CN114462281A - 一种基于磁电耦合的体声波磁场传感器及其优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁电耦合的体声波磁场传感器及其优化方法，其结构包括磁性复合薄膜和体声波谐振器；磁性复合薄膜包括FeGaB磁致伸缩薄膜以及插入在FeGaB磁致伸缩薄膜中的Al2O3薄膜；体声波谐振器包括依次设置的Mo电极薄膜、AIN压电薄膜和硅基底。本发明设计的体声波磁场传感器采用了复合磁膜薄膜，抑制了涡流损耗并增强了软磁特性；同时采用压磁相/压电相双层结构设计，提高了磁电(ME)耦合效率；利用谐振增强ME耦合效应，通过设计压电相/压磁相、电极层的厚度，使传感器工作在复合薄膜的铁磁谐振频率，进一步提高了能量转化效率。由此得到体声波磁电耦合磁场传感器的性能优化方法。
Description
技术领域
本发明属于体声波磁场传感器优化技术领域，具体涉及一种基于磁电耦合的体声波磁场传感器及其优化方法。
背景技术
由体声波(BAW)驱动的磁场传感器因其高灵敏度、高达GHz的频率、小尺寸而引起了广泛的关注。磁电异质结构中的强应变介导磁电(ME)耦合证明了磁场和电场之间良好的能量转换。它在传感器和可调射频(RF)/微波器件等实用器件方面显示了巨大的潜力。ME耦合效应源于压电相的压电效应和压磁相的磁致伸缩效应，一般有两种ME异质结构，即块状ME复合材料和薄膜ME异质结构。在过去的二十年里，许多磁场传感器与块状ME复合材料被报道，但其设备尺寸都是厘米级或更大，难以小型化。与块状复合材料相比，声波驱动的基于薄膜ME异质结构的微磁场传感器具有小型化、弹性相互作用好、成本低、灵敏度高等优点，以及因与传统互补金属氧化物半导体(CMOS)技术集成的潜在能力，成为研究热点。声表面波(SAW)型传感器的静态灵敏度很高，但仅限于在kHz的中低频段工作，或测量静态/准静态磁场信号。而基于BAW激励的传感器因其高频特性、高功率容量、高能量转换效率等特点而受到了广泛的关注。
针对BAW ME磁场传感器已有大量的实验和理论研究。Hui等报道了一种基于AlN/FeGaB双层纳米板谐振器的MEMS谐振磁场传感器，通过在AlN CMR上沉积单层AlN/10层FeGaB/Al2O3的复合ME异质结构实现ME耦合。Nan等人报道了一种基于纳米板谐振器的ME结构，它具有良好的磁分辨率。同时，还通过建模和仿真方法对一些工作进行了演示。Wu等人报道了一种基于BAW谐振器的柔性磁场传感器，建立了传感器电路的等效Mason模型，通过选择具有高频偏移的超磁致伸缩材料电极提高了传感器的灵敏度。Martos等人提出了一种新型小型化磁电天线的电路仿真模型，并应用于低功耗传感。然而，关于基于BAW驱动和的微磁场传感器的材料、结构、器件仿真和性能优化的系统研究尚不多见。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于磁电耦合的体声波磁场传感器及其优化方法。
本发明的技术方案是：一种基于磁电耦合的体声波磁场传感器包括磁性复合薄膜和体声波谐振器；磁性复合薄膜包括FeGaB磁致伸缩薄膜以及插入在FeGaB磁致伸缩薄膜中的Al2O3薄膜；体声波谐振器包括依次设置的Mo电极薄膜、AIN压电薄膜和硅基底。
本发明的有益效果是：本发明设计的体声波磁场传感器采用了复合磁膜薄膜，抑制了涡流损耗并增强了软磁特性；同时采用压磁相/压电相双层结构设计，提高了磁电(ME)耦合效率；利用谐振增强ME耦合效应，通过设计压电相/压磁相、电极层的厚度，使传感器工作在复合薄膜的铁磁谐振频率，进一步提高了能量转化效率。由此得到体声波磁电耦合磁场传感器的性能优化方法。
