CN108470825B - 基于负泊松比磁致伸缩衬底的磁电声表面波器件 - Google Patents

基于负泊松比磁致伸缩衬底的磁电声表面波器件 Download PDF

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Abstract

一种基于负泊松比磁致伸缩衬底的磁电声表面波器件，属于电子信息功能材料与器件技术领域。所述磁电声表面波器件包括磁致伸缩衬底、压电薄膜和叉指换能器，磁致伸缩衬底为具有负泊松比和拉胀效应的磁致伸缩材料，其厚度大于2倍声表面波波长。本发明提供的磁电声表面波器件中，采用具有负泊松比和拉胀效应的磁致伸缩块材作为磁致伸缩衬底，衬底厚度可达到毫米级别，有效改善了对压电薄膜厚度的限制；本发明提供的磁电声表面波器件在获得优良取向的压电薄膜的同时，可显著提高器件的工作中心频率f0，使得后端频率计数器能更加准确地测试中心频率随磁场的变化，有利于提高磁场探测的灵敏度。

Description

基于负泊松比磁致伸缩衬底的磁电声表面波器件
技术领域
本发明属于电子信息功能材料与器件技术领域，具体涉及一种基于负泊松比磁致伸缩衬底的磁电声表面波器件及其制备方法，可用于磁场传感与探测或者磁场调谐的声表面波滤波器、谐振器、延迟线等。
背景技术
随着磁场和此相关现象研究的不断深入，磁传感技术得到了很大的发展。传统的磁场传感器主要有线圈、霍尔器件、磁通门、磁阻传感器、光泵、质子磁力仪、超导量子干涉仪等，其中线圈、霍尔器件、磁阻探测的探测灵敏度都比较低；质子磁力仪虽然灵敏度高，但由于电路复杂使得功耗很高，制造成本也较高；光泵和超导量子干涉仪磁场灵敏度可高达10-15T，但使用和维护费用昂贵，操作也非常复杂，影响了其广泛使用。
近年来国内外广泛研究了由压电材料和磁致伸缩材料复合而成的层状磁电复合材料。利用该复合材料/结构可以实现高灵敏度的磁场探测和感知，其中既可以利用磁场-应变-压电电压或电荷机理实现检测，也可以与声表面波技术相结合，设计制备基于层状磁电复合结构的声表面波谐振器，通过检测其中心频率变化实现的磁场传感。后者的工作原理为：外加磁场会诱导磁致伸缩材料的杨氏模量发生变化，衬底的杨氏模量变化会引起声表面波谐振器的相速度发生变化，由于声表面波谐振器的波速ν、中心频率f0、波长λ三者满足：v＝f0·λ，从而会引起中心频率的大幅改变，实现磁场探测。由于磁致伸缩非晶带材所特有的巨杨氏模量效应(50-200％)，目前，该类传感器中将磁致伸缩非晶带材作为磁致伸缩衬底与压电薄膜复合，解决了之前粘结成型工艺所造成的界面结合力不稳定、一致性差等问题，实现了器件的微型化和集成化，可用于宽频、高灵敏度的磁场探测与感知。但是，该类磁电声表面波谐振器还存在以下三个方面的问题：1)目前采用的是FeB、FeSiB、FeSiBC或FeCoSiB等磁致伸缩非晶带材，此类带材都是通过熔体快淬法来获得的，厚度一般为20μm左右，既薄又脆，基片机加工问题严重；2)薄的磁致伸缩非晶带材经过研磨抛光后变得更薄，在其上沉积压电薄膜的厚度不能太大，否则由于应力累积效应会造成衬底弯曲，然而压电薄膜在较薄时无法形成充分的取向织构，这就限制了其压电系数和机电耦合系数；3)最为重要的是，磁电声表面波谐振器的中心频率受限于中心频率(f0)与压电层厚度(h压电)的乘积，对于选定的厚度，存在一个截止频率，高于截止频率时无法激励瑞利波，器件不能正常工作，这就限制了该类器件用于磁场调谐的滤波器、谐振器、延迟线的工作频率，也降低了用于磁场探测与感知的灵敏度。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出一种微型集成化、易加工、稳定性高的磁电声表面波器件，除了应用于磁场传感与探测，还可以用于磁场调谐的声表面波滤波器、谐振器、延迟线等领域。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于负泊松比磁致伸缩衬底的磁电声表面波器件，包括磁致伸缩衬底、压电薄膜和叉指换能器，其特征在于，所述磁致伸缩衬底为具有负泊松比和拉胀效应的磁致伸缩材料，其厚度大于2倍声表面波波长。
