基於“磁扭電”效應的新型磁電羅盤

隨著信息社會的發展，特別是物聯網時代的到來，智能家電、新能源汽車、機器人等新興產業對高靈敏度磁場傳感器的需求越來越大。而傳統磁場傳感器存在靈敏度低、功耗高、難以集成等問題，因此開發高性能的新型磁場傳感器，已成為國際研究熱點，也是我國在國外技術封鎖下，實現具有自主知識產權的微電子產業的重要需求。

基於磁電覆合材料的磁場傳感器主要由磁致伸縮材料和壓電/鐵電材料構成，磁致伸縮材料和壓電/鐵電材料通過“磁-彈-電”耦合理論進行相互作用，實現電極化強度到磁化強度的相互轉換。基於這種原理的磁電傳感器，由於其應變為媒介的“磁-彈-電”耦合作用，往往只對某個特定方向的直流磁場或者交流磁場有響應，同時工作頻率往往高達幾千Hz甚至幾萬Hz，這極大地限制了其作為磁場傳感器在低頻工業設備中的應用。另外，該種方式的磁電傳感器需要外接亥姆霍茲線圈為其提供直流偏置磁場，且所需偏置磁場很高，將會大大增加了器件的能耗以及系統的發熱。

圖1：“磁扭電”效應的結構示意圖及力學分析

近日，西安交通大學電子科學與工程學院劉明教授課題組設計了一種基於“磁扭電”效應的新型磁場傳感器（圖1），該傳感器採用了一種全新的力-電耦合結構，能夠將磁扭矩轉化成應力，並施加在壓電材料上，實現了磁場作用下電信號的輸出。與傳統的基於磁電覆合材料的磁場傳感器相比，該器件是一種理想的無源器件，無需供電、無需偏置磁場，大大降低了器件的能耗，從根本上解決了器件的發熱問題，擴展了器件的使用範圍。同時該器件採用以應力為媒介的“磁-彈-電”耦合機制，壓電材料工作在壓應力模式下，因而器件的使用壽命得到了極大的延長。

圖2：基於有限元仿真軟件（COMSOL）的器件結構優化，（a）全電極結構在不同振動相位時，壓電材料上的電壓分佈；（b）分電極結構在不同振動相位時，壓電材料上的電壓分佈；（c）全電極結構的實際輸出信號，測試磁場為5 Oe；（d）分電極結構的實際輸出信號，測試磁場為5 Oe；

該器件的電極結構通過有限元仿真軟件（COMSOL）優化後，可以有效去除干擾信號（圖2），顯著提高輸出信號的純度；此外，力-電耦合結構可顯著改善輸出信號對探測方向的敏感性，理論上，磁敏感方向與非敏感方向的輸出信號強度比值可以為“無窮大”倍；基於“磁扭電”效應，開發了可用於二維平面磁場大小和方向探測的磁電羅盤（圖3），該傳感器可同時測量面內交流磁場的強度和方向，強度精度為0.01 Oe（約為地磁場大小的1/50~1/60），方向的角度精度為±0.2°，解決了如何同時高精度地測量磁場的強度和方向這個難點問題，在工業設備的磁場測定、校準、監測中具有重大的應用前景。此外，該器件是一種理想的無源器件，無需供電、無需偏置磁場、無需校正算法、無需信號放大模塊，驅動簡單，幾乎無能耗，精度高，靈敏度高（輸出可以達到幾十到幾百mV/Oe），結構強度高，工作頻率範圍廣（幾Hz到幾百Hz），成本優勢明顯，有望在工業生產、國計民生、電力系統、物聯網等領域獲得大規模應用。

圖3：（a）器件實物圖；（b）器件的角度測試精度，測試磁場為30 Hz，2 Oe的交流磁場；（c）器件在水平方向磁場下的電壓輸出，磁場大小為2 Oe；（d）器件在面內（in-plane）任意取向的磁場作用下的電壓輸出，磁場大小為2 Oe；

該成果以“A magnetoelectric compass for in-plane AC magnetic field detection”為題發表在國際頂級期刊

課題組簡介

劉明教授的“磁電耦合功能材料團隊”長期從事磁電覆合材料及器件應用的研究，在磁電微波器件、自旋存儲和自旋傳感等方面取得一系列進展，特別是最近在磁電能量回收器件 Sensors and Actuators A 297, 111535 (2019)、磁場探測器 IEEE EDL, 40, 969-972 (2019)、等磁電應用領域取得了突破，已進入產業化。

劉明教授主頁：http://gr.xjtu.edu.cn/web/mingliu

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