基于“磁扭电”效应的新型磁场传感器，实现磁场作用下电信号输出

AMR、磁敏二极管、霍尔传感器等，能实现对磁场方向或强度的探测，但存在局限性。近日，西安交通大学研究课题组最新设计了一种新型磁场传感器，可打破相关局限。一起来看看吧！

磁场传感器，是用于探测磁场强度或其变化，并将其转换成电信号输出的传感器装置。基于磁场传感器，我们能够开发多种传感功能，包括电流、功率、位置、距离、速度、角度等，在工业制造、精密测量、国防与航空、医疗、地理等领域已获得广泛应用。其中，磁场角度传感器在航空航天、卫星姿态调整、航海导航、GPS定位、飞机导航等领域有巨大的应用需求。

目前，现有的磁场角度传感器，如AMR、磁敏二极管、霍尔传感器、磁通门磁强计等，能实现对磁场方向或强度的探测，但存在局限性。例如，AMR磁场角度传感器测量精度低，需要配套的校准算法；磁通门磁强计体积较大，成本高；磁敏二极管的灵敏度低，信号输出大约仅有0.05 mV/Oe，需要匹配信号放大等模块。

因此，开发高精度、低成本、信号强度大、驱动方式简单的磁场角度传感器，已成为传感器领域的重要研究方向。

近日，西安交通大学电子科学与工程学院刘明教授课题组设计了一种基于“磁扭电”效应的新型磁场传感器。该成果相关文章发表于国际顶级期刊IEEE Transactions on Industrial Electronics，并申请国家发明专利一项。   

据了解，该传感器采用了一种全新的力-电耦合结构，可将磁扭矩转化成应力，并施加在压电材料上，实现了磁场作用下电信号的输出。

据介绍，该器件的结构通过有限元仿真软件优化后，可有效去除干扰信号，显著提高输出信号的纯度；同时，力-电耦合结构可显著改善输出信号对探测方向的敏感性。理论上，磁敏感方向与非敏感方向的输出信号强度比值可以为“无穷大”倍。

基于“磁扭电”效应，开发了可用于二维平面磁场大小和方向探测的磁电罗盘，该传感器可同时测量面内交流磁场的强度和方向，强度精度为0.01 Oe（约为地磁场大小的1/50——1/60），方向的角度精度为±0.2°，解决了如何同时高精度地测量磁场的强度和方向这个难点问题，在工业设备的磁场测定、校准、监测中具有重大的应用前景。

此外，该器件是一种理想的无源器件，无需供电、无需偏置磁场、无需校正算法、无需信号放大模块，驱动简单，几乎无能耗，精度高，灵敏度高（输出可达到几十到几百mV/Oe），结构强度高，工作频率范围广（几Hz到几百Hz），成本优势明显，有望在工业生产、国计民生、电力系统、物联网等领域获得大规模应用。

据悉，刘明教授的“磁电耦合功能材料团队”长期从事磁电复合材料及器件应用的研究，在可调微波滤波器、柔性磁场传感器、磁阻传感器（AMR、TMR、GMR）、自旋电子器件等应用方面取得一系列进展，团队开发的磁电传感器在电网取能（能量回收）、低频磁电天线、磁场探测、电表的电流传感等领域具有重大的应用潜力。

责任编辑：gt