李富安，黃 衛(wèi)，劉杰林，程金標(biāo)

(中國人民解放軍92557部隊，廣東 廣州510720)

0 引言

目前，磁場的測量有多種方式，比如霍耳效應(yīng)(Hall-effect)、測試線圈(search coil)、磁通門(fluxgate)、核運動(nuclear precession)、超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)、磁阻效應(yīng)(magnetoresistive)等。在這些技術(shù)中，超導(dǎo)量子干涉儀顯示了最強(qiáng)的磁靈敏度10-13～10-14T，但一般需要工作在液氮或液氦溫度下。其它的磁傳感器靈敏度一般小于10-11T[1]。

本文采用一種磁致伸縮相(又稱壓磁相)與壓電相機(jī)械復(fù)合新型高精度薄膜磁場傳感器技術(shù)，從傳感器的工作原理出發(fā)，論述了制作的過程，并從結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝方面進(jìn)行研究。在材料的選取過程中，由于壓電材料PZT和鐵磁材料Terfenol-D的磁電系數(shù)很高，且在同體積的復(fù)合材料中，能得到更大的輸出電壓，能更大程度地提高靈敏度和抗噪聲，也能更好地使這類復(fù)合材料應(yīng)用在新型磁傳感器的開發(fā)中。

1 基本原理

磁電效應(yīng)是指材料在外加磁場中發(fā)生電極化響應(yīng)的現(xiàn)象，或材料在外加電場中發(fā)生磁化改變的現(xiàn)象工作原理：在磁場下，上下3片磁致伸縮材料同時伸長或縮短，由于該磁致伸縮材料與壓電材料緊密貼合，應(yīng)變傳遞給了壓電材料，導(dǎo)致壓電材料產(chǎn)生形變。在壓電效應(yīng)的作用下，壓電材料產(chǎn)生輸出電壓，通過測量壓電材料的輸出電壓，即圖1中的VA和VB，可測出磁致伸縮材料上的磁場大小。

2 磁電傳感器的仿真研究

在常見的磁致伸縮/壓電層狀磁電復(fù)合材料中，由于PZT陶瓷或者弛豫鐵電單晶(如：PMNPT)極易獲取，它們是壓電相材料的主要選擇。由于其機(jī)械諧振處的磁電耦合系數(shù)與材料的機(jī)械品質(zhì)因子有關(guān)[2]，這里只針對復(fù)合材料的低頻準(zhǔn)靜態(tài)磁電耦合性能進(jìn)行仿真[3-4]。在下面相關(guān)的算例中磁致伸縮材料固定為Terfenol-D，其相關(guān)參數(shù)如下：壓磁系數(shù)d33＝1.1×10-8A/m，恒磁場強(qiáng)度條件下的柔順系數(shù)sH33＝40×10-12m2/N。

應(yīng)變耦合型L-T模式為磁電耦合器件常見的工作模式。L-T模式的磁致伸縮/壓電層狀磁電復(fù)合材料的典型結(jié)構(gòu)(三明治結(jié)構(gòu))見圖2。圖中M和P分別代表磁致伸縮層的磁化方向和壓電層的極化方向。磁致伸縮層和壓電層的局部坐標(biāo)系見圖2，其“3”方向均指向各自的極化方向。如圖2所示，復(fù)合材料的總厚度為t，單層磁致伸縮材料的厚度為tm＝nt/2，其中n為磁致伸縮層的體積分?jǐn)?shù)，長度為l，H3為外加磁場強(qiáng)度。

復(fù)合材料中磁致伸縮材料的本構(gòu)方程[5]為

根據(jù)其中壓電層的工作模式(g31/d31模式)，其本構(gòu)方程可以寫為

式中：下標(biāo)“m”和“p”分別代表磁致伸縮相和壓電相；S和T分別為復(fù)合材料中的應(yīng)變和應(yīng)力；sH33、d33，m、μT33分別是磁致伸縮材料的恒磁場強(qiáng)度條件下的柔順系數(shù)、壓磁系數(shù)和恒應(yīng)力條件下的磁導(dǎo)率；sD11、g31，p、ε3T3分別是壓電材料恒電位移條件下的柔順系數(shù)、壓電電壓常數(shù)和恒應(yīng)力條件下的介電常數(shù)。其力學(xué)邊界條件可表達(dá)為

邊界條件方程式(5)描述了應(yīng)變耦合型層狀磁電復(fù)合材料的力學(xué)耦合特征。在開路條件下，壓電相材料的電位移D3為0。聯(lián)立上述方程及邊界條件，可得L-T模式的層狀磁電復(fù)合材料的磁電電場系數(shù)表達(dá)式為

式(7)表明該模式的層狀磁電復(fù)合材料的磁電電場系數(shù)隨磁致伸縮相體積分?jǐn)?shù)n單調(diào)遞增，當(dāng)n趨近于1時，其磁電電場系數(shù)獲得最大值：

根據(jù)式(8)，選取了一系列典型的壓電材料，計算用它們復(fù)合而成的L-T模式層狀磁電復(fù)合材料能獲得的最大磁電場系數(shù)，其相關(guān)性能參數(shù)見表1。計算結(jié)果在圖3中做了比較，可以看出對于LT模式的層狀磁電復(fù)合材料，要使其磁電電場系數(shù)最大，壓電單晶是最佳選擇(36.6 V/cmOe)，但如果要兼顧材料成本的話，硬性壓電陶瓷PZT-4和PZT-8也是壓電相材料的不錯選擇(10 V/cm·Oe)。式(8)顯示了L-T模式的層狀磁電復(fù)合材料能獲得的最大磁電電場系數(shù)與其壓電相材料的壓電電壓系數(shù)與恒電位移條件下的柔順系數(shù)的比值成正比，而非單純與壓電電壓系數(shù)成正比[6-7]。這就導(dǎo)致PVDF雖然具有很高的壓電電壓系數(shù)，但是高分子材料的材質(zhì)使得其柔順系數(shù)相對于其他壓電材料來說也都高1個數(shù)量級，所以反而不適合作為這種模式的磁電復(fù)合材料中壓電相材料的候選。

