CN107576922A

CN107576922A - 一种可弯曲磁场测量装置及其制备方法

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Publication number: CN107576922A
Application number: CN201710724664.6A
Authority: CN
Inventors: 邱景; 昌琦杰; 胡振文; 何星躲; 龙奕兵
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2017-08-22
Filing date: 2017-08-22
Publication date: 2018-01-12

Abstract

本发明公开了一种可弯曲磁场测量装置及其制备方法，属于磁传感器领域，该装置包括自下而上依次层叠设置的柔性基底层、金属缓冲层、磁致伸缩层、压电薄膜层和保护层，压电薄膜层面对保护层的对应侧上设有嵌于保护层内的换能器层，换能器层由叉指换能器和反射栅构成单端或双端谐振型结构。本装置由于柔性基底材料的应用，相比于传统的刚性衬底材料制备的传感器而言，柔性磁传感器中将会产生除了常用的瑞利波、勒夫波等声表面波模式之外，还会出现新的波模式——兰姆波，使得本装置具有可弯曲、高磁场灵敏性、可集成化加工、成本低廉等优点，符合传感器发展的微型化、智能化等趋势，可用于磁场测量、智能穿戴等领域。

Description

一种可弯曲磁场测量装置及其制备方法

技术领域

本发明属于磁传感器技术领域，涉及一种可弯曲磁场测量装置及其制备方法。

背景技术

传感器技术作为信息技术的三大支柱之一，可以将生活中各种待测量转换为便于监测和控制的物理量。而磁场分布在世界的各个角落，通过对磁场的测量，可实现多种功能。针对快速发展的电子皮肤、智能穿戴、地磁导航等应用背景，近年来，有关柔性磁传感器的研究引起了广大科研人员的注意。公开号CN204575096U的专利公开了一种基于柔性压电材料PVDF和永磁体的柔性磁扭型磁电传感器，但其传感器摆放方式必须是垂吊式摆放，这限制了传感器的工作环境；公开号CN106018569A的专利公开了一种采用柔性磁铁和柔性弧形折回线圈的柔性磁传感器，该传感器根据洛伦兹力原理以及涡流损耗来实现无损检测；公开号CN102841132A的专利公开了一种基于柔性印刷线圈的柔性磁传感器，同样采用涡流效应来实现检测，该传感器主要用于高压电线缺陷检测，上述传感器大多数用于无损检测领域，适用领域比较局限。因此，本发明提出一种新的柔性磁传感器，这将为传感器的智能化提供一种新的方向。

发明内容

有鉴于此，本发明公开提出的一种可弯曲磁场测量装置及其制备方法，以解决磁传感器的柔性化问题。

为达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：

本发明提供一种可弯曲磁场测量装置，包括自下而上依次层叠设置的柔性基底层、金属缓冲层、磁致伸缩层、压电薄膜层和保护层，所述压电薄膜层面对该保护层的对应侧上设有嵌于该保护层内的换能器层，所述换能器层由叉指换能器和反射栅构成谐振型结构。

采用上述方案，本装置的原理是通过柔性基底层应用于磁传感器中，且利用杨氏模量随着外界磁场的变化而发生改变，即杨氏模量的改变导致磁传感器谐振频率的变化，并通过测试谐振频率的变化即可实现对磁场的探测。

进一步，所述换能器层的谐振型结构采用单端对结构，包括一叉指换能器和位于该叉指换能器两侧的反射栅。

进一步，所述换能器层的谐振型结构采用双端对结构，包括呈间隔分布的两叉指换能器和位于该两叉指换能器两侧或中间的反射栅。

进一步，所述柔性基底层的厚度大于2倍的所述叉指换能器的全波波长；所述金属缓冲层的厚度为30～60nm；所述磁致伸缩层的厚度为0.5～1.5μm；所述压电薄膜的厚度为0.4～1μm；所述保护层的厚度为200～500nm。

进一步，所述柔性基底层的材料为聚脂、聚酰亚胺、液晶聚合物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚丙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂、聚乙烯对苯二甲酯、聚丙烯己二酯、聚四氟乙烯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、聚砜、尼龙、PDMS中的任一种有机材料制备。

