CN109811325B - 一种磁振子晶体磁传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种磁振子晶体磁传感器及其制备方法，属于磁传感技术领域。所述磁传感器包括钆镓石榴石衬底，位于钆镓石榴石衬底之上的钇铁石榴石薄膜，位于YIG上的静磁表面波激发天线和接收天线，位于YIG上的氧化锌薄膜以及位于氧化锌薄膜之上的带有反射栅的等距叉指电极。本发明提供的一种磁振子晶体磁传感器，是利用外界磁场发生微小变化与磁振子晶体中传播的SMSW的吸收峰发生偏移的线性关系来实现磁探测的。本发明方法得到的SAW频率较高，可有效提高磁振子带隙结构的温度稳定性，进而提高磁传感器的温度稳定性。
Description
技术领域
本发明属于磁传感技术领域，具体涉及一种磁振子晶体磁传感器及其制备方法。
背景技术
磁传感器广泛应用于现代工业和电子产品中，根据测量方法的不同，磁传感分为霍尔磁传感器、磁通门磁传感器、磁电阻传感器以及超导量子干涉器件(SQUID)等。基于磁传感器的广泛应用，高灵敏度、小型化以及稳定性备受关注。磁振子晶体是一种周期性人造磁性微结构，通过改变周期性结构可以调控磁振子晶体禁带结构，外界磁场发生微小变化时会使磁振子晶体带隙变化，导致磁振子晶体中传播的SMSW(硅基单模-多模-单模波导)的吸收峰发生偏移，从而可以利用磁振子晶体这一特性制备高灵敏磁传感器。YIG是一种常用磁振子晶体基础材料，通常在YIG上刻蚀周期性图形和沟道实现周期性人造磁性微结构，最终形成磁振子晶体。目前，用于刻蚀周期性图形和沟道的方法主要有干法刻蚀和湿法刻蚀。干法刻蚀即离子刻蚀，其存在成本高、易损伤YIG等问题；化学湿法刻蚀首先通过光刻得到图形，然后采用化学试剂进行刻蚀，其存在稳定性差、刻蚀图形不规则等问题，上述问题均会影响磁振子晶体的性能。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出了一种温度稳定性高、尺寸小的磁振子晶体磁传感器及其制备方法。
本发明提供的一种磁振子晶体磁传感器，在YIG薄膜中引入声表面波(SAW)，由于磁致伸缩效应，声表面波对YIG形成了周期性的微扰，从而在YIG中实现了周期性磁性单元，即形成了周期性人造磁性微结构的磁振子晶体。本发明在YIG薄膜中引入声表面波只需在YIG上制备压电薄膜和叉指换能器(IDT)即可产生声表面波，压电薄膜和叉指换能器可采用磁控溅射和光刻技术得到，方法简单；本发明通过在YIG薄膜中引入声表面波形成SAW-YIG磁振子晶体，高频SAW可以提高磁振子带隙结构的温度稳定性，进而提高了磁传感器的温度稳定性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种磁振子晶体磁传感器，如图1所示，包括钆镓石榴石衬底(GGG)，位于钆镓石榴石衬底之上的钇铁石榴石(YIG)薄膜，位于YIG上的静磁表面波激发天线和接收天线，位于YIG上的氧化锌薄膜(ZnO)以及位于氧化锌薄膜之上的带有反射栅的叉指换能器。
进一步地，所述钇铁石榴石(YIG)薄膜的厚度为1～5μm；位于YIG上的静磁表面波激发天线和接收天线宽度为20μm，间距为200μm，材料为铂，厚度为0.25μm；所述氧化锌薄膜的厚度为0.5～2μm，晶粒尺寸为20～50nm，表面粗糙度为1～5nm；所述叉指换能器为金属铝、金或铜等，波长为0.5～40μm，叉指对数为100～200对，反射栅为150～200条。
本发明还提供了一种磁振子晶体磁传感器的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1、采用液相外延法在钆镓石榴石衬底(GGG)上生长钇铁石榴石(YIG)薄膜，得到带YIG的基片；
