基于弛豫铁电单晶的异质结磁电型弱磁传感器研究

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磁电效应和磁电材料在信息存储、通信、微控制器、传感器和换能器中用着重要的应用价值。磁电型弱磁传感器是在单相或多相磁电复合材料的基础上,采用运算放大器将磁电复合材料对外界磁场激励下产生的电信号转化为易采集的信号。本论文利用磁致伸缩效应与压电效应的双相乘积效应获得超高磁电效应。本论文主要研究了磁电型弱磁传感器的工作模型,建立了多重推拉结构磁电复合材料的介电损耗模型,优化磁电复合材料的磁电响应和噪声特性,设计低噪声、低功耗前置电荷运算放大器,完善传感器的封装与外围接口,建立磁电复合材料和磁传感器的性能表征方法和测试系统,最终制备了单轴和双轴矢量型的高灵敏度弱磁传感器,传感器理论灵敏度达到3pT/Hz1/2@1Hz,实测灵敏度2pT/Hz1/2@5Hz,双轴矢量型弱磁传感器下限截止频率低、双轴之间无相互干扰,发现了磁电型磁传感器与传统高性能磁传感器相比具有体积小、成本低、室温工作、频带和量程宽、矢量性等方面的综合优势,为磁电型弱磁传感器的应用打下坚实基础。  尝试将磁电型弱磁传感器应用于内窥镜实时定位和水下目标定位,磁电型弱磁传感器的高灵敏度、小分数带宽、低成本等优点使其在基于磁探测定位方式有广泛的应用前景。建立了基于磁电型弱磁传感器的内窥镜实时定位探测方式,在34mA电流谐振频率激励,1m处信噪比高达420。磁电型磁传感器的高谐振响应和小分数带宽降低了后置数据采集电路的复杂程度,提高数据处理能力,其谐振下的高灵敏度能够有效提升内窥镜定位系统的精确度。并且提出了一种应用于内窥镜胶囊的微型自偏置三轴矢量型弱磁传感器,传感器体积小,功耗低,可以应用于内窥镜胶囊类低功耗小体积等方面。  建立了基于调制解调模式的主动式磁电弱磁传感器探测模型,首次提出了多峰法非线性磁电系数的计算方法,相对于传统的多项式拟合法,多峰法能更加准确的计算出所研究偏场附近的各阶非线性磁电系数。利用0偏置磁场附近的强非线性磁电效应,发现不同于传统的线性磁电效应,在非线性磁电效应中采用单层metglas能够获得更高的磁电系数和更高的主动调制式探测灵敏度。首次将具有磁通聚集效应的哑铃型metglas应用于非线性主动式调制型磁电传感器中,通过改变磁致伸缩相的几何结构,主动式探测灵敏度达到80pT@1Hz。
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