薄膜磁電傳感器具有功耗低、體積小、易集成等優(yōu)點(diǎn),在微弱磁場探測等諸多領(lǐng)域表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的單元薄膜磁電傳感器在諧振頻率處檢測限度雖然已經(jīng)達(dá)到飛特(fTesla)量級(jí),但響應(yīng)帶寬非常窄,而在非諧振頻率處,其輸出響應(yīng)會(huì)急劇下降,這些因素限制了薄膜磁電傳感器的實(shí)用化。針對以上現(xiàn)狀,本文設(shè)計(jì)和制備了微橋結(jié)構(gòu)的薄膜磁電傳感器陣列,將多個(gè)相同的微橋磁電單元串聯(lián)以提升非諧振頻率處的輸出響應(yīng),將多個(gè)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的微橋磁電單元并聯(lián)以拓寬諧振頻率處的響應(yīng)帶寬。首先,本文采用Pb(Zr,Ti)O_3(PZT)和FeCoSiB分別作為壓電層和磁致伸縮層材料,設(shè)計(jì)了一種抗外部噪聲能力強(qiáng)、工藝兼容性好、適于集成化與陣列化的微橋結(jié)構(gòu)薄膜磁電傳感器,并通過有限元仿真探究了微橋結(jié)構(gòu)參數(shù)對器件響應(yīng)電壓和諧振頻率的影響。其次,采用溶膠凝膠法(Sol-gel)和磁控濺射法,分別制備了厚度1μm的PZT薄膜和FeCoSiB薄膜。表征結(jié)果表明,薄膜具有良好的微觀結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能及磁性能。在此基礎(chǔ)上,通過對刻蝕和絕緣層制備等關(guān)鍵微電子工藝步驟的優(yōu)化,在同一基片上制備了多個(gè)微橋結(jié)構(gòu)參數(shù)不同的薄膜磁電單元,然后將磁電單元串聯(lián)和并聯(lián),形成陣列化的薄膜磁電傳感器。最后,對單元和陣列化的微橋結(jié)構(gòu)薄膜磁電傳感器進(jìn)行了性能測試。結(jié)果表明,單個(gè)磁電單元的諧振頻率為7900Hz,檢測限度為28nT,諧振頻率下的最大磁電響應(yīng)系數(shù)為16.87V/cm·Oe。將三個(gè)相同的磁電單元串聯(lián)后,在非諧振頻率處的靈敏度明顯提高,是單個(gè)單元的1.65倍。同時(shí),在不改變壓電和磁致伸縮層結(jié)構(gòu)的情況下,通過對微橋結(jié)構(gòu)的襯底參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)了不同磁電單元諧振峰間距的高精度控制。將諧振峰經(jīng)過調(diào)控的兩個(gè)磁電單元并聯(lián)后,響應(yīng)帶寬拓寬到原來的2倍。該研究為后續(xù)薄膜磁電傳感器的更大規(guī)模集成化與陣列化提供了可行的方案和技術(shù)路徑。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP212
【部分圖文】：

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文式(1-1)與式(1-2)來描述磁電復(fù)合材料的磁電效應(yīng)。從示意圖和公式可考慮應(yīng)力的損失，即耦合因子為 1，則磁電復(fù)合材料的輸出響應(yīng)將由壓縮相的單相性能決定，這大大放寬了對材料的限制，提升了磁電輸出響的磁電復(fù)合材料的性能比傳統(tǒng)的單相材料足足高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。正磁電效應(yīng) =磁場應(yīng)力耦合因子應(yīng)力電場逆磁電效應(yīng) =電場應(yīng)力耦合因子應(yīng)力磁場

圖 1-2 磁電復(fù)合材料分類 (a) 0-3 型 (b) 1-3 型 (c) 2-2 型2-2 型磁電復(fù)合材料可以分為塊體層狀磁電復(fù)合材料和薄膜層狀磁電復(fù)合材料其中，塊體層狀磁電復(fù)合材料具有制備工藝簡單、輸出響應(yīng)大、抗噪能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足大部分磁場測量設(shè)備的要求[13-14]，但是其缺點(diǎn)也非常明顯：（1）塊體層狀磁電復(fù)合材料通常需要助粘劑的輔助才能實(shí)現(xiàn)壓電相與磁致伸縮相的復(fù)合，而助粘劑的引入不僅影響了應(yīng)力在兩相之間的傳遞，削弱了磁電耦合效應(yīng)，而且會(huì)導(dǎo)致不同復(fù)合結(jié)構(gòu)之間的性能難以保持一致；（2）助粘劑的主要成分為有機(jī)物，抗氧化能力和抗高溫能力差，不適用于復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境；（3）塊體層狀磁電復(fù)合材料尺寸較大，且制備工藝與微電子工藝不兼容，較難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的陣列化與集成化。與塊體層狀磁電復(fù)合材料相比，薄膜層狀磁電復(fù)合材料通過微電子工藝實(shí)現(xiàn)壓電相與磁致伸縮相的制備，不僅控制精度高，而且可以實(shí)現(xiàn)兩相之間的高度耦合，有效降低界面應(yīng)力損失。同時(shí)，薄膜層狀磁電復(fù)合材料尺寸較小，工藝兼容性好，可以

圖 1-3 懸臂梁結(jié)構(gòu)薄膜磁電傳感器及其測試結(jié)果[15]學(xué)團(tuán)隊(duì)[16]對上述器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，如圖 1-4結(jié)構(gòu)在非功能區(qū)增加了質(zhì)量塊，并且進(jìn)一步減薄的機(jī)械振動(dòng)性能得到了大幅提升，在諧振頻率處且諧振頻率被降低至 330Hz。-4 溝槽型薄膜磁電傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 (a)側(cè)視圖 (b)俯視
【參考文獻(xiàn)】

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1 孫秋;成海濤;王福平;;PZT鐵電薄膜電極材料研究進(jìn)展[J];稀有金屬材料與工程;2008年02期

本文編號(hào)：2881156