一種柔性磁扭型磁電傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及磁電器件領(lǐng)域，特別涉及一種柔性磁扭型磁電傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 磁電效應(yīng)（magnetoelectric effect)是磁化強(qiáng)度（M)和電極化強(qiáng)度（P)之間存 在的親合作用，即外加電場(chǎng)能夠改變介質(zhì)的磁學(xué)性質(zhì)，或者外加磁場(chǎng)能夠改變介質(zhì)的電學(xué) 性能。磁電效應(yīng)的物理應(yīng)用顯而易見(jiàn)，它可以用來(lái)轉(zhuǎn)換能量，傳感信號(hào)，檢測(cè)磁（電）場(chǎng) 等。行業(yè)內(nèi)衡量磁電轉(zhuǎn)換效率的參數(shù)是磁電電壓系數(shù)δΕ/δΗ，其中E為誘導(dǎo) 產(chǎn)生的電場(chǎng)，H為施加磁場(chǎng)，單位 ：V/cm.0e)。取得大的Cxme-直是研宄人員和工程技術(shù)人 員努力的方向。
[0003] 傳感器技術(shù)是促進(jìn)現(xiàn)代化進(jìn)步的一項(xiàng)重要技術(shù)，傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了從普通到高 精度，昂貴到大眾化的發(fā)展過(guò)程，發(fā)展高精度、廉價(jià)、低功耗的傳感器已經(jīng)成為目前傳感器 發(fā)展的大趨勢(shì)。磁電傳感器是傳感器中的一種，其器件功能基于磁電效應(yīng)。磁電傳感器在 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展中扮演著越來(lái)越重要的作用，其可靠性和靈活性也使其應(yīng)用變得越來(lái)越 廣泛。
[0004] 目前，常見(jiàn)的磁電型傳感器主要由磁致伸縮材料和壓電材料層疊復(fù)合而成，當(dāng)磁 場(chǎng)作用到磁電傳感器時(shí)，磁致伸縮材料發(fā)生形變，通過(guò)界面力的耦合將形變傳遞給壓電材 料，從而使壓電材料發(fā)生形變，通過(guò)壓電材料的正壓電效應(yīng)輸出電荷，從而實(shí)現(xiàn)磁到電的轉(zhuǎn) 換。為了獲得強(qiáng)的磁電效應(yīng)，往往需要采用具有強(qiáng)磁致伸縮系數(shù)的材料。但是，具有強(qiáng)磁致 伸縮系數(shù)的材料一般價(jià)錢(qián)昂貴，因而限制了其規(guī)?；褂谩?br>[0005] 后來(lái)，科學(xué)家將壓電片和磁鐵復(fù)合，磁鐵在外加磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生磁扭力，通過(guò)界面 接觸帶動(dòng)壓電片彎曲變形產(chǎn)生電壓輸出，從而實(shí)現(xiàn)磁電效應(yīng)。為了與前述的層狀磁電傳感 器區(qū)別，這種磁電器件也被稱(chēng)為磁扭型磁電傳感器。但是，目前的磁扭型磁電傳感器結(jié)構(gòu)中 的壓電片多采用剛性的陶瓷壓電片，其靈敏度較低，從而影響了傳感器的磁電轉(zhuǎn)換靈敏度。
[0006] 另外，針對(duì)低頻探測(cè)而言，最高精度的磁電傳感器目前是SQUID，然而SQUID需要 在低溫下工作，且價(jià)格昂貴，很難得到普遍應(yīng)用。其他探測(cè)精度比較高的磁電傳感器有原子 磁力型、磁通門(mén)型、磁電阻型、磁電型傳感器等，這些類(lèi)型的磁傳感器要么價(jià)格昂貴、要么制 作復(fù)雜，制約了普遍應(yīng)用。
