本發(fā)明涉及空間有限的集成化電子器件電流測(cè)量領(lǐng)域，具體而言，是一種可以實(shí)現(xiàn)較高帶寬頻域測(cè)量的磁電復(fù)合電流傳感器。

背景技術(shù)：

1、隨著電子器件集成化發(fā)展，電流傳感器將朝著規(guī)模小型化、結(jié)構(gòu)靈活性和自供電等方向發(fā)展。目前的電流傳感器主要包括接觸式和非接觸式傳感器。其中接觸式電流傳感器缺乏電氣隔離，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。而非接觸式電流傳感器具有絕緣高、安全性好、測(cè)量方便等優(yōu)點(diǎn)。典型的非接觸式電流傳感器包括電流互感器、光電流傳感器、霍爾傳感器和磁阻傳感器。而上述傳感器因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大不適用于集成化電子器件電流測(cè)量。目前基于磁電復(fù)合材料的電流傳感器結(jié)合了鐵磁和鐵電特性，因其低成本、輕量化和靈活性而備受關(guān)注。磁電復(fù)合(me)材料在交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生形變，通過(guò)層間的機(jī)械耦合作用將形變傳遞至壓電層，從而引發(fā)壓電層的電極化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)到電場(chǎng)的轉(zhuǎn)換。

2、在當(dāng)前的磁電復(fù)合電流傳感器中，普遍是在單一共振頻率下實(shí)現(xiàn)電流的測(cè)量，其結(jié)構(gòu)不能滿足集成化電子器件對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)小型化性和頻帶寬的要求。例如文獻(xiàn)號(hào)：10.1088/1361-6463/ad3f25?用于電流感應(yīng)的?metglas-langatate?環(huán)形異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的磁電效應(yīng)。該論文提出了環(huán)形結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合電流傳感器，利用環(huán)形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，提高了電流傳感器靈敏度，擴(kuò)大了電流測(cè)量范圍，但由于環(huán)形結(jié)構(gòu)自身空間限制，只能設(shè)置單個(gè)磁電復(fù)合異質(zhì)，故僅在單一共振頻率處表現(xiàn)出高測(cè)量靈敏度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的為針對(duì)當(dāng)前技術(shù)中存在的不足，提出一種柔性寬頻域磁電復(fù)合電流傳感器陣列。該陣列傳感器的每一個(gè)單元由磁致伸縮層、壓電層和磁致伸縮層組成，將磁致伸縮薄膜層、pvdf壓電層與磁致伸縮薄膜層垂直排布構(gòu)成三明治結(jié)構(gòu)，在不同電流對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)條件下，磁致伸縮薄膜與pvdf壓電薄膜的緊密耦合，磁致伸縮薄膜可將磁信號(hào)轉(zhuǎn)化為力信號(hào)傳遞給pvdf壓電薄膜，pvdf壓電薄膜將來(lái)自磁致伸縮薄膜的力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。通過(guò)對(duì)輸出電信號(hào)的測(cè)量實(shí)現(xiàn)對(duì)施加電流的感知，完成非接觸電流測(cè)量。針對(duì)現(xiàn)有磁電復(fù)合電流傳感器共振頻率窄，靈敏度低的問(wèn)題，本發(fā)明采用了不同長(zhǎng)度尺寸的磁電復(fù)合單元在長(zhǎng)度方向的中心線位置并聯(lián)，通過(guò)轉(zhuǎn)換層連接，形成陣列式結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有寬頻域、響應(yīng)時(shí)間與恢復(fù)時(shí)間短、靈敏度高、體積小的優(yōu)良性能。極其適用于空間有限的集成化電子器件電流測(cè)量領(lǐng)域。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是：

3、一種柔性寬頻域磁電復(fù)合電流傳感器陣列，該傳感器包括：柔性電路板轉(zhuǎn)換層的內(nèi)分布有導(dǎo)電銅線；磁電復(fù)合單元附著在柔性電路板轉(zhuǎn)換層上，沿長(zhǎng)度方向排列；磁電復(fù)合單元分為3層，底層為第一磁致伸縮薄膜，通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂膠貼合在轉(zhuǎn)換層上；壓電薄膜力敏感層覆蓋在第一磁致伸縮薄膜；最后再沉積有第二磁致伸縮薄膜；

4、所述的磁致伸縮單元的數(shù)量為3個(gè)，組成3*1的陣列；

5、所述的磁電復(fù)合單元尺寸依次為30mm×10mm，27mm×10mm，24mm×10mm；相鄰磁電復(fù)合單元之間距離為8mm；

6、所述力敏感層為壓電薄膜，材質(zhì)為pvdf；厚度范圍為1~100微米；

7、所述第一磁敏感層，第二磁敏感層為磁致伸縮薄膜，材料為fe-co、fe-ni、fe-ga或terfenol；厚度范圍為1~100微米；

8、所述轉(zhuǎn)換層形狀為直角u形，直角u形的側(cè)壁上還等間距分布有兩個(gè)平行于底邊的兩個(gè)橫梁，兩個(gè)橫梁以及底邊的中間各分布有一個(gè)磁電復(fù)合單元，其中磁電復(fù)合單元長(zhǎng)的方向沿u形方向分布，橫梁之間的間距為38mm；側(cè)壁和底邊的寬度均為7mm；

