一种基于磁电-电致变色效应的磁场可视化传感器的制作方法

本发明属于传感器领域，特别是一种基于磁电-电致变色效应的磁场可视化传感器。

背景技术：

磁场传感器是可以将各种磁场及其变化量转变成电信号输出的装置，探测、采集、存储、转换、复现和监控各种磁场和磁场中承载的各种信息的任务。目前，人们已研制出利用具备各种物理、化学和生物效应的磁场传感器，并且这些传感器已在科研、生产和社会生活的各个方面得到广泛应用，承担起探究种种信息的任务。我国是磁敏元件和磁场传感器生产和消费大国，但是目前以磁敏二极管等中低端产品为主，附加值较低。而相对比之下的，巨磁阻传感器，磁通门，超导量子干涉仪高端产品则仍被欧美发达国家垄断。根据调查报告显示，目前磁场传感器中高端市场的90％被西方发达国家所占据。为了改善这一不利局面，亟需大力开展异质结磁电材料的研究，开发具有自主知识产权的新型高灵敏度磁电传感器。

磁电异质结材料是压电相和磁致伸缩相复合而成的一种新型功能材料，不仅具有前者的压电效应和后者的磁致伸缩效应，而且还能产生出新的异质结磁电效应，在磁场传感器领域具有巨大的应用前景。文献1“magnetoelectricpropertiesinpiezoelectricandmagnetostrictivelaminatecomposites”,junghoryu,etal,japanesejournalofappliedphysics,volume40,part1,number8,2001首次设计了磁电异质结材料，报道显示具有4.7v/cm×oe的高磁电系数，并且该异质结材料具有远高于室温的居里温度，开创了国际上对于磁电异质结材料的研究。磁电异质结材料的核心优势是可充分选择现有性能优异的压电材料和压磁材料，设计和操控异质结复合结构，达到优化材料磁电耦合性能的要求，适合制备具有高灵敏度、小型化、宽温度范围、低功耗、宽频带、大量程、低成本等明显综合优势的磁传感器。

以往报道的基于磁电异质结材料的磁场传感器通常使用电学仪器读取磁场信号，信号采集繁琐且不具有可观性。电致变色器件是一种在外电压驱动下，其光学性能发生可逆和持久稳固的变化，外观上表现为颜色变化的器件，这为制备新型磁场可视化传感器提供了一种新思路。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题在于提供一种基于磁电-电致变色效应的磁场可视化传感器。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于磁电-电致变色效应的磁场可视化传感器，包括磁电异质结器件、整流器和电致变色器件；

磁电异质结器件与整流器的交流输入端连接，整流器的直流输出端的正极端口与电致变色器件的透明阳极电极连接，整流器的负极端口与电致变色器件的透明阴极电极连接，形成一个完整的电路。

进一步的，所述磁电异质结器件包括依次设置的上电极、压电层、下电极和磁致伸缩层；或为叉指电极、压电层和磁致伸缩层。

进一步的，所述的磁致伸缩层的材料为磁致伸缩合金或铁氧体磁致伸缩材料。

进一步的，所述的磁致伸缩合金为fe、ni、fe-ga合金、fe-ni合金、fe-al合金、ni-co合金、ni-co-cr合金或fe-co-v合金中的任一种；所述铁氧体磁致伸缩材料为ni-co和ni-co-cu任一种。

进一步的，所述压电层的材料为无机压电材料、有机压电材料或聚合物基压电复合材料的任一种。

进一步的，所述的电致变色器件包括依次设置的下部衬底、阴极电极、电致变色层、电解质、阳极电极和上部衬底。

进一步的，所述的阴极电极和阳极电极的材料均为ito、azo、fto透明导电薄膜或透明导电玻璃的任一种；所述电致变色层的材料具有电致变色性能，为无机电致变色材料或有机电致变色材料。

进一步的，所述的无机电致变色材料为过渡金属氧化物或其衍生物；所述的有机电致变色材料为有机小分子变色材料或导电聚合物电致变色材料。

进一步的，所述电解质为高氯酸锂-碳酸丙烯酯-聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇-硫酸或聚乙烯醇-高氯酸锂中的任一种。

本发明与现有技术相比，其显著优点如下：

(1)本发明提出的磁场可视化传感器使用磁电异质结器件制备磁场传感器，磁电异质结器件由于具有成本低、灵敏度高、体型小、功耗低等优点，可适合制备具有高灵敏度、小型化、宽温度范围、低功耗、宽频带、大量程、低成本等明显综合优势的磁传感器；

(2)本发明提出的磁场可视化传感器使用电致变色器件采集电学信号，可以采集电学信号转变为直接的颜色响应，从而可以实现磁场信号的可视化；

(3)本发明提出的磁场可视化传感器不需要外加电源，可反复使用，具有绿色环保等优点。

附图说明

图1是本发明提供的磁场可视化传感器的原理和结构示意图。

图2是本发明实施例1磁电异质结器件的结构示意图。

图3是本发明实施例2磁电异质结器件的结构示意图。

图4是本发明提供的磁场可视化传感器中电致变色器件的结构示意图。

附图标记说明：

1-磁电异质结器件，2-整流器，3-电致变色器件，4-上电极，5-压电层，6-下电极，7-磁致伸缩层，8-叉指电极，9-上部衬底，10-阳极电极，11-电解质，12-电致变色层，13-阴极电极，14-下部衬底。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种基于磁电-电致变色效应的磁场可视化传感器，该磁场可视化传感器利用异质结磁电效应采集磁场信号，经转换后结合电致变色器件，可实现磁场信号的可视化处理。