步骤2、清洗：首先，将步骤1得到的带YIG的基片在体积比为1:1的浓硫酸和双氧水的混合液中浸泡15～30min，取出采用去离子水冲洗；然后，将上步清洗后的基片在体积比为1:1:5的氨水、双氧水和去离子水的混合液中浸泡15～30min，取出采用去离子水冲洗；最后，依次在丙酮和乙醇中超声清洗，氮气吹干待用；
步骤3、采用光刻工艺在步骤2清洗后的YIG基片上形成天线图形，再采用磁控溅射法沉积铂金属，最后在丙酮中剥离得到带天线的YIG基片，清洗，使用干净的硅片或其他基片把天线遮挡；
步骤4、将氧化锌靶材和步骤3得到的带天线的YIG基片放入磁控溅射腔室内，溅射腔室抽真空至5×10-4～8×10-5Pa，在室温下，向腔室内通入氩气与氧气的混合气体，混合气体总流量为80sccm，其中氧气流量为2～10sccm，在靶基距为78mm、射频溅射功率为40～120W的条件下，预溅射15～30min，沉积时间50～120min，即可得到氧化锌薄膜；
步骤5、将步骤4得到的带天线和氧化锌薄膜的YIG基片置于退火炉中，在氧气气氛下，对步骤4得到的氧化锌薄膜进行退火处理，升温速率为5℃/s，退火温度为400～500℃，退火时间为1～2h，完成后，自然冷却至室温，取出；
步骤6、在步骤5得到的氧化锌薄膜上光刻带有反射栅叉指换能器图形，采用磁控溅射法沉积金属铝电极，在丙酮溶液中剥离，得到带有反射栅的叉指换能器，进而得到所述磁振子晶体磁传感器。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供的一种磁振子晶体磁传感器，在YIG薄膜中引入声表面波(SAW)，由于磁致伸缩效应，声表面波对YIG形成了周期性的微扰，从而在YIG中实现了周期性磁性单元，即形成了周期性人造磁性微结构的磁振子晶体；制备工艺简单，得到的磁振子晶体可用于磁传感器。
2、本发明提供的一种磁振子晶体磁传感器，是利用外界磁场发生微小变化与磁振子晶体中传播的SMSW的吸收峰发生偏移的线性关系来实现磁探测的。本发明方法得到的SAW频率较高，可有效提高磁振子带隙结构的温度稳定性，进而提高磁传感器的温度稳定性。
3、本发明提供的一种磁振子晶体磁传感器的制备方法，在沉积氧化锌薄膜的过程中引入氧气流以及在氧氛围下退火处理可以有效减少氧空位的产生，从而得到500nm厚的表面平滑、残余应力小以及具有高度c轴择优取向的ZnO压电薄膜，用于产生更高频率SAW，有效减小了传感器尺寸；带有反射栅的IDT可以将反向传播的声表面波通过干涉抵消掉，增强了正向传播的声表面波，有效避免了能量的损耗。
附图说明
图1为本发明提供的一种磁振子晶体磁传感器的结构示意图；其中，1为钆镓石榴石衬底(GGG)，2为钇铁石榴石(YIG)薄膜，3为静磁表面波的激励天线，4为静磁表面波的接收天线，5为氧化锌(ZnO)压电薄膜，6为叉指换能器，7为反射栅；
图2为本发明实施例得到的ZnO薄膜的X射线衍射(XRD)图谱；
图3为本发明实施例得到的16μm波长的叉指电极的显微照片。
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。
图1为本发明提供的一种磁振子晶体磁传感器的结构示意图；由图1可知，本发明磁振子晶体磁传感器包括钆镓石榴石衬底(GGG)；形成于GGG衬底之上的钇铁石榴石(YIG)薄膜；位于YIG上的静磁表面波激发天线和接收天线，间距200μm，用于在磁振子晶体中激励和检测SMSW；位于YIG上的氧化锌薄膜(ZnO)，作为磁传感器的温度补偿层；以及位于其顶层带有反射栅的等距IDT，用于产生声表面波；由于声表面波能量主要集中在氧化锌薄膜表面向内部的一个波长之内，而波长为16μm，氧化锌薄膜厚度为500nm，YIG为5μm，故声表面能够完全在YIG中传播，即可以实现SAW-YIG磁振子晶体带隙的调谐。
实施例1
一种磁振子晶体磁传感器的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1、采用液相外延法在钆镓石榴石衬底(GGG)上生长钇铁石榴石(YIG)薄膜，得到带YIG的基片；
