层状磁电复合材料中声表面波的磁场调制作用研究
发布时间：2020-11-17 02:12
层状复合磁电传感器具有灵敏度和分辨率高、结构以及制备工艺简单等特点,在磁场检测领域具有巨大的应用前景。然而,这种基于磁致伸缩和压电效应相互作用的器件,其输出响应在谐振频率处急剧增强,在非谐振频率处响应幅度急剧减弱。对于块材,其谐振状态通常出现在几十个kHz甚至MHz的频率范围;对于薄膜器件结构,其谐振频率降频现阶段最低也就在200Hz附近,难以进一步降低器件的谐振频率。而对于地磁、心磁和脑磁等信号的探测,要求磁传感器具有较好的直流和超低频信号响应。所以,如何实现低频和直流磁场的高灵敏、高分辨率检测,具有重要学术研究意义和实际应用价值。基于磁致伸缩材料的Delta-E效应与压电声表面波单端谐振器相互作用的多层复合磁致频移型磁电器件,其检测磁场范围可以从DC到低频AC连续变化,而且器件一直工作在响应谐振增强状态,是当前磁传感器的研究热点。本论文采用非晶FeCoSiB薄膜作为磁致伸缩材料,对层状磁电复合材料中声表面波的磁场调制作用进行了深入的研究。采用ST-cut 90~oX石英单晶/FeCoSiB多层复合结构,仔细研究了磁性层厚度、磁场下退火、磁性层的掺杂改性等对于器件灵敏度的影响。又对delta-E效应和SAW之间的相互作用进行了深入的研究与分析。本论文得出以下结论:首先,采用磁控溅射完成ST-cut 90~oX石英单晶/Ta叉指/SiO_2绝缘层/FeCoSiB磁性层多层复合结构的器件制备,揭示了磁性层厚度、磁场下退火、磁性层的掺杂改性等对器件灵敏度的影响,实现了测量范围、灵敏度、方波响应的调制。当磁性层较薄,且未经磁场下退火时,器件长度方向的灵敏度大于宽度方向的灵敏度;但经过后期沿着长度方向磁场下退火处理,宽度方向的最大灵敏度大于长度方向的最大灵敏度。当磁性层较厚且未经磁场下退火时,器件宽度方向的灵敏度远大于长度方向的灵敏度。对于未经磁场下退火、磁性层较厚的300nm ST-cut 90~o X石英单晶样品,宽度和长度方向的灵敏度分别达到364.28 Hz/μT以及76.06 Hz/μT,相差接近于4.79倍,且宽度方向非线性区域的最大灵敏度达到了663.98 Hz/μT。相比于纯FeCoSiB磁性薄膜,采用Terfenol-D掺杂之后,其磁场灵敏度降低,但是线性测试范围显著增加。然后,在前面直流磁场灵敏度响应测试的基础上,研究了多层复合磁电传感器对低频交流磁场的响应。结果表明,其一,制备的器件在正弦交流磁场下可以实现稳定的输出;其二,固定交流磁场的幅度大小不变,当磁场频率从0.001Hz变化到1Hz时,其器件谐振频率的变化量偏差很小,且和直流下的周期测试结果相一致。所以,研制的基于delta-E效应和声表面波的多层复合磁电传感器样品,具有从DC到低频AC的非色散性稳定响应输出。最后,通过分析磁弹耦合、电弹耦合、损耗三者之间相互作用的关系,研究了声表面波器件的电学特性、声学特性等随着外界磁场的变化,探究了delta-E效应和SAW之间的相互作用机制。随着外磁场幅度的增加,除电导峰的半峰宽和delta-E效应的变化趋势相反,其他SAW参数的变化趋势都和delta-E效应的相一致。原因是外磁场下,磁性层的磁弹耦合系数变化导致了压电层机电耦合系数的变化。另外,除磁性层较厚时,难轴方向,中间磁场区域,SAW参数随着外磁场幅度的增加发生急剧的变化;其他情况下,SAW参数变化趋势都较缓。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP212;O441;TB33
【部分图文】：
华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文的一种表现形式。单相磁电材料内秉磁有序和铁电有序，在一定亚/反）铁磁性和（亚/反）铁电性。目前已知的单相材料磁电效低温下才能被明显观测，达不到实际应用的要求[5,9,27]。但是，将铁磁材料和铁电材料通过各种方式制备成复合材料，室温下可表得多的磁电效应，在信息储存、自旋电子器件、传感器、电容波技术领域表现出非常好的应用前景[27]。合材料的磁电效应主要通过界面应力/应变的传递，利用铁电相的致伸缩效应两个单相特性的乘积效应来实现，提高铁电相/铁磁相构以及控制适当的体积比、两相界面和应力边界条件等，是设计材料的有效途径，如图 1-1 所示。
