專利名稱：零偏置磁傳感器探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁傳感器，尤其涉及一種零偏置磁傳感器探頭。
背景技術(shù)：
磁場測量在醫(yī)學(xué)、軍事、地質(zhì)等方面都有廣泛的應(yīng)用，是現(xiàn)代測量領(lǐng)域的重要組成部分。在軍事方面的應(yīng)用有:艦船消磁、探測隱匿的物體、近炸水雷、磁性掃雷以及炸彈探測器等，都離不開磁場傳感技術(shù)；在地質(zhì)勘探方面的應(yīng)用有:利用磁傳感器測量大地的磁場微變，為探礦、沉積盆地及大地構(gòu)造研究、火山活動(dòng)監(jiān)測研究等提供依據(jù)；在生物醫(yī)學(xué)方面，應(yīng)用磁傳感器測量人體血清磁化率的變化以及人體心臟跳動(dòng)和大腦內(nèi)磁場的變化繪制“心磁圖”、“腦磁圖”來診斷疾病。目前常用的磁傳感器包括磁通門、霍爾元件、感應(yīng)式磁傳感器、巨磁電阻元件、核磁共振以及超導(dǎo)量子干涉元件等。其中霍爾元件的磁場測量精度較低，雖然根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理做成的搜索線圈可達(dá)約10 -10T的精度，但該傳感器不能測量靜態(tài)磁場或者緩慢變化的磁場；巨磁電阻元件是利用巨磁阻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)小磁場的靈敏響應(yīng)，但其制備主要采用薄膜技術(shù)，對(duì)尺寸和厚度的要求十分嚴(yán)格，生產(chǎn)工藝復(fù)雜且成本高昂；磁通門、核磁共振和超導(dǎo)量子干涉元件有很高的精度，但是這些磁場測量結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜，體積大，而且價(jià)格昂貴，需要較大功率的電源供給。磁致伸縮/壓電層狀復(fù)合材料具有結(jié)構(gòu)簡單、制備容易、可無源工作和磁電電壓系數(shù)高等特點(diǎn)，在磁傳感器領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，引起了眾多研究者的關(guān)注。早在1974年，V.E.Wood等人就提出了使用磁電材料可研制高靈敏磁場傳感器的新思路。作為磁致伸縮材料，其磁化過程、磁致伸縮應(yīng)變以及磁化方向?qū)Υ艌龅淖兓欠浅Ｃ舾械?，將壓電材料與磁致伸縮材料復(fù)合之后，通過磁致伸縮/壓電復(fù)合材料的磁電轉(zhuǎn)換，可顯著增強(qiáng)磁電復(fù)合材料的磁場靈敏度，進(jìn)一步提高磁傳感器的性能。利用磁電復(fù)合材料的輸出電信號(hào)和外磁場的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流磁場和直流磁場的探測。但目前的磁電復(fù)合材料，需要依賴外加直流偏置磁場來提高其磁電電壓輸出，否則(即在零偏置磁場條件下)，磁電復(fù)合材料難以對(duì)微小磁場作出反應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)背景技術(shù)中的問題，本發(fā)明提出了一種零偏置磁傳感器探頭，所述磁傳感器探頭的感應(yīng)部由磁電復(fù)合材料構(gòu)成，所述磁電復(fù)合材料由兩個(gè)磁致伸縮材料層和一個(gè)壓電單晶材料層組成，兩個(gè)磁致伸縮材料層順次層疊在壓電單晶材料層的一側(cè)形成三層結(jié)構(gòu)的磁電復(fù)合材料；兩個(gè)磁致伸縮材料層的材質(zhì)不同，導(dǎo)致兩個(gè)磁致伸縮材料層的磁導(dǎo)率和矯頑力存在數(shù)值差異，這種磁導(dǎo)率和矯頑力的數(shù)值差異使磁電復(fù)合材料內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)部磁場，使得零偏置磁場條件下，磁電復(fù)合材料就能對(duì)外部的微小磁場變化作出反應(yīng)，最終使磁傳感器探頭的靈敏度得到提高、縮小磁傳感器探頭的體積。前述結(jié)構(gòu)的原理是:現(xiàn)有技術(shù)中的磁電復(fù)合材料之所以不能用于零偏置磁場條件，是因?yàn)楸绢I(lǐng)域技術(shù)人員在制作磁電復(fù)合材料時(shí)，沒有對(duì)磁電復(fù)合材料中的各個(gè)功能層的材料進(jìn)行優(yōu)化選擇，單純采用偏置磁場來提高磁電復(fù)合材料的輸出，從而掩蓋了磁電復(fù)合材料自身所具有的優(yōu)勢；本發(fā)明的原理是:由于兩個(gè)磁致伸縮材料層之間的磁導(dǎo)率和矯頑力均不相同，兩個(gè)磁致伸縮材料層之間會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的磁化梯度(磁化梯度的強(qiáng)弱與差異性的大小呈正相關(guān)性，差異性越大則磁化梯度越強(qiáng))，其原有的平衡被打破，相應(yīng)地在兩種材料之間將產(chǎn)生一個(gè)較高的內(nèi)部磁標(biāo)勢，最終導(dǎo)致了內(nèi)部磁場的產(chǎn)生，由于磁致伸縮材料的壓磁系數(shù)對(duì)磁場的依賴特性，該內(nèi)部磁場將引起磁致伸縮材料壓磁系數(shù)的增強(qiáng)，與壓電單晶材料結(jié)合后，能獲得較高的磁電電壓輸出；同時(shí)，由于不再需要設(shè)置用于提供偏置磁場的裝置，從而使器件的體積和重量都得到了減小?