环形磁电回旋器、实验装置及环形磁电回旋器工作方法

摘要

本发明提出了一种环形磁电回旋器、实验装置及环形磁电回旋器工作方法，由环形磁电复合元件、非磁性支撑外壳以及密绕在非磁性骨架上的环形螺线管构成，所述环形磁电复合元件由磁致伸缩环与压电环通过层间严格同心复合而成，非磁性外壳作为核心磁电换能元件的支撑骨架能够有效地避免线圈直接缠绕所带来的附加应力夹持，器件的两个端口分别引出自压电环的上下表面和螺线管的两个线端，与核心换能元件一同构成四线‑双端口非互易性环形磁电回旋器件。本发明具有整体制备工艺简单，结构小巧等特点，可将传统不易集成的环形电感元件替换为更易集成的环形回旋器和电容器，并在高效功率传输、阻抗匹配、以及射频通信领域中具有潜在的应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体元器件的技术领域，尤其涉及一种环形磁电回旋器、实验装置及环形磁电回旋器工作方法。

背景技术

回旋器是一种无源、线性、非互易性的新型双端口网络元件，能够直接实现电压和电流互逆转换，并有望成为继电阻、电容、电感和变压器之后的第五个基本电气元件。回旋器能够实现电感元件的容性化，在大规模集成电路中可将不易在晶片上集成的电感元件用更容易集成的回旋器和普通电容所替代。而且，普通电容较普通电感更加接近理想的元件，由此由回旋器与普通电容器模拟出的电感元件，相对于任何的普通电感，都要更加接近理想的元件。

理想回旋器的概念性理论模型最初由荷兰飞利浦实验室的科学，Tellegen于1948年提出，不过在当时并没有付诸实践去实现这一假想。随着对多铁材料研究的不断深入，压磁/压电磁电复合材料因其物理内涵涉及应变传递、电荷转移、量子自旋等多个凝聚态物理范畴的交叉与融合而近年来在磁场/电流传感、能量采集、自旋电子器件、新型信息存储以及回旋器件等领域蕴藏着巨大的潜在应用前景，同时也为四线双端口理想回旋器件的实现开辟了新的途径。

最早关于磁电回旋器研究的报道始于2006年，美国弗吉尼亚理工学院的Zhai等人借助超磁致伸缩材料Terfenol-D和压电陶瓷PZT的磁电效应，首次利用MATRIX实现了I-V型磁电回旋器。自2016年起，Leung等人又通过掺杂以及改变层合方式等实验手段就如何进一步提高磁电回旋器稳定性和传输效率展开了一系列深入地理论及实验研究。然而，迄今为止国内关于磁电回旋器的研究工作未见报道。国外现有工作所报道的长块形磁电回旋器普遍存在对线圈产生的空间磁场利用不足导致转换效率不高、空间利用率低等问题，难以实现微型化并在电路中集成。

发明内容

针对目前长块形磁电回旋器普遍存在对线圈产生的空间磁场利用不足导致转换效率不高、空间利用率低的技术问题，本发明提出一种磁电回旋器、转换率测量装置及磁电回旋器工作方法，与传统长块形结构磁电回旋器相比，环形磁电回旋器对线圈产生空间磁场具有更好的捕获能力，且在电力电子设备设计中具有更高效的空间利用率，可替代传统电感元件并在功率传输和射频通信中有潜在应用价值。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种环形磁电回旋器，包括环形磁电复合元件，环形磁电复合元件安装在非磁性支撑外壳的内部且非磁性支撑外壳上密绕有线圈组成环形螺线管，环形磁电复合元件、非磁性支撑外壳和环形螺线管整体组成环形磁电回旋器，且环形磁电回旋器的两个端口分别引出环形磁电复合元件和环形螺线管的两个线端整体组成四线-双端口环形磁电回旋器。

优选地，所述环形磁电复合元件包括磁致伸缩环和压电环，压电环沿厚度方向极化引出电极分别布于上下两个表面，压电环与两片磁致伸缩环层叠复合而成三明治对称的环形磁电复合结构，且压电环与磁致伸缩环保持严格同心；所述磁致伸缩环、压电环、环形螺线管以及非磁性支撑外壳整体构成四线-双端口环形磁电回旋器。

一种环形磁电回旋器的工作方法，包括以下步骤：

S1，当环形螺线管引出的两个线端作为环形磁电回旋器的输入端口，压电环上引出的两个线端作为环形磁电回旋器的输出端口时，通过将环形螺线管引出的两个线端接入信号源，环形螺线管为环形磁电复合元件提供环形闭合磁场，环形磁电复合元件在闭合磁场作用下磁致伸缩环产生磁致伸缩效应使交变电压穿过压电环，环形磁电复合元件中压电片通过两根导线导出电流，实现环形磁电回旋器的电流至电压的直接转换；

