磁電諧振換能器件的製作方法

2023-12-03 16:37:41

專利名稱：磁電諧振換能器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種高性能磁電諧振換能器件，屬於壓電器件領域。
背景技術：
在磁場探測領域，弱磁場的測量具有非常廣泛和重要的意義，主要應用於 地磁場測量，月球、金星、火星等外層空間磁場的測量，海洋磁測量，地面磁 法勘測，地磁脈動勘測，艦船磁性測量，石油鑽井中的隨鑽測斜，人體磁場、 人體心磁圖、人體腦磁圖等醫學測量領域。
常用的弱磁場測量儀器有機械式磁力儀、磁通門磁力儀、質子旋進式磁力 儀、光泵磁力儀、超導量子磁力儀等。但是這些弱磁測量儀器隨著測量精度的 提高，成本大幅度的提升，而且測量系統變的龐大，極大的限制了弱磁測量的 廣泛應用。
將磁致伸縮材料的磁致伸縮效應和壓電材料的壓電效應結合，為發明一種 精度高、體積小、結構簡單、成本低廉的新型弱磁測量儀器提供了新思路。

發明內容
本發明涉及的磁電諧振換能器件結構如圖l所示，其中l、 3、 4為壓電材 料，2為磁致伸縮材料，5為導線用於連接壓電材料1和4， 6為導線用於連接 3和4， 7為電壓輸出端連接壓電材料3和4， 8為公共地端連接壓電材料7和 1。採用壓電材料2實現電彈轉換功能，採用磁致伸縮材料1和3實現磁彈轉換 功能，並且採用多層壓電和磁致伸縮材料層疊來提高其電能到磁能的轉換效率。
磁電諧振換能器件結構如圖1所示，具有磁致伸縮材料l一壓電材料2—磁 致伸縮材料3—壓電材料4的層狀空間結構。
1、 2、 3三層材料之間用導電膠粘接，實現機械耦合。三層材料的厚度比
例優化為l: 0.5 0.8: 1，優選的厚度比為l: 0.65 0.75: 1。從上下兩層磁
致伸縮材料1和3的外表面引出電極。
使用壓電材料4實現對1和3兩電極的輸出電壓進行放大的功能。 壓電材料4的結構如圖2所示，在圖2中，l為驅動部分，2為輸出部分，3為輸入電極，4為公共地端，5為輸出電極。將完整的一個壓電材料分成兩部 分1和2，左半部分1的上下兩面塗覆銀電極，沿厚度方向極化，分別做為輸 入端3和地端4，右半部分2的右端也有銀電極，沿長度方向極化，做為輸出 端5。當正弦交變電壓加到3和4之間時，通過逆壓電效應和壓電效應，在輸 出端5和4之間產生高的電壓，起到對輸入電壓放大的作用。例如，由新型壓 電材料鈮鎂酸鉛一鈦酸鉛單晶製備的起放大作用的壓電材料在諧振狀態下有高 達105的升壓比。
磁電諧振換能器件結構如圖1所示，使用導線5禾n 6將1、 2、 3和4相連。 為了電絕緣，在3與4之間用雙面膠連接，並填充一層很薄的泡沫材料。薄層 泡沫材料起到減小機械耦合幹擾的作用。磁電諧振換能器件在諧振頻率獲得最 大換能效率。


