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片上差分结构薄膜磁电传感器的研究

【摘要】:磁电传感器具有灵敏度和分辨率高、响应频带宽、功耗小等特点,在微弱磁场探测、医学成像、微波通讯等领域具有广阔的应用前景。然而,由于磁电传感器的核心部分-压电材料易受外部温度影响,导致器件产生噪声电压,影响传感器的灵敏度和分辨率,因此,抑制外部热噪声对提高器件在复杂环境中的磁电响应性能具有重要意义。针对上述问题,本文拟充分发挥薄膜复合材料相对于块体复合材料在结构、工艺上的优势,设计和制备适合于阵列化的片上差分结构薄膜磁电传感器,实现对外部热噪声的有效抑制。首先,采用Pb(Zr,Ti)O_3(PZT)和FeCoSiB分别作为压电层和磁致伸缩层材料,设计了一种抗外部噪声能力强、工艺兼容性好的微桥型薄膜磁电传感器,敏感元由磁电单元和差分参考单元构成。通过COMSOL仿真计算,分析相同温度变化情况下,磁电单元和差分参考单元的热响应电压的变化,并根据仿真结果筛选出热物理性能与FeCoSiB差异性小的非磁性材料,与PZT共同构成热噪声抑制作用最优的差分参考单元。其次,利用材料的自模板效应,采用脉冲激光沉积(PLD)和溶胶凝胶(Sol-gel)交替生长的方法,在Pt/Ti/SiO_2/Si衬底上制备了均匀致密的PZT薄膜(~1.2μm)。测试结果表明,PZT薄膜的压电系数约为90pm/V,漏电流密度小于10~(-5)A/cm~2,比单独PLD或Sol-gel法制备的薄膜有更高的致密度和更小的漏电流。同时,采用磁控溅射制备了FeCoSiB薄膜,通过对FeCoSiB薄膜进行磁退火,降低了薄膜的矫顽力,得到了磁学性能优良的FeCoSiB薄膜。最后,采用MEMS工艺制备了稳定性良好的微桥型薄膜磁电传感器,并在同一衬底上制备PZT/Al组成的差分参考单元,与PZT/FeCoSiB磁电单元构成片上差分结构。并搭建基于LabVIEW软件的磁电测试平台,对片上差分结构薄膜传感器的磁电性能和热噪声抑制效果进行了测试和分析。测试结果表明,磁电单元的最佳偏置磁场为6.29Oe,谐振频率为3810Hz,磁电电压系数约为3.98V/cm?Oe。通过远红外源引入热噪声的情况下,差分结构薄膜磁电传感器的磁场最小探测限度为35nT,与非差分结构(最小探测限度62nT)相比降低了43%,这种片上差分结构对薄膜磁电传感器热噪声的抑制具有显著效果,为高性能薄膜磁电传感器的设计与制备,提供了可行的方案和技术路径。

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