一种氮化铝/硅/电可调磁性膜压电驱动结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氮化铝/硅/电可调磁性膜压电驱动结构，包括压电驱动层、硅结构层和电可调磁性膜，所述压电驱动层和电可调磁性膜分别位于硅结构层的上、下表面，所述压电驱动层自下而上依次设有包括底电极、氮化铝层和顶电极，当调控磁场时，在底电极和顶电极之间加载交流电压信号，氮化铝层中产生交流驱动电场并在应力轴方向产生周期性的应变，带动硅结构层产生周期性应变，应变传递至电可调磁性膜，电可调磁性膜的磁导率发生周期性变化，实现对磁场的调控，本发明专利技术具有驱动电压低、电滞小且磁场调控效率高的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种氮化铝/硅/电可调磁性膜压电驱动结构及其制备方法
本专利技术涉及磁电耦合、弱磁传感器等
，具体涉及一种可用于高灵敏磁传感器的氮化铝/硅/电可调磁性膜压电驱动结构及其制备方法。
技术介绍
磁电阻传感器（GMR传感器、TMR传感器等）具有灵敏度高、体积小、易于批量生产等优势，在航空航天、目标探测、资源勘探等领域具有广阔的应用前景。磁电阻传感器因受到低频1/f噪声的制约，在低频或静态磁场探测能力较差。而磁通调制技术的发展为抑制磁电阻传感器低频1/f噪声提供了有效技术手段，通过将被测低频磁场信号调制为高频磁场，再通过高通滤波器滤除低频1/f噪声，大大抑制了低频1/f噪声的影响。传统的磁通调制技术主要是通过微机械结构驱动磁性薄膜周期性振动的方式对被测磁场进行调制，因需要同时实现高调制频率和高调制效率，要求驱动结构具有较高的谐振频率和较大的谐振振幅，这对微机械结构的材料体系选择、结构设计制备及谐振控制都提出了很高的要求，实现难度很大。磁通电调控技术的出现，一改通过机械振动进行调制的方式，利用压电/磁复合材料结构的磁电耦合效应，周期性改变磁性材料的磁导率，进而对被测磁场进行调制，更易于实现高调制频率。然而，目前常见的基于PZT、PMNPT等压电材料的磁性调控方式，存在驱动电压高、电滞大、工艺加工复杂等问题，由于现有技术采用压电材料的机械阻尼较高，压电材料厚度大，能够实现的品质因数不高，实际应用受限很大。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种驱动电压低、电滞小且磁场调控效率高的一种氮化铝/硅/电可调磁性膜压电驱动结构及其制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种氮化铝/硅/电可调磁性膜压电驱动结构，包括压电驱动层、硅结构层和电可调磁性膜，所述压电驱动层和电可调磁性膜分别位于硅结构层的上、下表面，所述压电驱动层自下而上依次设有包括底电极、氮化铝层和顶电极，当调控磁场时，在底电极和顶电极之间加载交流电压信号，氮化铝层中产生交流驱动电场并在应力轴方向产生周期性的应变，带动硅结构层产生周期性应变，应变传递至电可调磁性膜，电可调磁性膜的磁导率发生周期性变化，实现对磁场的调控。作为对上述技术方案的进一步改进：所述硅结构层包括硅基底层和分别位于硅基底层上下表面的绝缘层。所述底电极为直接生长在硅结构层上的金属层。优选地，所述底电极采用Cr或Mo制备而成。所述氮化铝层为直接生长底电极上的氮化铝。所述氮化铝层为（002）晶向。该种晶向的氮化铝具有更高的机电耦合系数，压电性能更好。所述顶电极为直接生长氮化铝层上的金属层。优选地，所述顶电极采用Cr或Mo或Au制备而成。所述电可调磁性膜采用具有高磁致伸缩系数的软磁材料制备而成。优选地，所述电可调磁性膜采用FeSiBPC或FeGaB制备而成。优选地，所述底电极和顶电极的厚度为200nm~500nm，所述氮化铝层的厚度为500nm~1μm。优选地，所述硅基底层的厚度为200μm~300μm，所述绝缘层的厚度为200nm~600nm。优选地，所述电可调磁性膜的厚度为3500nm~1μm。作为一个总的专利技术构思，本专利技术还提供一种前述的氮化铝/硅/电可调磁性膜压电驱动结构的制备方法，包括以下步骤：将硅基底层的上下表面分别沉积绝缘层，得到硅结构层，在硅结构层一面依次顺序沉积底电极、氮化铝层和顶电极，在硅结构层的另一面沉积电可调磁性膜。本专利技术的工作原理是：当在氮化铝层的底电极和顶电极之间加载一定频率的交流电压信号时，会在氮化铝层中产生同频的交流驱动电场，通过氮化铝压电材料的逆压电效应，使得氮化铝应力轴方向产生同频的应变，在周期性应变力的作用下，氮化铝层发生周期性弯曲，带动硅结构层产生周期性弯曲，从而在硅结构层中产生周期性应变。当加载的交流电压信号频率与氮化铝/硅压电结构的本征频率相同时，会使氮化铝/硅压电结构发生谐振，大幅增强硅结构层的应变，并传递至电可调磁性膜，使其磁导率发生周期性变化，实现对磁场的调控。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1、本专利技术的氮化铝/硅/电可调磁性膜压电驱动结构，与传统的PZT、PMN-PT等压电材料的应变相比，由于PZT、PMN-PT等压电材料不能直接在硅结构上生长，需要粘贴到硅结构上，如果PZT、PMN-PT等压电材料厚度太薄容易碎，而AlN可以直接在硅结构上生长，能够实现更薄的厚度，从而降低所需的驱动电压。铁电材料由于具有电滞，其直接产生的应变具有较大的迟滞特性，而本专利技术利用氮化铝层和硅结构层的谐振产生应变调控电可调磁性膜，采用谐振产生的应变理论上不具有滞回特征，所以谐振产生的应变可避免迟滞特性，在实际中可能由于压电驱动的原因，迟滞特性无法完全避免，但相对于传统的PZT、PMN-PT等压电材料而言，本专利技术降低了压电材料的迟滞特性以及所需的驱动电压，且具有更好的工艺兼容性。2、本专利技术的氮化铝/硅/电可调磁性膜压电驱动结构，通过氮化铝层、硅结构层谐振以及硅材料机械阻尼低等高品质因数的特点提高应变，能够实现更高的应变，在压电层很薄的情况下（900nm~2000nm），能提高整体的品质因素，使得电可调磁性膜能在低电压条件下实现磁场的高效率调控。附图说明图1为本专利技术一种氮化铝/硅/电可调磁性膜压电驱动结构的结构示意图。图2为本专利技术硅结构层的结构示意图。图3为本专利技术一种氮化铝/硅/电可调磁性膜压电驱动结构的制备流程图。图例说明：1、压电驱动层；11、底电极；12、氮化铝层；13、顶电极；2、硅结构层；21、硅基底层；22、绝缘层；3、电可调磁性膜。具体实施方式以下将结合说明书附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细说明。除非特殊说明，本专利技术采用的仪器或材料为市售。如图1和2所示，本实施例的一种氮化铝/硅/电可调磁性膜压电驱动结构，包括压电驱动层1、硅结构层2和电可调磁性膜3，压电驱动层1和电可调磁性膜3分别位于硅结构层2的上、下表面，压电驱动层1自下而上依次设有包括底电极11、氮化铝层12和顶电极13，当调控磁场时，在底电极11和顶电极13之间加载交流电压信号，氮化铝层12中产生交流驱动电场并在应力轴方向产生周期性的应变，带动硅结构层2产生周期性应变，应变传递至电可调磁性膜3，电可调磁性膜3的磁导率发生周期性变化，实现对磁场的调控。氮化铝层12采用氮化铝压电材料作为压电层，当受到电场作用时，由于逆压电效应会产生响应的应变。与传统的PZT、PMN-PT等压电材料相比，降低了驱动电压。硅结构层2包括硅基底层21和分别位于硅基底层21上下表面的绝缘层22。利用硅的高机械品质因数，提高氮化铝/硅/电可调磁性膜压电驱动结构的机械品质因数，降低迟滞。底电极11为直接生长在硅结构层2上的金属层。底电极11采用Cr或Mo制备而成。氮化铝层12为直接生长底电极11上的氮化铝。氮化铝层12为002本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮化铝/硅/电可调磁性膜压电驱动结构，其特征在于：包括压电驱动层（1）、硅结构层（2）和电可调磁性膜（3），所述压电驱动层（1）和电可调磁性膜（3）分别位于硅结构层（2）的上、下表面，所述压电驱动层（1）自下而上依次设有包括底电极（11）、氮化铝层（12）和顶电极（13），当调控磁场时，在底电极（11）和顶电极（13）之间加载交流电压信号，氮化铝层（12）中产生交流驱动电场并在应力轴方向产生周期性的应变，带动硅结构层（2）产生周期性应变，应变传递至电可调磁性膜（3），电可调磁性膜（3）的磁导率发生周期性变化，实现对磁场的调控。/n

