CN106154186B - 声表面波磁传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种声表面波磁传感器。所述声表面波磁传感器包括压电薄膜、分别设于所述压电薄膜两侧的种子层和叉指换能器、以及设于所述种子层背离所述压电薄膜的表面的衬底基片，所述叉指换能器包括叉指电极及位于所述叉指电极两端的反射栅，所述叉指电极为磁性叉指电极。本发明同时提供一种声表面波磁传感器的制备方法。本发明的叉指电极为磁性叉指电极，在外加磁场的作用下，叉指电极弹性模量会发生改变，从而整个器件的等效弹性模量也会发生变化，导致声表面波的谐振频率发生改变，能实现检测外界磁场的大小的功能；且具有膜层结构简单、制备方法简单、低成本、高各向异性、高灵敏度、高分辨率、易于微型化等优点。
Description
【技术领域】
本发明涉及磁传感器技术领域，尤其涉及声表面波磁传感器及其制备方法。
【背景技术】
目前，随着信息产业、工业自动化、电力电子技术、交通运输、医疗仪器、办公自动化、家用电器等飞速发展和电子计算机应用的普及，需要大量传感器将被测非电参量转换成可与计算机兼容的电讯号，这就为磁传感器的快速发展提供了机会，形成了相当可观的磁传感器产业。传统的磁传感器包括基于霍尔效应、各向异性磁阻效应、巨磁阻效应、磁阻抗效应、磁电感效应、磁致伸缩效应、法拉第电磁感应效应、磁通门效应、核磁共振效应、电子顺磁共振效应、法拉第磁光效应、超导量子干涉效应等传感器。
由压电材料和磁致伸缩材料复合而成且基于磁电效应的声表面波磁传感器是近年来发展起来的新型磁探测技术。公开号CN204495981U的专利公开了一种基于磁电效应的声表面波磁传感器，包括压电薄膜、设置在压电薄膜下的种子层、设置在压电薄膜上的叉指换能器，所述压电薄膜远离所述叉指换能器的方向还设置有磁致伸缩薄膜、铁磁或反铁磁层和衬底基片，所述铁磁或反铁磁层位于所述磁致伸缩薄膜和衬底基片之间形成一堆栈结构。该声表面波磁传感器的传感器敏感单元膜层结构过多，导致不可控因素太多，且制备工艺复杂。
因此，有必要提出一种新型的声表面波磁传感器来解决上述问题。
【发明内容】
为解决现有技术的声表面波磁传感器膜层结构过多导致制备工艺复杂的技术问题，本发明提供一种制备工艺简单、膜层少、低成本、高各向异性、高灵敏度及高分辨率的声表面波磁传感器。
本发明是通过这样的技术方案实现的：
一种声表面波磁传感器，包括压电薄膜、分别设于所述压电薄膜两侧的种子层和叉指换能器、以及设于所述种子层背离所述压电薄膜的表面的的衬底基片，所述叉指换能器包括叉指电极及位于所述叉指电极两端的反射栅，其特征在于，所述叉指电极为磁性叉指电极。
在本发明提供的声表面波磁传感器的一较佳实施例中，所述磁性叉指电极为FeCoSiB叉指电极、FeBSiC叉指电极、FeGaB叉指电极、NiFe叉指电极、FeSiB叉指电极或FeCoB叉指电极中的任意一种。
在本发明提供的声表面波磁传感器的一较佳实施例中，所述叉指电极的厚度为50nm～300nm。
在本发明提供的声表面波磁传感器的一较佳实施例中，所述叉指电极的周期为所述叉指电极的指宽的两倍或声表面波波长的一半。
在本发明提供的声表面波磁传感器的一较佳实施例中，所述衬底基片为硅或二氧化硅基底。
在本发明提供的声表面波磁传感器的一较佳实施例中，所述衬底基片包括凹槽，所述凹槽由所述衬底基片远离所述种子层的表面向靠近所述种子层的表面凹陷。
在本发明提供的声表面波磁传感器的一较佳实施例中，所述压电薄膜由AlN、ZnO、LiNiO3或LiTaO3中的任意一种材料制成，所述压电薄膜的厚度为200nm～2000nm。
本发明同时提供一种声表面波磁传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、提供衬底基片；
