CN104198963A - 一种磁电声表面波磁场传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种磁电声表面波磁场传感器及其制备方法，属于电子功能材料与器件技术领域，包括磁致伸缩基底，还包括金属缓冲层及压电薄膜，所述金属缓冲层的材质为金属钛或铬，所述金属缓冲层位于磁致伸缩基底与压电薄膜之间，压电薄膜上表面设有具有双端口的叉指换能器，叉指换能器与压电薄膜一起构成声表面波谐振器；所述叉指换能器包括输入电极、输出电极、位于输入电极外侧的输入端反射栅和位于输出电极外侧的输出端反射栅；所述压电薄膜的厚度范围为0.3～1μm，磁致伸缩基底的厚度大于2倍的声表面波波长。采用高度取向的压电薄膜、单轴各向异性和巨杨氏模量效应的磁致伸缩带材，实现传感器微型化，灵敏度高，一致性好，制备方法简单，适用于对磁场进行探测。

Description

一种磁电声表面波磁场传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于电子功能材料与器件技术领域，涉及一种磁电声表面波磁场传感器及其制备方法，尤其是一种基于压电薄膜和磁致伸缩带材复合的具有极高磁场灵敏度的磁电声表面波磁场传感器及其制备方法。

背景技术

磁场传感器是可以将各种磁场及其变化的量转变成电信号输出的装置。传统的磁场传感器有线圈、霍尔器件、磁通门、磁阻器件、质子、光泵、超导量子干涉仪(SQUID)等。线圈、霍尔器件、磁阻探测器的磁场灵敏度都比较低；磁通门的灵敏度可达到10^-10T，其应用范围也较为广泛；质子磁力仪和梯度仪灵敏度可达0.1nT，但其电路复杂，耗电较大，维修不便，成本较高；光泵和超导磁力仪灵敏度高达10^-15T，但其维护费用高昂，且对操作人员的操作水平的要求也更高。

由压电材料和磁致伸缩材料复合而成的磁电复合传感器是近年来发展起来的新型传感器，鉴于其成本低廉、频率和幅度范围广、功耗低等优点，此类传感器得到了国内外学着的广泛研究。然而，目前该类传感器还存在以下三个方面的问题：1)现有技术中性能最好的复合材料是粘接成型的，其界面结合力不稳定，性能易受工艺和环境的影响，一致性差；2)磁电效应与压电相的体积有关，且随着压电相体积的缩小，电荷噪音迅速增大，所以难以实现器件的微型化；3)磁电耦合系数与磁场的频率有关，最佳的磁电耦合系数仅存在于窄频范围内，难以实现高灵敏地探测低频AC磁场和DC磁场。

而如果考虑将声表面波器件与压电材料及磁致伸缩材料复合而成，形成新型磁场传感器则有可能克服上述缺点。而传统的磁声表面波器件直接利用磁致伸缩效应改变声表面波的波长λ，由于λ受限于叉指换能器的设计和微细加工能力，不可能很小，而大的磁致伸缩也要求施加较大的磁场，所以Δλ/ΔH不够大，难以实现<10^-7T的磁场灵敏度，其中，ΔH为外加磁场H沿磁致伸缩基底的难磁化轴方向发生变化，因此亟需一种磁电声表面波磁场传感器及其制备方法以开发灵敏度高、一致性良好的微型化磁电声表面波磁场传感器。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供一种微型化、易集成、灵敏度高、一致性好的磁电声表面波磁场传感器及其制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种磁电声表面波磁场传感器，包括磁致伸缩基底，还包括金属缓冲层及压电薄膜，所述金属缓冲层的材质为金属钛或铬，所述金属缓冲层位于磁致伸缩基底与压电薄膜之间，压电薄膜上表面设有具有双端口的叉指换能器，叉指换能器与压电薄膜一起构成声表面波谐振器；所述叉指换能器包括输入电极、输出电极、位于输入电极外侧的输入端反射栅和位于输出电极外侧的输出端反射栅；所述压电薄膜的厚度范围为0.3～1μm，磁致伸缩基底的厚度大于2倍的声表面波波长。