圖1出示了新型磁電諧振換能器的結構示意圖，其中，l為壓電材料，2為
磁致伸縮材料，3為壓電材料，4為壓電材料，5為連接1和4的導線，6為連
接3和4的導線，7為電壓輸出端，8為公共地端。
圖2出示了具有放大功能的壓電材料的結構示意圖以及材料工作時的位移
和應力分布示意圖，l為驅動部分，2為輸出部分，3為輸入電極，4為公共地
端，5為輸出電極。
圖3出示了具有放大功能的壓電材料的升壓比隨頻率變化的特性曲線。 圖4出示了圖1中1、 2、 3三片材料以5、 6為電極的掃頻特性曲線。 圖5出示了磁電諧振換能器的磁電係數隨頻率變化的特性曲線。
具體實施例方式
出示製備一個新型磁電諧振換能器件的完整過程，對換能器隨信號頻率變 化特性進行測試，對具有放大功能的壓電材料的升壓比隨頻率變化特性進行測 試，在以上結果的基礎上完成最佳工作狀態的調試和優化。
磁電諧振換能器件結構如圖1所示，選擇用改進的Bridgman方法生長的 〈001〉或〈110〉取向、組分為0. z20. 34的(1—i) PMN—;fPT晶體，製作壓 電材料2。 Terfenol-D合金製作磁致伸縮材料1和3。 PMN — PT的尺寸為22 X2Xlmm3， Terfenol-D尺寸為22X2X1 mm3。從1和3的上下表面引出電 極4和5。 1、 2、 3之間的粘接採用導電的環氧樹脂膠。使得從上下兩層導電的磁致伸縮材料引出的電極上能有效地獲得壓電材料上下表面間的輸出電壓。
選擇用改進的Bridgman方法生長的〈001〉或〈110〉取向、組分為0.20《；f 的(l-i) PMN-zPT晶體，製作壓電材料4，尺寸為16*4*1 mm3。具有 放大功能的壓電材料結構如圖2所示，左半部分為驅動部分1，上下兩面塗覆 銀電極，沿厚度方向極化，做為輸入端3和公共地端4，右半部分的右端也有 銀電極，沿長度方向極化，做為輸出端5。
測試的具有放大功能的壓電材料的升壓比隨著頻率的變化。信號發生器與 輸入端和地端相連接，示波器與輸出端和地端相連接。由於示波器的阻抗很大， 所以可以認為變壓器在負載阻抗趨向無窮大。測試的結果如圖3所示。在50kHz 時候，升壓比達到最大值約為105左右。
為了使整個磁電諧振換能器都工作在諧振頻率下，以獲得最大換能效率， 必須對各個材料的諧振頻率進行控制。
根據圖1所示結構，最開始的時候，製備的壓電材料2和磁致伸縮材料1 和3的長度大約為22mm長，進行磁電掃頻後，諧振頻率在40 KHz附近，然 後根據諧振頻率與尺寸的關係，把粘合在一起的1、 2、 3磨短一點，然後再進 行磁電掃頻；如此反覆幾次，直到樣品的頻率達到50 kHz附近。
優化後的PMNT層和Terfeno1-D層的尺寸相同，均為20*2*1 mm3，掃 頻的結果如圖4所示。最優的偏置磁場約為250 0e。諧振頻率在50.2 kHz。
1、 2、 3和4組合完畢後，測試其磁電係數，如圖5所示。可見，在50KHz， 粘合在一起的l、 2、 3工作在諧振頻率，同時壓電材料4也工作在最佳升壓比 狀態，從而組合完畢後的磁電換能器有高達57.3V/0e的磁電係數。
這種新型磁電換能器，結構設計簡單，不需要供電，非常有利於主動式磁 探測和大的磁電能量轉換。同時，由於引入具有放大作用的壓電材料，很有利 於與前面的三層材料阻抗匹配。由於不需要外接前置放大電路，整個系統的響 應時間很小。
權利要求
1. 磁電諧振換能器件，包括壓電材料(1、3、4)，磁致伸縮材料(2)，導線(5)為用於連接壓電材料1和4，6為導線(6)為用於連接3和4，電壓輸出端(7)連接壓電材料3和4，公共地端(8)連接壓電材料7和1。壓電材料(1)、磁致伸縮材料(2)和壓電材料(3)三層材料之間用導電膠粘接，三層材料的厚度比例優化為1∶0.5～0.8∶1。
2、 按權利要求l所述的磁電諧振換能器件，其特徵在於所述的厚度比為1: 0.65 0. 75: 1。
3、 按權利要求1或2所述的磁電諧振換能器件，其特徵在於所述的壓電材 料為鈮鎂酸鉛 一 鈦酸鉛單晶材料。
4、 按權利要求3所述的磁電諧振換能器件，其特徵在於所述的鈮鎂酸鉛一 鈦酸鉛單晶材料的化學組成為(l-x) Pb(Mg1/3Nb2/3)03-xPbTi03， 0.20《x《 0.34，晶體學方向為〈001〉和〈110〉方向。
全文摘要
本發明涉及一種磁電諧振換能器。在換能領域，該換能器能高效的實現磁量到電能的轉換，屬於電工器件領域。本發明包括壓電材料(1、3、4)，磁致伸縮材料(2)，導線(5)為用於連接壓電材料1和4，6為導線(6)為用於連接3和4，電壓輸出端(7)連接壓電材料3和4，公共地端(8)連接壓電材料7和1。壓電材料(1)、磁致伸縮材料(2)和壓電材料(3)三層材料之間用導電膠粘接，三層材料的厚度比例優化為1∶0.5～0.8∶1。本發明能精確的實現磁場強度量向電壓量的轉換，在諧振頻率下，磁電係數高達57.3V/Oe。
文檔編號C30B29/30GK101286728SQ20081003814
公開日2008年10月15日 申請日期2008年5月28日 優先權日2008年5月28日
發明者徐海清, 迪 林, 潘曉明, 傑 焦, 王飛飛, 羅豪甦, 賈豔敏, 趙祥永 申請人:中國科學院上海矽酸鹽研究所