步骤二、在步骤一提供的所述衬底基片的表面溅射制备种子层；
步骤三、在步骤二中所得到的种子层表面溅射制备压电薄膜；
步骤四、在步骤三中所得到的压电薄膜上制备叉指换能器，所述叉指 换能器包括叉指电极及位于所述叉指电极两端的反射栅，所述叉指电极为磁性叉指电极。
在本发明提供的声表面波磁传感器的制备方法一较佳实施例中，还包括位于步骤四后的步骤五：
步骤五、对所述衬底基片远离所述种子层的背面进行刻蚀，通过刻蚀工艺形成凹槽，所述凹槽由所述衬底基片远离所述种子层的表面向靠近所述种子层的表面凹陷。
在本发明提供的声表面波磁传感器的制备方法一较佳实施例中，所述磁性叉指电极为FeCoSiB叉指电极、FeBSiC叉指电极、FeGaB叉指电极、NiFe叉指电极、FeSiB叉指电极或FeCoB叉指电极中的任意一种，其厚度为50nm～300nm。
相较于现有技术，本发明提供的声表面波磁传感器及其制备方法，具有以下有益效果：
本发明声表面波磁传感器利用磁电复合材料的谐振频率随磁场而变化的特性测量磁场，其叉指电极为磁性叉指电极，采用铁磁性材料制备，直接叠设于所述压电薄膜上，所述叉指电极在外加磁场的作用下，其弹性模量会发生改变，从而使整个器件的等效弹性模量也会发生变化，导致声表面波的谐振频率发生改变，因此能够通过检测谐振频率的变化来检测外界磁场的大小。本发明的声表面磁传感器膜层结构简单，可简化加工工艺，具有低成本、高各向异性、高灵敏度、高分辨率、易于微型化、及与MEMS和CMOS等微电子工艺相兼容等优点。
【附图说明】
图1为本发明提供的声表面波磁传感器的一较佳实施例的剖面结构图；
图2为图1所示声表面波磁传感器的压电薄膜和叉指换能器的立体结构示意图；
图3是图1所述声表面波磁传感器的叉指电极在偏置磁场的作用下效 应等效示意图；
图4是图3所示声表面波磁传感器的叉指电极的弹性模量-偏置磁场关系曲线。
【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，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1及图2，其中，图1为本发明提供的声表面波磁传感器的一较佳实施例的剖面结构图，图2为图1所示声表面波磁传感器的压电薄膜和叉指换能器的立体结构示意图。
本发明提供的声表面波磁传感器100包括从下至上依次层叠设置的衬底基片10、种子层20、压电薄膜30及叉指换能器40。所述衬底基片10设于所述种子层20的下表面（即所述种子层20远离所述压电薄膜30的表面），所述压电薄膜30设于所述种子层20的上表面（即所述种子层20远离所述衬底基片10的表面），所述叉指换能器40设于所述压电薄膜30的上表面（即所述压电薄膜30远离所述种子层20的表面）。
所述衬底基片10为硅或二氧化硅基底。所述衬底基片10包括凹槽11，所述凹槽11由所述衬底基片10远离所述种子层20的表面向靠近所述种子层20的表面凹陷。所述凹槽11通过刻蚀工艺形成。
所述种子层20材料可以是Mo、Al、Cr、Ti、Pt或Ta其中之一，其厚度为50nm～300nm。设置所述种子层20的目的是为了与所述压电薄膜30的晶格结构和类型匹配，促进所述压电薄膜30的择优取向生长，获得优异的压电性能。
所述压电薄膜30材料为高度取向的AlN、ZnO、LiNiO3或LiTaO3等，具有频带宽度窄、稳定度高的特点，还具有零温度***切割，传播损 耗小的特点，并且加工工艺成熟。所述压电薄膜30厚度为200nm～2000nm。
