中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
在當今的信息社會中，磁場傳感器已成為信息技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)中不可缺少的基礎(chǔ)元件。
目前，人們已研制出利用各種物理、化學(xué)和生物效應(yīng)的磁場傳感器，并已在科研、生產(chǎn)和社會生活的各個方面得到廣泛應(yīng)用，承擔(dān)起探究種種信息的任務(wù)。但是多數(shù)的磁場傳感技術(shù)在靈敏度及磁滯誤差等方面仍存在問題，阻礙了其實質(zhì)應(yīng)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(yīng)特點相結(jié)合，有可能實現(xiàn)一種快速、高靈敏、低遲滯誤差、穩(wěn)定可靠的新型磁場檢測方法來檢測磁場。
中國科學(xué)院聲學(xué)研究所超聲技術(shù)中心研究員王文、博士賈雅娜等人研究發(fā)現(xiàn)，對鐵鈷磁致伸縮薄膜進行柵陣式設(shè)計，可以獲得一種新型的快速、靈敏度高的磁場檢測方法，提高磁場傳感器的線性度、一致性和穩(wěn)定性，減小遲滯誤差，由此改善磁場傳感器的性能。相關(guān)成果已發(fā)表于國際期刊AIP advances。
近年來，研究人員采用磁致伸縮薄膜作為敏感膜的表面聲波（surface acoustic wave，簡稱SAW）傳感器，為設(shè)計磁場傳感器提供了新方法。王文的研究小組曾提出一種基于鐵鈷薄膜的SAW器件，用于感測電流/磁場，根據(jù)理論優(yōu)化獲得的靈敏度高達8.3kHz / mT。然而，磁致伸縮薄膜中的強磁滯效應(yīng)*帶來了顯著的滯后誤差，明顯降低了傳感器性能。
此次，研究人員將柵陣式圖形設(shè)計的鐵鈷磁致伸縮敏感膜與表面聲波相結(jié)合進行磁場感測，所提出的傳感器由差分雙延遲線振蕩器構(gòu)成，如圖1所示。
傳感通道上的器件表面利用射頻濺射技術(shù)和套刻工藝沉積鐵鈷薄膜柵陣，通過釋放鐵鈷中的內(nèi)部應(yīng)力變化來有效地抑制磁滯效應(yīng)。參考通道的器件用于通過差分方法有效減小外圍環(huán)境溫度等影響。當磁場發(fā)生變化時，鐵鈷薄膜發(fā)生磁致伸縮效應(yīng)*和ΔE效應(yīng)*，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征待測磁場強度。
實驗結(jié)果證明，通過采用鐵鈷柵陣式磁敏薄膜的SAW磁場傳感器，成功抑制了鐵鈷材料中的磁滯效應(yīng)，其磁滯誤差僅為鐵鈷薄膜式傳感器的五分之一，而且，傳感器的靈敏度、線性度也得到了大幅改善，如圖2所示。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(yīng)：鐵磁材料磁化狀態(tài)的變化總是落后于外加磁場的變化，在外磁場撤消后，材料仍能保持原有的部分磁性。
* 磁致伸縮效應(yīng)：鐵磁材料在外部磁場發(fā)生變化時，材料的尺寸和體積會發(fā)生變化。
* ΔE效應(yīng)：鐵磁材料在外部磁場發(fā)生變化時，自身的楊氏彈性模量（E）也會發(fā)生變化。
論文鏈接：https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.5012579
