一种磁电声表面波磁场传感器及其制备方法技术

一种磁电声表面波磁场传感器及其制备方法，属于电子功能材料与器件技术领域，包括磁致伸缩基底，还包括金属缓冲层及压电薄膜，所述金属缓冲层的材质为金属钛或铬，所述金属缓冲层位于磁致伸缩基底与压电薄膜之间，压电薄膜上表面设有具有双端口的叉指换能器，叉指换能器与压电薄膜一起构成声表面波谐振器；所述叉指换能器包括输入电极、输出电极、位于输入电极外侧的输入端反射栅和位于输出电极外侧的输出端反射栅；所述压电薄膜的厚度范围为0.3～1μm，磁致伸缩基底的厚度大于2倍的声表面波波长。采用高度取向的压电薄膜、单轴各向异性和巨杨氏模量效应的磁致伸缩带材，实现传感器微型化，灵敏度高，一致性好，制备方法简单，适用于对磁场进行探测。

【技术实现步骤摘要】
一种磁电声表面波磁场传感器及其制备方法
本专利技术属于电子功能材料与器件
，涉及一种磁电声表面波磁场传感器及其制备方法，尤其是一种基于压电薄膜和磁致伸缩带材复合的具有极高磁场灵敏度的磁电声表面波磁场传感器及其制备方法。
技术介绍
磁场传感器是可以将各种磁场及其变化的量转变成电信号输出的装置。传统的磁场传感器有线圈、霍尔器件、磁通门、磁阻器件、质子、光泵、超导量子干涉仪(SQUID)等。线圈、霍尔器件、磁阻探测器的磁场灵敏度都比较低；磁通门的灵敏度可达到10-10T，其应用范围也较为广泛；质子磁力仪和梯度仪灵敏度可达0.1nT，但其电路复杂，耗电较大，维修不便，成本较高；光泵和超导磁力仪灵敏度高达10-15T，但其维护费用高昂，且对操作人员的操作水平的要求也更高。由压电材料和磁致伸缩材料复合而成的磁电复合传感器是近年来发展起来的新型传感器，鉴于其成本低廉、频率和幅度范围广、功耗低等优点，此类传感器得到了国内外学着的广泛研究。然而，目前该类传感器还存在以下三个方面的问题：1)现有技术中性能最好的复合材料是粘接成型的，其界面结合力不稳定，性能易受工艺和环境的影响，一致性差；2)磁电效应与压电相的体积有关，且随着压电相体积的缩小，电荷噪音迅速增大，所以难以实现器件的微型化；3)磁电耦合系数与磁场的频率有关，最佳的磁电耦合系数仅存在于窄频范围内，难以实现高灵敏地探测低频AC磁场和DC磁场。而如果考虑将声表面波器件与压电材料及磁致伸缩材料复合而成，形成新型磁场传感器则有可能克服上述缺点。而传统的磁声表面波器件直接利用磁致伸缩效应改变声表面波的波长λ，由于λ受限于叉指换能器的设计和微细加工能力，不可能很小，而大的磁致伸缩也要求施加较大的磁场，所以Δλ/ΔH不够大，难以实现<10-7T的磁场灵敏度，其中，ΔH为外加磁场H沿磁致伸缩基底的难磁化轴方向发生变化，因此亟需一种磁电声表面波磁场传感器及其制备方法以开发灵敏度高、一致性良好的微型化磁电声表面波磁场传感器。
技术实现思路
本专利技术为解决上述技术问题，提供一种微型化、易集成、灵敏度高、一致性好的磁电声表面波磁场传感器及其制备方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种磁电声表面波磁场传感器，包括磁致伸缩基底，还包括金属缓冲层及压电薄膜，所述金属缓冲层的材质为金属钛或铬，所述金属缓冲层位于磁致伸缩基底与压电薄膜之间，压电薄膜上表面设有具有双端口的叉指换能器，叉指换能器与压电薄膜一起构成声表面波谐振器；所述叉指换能器包括输入电极、输出电极、位于输入电极外侧的输入端反射栅和位于输出电极外侧的输出端反射栅；所述压电薄膜的厚度范围为0.3～1μm，磁致伸缩基底的厚度大于2倍的声表面波波长。