【摘 要】
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磁传感器是为了实现准确、灵敏且可靠地对外部磁场进行检测的设备,在磁力计、电子罗盘导航以及速度/角度探测等前沿应用中发挥着不可替代的作用。在各式磁传感器所依赖的机理中,磁电耦合效应以其磁场捕获能力强、磁电转化效率高等优点受到了大量研究者的普遍关注。然而,以磁电效应为机理的磁传感器件结构上依赖于偏置磁场,而额外的磁场源增加了此类磁电传感器所需的体积、功耗,并增加了潜在的噪声源,最终在实际应用中限制了传
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磁传感器是为了实现准确、灵敏且可靠地对外部磁场进行检测的设备,在磁力计、电子罗盘导航以及速度/角度探测等前沿应用中发挥着不可替代的作用。在各式磁传感器所依赖的机理中,磁电耦合效应以其磁场捕获能力强、磁电转化效率高等优点受到了大量研究者的普遍关注。然而,以磁电效应为机理的磁传感器件结构上依赖于偏置磁场,而额外的磁场源增加了此类磁电传感器所需的体积、功耗,并增加了潜在的噪声源,最终在实际应用中限制了传感器的部署。本文研制了一种零偏置条件的层状铁磁/铁电复合材料的磁介电效应交流磁场传感器。该传感器由铽掺杂的镍锌铁氧体磁致伸缩材料与PZT压电陶瓷结合的三层结构所构成。系统地研究了传感器件在室温下的磁介电效应。并在不影响灵敏度的前提下,以零偏置场条件对进一步减小器件体积进行了有益尝试。磁介电效应的产生机制可以归为Ni0.7Zn0.3Tb0.02Fe1.98O4铁氧体的场致电荷序绝缘状态导致了介电常数的抑制。在交流磁场幅值为0～1Oe的范围内,铁磁/铁电复合材料的磁介电系数达到了-47%。显著的磁介电效应和良好的非线性度2.24%,使得零偏置磁场条件下实现高灵敏度的磁传感器成为可能。在零偏置条件下系统地表征了其典型磁传感参数。采用固相烧结法制备了Ni0.7Zn0.3Tb0.02Fe1.98O4,并通过X射线衍射和VSM分别验证了其尖晶石结构和软磁性能。与传统的基于磁电效应的解决方案相比,在不施加磁场的情况下实现较高磁介电耦合,实现了高灵敏度的零偏置磁传感器,灵敏度可达到5.656n F/Oe。在低磁场下实现了高分辨率工作特性,可明显区分100 m Oe的微弱磁场,且具有良好的线性度,为2.24%。最后,获得了在6.14-6.28 n F的容限波动范围内所需的稳定性以及0.063038 n F的估计不确定度。磁介电效应的发展,使利用层状磁电复合材料实现具有高灵敏度的磁探测成为可能。磁性材料的选择和巨大的磁介电耦合强度满足了所需的功能,不仅为传感器设计提供了极大的自由度,而且大大丰富了磁场检测手段。
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