进一步，所述金属缓冲层的材料为Mo、Al、Cr、Ti、Pt或Ta中的一种。

进一步，所述磁致伸缩层的材料为FeCoSiB、FeGa、FeGaB、NiFe、FeCoB或FeSiB中的一种。

进一步，所述保护层的材料采用氧化物材料或压电薄膜层的材料。

进一步，所述压电薄膜层的材料为AlN、ZnO、PVDF或PZT中的一种。

本发明还提供一种由上述的可弯曲磁场测量装置的制备方法，具体包括如下步骤：首先，利用磁控溅射技术在柔性衬底层上沉积金属缓冲层；然后，再次利用磁控溅射技术对制备好的所述金属缓冲层上沉积磁致伸缩层；然后，继续利用磁控溅射技术对制备好的所述磁致伸缩层上沉积压电薄膜层；然后，结合光刻技术和刻蚀工艺对制备好的所述压电薄膜层上制得换能器层；最后，还是利用磁控溅射技术对制备好的所述换能器层上覆盖保护层。

本发明的有益效果是：本装置利用杨氏模量效应实现了一种不需要偏置磁场的声表面波磁传感器，由于ΔE效应本身对偏置磁场要求不高，所以可实现零偏置条件下也达到较高的灵敏度。还利用埋入式电极结构的设计，可以提升磁传感器的机电耦合系数并改善磁传感器的温度系数。在磁场的作用下，磁致伸缩层的杨氏模量发生改变，进而导致整个器件的等效杨氏模量发生改变，从而改变了声表面波谐振器的中心频率，并通过对中心频率偏移的测量可实现对磁场的测量。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明提供的可弯曲磁场测量装置的一较佳实施例的剖面结构图；

图2为本发明提供的可弯曲磁场测量装置的一较佳实施例的立体结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1-2，附图中的元件标号1-7分别表示：柔性基底层1、金属缓冲层2、磁致伸缩层3、压电薄膜层4、叉指换能器5、反射栅6、保护层7。

实施例基本如附图所示：本实施例提供一种可弯曲磁场测量装置，包括自下而上依次层叠设置的柔性基底层1、金属缓冲层2、磁致伸缩层3、压电薄膜层4和保护层7，该压电薄膜层4面对该保护层7的对应侧上设有嵌于该保护层7内的换能器层，该换能器层由叉指换能器5和反射栅6构成谐振型结构；该柔性基底层的材料采用类似于有机或者无机薄膜材料，如聚脂、聚酰亚胺、液晶聚合物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚丙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)、聚乙烯对苯二甲酯、聚丙烯己二酯、聚四氟乙烯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、聚砜、尼龙、PDMS中的任一种有机材料制备等；该金属缓冲层2主要是起到晶格匹配的作用，以减小不同材料层之间的应力，其材料采用Mo、Al、Cr、Ti、Pt或Ta等；该磁致伸缩层的材料采用具有杨氏模量效应的软磁性薄膜，如FeCoSiB、FeGa、FeGaB、NiFe、FeCoB、FeSiB等；该压电薄膜层4的材料采用AlN、ZnO、PVDF、PZT等；该换能器层主要用于构成声表面波谐振器结构，其材料采用Al、Au、Pt等金属材料，或者是磁性金属材料Ni等；该保护层7的主要作用是设计埋入式结构，即将换能器层内嵌于其内，以增加器件的机电耦合系数以及减小所设计的声表面波器件的温度系数，材料可为氧化物材料、也可以是压电薄膜层的材料。采用上述方案，本装置的原理是通过柔性基底层应用于磁传感器中，且利用杨氏模量随着外界磁场的变化而发生改变，即杨氏模量的改变导致磁传感器谐振频率的变化，并通过测试谐振频率的变化即可实现对磁场的探测，这样，使得本装置可广泛用于生活的各个领域。

本实施例中的柔性基底层1的厚度大于2倍的叉指换能器5的全波波长；金属缓冲层2的厚度为30～60nm，优选为45nm；磁致伸缩层3的厚度为0.5～1.5μm，优选为1μm；压电薄膜4的厚度为0.4～1μm，优选为0.8μm；保护层7的厚度为200～500nm，优选为300nm。