S2，当环形螺线管引出的两个线端作为环形磁电回旋器的输出端口时，压电环上引出的两个线端作为环形磁电回旋器的输入端口时，通过将压电环上引出的两个线端接入信号源，环形磁电复合元件中压电环产生逆压电效应使得磁致伸缩环的磁导率发生变化，从而改变环形螺线管中感应磁通，两组螺线圈导线端口引出电流，实现环形磁电回旋器的电压至电流的直接转换。

一种环形磁电回旋器的实验装置，包括锁相放大器、两组永磁体和可调电阻箱，两组永磁体位于环形磁电回旋器的两侧，可调电阻箱和锁相放大器均与环形磁电回旋器相连接，可调电阻箱与锁相放大器相连接，环形磁电回旋器、锁相放大器和可调电阻箱整体组成转换率测试回路。

优选地，所述环形磁电回旋器中压电环上引出的两个线端与可调电阻箱并联连接，可调电阻箱与锁相放大器的电压输入端口串联连接，环形磁电回旋器中环形螺线管引出的两个线端与锁相放大器的电压输出端口串联连接。

优选地，所述环形磁电回旋器中环形螺线管上引出的两个线端与可调电阻箱串联连接，可调电阻箱与锁相放大器的电流输入端口串联连接，锁相放大器的电压输出端口与环形磁电回旋器中压电环上引出的两个线端相连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明通过环形磁电复合元件、非磁性支撑外壳以及在非磁性支撑外壳外围密绕铜质线圈组成，环形磁电复合元件由磁致伸缩环与压电环通过层间同心复合而成，依靠电流源激励线圈所提供的环形闭合磁场，磁电回旋器中的磁电复合元件为非对称型三层环形结构或对称型三层环形结构，磁致伸缩片与压电环通过强磁电耦合效应完成磁场至电压的转换，或依靠外加静电场给压电元件完成电压至线圈中感应磁通的转换，因而利用这一结构能够实现电流-电压互逆转换的回旋功能，器件中的环形闭合磁回路有助于进一步增强磁电耦合效应，与现有长块形磁电回旋器相比，同时减小了器件的体积，具有制备工艺简单，成本低，机械损耗低等优点，在功率传输和射频通信中有潜在应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明环形磁电回旋器I-V转换率测量系统示意图。

图2为本发明环形磁电回旋器V-I转换率测量系统示意图。

图3为本发明中环形磁电回旋器随负载变化I-V转换能力图。

图4为本发明中环形磁电回旋器随负载变化V-I转换能力图。

图5为本发明中环形磁电回旋器的结构示意图。

图中，1为环形螺线管，2为非磁性支撑外壳，3为磁致伸缩环，4为压电环。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：如图1所示，一种环形磁电回旋器，包括环形磁电复合元件，环形磁电复合元件安装在非磁性支撑外壳2的内部且非磁性支撑外壳上密绕有线圈组成环形螺线管1，非磁性支撑外壳材料为聚丙烯，环形螺线管为线径0.2mm漆包线，环形磁电复合元件、非磁性支撑外壳和环形螺线管整体组成环形磁电回旋器，且环形磁电回旋器的两个端口分别引出环形磁电复合元件和环形螺线管的两个线端整体组成四线-双端口环形磁电回旋器。

所述环形磁电复合元件包括磁致伸缩环3和压电环4，环形磁电复合元件为对称型同心圆环结构，压电环沿厚度方向极化引出电极分别布于上下两个表面，压电环与两片磁致伸缩环层叠复合而成三明治对称的环形磁电复合结构，且压电环与磁致伸缩环保持严格同心；所述磁致伸缩环、压电环、环形螺线管以及非磁性支撑外壳整体构成四线-双端口环形磁电回旋器。

磁致伸缩环的磁致伸缩材料为Ni

磁电回旋器的制备方法包括以下步骤：（1）分别选取厚度为1 mm、直径为14mm的Ni

实施例2：一种磁电回旋器的工作方法，包括以下步骤：

S1，如图1所示，当环形螺线管引出的两个线端作为环形磁电回旋器的输入端口，压电环上引出的两个线端作为环形磁电回旋器的输出端口时，通过将环形螺线管引出的两个线端接入信号源，信号源选用信号发生器，信号发生器对环形螺线管施加高频电流形成一个高频环形闭合交变磁场，施加的频率应与环形磁电回旋器的固有频率一致，环形螺线管为环形磁电复合元件提供环形闭合磁场，环形磁电复合元件在闭合磁场作用下磁致伸缩环产生磁致伸缩效应，环形磁电复合回旋器中的磁滞伸缩层就会感受到线圈产生的环形磁场并产生沿其周向的应变力，传递的应变力通过界面耦合作用于压电层，使交变电压穿过其电极，环形磁电复合元件中压电片通过两根导线导出高频交流电流，这种回旋效应使磁电回转器实现了I-V之间的直接转换；

