[发明专利]零偏置磁传感器探头

说明书

技术领域

    本发明涉及一种磁传感器，尤其涉及一种零偏置磁传感器探头。

背景技术

磁场测量在医学、军事、地质等方面都有广泛的应用，是现代测量领域的重要组成部分。在军事方面的应用有：舰船消磁、探测隐匿的物体、近炸水雷、磁性扫雷以及炸弹探测器等，都离不开磁场传感技术；在地质勘探方面的应用有：利用磁传感器测量大地的磁场微变，为探矿、沉积盆地及大地构造研究、火山活动监测研究等提供依据；在生物医学方面，应用磁传感器测量人体血清磁化率的变化以及人体心脏跳动和大脑内磁场的变化绘制“心磁图”、“脑磁图”来诊断疾病。

目前常用的磁传感器包括磁通门、霍尔元件、感应式磁传感器、巨磁电阻元件、核磁共振以及超导量子干涉元件等。其中霍尔元件的磁场测量精度较低，虽然根据法拉第电磁感应原理做成的搜索线圈可达约10 ^- 10 T 的精度，但该传感器不能测量静态磁场或者缓慢变化的磁场；巨磁电阻元件是利用巨磁阻效应实现对小磁场的灵敏响应，但其制备主要采用薄膜技术，对尺寸和厚度的要求十分严格，生产工艺复杂且成本高昂；磁通门、核磁共振和超导量子干涉元件有很高的精度，但是这些磁场测量结构都很复杂，体积大，而且价格昂贵，需要较大功率的电源供给。

磁致伸缩/压电层状复合材料具有结构简单、制备容易、可无源工作和磁电电压系数高等特点，在磁传感器领域具有广阔的应用前景，引起了众多研究者的关注。

早在1974年，V.E.Wood 等人就提出了使用磁电材料可研制高灵敏磁场传感器的新思路。作为磁致伸缩材料，其磁化过程、磁致伸缩应变以及磁化方向对磁场的变化是非常敏感的，将压电材料与磁致伸缩材料复合之后，通过磁致伸缩/压电复合材料的磁电转换，可显著增强磁电复合材料的磁场灵敏度，进一步提高磁传感器的性能。利用磁电复合材料的输出电信号和外磁场的对应关系，可以实现对交流磁场和直流磁场的探测。但目前的磁电复合材料，需要依赖外加直流偏置磁场来提高其磁电电压输出，否则（即在零偏置磁场条件下），磁电复合材料难以对微小磁场作出反应。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种零偏置磁传感器探头，所述磁传感器探头的感应部由磁电复合材料构成，所述磁电复合材料由两个磁致伸缩材料层和一个压电单晶材料层组成，两个磁致伸缩材料层顺次层叠在压电单晶材料层的一侧形成三层结构的磁电复合材料；两个磁致伸缩材料层的材质不同，导致两个磁致伸缩材料层的磁导率和矫顽力存在数值差异，这种磁导率和矫顽力的数值差异使磁电复合材料内产生内部磁场，使得零偏置磁场条件下，磁电复合材料就能对外部的微小磁场变化作出反应，最终使磁传感器探头的灵敏度得到提高、缩小磁传感器探头的体积。

前述结构的原理是：现有技术中的磁电复合材料之所以不能用于零偏置磁场条件，是因为本领域技术人员在制作磁电复合材料时，没有对磁电复合材料中的各个功能层的材料进行优化选择，单纯采用偏置磁场来提高磁电复合材料的输出，从而掩盖了磁电复合材料自身所具有的优势；本发明的原理是：由于两个磁致伸缩材料层之间的磁导率和矫顽力均不相同，两个磁致伸缩材料层之间会产生较强的磁化梯度（磁化梯度的强弱与差异性的大小呈正相关性，差异性越大则磁化梯度越强），其原有的平衡被打破，相应地在两种材料之间将产生一个较高的内部磁标势，最终导致了内部磁场的产生，由于磁致伸缩材料的压磁系数对磁场的依赖特性，该内部磁场将引起磁致伸缩材料压磁系数的增强，与压电单晶材料结合后，能获得较高的磁电电压输出；同时，由于不再需要设置用于提供偏置磁场的装置，从而使器件的体积和重量都得到了减小。

基于前述方案，本发明还提出了如下的优选实施方式：所述磁电复合材料悬置于圆柱形的硬铝壳内，压电单晶材料层沿硬铝壳的径向方向极化，磁致伸缩材料层沿硬铝壳的轴向方向磁化。

进一步地，还可采用如下优选结构来安装磁电复合材料：所述磁电复合材料通过连接件悬置于硬铝壳中部。

还可采用如下优选方案来获取压电单晶材料层上的电输出信号：压电单晶材料层上设置有输出引线，输出引线与电路板连接，电路板固定在硬铝壳内壁上。