磁电传感器和其制造方法技术

本发明专利技术提出一种新型的磁电传感器，该磁电传感器能够以薄层技术的已知方法制造并且对于预先确定的磁场比已知的弯曲梁传感器输出高出多倍的ME电压。称为分离层ME传感器的构造的特征在于铁电的(10)和磁致伸缩的相(12)之间的厚的介电层(14)的配置结构以及在一侧施加在铁电体(10)上的电极配置结构(18)，该电极配置结构构造用于沿着层延展获取ME电压。以有利的方式，该构造可以通过对常规的介电基底(14)在前侧和背侧上涂敷各一个功能层(10、12)容易地制造。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】磁电传感器和其制造方法
本专利技术涉及一种用于测量磁场的磁电(ME)传感器，该磁电传感器包括由磁致伸缩层、铁电层和不导电的(即介电的)载体层构成的层堆叠。
技术介绍
磁电复合体数年以来是传感机构的研究领域中的重心，其目的是测量非常小的、通常与时间相关的磁场。磁电复合体包括磁致伸缩的和压电的相。铁电体也视为压电材料。磁场H引起磁致伸缩的相的长度变化，该长度变化通过机械耦合传递到压电体上并且在那里产生机械的拉应力或剪应力。通过压电电压常数g在压电材料中引起介电的极化，该极化宏观地产生可测量的磁电电压UME。在这里可获得的电压UME(即也是ME电压)直接与压磁系数dm、压电电压常数g、两个相k的耦合和压电材料的层厚z成正比(方程1)。通常磁电复合体以简单的平板电容器的型式设计构造。在这里，压电材料(例如氮化铝、AlN，锆钛酸铅、PZT)作为介电体处于两个作为电极起作用的导电层之间。通常磁致伸缩的相构造为至少其中一个电极，如果本来应该使用金属的磁致伸缩的材料的话。金属材料的优点在于磁致伸缩效果的特性。最高的压磁系数在金属的、非结晶的材料，如(FeCoSiB)中可见。此外已知的是，将磁电复合体设计构造为薄层复合体，所述薄层复合体通常作为其他构件具有用于功能层的载体。这样的复合体的使用在要求的结构尺寸小时并且用于制造传感器阵列是有利的。在此，另一个优点在于放弃在其他情况下在紧凑材料中通常的连接技术的胶粘技术。借助胶粘层取消所述相之间的分界面上的层，该层可能部分吸收磁致伸缩的长度变化。由此，此外也改进薄层ME传感器的可重复性。薄层ME传感器经常构造为一侧夹紧的弯曲梁。在此示出，以谐振运行的弯曲梁由于高性能具有非常高的磁电电压(H.Greve,E.Woltermann,H.-J.Quenzer,B.Wagner,andE.Quandt,"Giantmagnetoelectriccoefficientsin(Fe90Co10)78Si12B10-AlNthinfilmcomposites",AppliedPhysicsLetters,vol.96,2010,p.182501)。在图1中勾画按照现有技术的ME弯曲梁传感器。在一侧固定的基底条14上首先设置有下电极16，在该下电极上设置有压电层10并且又在该压电层上设置有金属的磁致伸缩层12。ME电压UME正如画出的那样在下电极16和磁致伸缩层12之间获取。按照图1的弯曲梁传感器的制造以微观系统工程学的方法进行。典型的基底14是硅晶片，各个层以已知的方法如阴极溅射(喷镀)或气相沉积(physicalvapourdeposition、PVD)或溶胶-凝胶(Sol-Gel)方法施加到所述硅晶片上。涂敷的晶片通常平版印刷地结构化，然后紧接着分离真正的弯曲梁。在薄层ME传感器中，基底14构成前序部分中提及的层堆叠的集成的组成部分，因为功能层(铁电、磁致伸缩)10、12由于它们的小厚度不能自承载。前序部分中提及的载体层可以以基底14标识。正如已经解释的那样，可测量的ME电压与激励的磁场强度的比例与压电体的层厚或压电相上的电极的间距成比例。因此，通过预先确定的磁场强度度引起的ME电压可以简单地通过增大压电体的层厚来增大。但关于薄层ME传感器，在利用微观系统技术的通常方法时，该方式受限制。此外，由内应力和小的沉积速率产生限制。备选方案从文献US2008/0193780A1得出。提出一种按照层堆叠(LayerStack)的结构型式的ME传感器，其核心构成环氧化物基质中的平行延伸的铁电纤维(在那里例如锆钛酸铅、PZT)的配置结构。在这样构成的层形的铁电复合体的两个平坦侧上分别设置有一个叉指电极(IDT)、一个作为电绝缘体的薄的聚合物膜(参看在那里的图2、28A和28B以及段落0057“insulatingfield”)和一个金属的磁致伸缩层电极的配置结构在此这样进行，即，具有相同极性的电极指直接相叠地靠置。通过极化，铁电复合体的极化矢量可以沿着纤维方向(纵向)在相反极性的相邻电极指之间空间上交替地取向。该文献说明“推拉单元(push-pullunits)”并且在此参阅那里的图2的局部放大图200。通过IDT获取信号原则上允许：通过选择电极的指间距来确定用于预定的磁场的ME电压有多大。