S2，如图2所示，当环形螺线管引出的两个线端作为环形磁电回旋器的输出端口时，压电环上引出的两个线端作为环形磁电回旋器的输入端口时，通过将压电环上引出的两个线端接入信号源，由信号发生器对压电环施加的频率与环形磁电回旋器的固有频率一致高频高压，环形磁电复合元件中压电环产生逆压电效应使得磁致伸缩环的磁导率发生变化即由于压电材料的逆压电效应使其产生沿周向的应变力，通过界面耦合作用于磁致伸缩层，使磁致伸缩材料的磁导率发生变化从而改变线圈中感应磁通，从环形螺线管的两根导线引出高频电流，这种逆磁电效应使得本环磁电回旋器实现了V-I之间的直接转换；重要的是，在转换过程中，磁电回旋器中的铜载流线圈和磁电复合换能器是非接触并且相互独立的。

实施例3：一种环形磁电回旋器的实验装置，包括锁相放大器、两组永磁体和可调电阻箱，两组永磁体位于环形磁电回旋器的两侧为环形磁电回旋器提供静态偏置磁场，可调电阻箱和锁相放大器均与环形磁电回旋器相连接，可调电阻箱与锁相放大器相连接，环形磁电回旋器、锁相放大器和可调电阻箱整体组成转换率测试回路。

如图1所示，所述环形磁电回旋器中压电环上引出的两个线端与可调电阻箱并联连接，可调电阻箱与锁相放大器的电压输入端口串联连接，环形磁电回旋器中环形螺线管上引出的两个线端与锁相放大器的电压输出端口串联连接；使用时，将电阻箱与环形磁电回旋器压电层上下表面引出的两根导线并联组成环形回旋器I-V转换率测量装置的输出端口，并接入锁相放大器的电压输入端口，线圈的两端作为环形磁电回旋器的I-V转换率测量装置的输入端口，锁相放大器的输出端口为环形回旋器的线圈提供一个扫频输入信号，通过改变电阻箱即可测得随负载变化的I-V相应曲线；如图3所示，环形磁电回旋器在105-125kHz频率范围内，I-V转换率随着负载变化的相应曲线，从图3可知，随着频率的增加，I-V的转换率明显增加，在谐振频率为110kHz附近时达到最大值。通过改变环形回旋器压电层输出端所接入的负载电阻，其I-V转换率曲线会发生相应变化；当负载为50Ω时，环形回旋器I-V转换率为10 V/A，当负载为2kΩ时，环形回旋器I-V转换率为70 V/A；由图3子图可知，环形回旋器的I-V转换率会随着负载的增加而增大，当负载大于10kΩ时增长趋于平缓达到饱和，故该环形磁电回旋器在谐振频率附近有较强的I-V转换能力。

如图2所示，所述环形磁电回旋器中环形螺线管上引出的两个线端与可调电阻箱串联连接，可调电阻箱与锁相放大器的电流输入端口串联连接，锁相放大器的电压输出端口与环形磁电回旋器中压电环上引出的两个线端相连接；在使用时，将电阻箱与线圈串联组成环形回旋器V-I转换率测量装置的输出端口，并接入锁相放大器的电流输入端口，锁相放大器的输出端口为环形回旋器的压电层提供一个扫频输入信号，通过改变电阻箱即可测得随负载变化的V-I相应曲线，实验中所用可变电阻箱的型号为ZX21，锁相放大器的型号为Zurich MFLI；如图4所示，为环形磁电回旋器在105-120kHz频率范围内，V-I转换率随着负载变化的相应曲线。从图4可知，随着频率的增加，V-I的转换率明显增加，在接近谐振状态时达到最大值。通过改变环螺线圈输出端负载，其V-I转换率曲线会发生改变。当负载为50Ω时，环形回旋器I-V转换率为1.4mA/V，当负载为2kΩ时，环形回旋器I-V转换率为0.2mA/V；由图4子图可知，环形回旋器的V-I转换率会随着负载的增加而减小，当负载大于3kΩ时减小趋于平缓，故该环形磁电回旋器在谐振频率附近有较强的V-I转换能力。

综上，在与环形磁电回旋器固有谐振频率相同的交变磁场激励下，实验对环形回旋器的I-V、V-I转换能力进行了测试，实验结果证实了本发明工作在谐振频率下表现出较强的V-I、I-V转换能力。根据实验数据直接证明了本申请所设计的四线双端口结构的环形磁电回旋器设计方案的合理性。这种环形结构的磁电回旋器与传统长块形结构磁电回旋器相比对线圈产生空间磁场具有更好的捕获能力，且在电力电子设备设计中具有更高效的空间利用率，可替代传统电感元件并在功率传输和射频通信中有潜在应用价值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。