中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
在當今的信息社會(huì )中，磁場(chǎng)傳感器已成為信息技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)中不可缺少的基礎元件。
目前，人們已研制出利用各種物理、化學(xué)和生物效應的磁場(chǎng)傳感器，并已在科研、生產(chǎn)和社會(huì )生活的各個(gè)方面得到廣泛應用，承擔起探究種種信息的任務(wù)。但是多數的磁場(chǎng)傳感技術(shù)在靈敏度及磁滯誤差等方面仍存在問(wèn)題，阻礙了其實(shí)質(zhì)應用。將柵陣式鐵鈷（FeCo）磁致伸縮薄膜高磁敏、低磁滯性與聲表面波的快速響應特點(diǎn)相結合，有可能實(shí)現一種快速、高靈敏、低遲滯誤差、穩定可靠的新型磁場(chǎng)檢測方法來(lái)檢測磁場(chǎng)。
中國科學(xué)院聲學(xué)研究所超聲技術(shù)中心研究員王文、博士賈雅娜等人研究發(fā)現，對鐵鈷磁致伸縮薄膜進(jìn)行柵陣式設計，可以獲得一種新型的快速、靈敏度高的磁場(chǎng)檢測方法，提高磁場(chǎng)傳感器的線(xiàn)性度、一致性和穩定性，減小遲滯誤差，由此改善磁場(chǎng)傳感器的性能。相關(guān)成果已發(fā)表于國際期刊AIP advances。
近年來(lái)，研究人員采用磁致伸縮薄膜作為敏感膜的表面聲波（surface acoustic wave，簡(jiǎn)稱(chēng)SAW）傳感器，為設計磁場(chǎng)傳感器提供了新方法。王文的研究小組曾提出一種基于鐵鈷薄膜的SAW器件，用于感測電流/磁場(chǎng)，根據理論優(yōu)化獲得的靈敏度高達8.3kHz / mT。然而，磁致伸縮薄膜中的強磁滯效應*帶來(lái)了顯著(zhù)的滯后誤差，明顯降低了傳感器性能。
此次，研究人員將柵陣式圖形設計的鐵鈷磁致伸縮敏感膜與表面聲波相結合進(jìn)行磁場(chǎng)感測，所提出的傳感器由差分雙延遲線(xiàn)振蕩器構成，如圖1所示。
傳感通道上的器件表面利用射頻濺射技術(shù)和套刻工藝沉積鐵鈷薄膜柵陣，通過(guò)釋放鐵鈷中的內部應力變化來(lái)有效地抑制磁滯效應。參考通道的器件用于通過(guò)差分方法有效減小外圍環(huán)境溫度等影響。當磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，鐵鈷薄膜發(fā)生磁致伸縮效應*和ΔE效應*，引起SAW傳播速度的改變，進(jìn)而可以差分振蕩頻率信號的變化來(lái)表征待測磁場(chǎng)強度。
實(shí)驗結果證明，通過(guò)采用鐵鈷柵陣式磁敏薄膜的SAW磁場(chǎng)傳感器，成功抑制了鐵鈷材料中的磁滯效應，其磁滯誤差僅為鐵鈷薄膜式傳感器的五分之一，而且，傳感器的靈敏度、線(xiàn)性度也得到了大幅改善，如圖2所示。該項研究為高性能磁場(chǎng)檢測提供了一個(gè)有效途徑。
* 強磁滯效應：鐵磁材料磁化狀態(tài)的變化總是落后于外加磁場(chǎng)的變化，在外磁場(chǎng)撤消后，材料仍能保持原有的部分磁性。
* 磁致伸縮效應：鐵磁材料在外部磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，材料的尺寸和體積會(huì )發(fā)生變化。
* ΔE效應：鐵磁材料在外部磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，自身的楊氏彈性模量（E）也會(huì )發(fā)生變化。
論文鏈接：https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.5012579
