基於鐵鈷磁致伸縮敏感膜的新型聲表面波磁場感測器

(圖/Pixabay)

在當今的信息社會中，磁場感測器已成為信息技術和信息產業中不可缺少的基礎元件。

目前，人們已研製出利用各種物理、化學和生物效應的磁場感測器，並已在科研、生產和社會生活的各個方面得到廣泛應用，承擔起探究種種信息的任務。但是多數的磁場感測技術在靈敏度及磁滯誤差等方面仍存在問題，阻礙了其實質應用。

將柵陣式鐵鈷（FeCo）磁致伸縮薄膜高磁敏、低磁滯性與聲表面波的快速響應特點相結合，有可能實現一種快速、高靈敏、低遲滯誤差、穩定可靠的新型磁場檢測方法來檢測磁場。

中科院聲學所超聲技術中心的王文研究員、賈雅娜博士等人研究發現，對鐵鈷磁致伸縮薄膜進行柵陣式設計，可以獲得一種新型的快速、靈敏度高的磁場檢測方法，提高磁場感測器的線性度、一致性和穩定性，減小遲滯誤差，由此改善磁場感測器的性能。相關成果已發表於國際期刊AIP advances[1]。

近年來，研究人員採用磁致伸縮薄膜作為敏感膜的表面聲波（surface acoustic wave，簡稱SAW）感測器，為設計磁場感測器提供了新方法。王文的研究小組曾提出一種基於鐵鈷薄膜的SAW器件[2]，用於感測電流/磁場，根據理論優化獲得的靈敏度高達8.3 kHz/mT。然而，磁致伸縮薄膜中的強磁滯效應*帶來了顯著的滯後誤差，明顯降低了感測器性能。

此次，研究人員將柵陣式圖形設計的鐵鈷磁致伸縮敏感膜與表面聲波相結合進行磁場感測，所提出的感測器由差分雙延遲線振蕩器構成，如圖1所示。

▲圖1. （a）聲表面波磁場感測器的基本結構;（b）感測器件響應;（c）沉積柵陣化鐵鈷薄膜的感測器件（圖/賈雅娜）

感測通道上的器件表面利用射頻濺射技術和套刻工藝沉積鐵鈷薄膜柵陣，通過釋放鐵鈷中的內部應力變化來有效地抑制磁滯效應。參考通道的器件用於通過差分方法有效減小外圍環境溫度等影響。

當磁場發生變化時，鐵鈷薄膜發生磁致伸縮效應*和ΔE效應*，引起SAW傳播速度的改變，進而可以差分振蕩頻率信號的變化來表徵待測磁場強度。

實驗結果證明，通過採用鐵鈷柵陣式磁敏薄膜的SAW磁場感測器，成功抑制了鐵鈷材料中的磁滯效應，其磁滯誤差僅為鐵鈷薄膜式感測器的五分之一，而且，感測器的靈敏度、線性度也得到了大幅改善，如圖2所示。

▲圖2. 沉積鐵鈷薄膜與柵陣的感測器性能對比：（a）磁滯誤差測試；（b）靈敏度測試（圖/賈雅娜）

該項研究為高性能磁場檢測提供了一個有效途徑。

*強磁滯效應：鐵磁材料磁化狀態的變化總是落後於外加磁場的變化，在外磁場撤消後，材料仍能保持原有的部分磁性。

*磁致伸縮效應：鐵磁材料在外部磁場發生變化時，材料的尺寸和體積會發生變化。

*ΔE效應：鐵磁材料在外部磁場發生變化時，自身的楊氏彈性模量（E）也會發生變化。

參考文獻：

[1] WANG Wen, JIA Yana, LIU Xinlu, YONG Liang, ZHAO Du. Grating-Patterned FeCo Coated Surface Acoustic Wave Device for Sensing Magnetic Field.Aip Advances, 2018, 8 (1):015134.DOI:10.1063/1.5012579

[2] WANG Wen, JIA Yana, LIU Xinlu, YONG Liang, XUE Xufeng, DU Zhaofu. Enhanced Sensitivity of Temperature Compensated SAW-Based Current Sensor Using the Magnetostrictive Effect.Smart Materialsand Structures, 2017, 26 (2):025008.

論文鏈接：

https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.5012579

英文報道：

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