專利名稱：一種磁電傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁電傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種含有高磁導粉體與磁致伸縮材料復合 層的磁電傳感器。
背景技術(shù)：
觀測鐵磁性物體(如汽車、摩托車等)的運動，在交通控制方面具有非常重要且現(xiàn) 實的意義。隨著車輛普及程度的提高和人民生活質(zhì)量的改善，城市的車輛急劇增長，交通狀 況的惡化已經(jīng)成為城市交通系統(tǒng)里急需解決的問題，改善的方法即在交通管理部門建立完 善的交通監(jiān)控系統(tǒng)，通過對交通狀況進行動態(tài)監(jiān)控從而能更好對交通進行管制，實現(xiàn)社會 運作的高效化。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在交通監(jiān)控系統(tǒng)中起到非常重要的作用，而車輛探測傳感器 是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，傳感器的性能好壞對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的準確性起決定性作用。 傳統(tǒng)的車輛交通數(shù)據(jù)采集是通過在路面上鋪設(shè)地感線圈來對過往車輛進行探測，但是這類 傳感器需要開路面進行安裝和維護，很不方便，而且容易使路面受損；其他像紅外、超聲波 的探測方法雖然無需開路面，但是使用這類方法的產(chǎn)品性能容易受雨、雪、霧、大風等天氣 的影響。磁電傳感器主要由巨磁致伸縮材料(如"TerfenoUKGalfenol、Metglass等)和 強壓電材料(如PZT、PMNPT、PZMPT等)復合而成，具有靈敏度高( nT)、可低頻準靜態(tài)工 作(< IOHz)、能耗低(< mW)、體積小(cm3)、被動式(無法被探測到，隱蔽性強，避開飆車 族的雷達探測器的探測)等特點。特別是能耗極低這一特點，符合了世界科學發(fā)展中綠色、 低能耗、智能化的大趨勢，決定了磁電傳感器研究的重要性和必要性。因而，如能開發(fā)適用 于交通控制等領(lǐng)域的高靈敏低功耗磁電傳感器，將具有普遍的應(yīng)用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種高靈敏低功耗的含有高磁導粉體與磁致伸縮材料層的磁電傳 感器。一種磁電傳感器，包括由磁致伸縮材料層、壓電材料層和高磁導率粉體復合而成 的磁電傳感器本體。所述的復合的方式可采用現(xiàn)有的復合方法，如可將高磁導率粉體通過嵌入的方式 嵌入到磁致伸縮材料層中形成含有高磁導率粉體的磁致伸縮材料層，然后再將含有高磁導 率粉體的磁致伸縮材料層與壓電材料層粘接。所述的含有高磁導率粉體的磁致伸縮材料層中高磁導率粉體的分布可使得磁場 在磁致伸縮材料層中均勻分布。為了達到更好地發(fā)明效果，所述的含有高磁導率粉體的磁 致伸縮材料層中高磁導率粉體呈對稱分布。所述的含有高磁導率粉體的磁致伸縮材料層的數(shù)量可根據(jù)需要增加或減少，增加 層數(shù)有提高磁電系數(shù)的效果，但同時也帶來成本的增加。所述的含有高磁導率粉體的磁致伸縮材料層和壓電材料層可按任意順序粘接在一起，可選用常見的如縱-橫(L-T)結(jié)構(gòu)、縱-縱(L-L)結(jié)構(gòu)、橫-橫(T-T)結(jié)構(gòu)、橫-縱 (T-L)結(jié)構(gòu)、推-拉(Push-pull)結(jié)構(gòu)、多層(Multi-layer)、鈸(Cymbal)結(jié)構(gòu)、Moonie 結(jié) 構(gòu)等中的一種。所述的磁致伸縮材料層在外界磁場發(fā)生改變后會發(fā)生形變，采用本領(lǐng)域通用的磁 致伸縮材料，如可選用鋱鏑鐵(即Terfenol-D)或鐵鎵(即(ialfenol)等常見的磁致伸縮 材料。所述的壓電材料層在受到外界施加的壓力后能產(chǎn)生一定的電荷輸出，采用本領(lǐng)域 通用的壓電材料，如可選用常見的鋯鈦酸鉛(PZT)、鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMN-PT)、鈮鋅酸 鉛-鋯鈦酸鉛(PZM-PZT)、聚偏氟乙烯(PVDF)等壓電材料。所述的高磁導率粉體為具有較高的磁導率的粉體，一般選用相對磁導率大于50 的高磁導率粉體，常見的如錳鋅鐵氧體粉體。為了進一步提高磁電傳感器的靈敏度，所述的磁電傳感器還包括兩個分別位于磁 電傳感器本體兩端的磁鐵；所述的兩個磁鐵異極相對，磁極方向與磁致伸縮材料層的磁化 方向一致時可獲得最好效果。本發(fā)明通過將高磁導率粉體與現(xiàn)有常用磁電材料中的磁致伸縮材料層進行復合， 從而改變磁致伸縮材料層中的磁場分布，使得磁電傳感器的各段性能趨于均勻，從而能有 效改變磁電電壓系數(shù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點現(xiàn)有磁電傳感器往往需要一定的磁場偏置才能獲得比較大的磁電轉(zhuǎn)換效率，這種 磁場偏置在實際應(yīng)用中一般由磁鐵來提供，而磁鐵的磁場在磁電材料的分布上往往是不均 勻的，分段來看，各段磁電性能并不在優(yōu)化點上，這樣使得整體不在一個最佳的設(shè)計點，而 本發(fā)明磁電傳感器中采用了高磁導率的粉體與磁致伸縮材料的復合層，各段的磁電性能趨 于一致并呈現(xiàn)整體性能最優(yōu)化，所獲得的磁電效率比現(xiàn)有沒有該復合層的磁電傳感器提高 了 20%，大大提升了磁電傳感器的探測性。本發(fā)明磁電傳感器能夠通過感應(yīng)車輛運動時車輛自身磁場的輻射以及車輛運動 切割地球磁場的輻射來獲得信號，靈敏度高，體積小，安裝比較方便，可在路邊安裝，不受天 氣影響，輕松實現(xiàn)M小時全天候監(jiān)控。此外，多磁電傳感器單元陣列還能判斷車輛的大致 類型，其發(fā)展將帶動城市交通監(jiān)控系統(tǒng)的全面升級，大大提高了社會的運作效率。


