基于功能梯度磁电复合材料的新型自偏置磁传感器

陈　蕾

(重庆文理学院机器视觉与智能信息系统重点实验室， 重庆　永川　402160)



基于功能梯度磁电复合材料的新型自偏置磁传感器

陈蕾

(重庆文理学院机器视觉与智能信息系统重点实验室， 重庆永川402160)

[摘要]文章采用超磁致伸缩材料Terfenol-D(Tb0.37Dy0.63Fe2)、金属玻璃Metglas 2605SA1和压电材料PZT(Pb(Zr, Ti)O3)，设计了一种基于功能梯度磁电复合材料的新型自偏置磁传感器.利用Metglas和Terfenol-D之间的磁导率和矫顽力差异产生较强的磁化梯度，打破原有的平衡状态，导致内建磁场产生，进一步提高了零偏置磁场下磁致伸缩材料的压磁系数和磁电响应.实验结果表明：该传感器获得了较高的低频和高频零偏置磁电电压系数，分别达到9.14 mV/Oe和572 mV/Oe，并且谐振磁电电压输出和激励交变磁场之间呈线性变化关系.该自偏置磁传感器避免了传统磁电传感器对偏置磁场的依赖，具有制作简单、成本低、体积小，无需偏置磁场以及灵敏度高等优点.

[关键词]磁电效应；功能梯度磁电复合材料；自偏置磁传感器；磁致伸缩材料

磁传感器应用广泛，种类繁多，原理各异.由于磁电复合材料不但成本低、尺寸小，而且对磁场的敏感度比霍耳元件和磁阻要高得多，成为磁传感器的极佳选择[1-6].然而，新的应用环境要求磁传感器微型化且灵敏度高.磁电复合材料的磁电电压系数与磁致伸缩材料的压磁系数成正比[7].压磁系数是偏置磁场的函数.这导致传统的磁电复合传感器较强地依赖于偏置磁场.在零偏置磁场条件下，传统磁电复合材料难以对微小磁场做出响应；而采用永磁体产生偏置磁场时尺寸较大，大大限制了器件的尺寸及应用范围.因此，如何提高磁电复合材料的零偏置磁电响应特性和磁场灵敏度成为目前国际上一个新的研究热点.Jia Y M等人[8]提出将PMN-PT放于两片NdFeB之间组成三明治结构的层状复合材料，与传统层合结构相比，这种层合结构不需要任何偏置磁场，但磁场灵敏度相对较低，并不适合于低强度磁场的测量.实际上，利用功能梯度铁磁材料的空间磁化梯度可以产生内建磁场.2005年美国的Srinivasan等人[9]就曾报道，采用复合梯度铁氧体所产生内建磁场强度可达到30 Oe.因此，我们提出采用Terfenol-D、金属玻璃Metglas 2605SA1和PZT压电材料复合构建一种新型的功能梯度磁电传感器，来提高零偏置磁电电压输出和磁场灵敏度，从而避免传统磁电复合磁传感器对偏置磁场的依赖，扩大其应用范围.

1自偏置传感器的工作原理

磁电复合材料的磁电电压系数(dVME/dHac表示磁电复合材料的交流磁场灵敏度)与Terfenol-D的压磁系数成正比.压磁系数是偏置磁场的函数.这导致磁电复合材料磁电响应特性依赖于偏置磁场，压磁系数随偏置磁场的改变而变化，相应地，磁电电压系数也随偏置磁场变化.当偏置磁场为零时，各个磁畴在Terfenol-D内混乱排列，并且每个磁畴的磁致伸缩形变在各个方向上都有分布，整个Terfenol-D在宏观上并不显出在某一方向上的伸长或者缩短，Terfenol-D的压磁系数近似等于零，磁电电压系数非常小.

式中的ψ(r)表示内建磁标势.从公式中可知，内建磁场的强度主要取决于内建磁标势.因此，本文提出利用磁导率和矫顽力差异较大的Terfenol-D和金属玻璃Metglas 2605SA1产生一个较高的内建磁场，提高复合后结构在零偏置下的压磁系数，增强其磁场灵敏度.

图1　自偏置磁电传感器的结构示意图

将Terfenol-D、Metglas2605SA1和PZT复合得到自偏置磁电传感器的结构，如图1所示.PZT材料沿着厚度方向极化，Terfenol-D材料沿着长度方向磁化.Terfenol-D和PZT尺寸分别为12.0 mm×3.0 mm×1.0 mm 和12.0 mm×3.0 mm×0.8 mm.Metglas2605SA1的尺寸为12.0 mm ×3.0 mm ×0.03 mm.由于金属玻璃Metglas 2605SA1(μr> 40000)和Terfenol-D(μr= 5)之间的磁导率和矫顽力差异产生较强的磁化梯度，原有的平衡状态被打破，从而在两种材料中将产生一个较高的内建磁标势，最终导致内建磁场的产生.利用Terfenol-D的压磁系数对磁场的依赖特性，引起压磁系数的增强，进一步通过与PZT压电材料耦合来获得较高的自偏置磁电电压输出和磁场灵敏度.

