基于“磁扭电”效应的新型磁电罗盘

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随着信息社会的发展，特别是物联网时代的到来，智能家电、新能源汽车、机器人等新兴产业对高灵敏度磁场传感器的需求越来越大。而传统磁场传感器存在灵敏度低、功耗高、难以集成等问题，因此开发高性能的新型磁场传感器，已成为国际研究热点，也是我国在国外技术封锁下，实现具有自主知识产权的微电子产业的重要需求。


基于磁电复合材料的磁场传感器主要由磁致伸缩材料和压电/铁电材料构成，磁致伸缩材料和压电/铁电材料通过“磁-弹-电”耦合理论进行相互作用，实现电极化强度到磁化强度的相互转换。基于这种原理的磁电传感器，由于其应变为媒介的“磁-弹-电”耦合作用，往往只对某个特定方向的直流磁场或者交流磁场有响应，同时工作频率往往高达几千Hz甚至几万Hz，这极大地限制了其作为磁场传感器在低频工业设备中的应用。另外，该种方式的磁电传感器需要外接亥姆霍兹线圈为其提供直流偏置磁场，且所需偏置磁场很高，将会大大增加了器件的能耗以及系统的发热。
 

图1：“磁扭电”效应的结构示意图及力学分析

近日，西安交通大学电子科学与工程学院刘明教授课题组设计了一种基于“磁扭电”效应的新型磁场传感器（图1），该传感器采用了一种全新的力-电耦合结构，能够将磁扭矩转化成应力，并施加在压电材料上，实现了磁场作用下电信号的输出。与传统的基于磁电复合材料的磁场传感器相比，该器件是一种理想的无源器件，无需供电、无需偏置磁场，大大降低了器件的能耗，从根本上解决了器件的发热问题，扩展了器件的使用范围。同时该器件采用以应力为媒介的“磁-弹-电”耦合机制，压电材料工作在压应力模式下，因而器件的使用寿命得到了极大的延长。
 

图2：基于有限元仿真软件（COMSOL）的器件结构优化，（a）全电极结构在不同振动相位时，压电材料上的电压分布；（b）分电极结构在不同振动相位时，压电材料上的电压分布；（c）全电极结构的实际输出信号，测试磁场为5 Oe；（d）分电极结构的实际输出信号，测试磁场为5 Oe；

该器件的电极结构通过有限元仿真软件（COMSOL）优化后，可以有效去除干扰信号（图2），显著提高输出信号的纯度；此外，力-电耦合结构可显著改善输出信号对探测方向的敏感性，理论上，磁敏感方向与非敏感方向的输出信号强度比值可以为“无穷大”倍；基于“磁扭电”效应，开发了可用于二维平面磁场大小和方向探测的磁电罗盘（图3），该传感器可同时测量面内交流磁场的强度和方向，强度精度为0.01 Oe（约为地磁场大小的1/50~1/60），方向的角度精度为±0.2°，解决了如何同时高精度地测量磁场的强度和方向这个难点问题，在工业设备的磁场测定、校准、监测中具有重大的应用前景。此外，该器件是一种理想的无源器件，无需供电、无需偏置磁场、无需校正算法、无需信号放大模块，驱动简单，几乎无能耗，精度高，灵敏度高（输出可以达到几十到几百mV/Oe），结构强度高，工作频率范围广（几Hz到几百Hz），成本优势明显，有望在工业生产、国计民生、电力系统、物联网等领域获得大规模应用。
 

图3：（a）器件实物图；（b）器件的角度测试精度，测试磁场为30 Hz，2 Oe的交流磁场；（c）器件在水平方向磁场下的电压输出，磁场大小为2 Oe；（d）器件在面内（in-plane）任意取向的磁场作用下的电压输出，磁场大小为2 Oe；

该成果以“A magnetoelectric compass for in-plane AC magnetic field detection”为题发表在国际顶级期刊IEEE Transactions on Industrial Electronics（IF=7.5），并申请国家发明专利一项。西安交通大学电子科学与工程学院青年教师吴金根为该论文的第一作者，胡忠强教授、刘明教授为论文的通讯作者，参与该研究的还有北京大学董蜀湘教授。该工作得到国家重点研发计划等项目的支持。


课题组简介

刘明教授的“磁电耦合功能材料团队”长期从事磁电复合材料及器件应用的研究，在磁电微波器件、自旋存储和自旋传感等方面取得一系列进展，特别是最近在磁电能量回收器件 Sensors and Actuators A 297, 111535 (2019)、磁场探测器 IEEE EDL, 40, 969-972 (2019)、等磁电应用领域取得了突破，已进入产业化。

刘明教授主页：http://gr.xjtu.edu.cn/web/mingliu

点击“阅读原文”查看论文原文。

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