專利名稱：一種磁電傳感換能器的制作方法
技術領域：
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：
壓電材料是受到壓力作用時在兩端面間出現電壓的晶體材料。利用壓電材料的特 性可實現機械能和電能間的互相轉換。壓電材料廣泛用于多種傳感器、換能器、驅動器中， 在現代軍事、科技、國民經濟的各行業(yè)、領域等都有著重要的應用。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域，具有其它信號探測方式不 可替代的優(yōu)點。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低 于室溫，并且磁電電場系數僅為20mV/cm · 0e、磁電效應比較小，使得這些單相磁電材料難 于獲得實際的應用，近些年來，科研人員基于壓電效應與磁致伸縮效應，制備出了一系列的 壓電/磁致伸縮復合材料，大大提高了磁電系數，與已有的常規(guī)磁電材料，如單相材料、鐵 電_鐵磁混合燒結、鐵電_鐵磁薄膜復合材料等材料相比，層狀復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。隨著科學技術的進步，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，進一步提升磁電系數，提高探測的靈敏 度仍然是一個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及機電變壓效應，通過優(yōu)化壓電材料結構、調節(jié)尺寸以及電極分布，發(fā)明了一種結構 簡單、體積小、靈敏度更高的磁電傳感換能器。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供結構簡單、體積小、靈敏度更高的磁電傳感換能器。本發(fā)明的目的是這樣實現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，結晶學取向為<001>方向。磁致伸縮材料是具有顯著磁致伸縮效應的、可將電能轉換為機械能或將機械能轉 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構如圖1所示，為具有磁致伸縮材料-壓電材料_磁致 伸縮材料的層狀結構。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，實現機械耦合，三層材料優(yōu)化后的厚度比例為1 0.6-1 1。利用上、下部 的磁致伸縮材料實現磁場能量和彈性能間的轉變，然后傳遞到壓電材料的輸入部分，通過 正壓電效應，在壓電材料的輸入部分產生電壓信號輸出V。utl，同時該彈性能量傳遞到壓電 材料的輸出部分，由于機電耦合作用，在諧振頻率下得到了進一步放大的電壓信號V。ut2。
如圖2所示的壓電材料還可同時實現磁電信號輸出及進一步放大的功能。整個壓 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；還設有輸入電極、公共接地電 極、輸出電極。當輸入部分受到應變作用時，由逆壓電效應，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。同時，此應變會傳遞到輸出部分，通過機電變壓效應，在諧振 態(tài)下輸出端和接地端間產生放大效應，得到放大后的電壓信號，從而大大的提高磁電系數。本發(fā)明的優(yōu)點是1、提供多端輸出。輸入端，低頻下具有平坦的頻率響應，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、結構簡單，制作方便。3、無需供電，響應快。


圖1為磁電傳感換能器件的結構示意圖。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為具有放大效應的壓電材料的結構圖。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隨頻率的變化曲線，對應壓電材料 輸入部分的磁電系數αν。圖5為磁電傳感換能器件的輸出部分磁電系數隨頻率的變化曲線，對應壓電材料 輸出部分的磁電系數αν。實施方式下面通過具體實施方式
對本發(fā)明做進一步說明。本發(fā)明實施例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行測試；對換能器響應隨磁場信號頻率變化特性進行測
試ο實施例1 磁電傳感換能器件結構如圖1所示，選用改進的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，晶體取向為<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械耦合。實施例2 制作具有放大功能的壓電材料，如圖2所示左半部分為驅動部分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，信號發(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。測試結果如圖3所示，在115kHz左右時， 升壓比可達30倍。實施例3 測試磁電系數為使得磁致伸縮材料的應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。 將實施例1的1、2和3組合完畢后，測試其磁電系數，輸入的磁場幅值為10e，頻率范圍為 l-175kHz，結果表明，在SOOOe最佳的偏置磁場下，輸入部分，在l_50kHz范圍內，具有穩(wěn)定 的電壓信號輸出，磁電系數0￥達315!^/(^ ；在諧振態(tài)下，信號經放大后在輸出部分磁電系 數 αν 高達 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，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，還具有結構簡單，制作方便，無需供電，響應快等優(yōu)點。上述實施例僅為本發(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， 所做的任何修改和變化，均在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
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.根據權利要求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，結晶學取向為<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。隨著科學技術的進步，人們對探測的靈敏度要求越來越高。由于材料性能的限制，進一步提升磁電系數，提高探測的靈敏度仍然是一個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)點是具有多端輸出；輸入端，低頻下具有平坦的頻率響應，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；結構簡單，制作方便；無需供電，響應快。
文檔編號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