[發明專利]基于磁偏置結構的高靈敏度聲表面波矢量磁場傳感系統

在審

• 申請號: 202210322196.0
• 申請日: 2022-03-29
• 公開（公告）號: CN114659540A
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發明（設計）人: 白飛明;鄒昱佳;金立川;張懷武
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01D5/12
• 分類號: G01D5/12;G01R33/02;H03H9/25
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 吳姍霖

一種基于磁偏置結構的高靈敏度聲表面波矢量磁場傳感系統，屬于電子信息材料與器件技術領域。包括正偏MSAW傳感器、反偏MSAW傳感器和混頻器，所述正偏MSAW傳感器和反偏MSAW傳感器包括自下而上依次設置的SAW諧振器、絕緣層、磁敏感層和絕緣鈍化層；其中，所述正偏MSAW傳感器和反偏MSAW傳感器上施加相反的偏置場。本發明采用兩個偏置場相反的MSAW傳感器，相較于單個MSAW傳感器組成的系統，最大頻移量Δf_max翻了一倍，達到8MHz或以上；檢測靈敏度df/dH也翻了一倍，達到1000kHz/Oe或以上；線性檢測區間由5Oe?15Oe移動至?5Oe?5Oe。

技術領域

本發明屬于電子信息材料與器件技術領域，具體涉及一種基于磁場偏置結構的高靈敏度聲表面波矢量磁場傳感系統。

背景技術

以聲表面波(SAW)技術和磁致伸縮材料為基礎的磁場傳感器也被稱為磁聲表面波(MSAW)諧振器或磁聲表面波延遲線，因其靈敏度高，體積小，易起振等優點而備受人們的關注。此類聲表面波磁場傳感器利用磁致伸縮材料的巨楊氏模量效應，當外界磁場發生改變，磁敏感層楊氏模量效應發生改變，最終導致器件中心頻率發生改變，這樣一來就可以實現對磁場的高靈敏度探測。即根據公式其中E為材料的楊氏模量，ρ為材料密度，p為半波長寬度，通過測得Δf得到檢測磁場的變化。因此此類傳感器不僅具有較高的磁場靈敏度和良好的線性度，而且尺寸小、易集成，因此在磁場檢測領域具有極高的實用價值。

對于磁聲表面波(MSAW)器件的研究，Smole等人(P.Smole,W.Ruile,C.Korden,etal.Magnetically tunable SAW-resonator[C].IEEE International Frequency ControlSymposiumPDA Exhibition Jointly with the European FrequencyTime Forum.IEEE,2003,1-4)采用ZnO作為壓電材料，FeCoSiB作為磁敏感層，通過犧牲層技術制備了單端口諧振器，實現了較大的頻移量，在1.2GHz附近頻率調節量達-1.21％。但并未對低頻乃至直流磁場的應用進行更多探討，并且制作工藝復雜，重復性差。Liu等人(X.L.Liu,T.Bei,X.F.Yang,et al.Self-biased vector magnetic sensor based on a Love-typesurface acoustic wave resonator[J].Applied Physics Letters,2018,113(8):082402)提出了一種基于Love波模態的諧振型傳感器，在低頻乃至直流磁場檢測時具有一定頻率響應，但存在明顯磁滯效應，不利于線性檢測需求，同時最大檢測靈敏度僅為663.98Hz/μT，無法滿足高靈敏度的應用需求。Li、Hui等人(M.Li,C.Dong,H.Chen,etal.Ultra-sensitive NEMS magnetoelectric sensor for picotesla DC magneticfield detection[J].Applied Physics Letters,2017,110(14):143510)提出了基于輪廓模的諧振型MSAW器件，此類傳感器可以實現低頻乃至直流磁場的檢測，磁致頻移量達到3.19MHz，直流磁場檢測時靈敏度高達2.8Hz/nT，但高靈敏度工作點在12Oe附近，零場附近檢測靈敏度df/dH近于零。Wang等人(W.Wang,Y.Jia,X.Xue,et al.Grating-patternedFeCo coated surface acoustic wave device for sensing magnetic field[J].AIPAdvances,2018,8(1):015134)采用差頻結構來使得傳感器達到抑制溫漂和其它噪音的目的，其中一個傳感器表面有磁致伸縮薄膜，而另一個表面沒有磁致伸縮薄膜或者用其它金屬代替。然而，這種結構存在以下兩個問題：其一該差頻結構通過部分抑制噪音可以提高磁場分辨力，但不能提升諧振型或延遲線型MSAW傳感器的磁場靈敏度；其二，沒有覆蓋磁致伸縮薄膜的諧振型或延遲線型MSAW傳感器的中心頻率和頻率/相位溫度系數并不等于被覆磁致伸縮薄膜的此類器件的中心頻率和頻率相位溫度系數，因此該差頻結構并不能充分抑制溫漂。