[发明专利]一种磁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，涉及磁场传感器结构及制备方法，尤其是基于压电材料和磁致伸缩材料相复合的、用于弱磁场测量的磁声表面波传感器。

背景技术

磁场探测在生产生活和国防安全领域都有着重要的作用。磁场具有抗干扰能力强，不受温度、湿度等外界条件的干扰，无辐射的特性，而且具有很强的穿透性，所以可以广泛应用于预警侦查、自动追踪定位、地磁导航、排雷、磁波通讯等许多军事领域；除此之外，磁场传感器还可以用做流量计、转速计等等。

传统的磁场传感器包括线圈、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、磁阻探测器等的磁场灵敏度都比较低；磁通门的灵敏度可达到10^-10T，应用范围广；质子磁力仪/梯度仪灵敏度可达0.1nT，但电路很复杂、耗电较大、维修不便，成本亦高；光泵和超导磁力仪灵敏度更高(10^-15T)，但相应的维护费用、操作水平要求更高。

由压电材料和磁致伸缩材料复合而成的磁电传感器是近年来发展起来磁探测技术，实验室演示的磁场检测灵敏度可以达到10^-11T量级，而且具有成本低、功耗低、频率和幅度范围广等许多优点。目前，国内外已有多个基于该复合材料的磁场传感器专利技术(如中国专利CN200920105220.5)。但这种磁场传感器还存在以下两方面的问题：1)目前性能最好的复合材料是粘接成型的，界面结合力不稳定，性能易受工艺和坏境的影响，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迅速降低，所以难以实现器件的微型化。

如果将声表面波器件与磁致伸缩材料集成，就可以设计得到磁声表面波器件(Magnetic surface acoustic wave，MSAW)。最早Webber等人尝试了在传统SAW延迟线的发射和接受电极之间溅射了一层软磁金属薄膜，得到的磁声表面波器件如图1所示，包括ST切向的石英基体1，IDTS叉指换能器输入电极2、IDTS叉指换能器输出电极4和FeB薄膜3。其中，FeB薄膜3的厚度为0.8μm，远远小于压电基片的厚度，因此，在改变外磁场取向时，SAW的传播速度仅改变0.03％，显然，磁场灵敏度不够高。Hanna等人则首先将磁致伸缩基片与SAW延迟线集成用于磁场的测试(如图2所示，钇铁石榴石薄膜5上面是ZnO薄膜1、IDTs叉指换能器输入电极2和IDTs叉指换能器输出电极4构成的SAWR)，但他们使用的是生长在GGG上的钇铁石榴石薄膜，其磁致伸缩系数仅为1～2ppm，而且受到刚性基片的强烈束缚，所以最终获得的磁场灵敏度仅为70Hz/Oe，磁场分辨率10^-6T，实际上低于Webber等人的实验结果。除此之外，有研究人员还设计过完全基于磁致伸缩效应的磁弹性声表面波器件。这种器件在通RF电流时产生交流磁场，由于磁致伸缩效应，产生声表面波，波长等于栅格电极的间距，但因磁致伸缩材料的绝缘性差，研究发现磁弹性SMAW仅能在特定频段工作。国内目前仅见重庆大学文玉梅等通过机械力预紧的方式实现磁致伸缩材料与SAW的耦合(如图3所示，由压电薄膜1、IDTs叉指换能器输入电极2、IDTs叉指换能器输出电极4构成的SAWR和超磁致伸缩材料3通过机械力预紧的方式相连)，但器件体积较大，磁场灵敏度为132Hz/Oe，磁场分辨率仅为10^-6T。可见，发展采用微电子工艺制备体积小、性能可靠、高磁场灵敏度的磁声表面波弱磁场传感器具有重要的意义。

发明内容

为克服现有磁声表面波磁场传感器技术中磁场灵敏度低、难以微型化的不足，本发明提供了一种复合多层膜结构的磁声表面波磁场传感器，具有微型化、易集成、灵敏度高、一致性号、稳定可靠的特点。

本发明技术方案如下：

一种磁声表面波磁场传感器，如图4所示，包括压电薄膜1、磁致伸缩薄膜3、衬底基片9；所述磁致伸缩薄膜3位于压电薄膜1和衬底基片9之间。所述磁致伸缩薄膜3的厚度为所述压电薄膜1厚度的2～5倍；所述压电薄膜1表面具有叉指换能器14，叉指换能器14与压电薄膜1一起构成声表面波器件。所述叉指换能器14包括输入电极2、输出电极4、位于输入电极2外侧的输入端反射栅7和位于输出电极4外侧的输出端反射栅8。