[0007] 因而，有必要開(kāi)發(fā)新的低成本、高靈敏度的磁電傳感器，設(shè)計(jì)一種適合低頻檢測(cè)的 磁電傳感器，可以實(shí)現(xiàn)高的磁電電壓系數(shù)與低頻檢測(cè)相結(jié)合。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0008] 本實(shí)用新型提供了一種磁扭型磁電傳感器，其采用柔性壓電片，構(gòu)成柔性磁扭型 磁電傳感器，具有成本低、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。
[0009] 本實(shí)用新型的技術(shù)方案為：一種柔性磁扭型磁電傳感器，包括壓電材料與永磁體， 永磁體在外加磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生磁扭力，通過(guò)接觸帶動(dòng)壓電材料彎曲變形產(chǎn)生電壓輸出，其 特征是：所述壓電材料在厚度方向呈"三明治"層狀結(jié)構(gòu)，中間層為支撐層，上下兩層均為柔 性PVDF壓電層。
[0010] 所述的支撐層用于支持該"三明治"層狀結(jié)構(gòu)，其材料不限，包括不銹鋼、銅、鋁、有 機(jī)聚合物等。
[0011] 所述的永磁體材料不限，優(yōu)選為釹鐵硼永磁體。
[0012] 作為優(yōu)選，所述的支撐層的厚度為0.0 lmm~0. 35mm。
[0013] 最為優(yōu)選，所述的柔性PVDF壓電層的厚度為0.1 mm~0. 5mm。
[0014] 為了獲得較大的磁扭矩，作為優(yōu)選，沿所述壓電材料的長(zhǎng)度方向，該壓電材料的一 端固定；進(jìn)一步優(yōu)選地，所述永磁體設(shè)置在該壓電材料的另一端。該結(jié)構(gòu)的柔性磁扭型磁電 傳感器的擺放方式不限，優(yōu)選為垂吊式擺放。
[0015] 綜上所述，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0016] (1)采用柔性PVDF壓電片作為磁扭型磁電傳感器中的壓電材料。與現(xiàn)有陶瓷壓電 材料，例如壓電陶瓷PZT相比，該柔性PVDF材料具有更大的磁電電壓系數(shù)，從而有利于提高 磁電傳感器的靈敏度；
[0017] (2)考慮到柔性PVDF壓電材料的柔性特性不利于傳感器的穩(wěn)定性，對(duì)柔性PVDF壓 電層增加支撐層，得到復(fù)合結(jié)構(gòu)的壓電材料；并且通過(guò)支撐層材料的選擇，支撐層厚度的調(diào) 節(jié)，以兼顧具有較高的磁電電壓系數(shù)與器件穩(wěn)定性；
[0018] (3)為了進(jìn)一步提高器件的穩(wěn)定性，優(yōu)選將壓電材料設(shè)計(jì)為"三明治"結(jié)構(gòu)，中間層 為支撐層，上下兩層均為柔性PVDF壓電層，即柔性PVDF壓電層對(duì)稱(chēng)極化設(shè)置在支撐層的上 下表面，形成對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⑼饨鐪囟雀淖兊纫鸬脑胍舻鹊玫接行У窒瑥亩欣诮Y(jié) 構(gòu)穩(wěn)定性；
[0019] (4)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，本實(shí)用新型的柔性磁扭型磁電傳感器具有較高的磁電電壓系數(shù) α _，尤其是外加磁場(chǎng)為低頻時(shí)，該磁電電壓系數(shù)α _仍能保持較高值，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)低頻信 號(hào)的檢測(cè)。并且，隨著支撐層的厚度增大，磁電電壓系數(shù)αΜΕ降低；隨著支撐層的厚度增加， 該柔性磁扭型磁電傳感器在低頻下得到恒定α _的頻率范圍增大。
[0020] 本實(shí)用新型還提供了一種制備上述柔性磁扭型磁電傳感器的方法，包括如下步 驟：