如图1-4所示，本发明提供了一种基于磁电-电致变色效应的磁场可视化传感器，所述的磁场可视化传感器由磁电异质结器件1、整流器2和电致变色器件3三部分组成，其中磁电异质结器件1的电极与整流器2的交流输入端连接，整流器2的直流输出端的正极端口与电致变色器件3的透明阳极电极10连接，整流器2的负极端口与电致变色器件3的透明阴极电极13连接，构成一个完整的电路。当磁场作用于磁电异质结器件1时，磁致伸缩材料产生磁致伸缩应变，应变通过界面耦合传递给压电材料，进而压电材料由于压电效应产生介电极化，通过整流器2将交流电转换为直流电，电致变色器件3感应电信号并将其转化为直观的颜色响应。

所述的磁电异质结器件1包括依次设置的上电极4、压电层5、下电极6和磁致伸缩层3；或为叉指电极8、压电层5和磁致伸缩层7。

所述的磁致伸缩层7的材料为磁致伸缩合金或铁氧体磁致伸缩材料。

所述的磁致伸缩合金为fe、ni、、fe-ga合金、fe-ni合金、fe-al合金、ni-co合金、ni-co-cr合金和fe-co-v合金任一种；铁氧体磁致伸缩材料为ni-co和ni-co-cu任一种。

所述的压电材料为无机压电材料(如锆钛酸铅、钛酸钡、铌镁酸铅、铌酸钾钠等)、有机压电材料(如聚偏氟乙烯、纤维素)和聚合物基压电复合材料任一种。

所述的电致变色器件3由下部衬底14、阴极电极13、电致变色层12、电解质11、阳极电极10和上部衬底9构成。

所述的透明阴极电极13和透明阳极电极10的材料为ito、azo、fto透明导电薄膜和ito、azo、fto透明导电玻璃任一种。

所述的电致变色层12的材料具有电致变色性能，包括无机电致变色材料和有机电致变色材料。

所述的无机电致变色材料为过渡金属氧化物或其衍生物；所述的有机电致变色材料为有机小分子变色材料或导电聚合物电致变色材料。

所述的电解质11材料为高氯酸锂-碳酸丙烯酯-聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇-硫酸、聚乙烯醇-高氯酸锂任一种。

实施例1

一种基于磁电-电致变色效应的磁场可视化传感器，包括磁电异质结器件1、整流器2和电致变色器件3三部分，其中磁电异质结1的上电极4和下电极6与整流器2的交流输入端连接，整流器2的直流输出端的正极端口与电致变色器件3的透明阳极电极10连接，整流器2的负极端口与电致变色器件3的透明阴极电极13连接，构成一个完整的电路。

所述的磁电异质结器件1由metglas磁致伸缩合金、两面均生长pt薄膜电极的pb(mg2/3nb1/3)o3-pbtio3压电单晶构成，使用环氧树脂在压电单晶上下各粘粘3层metglas磁致伸缩合金。

所述的电致变色器件3由下往上依次为衬底-玻璃、透明阳极电极-ito导电薄膜、电解质-高氯酸锂/乙腈/pmma、电致变色材料-wo3薄膜和透明阴极电极-ito透明薄膜、衬底-玻璃。

磁电可视化传感器结合磁电异质结器件1和电致变色器件3，可以将磁场信号转换为直观的颜色响应，实现磁场信号的可视化。

实施例2

一种基于磁电-电致变色效应的磁场可视化传感器，包括磁电异质结器件1、整流器2和电致变色器件3三部分，其中磁电异质结1的压电层5-pzt压电薄膜的叉指电极8与整流器2的交流输入端连接，整流器2的直流输出端的正极端口与电致变色器件3的透明阳极电极10连接，整流器2的负极端口与电致变色器件3的透明阴极电极13连接，构成一个完整的电路。

所述的磁电异质结器件1的制备步骤为：1、使用溶胶凝胶法在刚性云母衬底上制备厚度为～3μm的pzt压电薄膜；2、使用磁控溅射在pzt厚膜上沉积100nm的pt叉指电极；3、使用旋转涂胶法pzt压电薄膜在旋涂pmma，封装为压电器件；4、使用机械剥离的方法反向减薄云母片至20μm；5、使用环氧树脂粘粘pzt压电器件和柔性metglas，制备出柔性磁电异质结器件1。

所述的电致变色器件由下往上依次为衬底-pet、透明阳极电极-ito导电薄膜、电解质-高氯酸锂/乙腈/pmma、电致变色层-wo3薄膜和透明阴极电极-ito透明薄膜、衬底-pet。

磁电可视化传感器结合磁电异质结器件1和电致变色器件3，可以将磁场信号转换为直观的颜色响应，实现磁场信号的可视化。

本发明提供的磁场可视化传感器可用于多种环境下的磁场检测：

将磁场可视化传感器用透明pe保护膜贴于手肘处，用于检测人体周围的磁场大小，实现人类对磁场的感知能力从而进行环境磁场的监测；

以磁场可视化传感器为基础制备电流传感器，将电流传感器置于大功率器件附近，利用磁场的检测，不接入主电路，故功耗低、抗过载强、线性好、可靠性高，既可作为大功率器件的过流保护驱动器，又可作为反馈器件，成为自控环路的一个控制环节。