基於層狀電磁複合材料的磁聲表面波磁敏感測器研究

《基於層狀電磁複合材料的磁聲表面波磁敏感測器研究》是依託電子科技大學,由白飛明擔任醒目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於層狀電磁複合材料的磁聲表面波磁敏感測器研究
• 依託單位：電子科技大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：白飛明

項目摘要

磁場探測在生產生活和國防安全領域都有著重要的作用，一些新興的套用如地磁輔助導航、航空磁探儀和心腦磁圖成像對磁敏感測器的磁場靈敏度、傾斜角解析度、頻率相關性和體積等提出了越來越高的要求。在前期工作中我們設計並製作了基於磁電耦合效應的磁場感測器，其磁場靈敏度高達0.01n Tesla/Hz1/2量級，但也存在著一致性差、難以微型化等缺點。本項目擬從提取和處理層狀電磁複合薄膜的場致波動信號出發，研究壓電/磁致伸縮/基片體系中磁聲表面波的傳播規律，建立相傳播速度、中心頻率、頻寬、插入損耗與層狀結構和工作模態的關係，並結合薄膜材料製備、集成工藝最佳化、插指換能器設計，製備出磁聲表面波磁敏感測器；在此基礎上，進行動態載入磁場和變溫測試，通過力、電、磁的多場耦合效應的分析，進一步最佳化結構設計和材料性能，最終獲得高磁場靈敏度、高傾斜角解析度的磁聲表面波磁敏感測器，推動層狀電磁複合材料的套用與發展。

結題摘要

針對磁電複合磁場感測器低頻噪音高、難於微型化的缺點，本項目提出並實現了一種新型的基於層狀壓電/磁致伸縮複合材料的磁電聲表面波諧振器，其中，磁場的變化引起磁致伸縮層的楊氏模量的顯著變化（巨楊氏模量效應），進而導致壓電層中聲表面波傳播速度發生色散，實驗上可以通過布置插指換能器，測量磁聲表面波諧振器的中心頻率化提取出來。 我們首先採用散射矩陣法計算了ZnO/Metglas半無限基底的聲表面波傳播特性，並通過COMSOL仿真對計算結果進行了驗證。研究表明：儘管ZnO/Metglas的中心頻率對外磁場的變化高度敏感，但存在著一個截止楊氏模量，在此楊氏模量以下，瑞利波是不能被激發的。對於中心頻率為335 MHz的磁聲表面波諧振器，當選用飽和磁場為1.5 Oe、巨楊氏模量效應為150%的Metglas時，理論的頻率靈敏度為220 MHz/Oe，等效的磁場靈敏度為0.005 nT。 其次，我們詳細研究了微米級厚度磁致伸縮薄膜的軟磁特性，對比了插入（i）磁性/非磁性中間層以及（ii）晶格匹配/晶格適配中間層對於軟磁性能和磁致伸縮性能的影響。研究發現：通過插入非磁Cu層，可以打斷柱狀晶生長，改變薄膜的織構和細化薄膜的晶粒，有效降低垂直各向異性場和薄膜的應力狀態。最終我們成功製備了厚度為2微米的低矯頑力、低飽和磁化場、高度單軸各向異性的非晶FeSiBC磁膜，其性能如下：矯頑力1.5 Oe，各向異性場16 Oe，飽和磁致伸縮係數約35-40 ppm，最大壓磁係數2 ppm/Oe。此外，我們將以上經過最佳化的FeSiBC集成於PMN-PT壓電單晶之上，研究了電場對於單軸各向異性的調控作用。 最後，我們在磁場退火後的Metglas上依次製備了Ti緩衝層、高度（002）取向ZnO壓電層和Al插指換能器，並通過矢量網路分析儀和微波探針台測試了不同外加磁場下的中心頻率和插入損耗。測試結果表明：中心頻率與設計結果接近，但插入損耗較高。外加磁場情況下，中心頻率的最大變化率為0.33 MHz/Oe，等效磁場靈敏度約為3 nT。