基于以上系统，本发明还提出一种基于磁电耦合的体声波磁场传感器的优化方法，包括以下步骤：
S1：对体声波磁场传感器进行材料优化；
S2：根据体声波磁场传感器中磁电异质结构的应变系数、ME耦合系数和输出电压，进行结构优化；
S3：对体声波磁场传感器进行器件优化；
S4：构建基于材料优化、结构优化和器件优化的有限元分析模型，进行分析，完成基于磁电耦合的体声波磁场传感器的优化。
进一步地，步骤S1中，对体声波磁场传感器进行材料优化的具体方法为：将4层Al2O3薄膜插入至FeGaB薄膜中。
进一步地，Al2O3薄膜的厚度为5nm，FeGaB薄膜的厚度为600nm。
进一步地，步骤S2中，采用压磁相(磁性复合材料)/压电相(AlN)组成的两层磁电(ME)异质结构进行结构优化，磁电异质结构的应变系数SH、ME耦合系数αME和输出电压Ez的计算公式分别为：
Ez＝V/tp
其中，T表示磁致伸缩层的应力张量，u表示磁致伸缩层的位移张量，Hbias表示直流偏置，Hy表示沿Y方向添加的磁场，V表示压电层上表面的平均电压，tp表示压电层的厚度。
进一步地，步骤S3中，对体声波磁场传感器进行器件优化的具体方法为：通过调节磁电异质结构和电极的厚度，以匹配体声波谐振器的谐振频率，完成器件优化。
本发明的有益效果是：本发明提出了一种设计和优化体声波磁场传感器的方法，考虑了能量损失的抑制和能量转换效率的提高。建立了材料、结构和器件的有限元分析模型并进行了分析，采用射频磁控溅射法制备了磁性复合材料，通过磁滞回线和表面粗糙度表征了复合材料的软磁特性。本发明与CMOS技术易集成，由于其优异性能，在紧凑接收天线、生物医学应用和物联网领域等领域有着广阔的前景。此外，这一成果还将进一步指导其他ME耦合器件的结构设计和性能优化。
附图说明
图1为体声波磁场传感器的结构图；
图2为磁致伸缩层(FeGaB)的三维仿真模型的结构图；
图3为ME异质结构的结构图；
图4为磁场传感器的有限元模型的结构图；
图5为体声波磁场传感器的优化方法；
图6(a)为通过在FeGaB中插入单层氧化铝的厚度效应图；
图6(b)为通过在FeGaB中插入5nm氧化铝的厚度效应图；
图6(c)为通过在FeGaB中插入磁性复合材料的厚度效应图；
图7(a)为[FeGaB(120nm)/Al 2O3(5nm)]4/FeGaB(120nm)薄膜的TEM横截面和衍射花样图；
图7(b)为通过VSM和AFM得到的FeGaB与[FeGaB(120nm)/Al2O3(5nm)]4/FeGaB(120nm)的磁滞回线图；
图7(c)为通过VSM和AFM得到的FeGaB与[FeGaB(120nm)/Al2O3(5nm)]4/FeGaB(120nm)的表面粗糙度图；
图8(a)为随着偏置直流磁场的增加的应变变化曲线图；
图8(b)为随着偏置直流磁场的增加的ME耦合系数变化曲线图；
图8(c)为随着偏置直流磁场的增加的不同层ME异质结构的输出电压图；
图9(a)为磁性复合材料的磁导率图；
图9(b)为通过调整ME异质结构微调传感器的谐振频率图；
图9(c)为通过调整电极的厚度微调传感器的谐振频图；
图9(d)为在无偏置磁场时对压电层施加交流电压得到两层器件的导纳曲线图；
图10(a)为BAW ME磁场传感器的结构图；
图10(b)为BAW ME磁场传感器在一阶和二阶谐振频率下的输出电压变化图；
图10(c)为在不同的直流偏置磁场下，一阶谐振频率下的输出电压和灵敏度图；