2实验方法

如图2所示，实验使用一对环形超强永磁铁钕铁硼来产生直流偏置磁场，调整两环形磁铁距离改变偏置磁场Hbias大小，磁场大小由高斯计测量.采用信号发生器(Agilent 33250A)产生一个正弦波信号，通过长直螺线管感应出交变磁场作用在样品器件上.样品器件放置于永磁铁和线圈中间，其长度方向与线圈轴向平行，偏置磁场和交变磁场的方向都平行于长度方向.在测量过程中通过改变信号发生器的频率来研究磁电电压系数与交变磁场频率的关系，改变偏置磁场大小来研究磁电电压系数与直流偏置磁场的关系.

图2　磁电效应的实验测量原理图

3实验结果及分析

在工作频率1 kHz和交变磁场峰值为1 Oe激励下，测得偏置磁场范围0～700 Oe内Terfenol-D/PZT(TP)和Metglas/Terfenol-D/PZT(MTP)磁传感器的磁电电压系数随偏置磁场的变化关系，如图3所示.

图3　TP和MTP磁传感器的低频磁电电压系数随偏置磁场变化曲线

由图3可知，两种传感器的变化趋势一致，随着偏置磁场的增加，TP和MTP传感器的磁电电压系数逐渐增加达到一个最大值，然后再缓慢减小.但当偏置磁场Hbias= 0 Oe时，TP磁传感器的低频谐振磁电电压系数仅仅为1.89 mV/Oe，而MTP磁传感器的磁电电压系数达到9.14 mV/Oe，远大于TP磁传感器和Jia Y M等人所报道的NdFeB/PMN-PT/NdFeB复合材料(1.25 mV/Oe).由此可见，引入Metglas使得Terfenol-D和Metglas之间形成磁化梯度，导致内建磁场的产生，进一步引起Terfenol-D压磁系数增强.同时，由于压磁系数与低频磁电电压系数成正比[10，11]，压磁系数的增强将最终导致磁电电压系数的提高.

(a)TP磁传感器

(b) MTP磁传感器

图4为零偏置磁场下，TP和MTP磁传感器谐振频率附近的磁电电压系数谱，即谐振频率附近磁电电压系数随频率变化的曲线.由此可知，TP和MTP磁传感器具有相似的变化趋势：随频率增大，磁电电压系数逐渐增加, 随后进入快速增加阶段至峰值点后随频率增大而迅速减小.在零偏置磁场下，TP磁传感器谐振磁电电压系数达到0.143 V/Oe，谐振频率为33.5 kHz，MTP磁传感器谐振磁电电压系数为0.572 V/Oe，谐振频率为35.8 kHz.FMP传感器显现较好的交流磁场灵敏度.谐振磁电电压系数远远高于低频磁电电压系数.根据图4可计算得到TP和MTP磁传感器的有效机械品质因数Qmech分别为59.82和74.58.正是由于有效机械品质因数决定了谐振磁电响应的增益特性，提高了谐振磁电电压系数.

图5为MTP磁传感器在零偏置磁场、交流小磁场频率锁定在35.8 kHz下测得的输出电压随交流磁场大小的变化.可以看出，MTP磁传感器的输出电压与交变磁场有良好的线性关系(直线中间的略微形变是由于测量仪表量程改变所致) , 可换算得到该复合磁传感器的磁场分辨率为7.4×10- 10T.这说明MTP磁传感器可以在交流磁场的测量方面得到很好的应用.

图5　MTP传感器谐振时磁电电压随交变磁场响应特性

4结论

本文介绍了基于功能梯度磁电复合材料的新型自偏置磁传感器.研究结果表明，自偏置磁传感器MTP的低频磁电电压系数(磁场灵敏度)达到9.14 mV/Oe，是TP磁传感器的4.84倍.谐振磁电电压系数(磁场灵敏度)为572 mV/Oe，并且输出电压与交变磁场具有良好的线性关系.该传感器的结构紧凑，体积小，传感性能好，灵敏度高，制作简单，采用现有的薄膜制备工艺，有利于研制微型化、高灵敏度的磁传感器件，为实现磁电复合磁传感器的微型化提供了一种新思路.

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(责任编辑穆刚)

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

[中图分类号]TP212

[文献标志码]A

[文章编号]1673-8004(2016)02-0068-04

[作者简介]陈蕾(1979—)，女，重庆市人，副教授，博士，主要从事传感技术方面的研究.

[基金项目]国家自然科学基金项目(61304255)；重庆市教育委员会科学技术研究项目(KJ131221).

[收稿日期]2015-05-26