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异质结磁电复合材料与磁电型弱磁传感器研究

胡飞  
【摘要】:材料的电极化强度随外磁场的变化而变化或者相反,拥有这种效应的材料被称之为磁电材料,该材料能够实现磁信号与电信之间的转换,可以通过对电学量的检测来间接检测磁场信号,在诸多领域有重要的应用,如科研领域(观测监控地层运动、宇宙微波测量)、国防领域(监测运动目标,反潜反蛙人作战)、医疗领域(心磁、脑磁成像)等。自1961年Dzyaloshinskii.Astrov第一次在Cr_2O_3单晶上观察到磁电效应以来,单相的磁电材料经过近半个世纪的发展,并未取得长足发展,离具体工程化应用还有很大一段距离,但是如若将磁致伸缩材料和压电材料两相复合后得到的复合型磁电材料,可以实现在室温下条件下,就拥有非常强的磁电性能,这种性质使磁电材料的大规模工程化应用成为可能。本文所述磁电传感器皆指利用复合型磁电材料作为磁电转换单元(灵敏元)的一种磁传感器。是基于Metglas/Mn-PMNT的磁电传感器,目前在探测能力这一指标上已经具备与其它高性能磁传感器竞争的能力,而且磁电传感器在其它综合性能上都具有一定优势。本文的主要工作是基于Metglas/Mn-PMNT(磁致伸缩材料/压电材料),研制出高性能磁电传感器,同时对现有的结构与组件进行优化,进一步提高传感器性能并努力实现磁电传感器工程化应用。文中对复合磁电材料的制备及其性能表征,定性分析、定量实验,验证胶层厚度对磁电复合材料Q值的影响;基于聚磁效应与磁路原理,设计一种新的散式复合结构,将磁电复合材料的磁电系数最大提高51.4%;理论分析并实验验证,最终解决磁电传感器前置电荷放大器饱和与零点漂移问题;此外针对磁电传感器的工程化应用,设计稳定易用的封装结构,理论分析并设计了水下比测实验以及浅海走航的试验方案。与市场上常用的高性能磁传感器(磁通门、超导量子干涉仪等)相比,本文研究制作的新原理磁电传感器拥有更低噪声、更小功耗、更小体积和成本低等优势,在一些应用场景上有替代传统高性能磁传感器的可能,并在当前国际大环境下,自主研发、百分百国产化的磁电型弱磁传感器当具有更大的应用前景与经济价值。


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