[发明专利]基于韦德曼效应的扭振磁电耦合器件及其制作方法

说明书

一种基于韦德曼效应的扭振磁电耦合器件及其制作方法。基于韦德曼效应的扭振磁电耦合器件中，两个永磁体均布并粘接固定在磁致伸缩筒体外圆周表面，形成磁性紧固件。压电柱壳复合件由6～10个横截面为弧形的压电条拼接而成，并且压电条的数量为偶数。拼接时，在相邻的压电条的拼接面上镀覆有厚度≤0.5mm的电极层。相邻的两个压电条的极化方向相反。相邻两个电极层的极化方向相反。本发明利用永磁体产生环形直流磁场，与外加交流磁场联合形成螺旋磁场，能够获得更强的磁电耦合效应，输出更高的磁电电压信号，并且能够过滤潜在的噪声源，进一步提高传感模式下的信噪比。还具有结构简单、小型化的特点。

技术领域

本发明属于多铁性磁电复合材料与结构技术领域，涉及一种基于韦德曼效应的磁电耦合器件及其制作方法。

背景技术

多铁性磁电材料同时包含了铁电性、铁磁性和铁弹性三类特性，因而能够实现磁电效应，即材料在外磁场的作用下产生极化电场(正磁电效应)或者在外电场作用下诱发磁化(逆磁电效应)的现象。相比于单相磁电材料，磁电复合材料能够在室温下获得强磁电耦合效应，因此在实现磁电传感器、能量采集器、回转器及倍频器等多铁性磁电复合器件中具有广阔的应用前景。

常见磁电耦合器件的核心部件一般为由磁致伸缩材料和压电材料复合而成的层状磁电复合材料。在外磁场信号作用下，磁致伸缩材料内部由于磁致伸缩效应而产生机械应变，通过界面粘结层的机械耦合将应变传递到压电层中，最后由压电效应实现机电耦合而输出极化电场。由于磁-机-电耦合过程中存在组分材料参数和外界因素等的影响，目前的磁电耦合器件的性能受到一定的限制，仍然需要进一步优化。首先，磁电耦合系数与磁致伸缩材料的压磁系数成正相关，而大多数材料的压磁系数又强烈依赖于外加磁场。因此，只有在一定的直流偏置磁场下，才能获得较大的磁电耦合系数。通常利用电磁铁提供直流磁场，这种操作不仅会增加器件的体积，还会带来额外的信号干扰，不利于器件小型化和高灵敏度发展的需求。另外，基于d₁₅剪切模式的压电效应具有比其他模式更高的压电系数，比如，PbZr_0.5Ti_0.5O₃材料的d₃₁压电系数为173pC/N，而d₁₅压电系数却高达584pC/N。然而，由于在层状磁电复合材料的磁致伸缩相中很难获得剪切应变，并有效传递到压电相，现有磁电耦合器件一般基于d₃₁纵向模式或d₃₃横向模式的压电效应实现，而利用剪切压电效应的设计十分有限。再者，目前的磁电耦合器件多采用磁致伸缩/压电层合梁或层合板，这些结构对环境中的横向振动较敏感，在传感模式中容易受到外界噪声源的干扰。

经文献检索发现，中国专利公开号CN103105591A公布了一种零偏置磁传感器探头，该探头装置利用两种材质不同的磁致伸缩层在磁电复合材料内产生内部磁场，进而在零偏置磁场条件下实现磁电转换，提高了传感器的灵敏度并缩小了探头体积，具有一定的创新性和实用价值。然而，该磁场传感器探头基于磁电层合板结构实现，这种结构的磁致伸缩层中很难获得剪切应变，并有效传递到压电相。这一限制因素使得该装置中只能利用d₃₁纵向模式的压电效应，而无法实现具有更高压电系数d₁₅剪切模式。在相同变形条件下，压电材料的压电系数越高，输出的电信号越强。因此，该装置在提高磁电系数方面还有很大提升空间。另外，层状磁电复合材料对环境中的横向振动比较敏感，作为传感元件工作时容易受到外界噪声源的干扰，降低信噪比。

除此之外，中国专利公开号CN104347794A公布了一种基于剪切压电效应的扭振磁电耦合器件，利用压电材料的剪切压电效应，实现了自偏磁电转换效应。然而，该器件只采用单相压电结构作为核心部件，所采用的装配方式只能通过压电效应实现磁电转换。

超磁致伸缩材料在磁场作用下产生的磁致伸缩应变远大于压电材料的机械应变，因而能够实现更高的磁电耦合系数。

发明内容