一种提高体声波驱动的微异质结磁传感器性能的方法技术

本发明专利技术公开了一种提高体声波驱动的微异质结磁传感器性能的方法，包括构建基于不同层数的微异质结的体声波激励微磁传感器模型，采用稳态求解和小信号频域求解方法分别测量基于不同层数的微异质结的体声波激励微磁传感器模型在施加直流偏置磁场和交变激励磁场扰动条件下的输出电压，计算不同层数的微异质结的体声波激励微磁传感器模型的磁电耦合系数和线性度，确定最优的直流偏置磁场和交变激励磁场扰动条件进行传感器的优化设计。本发明专利技术通过调节传感器的层数和优化偏置磁场条件，可提高共振频率下的输出电压，进而提高ME异质结构的磁电转换效率，最终实现高灵敏度的磁传感器设计。设计。设计。

【技术实现步骤摘要】
一种提高体声波驱动的微异质结磁传感器性能的方法


[0001]本专利技术涉及微磁传感器优化设计
，具体涉及一种提高体声波驱动的微异质结磁传感器性能的方法。

技术介绍

[0002]磁电(ME)异质结由铁磁和铁电材料组成，其ME耦合效应源于铁电相的压电效应和铁磁相的磁致伸缩效应。ME异质结具有许多优势，例如磁场和电场之间的能量自由转换、大的ME转换系数。已经报道了许多有关开发和制备具有ME异质结的磁传感器研究。但是，由于以前在ME异质结中使用的是体材料，其器件尺寸为厘米级或更大，难以微缩。相反，基于ME薄膜的微磁传感器因其体积小、成本低、易于与常规CMOS工艺集成而成为研究热点。由声波激励的磁传感器分为两种：表面声波(SAW)和体声波(BAW)。尽管SAW类型的传感器具有很高的静态灵敏度，但它只能在kHz的中低频段工作或测量静态/准静态磁场信号。然而，基于BAW激励的传感器由于其高频特性、高功率容量和高能量转换效率而近年来引起了极大的关注。目前，文献中已经报道了许多通过实验方法研究BAW传感器的工作。如Hui等人报道了一种基于AlN/FeGaB双层纳米板谐振器的MEMS谐振磁场传感器，Nan等人通过在此AlN CMR上沉积单层AlN/10层FeGaB/Al2O3的复合ME异质结来增强ME耦合。Nan等人报道了基于纳米板谐振器的ME结构，它具有良好的分辨率。同时，也报道了一些通过建模和仿真方法研究BAW传感器的工作。如Wu等人报道了一种基于薄膜体声波谐振器的柔性磁传感器，建立了传感器Mason模型的等效电路，并通过选择具有大频率偏移的巨型磁致伸缩材料的电极来提高其灵敏度。Martos等人提出了一种新型的微型磁电天线的电路仿真模型，并将其应用于低功率传感中。然而，有关BAW驱动的微磁传感器的结构仿真和性能优化的系统研究还很少，亟须提供一种指导ME耦合器件的结构设计和性能优化的方法。

