層狀復合磁電傳感器具有靈敏度和分辨率高、結構以及制備工藝簡單等特點,在磁場檢測領域具有巨大的應用前景。然而,這種基于磁致伸縮和壓電效應相互作用的器件,其輸出響應在諧振頻率處急劇增強,在非諧振頻率處響應幅度急劇減弱。對于塊材,其諧振狀態(tài)通常出現(xiàn)在幾十個kHz甚至MHz的頻率范圍;對于薄膜器件結構,其諧振頻率降頻現(xiàn)階段最低也就在200Hz附近,難以進一步降低器件的諧振頻率。而對于地磁、心磁和腦磁等信號的探測,要求磁傳感器具有較好的直流和超低頻信號響應。所以,如何實現(xiàn)低頻和直流磁場的高靈敏、高分辨率檢測,具有重要學術研究意義和實際應用價值。基于磁致伸縮材料的Delta-E效應與壓電聲表面波單端諧振器相互作用的多層復合磁致頻移型磁電器件,其檢測磁場范圍可以從DC到低頻AC連續(xù)變化,而且器件一直工作在響應諧振增強狀態(tài),是當前磁傳感器的研究熱點。本論文采用非晶FeCoSiB薄膜作為磁致伸縮材料,對層狀磁電復合材料中聲表面波的磁場調(diào)制作用進行了深入的研究。采用ST-cut 90~oX石英單晶/FeCoSiB多層復合結構,仔細研究了磁性層厚度、磁場下退火、磁性層的摻雜改性等對于器件靈敏度的影響。又對delta-E效應和SAW之間的相互作用進行了深入的研究與分析。本論文得出以下結論:首先,采用磁控濺射完成ST-cut 90~oX石英單晶/Ta叉指/SiO_2絕緣層/FeCoSiB磁性層多層復合結構的器件制備,揭示了磁性層厚度、磁場下退火、磁性層的摻雜改性等對器件靈敏度的影響,實現(xiàn)了測量范圍、靈敏度、方波響應的調(diào)制。當磁性層較薄,且未經(jīng)磁場下退火時,器件長度方向的靈敏度大于寬度方向的靈敏度;但經(jīng)過后期沿著長度方向磁場下退火處理,寬度方向的最大靈敏度大于長度方向的最大靈敏度。當磁性層較厚且未經(jīng)磁場下退火時,器件寬度方向的靈敏度遠大于長度方向的靈敏度。對于未經(jīng)磁場下退火、磁性層較厚的300nm ST-cut 90~o X石英單晶樣品,寬度和長度方向的靈敏度分別達到364.28 Hz/μT以及76.06 Hz/μT,相差接近于4.79倍,且寬度方向非線性區(qū)域的最大靈敏度達到了663.98 Hz/μT。相比于純FeCoSiB磁性薄膜,采用Terfenol-D摻雜之后,其磁場靈敏度降低,但是線性測試范圍顯著增加。然后,在前面直流磁場靈敏度響應測試的基礎上,研究了多層復合磁電傳感器對低頻交流磁場的響應。結果表明,其一,制備的器件在正弦交流磁場下可以實現(xiàn)穩(wěn)定的輸出;其二,固定交流磁場的幅度大小不變,當磁場頻率從0.001Hz變化到1Hz時,其器件諧振頻率的變化量偏差很小,且和直流下的周期測試結果相一致。所以,研制的基于delta-E效應和聲表面波的多層復合磁電傳感器樣品,具有從DC到低頻AC的非色散性穩(wěn)定響應輸出。最后,通過分析磁彈耦合、電彈耦合、損耗三者之間相互作用的關系,研究了聲表面波器件的電學特性、聲學特性等隨著外界磁場的變化,探究了delta-E效應和SAW之間的相互作用機制。隨著外磁場幅度的增加,除電導峰的半峰寬和delta-E效應的變化趨勢相反,其他SAW參數(shù)的變化趨勢都和delta-E效應的相一致。原因是外磁場下,磁性層的磁彈耦合系數(shù)變化導致了壓電層機電耦合系數(shù)的變化。另外,除磁性層較厚時,難軸方向,中間磁場區(qū)域,SAW參數(shù)隨著外磁場幅度的增加發(fā)生急劇的變化;其他情況下,SAW參數(shù)變化趨勢都較緩。
【學位單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TP212;O441;TB33
【部分圖文】：

華 中 科 技 大 學 博 士 學 位 論 文的一種表現(xiàn)形式。單相磁電材料內(nèi)秉磁有序和鐵電有序，在一定亞/反）鐵磁性和（亞/反）鐵電性。目前已知的單相材料磁電效低溫下才能被明顯觀測，達不到實際應用的要求[5,9,27]。但是，將鐵磁材料和鐵電材料通過各種方式制備成復合材料，室溫下可表得多的磁電效應，在信息儲存、自旋電子器件、傳感器、電容波技術領域表現(xiàn)出非常好的應用前景[27]。合材料的磁電效應主要通過界面應力/應變的傳遞，利用鐵電相的致伸縮效應兩個單相特性的乘積效應來實現(xiàn)，提高鐵電相/鐵磁相構以及控制適當?shù)捏w積比、兩相界面和應力邊界條件等，是設計材料的有效途徑，如圖 1-1 所示。

層性塊狀磁電器件，其諧振頻率的調(diào)整主要通過結構配寸[30-33]以及材料參數(shù)[17,33]四個方面，以實現(xiàn)共振頻率的節(jié)技術層型磁電傳感器的組成只有磁致伸縮和壓電兩種材料，相對配置、固定點的位置以及個數(shù)（懸臂梁和橋式）等的靈敏度、分辨率、諧振頻率、工作模式都會有顯著的,9。但是對于采用環(huán)氧樹脂低溫粘結的塊材層狀磁電復合要有以下幾種配置類型：L-L mode（長度方向磁化和長方向磁化和厚度方向電極化)，T-L mode (厚度方向磁化 (厚度方向磁化和厚度方向電極化)，L-T hybrid，單壓電pull mode 等，如圖 1-2 (a)~(h)所示[5,84]：

以及生物磁場檢測方面的空間分辨率，2-2 疊層性塊滿足實際的要求，顯然也不符合器件小型化的趨勢。為了滿足要Terfenol-D (Tb1-xDyxFe2-y) /piezoelectric Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–PbTiO3采非諧振狀態(tài)，實現(xiàn)了 mHz 級磁場的超低頻高靈敏檢測[26]。結合可以顯著的降低彎曲振動模態(tài)的諧振頻率，但是彎曲振動模態(tài)的面：度系數(shù)更小的材料或者是聲速更小的材料也能夠顯著的降低材料壓電材料 PVDF[17]，以及磁致伸縮薄膜材料 metglas 等，盡量減響。率調(diào)節(jié)技術置：

本文編號：2886957