基于异质结磁电耦合效应的微弱磁场传感器

It is a hot topic nowadays in the world that the uncooled heterostructural magnetoelectric (ME) magnetic sensors exhibit excellent performances at room temperature. This project focuses on the investigation of the fundamental key issues on the fabrication of ME sensors，included in the mechanism of magneto-elasto-electric coupling related to the interface of heterostructural ME materials, the mechanism of ME response and the noise formation from different ME composites, and the coordinated enhancement approaches between the ME composites and matching electric circuits in order to fabricate the high performance of magnetic sensors. The following issues will be also investigated, 1. the investigation of high performance of relaxor-based ferroelectric single crystals and megnetostrictive materials , 2. the design and fabrication of heterostructural ME constitution types and interface structure, 3. the model analysis and the finite element simulation on the coupling of the piezomagnetic and piezoelectric component, 4. the energy dissipation of elastic waves in the propagation on the heterostructural ME composites, 5. the techniques to depress the intrinsic noises and to enhance signal/noise ratio by using the coordinated enhancement way in the heterostructural ME transducers and the electric circuit for signal processing, 6. the fundamental key issues during the characterization and application of ME sensors. The wide bandwidth, low energy consumption, and small size, the novel ME magnetic sensors will be fabricated in this project to meet urgent requirements the practical applications of deep-sea exploration, things of internet in economic development and national defense.

基于异质结磁电效应的非制冷弱磁传感器具有优异磁探测性能，目前已成为国际上功能器件的研究热点。本项目针对这种磁传感器研制中的关键科学问题：异质结磁电材料界面与磁-弹-电耦合机理，磁电复合材料的磁电响应及噪声形成机制，磁电材料敏感元与信号电路所组成磁传感器的系统协调增益方法，开展主要研究包括：异质结磁电材料所用的高性能弛豫铁电单晶和磁致伸缩材料，新型异质结磁电材料组成与界面结构的设计方法，压磁/压电异质结的耦合原理和弹性波在异质结磁电材料中的传播与能量耗散机制，异质结磁电材料的本征噪声产生机理与抑制方法、高信噪比信号提取和电路匹配方式，磁电敏感元与信号处理电路组成弱磁传感器系统的协调增益方法，以及解决磁传感器性能表征和应用中的关键基础问题，制备出高灵敏度、宽频带、低能耗、小尺寸的新一代磁电型弱磁传感器，以期满足水下目标探测、深海勘探、物联网等国民经济和国防建设对新型高性能磁传感器的迫切需求。

利用弛豫铁电单晶压电方程和磁致伸缩材料压磁方程，本项目揭示了弹性波在异质结磁电材料中能量传输和耗散机制，确立了压电材料与磁致伸缩材料振动模态与异质结界面耦合方式，建立了异质结磁电材料的磁-弹-电耦合理论模型，发展出了一种全新结构（MLT）高磁电耦合性能复合材料。项目生长出了超高压电性能（2000pC/N）的Mn:PMNT弛豫铁电单晶，并将其与高压磁系数（7ppm/Oe）的磁致伸缩材料Metglas金属玻璃带材复合，发展出了一种先极化弛豫铁电单晶、再复合Metglas的可控制备技术，制备出了超高磁电性能（α-Q=6200pC/Oe、α-E=311V/cmOe）的磁电复合材料Mn:PMNT/Metglas；建立了磁电敏感元的电学噪声模型，揭示了磁电复合材料的各种电学噪声中压电材料介电损耗产生的噪声占据主导地位，并通过生长超低介电损耗（0.05%）Mn:PMNT单晶，制备出了超低电学噪声的磁电复合材料Mn:PMNT/Metglas，获得了噪声等效磁场（NEB）为1.6pT/Hz1/2@1Hz的MLT磁电复合材料；设计出了一种基于高阻磁电复合材料敏感元的信号读出电路，研制出了高灵敏度、大带宽、大量程、低功耗的磁电型弱磁传感器信号采集与调理电路，满足了对各种交变弱磁信号的探测应用要求。项目突破了亚pT量级传感器的磁信号表征困难，建立了弱磁传感器的磁电响应和噪声频谱特性的表征方法；确立了磁电敏感元和信号读出电路的抗干扰集成封装技术，研制出了超高灵敏度（0.8pT/Hz1/2@1Hz）、低功耗（20mW）、宽频响应（0.1Hz~30kHz）、具有国际领先水平的磁电型磁场传感器；构建了基于异质结磁电耦合效应三分量弱磁场测试平台，通过海上可控信号源和实船测试，验证了磁电型传感器用于水下弱磁信号探测的可行性，并针对磁电型传感器测试的水下极低频磁场数据，建立了适用于静磁场和交变磁场弱磁信号检测和背景噪声抑制的方法。磁电型弱磁传感器在南海海试的结果表明，新原理传感器突破了禁运的磁通门、光泵等磁传感器的卡脖子关键技术，在灵敏度、功耗和频响范围等弱磁传感器性能方面获得了显著提升，显示出新原理弱磁传感器在水下微弱磁信号目标探测、海洋安全警戒，以及电流监测、无损检测等国民经济和国防建设的高技术领域有广泛应用前景。