基于层状电磁复合材料的磁声表面波磁敏传感器研究

Magnetic field sensors are very important for industry and national security. Some emerging applications like geomagnetic field navigation, aviation magnetic field detection, magnetoencephalography and magnetocardiography requires put higher and higher requirements on magnetic field and angular inclination sensitivity and device volume. In our previous work, we have designed and fabricated magnetic field sensors based on laminated magnetoelectric composite. The sensitivity can reach 0.01n Tesla/Hz1/2. But the uniformity needs to be improved and it is also difficult to be miniaturized. In current work, we propose to pick up and analyze the magnetic-field induced vibration signal instead of electrical charge, and study the magnetic surface acoustic wave of the piezoelectric/magnetostrictive/substrate system. The dependence of the phase velocity, central frequency, bandwidth and insertion loss on the layer thickness and working mode will be investigated. This will be combined with the efforts of improving integration processing and interdigital electrode transformer design, which will allow us to obtain magnetic surface acoustic wave device. Then the device will be tested under different temperature and applied magnetic field. Through the analysis of the force, electrical and magnetic multi-field coupling effect, we can further improve the structure design and materials properties, and finally achieve MSAW with very high field and angular inclination sensitivity.

磁场探测在生产生活和国防安全领域都有着重要的作用，一些新兴的应用如地磁辅助导航、航空磁探仪和心脑磁图成像对磁敏传感器的磁场灵敏度、倾斜角分辨率、频率相关性和体积等提出了越来越高的要求。在前期工作中我们设计并制作了基于磁电耦合效应的磁场传感器，其磁场灵敏度高达0.01n Tesla/Hz1/2量级，但也存在着一致性差、难以微型化等缺点。本项目拟从提取和处理层状电磁复合薄膜的场致波动信号出发，研究压电/磁致伸缩/基片体系中磁声表面波的传播规律，建立相传播速度、中心频率、带宽、插入损耗与层状结构和工作模态的关系，并结合薄膜材料制备、集成工艺优化、插指换能器设计，制备出磁声表面波磁敏传感器；在此基础上，进行动态加载磁场和变温测试，通过力、电、磁的多场耦合效应的分析，进一步优化结构设计和材料性能，最终获得高磁场灵敏度、高倾斜角分辨率的磁声表面波磁敏传感器，推动层状电磁复合材料的应用与发展。

针对磁电复合磁场传感器低频噪音高、难于微型化的缺点，本项目提出并实现了一种新型的基于层状压电/磁致伸缩复合材料的磁电声表面波谐振器，其中，磁场的变化引起磁致伸缩层的杨氏模量的显著变化（巨杨氏模量效应），进而导致压电层中声表面波传播速度发生色散，实验上可以通过布置插指换能器，测量磁声表面波谐振器的中心频率化提取出来。.我们首先采用散射矩阵法计算了ZnO/Metglas半无限基底的声表面波传播特性，并通过COMSOL仿真对计算结果进行了验证。研究表明：尽管ZnO/Metglas的中心频率对外磁场的变化高度敏感，但存在着一个截止杨氏模量，在此杨氏模量以下，瑞利波是不能被激发的。对于中心频率为335 MHz的磁声表面波谐振器，当选用饱和磁场为1.5 Oe、巨杨氏模量效应为150%的Metglas时，理论的频率灵敏度为220 MHz/Oe，等效的磁场灵敏度为0.005 nT。.其次，我们详细研究了微米级厚度磁致伸缩薄膜的软磁特性，对比了插入（i）磁性/非磁性中间层以及（ii）晶格匹配/晶格适配中间层对于软磁性能和磁致伸缩性能的影响。研究发现：通过插入非磁Cu层，可以打断柱状晶生长，改变薄膜的织构和细化薄膜的晶粒，有效降低垂直各向异性场和薄膜的应力状态。最终我们成功制备了厚度为2微米的低矫顽力、低饱和磁化场、高度单轴各向异性的非晶FeSiBC磁膜，其性能如下：矫顽力1.5 Oe，各向异性场16 Oe，饱和磁致伸缩系数约35-40 ppm，最大压磁系数2 ppm/Oe。此外，我们将以上经过优化的FeSiBC集成于PMN-PT压电单晶之上，研究了电场对于单轴各向异性的调控作用。.最后，我们在磁场退火后的Metglas上依次制备了Ti缓冲层、高度（002）取向ZnO压电层和Al插指换能器，并通过矢量网络分析仪和微波探针台测试了不同外加磁场下的中心频率和插入损耗。测试结果表明：中心频率与设计结果接近，但插入损耗较高。外加磁场情况下，中心频率的最大变化率为0.33 MHz/Oe，等效磁场灵敏度约为3 nT。