聲表面波磁傳感器及其制備方法與流程

本發明涉及磁傳感器技術領域，尤其涉及聲表面波磁傳感器及其制備方法。

背景技術：

目前，隨著信息產業、工業自動化、電力電子技術、交通運輸、醫療儀器、辦公自動化、家用電器等飛速發展和電子計算機應用的普及，需要大量傳感器將被測非電參量轉換成可與計算機兼容的電訊號，這就為磁傳感器的快速發展提供了機會，形成了相當可觀的磁傳感器產業。傳統的磁傳感器包括基于霍爾效應、各向異性磁阻效應、巨磁阻效應、磁阻抗效應、磁電感效應、磁致伸縮效應、法拉第電磁感應效應、磁通門效應、核磁共振效應、電子順磁共振效應、法拉第磁光效應、超導量子干涉效應等傳感器。

由壓電材料和磁致伸縮材料復合而成且基于磁電效應的聲表面波磁傳感器是近年來發展起來的新型磁探測技術。公開號CN204495981U的專利公開了一種基于磁電效應的聲表面波磁傳感器，包括壓電薄膜、設置在壓電薄膜下的種子層、設置在壓電薄膜上的叉指換能器，所述壓電薄膜遠離所述叉指換能器的方向還設置有磁致伸縮薄膜、鐵磁或反鐵磁層和襯底基片，所述鐵磁或反鐵磁層位于所述磁致伸縮薄膜和襯底基片之間形成一堆棧結構。該聲表面波磁傳感器的傳感器敏感單元膜層結構過多，導致不可控因素太多，且制備工藝復雜。

因此，有必要提出一種新型的聲表面波磁傳感器來解決上述問題。

技術實現要素：

為解決現有技術的聲表面波磁傳感器膜層結構過多導致制備工藝復雜的技術問題，本發明提供一種制備工藝簡單、膜層少、低成本、高各向異性、高靈敏度及高分辨率的聲表面波磁傳感器。

本發明是通過這樣的技術方案實現的：

一種聲表面波磁傳感器，包括壓電薄膜、分別設于所述壓電薄膜兩側的種子層和叉指換能器、以及設于所述種子層背離所述壓電薄膜的表面的的襯底基片，所述叉指換能器包括叉指電極及位于所述叉指電極兩端的反射柵，其特征在于，所述叉指電極為磁性叉指電極。

在本發明提供的聲表面波磁傳感器的一較佳實施例中，所述磁性叉指電極為FeCoSiB叉指電極、FeBSiC叉指電極、FeGaB叉指電極、NiFe叉指電極、FeSiB叉指電極或FeCoB叉指電極中的任意一種。

在本發明提供的聲表面波磁傳感器的一較佳實施例中，所述叉指電極的厚度為50nm～300nm。

在本發明提供的聲表面波磁傳感器的一較佳實施例中，所述叉指電極的周期為所述叉指電極的指寬的兩倍或聲表面波波長的一半。

在本發明提供的聲表面波磁傳感器的一較佳實施例中，所述襯底基片為硅或二氧化硅基底。

在本發明提供的聲表面波磁傳感器的一較佳實施例中，所述襯底基片包括凹槽，所述凹槽由所述襯底基片遠離所述種子層的表面向靠近所述種子層的表面凹陷。

在本發明提供的聲表面波磁傳感器的一較佳實施例中，所述壓電薄膜由AlN、ZnO、LiNiO₃或LiTaO₃中的任意一種材料制成，所述壓電薄膜的厚度為200nm～2000nm。

本發明同時提供一種聲表面波磁傳感器的制備方法，包括如下步驟：

步驟一、提供襯底基片；

步驟二、在步驟一提供的所述襯底基片的表面濺射制備種子層；

步驟三、在步驟二中所得到的種子層表面濺射制備壓電薄膜；

步驟四、在步驟三中所得到的壓電薄膜上制備叉指換能器，所述叉指 換能器包括叉指電極及位于所述叉指電極兩端的反射柵，所述叉指電極為磁性叉指電極。

在本發明提供的聲表面波磁傳感器的制備方法一較佳實施例中，還包括位于步驟四后的步驟五：

步驟五、對所述襯底基片遠離所述種子層的背面進行刻蝕，通過刻蝕工藝形成凹槽，所述凹槽由所述襯底基片遠離所述種子層的表面向靠近所述種子層的表面凹陷。

在本發明提供的聲表面波磁傳感器的制備方法一較佳實施例中，所述磁性叉指電極為FeCoSiB叉指電極、FeBSiC叉指電極、FeGaB叉指電極、NiFe叉指電極、FeSiB叉指電極或FeCoB叉指電極中的任意一種，其厚度為50nm～300nm。