所述叉指换能器40包括叉指电极41及设于所述叉指电极41两端的反射栅43，即所述叉指电极41夹设于所述反射栅43之间。所述叉指电极41在所述压电薄膜30的表面形成指宽为四分之一水平剪切声表面波波长的等周期和等指长叉指电极41，所述叉指电极41的周期为所述叉指电极41的指宽的两倍或声表面波波长的一半。所述叉指电极41为磁性叉指电极，可以为FeCoSiB叉指电极、FeBSiC叉指电极、FeGaB叉指电极、NiFe叉指电极、FeSiB叉指电极或FeCoB叉指电极其中之一。FeCoSiB、FeBSiC、FeGaB、NiFe、FeSiB、FeCoB等磁性材料具有高磁导率、低矫顽力的特点，满足对弱磁场的高灵敏度特性。所述叉指电极41的厚度为50nm～300nm。不同厚度的叉指电极41对界面声波的速度具有调节作用，可以为梯形或矩形电极。
本发明提供的声表面波磁传感器100的制备方法如下：
步骤一、提供衬底基片，将所述衬底基片的表面清洗干净并烘干；
所述衬底基片为硅或二氧化硅基底；
步骤二、采用射频磁控溅射在步骤一提供的所述衬底基片的表面溅射一层种子层；
所述种子层材料可以是Mo、Al、Cr、Ti、Pt或Ta其中之一，其厚度为50nm～300nm；
步骤三、采用射频磁控溅射在步骤二得到的所述种子层表面溅射制备压电薄膜；
所述压电薄膜材料为高度取向的AlN、ZnO、LiNiO3或LiTaO3等，厚度为200nm～2000nm；
步骤四、在步骤三得到的所述压电薄膜上制备叉指换能器，所述叉指换能器包括叉指电极及位于所述叉指电极两端的反射栅，所述叉指电极为磁性叉指电极；
具体地，通过光刻工艺在所述压电薄膜表面得到叉指电极的图案，然后再通过刻蚀工艺得到叉指电极，制备所述叉指电极的材料为FeCoSiB、 FeBSiC、FeGaB、NiFe、FeSiB或FeCoB中的任意一种，其厚度为50nm～300nm；
步骤五、对所述衬底基片远离所述种子层的表面进行刻蚀，通过刻蚀工艺形成凹槽；
具体地，步骤一至步骤四完成了所述声表面波磁传感器的膜层结构制备后，再对所述衬底基片远离所述种子层的表面进行刻蚀，所述凹槽由所述衬底基片远离所述种子层的表面向靠近所述种子层的表面凹陷。
本发明提供的声表面波磁传感器100采用声表面波的振动模式，其原理基于△E效应。铁磁性金属和合金由于试样被磁化导致其弹性模量的变化，这种现象称为△E效应。本发明中所述叉指电极41为磁性叉指电极，会形成△E效应，即制备所述叉指电极41的铁磁性材料具有各向异性，会随着偏振磁场的变化而导致其弹性模量的变化。
所述叉指电极41直接设于所述压电薄膜30的上表面，所述声表面波磁传感器的谐振频率f主要取决于压电薄膜30和叉指电极41的弹性模量和材料密度。谐振频率f=（E/ρ）1/2/2P，其中E表示弹性模量，ρ表示密度，P表示叉指电极的周期，在本实施例中，所述叉指电极41的周期为所述叉指电极41的指宽的两倍或声表面波波长的一半。由于叉指电极41具有感应外界磁场的作用，其弹性模量与外磁场有关，即在外加磁场的作用下，其弹性模量会发生改变，从而整个器件的等效弹性模量也会发生变化，导致声表面波的谐振频率发生改变，因此能够通过检测谐振频率的变化来检测外界磁场的大小。
具体地，所述叉指电极的弹性模量与偏振磁场的关系如下：
请参阅图3及图4，其中，图3是图1所述声表面波磁传感器的叉指电极在偏置磁场的作用下效应等效示意图，图4是图3所示声表面波磁传感器的叉指电极的弹性模量-偏置磁场关系曲线。
结合图3和图4可以看出，a点通过磁场退火诱导了所述叉指电极的磁性分子单轴各向异性，即有难轴和易轴之分，无偏置磁场（B＝0）时，弹性模量具有最大值Emax；b点通过在难轴方向施加一偏置磁场B2使弹性 模量降到最低Emin，a点至b点的过程为随着偏振磁场的增大，其弹性模量逐渐降低；c点通过在难轴方向施加一偏置磁场B3(B3>B2)使弹性模量又增加至Emax，b点至c点的过程为随着偏振磁场的增大，其弹性模量逐渐增大。
叉指电极的宽度方向为难轴，叉指电极的长度方向为易轴。
若沿易轴方向施加磁场，只会引起非一致性排列磁畴的转动，不会导致弹性模量的显著改变。
