CN102435959A

CN102435959A - 一种磁声表面波磁场传感器及其制备方法

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Publication number: CN102435959A
Application number: CN2011103063846A
Authority: CN
Inventors: 白飞明; 代丽红; 文丹丹; 钟智勇; 张怀武
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-10-11
Filing date: 2011-10-11
Publication date: 2012-05-02

Abstract

一种磁声表面波磁场传感器及其制备方法，属于电子功能材料与器件技术领域。该传感器包括压电薄膜、磁致伸缩薄膜、衬底基片；磁致伸缩薄膜位于压电薄膜和衬底基片之间；磁致伸缩薄膜的厚度为所述压电薄膜厚度的2～5倍；压电薄膜表面具有叉指换能器，叉指换能器与压电薄膜一起构成声表面波器件。压电薄膜以及叉指换能器表面覆盖有一层SiO₂。当传感器处于谐振状态时，如果存在外加磁场变化，磁致伸缩层的杨氏模量就会发生变化，进而影响到压电层中声表面波的传播速度，此时通过检测谐振中心频率的变化就可知外加磁场的变化。SiO₂覆盖层可以补偿压电薄膜的频率温度系数，实现接近零频率温度系数。本发明具有微型化、易集成、灵敏度高、一致性号、稳定可靠的特点。

Description

一种磁声表面波磁场传感器及其制备方法

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(Magneticsurface 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。

本发明提供的磁声表面波磁场传感器，当在叉指换能器输入电极2上施加一个高频激励电信号，根据逆压电效应，压电薄膜的表面发生振动，激励出一个中心频率为f₀的声表面波。如果外加磁场H沿磁致伸缩薄膜的易磁化轴方向发生变化ΔH，由于巨杨氏模量效应，磁致伸缩薄膜的杨氏模量发生显著变化，进而改变与之相邻的压电薄膜的杨氏模量。声表面波在压电薄膜中的传播速度V正比于

(E为压电薄膜的杨氏模量，ρ为压电薄膜的密度)，同时，波速V、波长λ、频率f者之间满足公式V＝λf。可见杨氏模量的改变会导致在压电薄膜表面传播的声表面波的波速V设生变化，从而引起声表面波的中心频率的变化Δf。

传统磁电声表面波器件直接利用磁致伸缩效应改变声表面波的波长λ，由于λ受限于叉指换能器的设计和微细加工能力，不可能很小，而大的磁致伸缩也要求施加较大的磁场，所以Δλ/ΔH不够大，难以实现＜10^-7T的磁场灵敏度。本发明提供的磁声表面波磁场传感器，包括与压电薄膜等面积的磁致伸缩薄膜，其中压电薄膜采用具有高度取向的压电薄膜(如：ZnO、PZT、AlN或LiNbO₃压电薄膜)，磁致伸缩薄膜采用具有单轴各向异性和巨杨氏模量效应的磁致伸缩薄膜(如：FeSiB、FeSiBC或FeCoSiB非晶磁致伸缩薄膜)，可以在几个Oe磁场变化下实现30-100％的杨氏模量变化。由于磁致伸缩薄膜3的厚度为所述压电薄膜1厚度的3～5倍，这样使得微弱的磁场变化所引起的磁致伸缩薄膜的伸缩效应也能够引起相邻压电薄膜足够的杨氏模量变化。由于声表面波传播速度V正比于

同时波速V、波长λ、频率f三者之间满足公式V＝λf，所以Δf/ΔH可以很高。以中心频率为500MHz、杨氏模量改变25％所需施加的磁场为10Oe计算，理论上磁场灵敏度Δf/ΔH好于25MHz/Oe，磁场分辨率可达到10^-11T。

磁声表面器件器件制备的关键困难在于由于金属性磁致伸缩薄膜易于氧化，所以难以在其表面上制备ZnO压电薄膜及后续的插指换能器。本发明提供的磁声表面波磁场传感器中，首先在Pt/Ti/SiO₂/Si基片上制备ZnO，然后在氩气环境下制备磁致伸缩薄膜，避免了磁致伸缩薄膜的氧化和性能降低，接着采用牺牲层工艺，将压电层和磁致伸缩层转移到承载基片上，并依次腐蚀掉Si、SiO₂、Ti和Pt，这样就可以暴露出ZnO压电层，并完成插指换能器的制备。

本发明提供的磁声表面波磁场传感器中，由于通常压电薄膜具有负的频率温度系数，可在压电薄膜1以及叉指换能器表面覆盖一层SiO₂，因为SiO₂具有正的频率温度系数，两者结合可以实现温度补偿。频率温度补偿TCF＝1/f*(df/dT)，TCF受SiO₂与ZnO的厚度比和两者总的厚度的影响。当两者总厚度一定时，ZnO薄膜越厚，TCF越大；当两者厚度比一定，总的厚度越大，TCF越小。选择合适的厚度比和总厚度，可以在一定频率范围内实现零温漂。这样就可以使本发明提供的磁声表面波弱磁场传感器不受温度的影响，具有较好的温度稳定性。