相較于現有技術，本發明提供的聲表面波磁傳感器及其制備方法，具有以下有益效果：

本發明聲表面波磁傳感器利用磁電復合材料的諧振頻率隨磁場而變化的特性測量磁場，其叉指電極為磁性叉指電極，采用鐵磁性材料制備，直接疊設于所述壓電薄膜上，所述叉指電極在外加磁場的作用下，其彈性模量會發生改變，從而使整個器件的等效彈性模量也會發生變化，導致聲表面波的諧振頻率發生改變，因此能夠通過檢測諧振頻率的變化來檢測外界磁場的大小。本發明的聲表面磁傳感器膜層結構簡單，可簡化加工工藝，具有低成本、高各向異性、高靈敏度、高分辨率、易于微型化、及與MEMS和CMOS等微電子工藝相兼容等優點。

【附圖說明】

圖1為本發明提供的聲表面波磁傳感器的一較佳實施例的剖面結構圖；

圖2為圖1所示聲表面波磁傳感器的壓電薄膜和叉指換能器的立體結構示意圖；

圖3是圖1所述聲表面波磁傳感器的叉指電極在偏置磁場的作用下效 應等效示意圖；

圖4是圖3所示聲表面波磁傳感器的叉指電極的彈性模量-偏置磁場關系曲線。

【具體實施方式】

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發明保護的范圍。

請參閱圖1及圖2，其中，圖1為本發明提供的聲表面波磁傳感器的一較佳實施例的剖面結構圖，圖2為圖1所示聲表面波磁傳感器的壓電薄膜和叉指換能器的立體結構示意圖。

本發明提供的聲表面波磁傳感器100包括從下至上依次層疊設置的襯底基片10、種子層20、壓電薄膜30及叉指換能器40。所述襯底基片10設于所述種子層20的下表面（即所述種子層20遠離所述壓電薄膜30的表面），所述壓電薄膜30設于所述種子層20的上表面（即所述種子層20遠離所述襯底基片10的表面），所述叉指換能器40設于所述壓電薄膜30的上表面（即所述壓電薄膜30遠離所述種子層20的表面）。

所述襯底基片10為硅或二氧化硅基底。所述襯底基片10包括凹槽11，所述凹槽11由所述襯底基片10遠離所述種子層20的表面向靠近所述種子層20的表面凹陷。所述凹槽11通過刻蝕工藝形成。

所述種子層20材料可以是Mo、Al、Cr、Ti、Pt或Ta其中之一，其厚度為50nm～300nm。設置所述種子層20的目的是為了與所述壓電薄膜30的晶格結構和類型匹配，促進所述壓電薄膜30的擇優取向生長，獲得優異的壓電性能。

所述壓電薄膜30材料為高度取向的AlN、ZnO、LiNiO₃或LiTaO₃等，具有頻帶寬度窄、穩定度高的特點，還具有零溫度系統切割，傳播損 耗小的特點，并且加工工藝成熟。所述壓電薄膜30厚度為200nm～2000nm。

所述叉指換能器40包括叉指電極41及設于所述叉指電極41兩端的反射柵43，即所述叉指電極41夾設于所述反射柵43之間。所述叉指電極41在所述壓電薄膜30的表面形成指寬為四分之一水平剪切聲表面波波長的等周期和等指長叉指電極41，所述叉指電極41的周期為所述叉指電極41的指寬的兩倍或聲表面波波長的一半。所述叉指電極41為磁性叉指電極，可以為FeCoSiB叉指電極、FeBSiC叉指電極、FeGaB叉指電極、NiFe叉指電極、FeSiB叉指電極或FeCoB叉指電極其中之一。FeCoSiB、FeBSiC、FeGaB、NiFe、FeSiB、FeCoB等磁性材料具有高磁導率、低矯頑力的特點，滿足對弱磁場的高靈敏度特性。所述叉指電極41的厚度為50nm～300nm。不同厚度的叉指電極41對界面聲波的速度具有調節作用，可以為梯形或矩形電極。

本發明提供的聲表面波磁傳感器100的制備方法如下：

步驟一、提供襯底基片，將所述襯底基片的表面清洗干凈并烘干；

所述襯底基片為硅或二氧化硅基底；

步驟二、采用射頻磁控濺射在步驟一提供的所述襯底基片的表面濺射一層種子層；

所述種子層材料可以是Mo、Al、Cr、Ti、Pt或Ta其中之一，其厚度為50nm～300nm；

步驟三、采用射頻磁控濺射在步驟二得到的所述種子層表面濺射制備壓電薄膜；

所述壓電薄膜材料為高度取向的AlN、ZnO、LiNiO₃或LiTaO₃等，厚度為200nm～2000nm；

步驟四、在步驟三得到的所述壓電薄膜上制備叉指換能器，所述叉指換能器包括叉指電極及位于所述叉指電極兩端的反射柵，所述叉指電極為磁性叉指電極；

具體地，通過光刻工藝在所述壓電薄膜表面得到叉指電極的圖案，然后再通過刻蝕工藝得到叉指電極，制備所述叉指電極的材料為FeCoSiB、 FeBSiC、FeGaB、NiFe、FeSiB或FeCoB中的任意一種，其厚度為50nm～300nm；

