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微桥结构薄膜磁电传感器阵列化设计与制备

【摘要】:薄膜磁电传感器具有功耗低、体积小、易集成等优点,在微弱磁场探测等诸多领域表现出良好的应用前景。传统的单元薄膜磁电传感器在谐振频率处检测限度虽然已经达到飞特(fTesla)量级,但响应带宽非常窄,而在非谐振频率处,其输出响应会急剧下降,这些因素限制了薄膜磁电传感器的实用化。针对以上现状,本文设计和制备了微桥结构的薄膜磁电传感器阵列,将多个相同的微桥磁电单元串联以提升非谐振频率处的输出响应,将多个不同结构参数的微桥磁电单元并联以拓宽谐振频率处的响应带宽。首先,本文采用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、适于集成化与阵列化的微桥结构薄膜磁电传感器,并通过有限元仿真探究了微桥结构参数对器件响应电压和谐振频率的影响。其次,采用溶胶凝胶法(Sol-gel)和磁控溅射法,分别制备了厚度1μm的PZT薄膜和FeCoSiB薄膜。表征结果表明,薄膜具有良好的微观结构、电学性能及磁性能。在此基础上,通过对刻蚀和绝缘层制备等关键微电子工艺步骤的优化,在同一基片上制备了多个微桥结构参数不同的薄膜磁电单元,然后将磁电单元串联和并联,形成阵列化的薄膜磁电传感器。最后,对单元和阵列化的微桥结构薄膜磁电传感器进行了性能测试。结果表明,单个磁电单元的谐振频率为7900Hz,检测限度为28nT,谐振频率下的最大磁电响应系数为16.87V/cm·Oe。将三个相同的磁电单元串联后,在非谐振频率处的灵敏度明显提高,是单个单元的1.65倍。同时,在不改变压电和磁致伸缩层结构的情况下,通过对微桥结构的衬底参数进行调节,实现了不同磁电单元谐振峰间距的高精度控制。将谐振峰经过调控的两个磁电单元并联后,响应带宽拓宽到原来的2倍。该研究为后续薄膜磁电传感器的更大规模集成化与阵列化提供了可行的方案和技术路径。

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