圖1為本發(fā)明磁電傳感器的一種結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1中含有高磁導率粉體的磁致伸縮材料層的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式如圖1和圖2所示，本發(fā)明磁電傳感器，包括磁電傳感器本體和兩個分別位于磁電 傳感器本體兩端的磁鐵Ia和磁鐵lb，磁電傳感器本體包括壓電材料層2以及分別與壓電材 料層2兩面粘接的含有高磁導率粉體的磁致伸縮材料層如和含有高磁導率粉體的磁致伸 縮材料層4b。磁電傳感器的制備方法為取兩片尺寸均為^X12Xlmm3的Terfenol-D(Tb(1_x)
4DyxFe(2_y),x^ 0. 3，y 0)片作為磁致伸縮材料層，通過開微孔工藝，在Terfenol-D片厚度 方向開出一系列均勻分布的直徑約為Imm的小孔，將高磁導率粉體即錳鋅鐵氧體粉體3與 硅膠混合后填充入小孔中，并烘烤固化，得到含有高磁導率粉體的磁致伸縮材料層如和含 有高磁導率粉體的磁致伸縮材料層4b。取尺寸為30X 12X Imm3的PZT5片作為壓電材料層 2，將含有高磁導率粉體的磁致伸縮材料層如和含有高磁導率粉體的磁致伸縮材料層4b分 別粘接在壓電材料層2的兩面，形成縱-橫結(jié)構(gòu)(即L-T結(jié)構(gòu))，即制得磁電傳感器本體。 然后，在磁電傳感器本體兩端各放置一個小型的!^e2O3磁鐵，制得磁電傳感器。本發(fā)明磁電傳感器的磁電電壓系數(shù)提高了 20%以上。本發(fā)明磁電傳感器的工作原理如下磁鐵的磁場可以認為是多個磁偶極子提供，而磁偶極子的磁場B可以簡單表示為 如下公式 Β χ, υ, ζ)
4 TT Γ5(1)其中r是磁場點距離磁偶極子的中心距離，μ ^為真空磁導率，μ是磁矩。為了簡化，式⑴可以寫成如下形式(非向量簡單化)
a b = ]--ξ-
r r(2)a, b可簡單認為常數(shù)，對式(2)進行距離微分，得到 dB - 5a 3b 3b— = —^ + — —
or r r r(3)從式(3)可見，隨著磁場點距離磁偶極子的中心距離r的增加，磁偶極子的磁場B 變化率降低。本發(fā)明磁電傳感器中由于引入了高磁導率粉體，使得優(yōu)化的磁致伸縮材料的磁場 偏置的需求降低，這樣，實際應(yīng)用中作為偏置的電磁鐵距離將遠離磁電傳感器，從式(3)的 分析可以看出，由于磁鐵距離增加，磁場變化率的降低，使得在含有高磁導率粉體的磁致伸 縮材料中磁場的變化率也下降，從而能提高磁電傳感器的均勻性和整體性能。
權(quán)利要求
1.一種磁電傳感器，其特征在于，所述的磁電傳感器包括由磁致伸縮材料層、壓電材料 層和高磁導率粉體復合而成的磁電傳感器本體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁電傳感器，其特征在于，所述的復合方式為將高磁導率粉 體通過嵌入的方式嵌入到磁致伸縮材料層中形成含有高磁導率粉體的磁致伸縮材料層，然 后再將含有高磁導率粉體的磁致伸縮材料層與壓電材料層粘接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁電傳感器，其特征在于，所述的含有高磁導率粉體的磁致 伸縮材料層中高磁導率粉體呈對稱分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁電傳感器，其特征在于，所述的磁致伸縮材料層的材料為 鋱鏑鐵或鐵鎵。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁電傳感器，其特征在于，所述的壓電材料層的壓電系數(shù)d33 大于等于20pC/N。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁電傳感器，其特征在于，所述的高磁導率粉體的相對磁導 率大于50。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的磁電傳感器，其特征在于，所述的高磁導率粉體為錳鋅鐵氧 體粉體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁電傳感器，其特征在于，所述的磁電傳感器包括兩個分別 位于磁電傳感器本體兩端的磁鐵。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的磁電傳感器，其特征在于，所述的兩個磁鐵異極相對，磁極方 向與磁致伸縮材料層的磁化方向一致。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁電傳感器，包括由磁致伸縮材料層、壓電材料層和高磁導率的粉體復合而成的磁電傳感器本體。該磁電傳感器中采用了高磁導率的粉體與磁致伸縮材料的復合層，各段的磁電性能趨于一致并呈現(xiàn)整體性能最優(yōu)化，所獲得的磁電效率比現(xiàn)有沒有該復合層的磁電傳感器提高了20％，大大提升了磁電傳感器的探測性。
文檔編號G01D5/12GK102062612SQ20101057694
公開日2011年5月18日 申請日期2010年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月7日
發(fā)明者邢增平 申請人:中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所