综述：磁电传感器技术及应用
2026-05-31 09:36:56 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

本文首先介绍了磁电材料的发展历程及其最新研究进展，随后概述了磁电传感器的最新研究成果，并总结了其在磁场检测中的工程应用。最后，该综述对未来磁电效应增强的潜在研究方向及其可能的工程应用进行了展望。

多铁性材料至少同时具备铁电性、铁磁性和铁弹性中的两种基本特性。不同物性之间的这种先进耦合效应赋予了多铁性材料新的特性，因此其在多个领域具有广阔的应用潜力。磁电（ME）耦合效应所实现的一项重要特性是电场调控磁化或磁场调控极化。这种效应为低功耗、小型化电子器件的发展开辟了新方向。

据麦姆斯咨询报道，近期，哈尔滨工程大学、深圳大学、西安交通大学的研究人员组成的团队在IEEE Transactions on Magnetics期刊上发表了题为“Magnetoelectric sensors: A review”的综述论文，首先简要介绍了磁电材料的发展历程及其最新研究进展，随后概述了磁电传感器的最新研究成果，并总结了其在磁场检测中的工程应用。最后，该综述对未来磁电效应增强的潜在研究方向及其可能的工程应用进行了展望。

作为一种耦合效应，磁电效应将两种物理场联系起来。因此，它在磁场与电场的探测与识别方面具有潜在应用价值。在过去60多年中，研究人员对磁电材料及其效应开展了大量研究。代表性材料包括单相磁电材料、复相颗粒状磁电复合材料以及复相层状磁电耦合材料（复相块体磁电复合材料和复相薄层磁电复合材料）等。图1展示了磁电效应及材料发展的关键阶段。

磁电效应和材料研究的重要发展节点

图1 磁电效应和材料研究的重要发展节点

磁电材料与结构

1894年，Pierre Curie首次提出了磁电本征效应的概念。1926年，Peter Debye将磁电耦合现象命名为“磁电效应”。此后，研究人员在许多具有磁电特性的单相材料中观察到该效应。然而，由于单相磁电材料的磁电效应较弱，并且通常只能在极低温条件下工作，因此始终未得到广泛认可与应用。直到20世纪70年代，van Suchtelen提出多相磁电复合材料的概念，磁电效应才重新受到重视。具有高磁电耦合系数的磁电复合材料的发现，为未来应用展现出巨大潜力，因而引发了广泛关注并成为研究热点。然而，由于当时复合工艺较为粗糙，这类多相材料的磁电转换效率仍然较低。

2001年，Ryu等人改进了复合模式，并取得了具有创新性的研究成果。通过构建压电层与夹层磁致伸缩层的结构，在磁电耦合复合材料方面实现了重大突破。与此前的陶瓷基复合材料以及单相磁电材料相比，该结构具有更高的磁电耦合系数。这种磁电耦合材料的结构及其耦合机理，可以通过图2所示的（a）概念示意图以及（b）等效电路模型进行解释。

磁电结构与耦合原理及磁电效应原理示意图

图2 磁电结构与耦合原理及磁电效应原理示意图

在过去二十年中，层状磁电复合材料的研究主要集中于块体磁电复合材料。近年来，块体磁电复合材料的发展趋于成熟。图3展示了块体磁电复合材料性能的发展趋势。

自2001年以来块体磁电复合材料在谐振态与非谐振态下磁电系数的发展趋势

图3 自2001年以来块体磁电复合材料在谐振态与非谐振态下磁电系数的发展趋势

基于磁电效应的磁传感器

块体磁电传感器

在磁电传感器中，块体传感器的发展最为成熟。这类传感器在很大程度上受材料形态的影响。基于此，它们可分为三类：(2–2)型、(2–1)型和(1–1)型。

块体磁电传感器中不同的材料层压复合结构配置

图4 块体磁电传感器中不同的材料层压复合结构配置

柔性磁电传感器

2021年，来自南京理工大学的研究团队提出了一种具有成本效益、高柔性且高灵敏度的异质结构磁电传感器（图5），相关研究成果发表于APL Materials期刊。该传感器由压电PZT厚膜与Metglas箔组成，其表现出高磁电系数和优异的机械耐久性。

柔性磁电传感器示例

图5 柔性磁电传感器示例

MEMS磁电传感器

与块体磁电传感器不同，采用MEMS制造技术制备的磁电传感器具有更高的微型化程度。近年来，随着薄膜技术的持续发展，薄膜磁电异质结构的研究得到了快速进展。

研究人员在MEMS基础上进一步优化，发展出一种纳机电系统（NEMS）。近年来，由于其微型化特性，这类NEMS已在多个领域得到广泛应用。

美国东北大学Sun研究团队将磁电NEMS薄膜用作磁电谐振器。他们设计了一种基于AlN/(FeGaB/Al₂O₃)×10磁电异质结构的新型磁电NEMS谐振器，用于检测直流（DC）磁场。该谐振器的机电谐振频率为215 MHz，在该频率下对直流磁场具有极高的灵敏度。这为超灵敏、自偏置的射频（RF）NEMS磁电传感器提供了一种新的检测机制。

磁电NEMS磁场传感器及其分层结构示意图

图6 磁电NEMS磁场传感器及其分层结构示意图

磁电传感器的应用

随着磁电传感器的快速发展，其在科学应用中的重要性也日益凸显。基于磁电效应的磁电传感器已被广泛应用于多个不同领域，包括磁异常探测（MAD）、直流磁场探测、无损检测、磁电罗盘、生物传感器、能量收集器。

磁异常探测应用示例

图7 磁异常探测应用示例

直流磁场探测应用示例

图8 直流磁场探测应用示例

生物传感器应用示例

图9 生物传感器应用示例

结论及展望

综上所述，本综述对多种磁电材料的发展演变进行了系统概述。更重要的是，文中总结了磁电器件在生物传感器、柔性传感器以及通信天线等方面的最新研究进展。目前，与市场上成熟传感器相比，磁电传感器仍处于优化提升阶段，其实际性能仍存在差距，在应用层面也有诸多亟待解决的问题，例如环境适应性、信号处理以及工程化部署等。因此，为拓展其潜在应用领域，当前关键在于解决传感器封装问题及其信号处理电路设计。此外，还需要建立行业专用的生产标准，以推动更高程度的产业化并促进更多实际应用。

论文信息：DOI: 10.1109/TMAG.2025.3595095

延伸阅读：

《下一代MEMS技术及市场-2025版》　

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