进一步的，所述压电薄膜与叉指换能器的表面覆有温度补偿层，所述温度补偿层的材质为SiO₂。

具体的，所述磁致伸缩基底采用单轴各向异性和具有巨杨氏模量效应的磁致伸缩带材。

优选的，所述磁致伸缩带材为FeB、FeSiB、FeSiBC或FeCoSiB非晶磁致伸缩带材。

具体的，所述压电薄膜采用具有高度取向的压电薄膜。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：一种磁电声表面波磁场传感器的制备方法，包括以下步骤：

A.将具有单轴各向异性和巨杨氏模量效应的磁致伸缩非晶带材作为磁致伸缩基底，厚度大于2倍的声表面波波长，并对其进行表面抛光、洗涤及干燥；

B.在磁致伸缩基底上溅射沉积金属缓冲层，所述金属缓冲层的材质为金属钛或铬；

C.在金属缓冲层表面溅射沉积压电薄膜，所述压电薄膜的厚度范围为0.3～1μm；

D.在压电薄膜层表面制作叉指换能器结构；

E.在压电薄膜以及叉指换能器的表面溅射沉积SiO₂。

具体的，所述磁致伸缩带材为FeB、FeSiB、FeSiBC或FeCoSiB非晶磁致伸缩带材。

具体的，所述压电薄膜为具有高度取向的如ZnO、PZT、AlN或LiNbO₃压电薄膜。

进一步的，步骤C中的金属缓冲层的厚度为20nm。

具体的，步骤D中的叉指换能器为双端口的叉指换能器，包括输入电极、输出电极、位于输入电极外侧的输入端反射栅和位于输出电极)外侧的输出端反射栅。

本发明的有益效果是：本发明的传感器采用压电薄膜/磁致伸缩带材的半无限基底复合结构，采用高度取向的压电薄膜以及单轴各向异性和巨杨氏模量效应的磁致伸缩带材，压电薄膜表面采用正频率温度系数的SiO₂进行温度补偿，使得该传感器具有微型化、易集成、灵敏度高、一致性好、稳定可靠的特点；其制备方法工艺简单，易于操作，实用性强，适用于对磁场进行探测。

附图说明

图1是本发明的磁电声表面波磁场传感器的立体结构示意图；

图2是本发明的磁电声表面波磁场传感器的剖面结构示意图；

图3是本发明的磁电声表面波磁场传感器的磁场灵敏度仿真结果曲线图；

图4是本发明的磁电声表面波磁场传感器的频率温度系数仿真结果曲线图；

其中，1为磁致伸缩基底，2为金属缓冲层，3为压电薄膜，4为叉指换能器，5为温度补偿层，6为输入电极，7为输出电极，8为输入端反射栅，9为输出端反射栅，。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

如图1和图2所示，本发明的一种磁电声表面波磁场传感器，包括磁致伸缩基底1，还包括金属缓冲层2及压电薄膜3，所述金属缓冲层2的材质为金属钛或铬，所述金属缓冲层2位于磁致伸缩基底1与压电薄膜3之间，压电薄膜3上表面设有具有双端口的叉指换能器4，叉指换能器4与压电薄膜3一起构成声表面波谐振器；所述叉指换能器4包括输入电极6、输出电极7、位于输入电极6外侧的输入端反射栅8和位于输出电极7外侧的输出端反射栅9；所述压电薄膜3的厚度范围为0.3～1μm，磁致伸缩基底1的厚度大于2倍的声表面波波长。

