CN114062978B - 一种基于压电隧道效应的mems磁场传感器及测量磁场方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压电隧道效应的MEMS磁场传感器及测量磁场方法，磁场传感器包括衬底p‑GaN、绝缘层Al2O3、磁致伸缩层FeCoB和电极。在磁场作用下，由于磁致伸缩效应，磁致伸缩层将会对压电衬底施加应力，应力导致GaN中会产生压电势。晶体内压电势将作为栅极电压来调节电荷传输行为，即绝缘层隧穿势垒的高度和宽度被调制，从而调制隧穿运输，I‑V曲线发生相应的变化。由I‑V曲线的变化即可得到相应的磁场信息。该磁场传感器结构简单，灵敏度高。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，尤其是一种基于压电隧道效应的MEMS磁场传感器及测量磁场方法。
背景技术
磁和电是自然界中广泛存在的两类信号，如何获取和处理磁信号和电信号中的信息一直是科学技术研究工作的重点，磁电转换装置在各个领域中广泛采用，如计算机中利用磁盘/磁带驱动器上的磁传感器存储数据、手机上通过对地磁场探测来进行GPS定位、医疗上脑磁的精确测定等。磁电材料是一种具有磁电效应的功能材料，磁电效应是指在外加磁场作用下产生电极化或在外加电场作用下诱导磁化的现象。这种磁电转换功能在传感技术、信息技术、自动化技术、能源技术等领域有着巨大的应用潜力。
微电子机械系统(micro electro-mechanical system,MEMS)是由机械、电子以及其它一些功能器件集成在单芯片或多芯片上构成的微型系统。广义上讲,MEMS是集微机械、微传感器、信号处理、微执行器、智能控制以及电源于一体的微机电系统，涉及电子、力学、热学、生物、磁学、光学、信息和化学等多种学科领域。MEMS器件具有体积小、重量轻、耗能低、性能稳定等许多优势，在民用和军事领域都有着很广泛的应用。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于压电隧道效应的MEMS磁场传感器及测量磁场方法，该磁场传感器灵敏度高，响应时间短。
本发明的一种基于压电隧道效应的MEMS磁场传感器，包括衬底、绝缘层、电极层和磁致伸缩层，绝缘层和磁致伸缩层生长在衬底上，电极层生长在绝缘层上。绝缘层与电极层的厚度之和等于磁致伸缩层的厚度，磁致伸缩层位于绝缘层与电极层的周围；衬底是具有半导体特性及压电效应的材料。属电极-绝缘层-衬底形成MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)即绝缘栅结构。
将本发明磁场传感器置于磁场中，在磁场作用下，由于磁致伸缩效应，磁致伸缩层将会对具有半导体特性及压电效应的衬底施加应力，应力导致衬底中晶体产生压电势，从而调制隧穿运输，磁场传感器的I-V曲线发生相应变化，由I-V曲线的变化即可得到相应的磁场信息。
一种基于压电隧道效应的MEMS磁场传感器的测量磁场方法，具体步骤如下：
步骤1，将MEMS磁场传感器置于磁场中，磁场方向沿磁致伸缩层的长度方向；
步骤2，在外电场的作用下，磁致伸缩层沿长度方向拉伸，且忽略沿厚度方向上的变形，磁致伸缩层将会对具有半导体特性及压电效应的衬底施加应力，衬底应变在线性区域内变化,选择压电材料的线性本构方程；
具有压电效应的衬底的线性本构方程通过应变电荷的形式写入,表示为:
ε＝ε0+SE(S-S0)+dTE1
D＝Dr+d(S-S0)+ξE1
电势有以下约束：
其中ε，ε0，S，S0分别表示应变张量、初始应变、应力张量和初始应力，SE和d表示柔度矩阵和压电系数矩阵，E1和D为感应电场和电位移矩阵，Dr表示剩余电位移，ξ表示介电常数矩阵，V0为电势。
步骤3，将衬底接地，电极层接正电势，电极层和绝缘层形成隧道结；可得到隧穿电流密度方程
其中q是电子电荷，是约化普朗克常数，m*是衬底中有效空穴质量，φOX是绝缘层两端的电压降，E是绝缘层内部相应的平均电场；φOX满足
φOX＝φOX-V0
φ'OX是未加磁场时绝缘层两端的电压降。
步骤4，衬底与磁致伸缩层之间的动态平衡可以写成平衡方程：