进一步的，所述压电薄膜与叉指换能器的表面覆有温度补偿层，所述温度补偿层的材质为SiO2。具体的，所述磁致伸缩基底采用单轴各向异性和具有巨杨氏模量效应的磁致伸缩带材。优选的，所述磁致伸缩带材为FeB、FeSiB、FeSiBC或FeCoSiB非晶磁致伸缩带材。具体的，所述压电薄膜采用具有高度取向的压电薄膜。本专利技术解决其技术问题所采用的另一技术方案是：一种磁电声表面波磁场传感器的制备方法，包括以下步骤：A.将具有单轴各向异性和巨杨氏模量效应的磁致伸缩非晶带材作为磁致伸缩基底，厚度大于2倍的声表面波波长，并对其进行表面抛光、洗涤及干燥；B.在磁致伸缩基底上溅射沉积金属缓冲层，所述金属缓冲层的材质为金属钛或铬；C.在金属缓冲层表面溅射沉积压电薄膜，所述压电薄膜的厚度范围为0.3～1μm；D.在压电薄膜层表面制作叉指换能器结构；E.在压电薄膜以及叉指换能器的表面溅射沉积SiO2。具体的，所述磁致伸缩带材为FeB、FeSiB、FeSiBC或FeCoSiB非晶磁致伸缩带材。具体的，所述压电薄膜为具有高度取向的如ZnO、PZT、AlN或LiNbO3压电薄膜。进一步的，步骤C中的金属缓冲层的厚度为20nm。具体的，步骤D中的叉指换能器为双端口的叉指换能器，包括输入电极、输出电极、位于输入电极外侧的输入端反射栅和位于输出电极)外侧的输出端反射栅。本专利技术的有益效果是：本专利技术的传感器采用压电薄膜/磁致伸缩带材的半无限基底复合结构，采用高度取向的压电薄膜以及单轴各向异性和巨杨氏模量效应的磁致伸缩带材，压电薄膜表面采用正频率温度系数的SiO2进行温度补偿，使得该传感器具有微型化、易集成、灵敏度高、一致性好、稳定可靠的特点；其制备方法工艺简单，易于操作，实用性强，适用于对磁场进行探测。附图说明图1是本专利技术的磁电声表面波磁场传感器的立体结构示意图；图2是本专利技术的磁电声表面波磁场传感器的剖面结构示意图；图3是本专利技术的磁电声表面波磁场传感器的磁场灵敏度仿真结果曲线图；图4是本专利技术的磁电声表面波磁场传感器的频率温度系数仿真结果曲线图；其中，1为磁致伸缩基底，2为金属缓冲层，3为压电薄膜，4为叉指换能器，5为温度补偿层，6为输入电极，7为输出电极，8为输入端反射栅，9为输出端反射栅，。具体实施方式下面结合附图及实施例，详细描述本专利技术的技术方案。如图1和图2所示，本专利技术的一种磁电声表面波磁场传感器，包括磁致伸缩基底1，还包括金属缓冲层2及压电薄膜3，所述金属缓冲层2的材质为金属钛或铬，所述金属缓冲层2位于磁致伸缩基底1与压电薄膜3之间，压电薄膜3上表面设有具有双端口的叉指换能器4，叉指换能器4与压电薄膜3一起构成声表面波谐振器；所述叉指换能器4包括输入电极6、输出电极7、位于输入电极6外侧的输入端反射栅8和位于输出电极7外侧的输出端反射栅9；所述压电薄膜3的厚度范围为0.3～1μm，磁致伸缩基底1的厚度大于2倍的声表面波波长。上述传感器中，压电薄膜3制备于磁致伸缩基底之上。为了提供高机电耦合系数的压电薄膜，压电薄膜采用具有高度取向的如ZnO、PZT、AlN或LiNbO3压电薄膜。磁致伸缩基底采用单轴各向异性和具有巨杨氏模量效应的磁致伸缩带材，如FeB、FeSiB、FeSiBC或FeCoSiB非晶磁致伸缩带材，经过磁场退火后可以诱导出单轴各向异性，1～2Oe的外磁场变化即可诱导出100～150％的杨氏模量变化，同时声表面波谐振器的相速度会发生10％～30％的变化，从而带来中心频率的大幅移动。