上述传感器中，压电薄膜3制备于磁致伸缩基底之上。为了提供高机电耦合系数的压电薄膜，压电薄膜采用具有高度取向的如ZnO、PZT、AlN或LiNbO₃压电薄膜。磁致伸缩基底采用单轴各向异性和具有巨杨氏模量效应的磁致伸缩带材，如FeB、FeSiB、FeSiBC或FeCoSiB非晶磁致伸缩带材，经过磁场退火后可以诱导出单轴各向异性，1～2Oe的外磁场变化即可诱导出100～150％的杨氏模量变化，同时声表面波谐振器的相速度会发生10％～30％的变化，从而带来中心频率的大幅移动。由于压电薄膜3的厚度范围为0.3～1μm，磁致伸缩基底1的厚度大于2倍的声表面波波长，这样压电薄膜3杨氏模量和波速都会受到磁致伸缩基底1的杨氏模量调控。当外界磁场轻微变化时，该传感器的相速度也会发生显著的变化。对于声表面波器件，波速v、波长λ及频率f三者之间满足公式v＝λf；磁场诱导的中心频率变化可以表示为：其中E为磁致伸缩基底的杨氏模量，H为外加磁场。的显著变化意味着通过测试中心频率的变化可以高灵敏地探测和感知磁场的变化。

当在叉指换能器4的输入电极6上施加一个高频激励电信号，根据逆压电效应，压电薄膜4的表面发生振动，激励出一个中心频率为f₀的声表面波。如果外加磁场H沿磁致伸缩基底的难磁化轴方向发生变化ΔH，由于巨杨氏模量效应，磁致伸缩基底的杨氏模量发生显著变化，进而改变声表面波在压电薄膜中的传播速度v。根据公式v＝λf，而λ＝4a，a为叉指换能器线宽，是一个定值，所以波速的变化必然带来中心频率的移动。可见磁致伸缩基底的杨氏模量的改变会导致在压电薄膜表面传播的声表面波波速v发生变化，从而引起声表面波的中心频率的变化Δf。

声表面波多层结构的波速色散与压电薄膜与基底的相对厚度有关。对于基底为金属性磁致伸缩带材的声表面波多层结构，其波速色散关系可以通过散射矩阵法得到；而FeB、FeSiB和FeSiBC等典型非晶磁致伸缩材料的是现有技术中已知的。图3所示为IDT(λ＝1.82μm)/ZnO(0.3μm)/FeSiBC(25μm)多层结构声表面波谐振器的计算结果。外加磁场使得谐振器的谐振频率发生明显变化，当外加磁场为1Oe时，此时Metglas的杨氏模量为101.41GPa， $\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dH}}=183.3495\mathrm{GPa}/\mathrm{Oe}.$ 计算可得对应的 $\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dE}}=9.25\&times;{10}^{-9}{m}^3/N\&CenterDot;s,$ 而λ＝1.82μm，所以由于该中心频率声表面波谐振器的可分辨的频率一般为100Hz，所以磁场灵敏度可以达到10^-11Tesla。

由于磁致伸缩基底1经磁场退火后具有因瓦合金特性，其杨氏模量不随温度发生变化，频率温度系数为零。但是通常情况下，压电薄膜3具有负的频率温度系数，可在压电薄膜3以及叉指换能器4表面覆盖一层SiO₂，因为SiO₂具有正的频率温度系数，两者结合可以实现温度补偿。频率温度补偿TCF定义为1/f*(df/dT)，其中T代表温度。TCF受SiO₂和压电薄膜3(如ZnO)的厚度比和两者的总厚度的影响。当两者总厚度一定时，压电薄膜3越厚，TCF越大；当两者厚度比一定时，总厚度越大，TCF越小。选择合适的厚度比和总厚度，可以在一定频率范围内实现零温漂。这样就可以使本发明提供的磁电声表面波弱磁场传感器不受温度的影响，具有较好的温度稳定性。采用有限元软件COMSOL multiphysics计算该磁电声表面波磁场传感器的频率温度系数，以SiO₂/IDT(λ＝1.82μm)/ZnO(0.3μm)/FeSiBC(25μm)为例，如图4所示，当压电薄膜ZnO的薄膜厚度为0.3μm，SiO₂薄膜控制在0.275μm就可以实现器件的零温漂。

