磁致伸缩和压电材料在弹性基板上的复合阵列磁电换能器

摘要

本发明公开了一种磁致伸缩和压电材料在弹性基板上的复合阵列磁电换能器，它由基板、反射栅、正/负超磁致伸缩指条、正/负压电叉指换能器组成；前述器件按“反射栅阵列-正/负超磁致伸缩指条-正/负压电叉指换能器-反射栅阵列”的顺序横向排列在基板上，各个器件之间绝缘。本发明的有益技术效果是：利用阵列叠加原理，减少了能量传递、交换时的损耗，提高了换能器的响应幅度，展宽频带。

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁电换能技术，尤其涉及一种磁致伸缩和压电材料在弹性基板上的复合阵列磁电换能器。

背景技术

从上世纪70年代起，研究工作者就对磁电转换技术进行着不懈的研究；目前国内外的研究主要集中在超磁致伸缩和不同的压电材料的复合结构，以及不同的材料、不同层叠数、工作模式、耦合模式、复合体积比、频率等条件下的磁电转换特性，希望通过材料自身特性提高磁电转化效率。由于现有材料自身特性的限制，复合材料结构的品质因素低，能量转换过程中的损耗较高，如果不改变磁-机-电能量转化过程的能量收集和传递方式，很难通过材料直接复合进一步大幅度提高磁电效应，并制作出高灵敏、高效率的磁电换能器。此外，高品质因素和宽频带的矛盾限制了磁电换能器的应用领域。

发明内容

本发明提出了一种磁致伸缩和压电材料在弹性基板上的复合阵列磁电换能器，它由基板、反射栅、正/负超磁致伸缩指条、正/负压电叉指换能器组成；前述器件按“反射栅-正/负超磁致伸缩指条-正/负压电叉指换能器-反射栅”的顺序横向排列在基板上，各个器件之间绝缘。

正/负超磁致伸缩指条的正超磁致伸缩指条和负超磁致伸缩指条数量相同，等间距交替排列在基板上，且相互绝缘。

正超磁致伸缩指条和负超磁致伸缩指条间间距为λ/2，λ为波长。

正/负压电叉指换能器的正压电叉指换能器和负压电叉指换能器叉指相对，各自的叉指互相插入对方叉指间的空隙，且相互绝缘。

本发明的有益技术效果是：利用阵列叠加原理，减少了能量传递、交换时的损耗，提高了换能器的响应幅度，展宽频带。

附图说明

图1、本发明结构示意图；

具体实施方式

为了弥补现有超磁致伸缩材料磁导率较低，在低频工作时收集磁场弱的缺点，将高磁导率材料与超磁致伸缩材料结合构造成为一种新的高磁导率磁致伸缩单元。利用高磁导率材料高效收集磁场信号，然后，利用弹性的磁导材料将更强磁场能量施加到超磁致伸缩材料上，从而使得超磁致伸缩材料能够产生更大的磁致伸缩量和位移量。再将新的高磁导率磁致伸缩单元加入到各种聚能、谐振结构中，能够得到更强的磁电响应信号，进一步提高磁电耦合系数和磁场探测灵敏度。基于前述思路，发明人提出了本发明的磁致伸缩和压电材料在弹性基板上的复合阵列磁电换能器。

Terfenol-D材料(即超磁致伸缩材料)的声速只有1700-2600m/s，对于频率较高的电磁环境(100KHz以上)，波长短，相应磁电换能器的体积较小，然而，随着频率增高，整块Terfenol-D材料很容易产生涡流，从而限制其在较高频率的使用。为了提高磁致伸缩材料的工作上限频率，可采用多小块Terfenol-D材料绝缘拼接，减小涡流损耗，提高磁电转化效率。当所处环境有较高电磁频率时，由于单个磁致伸缩体积的显著减小，可以利用阵列谐振等新技术大幅度提高磁电转化效率。将具有正负伸缩系数的超磁致伸缩材料(宽度方向激发)分别以λ/2(λ为波长)为间隔周期交替分布，组成正负交替的正/负超磁致伸缩指条3阵列，能够高效率转化交变磁场为声表面波，在接收端(正/负压电叉指换能器4所在端)通过频率相同的压电叉指换能器(Piezoelectric Inter-digital Transducer，缩写为PIDT)转化为电信号，在接收端(正/负超磁致伸缩指条3所在端)和发射端的外侧加入两个反射栅2阵列，正/负超磁致伸缩指条3激发的声表面波在两个反射栅2内形成共振，来回振荡直至完全衰减。由于多个正/负超磁致伸缩指条3的共同叠加作用，使得传输的声表面波绝大多数能量集中在传输基板厚度方向一个波长以内，减少了损耗，大大提高响应幅度。

本发明的具体结构如下：它由基板1、反射栅2、正/负超磁致伸缩指条3、正/负压电叉指换能器4组成；前述器件按“反射栅2-正/负超磁致伸缩指条3-正/负压电叉指换能器4-反射栅2”的顺序横向排列在基板1上，各个器件之间绝缘。

正/负超磁致伸缩指条3的正超磁致伸缩指条3-1和负超磁致伸缩指条3-2数量相同，等间距交替排列在基板1上，且相互绝缘。

正超磁致伸缩指条3-1和负超磁致伸缩指条3-2间间距为λ/2，λ为波长。

正/负压电叉指换能器4的正压电叉指换能器4-1和负压电叉指换能器4-2，叉指相对，各自的叉指互相插入对方叉指间的空隙，且相互绝缘。