CN104215917B - 边界波谐振式磁传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种边界波谐振式磁传感器，其包括：一压电基底；一电介质层，形成在该压电基底的一个表面上；一叉指电极，设置于压电基底和电介质层之间并被该电介质层覆盖，其用于产生边界波；一磁致伸缩薄膜，形成于该电介质层的上表面，其用于感应外界磁场并基于该外界磁场而改变自身杨氏模量；其中，所述磁致伸缩薄膜自身杨氏模量的变化引起上述边界波的谐振频率变化，所述边界波谐振式磁传感器通过检测该边界波的谐振频率变化来检测外界磁场的变化。本发明提供的边界波谐振式磁传感器，其不但灵敏度高、体积小、方便封装、制作简单，而且由于该磁致伸缩薄膜位于电介质层的上表面，因此形成的磁致伸缩薄膜残余应力小，利于形成高质量的磁致伸缩薄膜。

Description

边界波谐振式磁传感器

【技术领域】

本发明涉及基于边界波的磁传感器领域，尤其涉及一种边界波谐振式磁传感器。

【背景技术】

近年来，利用声表面波的声表面波谐振子、声表面波过滤器等声表面波装置被广泛地应用。

声表面波装置具有压电基板和在压电基板上形成的叉指电极，在声表面波装置中将叉指电极激发的弹性波作为声表面波在压电基板表面上传播。

声表面波装置采用声表面波的振动模式，其谐振频率取决于压电基底与电介质层的杨氏模量和材料密度，因此可以通过改变压电基底或电介质层的杨氏模量或材料密度来改变该谐振频率。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种灵敏度高、体积小、方便封装、以及制作简单的边界波谐振式磁传感器。

为了达到上述发明目的，本发明提供了一种边界波谐振式磁传感器，其包括：一压电基底；一电介质层，形成在该压电基底的一个表面上，其包括与该压电基底相结合的下表面和与该下表面相对设置的上表面；一叉指电极，设置于压电基底和电介质层之间并被该电介质层覆盖，其用于产生边界波；一磁致伸缩薄膜，形成于该电介质层的上表面，其用于感应外界磁场并基于该外界磁场而改变自身杨氏模量；其中，所述磁致伸缩薄膜自身杨氏模量的变化引起上述边界波的谐振频率变化，所述边界波谐振式磁传感器通过检测该边界波的谐振频率变化来检测外界磁场的变化。

优选的，所述压电基底为单晶压电基底或压电薄膜。

优选的，所述叉指电极包括叉指换能器和位于叉指换能器两端的反射器。

优选的，所述电介质层的声速小于压电基底的声速。

优选的，所述电介质层由二氧化硅制成。

优选的，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。

优选的，所述边界波谐振式磁传感器还包括在磁致伸缩薄膜远离所述电介质层的表面上形成的保护层。

优选的，所述保护层由树脂材料制成，其用于吸收杂波和保护所述磁致伸缩薄膜。

优选的，所述保护层由高声速材料制成，其用于隔离磁致伸缩薄膜表面免受环境因素的影响。

优选的，所述保护层由二氧化硅制成，其用于改善该边界波谐振式磁传感器的频率温度特性。

本发明提供的边界波谐振式磁传感器，其不但灵敏度高、体积小、方便封装、制作简单，而且由于该磁致伸缩薄膜位于电介质层的上表面，因此形成的磁致伸缩薄膜残余应力小，利于形成高质量的磁致伸缩薄膜。

【附图说明】

图1为本发明边界波谐振式磁传感器的正剖视示意图。

【具体实施方式】

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种边界波谐振式磁传感器1，其包括一压电基底10、形成在该压电基底10的一个表面上的电介质层11、置于压电基底10和电介质层11之间并被该电介质层11覆盖的叉指电极12、形成于该电介质层11上的磁致伸缩薄膜13、以及在磁致伸缩薄膜11远离所述电介质层11的表面上形成的保护层14。

所述压电基底10可以是单晶压电基底，例如石英、LiNbO3或LiTaO3等制成，也可以是压电薄膜，例如AIN，ZnO等压电薄膜。

所述叉指电极12由压电材料制成，其为传统的单端或双端叉指电极结构，用于产生边界波，该边界波为SH剪切波，其包括叉指换能器和位于叉指换能器两端的反射器。该叉指电极12根据压电基底10的不同，其电极材料可以采用AI、Cu、Ag、Au等密度大声速低的材料。由于叉指电极12的电极厚度对边界波的速度具有调节作用，因此可以设置为梯形或矩形电极，具体厚度和形成可以根据实际需要去进行调节，在本发明中，该叉指电极12优选的采用矩形电极。

所述电介质层11包括与该压电基底10相结合的下表面和与该下表面相对设置的上表面，其覆盖叉指电极12一预设厚度，其厚度一般在边界波的0.01-0.25个波长厚度范围内，优选的采用密度大而声速较低的绝缘材料制成，以便保证所述电介质层11的声速小于压电基底10的声速，其目的在于形成聚集的波导层，机械波或者说声波的特性是能量容易往低声速层聚集。在本发明中优先选用SiO2，因为采用SiO2还可以兼具温度补偿特性，当然电介质层11也可以采用其它密度大、声速低、以及杨氏模量小的材料制成。所述电介质层11在保证磁致伸缩薄膜13与叉指电极12有足够的电学隔离的前提下，厚度不宜过厚，这样，磁致伸缩薄膜13可以更加接近叉指电极12所在的边界处，从而使得磁致伸缩薄膜13对谐振频率的影响更大，进而使得本发明提供的边界波谐振式磁传感器1具有更高的灵敏度。

