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基于ZnO/Metglas复合多层膜结构的磁电声表面波谐振器研究

【摘要】:本论文针对基于磁电复合材料的磁场传感器在低频或直流磁场测试时灵敏度低、体积大等问题,研究了一种基于ZnO/Metglas复合多层膜的磁电声表面波磁场传感器。该磁传感器结合了磁电复合材料与声表面波技术,可以实现直流及宽频交流磁场下的高灵敏度探测,且具有温度稳定性高、可与MEMS等工艺兼容和无源无线等优点。论文的主要研究内容包括:一、采用散射矩阵法求解了ZnO/Metglas半无限基底结构中瑞利波的波速及机电耦合系数,利用反散射矩阵法求解了此结构压电薄膜上表面的位移与电势的状态矢量。利用耦合模(COM)模型,考虑机械负载与电负载对该结构的影响,求解了等效波速、反射系数、换能系数等COM参数。计算结果表明:金属电极电负载开路栅相比于短路栅对波速的影响小,在开路栅中,当金属化率为0.5,中心频率与ZnO厚度乘积fhZn O=0.162GHz*m时,电负载对波速影响最大达-0.45%,机械负载对ZnO/Metglas多层膜结构波速的影响为正值。由电负载引起的反射比机械负载的大,开路电极的反射系数为正,短路电极的反射系数为负。金属化率对声表面波振幅及静电储能有一定的影响。二、介绍了一种非晶态合金的数学模型,模拟了带材在不同方向退火后的磁化特性,求解了磁化强度、磁致伸缩系数以及杨氏模量对于磁场的依赖关系。对Metglas2605SA1进行了磁场退火实验,结果表明温度为360℃保温一小时磁场退火效果最好。对未退火的非晶带材及360℃磁场退火后的样品进行了共振反共振频率测试,测试结果表明:磁场退火改变了非晶带材的应力状态,易轴方向测试的磁机械耦合系数k33明显增大,在外加磁场8Oe时达到0.32,比未退火样品增大了一倍;对比退火后样品易轴难轴的E效应,杨氏模量随外加磁场的变化规律与数学模型仿真结果相吻合,其中难轴方向测试的磁机械耦合系数略低于易轴方向,难轴方向杨氏模量随外加磁场的增加先增大后降低,杨氏模量效应达到53.3%。三、对Metglas非晶软磁带材进行了抛光处理,通过优化磁控溅射参数,以及改变基底束缚状态,在Metglas表面上获得了高度c轴取向的ZnO薄膜,其摇摆曲线半高宽为3.5°,表面粗糙度2 nm。最后,在ZnO薄膜表面通过微细加工工艺制备铝叉指换能器,并通过矢量网络分析仪和微波探针台实测了中心频率和插入损耗。测试结果表明:中心频率与设计结果接近,但插入损耗较高。

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