表1 幾種典型壓電材料的性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of several typical piezoelectric materials

在此傳感器的制作過程中，我們關(guān)心的是磁電復(fù)合材料的磁電電壓系數(shù)，即單位磁場激勵下的輸出電壓。在固定層狀復(fù)合材料的厚度為3 mm的情況下，幾種壓電材料復(fù)合的L-T模式層狀磁電復(fù)合材料的磁電電壓系數(shù)αV＝(1-n)tαE與磁致伸縮相體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系，如圖4所示。結(jié)果顯示壓電單晶的優(yōu)勢依然很明顯，其復(fù)合的磁電材料的最大磁電電壓系數(shù)達(dá)到1.42 V/Oe，是其它壓電材料的至少4.5倍。

3 制作與測試

3.1 樣品的制作

本實驗所使用的壓電材料為極化過的PZT材料，大小為45 mm×7 mm×0.5 mm，磁致伸縮材料為金屬玻璃 Metglas，厚度為 25 μm，將 Metglas磁致伸縮材料裁剪成合適的大小。用棉簽蘸取酒精將表面的記號及油污清洗干凈，陰干備用。

將配膠板用酒精清洗干凈，陰干，用電子天平將環(huán)氧樹脂粘接膠的AB膠按5∶1嚴(yán)格調(diào)配。轉(zhuǎn)移到配膠板上，攪拌5 min使得膠水完全混合充分。

將配好的膠均勻的涂抹在磁致層上，覆蓋壓電層，輕輕壓平，再次涂膠，壓上另外一磁致層，輕壓平整。然后將3層樣品放在2層玻璃板中，用夾子夾好，使樣品在壓力作用下放置24 h，使得其中的膠完全固化。注意使壓電層的一端露出2 mm，便于接電極。

將壓好的樣品從夾子中取出，在露出壓電層的一端上下2面焊上電極，并要將導(dǎo)線編成雙絞線，以減少外界的電磁干擾。并稍稍固定導(dǎo)線，以免不慎將電極拉扯下來。

3.2 測試與討論

步驟1。利用掃頻法測試不同偏置磁場對磁電耦合系數(shù)隨頻率的變化。具體方法：1)調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出信號峰峰值，使得輸出的交變磁場為0.01 Oe，固定1個偏置磁場，改變信號發(fā)生器的輸出頻率，驗證在固定偏置磁場下，磁電耦合系數(shù)跟頻率的關(guān)系。頻率由1 kHz測試到60 kHz。2)改變偏置磁場大小，重復(fù)上一個過程。

步驟2。在非諧振頻率下，測試偏置對磁電耦合系數(shù)的影響。固定信號發(fā)生器輸出信號頻率25 kHz、33 kHz，固定信號發(fā)生器的峰峰值，使得偏置電壓為0.01 Oe。改變直流電源的電流值，得到不同的直流偏置，這樣可以測得不同偏置下磁電耦合系數(shù)隨偏置的變化關(guān)系。

步驟3。在諧振頻率下，測試偏置對磁電耦合系數(shù)的影響。固定信號發(fā)生器輸出信號頻率值34 kHz(由步驟1得到)，固定信號發(fā)生器的峰峰值，使得偏置電壓為0.01 Oe。改變直流電源的電流值，得到不同的直流偏置，這樣可以測得不同偏置下磁電耦合系數(shù)隨偏置的變化關(guān)系。

4 實驗結(jié)果與討論

測試中固定交流磁場大小設(shè)定為0.01 Oe，頻率為5 kHz。隨著偏置磁場的增加，磁電耦合系數(shù)先增加后減小。最佳的直流偏置磁場大小為20 Oe。圖5為磁電耦合系數(shù)隨外加直流偏置磁場的變化情況。

測試中將交流磁場的大小設(shè)定為0.01 Oe，直流偏置磁場的大小為20 Oe。磁電傳感器的諧振頻率為34 kHz，磁電耦合系數(shù)的變化成正態(tài)分布，諧振峰處的磁電耦合系數(shù)達(dá)到了10 V/cm·Oe。圖6為磁電耦合系數(shù)隨外加交流磁場頻率的變化情況。

在交流磁場的大小設(shè)定為0.01 Oe，頻率分別為 25 kHz、33 kHz、34 kHz(諧振)的條件下，磁電耦合系數(shù)隨所加交流磁場的變化而變化。圖7為弱直流磁場下，磁電耦合系數(shù)隨加交流磁場頻率的變化?？梢钥吹教綔y弱磁場的極限為3×10-6T。需要注意的是，本實驗室由于沒有磁屏蔽設(shè)備，所有測試均在地磁環(huán)境中測試，而地磁大小為5～6×10-5T，這也是本樣品的測試中器件對外加直流磁場的探測精度無法進(jìn)一步提高的主要原因[8]。

5 結(jié)束語

對一種新型的測磁傳感器，從材料、結(jié)構(gòu)、工藝等方面進(jìn)行了介紹，選用磁電復(fù)合材料，并用環(huán)氧樹脂粘結(jié)，制作了樣品，并在不同偏置磁場情況下進(jìn)行測試，通過理論分析和實驗對比得出結(jié)論：1)隨著偏置磁場的增加，磁電耦合系數(shù)先增加后減??；2)本樣品的測試過程中，受地磁環(huán)境的影響較大，導(dǎo)致測量精度無法提高，需要在下一步工作中解決。