CN114609554B - 一种长度伸缩谐振型磁传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种长度伸缩谐振型磁传感器，属于磁传感器技术领域，包括第一引出电极，第二引出电极，以及自下而上依次设置的基座、下磁敏薄膜、下电极层、压电薄膜层、上电极层和上磁敏薄膜；压电薄膜层包括中间镂空的绝缘结构，位于绝缘结构镂空区域的长度伸缩型压电薄膜结构，以及两个用于固定的支撑梁；基座上表面设有空腔，下磁敏薄膜和下电极层位于空腔内部对应压电薄膜结构位置；上电极层与第一引出电极相连，下电极层贯穿绝缘结构与第二引出电极相连。本发明中下磁敏薄膜和上磁敏薄膜均可与待测磁场充分接触，同时利用压电薄膜结构的长度伸缩特性，保证ΔE效应的充分转换，提高磁传感器的相对灵敏度。

Description

一种长度伸缩谐振型磁传感器
技术领域
本发明属于磁传感器技术领域，具体涉及一种长度伸缩谐振型磁传感器。
背景技术
目前，磁传感器被广泛应用于各个领域，如生物医学检测、汽车工业、智能家居等，但现有的磁传感器在实现超低磁场的高灵敏度检测上存在一定挑战。由于磁场变化可引起磁敏薄膜的弹性模量E发生变化，即ΔE效应，而弹性模量E又与谐振频率息息相关，所以跟踪谐振频率可以获得外界磁场大小的变化，为实现高灵敏度的谐振型传感器提出了一种有效途径。因此近年来基于ΔE效应的谐振型传感器备受关注。
基于ΔE效应的谐振型传感器通常由磁敏薄膜与压电谐振器复合而成，利用了磁敏薄膜的ΔE效应和压电薄膜的谐振特性，从而达到磁场检测的目的。磁场探测极限与传感器的相对灵敏度和品质因数密切相关，但现有的基于ΔE效应的谐振型传感器由于几何结构设计的不合理以及ΔE效应转换效率低下，仍无法突破femto-Tesla (fT)级别的超低磁场检测。因此，有必要提出一种磁传感器以解决上述问题。
发明内容
本发明目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种长度伸缩谐振型磁传感器，可显著提高磁传感器的相对灵敏度和品质因数，从而实现超低磁场的高灵敏度检测，且体积小、成本低、功耗低。
本发明所采用的技术方案如下：
一种长度伸缩谐振型磁传感器，其特征在于，包括第一引出电极，第二引出电极，以及自下而上依次设置的基座、下磁敏薄膜、下电极层、压电薄膜层、上电极层和上磁敏薄膜；所述压电薄膜层包括中间镂空的绝缘结构，位于绝缘结构镂空区域的压电薄膜结构，以及两个用于固定压电薄膜结构和绝缘结构的支撑梁，所述压电薄膜结构的谐振态为长度伸缩型，振动方向与下磁敏薄膜和上磁敏薄膜的硬轴方向一致；所述基座上表面设有空腔，下磁敏薄膜和下电极层位于空腔内部对应压电薄膜结构位置；所述上电极层与第一引出电极相连，下电极层贯穿绝缘结构与第二引出电极相连。
进一步地，所述支撑梁对应于压电薄膜结构的零位移位置，即长度中心处。
进一步地，所述绝缘结构与基座贴合。
进一步地，所述第一引出电极和第二引出电极设置于绝缘结构上表面，并分别位于上电极层两侧。
进一步地，所述下磁敏薄膜、下电极层、压电薄膜结构、上电极层和上磁敏薄膜的长宽尺寸相同，并且长度远大于宽度和厚度；优选地，长度大于宽度的10倍，大于厚度的1000倍。
进一步地，所述下磁敏薄膜和上磁敏薄膜的厚度相同。
进一步地，所述压电薄膜层的厚度为400~800 nm，下磁敏薄膜和上磁敏薄膜的厚度为200~400 nm。
进一步地，所述下磁敏薄膜和上磁敏薄膜的材料为具有ΔE效应的磁敏材料，例如FeGaB、FeGa以及由FeSiB和FeCoMo合成的各种非晶态合金。
进一步地，所述压电薄膜结构材料为具有压电效应的材料，例如压电陶瓷PZT（锆钛酸铅）、AlN、压电单晶PMN-PT（铌镁酸铅-钛酸铅）等。
