[发明专利]一种提高体声波驱动的微异质结磁传感器性能的方法

说明书

本发明公开了一种提高体声波驱动的微异质结磁传感器性能的方法，包括构建基于不同层数的微异质结的体声波激励微磁传感器模型，采用稳态求解和小信号频域求解方法分别测量基于不同层数的微异质结的体声波激励微磁传感器模型在施加直流偏置磁场和交变激励磁场扰动条件下的输出电压，计算不同层数的微异质结的体声波激励微磁传感器模型的磁电耦合系数和线性度，确定最优的直流偏置磁场和交变激励磁场扰动条件进行传感器的优化设计。本发明通过调节传感器的层数和优化偏置磁场条件，可提高共振频率下的输出电压，进而提高ME异质结构的磁电转换效率，最终实现高灵敏度的磁传感器设计。

技术领域

本发明涉及微磁传感器优化设计技术领域，具体涉及一种提高体声波驱动的微异质结磁传感器性能的方法。

背景技术

磁电(ME)异质结由铁磁和铁电材料组成，其ME耦合效应源于铁电相的压电效应和铁磁相的磁致伸缩效应。ME异质结具有许多优势，例如磁场和电场之间的能量自由转换、大的ME转换系数。已经报道了许多有关开发和制备具有ME异质结的磁传感器研究。但是，由于以前在ME异质结中使用的是体材料，其器件尺寸为厘米级或更大，难以微缩。相反，基于ME薄膜的微磁传感器因其体积小、成本低、易于与常规CMOS工艺集成而成为研究热点。由声波激励的磁传感器分为两种：表面声波(SAW)和体声波(BAW)。尽管SAW类型的传感器具有很高的静态灵敏度，但它只能在kHz的中低频段工作或测量静态/准静态磁场信号。然而，基于BAW激励的传感器由于其高频特性、高功率容量和高能量转换效率而近年来引起了极大的关注。目前，文献中已经报道了许多通过实验方法研究BAW传感器的工作。如Hui等人报道了一种基于AlN/FeGaB双层纳米板谐振器的MEMS谐振磁场传感器，Nan等人通过在此AlN CMR上沉积单层AlN/10层FeGaB/Al₂O₃的复合ME异质结来增强ME耦合。Nan等人报道了基于纳米板谐振器的ME结构，它具有良好的分辨率。同时，也报道了一些通过建模和仿真方法研究BAW传感器的工作。如Wu等人报道了一种基于薄膜体声波谐振器的柔性磁传感器，建立了传感器Mason模型的等效电路，并通过选择具有大频率偏移的巨型磁致伸缩材料的电极来提高其灵敏度。Martos等人提出了一种新型的微型磁电天线的电路仿真模型，并将其应用于低功率传感中。然而，有关BAW驱动的微磁传感器的结构仿真和性能优化的系统研究还很少，亟须提供一种指导ME耦合器件的结构设计和性能优化的方法。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种提高体声波驱动的微异质结磁传感器性能的方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提供了一种提高体声波驱动的微异质结磁传感器性能的方法，包括以下步骤：

S1、构建基于不同层数的微异质结的体声波激励微磁传感器模型；

S2、采用稳态求解和小信号频域求解方法分别测量基于不同层数的微异质结的体声波激励微磁传感器模型在施加直流偏置磁场和交变激励磁场扰动条件下的输出电压；

S3、根据测量的输出电压分别计算基于不同层数的微异质结的体声波激励微磁传感器模型的磁电耦合系数；

S4、拟合基于不同层数的微异质结的体声波激励微磁传感器模型在施加直流偏置磁场条件下的输出电压与磁电耦合系数的变化曲线，确定最优层数的微异质结的体声波激励微磁传感器模型和最优的偏置磁场条件；

S5、根据确定的最优层数的微异质结的体声波激励微磁传感器模型和最优的偏置磁场条件进行传感器优化设计。

进一步地，所述步骤S1具体包括：

采用有限元分析方法构建基于不同层数的微异质结的体声波激励微磁传感器模型，所述微异质结的体声波激励微磁传感器模型包括由磁致伸缩层和压电层构成的磁电耦合微异质结及所述磁电耦合微异质结外部的空气域，所述压电层的下表面接地，其上表面测量的平均电压作为输出电压，所述空气域中沿Y方向施加偏置磁场。