基于磁电复合材料的柔性磁传感器研究.pdfVIP

中文摘要 摘 要 随着信息技术的飞速发展，人类社会已经迈入了万物互联的物联网时代。作 为目前最热门的物联网应用，智能可穿戴设备受到了越来越多的关注，并取得了 很大的发展。作为可穿戴设备的核心部件，柔性传感器已经得到了广泛的研究， 各国也把传感器技术列为尖端技术。作为传感技术的重要分支，磁传感器不仅可 以直接测量磁场的变化，还可以通过检测磁场变化，测量出多种相关物理量。其 中，基于磁电换能器的柔性磁传感器由于灵敏度高、线性度好、制备工艺简单和 灵活性好等优点，成为研究的热点。 磁电换能器可实现无源测量、具有响应频带宽、灵敏度高、线性度好等特点， 在磁传感器领域展现出良好的发展潜力。其中磁电叠层复合材料室温下具备优异 的磁电性能，且制备工艺简单，是探测微弱磁场的理想器件。基于柔性压电聚合 物的磁电颗粒复合材料具有优异的柔韧性，制备工艺简单，也引起了广泛的研究。 目前基于磁电复合材料的柔性磁传感技术并不成熟，本论文在国家自然科学基金 项目（No）的资助下，以基于磁电复合材料的柔性磁传感器为研究对象， 从理论和实验两个方面研究了磁电复合材料的磁电效应及其磁传感应用。论文的 具体研究工作如下： ①结合磁电换能器以及柔性磁电复合材料的研究现状，分析了不同工作模式、 不同复合方式对磁电换能器性能的影响。研究了 L-T 模式的叠层磁电复合材料的 磁-机- 电耦合模型，根据磁致伸缩材料和压电材料各自的性能参数推导出了复合材 料的磁电电压系数公式。 ②通过柔性压电材料和非晶纳米合金软磁材料复合，研制了一种新型柔性磁 电换能器，并通过实验探究了不同复合材料尺寸、外加偏置磁场以及交变磁场频 率对柔性磁电复合材料磁电性能的影响。实验表明，磁电换能器最大谐振磁电电 压系数可到 235V/(cm·Oe) 。磁电换能器具有良好的弯曲性能和自偏置特性，零偏 置状态下，换能器的磁电电压系数在弯曲角度为 50°时可达 7.04V/(cm·Oe) 。针对 柔性磁电换能器的自偏置和弯曲性能，设计了一种柔性自偏置磁传感器，其具有 良好的线性度和重复性，灵敏度和分辨率分别可达54.9mV/Oe 和2.56×10-8T，表明 了柔性磁传感器在可穿戴领域的广阔应用前景。 ③采用溶剂热法制备了不同粒径的磁性纳米球型颗粒CoFe O ，其分散均匀， 2 4 没有团聚现象，饱和磁化强度可达到 42.314emu/g 。采用溶液流延法制备了 P(VDF-TrFE)粉末和软磁纳米颗粒结合的柔性磁电颗粒复合薄膜。进行了柔性磁电 换能器相性分析，探究了其形貌、压电性能和磁电性能。实验发现在 600Oe 的外 I 重庆大学硕士学位论文 加偏置磁场范围内，低频以及谐振磁电电压系数与外加偏置磁场近乎呈线性关系， 在600Oe 时可以达到6.43mV/(cm·Oe) 。研究了柔性传感器的传感性能，发现其对 交变磁场具有良好的线性度。 关键词：磁电效应；柔性磁传感器；磁电复合材料；磁电换能器；可穿戴设备 II 英文摘要 Abstract With the rapid development of modern information technology, human society has entered the Internet of Things era of the Internet of Everything. As the most popular Internet of Things applications, smart wearable devices have received mo