[0021] 將支撐層與柔性PVDF壓電層超聲清洗、酒精風(fēng)干后用粘結(jié)劑粘結(jié)為所述"三明 治"結(jié)構(gòu)，并且將粘結(jié)面采用銀漿導(dǎo)通，然后烘干固化；
[0022] 將永磁體分別與上、下柔性PVDF壓電層相接觸連接；
[0023] 在上、下柔性PVDF壓電層引出電極。
【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例1中柔性磁扭型磁電傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例1中柔性磁扭型磁電傳感器的磁電壓電系數(shù)測(cè)試示意 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述，需要指出的是，以下所 述實(shí)施例旨在便于對(duì)本實(shí)用新型的理解，而對(duì)其不起任何限定作用。
[0027] 壓電材料1、支撐層2、第一柔性PVDF壓電層3、第二柔性PVDF壓電層4、第一永磁 體5、第二永磁體6、電極7、鎖相放大器8、亥姆霍茲線圈9。
[0028] 實(shí)施例1:
[0029] 柔性磁扭型磁電傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，由壓電材料1與永磁體組成。
[0030] 壓電材料1在厚度方向呈"三明治"層狀結(jié)構(gòu)，中間層為支撐層2,上下兩層均為柔 性PVDF壓電層，即上層為第一柔性PVDF壓電層3,下層為第二柔性PVDF壓電層4。第一柔 性PVDF壓電層3與支撐層2之間為固定導(dǎo)電連接，第二柔性PVDF壓電層4與支撐層2之 間為固定導(dǎo)電連接。
[0031] 支撐層2為不銹鋼材料，其長(zhǎng)寬方向的截面尺寸為32毫米X6毫米，厚度尺寸按 下表1所示。
[0032] 永磁體是兩塊尺寸均為Φ 8毫米X 2毫米的釹鐵硼永磁鐵，分別為第一永磁體5、 第二永磁體6。
[0033] 第一柔性PVDF壓電層3與第二柔性PVDF壓電層4的長(zhǎng)寬厚尺寸均為32毫米X 6 毫米X0. 1毫米。
[0034] 第一永磁體5設(shè)置在第一柔性PVDF壓電層3的上方，第二永磁體6設(shè)置在第二柔 性PVDF壓電層4的下方。
[0035] 電極7分別自第一柔性PVDF壓電層3與第二柔性PVDF壓電層4表面引出。
[0036] 該柔性磁扭型磁電傳感器的制備方法包括如下步驟：
[0037] (1)將支撐層2、第一柔性PVDF壓電層3以及第二柔性PVDF壓電層4用超聲波清 洗5分鐘，酒精風(fēng)干后使用502膠水將第一柔性PVDF壓電層3以及第二柔性PVDF壓電層 4對(duì)稱(chēng)極化粘貼在支撐層2的上下兩面，形成"三明治"結(jié)構(gòu)，粘接過(guò)程保證尺寸精度，中間 點(diǎn)銀漿導(dǎo)通，然后放入烘干箱烘干固化，固化溫度為40-60°C，固化時(shí)間為1-2小時(shí)，得到壓 電材料1。
[0038] (2)使用直徑為0· 5-lmm的飛線與直徑0· 05-0. 2mm的漆包線焊接制作電極7,將 電極7的漆包線一側(cè)粘接固化在第一柔性PVDF壓電層3以及第二柔性PVDF壓電層4表面， 并保證粘接后器件具有良好導(dǎo)電性。
[0039] (3)將第一永磁體5固定連接在第一柔性PVDF壓電層3的上方，將第二永磁體6 固定連接在第二柔性PVDF壓電層4的下方；并且，沿壓電材料1的長(zhǎng)度方向，該壓電材料的 一端部為固定端，該第一永磁體5與第二永磁體6位于該壓電材料的另一端部，固定端的固 定位置采用丙酮腐蝕掉表面電極，以防止電信號(hào)輸出。
