基于磁电效应的磁场传感器输出响应特性的研究

摘要

磁电效应是材料在磁场的作用下产生电极化(正磁电效应),或者在电场的作用下产生诱发磁化(逆磁电效应)的现象。具有磁电效应的材料称为磁电材料,其磁电转化效率通常用磁电电压系数来描述。基于磁电效应的磁电传感器,具有灵敏度和分辨力高、响应频率范围宽、室温工作、被动探测、功耗低以及制备工艺简单等特点,在地磁场、生物磁场等 pTesla(10-12 T)甚至 fTesla(10-15 T)级微弱磁场的测量领域表现出非常好的应用前景。
　　本文以 Push-Pull工作模式的磁电层合结构为研究对象,从理论和实验两个方面研究了其磁电输出响应特性与偏置磁场、交变激励频率的关系。理论方面,以“等效电路法”为基础,考虑与外磁场的关系,给出了低频时磁电层合结构的磁电内禀性质表达式,并讨论了磁电层合结构在谐振状态时的磁电转换及能量损耗;实验方面,搭建了磁电效应测试系统,采用动态法对磁电层合结构样品的磁电输出响应进行了测量,将得到的实验结果与理论推导结果进行对比,两者符合得较好。
　　本文创新之处在于对磁电层合结构的磁场传感器相关各项基本参数进行了测试与评估。测试结果显示,Push-Pull型三层磁电层合结构具备较高的灵敏度和较低的背景噪声,分辨率可达到 nTesla(10-9 T)量级,但输出线性度还有待提高。设计并实现了磁电传感器专用信号处理电路。在 Push-Pull型三层磁电层合结构基础上,引入磁致伸缩材料 Metglas,得到五层磁电层合结构,显著提高了原磁电层合结构的输出响应,并研究了Metglas层厚度与磁电输出响应的关系,发现当 Metglas层厚度为150μm时,五层磁电层合结构具有最大的磁电响应αEmax=1.2 V/cmOe(f=1 kHz),该结果是原三层磁电层合结构的1.33倍。通过改变 Metglas层的厚度,可以控制该五层磁电层合结构的输出响应大小及其最佳工作偏置磁场,这一特性在磁电传感器的应用中具备一定的实际意义。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1磁电效应及其产生机制

1.2磁电复合材料的类型

1.3磁电层合结构的研究进展

1.4 磁电传感器研究进展

1.5 本文研究的主要内容和论文结构

2 磁电层合结构响应的理论分析

2.1 磁电层合结构响应理论研究进展

2.2 低频时Push-Pull型磁电层合结构输出响应与偏置磁场的关系

2.3 谐振状态下Push-Pull型磁电层合结构输出响应及能量损耗

2.4 章末小结

3 单一磁致伸缩相的磁电层合结构实验研究

3.1磁电层合结构的制备

3.2磁电效应测试系统

3.3测试结果及分析

3.4 磁电层合结构的传感器相关参数测试与评估

3.5 磁电传感器专用信号处理电路的设计与实现

3.6章末小结

4 多磁致伸缩相磁电层合结构的实验研究

4.1多磁致伸缩相磁电层合结构构想的提出

4.2多磁致伸缩相磁电层合结构的制备

4.3测试结果与讨论

4.4章末小结

5 总结与展望

5.1 完成的主要工作

5.2 进一步的工作展望

致谢

参考文献

附录 研究生期间发表的论文目录