一种基于剪切压电效应的扭振磁电耦合器件

摘要

本发明涉及一种基于剪切压电效应的扭振磁电耦合器件，属于多铁性功能器件技术领域。本扭振磁电耦合器件，包括紧固件、管状压电复合件和永磁体，管状压电复合件的一端与紧固件相对固定，另一端通过粘接方式与永磁体相对固定，永磁体的磁化方向与管状压电复合件的中心轴线垂直，管状压电复合件包括瓦片状压电条和薄金属电极片，瓦片状压电条和薄金属电极片相互间隔沿圆周均布，相邻两个薄金属电极片之间的极性相反。本扭振磁电耦合器件利用剪切模式压电效应实现强磁电耦合，易于小型化，具有广阔的应用前景，如磁场/电流传感器、微波换能器及能量采集等应用领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于剪切压电效应的扭振磁电耦合器件，属于多铁性功能器件技术领 域。

背景技术

多铁性功能器件指构成器件的材料中包含两类或两类以上铁的基本特性，包括铁电 性、铁磁性和铁弹性。其中多铁性复合磁电耦合器件利用铁磁相的铁弹效应和铁电相的压 电效应通过表面粘接的方式实现磁—弹—电的复合耦合模式，从而具有在外磁场作用下产 生电极化的正磁电效应，或在外电场作用下产生磁极化的逆磁电效应。多铁性复合磁电耦 合器件在室温下即可实现较强的磁电耦合，其磁电电压系数一般比基于天然材料的多铁性 磁电耦合器件的磁电电压系数高几个数量级，因此多铁性复合磁电耦合器件具备广阔的工 业应用前景。目前，多铁性复合磁电耦合器件可实现的应用包含磁场及电流传感器、变压 器及回转器、微波换能器件及能量采集器等。

常见的多铁性复合磁电耦合器件一般由磁致伸缩材料和压电材料复合而成。利用磁滞 伸缩材料的磁致伸缩效应实现磁—机械耦合，通过表面粘接将机械应力和应变耦合到压电 相，再利用压电材料的压电效应实现机电耦合。然而，这类多铁性复合磁电耦合器件最主 要的问题在于需要施加一定的直流偏磁才可以获得较大的磁电耦合系数。此外，现有的多 铁性复合磁电耦合器件一般基于d₃₁或d₃₃压电效应，虽然基于剪切模式的d₁₅压电效应具 有更高的压电系数及机电耦合系数，然而由于剪切应力和应变难以从铁磁相的磁耦合中获 得并有效传递到压电相，因此目前利用剪切压电效应的多铁性复合磁电耦合器件的设计十 分有限。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于剪切压电效应的扭振磁电耦合器件，利用永磁体与外磁 场之间的磁耦合作用产生扭转力矩，将剪切应力有效传递到管状压电复合件上，使管状压 电复合件工作在d₁₅剪切模式下，获得更强的磁电耦合效应，从而在相同磁场下产生更高 的电压输出。本发明提出的基于剪切压电效应的扭振磁电耦合器件在磁场/电流传感器、微 波换能器及能量采集等领域有十分广阔的应用前景。

本发明提出的基于剪切压电效应的扭振磁电耦合器件，包括紧固件、管状压电复合件 和永磁体，所述的管状压电复合件的一端与紧固件相对固定，管状压电复合件的另一端通 过粘接方式与永磁体相对固定，永磁体的磁化方向与管状压电复合件的中心轴线垂直；所 述的管状压电复合件包括瓦片状压电条和薄金属电极片，瓦片状压电条和薄金属电极片相 互间隔沿圆周均布，相邻两个瓦片状压电条的极化方向相反，相邻两个薄金属电极片的极 性相反。

本发明提出的一种基于剪切压电效应的扭振磁电耦合器件，具有以下优点：

1、本发明提出的基于剪切压电效应的扭振磁电耦合器件，采用永磁体与扭振型压电 陶瓷管构成的复合磁电结构，通过永磁体与外磁场磁耦合产生的扭转力矩将剪切应力传递 到管状压电复合件，从而有效的利用了剪切模式的压电效应，获得了更强的磁电耦合效应 以及更高的磁电电压系数。

2、本发明的扭振磁电耦合器件，利用永磁体的磁矩与外磁场之间的磁耦合作用产生 激励，相比较基于磁致伸缩材料与压电材料构成的复合磁电耦合器件而言，不需要提供直 流偏磁，即可实现强磁电耦合以及高磁电电压系数，更方便使用。

3、本发明的扭振磁电耦合器件，产生的磁电电压系数与管状压电复合件的长度无关， 且不需要提供直流偏磁，这些使得扭振磁电耦合器件可以实现小型化，为微型磁场及电流 传感器、微波换能器及能量采集等应用领域提供了新的选择。

