基于PMNT单晶的磁电复合材料及磁传感器研究

发布时间：2020-03-25 16:08

【摘要】：磁电效应,是指材料的电极化强度随磁场而改变,或者材料的磁化强度随电场而改变的物理效应。利用材料的磁电效应,可以实现磁信号与电信号之间的转化,因此可以将其用于磁场传感领域。层状磁电复合材料是将压电材料和压磁材料层叠在一起,利用磁-弹-电耦合原理实现磁能与电能的转换,与单相磁电材料相比,其具有极大的磁电系数。本论文主要研究基于PMNT压电单晶所制备的磁电复合材料及被动式弱磁传感器。基于磁电复合材料的磁电型弱磁传感器在弱磁探测极限性能参数方面已经初步实现了与磁通门、光泵等传统高性能磁传感器相媲美,已在水下磁探测领域获得了初步的应用。论文中首先对磁电复合材料及其磁传感器的磁电响应、噪声耦合进行建模分析,从理论上探索了磁电型磁传感器的性能优化路径。在磁电复合材料的研究方面,分别制备了Terfeno-D/PMNT材料体系的多层串联结构磁电复合材料、Metglas/PMNT材料体系的Multi-push-pull结构磁电复合材料及Metglas/Mn-PMNT材料体系面内串联结构的磁电复合材料。对于Multi-push-pull结构的磁电复合材料,建立了介电损耗的等效电路模型,分析了压电芯材料制备时叉指电极与单晶片之间的胶层对复合材料介电损耗的影响,从理论模型的分析结果指导了材料制备工艺的优化。利用所制备的面内多重串联结构磁电复合材料和专用低噪声前置电荷放大电路制备了低频单轴矢量型弱磁传感器,并对其响应率、噪声等效磁场进行了理论计算和表征,研制的磁电型弱磁传感器的噪声等效磁场低至0.4pT/Hz~(1/2)@15Hz,3pT/Hz~(1/2)@1Hz,超过了进口的Mag-13型磁通门传感器。针对磁电型磁传感器谐振态下超高的探测灵敏度的应用,设计了电感调谐的磁传感器,可将传感器的谐响应在一定范围内调制到目标频率,从而拓展了磁电型磁传感器的应用频段,提高了磁电型磁传感器的弱磁探测极限。对于磁电型磁传感器易受振动噪声干扰的问题,设计出了具有独特结构的磁电复合材料,有望利用差分的方法提升传感器对复杂环境的适应性,并提升其探测精度。
【图文】：

VVHα = …（1.4磁电电场系数定义为：EEHα = …（1.5磁电电荷系数定义为：QQHα = …（1.6这三种磁电系数之间可以进行换算，例如，，在准静态条件下：Q p V p V=α C= α C tα…（1.7与单相磁电材料相比，复相磁电材料具有更明显的磁电效应。下图 1.1 为相磁电材料的原理图。

图 1.2 BiFeO3的结构示意图Figure 1.2 The structure schematic of BFO1.2.2 复相磁电材料正是由于单相磁电材料的性能无法达到实际需求，因此人们的研究目标逐渐转移至复合材料上来。前文也提到，基于磁-弹-电耦合的乘积效应的两相磁电复合材料在常温下能够表现出十分强烈的磁电效应，近几年也被广泛研究。复相磁电材料主要分为以下几个体系：（1）压电陶瓷/亚铁磁复合材料；（2）磁致伸缩/压电两相复合材料；（3）三相复合磁电材料；（4）由铁电和磁性氧化物复合而成的薄膜或纳米结构磁电材料。还可以通过不同相之间的连接类型对复相磁电材料进行划分。以二相纳米磁电复合材料为例，如图 1.3 所示，其可以分为 0-3，2-2，1-3 等[3]。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB33;TP212.13

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本文编号：2600110