[发明专利]基于负泊松比磁致伸缩衬底的磁电声表面波器件

说明书

一种基于负泊松比磁致伸缩衬底的磁电声表面波器件，属于电子信息功能材料与器件技术领域。所述磁电声表面波器件包括磁致伸缩衬底、压电薄膜和叉指换能器，磁致伸缩衬底为具有负泊松比和拉胀效应的磁致伸缩材料，其厚度大于2倍声表面波波长。本发明提供的磁电声表面波器件中，采用具有负泊松比和拉胀效应的磁致伸缩块材作为磁致伸缩衬底，衬底厚度可达到毫米级别，有效改善了对压电薄膜厚度的限制；本发明提供的磁电声表面波器件在获得优良取向的压电薄膜的同时，可显著提高器件的工作中心频率f₀，使得后端频率计数器能更加准确地测试中心频率随磁场的变化，有利于提高磁场探测的灵敏度。

技术领域

本发明属于电子信息功能材料与器件技术领域，具体涉及一种基于负泊松比磁致伸缩衬底的磁电声表面波器件及其制备方法，可用于磁场传感与探测或者磁场调谐的声表面波滤波器、谐振器、延迟线等。

背景技术

随着磁场和此相关现象研究的不断深入，磁传感技术得到了很大的发展。传统的磁场传感器主要有线圈、霍尔器件、磁通门、磁阻传感器、光泵、质子磁力仪、超导量子干涉仪等，其中线圈、霍尔器件、磁阻探测的探测灵敏度都比较低；质子磁力仪虽然灵敏度高，但由于电路复杂使得功耗很高，制造成本也较高；光泵和超导量子干涉仪磁场灵敏度可高达10^-15T，但使用和维护费用昂贵，操作也非常复杂，影响了其广泛使用。

近年来国内外广泛研究了由压电材料和磁致伸缩材料复合而成的层状磁电复合材料。利用该复合材料/结构可以实现高灵敏度的磁场探测和感知，其中既可以利用磁场-应变-压电电压或电荷机理实现检测，也可以与声表面波技术相结合，设计制备基于层状磁电复合结构的声表面波谐振器，通过检测其中心频率变化实现的磁场传感。后者的工作原理为：外加磁场会诱导磁致伸缩材料的杨氏模量发生变化，衬底的杨氏模量变化会引起声表面波谐振器的相速度发生变化，由于声表面波谐振器的波速ν、中心频率f₀、波长λ三者满足：v＝f₀·λ，从而会引起中心频率的大幅改变，实现磁场探测。由于磁致伸缩非晶带材所特有的巨杨氏模量效应(50-200％)，目前，该类传感器中将磁致伸缩非晶带材作为磁致伸缩衬底与压电薄膜复合，解决了之前粘结成型工艺所造成的界面结合力不稳定、一致性差等问题，实现了器件的微型化和集成化，可用于宽频、高灵敏度的磁场探测与感知。但是，该类磁电声表面波谐振器还存在以下三个方面的问题：1)目前采用的是FeB、FeSiB、FeSiBC或FeCoSiB等磁致伸缩非晶带材，此类带材都是通过熔体快淬法来获得的，厚度一般为20μm左右，既薄又脆，基片机加工问题严重；2)薄的磁致伸缩非晶带材经过研磨抛光后变得更薄，在其上沉积压电薄膜的厚度不能太大，否则由于应力累积效应会造成衬底弯曲，然而压电薄膜在较薄时无法形成充分的取向织构，这就限制了其压电系数和机电耦合系数；3)最为重要的是，磁电声表面波谐振器的中心频率受限于中心频率(f₀)与压电层厚度(h_压电)的乘积，对于选定的厚度，存在一个截止频率，高于截止频率时无法激励瑞利波，器件不能正常工作，这就限制了该类器件用于磁场调谐的滤波器、谐振器、延迟线的工作频率，也降低了用于磁场探测与感知的灵敏度。

发明内容

本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出一种微型集成化、易加工、稳定性高的磁电声表面波器件，除了应用于磁场传感与探测，还可以用于磁场调谐的声表面波滤波器、谐振器、延迟线等领域。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于负泊松比磁致伸缩衬底的磁电声表面波器件，包括磁致伸缩衬底、压电薄膜和叉指换能器，其特征在于，所述磁致伸缩衬底为具有负泊松比和拉胀效应的磁致伸缩材料，其厚度大于2倍声表面波波长。