微桥结构薄膜磁电传感器阵列化设计与制备

发布时间：2020-11-12 19:41

　　 薄膜磁电传感器具有功耗低、体积小、易集成等优点,在微弱磁场探测等诸多领域表现出良好的应用前景。传统的单元薄膜磁电传感器在谐振频率处检测限度虽然已经达到飞特(fTesla)量级,但响应带宽非常窄,而在非谐振频率处,其输出响应会急剧下降,这些因素限制了薄膜磁电传感器的实用化。针对以上现状,本文设计和制备了微桥结构的薄膜磁电传感器阵列,将多个相同的微桥磁电单元串联以提升非谐振频率处的输出响应,将多个不同结构参数的微桥磁电单元并联以拓宽谐振频率处的响应带宽。首先,本文采用Pb(Zr,Ti)O_3(PZT)和FeCoSiB分别作为压电层和磁致伸缩层材料,设计了一种抗外部噪声能力强、工艺兼容性好、适于集成化与阵列化的微桥结构薄膜磁电传感器,并通过有限元仿真探究了微桥结构参数对器件响应电压和谐振频率的影响。其次,采用溶胶凝胶法(Sol-gel)和磁控溅射法,分别制备了厚度1μm的PZT薄膜和FeCoSiB薄膜。表征结果表明,薄膜具有良好的微观结构、电学性能及磁性能。在此基础上,通过对刻蚀和绝缘层制备等关键微电子工艺步骤的优化,在同一基片上制备了多个微桥结构参数不同的薄膜磁电单元,然后将磁电单元串联和并联,形成阵列化的薄膜磁电传感器。最后,对单元和阵列化的微桥结构薄膜磁电传感器进行了性能测试。结果表明,单个磁电单元的谐振频率为7900Hz,检测限度为28nT,谐振频率下的最大磁电响应系数为16.87V/cm·Oe。将三个相同的磁电单元串联后,在非谐振频率处的灵敏度明显提高,是单个单元的1.65倍。同时,在不改变压电和磁致伸缩层结构的情况下,通过对微桥结构的衬底参数进行调节,实现了不同磁电单元谐振峰间距的高精度控制。将谐振峰经过调控的两个磁电单元并联后,响应带宽拓宽到原来的2倍。该研究为后续薄膜磁电传感器的更大规模集成化与阵列化提供了可行的方案和技术路径。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP212
【部分图文】：

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文式(1-1)与式(1-2)来描述磁电复合材料的磁电效应。从示意图和公式可考虑应力的损失，即耦合因子为 1，则磁电复合材料的输出响应将由压缩相的单相性能决定，这大大放宽了对材料的限制，提升了磁电输出响的磁电复合材料的性能比传统的单相材料足足高出两个数量级。正磁电效应 =磁场应力耦合因子应力电场逆磁电效应 =电场应力耦合因子应力磁场

图 1-2 磁电复合材料分类 (a) 0-3 型 (b) 1-3 型 (c) 2-2 型2-2 型磁电复合材料可以分为块体层状磁电复合材料和薄膜层状磁电复合材料其中，块体层状磁电复合材料具有制备工艺简单、输出响应大、抗噪能力强等优点，能够满足大部分磁场测量设备的要求[13-14]，但是其缺点也非常明显：（1）块体层状磁电复合材料通常需要助粘剂的辅助才能实现压电相与磁致伸缩相的复合，而助粘剂的引入不仅影响了应力在两相之间的传递，削弱了磁电耦合效应，而且会导致不同复合结构之间的性能难以保持一致；（2）助粘剂的主要成分为有机物，抗氧化能力和抗高温能力差，不适用于复杂的应用环境；（3）块体层状磁电复合材料尺寸较大，且制备工艺与微电子工艺不兼容，较难实现大规模的阵列化与集成化。与块体层状磁电复合材料相比，薄膜层状磁电复合材料通过微电子工艺实现压电相与磁致伸缩相的制备，不仅控制精度高，而且可以实现两相之间的高度耦合，有效降低界面应力损失。同时，薄膜层状磁电复合材料尺寸较小，工艺兼容性好，可以

图 1-3 悬臂梁结构薄膜磁电传感器及其测试结果[15]学团队[16]对上述器件结构进行了优化，如图 1-4结构在非功能区增加了质量块，并且进一步减薄的机械振动性能得到了大幅提升，在谐振频率处且谐振频率被降低至 330Hz。-4 沟槽型薄膜磁电传感器结构示意图 (a)侧视图 (b)俯视
【参考文献】

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1 孙秋;成海涛;王福平;;PZT铁电薄膜电极材料研究进展[J];稀有金属材料与工程;2008年02期

本文编号：2881156