步驟五、對所述襯底基片遠離所述種子層的表面進行刻蝕，通過刻蝕工藝形成凹槽；

具體地，步驟一至步驟四完成了所述聲表面波磁傳感器的膜層結構制備后，再對所述襯底基片遠離所述種子層的表面進行刻蝕，所述凹槽由所述襯底基片遠離所述種子層的表面向靠近所述種子層的表面凹陷。

本發明提供的聲表面波磁傳感器100采用聲表面波的振動模式，其原理基于△E效應。鐵磁性金屬和合金由于試樣被磁化導致其彈性模量的變化，這種現象稱為△E效應。本發明中所述叉指電極41為磁性叉指電極，會形成△E效應，即制備所述叉指電極41的鐵磁性材料具有各向異性，會隨著偏振磁場的變化而導致其彈性模量的變化。

所述叉指電極41直接設于所述壓電薄膜30的上表面，所述聲表面波磁傳感器的諧振頻率f主要取決于壓電薄膜30和叉指電極41的彈性模量和材料密度。諧振頻率f=（E/ρ）^1/2/2P，其中E表示彈性模量，ρ表示密度，P表示叉指電極的周期，在本實施例中，所述叉指電極41的周期為所述叉指電極41的指寬的兩倍或聲表面波波長的一半。由于叉指電極41具有感應外界磁場的作用，其彈性模量與外磁場有關，即在外加磁場的作用下，其彈性模量會發生改變，從而整個器件的等效彈性模量也會發生變化，導致聲表面波的諧振頻率發生改變，因此能夠通過檢測諧振頻率的變化來檢測外界磁場的大小。

具體地，所述叉指電極的彈性模量與偏振磁場的關系如下：

請參閱圖3及圖4，其中，圖3是圖1所述聲表面波磁傳感器的叉指電極在偏置磁場的作用下效應等效示意圖，圖4是圖3所示聲表面波磁傳感器的叉指電極的彈性模量-偏置磁場關系曲線。

結合圖3和圖4可以看出，a點通過磁場退火誘導了所述叉指電極的磁性分子單軸各向異性，即有難軸和易軸之分，無偏置磁場（B＝0）時，彈性模量具有最大值E_max；b點通過在難軸方向施加一偏置磁場B₂使彈性 模量降到最低E_min，a點至b點的過程為隨著偏振磁場的增大，其彈性模量逐漸降低；c點通過在難軸方向施加一偏置磁場B₃(B₃>B₂)使彈性模量又增加至E_max，b點至c點的過程為隨著偏振磁場的增大，其彈性模量逐漸增大。

叉指電極的寬度方向為難軸，叉指電極的長度方向為易軸。

若沿易軸方向施加磁場，只會引起非一致性排列磁疇的轉動，不會導致彈性模量的顯著改變。

所述叉指電極41具有高度的形狀各向異性（指寬在微米級，指長在毫米級，相差一個數量級），使得所述叉指電極41相應的具有高磁各向異性。沿叉指寬度方向即難軸施加磁場其彈性模量的變化要顯著大于沿叉指長度方向即易軸施加磁場，或者說該敏感單元對叉指寬度方向上的磁場變化非常敏感，而對叉指長度方向上的磁場變化幾乎沒有響應，這正是磁傳感器進行單軸測量時必須具備的特征。因此，本發明提供的聲表面波磁傳感器具有高靈敏率、高分辨率、高各向異性的優點。

本發明提供的聲表面波磁傳感器的及其制備方法，具有以下有益效果：所述聲表面波磁傳感器100利用磁電復合材料的諧振頻率隨磁場而變化的特性測量磁場，其叉指電極41為磁性叉指電極，采用鐵磁性材料制備，直接疊設于所述壓電薄膜30上，所述叉指電極41在外加磁場的作用下，其彈性模量會發生改變，從而整個器件的等效彈性模量也會發生變化，導致聲表面波的諧振頻率發生改變，因此能夠通過檢測諧振頻率的變化來檢測外界磁場的大小。本發明的聲表面磁傳感器100膜層結構簡單，可簡化加工工藝，具有低成本、高各向異性、高靈敏度、高分辨率、易于微型化、及與MEMS和CMOS等微電子工藝相兼容等優點。

以上所述的僅是本發明的實施方式，在此應當指出，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明創造構思的前提下，還可以做出改進，但這些均屬于本發明的保護范圍。