CN111398872B - 一种基于声表面波和磁扭矩效应的磁传感器及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于声表面波和磁扭矩效应的磁传感器及其制备方法，包括固定底座、声表面波发生结构、悬臂梁结构和磁铁；悬臂梁结构的一端设置在固定底座的顶部，磁铁设置在悬臂梁结构的另一端；声表面波发生结构设置在悬臂梁结构表面；本发明的声表面波磁传感器通过引入扭矩效应，放大了磁场对声表面波中心频率的影响，有效的提高了声表面波磁传感器的灵敏度。这种新的声表面波磁传感器不仅使磁传感器的灵敏度提高近十倍，而且不需要额外的直流偏置磁场，这就使传感器的结构更加简单，而且减少了损耗。

Description

一种基于声表面波和磁扭矩效应的磁传感器及制备方法
技术领域
本发明属于磁传感器技术领域，特别涉及一种基于声表面波和磁扭矩效应的磁传感器 及制备方法。
背景技术
随着物联网的发展，高灵敏度，低损耗的磁传感器在各种场合越来越亟需。基于声波的磁传感器为高灵敏度磁传感器的发展提供了一种可行的路径。目前，基于声波的磁传感器分为两大类，一类是声表面波磁传感器，另一类是基于体声波的磁传感器。基于体声波的磁传感器由于在工艺上需要深硅刻蚀工艺，增加了生产制造的难度和成本。当频率小于2GHz时，声表面波磁传感器由于工艺简单，性能良好，受到了广泛研究。但是，目 前的声表面波磁传感器的灵敏度还远远低于体声波磁传感器的灵敏度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于声表面波和磁扭矩效应的磁传感器及制备方法，以 解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于声表面波和磁扭矩效应的磁传感器，包括固定底座、声表面波发生结构、悬 臂梁结构和磁铁；悬臂梁结构的一端设置在固定底座的顶部，磁铁设置在悬臂梁结构的另 一端；声表面波发生结构设置在悬臂梁结构表面；
声表面波发生结构包括叉指电极和压电材料；压电材料设置在悬臂梁结构表面，若干 叉指电极设置在压电材料上。
进一步的，压电材料为压电单晶或者压电薄膜，压电材料是LiNbO3、LiTaO3,、ST-quar,、 PZT、ZnO或AlN中的一种。
进一步的，声表面波发生结构是单端口或者延迟线结构。
进一步的，叉指电极是由电极薄膜和粘附层组成，电极薄膜位于粘附层上面；电极薄 膜为Au、Al、Pt或Cu中的一种；粘附层为Ta或Cr中的一种。
进一步的，悬臂梁的材料是铜箔或不锈钢箔中的一种。
进一步的，磁铁的数量由多块组成；磁铁的堆放是平行或者位于悬臂梁的上下表面； 磁铁是铁氧体磁铁、铷铁硼磁铁、铝镍钴磁铁、钐钴磁铁或金属合金磁铁中的一种。
进一步的，一种基于声表面波和磁扭矩效应的磁传感器的制备方法，包括以下步骤：
1)压电单晶或者压电薄膜衬底的预处理：用乙醇、丙酮、分别依次清洗，烘干备用；
2)定义叉指电极图案：在压电材料上旋涂光刻胶，曝光，然后沉积电极粘附层和电极层，最后剥离获得叉指电极图案。
3)将声表面波发生结构粘结在悬臂梁结构上，固化。
4)将磁铁置于悬臂梁的自由端。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明的声表面波磁传感器通过引入扭矩效应，放大了磁场对声表面波中心频率的 影响，有效的提高了声表面波磁传感器的灵敏度。这种新的声表面波磁传感器不仅使磁传 感器的灵敏度提高近十倍，而且不需要额外的直流偏置磁场，这就使传感器的结构更加简 单，而且减少了损耗。
附图说明
图1为本发明结构图；
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1，本发明的声表面波磁传感器，包括基体1，在基体1上固定悬臂梁2； 在悬臂梁2的上面粘接声表面波发生装置3；声表面波发生装置3由压电材料4和叉指电 极5组成。在悬臂梁2的自由端放置磁铁6。
所述基体1是悬臂梁2的固定底座。
所述悬臂梁2是铜箔或者不锈钢箔，但不限于此。
所述声表面波发生装置3是单端口或者延迟线等中的一种。
所述压电材料由压电单晶或者压电薄膜组成，压电材料是LiNbO3，LiTaO3,ST-quar, PZT，ZnO,AlN等中的一种。
所述叉指电极材料是由电极薄膜和粘附层组成。
所述电极薄膜由Au、Al、Pt、Cu等中的一种。
所述电极材料的粘附层由Ta、Cr等中的一种。
所述磁铁的数量由多块组成。
所述磁铁的堆放是平行或者上下。
所述磁铁是铁氧体磁铁、铷铁硼磁铁、铝镍钴磁铁、钐钴磁铁金属合金磁铁等中的一种。
本发明的基于声表面波和扭矩效应的磁传感器，通过引入扭矩效应，放大了在磁场 作用下，压电材料的杨氏模量和声速的变化，从而使声表面波的中心频率移动变大，最终 使灵敏度增加。
本发明的基于声表面波和扭矩效应的磁传感器的制备工艺为：
1)压电单晶或者压电薄膜衬底的清洗：用乙醇、丙酮分别清洗，烘干备用；
2)定义叉指电极图案：在压电材料上旋涂光刻胶，曝光，然后沉积电极粘附层和电极层，最后剥离获得叉指电极图案。本实施案例选择单端口声表面波器件，但不限于此。
3)将声表面波发生结构粘结在悬臂梁结构上，固化。
4)将磁铁置于悬臂梁的自由端。本具体实施案例选择两块磁铁，上下堆放，但不限于此。
实施例1
请参阅图1，一种基于声表面波和磁扭矩效应的磁传感器及制备方法，包括基体1，在 基体1上固定悬臂梁2；在悬臂梁2的上面粘接声表面波发生装置3；声表面波发生装置 3由压电材料4和叉指电极5组成。在悬臂梁2的自由端放置磁铁6。
所述基体1是悬臂梁2的固定底座。悬臂梁2是铜箔。声表面波发生装置3是单端口。压电材料是压电单晶
Figure BDA0002418356030000042
叉指电极是由电极薄膜Cu和粘附层Ta组成， Cu薄膜的厚度是100nm,Ta薄膜的厚度是5nm。磁铁材料是铷铁硼，数量是两块，采取 上下结构堆放。
本发明的基于声表面波和扭矩效应的磁传感器，通过引入扭矩效应使在外磁场下， 带磁铁的悬臂梁发生弯曲，这种形变传递到声表面波结构中的压电层，最终引起压电材料 的杨氏模量变化。根据公式
Figure BDA0002418356030000041
其中，f是声表面波器件的中心频率，v是声速，E是有效压电模量，p是叉指电极孔径，ρ是有效密度。f与E成正比，ρ一般不变化， 所以扭矩效应放大了磁场引起的中心频率的移动，从而使灵敏度增加。
本发明的基于声表面波和扭矩效应的磁传感器的制备工艺为：
1)压电单晶的清洗：用乙醇、丙酮分别清洗，烘干备用；
2)定义叉指电极图案：在压电材料上旋涂光刻胶，曝光，然后沉积电极粘附层和电极层，最后剥离获得叉指电极图案。
3)将声表面波发生结构粘结在悬臂梁结构上，固化24小时。
4)取两块磁铁，上下堆放于悬臂梁的自由端
实施例2
一种基于声表面波和磁扭矩效应的磁传感器及制备方法，包括基体1，在基体1上固定悬臂梁2；在悬臂梁2的上面粘接声表面波发生装置3；声表面波发生装置3由压电 材料4和叉指电极5组成。在悬臂梁2的自由端放置磁铁6。
所述基体1是悬臂梁2的固定底座。悬臂梁2是不锈钢箔。声表面波发生装置3是 延迟线结构。压电材料是压电薄膜ZnO，厚度5μm。叉指电极是由电极薄膜Al和粘附层Ta组成，Al薄膜的厚度是100nm,Ta薄膜的厚度是5nm。磁铁材料是铷铁硼，数量是两 块，采取平行结构堆放。
本发明的基于声表面波和扭矩效应的磁传感器的制备工艺为：
1)压电薄膜衬底的清洗：用乙醇、丙酮分别清洗，烘干备用；
2)用磁控溅射沉积ZnO薄膜，功率100W，压力1Pa,沉积2小时。
2)定义叉指电极图案：在压电材料上旋涂光刻胶，曝光，然后沉积电极粘附层和电极层，最后剥离获得叉指电极图案。本实施案例选择单端口声表面波器件，但不限于此。
3)将声表面波发生结构粘结在悬臂梁结构上，固化24小时。
4)取两块磁铁，平行堆放于悬臂梁的自由端。