步骤2、清洗：首先，将步骤1得到的带YIG的基片在体积比为1:1的浓硫酸和双氧水的混合液中浸泡20min，取出采用去离子水冲洗；然后，将上步清洗后的基片在体积比为1:1:5的氨水、双氧水和去离子水的混合液中浸泡20min，取出采用去离子水冲洗；最后，依次在丙酮和乙醇中超声清洗，氮气吹干待用；
步骤3、采用光刻工艺在步骤2清洗后的YIG基片上形成天线图形，再采用磁控溅射法沉积铂金属，最后在丙酮中剥离得到带天线的YIG基片，清洗，使用干净的硅片或其他基片把天线遮挡；
步骤4、将氧化锌靶材和步骤3得到的带天线的YIG基片放入磁控溅射腔室内，溅射腔室抽真空至5×10-4，在室温下，向腔室内通入氩气与氧气的混合气体，混合气体总流量为80sccm，其中氧气流量为4sccm，在靶基距为78mm、射频溅射功率为80W的条件下，预溅射30min，沉积时间50min，即可得到氧化锌薄膜；
步骤5、将步骤4得到的带天线和氧化锌薄膜的YIG基片置于退火炉中，在氧气气氛下，对步骤4得到的氧化锌薄膜进行退火处理，升温速率为5℃/s，退火温度为450℃，退火时间为1h，完成后，自然冷却至室温，取出，从图2中可以看出得到的ZnO薄膜表现出较好的(002)c轴择优取向；
步骤6、在步骤5得到的氧化锌薄膜上光刻带有反射栅的IDT图形，采用磁控溅射法沉积金属铝电极，在丙酮溶液中剥离，得到带有反射栅的IDT，如图3所示，进而得到所述磁振子晶体磁传感器。
矢网测试该结构的声表面波频率响应为202MHz，通过计算得到声速为3232m/s，有助于制得温度稳定性好的磁振子晶体磁传感器。
Claims (3)
1.一种磁振子晶体磁传感器，包括钆镓石榴石衬底，位于钆镓石榴石衬底之上的钇铁石榴石薄膜，位于钇铁石榴石薄膜上的静磁表面波激发天线和接收天线，位于钇铁石榴石薄膜上的氧化锌薄膜以及位于氧化锌薄膜之上的带有反射栅的叉指换能器。
2.根据权利要求1所述的磁振子晶体磁传感器，其特征在于，所述钇铁石榴石薄膜的厚度为1～5μm；所述氧化锌薄膜的厚度为0.5～2μm，晶粒尺寸为20～50nm，表面粗糙度为1～5nm；所述叉指换能器为金属铝、金或铜，波长为0.5～40μm，叉指对数为100～200对，反射栅为150～200条。
3.一种磁振子晶体磁传感器的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1、采用液相外延法在钆镓石榴石衬底上生长钇铁石榴石薄膜，得到带YIG的基片；
步骤2、清洗：首先，将步骤1得到的带YIG的基片在体积比为1:1的浓硫酸和双氧水的混合液中浸泡15～30min，取出采用去离子水冲洗；然后，将上步清洗后的基片在体积比为1:1:5的氨水、双氧水和去离子水的混合液中浸泡15～30min，取出采用去离子水冲洗；最后，依次在丙酮和乙醇中超声清洗，氮气吹干待用；
步骤3、采用光刻工艺在步骤2清洗后的YIG基片上形成天线图形，再采用磁控溅射法沉积铂金属，最后在丙酮中剥离得到带天线的YIG基片，清洗；
步骤4、将氧化锌靶材和步骤3得到的带天线的YIG基片放入磁控溅射腔室内，溅射腔室抽真空至5×10-4～8×10-5Pa，在室温下，向腔室内通入氩气与氧气的混合气体，混合气体总流量为80sccm，其中氧气流量为2～10sccm，在射频溅射功率为40～120W的条件下，沉积50～120min，即可得到氧化锌薄膜；
步骤5、将步骤4得到的带天线和氧化锌薄膜的YIG基片置于退火炉中，在氧气气氛下，对步骤4得到的氧化锌薄膜进行退火处理，退火温度为400～500℃，退火时间为1～2h，完成后，自然冷却至室温，取出；
步骤6、在步骤5得到的氧化锌薄膜上光刻带有反射栅叉指换能器图形，采用磁控溅射法沉积金属电极，在丙酮溶液中剥离，得到带有反射栅的叉指换能器，进而得到所述磁振子晶体磁传感器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20201023 |