電電場系數(shù)僅為20mV/cm · 0e、磁電效應(yīng)比較小，使得這些單相磁電材料難 于獲得實(shí)際的應(yīng)用，近些年來，科研人員基于壓電效應(yīng)與磁致伸縮效應(yīng)，制備出了一系列的 壓電/磁致伸縮復(fù)合材料，大大提高了磁電系數(shù)，與已有的常規(guī)磁電材料，如單相材料、鐵 電_鐵磁混合燒結(jié)、鐵電_鐵磁薄膜復(fù)合材料等材料相比，層狀復(fù)合材料的磁電性能提高 了 100多倍，制成的磁電傳感器的靈敏度也大幅提高。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對探測的 靈敏度要求越來越高。但是，由于材料性能的限制，進(jìn)一步提升磁電系數(shù)，提高探測的靈敏 度仍然是一個(gè)迫切需要解決而又難以解決的重要課題。本發(fā)明基于高性能壓電單晶材料 PMN-PT及機(jī)電變壓效應(yīng)，通過優(yōu)化壓電材料結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)尺寸以及電極分布，發(fā)明了一種結(jié)構(gòu) 簡單、體積小、靈敏度更高的磁電傳感換能器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供結(jié)構(gòu)簡單、體積小、靈敏度更高的磁電傳感換能器。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種磁電傳感換能器，由磁致伸縮材料和壓電材料組成，上部的磁致伸縮材料、中 部的壓電材料和下部的磁致伸縮材料三層材料之間用絕緣膠粘接；三層材料的厚度比例為 1 0.6-1 1 ；壓電材料為鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛單晶材料。鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛單晶材料的化學(xué)組成為(1-x) Pb (Mgl73Nb273O3) -XPbTiO3 (PMN-PT )，用來制備該器件的最優(yōu)組分范圍為0. 28 < χ < 0. 33，結(jié)晶學(xué)取向?yàn)?lt;001>方向。磁致伸縮材料是具有顯著磁致伸縮效應(yīng)的、可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn) 換為電能的金屬、合金以及鐵氧體等磁性材料，英文名稱magnet0StriCtive material。本發(fā)明磁電傳感換能器結(jié)構(gòu)如圖1所示，為具有磁致伸縮材料-壓電材料_磁致 伸縮材料的層狀結(jié)構(gòu)。磁致伸縮材料、壓電材料的輸入部分和磁致伸縮材料之間用一層薄 的絕緣膠連接，實(shí)現(xiàn)機(jī)械耦合，三層材料優(yōu)化后的厚度比例為1 0.6-1 1。利用上、下部 的磁致伸縮材料實(shí)現(xiàn)磁場能量和彈性能間的轉(zhuǎn)變，然后傳遞到壓電材料的輸入部分，通過 正壓電效應(yīng)，在壓電材料的輸入部分產(chǎn)生電壓信號(hào)輸出V。utl，同時(shí)該彈性能量傳遞到壓電 材料的輸出部分，由于機(jī)電耦合作用，在諧振頻率下得到了進(jìn)一步放大的電壓信號(hào)V。ut2。
如圖2所示的壓電材料還可同時(shí)實(shí)現(xiàn)磁電信號(hào)輸出及進(jìn)一步放大的功能。整個(gè)壓 電材料分為兩部分，沿長度方向極化的輸入部分和輸出部分；還設(shè)有輸入電極、公共接地電 極、輸出電極。當(dāng)輸入部分受到應(yīng)變作用時(shí)，由逆壓電效應(yīng)，低頻下在輸入部分和接地端之 間輸出非常平穩(wěn)的電壓信號(hào)。同時(shí)，此應(yīng)變會(huì)傳遞到輸出部分，通過機(jī)電變壓效應(yīng)，在諧振 態(tài)下輸出端和接地端間產(chǎn)生放大效應(yīng)，得到放大后的電壓信號(hào)，從而大大的提高磁電系數(shù)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1、提供多端輸出。輸入端，低頻下具有平坦的頻率響應(yīng)，適用于傳感器件；輸出端， 在諧振態(tài)下具有高電壓輸出，適用于高性能的換能器件。2、結(jié)構(gòu)簡單，制作方便。3、無需供電，響應(yīng)快。


圖1為磁電傳感換能器件的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1為磁致伸縮材料；2為壓電材料；3為磁致伸縮材料；4為電壓輸出端；5是 公共接地端；6為電壓輸出端；圖2為具有放大效應(yīng)的壓電材料的結(jié)構(gòu)圖。圖中7為輸入部分，沿長度方向極化；8為輸出部分，沿長度方向極化；9為輸入 部分電極；10為公共接地電極，11為輸出電極。圖3為具有放大功能的壓電材料的升壓比曲線。圖4為磁電傳感換能器件的輸入部分磁電系數(shù)隨頻率的變化曲線，對應(yīng)壓電材料 輸入部分的磁電系數(shù)αν。圖5為磁電傳感換能器件的輸出部分磁電系數(shù)隨頻率的變化曲線，對應(yīng)壓電材料 輸出部分的磁電系數(shù)αν。實(shí)施方式下面通過具體實(shí)施方式
