[发明专利]一种FM/FE/FM多铁异质结及磁电耦合传感器

说明书

本发明属于微弱磁场探测技术领域，提供了一种FM/FE/FM多铁异质结及传感器，通过选择具有相反饱和磁致伸缩系数的压磁材料，合理设计正压磁层和负压磁层，所述正压磁层的材料选自Fe‑Co‑B合金、非晶软磁条带、电工软铁、稀土类‑铁合金、Fe‑Ga合金中的至少一种，所述负压磁层的材料选自CoFe₂O₄、Sm‑Nd‑Fe合金中的至少一种；实现了FM/FE/FM多铁异质结在上下方向随交变磁场的变化而产生弯折运动，改变了传统的伸缩运动，使得共振频率显著下降的同时具有很高的磁场灵敏度；弯折模式磁电耦合传感器实现了超低频微弱磁场的高灵敏度测量，可用于微弱磁场探测、军事、生物医学影像和检验、地球物理、地矿资源勘探、无损探伤等领域。

技术领域

本发明属于微弱磁场探测技术领域，涉及一种基于正负磁致伸缩系数材料的弯折型多铁异质结及超低频弱磁场磁电耦合传感器。

背景技术

微弱磁场探测技术在基础和前沿科学(物理、化学、宇宙学等)、军事(如航空探潜、未爆弹UXO搜寻、惯性制导等)、生物医学(脑磁图、心磁图等)、地球物理(地磁模型、地磁异常磁场)、资源勘探(铁矿、金属矿床、石油等)、无损探伤(飞机机体和轮毂等)等领域都有着广泛应用。目前常用磁传感器主要有霍尔(Hall)效应传感器、各向异性磁电阻(AMR)传感器、巨磁电阻(GMR)传感器、隧道磁电阻(TMR)传感器、巨磁阻抗(GMI)传感器、质子旋进磁力仪(PPM)、光泵原子磁力仪(AMM)、磁通门计(FGM)、感应线圈+磁通门复合式(BFx-coil)、超导量子干涉器件-磁强计(SQUID-MM)等。最近出现的磁电耦合传感器其白噪声密度已达到表现出灵敏度高、量程范围大等优点，是最有前途的新一代微弱磁场传感器。专利CN105609630A公开了一种铁磁-反铁磁薄膜异质结构，铁磁层的材料为全哈斯勒合金，反铁磁层采用多铁性材料，反铁磁层和铁磁层依次层叠设置在衬底上，可作为磁存储介质、磁传感器等。专利CN107884838A公开了一种高灵敏三维磁电复合基地磁场传感器，包括三轴正交传感体系，利用玻璃金属-压电材料复合的层状结构复合材料具有巨大的磁电耦合效应。专利CN109669149A公开了一种线性各向异性磁电阻传感器，自下而上依次为底电极、基片、顶电极和各向异性磁电阻传感单元薄膜，基于磁电耦合效应，将压电基片产生的压力，通过磁性薄膜磁致伸缩效应，最终实现线性各向异性磁电阻传感器单元初始磁矩方向与电流呈45°夹角。专利CN101913867A公开了一种低频多铁性颗粒磁电复合材料，通过传统固相法制得具有铁电性的0.948(K_0.5Na_0.5)NbO₃-0.052LiSbO₃，掺入相是通过溶胶凝胶法制备的具有铁磁性纳米颗粒CoFe₂O₄，制得的磁电复合材料在同类无铅颗粒复合材料中磁电耦合性能较好，具有良好的铁电性和较强的铁磁性和磁电耦合特性。

磁电耦合传感器属于磁场敏感型传感器，其灵敏度受尺寸限制较小，有利于小型化。所谓磁电耦合效应(ME，Magnetoelectric coupling)是指表征介质磁学性质的磁化强度M和介电性质的电极化强度P之间存在耦合作用。基于此，外加磁场可以改变介质的电极化性质(磁电耦合效应，)；外加电场也可以改变介质的磁学性质(逆磁电耦合效应，)。因此，磁电耦合效应可用于磁场探测、能量转换、多态信息存储等。在磁致伸缩效应的作用下，外界磁场H的变化引起压磁材料的伸缩，以界面应力σ为媒介，压磁材料将应变传递给压电材料，并引起其电极化，而感生出电势差V_ME；测量出感生电势差，就可以推算出磁场H的大小，从而实现对磁场的探测。

目前磁电耦合传感器测量数kHz高频磁场时，其灵敏度高达亚量级，但由于噪声的1/f特性，在DC-100Hz以下超低频率磁信号测量时，其灵敏度下降约4个数量级，直降至数量级。磁电耦合传感器在超低频微弱磁场探测情况下灵敏度低的问题亟待解决。

发明内容