以Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT或PMNT)为代表的弛豫铁电单晶具有远高于常用锆钛酸铅Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT)陶瓷的压电性能, 引起了基于新一代压电单晶的功能器件研究热潮。本研究团队在国际上率先利用Bridgman方法生长出了大尺寸、高质量PMN-PT等弛豫铁电单晶(d33～2 000 pC/N, k33～92%), 并对PMN-PT等弛豫铁电单晶的生长、多层次微观结构和性能调控进行了多方面的研究, 发现弛豫铁电单晶不仅具有超高压电性能, 还具有突出的热释电性能、电光性能以及与磁致伸缩材料复合形成磁电复合材料的超高磁电耦合性能。本研究团队多年来一直在努力推动弛豫铁电单晶在医用超声换能器、热释电红外探测器、电光器件、磁电型弱磁传感器等各种器件的应用研究。本文主要总结了弛豫铁电单晶的多功能特性, 并介绍了本研究团队在弛豫铁电单晶器件应用上的研究结果。

Weak magnetic field detection has played an increasingly important role in the field of scientific research, industrial manufacture, and people's daily lives. In recent years, a new kind of magnetic sensor has been proposed, composed of a superconducting flux-to-field transformer and a high-sensitivity magnetoresistive sensor. This kind of sensor is expected to be widely used because of its excellent sensitivity (femtotesla), stability, band characteristics, and low cost. In this paper, its structure and principle of operation will first be reviewed. We then describe and compare the development and applications of giant magnetoresistance sensors and the tunnel magnetoresistance/superconductor based mixed sensors fabricated in our lab.

提出了利用光纤倏逝波传感器通过光吸收方法来测量磁场强度的新方法。将磁流体与通信用标准单模光纤局部腐蚀到接近芯层后放入待测磁场中，当以光吸收峰值为探测光波长时，光纤表面的倏逝波会受到磁场变化的影响，通过测量光纤输出光强来计算磁场强度的变化。实验结果表明，磁场强度在40~110 mT范围内，透射光强度与磁场强度近似成线性关系，对于长度15 cm、直径分别为50 μm和35 μm的腐蚀光纤其测量灵敏度分别为0.0019 μW/mT和0.02 μW/mT。研究结果对光纤磁场传感器的抗干扰和易于实现有重要指导意义。

提出了一种基于微机电系统(MEMS)扭镜结构的光纤磁场传感器, 并利用对角度变化非常敏感的双光纤准直器对扭镜的扭转角度进行了检测。该MEMS光纤磁传感器由MEMS扭镜结构、磁性敏感薄膜和双光纤准直器组成。文中分析了器件的磁敏感原理和光纤检测原理, 介绍了器件综合设计方法, 并给出了器件的结构参数。利用MEMS加工技术成功制作出了MEMS光纤磁传感器样品, 最终得到的磁传感器的尺寸为3.7 mm×2.7 mm×0.5 mm。对磁传感器进行了实验测试, 得到的输出实验值与理论值吻合。测试结果表明, 该磁传感器的光纤检测灵敏度可达到0.65 dB/mT, 最小可分辨磁场可达167 nT。将MEMS敏感结构与光纤检测相结合, 该传感器兼备了两者的优点, 结构紧凑、制作工艺简单、工作时无需电流激励。

研究了基于硅微机电系统(MEMS)陀螺、加速度计及磁阻式磁强计组合的微小型飞行器用姿态航向参考系统。针对传统航姿算法无法保证微小型飞行器在长时间、高机动情况下以较高精度保持姿态航向的问题, 提出了一种基于低成本多传感器的自适应组合滤波算法。该算法首先通过对运动加速度和磁干扰进行建模并将其引入状态方程来保证载体在长时间高机动情况下依然保持较高的姿态航向精度。其次, 采用联邦滤波模式降低运动加速度与磁干扰之间的相互影响, 提高算法的精度和可靠性; 通过对子滤波器专有状态量的估计方差阵P和量测方差R进行自适应设计, 保证不同机动状态切换时算法的稳定性一致。用不同的组合算法进行了半物理仿真试验对比, 结果表明, 与传统算法相比, 该算法在平飞和长时间盘旋飞行条件下均具有较高的精度和鲁棒性。

针对磁致伸缩材料在弱磁场传感器领域的应用需要，采用迈克耳逊干涉原理实验测量了零应力条件下Tb-Dy-Fe材料和Fe-Ga合金的磁场响应灵敏度，以及不同应力下Fe-Ga合金的磁场响应特性和温度响应特性.实验结果表明：在零应力，外加磁场16 mT条件下，Fe-Ga合金的磁场响应灵敏度远高于Tb-Dy-Fe材料，更合适作为弱磁场传感器敏感材料；同时，在1.2 MPa预应力和26 mT偏置磁场下，Fe-Ga合金材料具有较好的磁场响应灵敏度和较大的饱和磁致伸缩系数，因而处在最佳工作状态.所得到的材料的磁场和温度响应曲线可作为弱磁场传感器参量设计的参考依据.

提出了一种基于偏振效应的光纤光栅磁场传感方法。法拉第效应使得左旋和右旋圆偏振光的传播常数发生变化，通过对光纤光栅透射光中两圆偏振光之间相关损耗的测量，可以测得磁场强度大小。为了实现灵敏度高、测量范围大、稳定性强的光纤光栅磁场传感器,从磁场传感原理出发，对光纤光栅的结构进行理论推导。利用等效啁啾的方法重构了透射谱为三角形，带宽为0.15 nm的光纤光栅。仿真结果表明，利用该光纤光栅进行磁场测量的灵敏度约为0.5 dB/T，测量范围可以达到8 T。

为实现对消化道微型诊疗装置在人体内的实时定位与跟踪,建立了一种基于三轴磁传感器阵列的磁目标实时定位跟踪系统。该系统使用磁偶极子模型作为永磁体的磁场分布模型,用4×4的三轴磁传感器阵列检测固定在电子胶囊中的永磁体产生的磁场,通过控制电路和USB接口适配器,将检测出的磁场信号传入计算机,使用非线性最优化方法由磁场信号解出电子胶囊的位置和姿态信息,最后由定位软件实时显示定位结果并保存数据。实验结果表明,该系统对于距离传感器阵列平面150 mm的电子胶囊,平均定位精度＜7 mm,平均定向精度＜6°;同时,该系统能够对距离传感器阵列平面60~220 mm的模拟肠道内运动的电子胶囊实现实时跟踪;并且该系统对人体、织物、塑料等非磁性介质不敏感,基本上能够满足消化道微型诊疗装置在人体内的实时定位与连续跟踪的要求。

采用琼斯矩阵法分析了法拉第旋转镜消除偏振诱导信号衰落的原理,阐述了基于磁致伸缩的光纤迈克耳孙干涉型磁场传感器基本原理。利用闭环控制工作点的方法,稳定了磁场传感器系统的工作点,然后对该系统进行了检测。结果表明,磁场传感器系统具有良好的稳定性,当外界磁场较小时,输出与外界磁场大小呈线性关系,在幅度为4000nT的交流磁场调制下,相位灵敏度可达1.4×10-3 rad/nT,最小可测磁场达0.57nT。