[发明专利]一种磁电声表面波磁场传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电子功能材料与器件技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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。

本发明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。