【摘 要】
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本世纪以来,随着多铁性磁电材料的深入研究,基于磁电耦合效应的磁场型传感器相比其它磁场型传感器具有灵敏度高、成本低、易于小型化和集成化等优势,是当今微弱磁场信号检测领域研究的热点。本文从传感器的制备、测试系统的搭建与优化、传感器性能的影响因素及微弱磁场信号检测等方面开展了系统的工作,主要研究结果如下:1.磁电耦合传感器材料的制备与表征以及测试系统的搭建利用固相烧结法制备了纯度高、压电性能良好的锆钛酸
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本世纪以来,随着多铁性磁电材料的深入研究,基于磁电耦合效应的磁场型传感器相比其它磁场型传感器具有灵敏度高、成本低、易于小型化和集成化等优势,是当今微弱磁场信号检测领域研究的热点。本文从传感器的制备、测试系统的搭建与优化、传感器性能的影响因素及微弱磁场信号检测等方面开展了系统的工作,主要研究结果如下:1.磁电耦合传感器材料的制备与表征以及测试系统的搭建利用固相烧结法制备了纯度高、压电性能良好的锆钛酸铅Pb（Zr,Ti）O3压电陶瓷（PZT）:其横向压电系数d31达到-280 pC/N,介质损耗tanδ=1.5%;利用磁控溅射法制备出具有良好软磁性能（Hc=12Oe）且平整度高（0.521nm）的FeCoB铁磁薄膜。利用环氧树脂胶粘接或镀膜的方式制备出传感器之后,本文自主研制了基于磁电耦合效应的测试系统并对测试性能进行了优化:首先搭建了一套ME基础的测量装置,能够对传感器的一系列输出的交/直流信号进行采集和处理,进而得到传感器的磁场分辨率、灵敏度、线性度、输出波形及功率谱密度等重要的性能指标。减振-真空-磁屏蔽装置能够有效地降低外界振动噪声和磁噪声对传感器输出信号的干扰,从而提高测量精度;并利用自建的电阻应变片测量装置以对铁磁材料的磁致伸缩性能进行测量和表征;电荷放大器（AD745）能够放大传感器产生的微弱电荷量,从而提高了灵敏度。在测量低频信号时,简单二阶低通滤波电路可以滤掉高频噪声。交流信号可以通过全波精密整流电路转换为直流信号。这三种电子器件的应用对信号的测量起到增益的效果,使测试系统的性能得到优化。传感器制备与测试系统搭建是本文开展后续工作的前提。2.磁电耦合传感器性能影响因素的探索分别从传感器的工作环境（包括测量频率和直流偏置磁场）及传感器的材料（包括材料的尺寸结构、铁磁材料的各向异性、压电陶瓷的掺杂改性和压电陶瓷的极化）两部分对传感器的影响因素进行了探索,并得出了一系列结论,为后续微弱磁场信号测量工作奠定了基础。3.基于磁电耦合效应的微弱磁场检测（1）制备的PZT/FeCoSiB Metglas磁电耦合传感器在70.0-73.4 kHz（谐振频率为72.2 kHz）的3.4 kHz频率范围内,其分辨率均小于1.0 nT,具有较高的实际应用价值;（2）使传感器处于谐振频率且对外界磁场变化最敏感的工作点,利用工作点微扰法测量直流分辨率,测得PZT/FeCoSiB Metglas磁电耦合传感器的直流分辨率为0.9 nT,其噪声功率谱密度低至0.1 nT（Hz）1/2;（3）利用频率调制的方法保留传感器在谐振频率较强的ME性能且大大削弱了1f噪声的影响。基于该测量方法,制备的PVDF/FeCoSiB Metglas磁电耦合传感器在84、11、6、0.8和0.1 Hz的测量频率下,交流磁场分辨率分别高达0.8、1.6、3.2、8和16 nT,传感器白噪声水平约为50pT（Hz）1/2。
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