综上所述，本发明提供的磁声表面波磁场传感器，采用雅典薄膜与磁致伸缩薄膜的叠层结构，其中压电薄膜采用高度取向的压电薄膜，磁致伸缩薄膜采用单轴各向异性和巨杨氏模量效应的磁致伸缩薄膜，压电薄膜表面采用正频率温度系数的SiO₂进行温度补偿，使得本发明具有微型化、易集成、灵敏度高、一致性号、稳定可靠的特点。

附图说明

图1是Webber等人提出的磁声表面波器件结构示意图。

图2是Hanna等人提出的磁声表面波器件结构示意图。

图3是重庆大学文玉梅等人提出的磁声表面波器件结构示意图。

图4是本发明提供的磁声表面波器件立体结构示意图。

图5是本发明提供的磁声表面波器件剖面结构示意图。

具体实施方式

前述本发明提供的磁声表面波器件，由于器件为复合薄膜结构，在磁致伸缩层薄膜与衬底基片之间需要采用粘结材料粘结在一起，所述粘结层材料应当同时对磁致伸缩层薄膜具有保护作用(具体可采用环氧树脂)；同时，在压电薄膜1与磁致伸缩薄膜3之间采用金属铬缓冲层过渡。

本发明提供的磁声表面波器件，其制备方法可以概括如下：

一种磁声表面波磁场传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：在清洁的Pt/Ti/SiO₂/Si基片的Pt表面溅射沉积压电薄膜并对压电薄膜进行高温退火处理。压电薄膜宜采用高度取向的ZnO、PZT、AlN或LiNbO₃压电薄膜，厚度为1～2微米。

步骤2：在步骤1所得压电薄膜表面溅射沉积金属铬缓冲层。金属铬缓冲层的厚度控制在20纳米左右。金属铬缓冲层的作用是增加压电薄膜与磁致伸缩薄膜之间的附着力，如果直接在压电薄膜表面溅射磁致伸缩薄膜，一方面会造成压电薄膜品格的破坏，另一方面也难以得到具有单轴各向异性和巨杨氏模量效应的磁致伸缩薄膜。

步骤3：在步骤2所得金属铬缓冲层表面溅射沉积磁致伸缩薄膜。磁致伸缩薄膜宜采用具有单轴各向异性和巨杨氏模量效应的FeSiB、FeSiBC或FeCoSiB磁致伸缩薄膜，厚度为4～5微米。具体溅射时，可在外磁场诱导下溅射，同时周期性***2～3层金属铜层，以提高磁致伸缩薄膜的单轴面内各向异性。

步骤4：将步骤3所得磁致伸缩薄膜粘结于衬底基片表面。粘结材料可采用环氧树脂，环氧树脂同时对磁致伸缩薄膜可起保护作用。

步骤5：完成步骤1～4后，腐蚀掉Pt/Ti/SiO₂/Si基片，露出压电薄膜。腐蚀Pt/Ti/SiO₂/Si基片时，采用强碱溶液腐蚀SiO₂/Si层，采用HF溶液腐蚀Pt/Ti层。

步骤6：在压电薄膜层表面制作叉指换能器结构。所述叉指换能器结构包括输入电极、输出电极、位于输入电极外侧的输入端反射栅和位于输出电极外侧的输出端反射栅，具体制作工艺采用光刻和薄膜沉积工艺，叉指换能器制作材料采用金属铝。

步骤7：在压电薄膜以及叉指换能器表面溅射沉积SiO₂。

具体实施方式一

经上述制备工艺所得一种具体的表面波磁场传感器，衬底基片为石英基片，尺寸为20×10毫米，各组成部分参数如下：

压电薄膜为C轴取向的ZnO薄膜，厚度为1微米，其(002)衍射峰的摇摆曲线FWHM(半宽高)为2.8deg，电阻率＞10⁹Ω/cm，表面粗糙度小于4nm，压电系数d₃₃为

磁致伸缩薄膜为5微米厚的Fe₈₁Si_13.5B_3.5C₂薄膜，磁致伸缩系数为35ppm，沿易磁化方向的矫顽力为2Oe，剩磁比＞75％；

叉指换能器为两侧含有反射栅的双端叉指换能器，厚度为0.8微米，采用金属铝制作，IDs和反射栅的指宽和指间距均为2μm，输入、输出IDTs对数均为100对，孔径为320μm，两侧的反射栅均为500条，输入、输出IDTs之间的间隔为80μm，IDTs与反射栅之间的距离为10μm；