图10(d)为直流偏置为54500A/m的传感器的线性度和测量范围图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
在描述本发明的具体实施例之前，为使本发明的方案更加清楚完整，首先对本发明中出现的缩略语和关键术语定义进行说明：
ME耦合系数：
引起单位磁场强度变化所需要的电场大小，表明磁电异质结构的磁场/电场能量转换效率。
如图1所示，本发明提供了一种基于磁电耦合的体声波磁场传感器，包括磁性复合薄膜和体声波谐振器；磁性复合薄膜包括FeGaB磁致伸缩薄膜以及插入在FeGaB磁致伸缩薄膜中的Al2O3薄膜；体声波谐振器包括依次设置的Mo电极薄膜、AIN压电薄膜和硅基底。
如图2所示，利用COMSOL Multiphysics多物理场分析软件中构建了磁致伸缩层(FeGaB)的三维仿真模型。在充气腔内的磁致伸缩层上施加磁场Hy和电场Ex，产生的高频动态磁通量，引起了如图2(i)所示的涡流回路和磁致伸缩效应。如图2(ii)所示，将不同厚度(0～100nm)和不同层数(0～10pcs)的Al2O3薄膜均匀插入磁致伸缩层，形成磁性复合材料，导致如图2(iii)中涡流密度急剧降低，磁致伸缩发生某种程度的退化。通过改变FeGaB的厚度0～3000nm，优化了复合膜的设计。为了表征磁性复合材料的软磁特性，把FeGaB(600nm)和[FeGaB(120nm)/Al2O3(5nm)]4/FeGaB(120nm)在SiO2上采用射频磁控溅射镀膜设备分层沉积，采用频率为13.56MHz，大小为100Oe的偏置磁场，FeGaB与Al2O3沉积之间没有破真空。FeGaB的溅射功率为RF80W，Al2O3的溅射功率为RF90W，溅射压强和本底真空度分别为0.7Pa和4×10-4Pa。采用透射电子显微镜(TEM)和能量色散x射线光谱(EDX)对其横截面和衍射图进行了表征。用振动样品磁强计(VSM)和原子力显微镜(AFM)分别测试了磁滞回线和表面粗糙度。此外，利用电子自旋谐振(ESR)技术测量了复合材料的磁导率。
如图3所示，在COMSOL Multiphysics多物理场分析软件中模拟了基于2-5层ME异质结构。通过将三维几何模型中的磁场、固体力学模块和静电模块耦合，建立了包括压磁相、压电相和空气域的ME异质结构的有限元模型。对直流偏置条件下的应变、ME系数、电压进行了模拟和比较，优化了ME异质结构.
如图4所示，基于材料和结构的优化结果，通过微调器件尺寸，分析磁复合材料的铁磁共振(FMR)与谐振器谐振频率之间的谐振增强ME耦合，构建了磁场传感器的有限元模型。最终完成了BAW ME磁场传感器的设计，并对其灵敏度、线性度和全范围进行了优化。
基于以上系统，本发明还提出一种基于磁电耦合的体声波磁场传感器的优化方法，如图5所示，包括以下步骤：
S1：对体声波磁场传感器进行材料优化；
S2：根据体声波磁场传感器中磁电异质结构的应变系数、ME系数和输出电压，进行结构优化；
S3：对体声波磁场传感器进行器件优化；
S4：构建基于材料优化、结构优化和器件优化的有限元分析模型，进行分析，完成基于磁电耦合的体声波磁场传感器的优化。
在本发明实施例中，步骤S1中，对体声波磁场传感器进行材料优化的具体方法为：将4层Al2O3薄膜插入至FeGaB薄膜中。在插入4层5nm Al2O3薄膜后，[FeGaB(120nm)/Al2O3(5nm)]4/FeGaB(120nm)的涡流损耗抑制率为86.7％，磁致伸缩特性损耗仅为1.1％，矫顽力和粗糙度较小。