附图说明

图1是本发明提出的基于剪切压电效应的扭振磁电耦合器件的结构示意图。

图2是图1的A—A剖视图。

图1和图2中，1是紧固件，2是管状压电复合件，3是永磁体，4是瓦片状压电条，5 是薄金属电极片。

具体实施方式

本发明提出的基于剪切压电效应的扭振磁电耦合器件，其结构如图1所示，包括紧固 件1、管状压电复合件2和永磁体3。管状压电复合件2的一端与紧固件1相对固定，管 状压电复合件2的另一端通过粘接方式与永磁体3相对固定，永磁体3的磁化方向M与管 状压电复合件2的中心轴线垂直。管状压电复合件的结构如图2所示，包括瓦片状压电条 4和薄金属电极片5，瓦片状压电条4和薄金属电极片5相互间隔沿圆周均布，相邻两个 瓦片状压电条4的极化方向P相反，相邻两个薄金属电极片5的极性相反。

以下介绍本发明提出的基于剪切压电效应的扭振磁电耦合器件的制备过程：

首先，采用传统压电陶瓷制备工艺制备压电陶瓷管(压电材料可选用PZT、BaTiO3、 PMN-PT或PZN-PT等)，在压电陶瓷管的两底面覆电极，沿压电陶瓷管长度方向施加强电 场进行电极化。完成极化后，将两底面电极去除，并且将压电陶瓷管切成偶数个瓦片状压 电条，得到瓦片状压电条4。

将所有瓦片状压电条4重新拼装成管状压电复合件2，拼装时保证相邻两瓦片状压电 条4的极化方向相反，并且在相邻两瓦片状压电条4之间加入薄金属电极片5，用导电环 氧树脂将瓦片状压电条4与薄金属电极片5粘接构成管状压电复合件2。将各薄金属电极 片5与导线(图中未示出)焊接相连，相邻薄金属电极片5所对应的电极极性相反，通过 导线连接相同极性的电极，完成管状压电复合件2的制备。

本发明提出的基于剪切压电效应的扭振磁电耦合器件，其磁电电压系数由下式计算：

${\alpha }_{\mathrm{ME}}=-\frac{{2g}_{15}\mathrm{MV}\sin \theta }{n(R_{\mathrm{out}}^2+R_{\mathrm{in}}^2)\ln (R_{\mathrm{out}}/R_{\mathrm{in}})}$

其中，α_ME为扭振磁电耦合器件的磁电电压系数，g₁₅为瓦片状压电条4的压电电压系 数，M为永磁体3的磁化方向，V为永磁体3的磁化强度，θ为永磁体3的磁化方向与外 磁场方向的夹角，n为拼装成管状压电复合件2的瓦片状压电条4的个数，R_out和R_in分别 管状压电复合件2的外径和内径。

驱动纯电阻负载时，负载获得的功率为：

$P_L=\frac{{\left({\alpha }_{\mathrm{ME}}{H}_{\mathrm{ac}}\right)}^2{\left(\mathrm{\omega C}\right)}^2{R}_L}{1+{\left(\mathrm{\omega C}{R}_L\right)}^2}$

其中，P_L为负载获得功率，R_L为负载电阻阻值，H_ac为外磁场强度，ω为外磁场角频 率，C为管状压电复合件2的内电容。

当负载大小等于1/ωC时，扭振磁电耦合器件的输出功率最大，为：

$P_L=\frac{{\left({\alpha }_{\mathrm{ME}}{H}_{\mathrm{ac}}\right)}^2\mathrm{\omega C}}{2}\propto \frac{{\mathrm{\omega ϵ}}_{11}^{T}l{\left(g_{15}{\mathrm{MVH}}_{\mathrm{ac}}\sin \theta \right)}^2}{{(R_{\mathrm{out}}^2+R_{\mathrm{in}}^2)}^2\ln (R_{\mathrm{out}}/R_{\mathrm{in}})}$

其中，为瓦片状压电条4的介电常数。

对于不同的应用场合(如传感器，换能器等)对于磁电电压系数以及输出功率的要求， 根据上述公式合理选择构成扭振磁电耦合器件的永磁体3的类型和几何尺寸，瓦片状压电 条4的压电材料类型以及管状压电复合件2的几何尺寸，以满足应用需求。

根据上述过程制备的，本扭振磁电耦合器件通过永磁体3的磁矩与外磁场的磁耦合 作用将剪切应力有效的传递到管状压电复合件2，使管状压电复合件2工作在d₁₅的剪切模 式下，从而获得更大的磁电电压系数。本发明的提出为磁场/电流传感器，微波换能器以及 能量采集等应用领域提供了新的选择。

对本发明的扭振磁电耦合器件的样品进行实际试验，在非谐振的准稳态下能够获得 28.8mV/Oe的磁电电压系数，谐振下的磁电电压系数为1.28V/Oe，最大功率密度为4.56 μW/cm³·Oe²。

本发明提出的基于永磁体与管状压电复合件构成的复合磁电结构，通过永磁体与外磁 场磁耦合产生的扭转力矩将剪切应力传递到管状压电复合件，从而有效的利用了剪切模式 的压电效应，获得了更强的磁电耦合效应以及更高的磁电电压系数。其突出优点在于利用 剪切模式压电效应实现强磁电耦合，不需要提供直流偏磁磁场即可获得高磁电电压系数， 磁电电压系数与管状压电复合件长度无关，易于小型化。本发明提出的基于剪切压电效应 的扭振磁电耦合器件具有广阔的应用前景，如磁场/电流传感器，微波换能器及能量采集器 等。