由于压电薄膜3的厚度范围为0.3～1μm，磁致伸缩基底1的厚度大于2倍的声表面波波长，这样压电薄膜3杨氏模量和波速都会受到磁致伸缩基底1的杨氏模量调控。当外界磁场轻微变化时，该传感器的相速度也会发生显著的变化。对于声表面波器件，波速v、波长λ及频率f三者之间满足公式v＝λf；磁场诱导的中心频率变化可以表示为：其中E为磁致伸缩基底的杨氏模量，H为外加磁场。的显著变化意味着通过测试中心频率的变化可以高灵敏地探测和感知磁场的变化。当在叉指换能器4的输入电极6上施加一个高频激励电信号，根据逆压电效应，压电薄膜4的表面发生振动，激励出一个中心频率为f0的声表面波。如果外加磁场H沿磁致伸缩基底的难磁化轴方向发生变化ΔH，由于巨杨氏模量效应，磁致伸缩基底的杨氏模量发生显著变化，进而改变声表面波在压电薄膜中的传播速度v。根据公式v＝λf，而λ＝4a，a为叉指换能器线宽，是一个定值，所以波速的变化必然带来中心频率的移动。可见磁致伸缩基底的杨氏模量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁电声表面波磁场传感器，包括磁致伸缩基底(1)，其特征在于，还包括金属缓冲层(2)及压电薄膜(3)，所述金属缓冲层(2)的材质为金属钛或铬，所述金属缓冲层(2)位于磁致伸缩基底(1)与压电薄膜(3)之间，压电薄膜(3)上表面设有具有双端口的叉指换能器(4)，叉指换能器(4)与压电薄膜(3)一起构成声表面波谐振器；所述叉指换能器(4)包括输入电极(6)、输出电极(7)、位于输入电极(6)外侧的输入端反射栅(8)和位于输出电极(7)外侧的输出端反射栅(9)；所述压电薄膜(3)的厚度范围为0.3～1μm，磁致伸缩基底(1)的厚度大于2倍的声表面波波长。

【技术特征摘要】
1.一种磁电声表面波磁场传感器，包括磁致伸缩基底(1)，其特征在于，还包括金属缓冲层(2)及压电薄膜(3)，所述金属缓冲层(2)的材质为金属钛或铬，所述金属缓冲层(2)位于磁致伸缩基底(1)与压电薄膜(3)之间，压电薄膜(3)上表面设有具有双端口的叉指换能器(4)，叉指换能器(4)与压电薄膜(3)一起构成声表面波谐振器；所述叉指换能器(4)包括输入电极(6)、输出电极(7)、位于输入电极(6)外侧的输入端反射栅(8)和位于输出电极(7)外侧的输出端反射栅(9)；所述压电薄膜(3)的厚度范围为0.3～1μm，磁致伸缩基底(1)的厚度大于2倍的声表面波波长，所述磁致伸缩基底(1)采用单轴各向异性和具有巨杨氏模量效应的磁致伸缩带材。2.如权利要求1所述的一种磁电声表面波磁场传感器，其特征在于，所述压电薄膜(3)与叉指换能器(4)的表面覆有温度补偿层(5)，所述温度补偿层(5)的材质为SiO2。3.如权利要求1所述的一种磁电声表面波磁场传感器，其特征在于，所述磁致伸缩带材为FeB、FeSiB、FeSiBC或FeCoSiB非晶磁致伸缩带材。4.如权利要求3所述的一种磁电声表面波磁场传感器，其特征在于，所述压电薄膜采用具有高度取向的压电薄膜。5.一种磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：白飞明，黄亮，文丹丹，钟智勇，张怀武，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51