[0040] 工作狀態(tài)時(shí)，如圖1所示，將該壓電材料的固定端固定在上方，將第一永磁體5與 第二永磁體6垂下，使該柔性磁扭型磁電傳感器呈垂吊式擺放。如圖2所示，使用鎖相放大 器8提供給亥姆霍茲線圈9 一定電壓的交流磁場(chǎng)，此交流磁場(chǎng)作用于該柔性磁扭型磁電傳 感器，第一永磁體5與第二永磁體6在該磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生磁扭力，通過(guò)接觸界面帶動(dòng)第一柔 性PVDF壓電層3、第二柔性PVDF壓電層4彎曲變形產(chǎn)生電壓輸出，并通過(guò)鎖相放大器8顯 不O
[0041] 結(jié)果顯示，該柔性磁扭型磁電傳感器具有較高的磁電電壓系數(shù)αΜΕ，尤其是當(dāng)亥姆 霍茲線圈9的交流磁場(chǎng)為低頻時(shí)，該磁電電壓系數(shù)α ΜΕ仍能保持較高值。表1所示為支撐 層2的厚度為不同值時(shí)，當(dāng)亥姆霍茲線圈9的交流磁場(chǎng)的檢測(cè)頻率在低頻時(shí)測(cè)試得到的磁 電電壓系數(shù)αΜΕ值以及能夠保持該恒定α _值的交流磁場(chǎng)的低頻率范圍。
[0042] 表1支撐層材料、α ΜΕ值以及該α ΜΕ值所對(duì)應(yīng)的交流磁場(chǎng)的頻率范圍
[0043]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種柔性磁扭型磁電傳感器，包括壓電材料與永磁體，永磁體在外加磁場(chǎng)作用下產(chǎn) 生磁扭力，通過(guò)接觸帶動(dòng)壓電材料彎曲變形產(chǎn)生電壓輸出，其特征是：所述壓電材料在厚度 方向呈"三明治"層狀結(jié)構(gòu)，中間層為支撐層，上下兩層均為柔性PVDF壓電層。
2. 如權(quán)利要求1所述的柔性磁扭型磁電傳感器，其特征是：所述的支撐層的厚度為 0.0 lmm ~0. 35mm。
3. 如權(quán)利要求1所述的柔性磁扭型磁電傳感器，其特征是：所述的柔性PVDF壓電層的 厚度為〇? 1謹(jǐn)~0? 5謹(jǐn)。
4. 如權(quán)利要求1至3中任一權(quán)利要求所述的柔性磁扭型磁電傳感器，其特征是：沿所 述壓電材料的長(zhǎng)度方向，該壓電材料的一端固定。
5. 如權(quán)利要求4所述的柔性磁扭型磁電傳感器，其特征是：所述永磁體設(shè)置在該壓電 材料的另一端。
6. 如權(quán)利要求5所述的柔性磁扭型磁電傳感器，其特征是：該結(jié)構(gòu)的柔性磁扭型磁電 傳感器的擺放方式為垂吊式擺放。
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型提供了一種柔性磁扭型磁電傳感器，包括壓電材料與永磁體，壓電材料在厚度方向呈“三明治”層狀結(jié)構(gòu)，中間層為支撐層，上下兩層均為柔性PVDF壓電層，永磁體在外加磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生磁扭力，通過(guò)接觸帶動(dòng)壓電材料彎曲變形產(chǎn)生電壓輸出。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該柔性磁扭型磁電傳感器具有較高的穩(wěn)定性與磁電電壓系數(shù)αME，尤其是外加磁場(chǎng)為低頻時(shí)，磁電電壓系數(shù)αME仍能保持較高值，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)低頻信號(hào)的檢測(cè)。
【IPC分類(lèi)】G01D5-14
【公開(kāi)號(hào)】CN204575096
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520252728
【發(fā)明人】李潤(rùn)偉, 仲建安, 劉宜偉, 吉紅偉
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所
【公開(kāi)日】2015年8月19日
【申請(qǐng)日】2015年4月23日