磁致伸缩材料与压电材料复合能实现磁-机-电转换,当激励磁场频率接近其谐振频率时磁电效应得到显著增强,这种谐振磁电效应在磁电传感器与换能器领域有着广泛的应用前景,成为目前研究热点。本文采用磁致伸缩材料与石英音叉谐振器复合设计了一种低阻尼的谐振式磁电敏感单元。通过理论分析、有限元仿真及实验方法对所设计磁电敏感单元的性能进行了研究,主要工作如下:(1)介绍了石英晶体的介电性质、弹性性质、压电性质和第一类压电方程。阐述了石英音叉谐振器的几种振动模式,详细介绍了石英音叉谐振器的结构设计、电极分布和等效电路模型。采用有限元仿真方法对石英音叉谐振器的几种常见模态进行了仿真分析。总结和分析了石英音叉谐振器在原子力显微镜、磁场力显微镜等典型应用中的原理和方法,这对于设计磁致伸缩/石英音叉复合谐振式磁电敏感单元具有一定的启发意义。(2)比较了常见磁致伸缩材料性能,对选用磁致伸缩材料——FeGa合金的物理性质、制备方法、本构方程及其磁致伸缩性能影响因素进行了介绍。采用有限元仿真方法对FeGa合金在中间固定、单端固定、双端固定和底部完全固定几种支撑边界条件下的磁致伸缩性能进行了仿真分析和比较,结果显示中间固定方式下,磁致伸缩材料具有较高的压磁系数,达到10.2nm/A。(3)设计磁致伸缩/石英音叉复合谐振式磁电敏感单元结构。石英音叉工作在弯曲振动模式,音叉叉指结合区域(底部)产生的应力/应变方向相反、弯矩相互抵消,实际为解耦区域。将音叉底部与磁致伸缩材料粘接复合,磁致伸缩材料的高磁机阻尼被隔离,从而谐振式磁电敏感单元的Q值主要取决于音叉谐振器自身的高Q值。动态磁场作用下,磁-机-电转换过程可看作一个受迫振动过程,当激励磁场频率接近于音叉谐振频率时,输出电信号最大。结合受迫振动过程、振型分布函数及压电方程,对磁电敏感单元的谐振磁电响应进行了理论分析,给出了表达式。(4)采用FeGa合金与商用音叉谐振器制备了谐振磁电敏感单元。搭建磁电效应测试系统对不同固定边界条件下的谐振磁电响应特性进行了测试。实验结果显示,中间固定方式下,磁电敏感单元的Q值最大,高达5843;在偏置磁场200Oe、0.1Oe交变激励磁场下,输出谐振磁电电流相对非谐振输出的增量达到63.2nA;在磁电敏感单元谐振频率32.769kHz附近交变磁场激励下,磁电电流系数相对偏置磁场变化的灵敏度达到7.9(nA/Oe)/Oe。