[发明专利]基于直流偏置磁场的最优直流偏置磁场值的确定方法

说明书

一种基于直流偏置磁场的最优直流偏置磁场值的确定方法，其步骤依次为：利用能量最小原理确定材料在直流偏置磁场中稳定状态下的磁化情况、建立单畴物理模型、采用数值计算的方法确定材料在直流偏置磁场下的稳定状态、确定器件灵敏度达到最优的直流偏置磁场大小。其有益效果是：对于不同类型材料，材料的各向异性常数K以及M_D也会影响最优直流偏置磁场的选取，可通过相同方法进行分析。

技术领域

本发明涉及材料与传感领域，特别是一种基于直流偏置磁场的最优直流偏置磁场值的确定方法。

背景技术

磁电效应是材料电极化性质随外加磁场变化(正磁电效应)或材料磁学性质随外加电场变化(逆磁电效应)的现象。磁电材料由铁磁材料与铁电材料通过应变调节复合而成。铁磁材料的磁致伸缩效应与铁电材料的压电效应通过应变耦合使得材料具有磁电效应。由于磁电材料可以实现电场能量与磁场能量的相互转换，这种材料在工业生产中具有广泛的应用前景。磁电效应目前被用于磁场传感、电场传感、能量收集、磁记录、微波调制等领域的器件研究中，对传感器设计、通信等应用场景有重要意义。

对于利用磁电效应设计的传感器等器件，提升磁电效应可以有效提升器件的性能。目前已有多种理论，通过设计材料的合成方法、结构或外加条件来提升材料的磁电效应。利用直流磁场偏置是提升材料正磁电效应与逆磁电效应的有效手段。直流偏置磁场对于磁电材料的初始磁化及提升材料灵敏度具有重要意义。一般的磁电器件通过永磁铁提供这种直流磁场偏置。合适的直流偏置磁场可以最大程度提高磁电材料的正、逆磁电系数。通过施加直流磁场，铁磁材料电流零点偏移至磁致伸缩效应最显著的区域，从而达到响应的最大化。

目前，大多数针对利用直流磁场偏置提升材料磁电效应的研究只针对单一的材料系统和应用场景，基于实验的结果进行分析，因而在不同系统中选取的最优偏置磁场大小不具有普适性。因此，需要通过分析磁电材料耦合机理，建立合适的理论模型对磁电材料最优偏置磁场进行研究。

发明内容

本发明的目为：

设计合适的物理模型，确定用于提升磁电效应的最优直流磁场偏置大小。

基于上述目的，以铁电铁磁复合材料为例，在铁磁材料中建立单畴能量模型，在能量最小原理前提下，计算用于提升磁电效应的最优直流磁场偏置大小。

设计思路为：

以特定铁磁材料为例，建立材料的单畴能量模型，利用能量最小原理确定材料在直流偏置磁场下的稳定状态。

具体设计方案为：

一种基于直流偏置磁场的最优直流偏置磁场值的确定方法，其步骤依次为：利用能量最小原理确定材料在直流偏置磁场中稳定状态下的磁化情况、建立单畴物理模型、采用数值计算的方法确定材料在直流偏置磁场下的稳定状态、确定器件灵敏度达到最优的直流偏置磁场大小，具体的确定方法为：

单抽物理模型公式为：

E＝E_m+E_k+E_e+E_me+E_d

其中，E_m为塞曼能量，E_k为各向异性能量，E_e为弹性势能，E_me为磁弹性能，E_d为退磁能，

沿z轴方向的磁通密度B可以表示为：

B＝(1-N_z)Mα_z

得到磁化强度偏角与由外力产生的材料应变的关系，根据磁化强度偏角随物理量的变化情况确定最优直流偏置磁场值。

E_m为塞曼能量，其计算公式为：