本实施例中的换能器层的谐振型结构采用双端对结构，包括呈间隔分布的两叉指换能器5和位于该两叉指换能器5两侧的反射栅6。当然在不同的实施例中，反射栅6还可以位于两叉指换能器5之间；或者，换能器层的谐振型结构采用单端对结构，包括一叉指换能器5和位于该叉指换能器两侧的反射栅6。

具体的阐述下本发明的可弯曲磁场测量装置的制备方法，包括步骤如下：

步骤一、选取适当尺寸的有机或无机薄膜材料，作为柔性基底层1的材料；

步骤二、利用磁控溅射对步骤一种制备好的柔性基底层1上沉积45nm的金属缓冲层2，该步骤是为了完成柔性基底层1和磁致伸缩层3的材料之间的晶格匹配；

步骤三、利用磁控溅射技术对步骤二中制备好的金属缓冲层2上沉积1μm厚的软磁薄膜材料，以形成磁致伸缩层3；

步骤四、利用磁控溅射技术对步骤四中制备好的磁致伸缩层3上沉积0.8μm厚的压电薄膜层4；

步骤五、利用光刻工艺对步骤五中制备好的压电薄膜层4表面制得换能器层的电极的图案，然后再通过刻蚀工艺得到包括有叉指换能器5和反射栅6构成谐振型结构的换能器层；

步骤六，利用磁控溅射技术对步骤六中得到的压电薄膜层4及其上换能器层的表面覆盖制备顶层的保护层7，从而达到埋入式结构的设计，进一步提升器件的机电性能。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种可弯曲磁场测量装置，其特征在于，包括自下而上依次层叠设置的柔性基底层(1)、金属缓冲层(2)、磁致伸缩层(3)、压电薄膜层(4)和保护层(7)，所述压电薄膜层面对该保护层的对应侧上设有嵌于该保护层内的换能器层，所述换能器层由叉指换能器(5)和反射栅(6)构成谐振型结构。

2.根据权利要求1所述的可弯曲磁场测量装置，其特征在于，所述换能器层的谐振型结构采用单端对结构，包括一叉指换能器和位于该叉指换能器两侧的反射栅。

3.根据权利要求1所述的可弯曲磁场测量装置，其特征在于，所述换能器层的谐振型结构采用双端对结构，包括呈间隔分布的两叉指换能器和位于该两叉指换能器两侧或中间的反射栅。

4.根据权利要求1-3任一项所述的可弯曲磁场测量装置，其特征在于，所述柔性基底层的厚度大于2倍的所述叉指换能器的全波波长；所述金属缓冲层的厚度为30～60nm；所述磁致伸缩层的厚度为0.5～1.5μm；所述压电薄膜的厚度为0.4～1μm；所述保护层的厚度为200～500nm。

5.根据权利要求4所述的可弯曲磁场测量装置，其特征在于，所述柔性基底层的材料为聚脂、聚酰亚胺、液晶聚合物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚丙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂、聚乙烯对苯二甲酯、聚丙烯己二酯、聚四氟乙烯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、聚砜、尼龙、PDMS中的任一种有机材料制备。

6.根据权利要求4所述的可弯曲磁场测量装置，其特征在于，所述金属缓冲层的材料为Mo、Al、Cr、Ti、Pt或Ta中的一种。

7.根据权利要求4所述的可弯曲磁场测量装置，其特征在于，所述磁致伸缩层的材料为FeCoSiB、FeGa、FeGaB、NiFe、FeCoB或FeSiB中的一种。

8.根据权利要求4所述的可弯曲磁场测量装置，其特征在于，所述保护层的材料采用氧化物材料或压电薄膜层的材料。

9.根据权利要求8所述的可弯曲磁场测量装置，其特征在于，所述压电薄膜层的材料为AlN、ZnO、PVDF或PZT中的一种。

10.由权利要求1-9任一项所述的可弯曲磁场测量装置的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：首先，利用磁控溅射技术在柔性衬底层上沉积金属缓冲层；然后，再次利用磁控溅射技术对制备好的所述金属缓冲层上沉积磁致伸缩层；然后，继续利用磁控溅射技术对制备好的所述磁致伸缩层上沉积压电薄膜层；然后，结合光刻技术和刻蚀工艺对制备好的所述压电薄膜层上制得换能器层；最后，还是利用磁控溅射技术对制备好的所述换能器层上覆盖保护层。