在本发明实施例中，Al2O3薄膜的厚度为5nm，FeGaB薄膜的厚度为600nm。
如图6(a)所示，ECL的抑制率随着Al2O3薄膜厚度的增加而急剧增加，在10nm厚度时达到饱和值。特别是在Al2O3厚度为5nm时，其抑制率达到饱和值的98.5％，但其总体抑制值不高于66.8％。因此，仅仅通过增加Al2O3薄膜的厚度还不能实现有效的ECL抑制。同时，应变张量的降解率随Al2O3薄膜厚度的增加而呈近线性增加。在插入一个5nm的Al2O3薄膜后的应变张量降解率可控制在1.6％以内，得到ECL饱和抑制率为66.8％。
将多层Al2O3薄膜薄膜插入磁性材料中，抑制率有明显提高，如图6(b)所示。ECL抑制的增加速度逐渐减慢，然后达到最大值95.6％。当插入5nm厚的多层Al2O3薄膜，可以达到90％以上的抑制率，这是因为插入的绝缘膜可以将涡流环分离成几个较弱的涡流环，将涡流限制在较窄的空间内。同时，磁膜的磁致伸缩降解率随层数的增加而缓慢增加。插入1～4层Al2O3薄膜后，其含量小于1.8％，然后在超过4层时近线性增加，在10层时达到7.8％。因此，通过对磁致伸缩和ECL抑制之间的权衡，插入4层5nm Al2O3薄膜到600nm的FeGaB薄膜中后，磁致伸缩衰减率小于1.8％，ECL抑制率可达到85.1％以上。
如图6(c)所示，随着复合材料厚度的增加，抑制率呈“彩虹”形状的变化趋势，这可能是隔离效应与尺寸效应相互作用造成的结果。这两种效应分别在800nm厚度前后交替占主导地位。此外，对于较厚的磁性复合材料的磁致伸缩降解较小，特别是在600nm厚度时，复合材料的磁致伸缩退化率出现了超低的1.1％，ECL抑制率为86.7％。在引入一定数量的界面后，两层磁致伸缩层间的良好磁耦合可增强磁致伸缩性能。
如图7(a)所示，磁性复合材料的横截面和衍射图像呈非晶态，有效地抑制了薄膜的结晶和晶粒生长。因此，通过降低磁晶各向异性，提高晶粒间交换耦合，可以增强复合材料的软磁特性。在图7(b)-图7(c)中，测量了磁滞回线和表面粗糙度，从而比较了FeGaB和复合材料之间的软磁特性。在FeGaB薄膜中插入4层氧化铝后，矫顽力和表面粗糙度分别降低了98.9％和35.2％。静磁相互作用和表面粗糙度也被认为对改善软磁特性有积极的作用。
在本发明实施例中，步骤S2中，采用压磁相(磁性复合材料)/压电相(AlN)组成的两层磁电(ME)异质结构进行结构优化，磁电异质结构的应变系数SH、ME系数αME和输出电压Ez的计算公式分别为：
Ez＝V/tp
其中，T表示磁致伸缩层的应力张量，u表示磁致伸缩层的位移张量，Hbias表示直流偏置，Hy表示沿Y方向添加的磁场，V表示压电层上表面的平均电压，tp表示压电层的厚度。磁致伸缩层的应变随其位移梯度的变化而变化。因此，压磁/压电异质结构的ME耦合效应是由应变或机械能介导的。ME系数可以用于表征异质结构的ME耦合效率。
在不同偏置磁场条件下，通过ME异质结构的磁-电-机械能量转换，分析了ME异质结构的能量耦合。它的耦合在压电层的表面产生感应电荷，从而产生感应电压。因此，根据ME异质结构的应变、ME系数和输出电压，对传感器的结构进行了优化。应变系数和ME系数αME是评估ME异质结构耦合性能的最重要参数。
如图8(a)所示，两层结构中的应变最大。这是因为磁致伸缩层的应变受到位移梯度的影响，其应变变化规律与位移梯度的应变变化规律一致。此外，如图8(b)所示，还分析了偏置磁场(0～500Oe)下ME系数的变化规律。随着偏置磁场的增加，ME系数先增大后减小。ME系数最高的两层ME异质结构法的灵敏度最高，即磁电转换效率最高，输出电压最大。如图8(c)所示，两层结构的输出电压值也最大。因此，基于两层ME异质结构的结构可以实现最佳的能量耦合。
