磁場傳感器是探測磁場強度或其變化并將其轉(zhuǎn)換成電信號輸出的裝置，基于磁場傳感器可開發(fā)多種傳感功能，包括電流、功率、位置、距離、速度、角度等，在工業(yè)制造、精密測量、國防與航空、醫(yī)療、地理等領(lǐng)域已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用。其中，磁場角度傳感器在航空航天、衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整、航海導(dǎo)航、GPS定位、飛機導(dǎo)航等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用需求。

現(xiàn)有的磁場角度傳感器，如AMR、磁敏二極管、霍爾傳感器、磁通門磁強計等能夠?qū)崿F(xiàn)對磁場方向或強度的探測，但存在局限性，例如，AMR磁場角度傳感器測量精度低，需要配套的校準算法；磁通門磁強計體積較大，成本高；磁敏二極管的靈敏度低，信號輸出大約只有0.05 mV/Oe，需要匹配信號放大等模塊。因此，開發(fā)高精度、低成本、信號強度大、驅(qū)動方式簡單的磁場角度傳感器已成為傳感器領(lǐng)域的重要研究方向。

近日，電子科學(xué)與工程學(xué)院劉明教授課題組設(shè)計了一種基于“磁扭電”效應(yīng)的新型磁場傳感器，該傳感器采用了一種全新的力-電耦合結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⒋排ぞ剞D(zhuǎn)化成應(yīng)力，并施加在壓電材料上，實現(xiàn)了磁場作用下電信號的輸出。該器件的結(jié)構(gòu)通過有限元仿真軟件優(yōu)化后，可以有效去除干擾信號，顯著提高輸出信號的純度；同時，力-電耦合結(jié)構(gòu)可顯著改善輸出信號對探測方向的敏感性，理論上，磁敏感方向與非敏感方向的輸出信號強度比值可以為“無窮大”倍�；�于“磁扭電”效應(yīng)，課題組開發(fā)了可用于二維平面磁場大小和方向探測的磁電羅盤，該傳感器可同時測量面內(nèi)交流磁場的強度和方向，強度精度為0.01 Oe（約為地磁場大小的1/50~1/60），方向的角度精度為±0.2o，解決了如何同時高精度地測量磁場的強度和方向這個難點問題，在工業(yè)設(shè)備的磁場測定、校準、監(jiān)測中具有巨大的應(yīng)用前景。此外，該器件是一種理想的無源器件，無需供電、無需偏置磁場、無需校正算法、無需信號放大模塊，驅(qū)動簡單，幾乎無能耗，精度高，靈敏度高（輸出可以達到幾十到幾百mV/Oe），結(jié)構(gòu)強度高，工作頻率范圍廣（幾Hz到幾百Hz），成本優(yōu)勢明顯，有望在工業(yè)生產(chǎn)、國計民生、電力系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域獲得大規(guī)模應(yīng)用。

該成果以“A magnetoelectric compass for in-plane AC magnetic field detection”為題發(fā)表在國際頂級期刊IEEE Transactions on Industrial Electronics（IF=7.5），并申請國家發(fā)明專利一項。電子科學(xué)與工程學(xué)院青年教師吳金根為論文第一作者，胡忠強教授、劉明教授為論文通訊作者，參與該研究的還有北京大學(xué)董蜀湘教授。該工作得到國家重點研發(fā)計劃等項目的支持。文章鏈接：https://doi.org/10.1109/TIE.2020.2978711

劉明教授的“磁電耦合功能材料團隊”長期從事磁電復(fù)合材料及器件應(yīng)用研究，在可調(diào)微波濾波器、柔性磁場傳感器、磁阻傳感器（AMR、TMR、GMR）、自旋電子器件等應(yīng)用方面取得一系列進展，團隊開發(fā)的磁電傳感器在電網(wǎng)取能（能量回收）、低頻磁電天線、磁場探測、電表的電流傳感等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用潛力。劉明教授主頁：

http://gr.xjtu.edu.cn/web/mingliu

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