；谇笆龇桨?，本發(fā)明還提出了如下的優(yōu)選實(shí)施方式:所述磁電復(fù)合材料懸置于圓柱形的硬鋁殼內(nèi)，壓電單晶材料層沿硬鋁殼的徑向方向極化，磁致伸縮材料層沿硬鋁殼的軸向方向磁化。進(jìn)一步地,還可采用如下優(yōu)選結(jié)構(gòu)來安裝磁電復(fù)合材料:所述磁電復(fù)合材料通過連接件懸置于硬鋁殼中部。還可采用如下優(yōu)選方案來獲取壓電單晶材料層上的電輸出信號(hào):壓電單晶材料層上設(shè)置有輸出引線，輸出引線與電路板連接，電路板固定在硬鋁殼內(nèi)壁上。為了簡化制作，以及提高輸出引線與壓電單晶材料層的連接的穩(wěn)定性，還可作如下改進(jìn):在硬鋁殼的軸向方向上，壓電單晶材料層的長度大于磁致伸縮材料層的長度，壓電單晶材料層一端與磁致伸縮材料層的一端齊平，壓電單晶材料層另一端形成裸露端，輸出引線設(shè)置于裸露端處?，F(xiàn)有結(jié)構(gòu)中，磁致伸縮層和壓電層的長度基本一致，這種結(jié)構(gòu)雖然使磁電復(fù)合材料的制作工藝在一定程度上得到了簡化，但由于壓電層的輸出電極位于其厚度方向上的上、下兩側(cè)，在連接輸出引線時(shí)，需將兩根輸出引線分別與壓電層的上、下兩側(cè)焊接并涂抹導(dǎo)電膠，由于操作空間有限，焊接后的連接強(qiáng)度難以得到保障，且導(dǎo)電膠的粘結(jié)效果也較低，輸出引線容易在磁致伸縮層引起的強(qiáng)烈振動(dòng)下脫落，采用本發(fā)明的方案后，壓電單晶材料層的裸露端為焊接操作留出了足夠的空間，導(dǎo)電膠的涂抹區(qū)域也較大，可以保證輸出引線的焊接強(qiáng)度和導(dǎo)電膠的粘結(jié)效果，避免因輸出引線脫落而導(dǎo)致的器件失效。還可以在硬鋁殼外設(shè)置塑料殼，用塑料殼將硬鋁殼、電路板和磁電復(fù)合材料所組成的結(jié)構(gòu)體封裝起來，形成整體式的零偏置磁傳感器探頭。為了進(jìn)一步提高零偏置磁傳感器探頭的靈敏度，本發(fā)明還采用了如下方案來降低退磁因子:所述磁致伸縮材料層為長條狀立方體，其長寬比和長厚比均大于等于6。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是:提出了一種可在零偏置磁場條件下對(duì)微小靜態(tài)磁場進(jìn)行探測的傳感器，該傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧，適用范圍廣。


圖1、本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的軸向剖面示意 圖2、本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的徑向剖面示意 圖3、磁電復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
一種零偏置磁傳感器探頭，所述磁傳感器探頭的感應(yīng)部由磁電復(fù)合材料5構(gòu)成，所述磁電復(fù)合材料5由兩個(gè)磁致伸縮材料層5-1和一個(gè)壓電單晶材料層5-2組成，兩個(gè)磁致伸縮材料層5-1順次層疊在壓電單晶材料層5-2的一側(cè)形成三層結(jié)構(gòu)的磁電復(fù)合材料5 ；兩個(gè)磁致伸縮材料層5-1的材質(zhì)不同，導(dǎo)致兩個(gè)磁致伸縮材料層5-1的磁導(dǎo)率和矯頑力存在數(shù)值差異，這種磁導(dǎo)率和矯頑力的數(shù)值差異使磁電復(fù)合材料5內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)部磁場，使得零偏置磁場條件下，磁電復(fù)合材料5就能對(duì)外部的微小磁場變化作出反應(yīng),最終使磁傳感器探頭的靈敏度得到提高、縮小磁傳感器探頭的體積。進(jìn)一步地，所述磁電復(fù)合材料5懸置于圓柱形的硬鋁殼3內(nèi)，壓電單晶材料層5-2沿硬鋁殼3的徑向方向極化，磁致伸縮材料層5-1沿硬鋁殼3的軸向方向磁化。進(jìn)一步地，所述磁電復(fù)合材料5通過連接件懸置于硬鋁殼3中部。進(jìn)一步地，壓電單晶材料層5-2上設(shè)置有輸出引線，輸出引線與電路板6連接，電路板6固定在硬鋁殼3內(nèi)壁上。進(jìn)一步地，在硬鋁殼3的軸向方向上，壓電單晶材料層5-2的長度大于磁致伸縮材料層5-1的長度,壓電單晶材料層5-2 —端與磁致伸縮材料層5-1的一端齊平,壓電單晶材料層5-2另一端形成裸露端，輸出引線設(shè)置于裸露端處。進(jìn)一步地，硬鋁殼3外設(shè)置有塑料殼I。進(jìn)一步地，所述磁致伸縮材料層5-1為長條狀立方體，其長寬比和長厚比均大于等于6。圖3中標(biāo)記B所示位置即為壓電單晶材料層5-2上的裸露端的上輸出電極面，其背面為下輸出電極面，兩條輸出引線分別設(shè)置于前述的上輸出電極面和下輸出電極面上。本發(fā)明在具體應(yīng)用時(shí)，電路板6還與一鎖定放大器7電連接，鎖定放大器7將電路板6的輸出信號(hào)輸出到相應(yīng)的處理設(shè)備上進(jìn)行信號(hào)處理，硬鋁殼3和塑料殼I上設(shè)置有對(duì)應(yīng)的通孔供處理設(shè)備和鎖定放大器7之間的導(dǎo)線通過。