层性块状磁电器件，其谐振频率的调整主要通过结构配寸[30-33]以及材料参数[17,33]四个方面，以实现共振频率的节技术层型磁电传感器的组成只有磁致伸缩和压电两种材料，相对配置、固定点的位置以及个数（悬臂梁和桥式）等的灵敏度、分辨率、谐振频率、工作模式都会有显著的,9。但是对于采用环氧树脂低温粘结的块材层状磁电复合要有以下几种配置类型：L-L mode（长度方向磁化和长方向磁化和厚度方向电极化)，T-L mode (厚度方向磁化 (厚度方向磁化和厚度方向电极化)，L-T hybrid，单压电pull mode 等，如图 1-2 (a)~(h)所示[5,84]：
以及生物磁场检测方面的空间分辨率，2-2 叠层性块满足实际的要求，显然也不符合器件小型化的趋势。为了满足要Terfenol-D (Tb1-xDyxFe2-y) /piezoelectric Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–PbTiO3采非谐振状态，实现了 mHz 级磁场的超低频高灵敏检测[26]。结合可以显著的降低弯曲振动模态的谐振频率，但是弯曲振动模态的面：度系数更小的材料或者是声速更小的材料也能够显著的降低材料压电材料 PVDF[17]，以及磁致伸缩薄膜材料 metglas 等，尽量减响。率调节技术置：
本文编号：2886957
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP212;O441;TB33
【部分图文】：
华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文的一种表现形式。单相磁电材料内秉磁有序和铁电有序，在一定亚/反）铁磁性和（亚/反）铁电性。目前已知的单相材料磁电效低温下才能被明显观测，达不到实际应用的要求[5,9,27]。但是，将铁磁材料和铁电材料通过各种方式制备成复合材料，室温下可表得多的磁电效应，在信息储存、自旋电子器件、传感器、电容波技术领域表现出非常好的应用前景[27]。合材料的磁电效应主要通过界面应力/应变的传递，利用铁电相的致伸缩效应两个单相特性的乘积效应来实现，提高铁电相/铁磁相构以及控制适当的体积比、两相界面和应力边界条件等，是设计材料的有效途径，如图 1-1 所示。
层性块状磁电器件，其谐振频率的调整主要通过结构配寸[30-33]以及材料参数[17,33]四个方面，以实现共振频率的节技术层型磁电传感器的组成只有磁致伸缩和压电两种材料，相对配置、固定点的位置以及个数（悬臂梁和桥式）等的灵敏度、分辨率、谐振频率、工作模式都会有显著的,9。但是对于采用环氧树脂低温粘结的块材层状磁电复合要有以下几种配置类型：L-L mode（长度方向磁化和长方向磁化和厚度方向电极化)，T-L mode (厚度方向磁化 (厚度方向磁化和厚度方向电极化)，L-T hybrid，单压电pull mode 等，如图 1-2 (a)~(h)所示[5,84]：
以及生物磁场检测方面的空间分辨率，2-2 叠层性块满足实际的要求，显然也不符合器件小型化的趋势。为了满足要Terfenol-D (Tb1-xDyxFe2-y) /piezoelectric Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–PbTiO3采非谐振状态，实现了 mHz 级磁场的超低频高灵敏检测[26]。结合可以显著的降低弯曲振动模态的谐振频率，但是弯曲振动模态的面：度系数更小的材料或者是声速更小的材料也能够显著的降低材料压电材料 PVDF[17]，以及磁致伸缩薄膜材料 metglas 等，尽量减响。率调节技术置：
本文编号：2886957
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