9、轉(zhuǎn)換層為雙層的柔性電路板，材質(zhì)為聚酰亞胺（pi），導(dǎo)電銅線分布其中。

10、柔性電路板尺寸為110mm×45mm，單層厚度為100微米，其中橫梁尺寸為30×7mm。

11、所述柔性寬頻域磁電復(fù)合電流傳感器陣列的制備方法，包括以下步驟：

12、（1）采用誘導(dǎo)磁場(chǎng)下電沉積方法制備co-fe磁致伸縮薄膜：

13、將銅皮進(jìn)行酸洗后作為陰極，鉑板作為陽(yáng)極，以co-fe合金電沉積溶液作為電解液，將兩極板垂直并保持相互平行放置于電解液中，在直流磁場(chǎng)環(huán)境、直流電源，通過(guò)滴加稀硫酸溶液使電解液的ph控制在2.5~3.5，沉積結(jié)束后取出銅皮用酒精清洗，然后風(fēng)干，得到沉積在銅皮上的磁致伸縮膜。

14、所述的電沉積溶液的組成包括feso4·?7h2o?0.01~0.1mol/l，coso4·?7h2o?0.1～0.5mol/l，檸檬酸鈉0.2～0.5mol/l，硼酸0.2~0.3mol/l，抗壞血酸0.5～2g/l，糖精1～3g/l，十二烷基硫酸鈉0.01～0.05g/l；

15、磁場(chǎng)大小取值為：50~500ka/m；電流控制在0.30~0.40a/cm2，通過(guò)滴加10%稀硫酸溶液使電解液的ph控制在2.5~3.5，電沉積時(shí)長(zhǎng)20~100min；

16、（2）采用旋涂法制備pvdf壓電薄膜：

17、將步驟（1）得到的沉積完成co-fe薄膜的銅皮為基底，放置于旋涂機(jī)上，旋涂pvdf，再在120~140℃下退火3.5~4.5小時(shí)；最后放入125~130mv/m的場(chǎng)強(qiáng)中進(jìn)行極化25~35分鐘，得到壓電薄膜；

18、其中，pvdf溶液的溶劑為dmf，濃度為5~20g/100ml；旋涂機(jī)轉(zhuǎn)速為1000~2000r/min，重復(fù)旋涂3~10次，每次旋涂60~120秒；

19、（3）將步驟（2）得到的磁致伸縮-壓電復(fù)合單元重復(fù)（1）過(guò)程，使得到磁致伸縮-壓電-磁致伸縮三明治結(jié)構(gòu)的磁電復(fù)合單元，將制備完成的磁電復(fù)合單元從銅皮中剝落，用環(huán)氧樹(shù)脂膠將磁電復(fù)合單元均勻粘到內(nèi)嵌有銅導(dǎo)線的柔性電路板上，沿長(zhǎng)度方向的中心線位置并聯(lián)，得到陣列化結(jié)構(gòu)。

20、本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)為：

21、當(dāng)前技術(shù)中的電流傳感器，是基于單一諧振頻率下進(jìn)行的電流測(cè)量，裝置笨重，體積較大，并且這種電流傳感器的磁致伸縮膜都是類似軋制工藝做出來(lái)的薄片或者用磁控濺射的方式做的，這些工藝往往成本高昂，不適用于空間有限的集成化電子器件電流測(cè)量。

22、本發(fā)明采用電沉積的方式，制備了性能優(yōu)異的co-fe薄膜；并且采用了在誘導(dǎo)磁場(chǎng)下電沉積方法來(lái)調(diào)控材料結(jié)構(gòu)，誘導(dǎo)垂直各向異性，最后設(shè)計(jì)了陣列化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了寬頻域下的電流測(cè)量。

23、本發(fā)明的有益效果為：

24、1、其他的柔性磁電復(fù)合電流傳感器采用了復(fù)雜的電路元件，比如驅(qū)動(dòng)線圈、拾取線圈，需要驅(qū)動(dòng)電路來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。本發(fā)明與其他現(xiàn)有的柔性磁電復(fù)合電流傳感器相比，不需要驅(qū)動(dòng)電路來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，只需要對(duì)傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行采集。

25、2、本發(fā)明傳感器中的磁電復(fù)合單元各個(gè)層間都是自然耦合，沒(méi)有中間粘黏介質(zhì)，磁電耦合系數(shù)大，效率高。

26、3、本發(fā)明采用了誘導(dǎo)磁場(chǎng)下電沉積的方法調(diào)控材料的結(jié)構(gòu)，得到了性能優(yōu)異的磁致伸縮薄膜，使得材料飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，壓磁系數(shù)有所提高。在外加磁場(chǎng)大小為50ka/m時(shí)，未采用誘導(dǎo)磁場(chǎng)下進(jìn)行電沉積得到的磁致伸縮薄膜的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為4.09ka/m，采用50ka/m誘導(dǎo)磁場(chǎng)下電沉積方法制備的磁致伸縮薄膜的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)8.9ka/m。在外加磁場(chǎng)為50ka/m時(shí)，未采用誘導(dǎo)磁場(chǎng)下進(jìn)行電沉積得到的磁致伸縮薄膜的壓磁系數(shù)為6.1nm/a，采用50ka/m誘導(dǎo)磁場(chǎng)下電沉積方法制備的磁致伸縮薄膜的壓磁系數(shù)為7.8nm/a。

27、4、本發(fā)明采用了陣列化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，旨在實(shí)現(xiàn)寬頻域電流檢測(cè)，改進(jìn)后的磁電復(fù)合電流傳感器在39-52khz范圍內(nèi)表現(xiàn)出較高的磁電系數(shù)，拓寬了單個(gè)電流傳感器的共振頻帶。同時(shí)，優(yōu)化后的傳感器共振頻帶范圍內(nèi)出現(xiàn)三個(gè)峰值，三個(gè)峰值分別對(duì)應(yīng)單個(gè)傳感器共振頻率，這意味著多個(gè)磁電復(fù)合單元結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)共振頻帶的拓寬。