多铁性复合薄膜时变本构关系及超灵敏磁场传感器应用的基础研究

Multiferroic composites have some unique advantages of strong magnetoelectric coupling, small volume and the prepared process which is compatible with IC technology. As the novel information functional materials, the composites are highly valued in the applications of ultra-sensitive magnetic sensors, transducers, and tunable microwave devices, and have important application contexts in both the civilian measuring instruments and the national defense. For the magneto-thermo-menchanical-electric coupling of this material itself, and the measured constitutive have obvious hysteresis and complex relationship with the frequency and amplitude of the applied ac magnetic field, which restrict the application in the design and application of the device system seriously. This project bases on the applicant's preliminary studies and focus on time-varying constitutive model which is associated with the frequency and under multi-physic field loading, the formulation of this constitutive, the 0-bias hysteresis giant magnetoelelctric coupling effect, the plural magnetoelectric coefficient and phase shift mechanism and the related experimental researches, so that we can provide the most comprehensive way to establish the constitutive relation of such materials. On this basis, we carry out the study of the numerical simulation for the mechanical behavior of the magnetoelectric sensor which contains multiferroic film integrated by the IC process under multi-physic field, and establish an equivalent circuit model which is convenient for the electronic engineers to design and use. Finally, we provide the basic mechanical analytical approach and an equivalent circuit model for the design and application of the ultra-sensitive magnetic sensors.

多铁性复合薄膜具有磁电耦合强、体积小、制备可与IC工艺兼容等独特的优点，作为新型信息功能材料在超灵敏磁场传感器、换能器、可调微波器件等应用中受到高度重视，在民用测量仪器和国防上均有重要的应用背景。由于这类材料自身的磁-热-力-电多场耦合特点，实验测量的本构关系有明显的时滞并且与外加时变磁场的频率、幅值有复杂相关性，这些特性严重制约了其在器件系统中的设计应用。本项目在申请人前期研究的基础上，着重研究这类材料在多场耦合下与频率相关联的时变本构关系模型及表征方法、基于时滞效应的无偏巨磁电耦合效应、复数磁电系数、相移机理及相关实验，从而为这类材料的本构关系提供最完善的建立途径。在此基础上，开展由IC工艺集成多铁薄膜的磁电传感器多物理场作用下力学行为的数值仿真，并建立起便于电子器件工程师设计应用的等效电路模型。最终为超灵敏磁场传感器的制备设计和应用提供基本的力学分析途径和实用的等效电路模型。

本项目紧密围绕多铁复合材料在多场耦合下的时变本构关系，基于时滞效应的非线性磁电耦合效应，谐振机械损耗等开展相应的理论建模、数值仿真及实验研究。取得了丰富的研究成果，具体包括：1，考虑到微观磁弹性耦合机制，建立起考虑时滞的多场耦合非线性本构模型。有效预测磁致伸缩材料在多物理场载荷下的磁致伸缩应变和磁化强度曲线，并分析对材料常数的影响。在此基础上，推广到包含时滞效应的多铁性复合材料，实现对多铁性薄膜外电场对磁滞回线调控的预测。2，系统地建立起强非线性静态和谐振情形下的正/逆磁电耦合模型。给出了多物理场载荷对磁电耦合效应的影响结果，结果发现通过不同的物理场可以调控磁电耦合效应、降低偏磁场和提高输出响应的灵敏度，并且得到后续的实验测量结果的验证。3，搭建机械损耗测量系统并测量了正/逆磁电效应中的机械损耗。结果发现机械损耗随外场呈现明显的非线性变化，幅值的变化高到50%以上。建立起谐振正/逆磁电效应中非线性机械损耗模型，预测出机械损耗随外场的变化趋势，提出了通过外场调控降低机械损耗的途径。4，实验测量多铁性复合材料的磁电滞回线响应及偏磁场和测试周期对磁电滞回线的影响，直流偏压和交流磁场对输出交流电压响应的时滞，交流磁场和偏磁场对灵敏度的影响，并提出提高灵敏度的方法。5，建立起非线性有限元仿真模型，系统地分析了多物理场、厚度比等因素对磁电系数和灵敏度的非线性影响。通过数值仿真结果提出通过不同物理场、材料选取、厚度比和边界构型等提高磁电耦合系数、增加器件灵敏度的途径。通过上述研究，建立和完善多铁复合材料及传感器应用的多场耦合非线性力学理论框架，掌握了有效的定量分析方法。揭示出了多铁复合材料中多物理场之间相互作用的特征和规律。为未来高灵敏度微弱磁场传感器的设计、制备和应用提供理论依据。课题组发表SCI收录论文18篇，授权中国发明专利7项，培养毕业硕士生7名。顺利完成项目的各项研究内容和预设目标。