技术实现思路

[0003]针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供了一种提高体声波驱动的微异质结磁传感器性能的方法。
[0004]为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0005]本专利技术提供了一种提高体声波驱动的微异质结磁传感器性能的方法，包括以下步骤：
[0006]S1、构建基于不同层数的微异质结的体声波激励微磁传感器模型；
[0007]S2、采用稳态求解和小信号频域求解方法分别测量基于不同层数的微异质结的体声波激励微磁传感器模型在施加直流偏置磁场和交变激励磁场扰动条件下的输出电压；
[0008]S3、根据测量的输出电压分别计算基于不同层数的微异质结的体声波激励微磁传感器模型的磁电耦合系数；
[0009]S4、拟合基于不同层数的微异质结的体声波激励微磁传感器模型在施加直流偏置磁场条件下的输出电压与磁电耦合系数的变化曲线，确定最优层数的微异质结的体声波激
励微磁传感器模型和最优的偏置磁场条件；
[0010]S5、根据确定的最优层数的微异质结的体声波激励微磁传感器模型和最优的偏置磁场条件进行传感器优化设计。
[0011]进一步地，所述步骤S1具体包括：
[0012]采用有限元分析方法构建基于不同层数的微异质结的体声波激励微磁传感器模型，所述微异质结的体声波激励微磁传感器模型包括由磁致伸缩层和压电层构成的磁电耦合微异质结及所述磁电耦合微异质结外部的空气域，所述压电层的下表面接地，其上表面测量的平均电压作为输出电压，所述空气域中沿Y方向施加偏置磁场。
[0013]进一步地，所述磁电耦合系数的计算公式为：
[0014][0015]其中，α
ME
为磁电耦合系数，E
z
＝V/t
p
，V为压电层上表面的平均电压值，t
p
为压电层的厚度，H
y
为Y方向的磁场。
[0016]进一步地，所述方法还包括：
[0017]A1、根据测量的输出电压分别计算基于不同层数的微异质结的体声波激励微磁传感器模型的线性度；
[0018]A2、拟合基于不同层数的微异质结的体声波激励微磁传感器模型在施加直流偏置磁场条件下的输出电压与偏置磁场的变化曲线，根据设定的线性度条件确定偏置磁场范围。
[0019]进一步地，所述线性度的计算公式为：
[0020][0021]其中，ΔY
max
为传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差，Y为满量程输出。
[0022]进一步地，所述方法还包括：
[0023]B1、拟合基于不同层数的微异质结的体声波激励微磁传感器模型在施加交变激励磁场条件下的输出电压与传感器谐振频率的变化曲线，确定磁场条件对器件谐振频率的影响，以及存在最大输出电压时传感器的谐振频率；
[0024]B2、拟合在传感器的谐振频率处不同层数的微异质结的体声波激励微磁传感器模型在施加交变激励磁场条件下的输出电压与磁电耦合系数的变化曲线，确定最优的直流偏置磁场和施加交变激励磁场扰动条件；
[0025]B3、根据确定的最优层数的微异质结的体声波激励微磁传感器模型和确定的最优的直流偏置磁场和施加交变激励磁场扰动条件进行传感器优化设计。
[0026]本专利技术具有以下有益效果：
[0027]本专利技术构建了基于BAW磁电耦合(ME)的微异质结(AlN/FeGaB交替)耦合的微米级高频磁传感器模型，通过模拟2～5层的ME异质结，分析了传感器性能随器件结构的变化规律；分别用稳态求解和小信号频域求解的方法分析了在直流偏置和高频交变磁场下工作的磁传感器的性能；可通过调整器件的层数来控制磁传感器在其共振频率下的输出电压；此外，可以优化施加在ME异质结上的偏置磁场，实现了通过优化器件结构和测试条件来提高
其灵敏度和线性度的方法。
附图说明
[0028]图1为本专利技术的提高体声波驱动的微异质结磁传感器性能的方法流程示意图；
[0029]图2为本专利技术的2
‑
5层ME异质结模型仿真示意图；
[0030]图3为本专利技术的异质结应力特性分析示意图；其中(a)为随着直流偏置磁场的增加，不同层数的ME异质结构中应力的变化趋势；(b)为三层磁传感器中压电层的应力分布云图；
[0031]图4为本专利技术的异质结应变特性分析示意图；其中(a)为随着直流偏置磁场的增加，不同层的应变变化曲线；(b)为2
‑
5异质结构体的磁致伸缩层的位移分布云图；
[0032]图5为本专利技术的异质结输出电压分析示意图；其中(a)为随着直流偏置磁场的增加，不同层数异质结构的输出电压变化曲线；(b)为磁致伸缩层的电压分布云图；
[0033]图6为本专利技术的异质结磁电耦合系数分析示意图；其中(a)为随着直流偏置磁场的增加，ME系数随异质结构的层数变化曲线；(b)为不同直流磁场对输出电压的线性拟合曲线；
[0034]图7为本专利技术的传感器谐振频率分析示意图；其中(a)为在没有偏置磁场的情况下，向三层异质结构的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高体声波驱动的微异质结磁传感器性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、构建基于不同层数的微异质结的体声波激励微磁传感器模型；S2、采用稳态求解和小信号频域求解方法分别测量基于不同层数的微异质结的体声波激励微磁传感器模型在施加直流偏置磁场和交变激励磁场扰动条件下的输出电压；S3、根据测量的输出电压分别计算基于不同层数的微异质结的体声波激励微磁传感器模型的磁电耦合系数；S4、拟合基于不同层数的微异质结的体声波激励微磁传感器模型在施加直流偏置磁场条件下的输出电压与磁电耦合系数的变化曲线，确定最优层数的微异质结的体声波激励微磁传感器模型和最优的偏置磁场条件；S5、根据确定的最优层数的微异质结的体声波激励微磁传感器模型和最优的偏置磁场条件进行传感器优化设计。2.根据权利要求1所述的提高体声波驱动的微异质结磁传感器性能的方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：采用有限元分析方法构建基于不同层数的微异质结的体声波激励微磁传感器模型，所述微异质结的体声波激励微磁传感器模型包括由磁致伸缩层和压电层构成的磁电耦合微异质结及所述磁电耦合微异质结外部的空气域，所述压电层的下表面接地，其上表面测量的平均电压作为输出电压，所述空气域中沿Y方向施加偏置磁场。3.根据权利要求1所述的提高体声波驱动的微异质结磁传感器性能的方法，其特征在于，所述磁电耦合系数的计算公式为：其中，α
ME
为磁电耦合系数，E
z
＝V/t
p
，V为...

【专利技术属性】
技术研发人员：任万春，陈锶，李君儒，董红梅，甘秀秀，高杨，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：发明
国别省市：