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- 西安交大在磁場(chǎng)傳感器研究方面取得重要進(jìn)展
- 來源：交大新聞網(wǎng) 發(fā)表于 2020/4/8
磁場(chǎng)傳感器是探測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度或其變化并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的裝置，基于磁場(chǎng)傳感器可開發(fā)多種傳感功能，包括電流、功率、位置、距離、速度、角度等，在工業(yè)制造、精密測(cè)量、國防與航空、醫(yī)療、地理等領(lǐng)域已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用。其中，磁場(chǎng)角度傳感器在航空航天、衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整、航海導(dǎo)航、GPS定位、飛機(jī)導(dǎo)航等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用需求。
現(xiàn)有的磁場(chǎng)角度傳感器，如AMR、磁敏二極管、霍爾傳感器、磁通門磁強(qiáng)計(jì)等能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)方向或強(qiáng)度的探測(cè)，但存在局限性，例如，AMR磁場(chǎng)角度傳感器測(cè)量精度低，需要配套的校準(zhǔn)算法；磁通門磁強(qiáng)計(jì)體積較大，成本高；磁敏二極管的靈敏度低，信號(hào)輸出大約只有0.05 mV/Oe，需要匹配信號(hào)放大等模塊。因此，開發(fā)高精度、低成本、信號(hào)強(qiáng)度大、驅(qū)動(dòng)方式簡(jiǎn)單的磁場(chǎng)角度傳感器已成為傳感器領(lǐng)域的重要研究方向。
近日，電子科學(xué)與工程學(xué)院劉明教授課題組設(shè)計(jì)了一種基于“磁扭電”效應(yīng)的新型磁場(chǎng)傳感器，該傳感器采用了一種全新的力-電耦合結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⒋排ぞ剞D(zhuǎn)化成應(yīng)力，并施加在壓電材料上，實(shí)現(xiàn)了磁場(chǎng)作用下電信號(hào)的輸出。該器件的結(jié)構(gòu)通過有限元仿真軟件優(yōu)化后，可以有效去除干擾信號(hào)，顯著提高輸出信號(hào)的純度；同時(shí)，力-電耦合結(jié)構(gòu)可顯著改善輸出信號(hào)對(duì)探測(cè)方向的敏感性，理論上，磁敏感方向與非敏感方向的輸出信號(hào)強(qiáng)度比值可以為“無窮大”倍。基于“磁扭電”效應(yīng)，課題組開發(fā)了可用于二維平面磁場(chǎng)大小和方向探測(cè)的磁電羅盤，該傳感器可同時(shí)測(cè)量面內(nèi)交流磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向，強(qiáng)度精度為0.01 Oe（約為地磁場(chǎng)大小的1/50~1/60），方向的角度精度為±0.2o，解決了如何同時(shí)高精度地測(cè)量磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向這個(gè)難點(diǎn)問題，在工業(yè)設(shè)備的磁場(chǎng)測(cè)定、校準(zhǔn)、監(jiān)測(cè)中具有巨大的應(yīng)用前景。此外，該器件是一種理想的無源器件，無需供電、無需偏置磁場(chǎng)、無需校正算法、無需信號(hào)放大模塊，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，幾乎無能耗，精度高，靈敏度高（輸出可以達(dá)到幾十到幾百mV/Oe），結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，工作頻率范圍廣（幾Hz到幾百Hz），成本優(yōu)勢(shì)明顯，有望在工業(yè)生產(chǎn)、國計(jì)民生、電力系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域獲得大規(guī)模應(yīng)用。
該成果以“A magnetoelectric compass for in-plane AC magnetic field detection”為題發(fā)表在國際頂級(jí)期刊IEEE Transactions on Industrial Electronics（IF=7.5），并申請(qǐng)國家發(fā)明專利一項(xiàng)。電子科學(xué)與工程學(xué)院青年教師吳金根為論文第一作者，胡忠強(qiáng)教授、劉明教授為論文通訊作者，參與該研究的還有北京大學(xué)董蜀湘教授。該工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。文章鏈接：https://doi.org/10.1109/TIE.2020.2978711
劉明教授的“磁電耦合功能材料團(tuán)隊(duì)”長期從事磁電復(fù)合材料及器件應(yīng)用研究，在可調(diào)微波濾波器、柔性磁場(chǎng)傳感器、磁阻傳感器（AMR、TMR、GMR）、自旋電子器件等應(yīng)用方面取得一系列進(jìn)展，團(tuán)隊(duì)開發(fā)的磁電傳感器在電網(wǎng)取能（能量回收）、低頻磁電天線、磁場(chǎng)探測(cè)、電表的電流傳感等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用潛力。劉明教授主頁：
http://gr.xjtu.edu.cn/web/mingliu
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