權(quán)利要求
1.一種零偏置磁傳感器探頭，其特征在于:所述磁傳感器探頭的感應(yīng)部由磁電復(fù)合材料(5)構(gòu)成，所述磁電復(fù)合材料(5)由兩個(gè)磁致伸縮材料層(5-1)和一個(gè)壓電單晶材料層(5-2 )組成，兩個(gè)磁致伸縮材料層(5-1)順次層疊在壓電單晶材料層(5-2 )的一側(cè)形成三層結(jié)構(gòu)的磁電復(fù)合材料(5);兩個(gè)磁致伸縮材料層(5-1)的材質(zhì)不同，從而使兩個(gè)磁致伸縮材料層(5-1)的磁導(dǎo)率和矯頑力存在數(shù)值差異，這種磁導(dǎo)率和矯頑力的數(shù)值差異導(dǎo)致磁電復(fù)合材料(5)內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)部磁場,使得零偏置磁場條件下，磁電復(fù)合材料(5)就能對(duì)外部的微小磁場變化作出反應(yīng)，最終使磁傳感器探頭的靈敏度得到提高、縮小磁傳感器探頭的體積。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述零偏置磁傳感器探頭，其特征在于:所述磁電復(fù)合材料(5)懸置于圓柱形的硬鋁殼(3)內(nèi)，壓電單晶材料層(5-2)沿硬鋁殼(3)的徑向方向極化，磁致伸縮材料層(5-1)沿硬鋁殼(3)的軸向方向磁化。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述零偏置磁傳感器探頭，其特征在于:所述磁電復(fù)合材料(5)通過連接件懸置于硬鋁殼(3)中部。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述零偏置磁傳感器探頭，其特征在于:壓電單晶材料層(5-2)上設(shè)置有輸出引線，輸出引線與電路板(6)連接，電路板(6)固定在硬鋁殼(3)內(nèi)壁上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述零偏置磁傳感器探頭，其特征在于:在硬鋁殼(3)的軸向方向上，壓電單晶材料層(5-2)的長度大于磁致伸縮材料層(5-1)的長度，壓電單晶材料層(5-2) 一端與磁致伸縮材料層(5-1)的一端齊平，壓電單晶材料層(5-2)另一端形成裸露端，輸出引線設(shè)置于裸露端處。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述零偏置磁傳感器探頭，其特征在于:硬鋁殼(3)外設(shè)置有塑料殼(I)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述零偏置磁傳感器探頭，其特征在于:所述磁致伸縮材料層(5-1)為長條狀立方體，其長寬比和長厚比均大于等于6。
全文摘要
一種零偏置磁傳感器探頭，所述磁傳感器探頭的感應(yīng)部由磁電復(fù)合材料構(gòu)成，所述磁電復(fù)合材料由兩個(gè)磁致伸縮材料層和一個(gè)壓電單晶材料層組成，兩個(gè)磁致伸縮材料層順次層疊在壓電單晶材料層的一側(cè)形成三層結(jié)構(gòu)的磁電復(fù)合材料；兩個(gè)磁致伸縮材料層的材質(zhì)不同，從而使兩個(gè)磁致伸縮材料層的磁導(dǎo)率和矯頑力存在數(shù)值差異，這種數(shù)值差異導(dǎo)致磁電復(fù)合材料內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)部磁場，使得零偏置磁場條件下，磁電復(fù)合材料就能對(duì)外部的微小磁場變化作出反應(yīng)，最終使磁傳感器探頭的靈敏度得到提高、縮小磁傳感器探頭的體積。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是提出了一種可在零偏置磁場條件下對(duì)微小靜態(tài)磁場進(jìn)行探測的傳感器，該傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧，適用范圍廣。
文檔編號(hào)G01R33/02GK103105591SQ20131002195
公開日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2013年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月22日
發(fā)明者李平, 陳蕾, 文玉梅 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)