进一步地，所述磁致伸缩衬底为Fe1-xGax、Fe1-yAly、Ni1-zAlz等磁致伸缩合金块材，其中，x＝0.12～0.33，y＝0.12～0.4，z＝0.041～0.125。
进一步地，所述压电薄膜为AlN、ScAlN、GaN等压电薄膜，所述压电薄膜的厚度为0.4～4μm。
进一步地，所述磁致伸缩衬底和压电薄膜之间还包括金属Ti或Cr等金属过渡层。
进一步地，所述磁致伸缩衬底的表面粗糙度小于5nm。
进一步地，所述叉指换能器包括单端口叉指换能器或者双端口叉指换能器，双端口叉指换能器包括输入电极、输出电极、输入端反射栅和输出端反射栅。
本发明还提供了上述磁电声表面波器件在磁场传感器，或者在磁场调谐的声表面波滤波器、谐振器、延迟线等中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的一种基于负泊松比磁致伸缩合金块材衬底的磁电声表面波器件中，采用具有负泊松比和拉胀效应的磁致伸缩块材作为磁致伸缩衬底，衬底厚度可达到毫米级别，有效改善了对压电薄膜厚度的限制；本发明提供的磁电声表面波器件在获得优良取向的压电薄膜的同时，可显著提高器件的工作中心频率f0，使得后端频率计数器能更加准确地测试中心频率随磁场的变化，有利于提高磁场探测的灵敏度。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于负泊松比磁致伸缩衬底的磁电声表面波器件的结构示意图；其中，1为磁致伸缩衬底，2为金属过渡层，3为压电薄膜，4为叉指换能器，5为输入端叉指电极，6为输出端叉指电极，7为输入端反射栅，8为输出端反射栅；
图2为实施例1磁致伸缩衬底Fe0.813Ga0.187块材在磁场作用下的杨氏模量变化曲线；
图3为实施例1得到的声表面波器件与传统的FeSiBC作为非晶带材得到的声表面波器件的声表面波频散曲线对比图；
图4为本发明磁电声表面波器件的截止频率随衬底泊松比的变化曲线；
图5为实施例1得到的谐振器的S11参数测试结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
在磁电声表面波谐振器中，磁致伸缩衬底的杨氏模量的改变会造成压电薄膜中瑞利波相速度的变化，从而引起中心频率的改变。一般而言，磁致伸缩衬底的杨氏模量会随着磁场的增加而先降低后增加。在应用中，希望在小的磁场变化范围内有尽可能大的杨氏模量变化，即df/dH尽可能大。但是，一般磁致伸缩衬底的杨氏模量小于压电薄膜的杨氏模量，使得压电薄膜中的声表面波相速度受限于磁致伸缩衬底的横向剪切波速(对于各向同性介质，)。当磁场造成磁致伸缩衬底的杨氏模量进一步降低时，其横向剪切波速也会相应降低，这就导致瑞利波的波速上限会降低，限制了磁电声表面波谐振器的截止频率。
本发明中，通过引入具有负泊松比的磁致伸缩材料作为衬底，有效解决了上述技术问题。下面以<110>{100}取向的Fe1-xGax磁致伸缩合金块材衬底加以说明。研究表明【R.A.Kellogg,A.M.Russell,T.A.Lograsso,A.B.Flatau,A.E.Clark,and M.Wun-Fogle,“Tensile properties of magnetostrictive iron–gallium alloys,”Acta Mater.,52,5043–5050(2004)】<110>{100}取向的Fe1-xGax合金具有特殊的负泊松比，即长度方向受力拉伸反而会在宽度方向膨胀，称为拉胀效应。随后，G.Raghunath和Alison B.Flatau进一步发现在外加磁场作用下也存在类似的拉胀效应，即长度方向施加磁场，由于磁致伸缩效应样品拉伸，同时在宽度方向膨胀。本发明采用<110>{100}取向的Fe1-xGax磁致伸缩合金作为衬底，在其上形成压电薄膜，通过理论计算和实验进一步发现：(1)由于拉胀效应和磁-声相互作用，对于同样厚度的压电薄膜，瑞利波的截止频率上限大为提高；(2)尽管Ga的含量越高，<110>{100}取向的Fe1-xGax磁致伸缩合金的杨氏模量E110越低，但同时泊松比也越往负的方向移动，由于负泊松比的存在，瑞利波的截止频率依然保持很高；实验表明，该谐振器在x＝0.12～0.33的范围内均能工作在更高的中心频率。