【技术特征摘要】
1.一种氮化铝/硅/电可调磁性膜压电驱动结构，其特征在于：包括压电驱动层（1）、硅结构层（2）和电可调磁性膜（3），所述压电驱动层（1）和电可调磁性膜（3）分别位于硅结构层（2）的上、下表面，所述压电驱动层（1）自下而上依次设有包括底电极（11）、氮化铝层（12）和顶电极（13），当调控磁场时，在底电极（11）和顶电极（13）之间加载交流电压信号，氮化铝层（12）中产生交流驱动电场并在应力轴方向产生周期性的应变，带动硅结构层（2）产生周期性应变，应变传递至电可调磁性膜（3），电可调磁性膜（3）的磁导率发生周期性变化，实现对磁场的调控。


2.根据权利要求1所述的氮化铝/硅/电可调磁性膜压电驱动结构，其特征在于：所述硅结构层（2）包括硅基底层（21）和分别位于硅基底层（21）上下表面的绝缘层（22）。


3.根据权利要求1所述的氮化铝/硅/电可调磁性膜压电驱动结构，其特征在于：所述底电极（11）为直接生长在硅结构层（2）上的金属层。


4.根据权利要求3所述的氮化铝/硅/电可调磁性膜压电驱动结构，其特征在于：所述底电极（11）采用Cr或Mo制备而成。


5.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘孟春，胡佳飞，于洋，李裴森，彭俊平，潘龙，邱伟成，张琦，车玉路，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43