Claims (5)

1.一种基于声表面波和磁扭矩效应的磁传感器，其特征在于，包括固定底座、声表面波发生结构、悬臂梁结构和磁铁；悬臂梁结构的一端设置在固定底座的顶部，磁铁设置在悬臂梁结构的另一端；声表面波发生结构设置在悬臂梁结构表面；
声表面波发生结构包括叉指电极和压电材料；压电材料设置在悬臂梁结构表面，若干叉指电极设置在压电材料上；
悬臂梁的材料是铜箔或不锈钢箔中的一种；
压电材料为压电单晶或者压电薄膜，压电材料是LiNbO3、LiTaO3、ST-quar、PZT、ZnO或AlN中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种基于声表面波和磁扭矩效应的磁传感器，其特征在于，声表面波发生结构是单端口或者延迟线结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于声表面波和磁扭矩效应的磁传感器，其特征在于，叉指电极是由电极薄膜和粘附层组成，电极薄膜位于粘附层上面；电极薄膜为Au、Al、Pt或Cu中的一种；粘附层为Ta或Cr中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种基于声表面波和磁扭矩效应的磁传感器，其特征在于，磁铁的数量由多块组成；磁铁的堆放是平行或者位于悬臂梁的上下表面；磁铁是铁氧体磁铁、铷铁硼磁铁、铝镍钴磁铁、钐钴磁铁或金属合金磁铁中的一种。
5.一种基于声表面波和磁扭矩效应的磁传感器的制备方法，其特征在于，基于权利要求1至4任意一项所述的一种基于声表面波和磁扭矩效应的磁传感器，包括以下步骤：
1)压电单晶或者压电薄膜衬底的预处理：用乙醇、丙酮、分别依次清洗，烘干备用；
2)定义叉指电极图案：在压电材料上旋涂光刻胶，曝光，然后沉积电极粘附层和电极层，最后剥离获得叉指电极图案；
3)将声表面波发生结构粘结在悬臂梁结构上，固化；
4)将磁铁置于悬臂梁的自由端。
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