SiO₂频率温度补偿层厚度为2.5微米；

金属铬缓冲层厚度为20纳米，粘结层材料为环氧树脂。

具体实施方式二

经上述制备工艺所得一种具体的表面波磁场传感器，衬底基片为石英基片，基片尺寸为20×10毫米，各组成部分参数如下：

压电薄膜为PZT(Pb_1.1(Zr_0.58Ti_0.42)O₃)薄膜，厚度为1微米，其(001)衍射峰的摇摆曲线FWHM(半宽高)为5.8deg，电阻率＞10¹⁰Ω/cm，表面粗糙度小于6.5nm，压电系数d₃₃为

磁致伸缩薄膜为5微米后的Fe₇₈Si₉B₁₃薄膜，磁致伸缩系数为30ppm，沿易磁化方向的矫顽力为2.4Oe，剩磁比＞50％；磁致伸缩薄膜中***了两层20纳米后的金属铜层；

叉指换能器为两侧含有反射栅的双端叉指换能器，厚度为0.8微米，采用金属铝制作；

SiO₂频率温度补偿层厚度为2.5微米(ZnO与SiO₂的厚度比为2∶5，两者总的厚度为3.5μm，在350MHz左右有0.8ppm/℃的TCF)；

金属铬缓冲层厚度为20纳米，粘结层材料为环氧树脂。

显然，本领域技术人员应当知道本发明提供的的磁声表面波弱磁传感器还可以采用具有与ZnO薄膜和FeSiBC薄膜相同性质的材料，如PZT压电薄膜和FeSiB磁致伸缩薄膜等，同时，本发明涉及的双端SAWR也可以制作成单端SAWR，这些改动都没有脱离本发明的精神和范围，均包含在本发明的意图之中。

Claims

1.一种磁声表面波磁场传感器，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；其特征在于，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)。

2.根据权利要求1所述的磁声表面波磁场传感器，其特征在于，所述压电薄膜(1)以及叉指换能器表面覆盖有一层SiO₂(10)。

3.根据权利要求1或2所述的磁声表面波磁场传感器，其特征在于，所述压电薄膜(1)为高度取向的ZnO、PZT、AlN或LiNbO₃压电薄膜，厚度为1～2微米；所述磁致伸缩薄膜(3)为具有单轴各向异性和巨杨氏模量效应的FeSiB、FeSiBC或FeCoSiB磁致伸缩薄膜，厚度为4～5微米。

4.根据权利要求1或2所述的磁声表面波磁场传感器，其特征在于，所述压电薄膜(1)与磁致伸缩薄膜(3)之间具有一层金属铬缓冲层(11)。

5.根据权利要求1或2所述的磁声表面波磁场传感器，其特征在于，所述磁致伸缩薄膜(3)与衬底基片(9)之间具有一层粘结保护层(12)。

6.根据权利要求1～5之任一项所述的磁声表面波磁场传感器，其特征在于，所述磁致伸缩薄膜(3)中周期性地***2～3层金属铜膜，形成复合磁致伸缩薄膜。

7.一种磁声表面波磁场传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：在清洁的Pt/Ti/SiO₂/Si基片的Pt表面溅射沉积压电薄膜；

步骤2：在步骤1所得压电薄膜表面溅射沉积金属铬缓冲层；

步骤3：在步骤2所得金属铬缓冲层表面溅射沉积磁致伸缩薄膜；

步骤4：将步骤3所得磁致伸缩薄膜粘结于衬底基片表面；

步骤5：完成步骤1～4后，腐蚀掉Pt/Ti/SiO₂/Si基片，露出压电薄膜；

步骤6：在压电薄膜层表面制作叉指换能器结构；

步骤7：在压电薄膜以及叉指换能器表面溅射沉积SiO₂。

8.根据权利要求7所述的表面波磁场传感器的制备方法，其特征在于，所述压电薄膜为高度取向的ZnO、PZT、AlN或LiNbO₃压电薄膜，厚度为1～2微米；所述磁致伸缩薄膜为具有单轴各向异性和巨杨氏模量效应的FeSiB、FeSiBC或FeCoSiB磁致伸缩薄膜，厚度为4～5微米。

9.根据权利要求7所述的表面波磁场传感器的制备方法，其特征在于，步骤4采用的粘结材料为环氧树脂。

10.根据权利要求7所述的表面波磁场传感器的制备方法，其特征在于，所述叉指换能器结构包括输入电极、输出电极、位于输入电极外侧的输入端反射栅和位于输出电极外侧的输出端反射栅，具体制作工艺采用光刻和薄膜沉积工艺，叉指换能器制作材料采用金属铝。