如图1所示，为本发明提供的一种基于负泊松比磁致伸缩衬底的磁电声表面波器件的结构示意图；包括磁致伸缩衬底1，金属过渡层2，压电薄膜3和叉指换能器4(包括输入端叉指电极5、输出端叉指电极6、输入端反射栅7和输出端反射栅8)，所述磁致伸缩衬底为具有负泊松比和拉胀效应的磁致伸缩材料，同时也具有巨杨氏模量效应，其厚度大于2倍的声表面波波长，磁致伸缩衬底所用的磁致伸缩材料抛光到表面粗糙度小于5nm；具体为Fe1- xGax合金块材，Fe1-xGax合金在[110]方向受到拉伸作用，在(001)面内平面内的沿着侧向方向的泊松比为负值，产生拉胀效应；现有技术采用的磁致伸缩衬底为FeB、FeSiB、FeSiBC或FeCoSiB非晶带材，这些非晶带材的厚度通常在20μm左右，经过抛光处理后厚度会进一步变薄，限制了压电薄膜的厚度，而本发明中磁致伸缩衬底采用Fe1-xGax等合金块材，具有以下优点：a.厚度可以控制在0.1-2mm范围，易于机加工和表面研磨抛光；b.巨大的磁致伸缩系数，当选择合适的x时，可以同时获得合适的负泊松比和杨氏模量效应；c.可以通过形状各向异性和磁晶各向异性获得磁场探测的选择性。所述金属过渡层采用金属Ti或Cr，位于磁致伸缩衬底与压电薄膜之间，通过反溅清洗和高能扩散技术增加压电薄膜的附着性。所述压电薄膜为具有高度c轴取向的压电薄膜，如AlN、ScAlN等，具有高度取向性、高压电响应、较高的机电耦合系数等优点，厚度为0.4-4μm。所述叉指换能器采用单端口或者双端口叉指换能器，其中双端口叉指换能器包括输入端叉指电极5、输出端叉指电极6、输入端反射栅7和输出端反射栅8，如图1所示。本发明采用Fe1-xGax等合金块材作为磁致伸缩衬底，使得压电薄膜能够生长的更厚，薄膜的取向织构更加充分，有利于提高压电系数和机电耦合系数，同时，叉指换能器叉指电极线宽受光刻工艺的限制，线宽尺寸不能很窄，即声表面波波长不能很短，在此情况下，所述压电薄膜厚度增加，有利于提高器件的中心频率f0。以磁场传感为例，所述Fe1-xGax合金的特殊拉胀效应使得谐振器的中心频率f0更高，在相同品质因数的情况下，当磁电声表面波谐振器的中心频率越高，后端计数器就能更加准确的测试中心频率随磁场的变化，从而有利于提高磁场探测的灵敏度。
实施例1
一种基于负泊松比磁致伸缩衬底的磁电声表面波器件，具体采用以下方法制备得到：
步骤1、选取500μm厚的Fe0.813Ga0.187块材作为磁致伸缩衬底，其厚度远大于2倍声表面波波长；采用1000目砂纸对磁致伸缩衬底表面切割层进行粗抛光，砂纸打磨之后的磁致伸缩衬底在无水乙醇中超声清洗20min，然后，分别采用7μm、3μm、0.3μm不同粒径的金刚石抛光膏依次在抛光垫上进行抛光，而后在抛光机上用50nm的SiO2悬浮抛光液抛光3h，抛光完成后，用无水乙醇在高功率超声清洗机中对磁致伸缩衬底清洗20min，最后用N2迅速吹干，得到清洗后的磁致伸缩衬底；
步骤2、将步骤1清洗后的磁致伸缩衬底放入磁控溅射反溅室内，利用等离子体对衬底进行预处理，以去除衬底表面的水汽、气体、有机污染物层，增强压电薄膜与磁致伸缩衬底之间的附着力；预处理过程为：在磁控溅射反溅室内进行反溅，溅射功率为80W，溅射气压为3.5Pa左右，溅射时间为12min；
步骤3、在步骤2处理后的衬底上溅射50nm厚的金属Ti，作为过渡层，其中，溅射功率为90W，溅射气压为0.5Pa；其中，较高的溅射功率有利于Ti向FeGa衬底扩散，在后续生长ScAlN时，由于N也会向Ti扩散，生成TiNx界面层，从而有利于增强压电薄膜与磁致伸缩衬底之间的附着性；
步骤4、在步骤3得到的Ti过渡层表面溅射厚度为1μm的Sc14.5Al85.5N压电薄膜，其(002)衍射峰摇摆曲线半高宽为3.6°左右，表面粗糙度为2.36nm左右；