對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。本發(fā)明實(shí)施例1、2、3為制備磁電傳感換能器件的完整過程；對具有放大功能的壓 電材料的升壓比隨頻率變化特性進(jìn)行測試；對換能器響應(yīng)隨磁場信號(hào)頻率變化特性進(jìn)行測
試ο實(shí)施例1 磁電傳感換能器件結(jié)構(gòu)如圖1所示，選用改進(jìn)的Bridgman(布里奇曼)方法生長 組分為0. 28 < χ < 0. 33的PMN-PT (鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛)單晶，晶體取向?yàn)?lt;001>方向，制作 壓電材料2。Terfenol-D (鋱鏑鐵)合金制作磁致伸縮材料1和磁致伸縮材料3。PMN-PT (鈮 鎂酸鉛-鈦酸鉛)的尺寸為16Χ2Χ2mm3，Terfenol-D(鋱鏑鐵)的尺寸為6X2X2mm3。從 2上引出電極4、5和6。1、2和3之間的粘接采用不導(dǎo)電的環(huán)氧樹脂膠，使得上下兩層磁致 伸縮材料與壓電材料很好的絕緣和機(jī)械耦合。實(shí)施例2 制作具有放大功能的壓電材料，如圖2所示左半部分為驅(qū)動(dòng)部分7，右半部分為 輸出部分8，皆沿長度方向極化，如圖2中箭頭所示，電極位置如圖9、10和11所示，電極9 和11為全電極，電極10的寬度為1mm。
測試的具有放大功能的壓電材料的升壓比曲線時(shí)，信號(hào)發(fā)生器與輸入端9和接地 端10相連，示波器與輸出端11和接地端10相連。測試結(jié)果如圖3所示，在115kHz左右時(shí)， 升壓比可達(dá)30倍。實(shí)施例3 測試磁電系數(shù)為使得磁致伸縮材料的應(yīng)變能有效的傳遞到壓電材料，因此選取長度接近的 Terfenol-D(鋱鏑鐵)粘到壓電材料2上，Terfenol-D(鋱鏑鐵)的尺寸為6X2X2mm3。 將實(shí)施例1的1、2和3組合完畢后，測試其磁電系數(shù)，輸入的磁場幅值為10e，頻率范圍為 l-175kHz，結(jié)果表明，在SOOOe最佳的偏置磁場下，輸入部分，在l_50kHz范圍內(nèi)，具有穩(wěn)定 的電壓信號(hào)輸出，磁電系數(shù)0￥達(dá)315!^/(^ ；在諧振態(tài)下，信號(hào)經(jīng)放大后在輸出部分磁電系 數(shù) αν 高達(dá) 7. 86V/0e。本發(fā)明磁電傳感換能器件，能提供多端輸出，對于輸入端，低頻下具有平坦的頻率 響應(yīng)，適合用于傳感器件，對于輸出端，在諧振態(tài)下具有高電壓輸出，適合高性能的換能器 件，并且，還具有結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，無需供電，響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。上述實(shí)施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選例，并不用來限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則之內(nèi)， 所做的任何修改和變化，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種磁電傳感換能器，由磁致伸縮材料(1)和壓電材料(2)組成，其特征在于上部的磁致伸縮材料(1)、中部的壓電材料(2)和下部的磁致伸縮材料(3)三層材料之間用絕緣膠粘接，三層材料的厚度比例為1∶0.6-1∶1；壓電材料為鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛單晶材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁電傳感換能器，其特征在于鈮鎂酸鉛_鈦酸鉛單晶材料 的化學(xué)組成為(1-x) Pb (Mg1/3Nb2/303)-XPbTiO3(PMN-PT),用來制備該器件的最優(yōu)組分范圍為 0. 28 < χ < 0. 33，結(jié)晶學(xué)取向?yàn)?lt;001>方向。
全文摘要
本發(fā)明屬于壓電器件，一種高性能磁電傳感換能器。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對探測的靈敏度要求越來越高。由于材料性能的限制，進(jìn)一步提升磁電系數(shù)，提高探測的靈敏度仍然是一個(gè)迫切需要解決而又難以解決的重要課題。本發(fā)明包括磁致伸縮材料(1)、壓電材料(2)和磁致伸縮材料(3)，三層材料之間用絕緣膠粘接，三層材料的厚度比例優(yōu)化為1∶0.6-1∶1；壓電材料為鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛單晶材料。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是具有多端輸出；輸入端，低頻下具有平坦的頻率響應(yīng)，適用于傳感器件；輸出端，在諧振態(tài)下具有高電壓輸出，適用于高性能的換能器件；結(jié)構(gòu)簡單，制作方便；無需供電，響應(yīng)快。
文檔編號(hào)C30B29/22GK101882919SQ20101021940
公開日2010年11月10日 申請日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月2日
發(fā)明者王飛飛, 石旺舟, 羅豪甦 申請人:上海師范大學(xué)