[发明专利]基于磁偏置结构的高灵敏度声表面波矢量磁场传感系统

说明书

一种基于磁偏置结构的高灵敏度声表面波矢量磁场传感系统，属于电子信息材料与器件技术领域。包括正偏MSAW传感器、反偏MSAW传感器和混频器，所述正偏MSAW传感器和反偏MSAW传感器包括自下而上依次设置的SAW谐振器、绝缘层、磁敏感层和绝缘钝化层；其中，所述正偏MSAW传感器和反偏MSAW传感器上施加相反的偏置场。本发明采用两个偏置场相反的MSAW传感器，相较于单个MSAW传感器组成的系统，最大频移量Δf_max翻了一倍，达到8MHz或以上；检测灵敏度df/dH也翻了一倍，达到1000kHz/Oe或以上；线性检测区间由5Oe‑15Oe移动至‑5Oe‑5Oe。

技术领域

本发明属于电子信息材料与器件技术领域，具体涉及一种基于磁场偏置结构的高灵敏度声表面波矢量磁场传感系统。

背景技术

以声表面波(SAW)技术和磁致伸缩材料为基础的磁场传感器也被称为磁声表面波(MSAW)谐振器或磁声表面波延迟线，因其灵敏度高，体积小，易起振等优点而备受人们的关注。此类声表面波磁场传感器利用磁致伸缩材料的巨杨氏模量效应，当外界磁场发生改变，磁敏感层杨氏模量效应发生改变，最终导致器件中心频率发生改变，这样一来就可以实现对磁场的高灵敏度探测。即根据公式其中E为材料的杨氏模量，ρ为材料密度，p为半波长宽度，通过测得Δf得到检测磁场的变化。因此此类传感器不仅具有较高的磁场灵敏度和良好的线性度，而且尺寸小、易集成，因此在磁场检测领域具有极高的实用价值。

对于磁声表面波(MSAW)器件的研究，Smole等人(P.Smole,W.Ruile,C.Korden,etal.Magnetically tunable SAW-resonator[C].IEEE International Frequency ControlSymposiumPDA Exhibition Jointly with the European FrequencyTime Forum.IEEE,2003,1-4)采用ZnO作为压电材料，FeCoSiB作为磁敏感层，通过牺牲层技术制备了单端口谐振器，实现了较大的频移量，在1.2GHz附近频率调节量达-1.21％。但并未对低频乃至直流磁场的应用进行更多探讨，并且制作工艺复杂，重复性差。Liu等人(X.L.Liu,T.Bei,X.F.Yang,et al.Self-biased vector magnetic sensor based on a Love-typesurface acoustic wave resonator[J].Applied Physics Letters,2018,113(8):082402)提出了一种基于Love波模态的谐振型传感器，在低频乃至直流磁场检测时具有一定频率响应，但存在明显磁滞效应，不利于线性检测需求，同时最大检测灵敏度仅为663.98Hz/μT，无法满足高灵敏度的应用需求。Li、Hui等人(M.Li,C.Dong,H.Chen,etal.Ultra-sensitive NEMS magnetoelectric sensor for picotesla DC magneticfield detection[J].Applied Physics Letters,2017,110(14):143510)提出了基于轮廓模的谐振型MSAW器件，此类传感器可以实现低频乃至直流磁场的检测，磁致频移量达到3.19MHz，直流磁场检测时灵敏度高达2.8Hz/nT，但高灵敏度工作点在12Oe附近，零场附近检测灵敏度df/dH近于零。Wang等人(W.Wang,Y.Jia,X.Xue,et al.Grating-patternedFeCo coated surface acoustic wave device for sensing magnetic field[J].AIPAdvances,2018,8(1):015134)采用差频结构来使得传感器达到抑制温漂和其它噪音的目的，其中一个传感器表面有磁致伸缩薄膜，而另一个表面没有磁致伸缩薄膜或者用其它金属代替。然而，这种结构存在以下两个问题：其一该差频结构通过部分抑制噪音可以提高磁场分辨力，但不能提升谐振型或延迟线型MSAW传感器的磁场灵敏度；其二，没有覆盖磁致伸缩薄膜的谐振型或延迟线型MSAW传感器的中心频率和频率/相位温度系数并不等于被覆磁致伸缩薄膜的此类器件的中心频率和频率相位温度系数，因此该差频结构并不能充分抑制温漂。