[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

说明书

本发明公开了一种基于压电隧道效应的MEMS磁场传感器及测量磁场方法，磁场传感器包括衬底p‑GaN、绝缘层Al₂O₃、磁致伸缩层FeCoB和电极。在磁场作用下，由于磁致伸缩效应，磁致伸缩层将会对压电衬底施加应力，应力导致GaN中会产生压电势。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相应的磁场信息。该磁场传感器结构简单，灵敏度高。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，尤其是一种基于压电隧道效应的MEMS磁场传感器及测量磁场方法。

背景技术

磁和电是自然界中广泛存在的两类信号，如何获取和处理磁信号和电信号中的信息一直是科学技术研究工作的重点，磁电转换装置在各个领域中广泛采用，如计算机中利用磁盘/磁带驱动器上的磁传感器存储数据、手机上通过对地磁场探测来进行GPS定位、医疗上脑磁的精确测定等。磁电材料是一种具有磁电效应的功能材料，磁电效应是指在外加磁场作用下产生电极化或在外加电场作用下诱导磁化的现象。这种磁电转换功能在传感技术、信息技术、自动化技术、能源技术等领域有着巨大的应用潜力。

微电子机械系统(micro electro-mechanical system,MEMS)是由机械、电子以及其它一些功能器件集成在单芯片或多芯片上构成的微型系统。广义上讲,MEMS是集微机械、微传感器、信号处理、微执行器、智能控制以及电源于一体的微机电系统，涉及电子、力学、热学、生物、磁学、光学、信息和化学等多种学科领域。MEMS器件具有体积小、重量轻、耗能低、性能稳定等许多优势，在民用和军事领域都有着很广泛的应用。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于压电隧道效应的MEMS磁场传感器及测量磁场方法，该磁场传感器灵敏度高，响应时间短。

本发明的一种基于压电隧道效应的MEMS磁场传感器，包括衬底、绝缘层、电极层和磁致伸缩层，绝缘层和磁致伸缩层生长在衬底上，电极层生长在绝缘层上。绝缘层与电极层的厚度之和等于磁致伸缩层的厚度，磁致伸缩层位于绝缘层与电极层的周围；衬底是具有半导体特性及压电效应的材料。属电极-绝缘层-衬底形成MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)即绝缘栅结构。

将本发明磁场传感器置于磁场中，在磁场作用下，由于磁致伸缩效应，磁致伸缩层将会对具有半导体特性及压电效应的衬底施加应力，应力导致衬底中晶体产生压电势，从而调制隧穿运输，磁场传感器的I-V曲线发生相应变化，由I-V曲线的变化即可得到相应的磁场信息。

一种基于压电隧道效应的MEMS磁场传感器的测量磁场方法，具体步骤如下：

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的长度方向；

步骤2，在外电场的作用下，磁致伸缩层沿长度方向拉伸，且忽略沿厚度方向上的变形，磁致伸缩层将会对具有半导体特性及压电效应的衬底施加应力，衬底应变在线性区域内变化,选择压电材料的线性本构方程；

具有压电效应的衬底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：