综上，通过优化磁场传感器异质结构层的应变、ME系数和输出电压提高了磁场传感器的灵敏度。
在本发明实施例中，如图1所示，步骤S3中，对体声波磁场传感器进行器件优化的具体方法为：通过调节磁电异质结构和电极的厚度，以匹配体声波谐振器的谐振频率，完成器件优化。
磁性复合材料的磁导率如图9(a)所示，其谐振频率为1.51GHz。为了通过谐振增强ME耦合获得最高的输出电压，BAW ME磁场传感器应在相同的谐振频率下工作。因此，需要优化器件的尺寸，包括压电/磁性层和电极的厚度在内的器件尺寸，以匹配磁性复合材料的FMR和BAW谐振器的谐振频率。图9(b)-图9(c)显示了通过调整ME异质结构和电极的厚度，可以微调传感器的谐振频率。如图9(d)所示，考虑质量负载效应，BAW谐振器(2.65GHz)与薄膜(压电层600nm/磁层600nm，Mo电极200nm)之间的谐振频率匹配良好。该传感器的一阶和二阶谐振频率分别为1.51GHz和3.60GHz。
如图10(a)所示，对BAW ME磁场传感器的设计进行了优化，包括磁性复合材料(FeGaB与4层氧化铝均匀插入，TA为5nm)，结构(2层压磁/压电异质结构，h为600nm)，电极(δ为200nm)。为了评估磁场传感器的性能，采用了不同的直流偏差(20000-80000A/m)来表征输出电压和ME系数，如图10(b)所示。谐振频率下的输出电压明显高于其他频率的输出电压，且一阶谐振频率下的最大输出电压大于二阶谐振频率下的输出电压。
灵敏度和线性度是评价BAW ME磁传感器性能的重要参数。其计算公式如下：
如式(1)所示，S,V,和h分别为灵敏度、输出电压、压电层厚度。传感器的灵敏度与压电/压磁异质结构耦合系数αME以及压电相的厚度有关。为了获得良好的ME耦合，在BAW ME磁传感器的设计时，综合考虑如何提高能量转换效率、抑制涡流损耗是非常必要的。在式(2)中，aL,ΔYmax,以及YFS分别是线性度、校准曲线与拟合线的最大偏差、全量程输出电压差。因此，传感器的线性度误差大小与拟合直线的选择和传感器量程选择相关联。本发明采用最小二乘法计算得到拟合直线。
在图10(c)中可以看出，在60000A/m的偏置磁场下，一阶谐振频率下的输出电压上升到最高，然后降低。与此同时，采用V-H曲线的微分分析方法，发现传感器在54500A/m的直流偏置磁场下的灵敏度最高。如图10(d)所示，在施加在传感器上的直流偏置磁场保持54500A/m时，线性度优于1.30％，灵敏度高达2.33μmV/A，测量范围宽至0-5000A/m。
本发明的工作原理及过程为：本发明在器件设计过程中系统地考虑了体声波磁电耦合(BAW ME)磁场传感器的能量损耗抑制和能量转换效率提高。在COMSOL Multiphysics软件中建立了材料(磁性复合材料)、结构(ME异质结构)和器件(BAW ME磁场传感器)的有限元分析(FEA)模型，并进行了分析。另外，采用了射频磁控溅射法制备复合材料，并通过磁滞回线和表面粗糙度等方法表征复合材料的软磁特性。在600nm的FeGaB中插入4层5nm Al2O3薄膜后，实现了86.7％的涡流损耗抑制率，而磁致伸缩特性损耗仅为1.1％，具有更好的软磁特性。此外，与其他结构相比，2层压磁/压电异质结构具有更好的ME耦合性能。最终，利用复合磁性材料的铁磁共振频率，与BAW谐振器的谐振频率相匹配，实现了谐振增强磁耦合作用，因此对BAW ME磁场传感器的结构进行优化设计。当施加54500A/m的直流偏置磁场时，该传感器工作在一阶谐振频率下，具有良好的性能，线性度优于1.30％，灵敏度高达2.33μmV/A，测量范围可覆盖0-5000A/m。当施加大小为54500A/m的直流偏置磁场时，该传感器在一阶谐振频率下工作，具有良好的性能。线性度优于1.30％，灵敏度高达2.33μmV/A，测量范围可覆盖0-5000A/m，基于谐振增强的ME耦合，能量转换效率最高，涡流损耗最低。