原则上适用：指间距越大，则ME电压越大。为了避免误解，应该在这里并且在下面澄清：电极配置结构的指间距表示两个不相互触点接通的电极的最小间距亦或备选地表示这一路段的长度，在该路段上在施加预先确定的电压到电极上时存在最大的电场强度。特别涉及叉指电极地，电极的相啮合的指并且因此到处相同地存在的指间距对本领域技术人员也作为概念而常见。按照US2008/0193780A1的ME传感器几乎不可以称为薄层ME传感器，因为铁电复合体的厚度必须至少相应于以100至350μm给出的铁电纤维的厚度。复合板似乎是自承载的，并且它在两侧以聚合物膜遮盖，该聚合物膜按照所有外观已经载有一对叉指电极。两侧的触点接通也许用于在必需的电极化期间在厚的复合板内部产生较均一的场分布。以25μm的层厚施加到聚合物膜上的磁致伸缩的材料应当在那里在涂敷时不产生高的温度或者经受高的温度，因为否则聚合物可能受到损害。US2008/0193780A1的传感器的制造总体上看来是有问题的或至少是耗费的并且与大量生产证实的方法不兼容。作为现有技术的其他文件此外给出文献US2007/252593A1、US2011/077663A1、JP11126449A和US2008/145693A1。如果考虑沿着铁电层的延展获取ME电压的构思并且将其转用到ME传感器、尤其是以微观系统技术通用的方法可制造的薄层ME传感器上，则存在更多问题。ME传感器的典型的铁电层是陶瓷的并且通常以也包含有机材料(例如在溶胶-凝胶-方法或丝网印刷中)的Precursor的形式涂敷到基底上。在温度超过500℃时的热处理中，该层热解和结晶。该铁电层的制造可以备选地通过阴极溅射或脉冲的激光沉积来进行。但在这些情况下沉积也在温度较高时进行，并且需要随后的超过500℃的热处理用于结晶。通过构造用于沿着层延展获取电压的电极取代常规的下电极不予考虑，因为因此必须考虑，铁电体的结晶由于存在的结构化的电极层(例如由贵金属铂或金制成)受干扰。但为了可以将这样的电极在铁电体结晶之后设置在铁电层上，该铁电层必须具有露出的外面。容易想到，将层配置结构的次序反转，即首先将磁致伸缩的材料施加到基底上并且又将铁电体施加到该磁致伸缩的材料上。这也可以称为倒转的层顺序。磁致伸缩的材料仍需要磁各向异性，以便完全具有磁致伸缩特性。当磁致伸缩的材料在受控制的条件下在磁场中沉积或事后在磁场中热处理时，例如可以引起磁各向异性。另一种可能性从(至今未公开的)EP11171354.1得出。此后，磁致伸缩层制造为由交替的铁磁的(FM)和反铁磁的(AFM)层构成的多层式层系统，在该多层式层系统中可以构成交换偏置(ExchangeBias)。AFM层的可调节的取向这样“抑制住(pinnt)”FM层的磁偶极，使得在不存在在其他情况下用于设立适当的工作点需要的偏置(Bias)磁场的情况下沿着可确定的方向在各层中也产生高的压磁系数。使用按照EP1117本文档来自技高网...

【技术保护点】
磁电(ME)传感器，其包括由磁致伸缩层(12)、铁电层(10)和介电载体层(14)构成的层堆叠，其特征在于，a.载体层(14)比铁电层(10)厚，并且b.载体层(14)设置在磁致伸缩层(12)和铁电层(10)之间，并且c.在铁电层(10)上设置有电极配置结构(18)，该电极配置结构构造用于沿着层延展获取信号电压，其中，d.电极配置结构(18)的指间距大于铁电层(10)的厚度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.10.08 EP 12187606.41.磁电(ME)传感器，其包括由磁致伸缩层(12)、铁电层(10)和介电的载体层(14)构成的层堆叠，其特征在于，a.载体层(14)比铁电层(10)厚，并且b.载体层(14)设置在磁致伸缩层(12)和铁电层(10)之间，并且c.在铁电层(10)上设置有电极配置结构(18)，该电极配置结构构造用于沿着层延展获取信号电压，其中，d.电极配置结构(18)的指间距大于铁电层(10)的厚度。2.按照权利要求1所述的ME传感器，其特征在于，所述电极配置结构(18)的指间距大于所述载体层(14)的厚度。3.按照权利要求1所述的ME传感器，其特征在于，所述载体层(14)由具有大于20GPa的弹性模量的材料构成。4.按照权利要求2所述的ME传感器，其特征在于，所述载体层(14)由具有大于20GPa的弹性模量的材料构成。5.按照权利要求1至4之一所述的ME传感器，其特征在于，所述载体层(14)由玻璃、陶瓷或半导体构成。6.按照权利要求5所述的ME传感器，其特征在于，所述玻璃是二氧化硅。7.按照权利要求5所述的ME传感器，其特征在于，所述半导体是硅。8.按照上述权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·皮奥拉，E·匡特，
申请(专利权)人：克里斯蒂安阿尔伯特基尔大学，
类型：发明
国别省市：德国;DE