下标i表示的不同的材料，当i＝m时，是指磁致伸缩层；当i＝p时，是指压电层；ρ是密度，u是主位移矢量，S是应力张量。
由平衡方程式、本构方程以及隧穿电流密度方程可知在磁场作用下可使压电层产生压电势V0，晶体内压电势将作为栅极电压来调节电荷传输行为，即绝缘层隧穿势垒的高度和宽度被调制，从而调制隧穿运输，I-V曲线发生相应的变化。由I-V曲线的变化即可得到磁场大小。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.结构简单。本发明的MEMS磁场传感器，仅需要简单的工艺得到绝缘栅结构以及磁致伸缩/压电复合结构，利用磁致伸缩效应和压电效应以及隧穿效应，将磁信号转化为电信号，从而可以实现磁场大小的测量。
2.在磁场幅值较低的情况下，弱磁场与输出信号呈现较好的线性度。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图1(a)是本发明实施例的结构剖面图。
图1(b)是本发明实施例的结构侧视图。
图1(c)是本发明实施例的结构俯视图。
图2是本发明实施例的结构的原理图。
图2(a)是本发明实施例的无外加磁场时示意图
图2(b)是本发明实施例的有外加磁场是示意图。
图3是本发明实施例在固定电压下，相对电流密度与磁场的关系图。
其中：1、衬底；2、绝缘层；3、磁致伸缩层、4、电极层。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1所示，本发明的一种基于压电隧道效应的MEMS磁场传感器包括衬底1、绝缘层2、磁致伸缩层3和电极层4，绝缘层2和磁致伸缩层3生长在衬底1上，电极层4生长在绝缘层2上。绝缘层2与电极层4的厚度之和等于磁致伸缩层3的厚度，磁致伸缩层3位于绝缘层2与电极层4的周围。其中，图1(a)是本发明实施例的结构剖面图，图1(b)是本发明实施例的结构侧视图，图1(c)是本发明实施例的结构俯视图。
衬底1是同时具有半导体特性及压电效应的材料包括但不限于p-GaN，绝缘层2包括但不限于Al2O3,磁致伸缩层3材料包括但不限于FeCoB，电极层4材料包括但不限于Pt。且绝缘层2厚度小于10nm。
本发明的一种基于压电隧道效应的MEMS磁场传感器测量磁场的方法包括如下过程：
将本发明的本发明一种基于压电隧道效应的MEMS磁场传感器置于磁场中，在磁场作用下，由于磁致伸缩效应，磁致伸缩层3将会对同时具有半导体特性及压电效应的衬底1施加应力，如图2所示，应力导致衬底1中晶体会产生压电势。其中，图2(a)是本发明实施例的无外加磁场时示意图，图2(b)是本发明实施例的有外加磁场是示意图。晶体内压电势将作为栅极电压来调节电荷传输行为，即绝缘层隧穿势垒的高度和宽度被调制，从而调制隧穿运输，DC特性即I-V曲线发生相应变化。由I-V曲线的变化即可得到相应的磁场信息
利用磁电效应，将磁信号转化为电信号。磁电效应是指在外加磁场作用下产生电极化的现象。在外磁场的作用下，磁电层即磁致伸缩层FeCoB以及衬底压电层GaN经历了磁-机-电的转化。
1.平衡方程：
已知本发明衬底1与磁致伸缩层3之间的动态平衡可以写成平衡方程：
下标i表示的不同的材料，当i＝m时，是指磁致伸缩层3；当i＝p时，是指GaN压电层；ρ是密度，u是主位移矢量，S是应力张量。
2.本构方程
对于磁致伸缩层3，磁致伸缩材料发生形变,但其材料体积不发生变化，研究中采用了沿长度方向磁化的磁致伸缩材料,同时沿长度方向施加磁场,故该磁致伸缩材料主应变为长度方向,发生长度方向上拉伸,而沿厚度方向上变形则较小，因此研究中假设材料沿长度上发生拉伸变形，忽略磁致伸缩层3沿厚度方向上变形的影响.相应的应力应变满足关系式：
S-S0＝C·(ε-ε0),
C＝C(E,v)
其中T代表变换，C为刚度矩阵，S表示应力张量，S0表示初始应力，ε0表示初始应变，ε表示应变张量。
对于具有压电效应的衬底1，压电材料本构关系采用应变电荷型.因为压电层变化由磁致伸缩层3的应变驱动,外加磁场使磁致伸缩层3发生应变，然后传递给具有压电效应的衬底1，压电材料极化沿z轴,X-Y平面各向同性,介电常数矩阵只取对角项。压电层发生的形变小，其应变依然在线性区域内变化,因此选择压电材料的线性本构方程.具有压电效应的衬底1的线性本构方程通过应变电荷的形式写入,表示为:
ε＝ε0+SE(S-S0)+dTE1
D＝Dr+d(S-S0)+ξE1
电势有以下约束：
其中ε，ε0，S，S0分别表示应变张量、初始应变、应力张量和初始应力，SE和d表示柔度矩阵和压电系数矩阵，E1和D为感应电场和电位移矩阵，Dr表示剩余电位移，ξ表示介电常数矩阵，V0为电势。如图3所示。
3.隧穿电流密度
将衬底1接地，Pt接正电势，电极Pt、氧化层Al2O3形成隧道结。可得到隧穿电流密度方程
其中q是电子电荷，是约化普朗克常数，m*是GaN的有效空穴质量，φOX是氧化物两端的电压降，E是氧化物内部相应的平均电场。φOX满足
φOX＝φOX-V0
φ'OX是未加磁场时氧化物两端的电压降。
综合平衡方程式以及本构方程式知在磁场作用下可使GaN产生压电势V0，晶体内压电势将作为栅极电压来调节电荷传输行为，即绝缘层隧穿势垒的高度和宽度被调制，从而调制隧穿运输，I-V曲线发生相应的变化。由I-V曲线的变化即可得到磁场大小。结合公式知压电势与外加磁场呈线性正相关，而在固定外加电势下，隧穿电流与压电势呈正相关。
Claims (4)
1.一种基于压电隧道效应的MEMS磁场传感器，其特征在于，包括衬底(1)、绝缘层(2)、磁致伸缩层(3)和电极层(4)，绝缘层(2)和磁致伸缩层(3)生长在衬底(1)上，电极层(4)生长在绝缘层(2)上；磁致伸缩层(3)位于绝缘层(2)与电极层(4)的周围；衬底(1)是具有半导体特性及压电效应的材料；
电极层-绝缘层-衬底形成MOS即绝缘栅结构。
2.根据权利要求所述一种基于压电隧道效应的MEMS磁场传感器，其特征在于，衬底(1)的材料为p-GaN，绝缘层(2)的材料为Al2O3,磁致伸缩层(3)的材料为FeCoB，金属电极层(4)材料为Pt。
3.根据权利要求1或2所述一种基于压电隧道效应的MEMS磁场传感器，其特征在于，且绝缘层(2)厚度小于10nm。
4.一种如权利要求1所述基于压电隧道效应的MEMS磁场传感器测量磁场的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，将MEMS磁场传感器置于磁场中，磁场方向沿磁致伸缩层(3)的长度方向；
步骤2，在外电场的作用下，磁致伸缩层(3)沿长度方向拉伸，磁致伸缩层(3)对具有半导体特性及压电效应的衬底(1)施加应力，衬底(1)应变在线性区域内变化,选择压电材料的线性本构方程；
衬底(1)的线性本构方程通过应变电荷的形式写入,表示为：
ε＝ε0+SE(S-S0)+dTE1
D＝Dr+d(S-S0)+ξE1
电势有以下约束：
其中ε，ε0，S，S0分别表示应变张量、初始应变、应力张量和初始应力，SE和d表示柔度矩阵和压电系数矩阵，E1和D为感应电场和电位移矩阵，Dr表示剩余电位移，ξ表示介电常数矩阵，V0为电势；
步骤3，将衬底(1)接地，电极层(4)接正电势，电极层(4)和绝缘层(2)形成隧道结；可得到隧穿电流密度方程
其中q是电子电荷，是约化普朗克常数，m*是衬底中有效空穴质量，φOX是绝缘层(2)两端的电压降，E是绝缘层(2)内部相应的平均电场；φOX满足
φOX＝φ′OX-V0
φ'OX是未加磁场时绝缘层(2)两端的电压降；
步骤4，衬底(1)与磁致伸缩层(3)之间的动态平衡可以写成平衡方程：
下标i表示的不同的材料，当i＝m时，是指磁致伸缩层(3)；当i＝p时，是指压电层；ρ是密度，u是主位移矢量，S是应力张量；
由平衡方程式、本构方程以及隧穿电流密度方程可知在磁场作用下可使压电层产生压电势V0，晶体内压电势将作为栅极电压来调节电荷传输行为，即绝缘层(2)隧穿势垒的高度和宽度被调制，从而调制隧穿运输，I-V曲线发生相应的变化；由I-V曲线的变化即可得到磁场大小。
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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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