新型磁电材料及其交变磁场传感器的研究

目前在物联网、安检、汽车电子、武器等高科技领域迫切需要高灵敏度、小型轻质、低功耗的磁传感器，但现有传感器很难满足这些需求。本项目将利用以PMNT为代表的高性能压电单晶材料的超高压电性能与磁致伸缩材料对磁场变化的高敏感性，以及我国在弛豫铁电单晶材料方面的研究优势，设计并制备出一种与现有磁传感器原理截然不同，对磁场变化具有高度敏感性，同时体积达到毫米级，功耗降至毫瓦级的新型磁传感器。通过深入研究弛豫铁电单晶材料、磁致伸缩材料及其相关的电子元器件在磁探测的复杂环境中的性能变化规律，建立利用新型磁电材料制备高性能磁传感器的理论模型和设计方法，并通过有限元模拟来优化制备参数；通过解决压电单晶，磁致伸缩材料的精加工以及攻克对输出信号进行放大、电平转换、电隔离、阻抗转换、线性化、滤波等关键基础，研制出具有我国自主知识产权的新型高性能磁传感器，以期能满足我国在信息化社会基础建设中对磁传感器的迫切需求。

以(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMNT)单晶为代表的弛豫铁电单晶是新一代的高性能压电材料，可以制备具有广泛应用价值的交变磁电传感器。本项目生长出高质量的PMNT单晶、掺Mn的PMNT单晶和PIN-PMN-PT (PIMNT)三元固溶体弛豫铁电单晶，系统研究和优化了弛豫铁电单晶的厚度和纵向伸缩、横向长度伸缩和径向模式的压电性能，深入研究了其面向服役条件的时间、温度和电场稳定性，并制备出高性能的弛豫铁电单晶磁传感器。.本项目建立了一个面向多层基于以上的理论指导规律，我们制备出了基于Metglas/ PIMNT的多层推拉(push-pull)结构的磁电复合材料，通过细致地摸索层状材料的界面耦合制备工艺（胶的选型、工作温度、环境、胶层厚度、加压方式等），实现了材料高磁电系数、低噪声的性能要求。提供了分析解决磁电多层结构的耦合电压系数和耦合电荷系数的方法，我们制备出了基于PIMNT高性能压电单晶的多层推拉磁电复合材料，在1020Hz的时候，磁电电荷系数达到3756pC/Oe。此外在交变磁场下，基于该高性能磁电复合材料和全新低噪声电荷放大电路的新型磁电型弱磁传感器显示出良好的线性率响应率，在低频下达到4V/μT， 噪声等效磁场达到1Hz时10pT/Hz1/2，在谐振点时噪声等效磁场达到13fT/Hz1/2。.通过深入研究弛豫铁电单晶材料、磁致伸缩材料及其相关的电子元器件在磁探测的复杂环境中的性能变化规律，建立利用新型磁电材料制备高性能磁传感器的理论模型和设计方法，并通过有限元模拟来优化制备参数；通过解决压电单晶，磁致伸缩材料的精加工以及攻克对输出信号进行放大、电平转换、电隔离、阻抗转换、线性化、滤波等关键基础问题。