所述磁致伸缩薄膜13形成于该电介质层11的上表面，其用于感应外界磁场并基于该外界磁场而改变自身杨氏模量。磁致伸缩薄膜13为非晶合金，具备磁各向异性和巨杨氏模量效应，其可以为FeCoSiB，FeGaB，FeSiB等材料制成。

现有一些边界波磁致传感器同样设有压电基底，压电基底上表面形成有叉指电极和电介质层，但是，磁致伸缩薄膜却设置在压电基底的下表面，此种磁传感器相对本发明所提供的边界波谐振式磁传感器1来说，由于磁致伸缩薄膜被夹在压电基底与粘接保护层或其它基片之间，这样，采用逐层从下往上生长顺序则不能得到高质量的磁致伸缩薄膜和取向生长高的压电基底或压电薄膜，那么为了获得高质量的磁致伸缩薄膜只能采用牺牲层工艺，但这种牺牲层工艺相对较复杂，直接造成生产成本高、生产效率低。而本发明不同，本发明的磁致伸缩薄膜13由于在最上层，可以采用逐层从下往上的生长顺序，可以直接采用压电基底或生长压电薄膜，再制作叉指电极，生长电介质层覆盖该叉指电极后再生长较厚的磁致伸缩薄膜13，由于磁致伸缩薄膜13位于电介质层11的上表面，不但可以生长的更厚，而且可以使得磁致伸缩薄膜13的内部应力得到充分释放，并通过磁退火可以获得具备磁各向异性的磁致伸缩薄膜13。

本发明所提供的边界波谐振式磁传感器1，其最重要的特征在于所述磁致伸缩薄膜13设置在电介质层11的上表面，相对于将磁致伸缩薄膜13设置于压电基底或压电薄膜下方来说，所述磁致伸缩薄膜13离边界波的距离更近，这样，使得磁致伸缩薄膜13对谐振频率的影响更大，在等效杨氏模量中可以占据更大的比重，甚至能够实现高灵敏度的检测极弱稳恒磁场。另外，由于磁致伸缩薄膜13本身比较柔软，可以降低电介质层11的厚度，通过设计，可以将边界波形成的波导层限定到磁致伸缩薄膜13中，这样，本发明提供的边界波磁致传感器1的灵敏度将会大大提高，同时又兼具了边界波的低损耗、高机电耦合系数的特点。而当磁致伸缩薄膜13位于压电基底或压电薄膜下方时，不但磁致伸缩薄膜13的杨氏模量的占比降低，离叉指电极12也更远，而且边界波无法像本发明那样形成聚集的波导层，灵敏度也难以提升。

本发明还包括在磁致伸缩薄膜13远离所述电介质层11的表面上形成的保护层14。所述保护层14由树脂材料制成时，其可以用于吸收杂波和保护所述磁致伸缩薄膜13；所述保护层14由高声速材料制成时，其可以用于隔离磁致伸缩薄膜13表面免受环境因素的影响；所述保护层14由二氧化硅制成时，其可以用于改善该边界波谐振式磁传感器1的频率温度特性

在本发明中，该边界波谐振式磁传感器1是基于边界波的振动模式，其谐振频率取决于压电基底10与电介质层11的杨氏模量和材料密度，而所述磁致伸缩薄膜13自身杨氏模量的变化又会引起边界波的谐振频率变化，基于此，所述边界波谐振式磁传感器1可以通过检测该边界波的谐振频率变化来检测外界磁场的变化。

本发明提供的边界波谐振式磁传感器1，其不但灵敏度高、体积小、方便封装、制作简单，而且由于该磁致伸缩薄膜13位于电介质层11的上表面，因此形成的磁致伸缩薄膜13残余应力小，利于形成高质量的磁致伸缩薄膜13，甚至能够实现高灵敏度的检测极弱稳恒磁场。

以上所述的仅是本发明的较佳实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种边界波谐振式磁传感器，其特征在于，其包括：

一压电基底；

一电介质层，形成在该压电基底的一个表面上，其包括与该压电基底相结合的下表面和与该下表面相对设置的上表面；

一叉指电极，设置于压电基底和电介质层之间并被该电介质层覆盖，其用于产生边界波；

一磁致伸缩薄膜，形成于该电介质层的上表面，并遮盖所述叉指电极，用于感应外界磁场并基于该外界磁场而改变自身杨氏模量；

其中，所述磁致伸缩薄膜自身杨氏模量的变化引起上述边界波的谐振频率变化，所述边界波谐振式磁传感器通过检测该边界波的谐振频率变化来检测外界磁场的变化。

2.如权利要求1所述的边界波谐振式磁传感器，其特征在于：所述压电基底为单晶压电基底或压电薄膜。

3.如权利要求1所述的边界波谐振式磁传感器，其特征在于：所述叉指电极包括叉指换能器和位于叉指换能器两端的反射器。

4.如权利要求1所述的边界波谐振式磁传感器，其特征在于，所述电介质层的声速小于压电基底的声速。

5.如权利要求1所述的边界波谐振式磁传感器，其特征在于，所述电介质层由二氧化硅制成。

6.如权利要求1所述的边界波谐振式磁传感器，其特征在于，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。

7.如权利要求1所述的边界波谐振式磁传感器，其特征在于，所述边界波谐振式磁传感器还包括在磁致伸缩薄膜远离所述电介质层的表面上形成的保护层。

8.如权利要求7所述的边界波谐振式磁传感器，其特征在于，所述保护层由树脂材料制成，其用于吸收杂波和保护所述磁致伸缩薄膜。

9.如权利要求7所述的边界波谐振式磁传感器，其特征在于，所述保护层由高声速材料制成，其用于隔离磁致伸缩薄膜表面免受环境因素的影响。

10.如权利要求7所述的边界波谐振式磁传感器，其特征在于，所述保护层由二氧化硅制成，其用于改善该边界波谐振式磁传感器的频率温度特性。