制备上述磁电声表面波磁场传感器的方法，包括以下步骤：

1.将具有单轴各向异性和巨杨氏模量效应的FeB、FeSiB、FeSiBC或FeCoSiB磁致伸缩非晶带材作为磁致伸缩基底，其厚度大于2倍的声表面波波长，用抛光机将磁致伸缩带材表面抛光，抛光液采用50nm的SiO₂悬浮抛光液，而后用无水乙醇在高功率超声机中对磁致伸缩带材清洗10分钟，最后用N₂吹干磁致伸缩非晶带材。

2.在磁致伸缩非晶带材光滑表面上溅射沉积金属钛缓冲层，其厚度为20nm。

金属钛缓冲层的作用如下：(1)将磁致伸缩带材保护起来，防止其在后续溅射压电薄膜过程中被氧化；(2)增加压电薄膜与磁致伸缩基底之间的附着力。

3.在金属钛缓冲层表面溅射沉积厚度为0.3～1μm的压电薄膜。

压电薄膜宜采用ZnO压电薄膜，ZnO薄膜的优点是高度C轴取向、高电阻率、低表面粗糙度，制备温度不超过350℃，厚度为0.3～1μm。

4.在压电薄膜层表面制作叉指换能器结构。

叉指换能器为双端口的叉指换能器，包括输入电极、输出电极、位于输入电极外侧的输入端反射栅和位于输出电极外侧的输出端反射栅。此外，也可以选择单端叉指换能器。

5.在压电薄膜以及叉指换能器的表面溅射沉积SiO₂，厚度为0.2～0.7μm。压电薄膜具有负的频率温度系数，可在压电薄膜以及叉指换能器表面覆盖一层SiO₂，因为SiO₂具有正的频率温度系数，两者结合可以实现温度补偿。

实施例1

本例中制备磁电声表面波磁场传感器的方法，包括以下步骤：

1)将25微米厚度的Fe₈₁Si_13.5B_3.5C的磁致伸缩非晶带材作为磁致伸缩基底，其厚度大于2倍的声表面波波长，磁致伸缩系数为35ppm，沿易磁化方向的矫顽力<0.1Oe，剩磁比>80％；而后用抛光机将磁致伸缩带材表面抛光，抛光液采用50nm的SiO₂悬浮抛光液，而后用无水乙醇在高功率超声机中对磁致伸缩带材清洗10分钟，最后用N₂吹干磁致伸缩非晶带材。

2)在Fe₈₁Si_13.5B_3.5C上溅射沉积20nm的金属钛缓冲层。

3)在金属钛缓冲层表面溅射沉积厚度为0.6μm的c轴取向的ZnO压电薄膜，其(002)衍射峰的摇摆曲线FWHM(半高宽)为4.28deg，电阻率>10⁹Ω/cm，表面粗糙度小于4nm，压电系数d₃₃为

4)在压电薄膜层表面制作金属铝制作的两侧含有反射栅的双端叉指换能器，厚度为0.1μm，IDTS和反射栅的指宽和指间距均为1μm，输入、输出IDTs对数均为100对，孔径为100μm，两侧的反射栅均为500条，输入、输出IDTs之间的间隔为40μm，IDTS与反射栅之间的距离为5μm。

5)在压电薄膜以及叉指换能器的表面溅射沉积厚度为0.45μm的SiO₂温度补偿层。

实施例2

本例中制备磁电声表面波磁场传感器的方法，包括以下步骤：

1)将20微米厚度的Fe₈₀Si₉B₁₁的磁致伸缩非晶带材作为磁致伸缩基底，其厚度大于2倍的声表面波波长，磁致伸缩系数为30ppm，沿易磁化方向的矫顽力为2Oe，剩磁比>79.8％；而后用抛光机将磁致伸缩带材表面抛光，抛光液采用50nm的SiO₂悬浮抛光液，而后用无水乙醇在高功率超声机中对磁致伸缩带材清洗10分钟，最后用N₂吹干磁致伸缩非晶带材。