所述叉指电极41具有高度的形状各向异性（指宽在微米级，指长在毫米级，相差一个数量级），使得所述叉指电极41相应的具有高磁各向异性。沿叉指宽度方向即难轴施加磁场其弹性模量的变化要显著大于沿叉指长度方向即易轴施加磁场，或者说该敏感单元对叉指宽度方向上的磁场变化非常敏感，而对叉指长度方向上的磁场变化几乎没有响应，这正是磁传感器进行单轴测量时必须具备的特征。因此，本发明提供的声表面波磁传感器具有高灵敏率、高分辨率、高各向异性的优点。
本发明提供的声表面波磁传感器的及其制备方法，具有以下有益效果：所述声表面波磁传感器100利用磁电复合材料的谐振频率随磁场而变化的特性测量磁场，其叉指电极41为磁性叉指电极，采用铁磁性材料制备，直接叠设于所述压电薄膜30上，所述叉指电极41在外加磁场的作用下，其弹性模量会发生改变，从而整个器件的等效弹性模量也会发生变化，导致声表面波的谐振频率发生改变，因此能够通过检测谐振频率的变化来检测外界磁场的大小。本发明的声表面磁传感器100膜层结构简单，可简化加工工艺，具有低成本、高各向异性、高灵敏度、高分辨率、易于微型化、及与MEMS和CMOS等微电子工艺相兼容等优点。
以上所述的仅是本发明的实施方式，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)
1.一种声表面波磁传感器，包括压电薄膜、分别设于所述压电薄膜两侧的种子层和叉指换能器、以及设于所述种子层背离所述压电薄膜的表面的衬底基片，所述叉指换能器包括叉指电极及位于所述叉指电极两端的反射栅，其特征在于，所述叉指电极为磁性叉指电极。
2.根据权利要求1所述的声表面波磁传感器，其特征在于，所述磁性叉指电极为FeCoSiB叉指电极、FeBSiC叉指电极、FeGaB叉指电极、NiFe叉指电极、FeSiB叉指电极或FeCoB叉指电极中的任意一种。
3.根据权利要求2所述的声表面波磁传感器，其特征在于，所述叉指电极的厚度为50nm～300nm。
4.根据权利要求1所述的声表面波磁传感器，其特征在于，所述叉指电极的周期为所述叉指电极的指宽的两倍或声表面波波长的一半。
5.根据权利要求1所述的声表面波磁传感器，其特征在于，所述衬底基片为硅或二氧化硅基底。
6.根据权利要求1所述的声表面波磁传感器，其特征在于，所述衬底基片包括凹槽，所述凹槽由所述衬底基片远离所述种子层的表面向靠近所述种子层的表面凹陷。
7.根据权利要求1所述的声表面波磁传感器，其特征在于，所述压电薄膜由AlN、ZnO、LiNiO3或LiTaO3中的任意一种材料制成，所述压电薄膜的厚度为200nm～2000nm。
8.一种声表面波磁传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、提供衬底基片；
步骤二、在步骤一提供的所述衬底基片的表面溅射制备种子层；
步骤三、在步骤二中所得到的种子层表面溅射制备压电薄膜；
步骤四、在步骤三中所得到的压电薄膜上制备叉指换能器，所述叉指换能器包括叉指电极及位于所述叉指电极两端的反射栅，所述叉指电极为磁性叉指电极。
9.根据权利要求8所述的声表面波磁传感器的制备方法，其特征在于，还包括位于步骤四后的步骤五：
步骤五、对所述衬底基片远离所述种子层的表面进行刻蚀，通过刻蚀工艺形成凹槽，所述凹槽由所述衬底基片远离所述种子层的表面向靠近所述种子层的表面凹陷。
10.根据权利要求8所述的声表面波磁传感器的制备方法，其特征在于，所述磁性叉指电极为FeCoSiB叉指电极、FeBSiC叉指电极、FeGaB叉指电极、NiFe叉指电极、FeSiB叉指电极或FeCoB叉指电极中的任意一种，其厚度为50nm～300nm。
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