基于磁偏置结构的高灵敏度声表面波矢量磁场传感系统

1.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：

2.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。
3.对于磁声表面波(msaw)器件的研究，smole等人(p.smole,w.ruile,c.korden,et al.magnetically tunable saw-resonator[c].ieee international frequency control symposium&pda exhibition jointly with the european frequency&time 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-type surface 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,et al.ultra-sensitive nems magnetoelectric sensor for picotesla dc magnetic field 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-patterned feco coated surface acoustic wave device for sensing magnetic field[j].aip advances,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。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出了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，可用于磁场传感与探测或者磁场调谐的声表面波谐振器、延迟线中。
[0005]
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0006]
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，如图1所示，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(1)、绝缘层(2)、磁敏感层(3)和绝缘钝化层(6)；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。
[0007]
进一步的，所述正偏msaw传感器和反偏msaw传感器施加偏置场的方式可以为在磁敏感层(3)和绝缘钝化层(6)之间设置反铁磁层(4)、或者在saw谐振器(1)两侧放置极性相反的永磁体(5)。
[0008]
进一步的，通过调整施加偏置场的大小，使得正偏msaw传感器和反偏msaw传感器在零场下具有最高的灵敏度。
[0009]
进一步的，所述saw谐振器包括依次设置的压电单晶和叉指电极；所述压电单晶为石英单晶，或者litao3、linbo3等压电单晶，厚度为0.2～1mm；所述叉指电极为cu或al等，厚度为50～150nm。
[0010]
进一步的，所述绝缘层为sio2、al2o3、hfo2、tio2或zno等，厚度为200～4000nm。
[0011]
进一步的，所述磁敏感层为fesib、fesibc、fecosib、fegab等非晶薄膜，厚度为50～400nm。
[0012]
进一步的，所述磁敏感层为非晶薄膜/(坡莫合金/非晶薄膜)n的结构，n为正整数。
[0013]
进一步的，所述绝缘钝化层为sio2、al2o3、hfo2、tio2或zno等，厚度为20～100nm。
[0014]
进一步的，所述反铁磁层为irmn、femn等，厚度为20～200nm。
[0015]
进一步的，所述正偏msaw传感器和反偏msaw传感器中，磁敏感层的材料和厚度均相同，可以有效抑制温漂。
[0016]
进一步的，所述saw谐振器是采用love波模态设计得到的，比传统瑞利波所激发的杨氏模量效应更显著，因而具有更高的磁场灵敏度。
[0017]
本发明的有益效果为：
[0018]
1、本发明提供的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，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。
[0019]
2、本发明提供的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，采用两个偏置场相反的msaw传感器，且两个传感器的材料和厚度均相同，即两个msaw传感器的中心频率和频率/相位温度系数相同，因此可以进一步抑制温漂，具有更好的温度稳定性。
附图说明
[0020]
图1为本发明提供的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的整体结构示意图；
[0021]
图2为本发明提供的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中，采用铁磁/反铁磁交换偏置结构施加偏置场(a)和采用永磁体偏置结构施加偏置场(b)的结构示意图；
[0022]
图3为单个msaw矢量传感器在无偏置场下易轴(a)和难轴(b)的频移曲线；
[0023]
图4为本发明提供的一种基于磁场偏置结构的高灵敏度磁电矢量传感器的混频示意图。
具体实施方式
[0024]
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
[0025]
本发明提供的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，其原理为：
[0026]