2)在Fe₈₀Si₉B₁₁上溅射沉积20nm的金属钛缓冲层。

3)在金属钛缓冲层表面溅射沉积厚度为0.5μm的PZT(Pb_1.1(Zr_0.58Ti_0.42)O₃)压电薄膜，其(001)衍射峰的摇摆曲线FWHM(半高宽)为5.8deg，电阻率>10¹⁰Ω/cm，表面粗糙度小于6.5nm，压电系数d₃₃为

4)在压电薄膜层表面制作金属铝制作的两侧含有反射栅的双端叉指换能器，厚度为0.1μm，IDTS和反射栅的指宽和指间距均为1μm，输入、输出IDTs对数均为100对，孔径为100μm，两侧的反射栅均为500条，输入、输出IDTs之间的间隔为40μm，IDTS与反射栅之间的距离为5μm。

5)在压电薄膜以及叉指换能器的表面溅射沉积厚度为0.6μm的SiO₂温度补偿层。

Claims (10)

1.一种磁电声表面波磁场传感器，包括磁致伸缩基底(1)，其特征在于，还包括金属缓冲层(2)及压电薄膜(3)，所述金属缓冲层(2)的材质为金属钛或铬，所述金属缓冲层(2)位于磁致伸缩基底(1)与压电薄膜(3)之间，压电薄膜(3)上表面设有具有双端口的叉指换能器(4)，叉指换能器(4)与压电薄膜(3)一起构成声表面波谐振器；所述叉指换能器(4)包括输入电极(6)、输出电极(7)、位于输入电极(6)外侧的输入端反射栅(8)和位于输出电极(7)外侧的输出端反射栅(9)；所述压电薄膜(3)的厚度范围为0.3～1μm，磁致伸缩基底(1)的厚度大于2倍的声表面波波长。

2.如权利要求1所述的一种磁电声表面波磁场传感器，其特征在于，所述压电薄膜(3)与叉指换能器(4)的表面覆有温度补偿层(5)，所述温度补偿层(5)的材质为SiO₂。

3.如权利要求1或2所述的一种磁电声表面波磁场传感器，其特征在于，所述磁致伸缩基底(1)采用单轴各向异性和具有巨杨氏模量效应的磁致伸缩带材。

4.如权利要求3所述的一种磁电声表面波磁场传感器，其特征在于，所述磁致伸缩带材为FeB、FeSiB、FeSiBC或FeCoSiB非晶磁致伸缩带材。

5.如权利要求4所述的一种磁电声表面波磁场传感器，其特征在于，所述压电薄膜采用具有高度取向的压电薄膜。

6.一种磁电声表面波磁场传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.将具有单轴各向异性和巨杨氏模量效应的磁致伸缩非晶带材作为磁致伸缩基底，其厚度大于2倍的声表面波波长，并对其进行表面抛光、洗涤及干燥；

B.在磁致伸缩基底上溅射沉积金属缓冲层，所述金属缓冲层的材质为金属钛或铬；

C.在金属缓冲层表面溅射沉积压电薄膜，所述压电薄膜的厚度范围为0.3～1μm；

D.在压电薄膜层表面制作叉指换能器结构；

E.在压电薄膜以及叉指换能器的表面溅射沉积SiO₂。

7.如权利要求6所述的一种磁电声表面波磁场传感器的制备方法，其特征在于，所述磁致伸缩带材为FeB、FeSiB、FeSiBC或FeCoSiB非晶磁致伸缩带材。

8.如权利要求6或7所述的一种磁电声表面波磁场传感器的制备方法，其特征在于，所述压电薄膜为具有高度取向的如ZnO、PZT、AlN或LiNbO₃压电薄膜。

9.如权利要求8所述的一种磁电声表面波磁场传感器的制备方法，其特征在于，步骤C中的金属缓冲层的厚度为20nm。

10.如权利要求9所述的一种磁电声表面波磁场传感器的制备方法，其特征在于，步骤D中的叉指换能器为双端口的叉指换能器，包括输入电极、输出电极、位于输入电极外侧的输入端反射栅和位于输出电极外侧的输出端反射栅。