[发明专利]可用于地磁场测量的高Q值磁电超材料结构

说明书

本发明涉及一种高Q值磁电超材料结构。包括磁致伸缩层、垫片以及压电谐振器；所述压电谐振器为双梁音叉结构；磁致伸缩层和压电谐振器的两端通过垫片固连，使压电谐振器的两各振梁悬空，从而形成磁致伸缩材料/压电谐振器复合结构；该磁致伸缩材料/压电谐振器复合结构具有极高的Q值，在谐振状态下，磁电系数随外部磁场变化的灵敏度被放大Q倍，从而可以实现地磁场的高灵敏度测量。

技术领域

本发明涉及一种磁电超材料结构或换能单元，该磁电超材料结构或换能单元具有高Q值，且可用于地磁场的高精度测量。

背景技术

具有磁电效应的材料可用于磁传感器、磁存储器等应用领域，是功能材料及器件领域的一个研究热点。科学家最初在自然界中存在的单相材料(例如Cr2O3,Ti2O3等)中发现磁电效应，但是这些单相材料的磁电系数很低，不能满足实际应用需求。将磁致伸缩材料与压电材料以一定的方式复合构成磁致伸缩/压电复合材料，其由于乘积性能获得磁电效应。相比较而言，这种人工合成的磁电材料的磁电转换系数较大，可用之实现高灵敏度的磁探测器。目前为止，磁致伸缩/压电复合材料已发展出颗粒混相复合、叠层复合、横向复合、嵌入式复合等多种复合方式。在这些复合方式之中，叠层复合方式的磁致伸缩/压电复合材料，其制备简单，性能优良，已经得到广泛的应用。研究发现，磁致伸缩/压电叠层复合结构在谐振状态下的磁电系数可获得极大增强，比非谐振时高1-2个数量级，从而可以大幅提高工作于谐振状态下的磁传感器的灵敏度和信噪比。

然而，磁致伸缩/压电叠层复合结构通常采用环氧树脂胶粘剂粘接制备，磁致伸缩相和压电相之间需要密切接触，在这种复合方式下，磁致伸缩层与压电层之间为应变耦合，磁致伸缩/压电叠层复合结构的品质因数(Q值)取决于磁致伸缩材料品质因数与压电材料品质因数的综合。然而，磁致伸缩材料的品质因数通常较小(＜100)，从而限制了磁致伸缩/压电叠层复合结构整体的有效品质因数。另外，由于磁致伸缩材料的磁弹性阻尼(与Q值成反比)随偏置磁场的变化而变化，使得磁致伸缩/压电叠层复合结构的有效品质因数也会随外部偏置磁场的变化而变化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高Q值的磁电超材料结构，可用于地磁场的高精度测量。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种高Q值磁电超材料结构，包括磁致伸缩层、垫片以及压电谐振器；所述压电谐振器为双梁音叉结构；磁致伸缩层和压电谐振器的两端通过垫片固连，使压电谐振器的两各振梁悬空。

进一步，使用环氧树脂胶粘剂或热压键合，将磁致伸缩层和压电谐振器的两端以及垫片固连。

进一步，所述压电谐振器使用Z切的石英基片、AlN以及ZnO中的任意一种材料制作而成。

进一步，所述压电谐振器中，石英音叉振梁具有四个面，并设置有四个电极，其中两个为正电极、另外两个为负电极，正负电极间隔设置；以应力接近为零的两个位置为分界点，将音叉振梁分为三部分，每一个电极沿振梁长度方向同样包括依次相连接的三个部分，音叉振梁的三个部分并与电极的三个部分相对应；同时，每个电极的三个部分分别位于振梁上相邻的三个面上。

进一步，假设音叉振梁的长度为L，则应力接近为零的两个位置分别为0.22L处和0.76L处。

进一步，各电极两端引出有焊盘。

进一步，所述磁致伸缩层采用的具有磁致伸缩效应的材料为Terfenol-D、FeGa合金、FeCo合金以及Ni中的任意一种。

进一步，所述垫片使用石英晶体或者陶瓷制备而成。

进一步，所述垫片使用高磁导率材料制备而成。

进一步，所述垫片使用永磁材料制备而成。