[发明专利]一种基于压电隧道效应的MEMS磁场传感器及测量磁场方法

权利要求书

1.一种基于压电隧道效应的MEMS磁场传感器，其特征在于，包括衬底(1)、绝缘层(2)、磁致伸缩层(3)和电极层(4)，绝缘层(2)和磁致伸缩层(3)生长在衬底(1)上，电极层(4)生长在绝缘层(2)上；磁致伸缩层(3)位于绝缘层(2)与电极层(4)的周围；衬底(1)是具有半导体特性及压电效应的材料。

2.根据权利要求1所述一种基于压电隧道效应的MEMS磁场传感器，其特征在于，衬底(1)的材料为p-GaN，绝缘层(2)的材料为Al₂O₃，磁致伸缩层(3)的材料为FeCoB，金属电极层(4)材料为Pt。

3.根据权利要求1或2所述一种基于压电隧道效应的MEMS磁场传感器，其特征在于，绝缘层(2)厚度小于10nm。

4.根据权利要求1所述一种基于压电隧道效应的MEMS磁场传感器，其特征在于，电极层-绝缘层-衬底形成MOS即绝缘栅结构。

5.一种如权利要求1所述基于压电隧道效应的MEMS磁场传感器测量磁场的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将MEMS磁场传感器置于磁场中，磁场方向沿磁致伸缩层(3)的长度方向；

步骤2，在外电场的作用下，磁致伸缩层(3)沿长度方向拉伸，磁致伸缩层(3)对具有半导体特性及压电效应的衬底(1)施加应力，衬底(1)应变在线性区域内变化，选择压电材料的线性本构方程；

衬底(1)的线性本构方程通过应变电荷的形式写入，表示为：

ε＝ε₀+S_E(S-S₀)+d^TE

D＝D_r+d(S-S₀)+ξE

电势有以下约束：

其中ε，ε₀，S，S₀分别表示应变张量、初始应变、应力张量和初始应力，S_E和d表示柔度矩阵和压电系数矩阵，E和D为感应电场和电位移矩阵，D_r表示剩余电位移，ξ表示介电常数矩阵，V₀为电势；

步骤3，将衬底(1)接地，电极层(4)接正电势，电极层(4)和绝缘层(2)形成隧道结；可得到隧穿电流密度方程

其中q是电子电荷，是约化普朗克常数，m^*是衬底中有效空穴质量，φ_OX是绝缘层(2)两端的电压降，E是绝缘层(2)内部相应的平均电场；φ_OX满足

φ_OX＝φ′_OX-V₀

φ′_OX是未加磁场时绝缘层(2)两端的电压降；

步骤4，衬底(1)与磁致伸缩层(3)之间的动态平衡可以写成平衡方程：

下标i表示的不同的材料，当i＝m时，是指磁致伸缩层(3)；当i＝p时，是指压电层；ρ是密度，u是主位移矢量，S是应力张量；

由平衡方程式、本构方程以及隧穿电流密度方程可知在磁场作用下可使压电层产生压电势V₀，晶体内压电势将作为栅极电压来调节电荷传输行为，即绝缘层(2)隧穿势垒的高度和宽度被调制，从而调制隧穿运输，I-V曲线发生相应的变化；由I-V曲线的变化即可得到磁场大小。