本发明的有益效果为：
(1)本发明设计的体声波磁场传感器采用了复合磁膜薄膜，抑制了涡流损耗并增强了软磁特性；同时采用压磁相/压电相双层结构设计，提高了磁电(ME)耦合效率；利用谐振增强ME耦合效应，通过设计压电相/压磁相、电极层的厚度，使传感器工作在复合薄膜的铁磁谐振频率，进一步提高了能量转化效率。由此得到体声波磁电耦合磁场传感器的性能优化方法。
(2)本发明提出了一种设计和优化体声波磁场传感器的方法，考虑了能量损失的抑制和能量转换效率的提高。建立了材料、结构和器件的有限元分析模型并进行了分析，采用射频磁控溅射法制备了磁性复合材料，通过磁滞回线和表面粗糙度表征了复合材料的软磁特性。本发明与CMOS技术易集成，由于其优异性能，在紧凑接收天线、生物医学应用和物联网领域等领域有着广阔的前景。此外，这一成果还将进一步指导其他ME耦合器件的结构设计和性能优化。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于磁电耦合的体声波磁场传感器，其特征在于，包括磁性复合薄膜和体声波谐振器；所述磁性复合薄膜包括FeGaB磁致伸缩薄膜以及插入在FeGaB磁致伸缩薄膜中的Al2O3薄膜；所述体声波谐振器包括依次设置的Mo电极薄膜、AIN压电薄膜和硅基底。
2.一种基于磁电耦合的体声波磁场传感器的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对体声波磁场传感器进行材料优化；
S2：根据体声波磁场传感器中磁电异质结构的应变系数、ME系数和输出电压，进行结构优化；
S3：对体声波磁场传感器进行器件优化；
S4：构建基于材料优化、结构优化和器件优化的有限元分析模型，进行分析，完成基于磁电耦合的体声波磁场传感器的优化。
3.根据权利要求2所述的基于磁电耦合的体声波磁场传感器的优化方法，其特征在于，所述步骤S1中，对体声波磁场传感器进行材料优化的具体方法为：将4层Al2O3薄膜插入至FeGaB薄膜中。
4.根据权利要求3所述的基于磁电耦合的体声波磁场传感器的优化方法，其特征在于，所述Al2O3薄膜的厚度为5nm，所述FeGaB薄膜的厚度为600nm。
5.根据权利要求2所述的基于磁电耦合的体声波磁场传感器的优化方法，其特征在于，所述步骤S2中，采用压磁相和压电相组成的两层磁电异质结构进行结构优化，磁电异质结构的应变系数SH、ME系数αME和输出电压Ez的计算公式分别为：
Ez＝V/tp
其中，T表示磁致伸缩层的应力张量，u表示磁致伸缩层的位移张量，Hbias表示直流偏置，Hy表示沿Y方向添加的磁场，V表示压电层上表面的平均电压，tp表示压电层的厚度。
6.根据权利要求2所述的基于磁电耦合的体声波磁场传感器的优化方法，其特征在于，所述步骤S3中，对体声波磁场传感器进行器件优化的具体方法为：通过调节磁电异质结构和电极的厚度，以匹配体声波谐振器的谐振频率，完成器件优化。
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