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基于PMNT单晶的磁电复合材料及磁传感器研究

【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。

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