本发明提出的长度伸缩谐振型磁传感器的工作原理为：当长度伸缩谐振型磁传感器放置于待测磁场中时，下磁敏薄膜和上磁敏薄膜在待测磁场作用下由于ΔE效应导致其弹性模量发生变化，进而影响由下磁敏薄膜、下电极层、压电薄膜结构、上电极层和上磁敏薄膜层合而成的复合薄膜体的谐振频率；在第一引出电极和第二引出电极施加激励信号，当激励信号的频率达到复合薄膜体的谐振频率时发生共振，通过仪器检测共振频率，进而实现对待测磁场的检测。
本发明的有益效果为：
1、本发明提出一种长度伸缩谐振型磁传感器，设置有下磁敏薄膜和上磁敏薄膜，通过在基座设置空腔，使得下磁敏薄膜和上磁敏薄膜均与待测磁场充分接触，同时利用压电薄膜结构的长度伸缩特性，其振动方向与下磁敏薄膜和上磁敏薄膜的硬轴方向一致，以保证ΔE效应的充分转换，提高磁传感器的相对灵敏度；
2、优选地，本发明在机械结构设计上，将支撑梁对应设置在压电薄膜结构的零位移位置，可减小锚固损失，提高磁传感器的品质因数，实现高灵敏度检测；
3、本发明中下磁敏薄膜和上磁敏薄膜可通过激光微加工切割现有磁敏薄膜，或物理溅射制备并结合MEMS (微机电系统)的方式实现，使得磁传感器成本低、体积小、功耗低，易于大批量生产。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的长度伸缩谐振型磁传感器的分层结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的长度伸缩谐振型磁传感器的横向剖面示意图；
图3为本发明实施例1提供的长度伸缩谐振型磁传感器的纵向剖面示意图；
图4为本发明实施例1提供的长度伸缩谐振型磁传感器的测试示意图；
图5为本发明实施例1中压电薄膜结构的长度谐振模态仿真结果图；
图6为本发明实施例1中长度伸缩谐振型磁传感器的优值函数仿真结果图；
附图中各标记的说明如下：
1. 基座；2. 下磁敏薄膜；3. 下电极层；4. 压电薄膜层；5. 上电极层；6. 上磁敏薄膜；101. 空腔；401. 绝缘结构；402. 压电薄膜结构；403. 支撑梁；501. 第一引出电极；301. 第二引出电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图与实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供了一种长度伸缩谐振型磁传感器，分层结构如图1所示，横向剖面与纵向剖面的示意图分别如图2和图3所示，包括第一引出电极501，第二引出电极301，以及自下而上依次设置的基座1、下磁敏薄膜2、下电极层3、压电薄膜层4、上电极层5和上磁敏薄膜6。
所述下磁敏薄膜2和上磁敏薄膜6的厚度相同，均采用FeGaB材料，具有良好的ΔE效应，可以提高磁传感器的灵敏度。
所述压电薄膜层4由AlN材料制成，具有良好的导热性、绝缘性以及热稳定性。压电薄膜层4包括中间镂空的绝缘结构401，位于绝缘结构401镂空区域的压电薄膜结构402，以及两个用于固定压电薄膜结构402和绝缘结构401的支撑梁403；其中，绝缘结构401与基座1贴合；压电薄膜结构402的谐振态为长度伸缩型，振动方向与下磁敏薄膜2和上磁敏薄膜6的硬轴方向一致；支撑梁403对应于压电薄膜结构402的零位移位置，即长度中心处。
所述基座1采用硅材料制成，其上表面设有空腔101，下磁敏薄膜2和下电极层3位于空腔101内部对应压电薄膜结构402位置。
所述第一引出电极501和第二引出电极301设置于绝缘结构401上表面，并分别位于上电极层5两侧；上电极层5与第一引出电极501相连，下电极层3贯穿绝缘结构401与第二引出电极301相连。
