一種新型測磁用傳感器的設計與測試

李富安，黃 衛(wèi)，劉杰林，程金標

(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(Hall-effect)、測試線圈(search coil)、磁通門(fluxgate)、核運動(nuclear precession)、超導量子干涉儀(SQUID)、磁阻效應(magnetoresistive)等。在這些技術中，超導量子干涉儀顯示了最強的磁靈敏度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)與壓電相機械復合新型高精度薄膜磁場傳感器技術，從傳感器的工作原理出發(fā)，論述了制作的過程，并從結構設計和工藝方面進行研究。在材料的選取過程中，由于壓電材料PZT和鐵磁材料Terfenol-D的磁電系數很高，且在同體積的復合材料中，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合材料應用在新型磁傳感器的開發(fā)中。

1 基本原理

磁電效應是指材料在外加磁場中發(fā)生電極化響應的現象，或材料在外加電場中發(fā)生磁化改變的現象工作原理：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，應變傳遞給了壓電材料，導致壓電材料產生形變。在壓電效應的作用下，壓電材料產生輸出電壓，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。由于其機械諧振處的磁電耦合系數與材料的機械品質因子有關[2]，這里只針對復合材料的低頻準靜態(tài)磁電耦合性能進行仿真[3-4]。在下面相關的算例中磁致伸縮材料固定為Terfenol-D，其相關參數如下：壓磁系數d33＝1.1×10-8A/m，恒磁場強度條件下的柔順系數sH33＝40×10-12m2/N。

應變耦合型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/壓電層狀磁電復合材料的典型結構(三明治結構)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系見圖2，其“3”方向均指向各自的極化方向。如圖2所示，復合材料的總厚度為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數，長度為l，H3為外加磁場強度。

復合材料中磁致伸縮材料的本構方程[5]為

根據其中壓電層的工作模式(g31/d31模式)，其本構方程可以寫為

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

邊界條件方程式(5)描述了應變耦合型層狀磁電復合材料的力學耦合特征。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模式的層狀磁電復合材料的磁電電場系數表達式為

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

根據式(8)，選取了一系列典型的壓電材料，計算用它們復合而成的L-T模式層狀磁電復合材料能獲得的最大磁電場系數，其相關性能參數見表1。計算結果在圖3中做了比較，可以看出對于LT模式的層狀磁電復合材料，要使其磁電電場系數最大，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模式的層狀磁電復合材料能獲得的最大磁電電場系數與其壓電相材料的壓電電壓系數與恒電位移條件下的柔順系數的比值成正比，而非單純與壓電電壓系數成正比[6-7]。這就導致PVDF雖然具有很高的壓電電壓系數，但是高分子材料的材質使得其柔順系數相對于其他壓電材料來說也都高1個數量級，所以反而不適合作為這種模式的磁電復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Table 1 Performance parameters of several typical piezoelectric materials

在此傳感器的制作過程中，我們關心的是磁電復合材料的磁電電壓系數，即單位磁場激勵下的輸出電壓。在固定層狀復合材料的厚度為3 mm的情況下，幾種壓電材料復合的L-T模式層狀磁電復合材料的磁電電壓系數αV＝(1-n)tαE與磁致伸縮相體積分數的關系，如圖4所示。結果顯示壓電單晶的優(yōu)勢依然很明顯，其復合的磁電材料的最大磁電電壓系數達到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嚴格調配。轉移到配膠板上，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，并要將導線編成雙絞線，以減少外界的電磁干擾。并稍稍固定導線，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隨頻率的變化。具體方法：1)調節(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，磁電耦合系數跟頻率的關系。頻率由1 kHz測試到60 kHz。2)改變偏置磁場大小，重復上一個過程。

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隨偏置的變化關系。

步驟3。在諧振頻率下，測試偏置對磁電耦合系數的影響。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隨偏置的變化關系。

4 實驗結果與討論

測試中固定交流磁場大小設定為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，磁電耦合系數的變化成正態(tài)分布，諧振峰處的磁電耦合系數達到了10 V/cm·Oe。圖6為磁電耦合系數隨外加交流磁場頻率的變化情況。

在交流磁場的大小設定為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，磁電耦合系數隨加交流磁場頻率的變化。可以看到探測弱磁場的極限為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一步提高的主要原因[8]。

5 結束語

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