步骤5、在步骤4得到的压电薄膜表面制作单端口叉指换能器，其中，叉指电极采用金属铝，厚度为100nm，电极线宽4μm，叉指电极对数为200对，两侧反射栅均为500条，孔径/叉指周期为50，反射栅与叉指间距为0.375μm；完成所述磁电声表面波器件的制作。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：步骤1选取500μm厚的Fe0.725Ga0.275块材作为磁致伸缩衬底；步骤5在压电薄膜表面制备的是双端口叉指换能器结构，如图1所示，所述叉指换能器4包括输入端叉指电极5、输出端叉指电极6、输入端反射栅7和输出端反射栅8；其中，叉指电极采用金属铝，厚度为100nm，输入端叉指电极5和输出端叉指电极6均为100对，电极线宽2μm，两侧反射栅7和8均为500条，孔径/叉指周期为25，反射栅与叉指间距为0.375μm；完成所述磁电声表面波器件的制作。
如图2所示，为实施例1磁致伸缩衬底Fe0.813Ga0.187块材在磁场作用下的杨氏模量变化曲线，图2显示，实施例1Fe0.813Ga0.187磁致伸缩块材在测试磁场范围内发生了巨大的杨氏模量变化，在零磁场附近或在没有外加偏置磁场的情况下，杨氏模量效应dE/dH约为80MPa/Oe。
杨氏模量的改变会造成压电层中声表面波相速度的变化。通过散射矩阵法对多层结构声表面波波速色散关系计算发现，声表面波沿不同取向传播将表现出不同的特性。如图3所示，为实施例1得到的声表面波器件与传统的FeSiBC作为非晶带材得到的声表面波器件的声表面波频散曲线对比图，表明本发明磁电声表面波谐振器的截止频率上限大为提高。由图3可知，本发明Sc14.5Al85.5N/Fe0.813Ga0.187磁电声表面波器件中心频率(f0)与压电层厚度(h压电)乘积截止值达到1.58GHz·μm；而传统的AlN/FeSiBC器件的截止f·h乘积仅为0.18GHz·μm，在该值下是无法激发表面波的，如设工作频率为500MHz，则AlN的上限厚度仅为360nm，无法获得优良的(002)取向织构，如AlN的厚度为2μm，则声表面波的截止频率仅为90MHz。
如图4所示，为本发明磁电声表面波器件的截止频率随衬底泊松比的变化曲线，图中数值代表Ga的原子百分比。由图4可知，随着Ga含量的提高，Fe1-xGax磁致伸缩合金的泊松比越往负的方向移动，同时<110>{100}取向的杨氏模量E[110]也随之降低。如Fe0.725Ga0.275的杨氏模量仅为68GPa，但截止频率与压电层厚度的乘积(fh截至)仍然保持在很高的值。若选取泊松比为-0.41的Fe0.813Ga0.187块材作为磁致伸缩衬底，ScAlN压电薄膜的厚度为2μm，理论计算得到的磁电声表面波的相速度为3300m/s。
如图5所示，为实施例1得到的谐振器的S11参数测试结果；采用矢量网络分析仪对得到的谐振器进行S11参数测试，测试结果显示中心频率f0为218MHz，其对应的波速vp为3488m/s，考虑到光刻线条宽度存在10％的误差，该实验结果与计算结果很接近。

Claims (5)

1.一种基于负泊松比磁致伸缩衬底的磁电声表面波器件，包括磁致伸缩衬底、压电薄膜和叉指换能器，其特征在于，所述磁致伸缩衬底为具有负泊松比和拉胀效应的Fe1-xGax、Fe1-yAly或Ni1-zAlz磁致伸缩合金块材，其厚度大于2倍声表面波波长，其中，x＝0.12～0.33，y＝0.12～0.4，z＝0.041～0.125。
2.根据权利要求1所述的基于负泊松比磁致伸缩衬底的磁电声表面波器件，其特征在于，所述压电薄膜为AlN、ScAlN或GaN，其厚度为0.4～4μm。
3.根据权利要求1所述的基于负泊松比磁致伸缩衬底的磁电声表面波器件，其特征在于，所述磁致伸缩衬底的表面粗糙度小于5nm。
4.根据权利要求1所述的基于负泊松比磁致伸缩衬底的磁电声表面波器件，其特征在于，所述叉指换能器为单端口叉指换能器或者双端口叉指换能器。
5.权利要求1至4中任一项所述磁电声表面波器件在磁场传感器，或者磁场调谐的声表面波滤波器、谐振器、延迟线中的应用。
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