图3为单个msaw矢量传感器在无偏置场下易轴(a)和难轴(b)的频移曲线；其中，单个msaw矢量传感器包括自下而上依次设置的saw谐振器(1)、sio2绝缘层(2)、fecosib/nife/fecosib的磁敏感层(3)和sio2绝缘钝化层(6)。由图3可知，单个msaw矢量传感器中沿易轴方向的频移曲线几乎为一水平直线，即频率基本不随外磁场变化而变化；而沿难轴方向的频移曲线是一关于h(磁场)＝0轴对称的“w型”曲线。当磁场强度从0oe增加到5oe时，谐振频率基本维持不变。这是由于saw谐振器表面起伏以及界面周期性调制导致的。而从5oe开始谐振频率骤降，这部分线性度非常强，灵敏度非常高，此时器件灵敏度最高达513.2khz/oe，线性区间范围为5oe-15oe。之后再继续提高磁场强度，器件的谐振频率由最小值不断增大，且变化斜率逐渐减小，达到100oe左右时谐振频率趋近于最大值449oe。而随着磁场下降杨氏模量开始下降，且由于“fecosib/nife/fecosib”三明治结构，磁滞效应小，故正反方向测试曲线重合度很高，基本按原曲线趋势返回。当磁场反向到达-5oe时，频率开始减小，最大灵敏度取-5oe到-15oe之间，此区间线性度非常好，灵敏度高达498khz/oe。综上，可以得到单个msaw矢量传感器具有优异的矢量传感性，以及很高的灵敏度，最大频移量为4mhz，最大检测灵敏度为500khz/oe左右，线性工作区间为5oe至15oe或者-5oe至-15oe。但是，由于该单个msaw矢量传感器的难轴频移曲线关于h＝0轴对称，因此零场附近灵敏度几乎为零，难以进行零场附近的磁场检测。基于此，在难轴方向施加偏置磁场，即引入铁磁/反铁磁交换偏置结构和永磁体偏置结构，频移曲线会从零场处向左侧或右侧等距平移，将最高灵敏度工作点移到零场附近，此时零场灵敏度将不再为零，而是具有最高检测灵敏度约500khz/oe。
[0027]
在此基础上，本发明采用两个msaw传感器，并在两个msaw传感器难轴上施加方向相反的偏置磁场，使得难轴的频移曲线向h(磁场)＝0轴左右两侧等距平移，再经混频器将两个正反方向偏移的传感器的输出频率混频，以达到叠加频移量(最大频移量达到或超过8mhz)、提高传感器零场检测灵敏度(检测灵敏度约1000khz/oe)并扩大线性工作范围(线性检测区间为-5oe-5oe)的目的。
[0028]
实施例1
[0029]
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，如图1所示，包括正偏msaw传感器、反偏msaw传感器和混频器，其中，所述正偏msaw传感器上施加从左至右的偏置场hb，反偏msaw传感器上施加从右至左的偏置场hb。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(1)、绝缘层(2)、磁敏感层(3)、反铁磁层(4)和绝缘钝化层(6)；其中，saw谐振器包括依次设置的压电单晶和叉指电极，压电单晶为st-cut90
°
x石英单晶，叉指电极为al金属，波长为10μm，金属化率设为0.5；绝缘层为sio2，用于隔离叉指电极与其他金属层，同时作为love波传导层，厚度为800nm；磁敏感层为fecosib/nife/fecosib，厚度为105nm；反铁磁层为irmn，厚度为50nm，采用顶钉扎方式，在制备铁磁/反铁磁薄膜时，需外加沿x轴方向从左至右的诱导磁场，从而得到如图2(a)所示方向的偏置磁场hb，得到正偏msaw，反之沿x轴方向从右至左外加诱导磁场得到反偏msaw；绝缘钝化层为sio2，厚度为50nm。
[0030]
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的制作方法，具体包括以下步骤：
[0031]
步骤1、选取两个st-cut90
°
x的石英单晶，分别在其上光刻叉指电极，得到两个saw谐振器；saw谐振器的尺寸为2.4mm*2mm，叉指电极的线宽2.5μm、厚150nm；
[0032]
步骤2、采用磁控溅射法在步骤1得到的saw谐振器上沉积一层sio2绝缘层；其中，溅射靶材为直径为的sio2靶(纯度99.99％)，溅射气压0.3pa，射频功率rf150w，厚度为800nm；
[0033]
步骤3、采用直流磁控溅射在步骤2得到的绝缘层上沉积50nmfecosib/5nmnife/50nmfecosib磁敏感层；其中，制备fecosib薄膜时，溅射靶材为直径为纯度99.5％的fecosib靶，溅射气压0.2pa，功率dc110w；制备nife薄膜时，溅射靶材为直径为纯度99.5％的nife靶，溅射气压为0.1pa，射频功率为rf28w；在两个saw谐振器上制备磁敏感层时，施加大小为150oe、方向相反的诱导磁场，对应正偏和反偏两个结构；
[0034]
步骤4、在步骤3的诱导磁场下，采用磁控溅射法在磁敏感层上沉积irmn反铁磁层，其中，溅射功率为30w，溅射气压为0.3pa，反铁磁层厚度为50nm；由于诱导磁场方向反向平行，因此可以得到两个偏置场大小相同、方向相反的msaw传感器，即具有相反偏置结构的msaw传感器；
[0035]
步骤5、采用磁控溅射法在步骤4得到的反铁磁层上沉积sio2绝缘钝化层；其中，溅射靶材选用直径为纯度99.99％的sio2靶，溅射气压0.3pa，射频功率rf150w，厚度为50nm。
[0036]
图4为本发明提供的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器的混频示意图。由于单个msaw矢量传感器的频移曲线关于h＝0轴对称，如图4关于y轴对称的实线所示；当msaw传感器外加偏置场hb》0后，频移曲线向右偏移，此时输出频率为f1，如图4第一象限的虚线所示。同理，如果在相同沉积条件下，仅将偏置场hb调整为相反的方向，即外加大小相等方向相反的-hb《0，频移曲线会向左偏移相同距离，此时输出频率为f2，如图4第二象限点划线所示。经混频器混频后，通过差频计算得到f
混频
＝f
1-f2，如图4横跨第二、四象限的实线所示。由图4可知，相较于单个msaw矢量传感器组成的系统，最大频移量δf
max
翻了一倍，达到8mhz；检测灵敏度df/dh也翻了一倍，达到1000khz/oe；线性检测区间由5oe-15oe移动至-5oe-5oe。
[0037]
实施例2
[0038]
本实施例与实施例1相比，区别在于：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(1)、绝缘层(2)、磁敏感层(3)、绝缘钝化层(6)，在saw谐振器(1)两侧放置极性相反的永磁体(5)，所述永磁体为nbfeb，采用如图2(b)所示的摆放方式，得到从左至右的偏置场hb，进而得到正偏msaw，反之调转正负极方向得到反偏msaw。在制作过程中，在一个msaw器件反射栅的两侧粘连两个极性相反的永磁体，采用粘连方式防止两者相吸靠近，另外一个msaw器件两侧也粘连两个极性相反的永磁体，两者的磁性方向相反。