所述下电极层3和上电极层5均由Mo材料制成。
所述下磁敏薄膜2、下电极层3、压电薄膜结构402、上电极层5和上磁敏薄膜6的长宽尺寸相同，层合后共同构成复合薄膜体，复合薄膜体的长度远大于宽度和厚度。
本实施例提出的长度伸缩谐振型磁传感器的测试示意图如图4所示，箭头方向代表待测磁场的磁场方向，其工作原理为：当长度伸缩谐振型磁传感器放置于待测磁场中时，下磁敏薄膜2和上磁敏薄膜6在待测磁场作用下由于ΔE效应导致其弹性模量发生变化，进而影响由复合薄膜体的谐振频率；在第一引出电极501和第二引出电极301施加激励信号，当激励信号的频率达到复合薄膜体的谐振频率时发生共振，通过频率追踪计或矢量网络分析仪检测共振频率，进而实现对待测磁场的检测。
图5为本实施例中压电薄膜结构402的长度谐振模态仿真结果图，可知压电薄膜结构402的振动模态为长度方向伸缩，其伸缩方向与下磁敏薄膜和上磁敏薄膜的硬轴方向一致，有利于提高ΔE效应的转换率，且中间支撑梁403位置处的伸缩位移接近于0，有利于减小锚固损失。
由于下磁敏薄膜2和上磁敏薄膜6的厚度相同，因此下面采用磁敏薄膜指代下磁敏薄膜2或上磁敏薄膜6。本实施例提出的长度伸缩谐振型磁传感器的检测性能指标以优值表征，优值与压电薄膜层4厚度和磁敏薄膜厚度的函数关系如图6的仿真结果所示，其定性关系为：优值随压电薄膜层4厚度增大呈现逐渐增大的变化趋势，随磁敏薄膜厚度呈现先增大后减小的变化趋势。长度伸缩谐振型磁传感器的相对灵敏度和品质因数与优值指标呈正相关，即优值越大，对超低磁场探测的灵敏度越高。根据图6仿真结果可知，为取得较好优值，进一步突出本实施例提出的长度伸缩谐振型磁传感器的高检测灵敏度优势，压电薄膜层4厚度范围宜为400~800 nm，磁敏薄膜厚度范围宜为200~400 nm。
本发明所述的一种长度伸缩谐振型磁传感器的实施方式，在相对灵敏度和品质因数上进行了优化，具有高检测灵敏度、体积小、成本低、功耗低的优点。在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的下，还可以作出改进，但这些均属于本发明的保护范畴。

Claims (6)

1.一种长度伸缩谐振型磁传感器，其特征在于，包括第一引出电极，第二引出电极，以及自下而上依次设置的基座、下磁敏薄膜、下电极层、压电薄膜层、上电极层和上磁敏薄膜；所述压电薄膜层包括中间镂空的绝缘结构，位于绝缘结构镂空区域的谐振态为长度伸缩型的压电薄膜结构，以及两个用于固定压电薄膜结构和绝缘结构的支撑梁，支撑梁对应于压电薄膜结构的零位移位置，即长度中心处；所述基座上表面设有空腔，下磁敏薄膜和下电极层位于空腔内部对应压电薄膜结构位置；所述上电极层与第一引出电极相连，下电极层贯穿绝缘结构与第二引出电极相连。
2.根据权利要求1所述长度伸缩谐振型磁传感器，其特征在于，所述第一引出电极和第二引出电极设置于绝缘结构上表面，并分别位于上电极层两侧。
3.根据权利要求1所述长度伸缩谐振型磁传感器，其特征在于，所述压电薄膜层的厚度为400~800 nm，下磁敏薄膜和上磁敏薄膜的厚度为200~400 nm。
4.根据权利要求1所述长度伸缩谐振型磁传感器，其特征在于，所述下磁敏薄膜和上磁敏薄膜的材料为FeGaB，FeGa，或由FeSiB和FeCoMo合成的非晶态合金。
5.根据权利要求1所述长度伸缩谐振型磁传感器，其特征在于，所述压电薄膜结构的材料为压电陶瓷PZT、AlN或压电单晶PMN-PT。
6.根据权利要求1所述长度伸缩谐振型磁传感器，其特征在于，所述下磁敏薄膜和上磁敏薄膜的厚度相同。
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