磁性薄膜2f石英音叉复合磁传感器.研究

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1、重庆大学硕十学位论文l绪论l绪论1．1研究目的和意义传感器技术与通信技术、计算机技术是信息产业的三大支柱技术。在工业、农业、国防、科学等各个领域，传感器都得到了广泛的应用，并展现着广阔的前景。因此，已被许多工业发达国家列为国家科技和国防技术发展的重点内容。例如，在与美国国家长期安全和经济繁荣至关重要的22项技术中，有6项与传感器信息获取技术直接相关；日本则把丌发和利用传感器技术列为国家重点发展的6大核心项目之一；我国在“十五”计划和国家2010远景计划中也将传感器技术列为重点发展的产业之一【1．2】。磁传感器作为用途最广的传感器之一，起初只用于磁场

2、检测。随着现代科技的进步，现己发展到应用于磁场相关的各种物理量(如力学量、电量、光学量等)的间接测量或控制，特别是在越来越重要的非接触传感技术领域能发挥更重要的作用，扩大了磁传感器的应用范围，新兴磁性材料的不断发展更是加速了元器件的小型化和高性能化。从电磁感应式传感器发展到以磁性体为主体的新型磁敏元件与传感器，这种不断发展的磁传感技术赋予磁传感器新的生命力【31。近几十年来，磁传感器在人们生产和生活中扮演着愈来愈重要的角色。从高精密数控机床、机器人、工厂自动化的位置检测仪到磁盘的读出头、打印机等办公自动化设备，到处都需要性能优良的磁传感器。飞机上高

3、可靠的非接触性磁敏开关提高了飞机飞行安全系数；大型船舰采用磁传感器检测磁异常、位移和距离，保证安全航行；一枚火箭上安装500多个磁传感器，用于满足测控的需要；现代工厂的自动化生产、人们利用办公室自动化设备能很快获得准确和清晰的数据资料，这些均来自性能优良、成本低廉的磁传感器；在家电领域，磁头为人们提供了美妙的音乐和清晰的图像；磁敏丌关帮助人们实现了录音机、vCD、洗衣机等电器的自动控制【4J。随着现代科技进步，磁场传感器应用越来越广泛，并向着高灵敏度、高分辨率、小型化以及和电子设备兼容方向发展【5】。压磁／压电谐振式磁传感器是近年来磁传感器领域的热

4、点内容，它利用磁电效应及结构的谐振特性，通过磁．机．电转换，完成磁场探测。但不能用于静磁场测量，且存在体积大、Q值低等问题。由磁性薄膜与石英音叉构成的复合磁传感器能解决压磁／压电谐振式磁传感器中存在的上述问题，具有高Q值、小体积、低成本、仪器系统简单等特点，可用于直流磁场检测。石英音叉在温度传感剁6-81、生物传感器【91、密度传感器【10-121、湿度传感器【13】、原子力显微镜和磁力显微镜【14圳】等领域已得到很好利用，但在磁传重庆人学硕十学位论文l绪论感器领域却未见有文献报道，因此本文的研究为磁传感器的发展提供了新思路。1．2国内外研究现状复

5、合磁传感器的研究是随着磁致伸缩材料的发展而进行的。早在1983年，英国肯特大学的A．D．Kersey【22】对由磁致伸缩材料与单模光纤构成的复合磁传感器进行了研究，采用镍合金作为磁致伸缩材料与单模光纤构成可测直流及低频交流磁场的传感器，在20l(Hz时其灵敏度只有10。7T／m。超磁致伸缩材料(Gi锄tMa盟etostrictionMaterial，简称GMM)1Hfen01．D的出现加快了复合磁传感器的发展。2004年，文献[23．25】采用环形超磁致伸缩材料1臼fenol—D和压电材料PZT，对倚f；en01一D／PzT／Teffen01。D“

6、三明治”结构复合磁传感器进行了研究，Terf．enol—D磁致伸缩产生的应变使PzT产生感应电压，因此通过测量电压可以测量外部磁场，在室温下测量交流磁场，磁场分辨率为1O以2T，范围lO。12T～100T，但该磁传感器不能用于静磁场测量。同时，美国Oal(1and大学与俄罗斯Novgorod国家大学合作，采用11层铁氧体和lO层PZT烘焙构成磁电复合结构，构成磁场传感器，对磁场的分辨率可达到10。7T【261。2007年，文献[27．28】提出将块体压电材料和磁致伸缩材料复合到类似超声变幅杆的弹性基底上，构成一种三相磁电复合结构，利用弹性基底的聚能

7、和谐振作用，以提高磁电式传感器的灵敏度。2008年，文献[29】设计了一种由磁致伸缩材料T刊h01．D和SAw谐振器构成的复合磁传感器，在磁场作用下，Terfen01．D沿长度方向伸缩，并将应力应变传递至SAw谐振器，使其产生应变，造成谐振频率改变，通过测量SAW谐振器谐振频率的变化量来测量磁场强度，该磁传感器用于直流磁场的检测，磁场分辨率达到10西T。2005年，文献[30]研究了1hfen01．D／LiNb03复合磁传感结构，具有高灵敏和耐热性能，该磁传感器可以在高温环境中，通过将铁磁性物质磁位移转换为压电材料的电信号完成磁场检测，达50V／m

8、m的灵敏度，应用温度可超过200℃。1．3磁传感器发展现状最早的磁场探测器已有2000多年的历史，通过感应地磁场来辨识方向