在當(dāng)今的信息社會(huì)中，磁場(chǎng)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(chǎng)傳感器，并已在科研、生產(chǎn)和社會(huì)生活的各個(gè)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(chǎng)傳感技術(shù)在靈敏度及磁滯誤差等方面仍存在問(wèn)題，阻礙了其實(shí)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(diǎn)相結(jié)合，有可能實(shí)現(xiàn)一種快速、高靈敏、低遲滯誤差、穩(wěn)定可靠的新型磁場(chǎng)檢測(cè)方法來(lái)檢測(cè)磁場(chǎng)。

中科院聲學(xué)所超聲技術(shù)中心的王文研究員、賈雅娜博士等人研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)鐵鈷磁致伸縮薄膜進(jìn)行柵陣式設(shè)計(jì)，可以獲得一種新型的快速、靈敏度高的磁場(chǎng)檢測(cè)方法，提高磁場(chǎng)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(chǎng)傳感器的性能。相關(guān)成果已發(fā)表于國(guó)際期刊 AIP advances[1]。

近年來(lái)，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(jiǎn)稱SAW) 傳感器，為設(shè)計(jì)磁場(chǎng)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[2]，用于感測(cè)電流/磁場(chǎng)，根據(jù)理論優(yōu)化獲得的靈敏度高達(dá)8.3kHz/mT。然而，磁致伸縮薄膜中的強(qiáng)磁滯效應(yīng)帶來(lái)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(jì)的鐵鈷磁致伸縮敏感膜與表面聲波相結(jié)合進(jìn)行磁場(chǎng)感測(cè)，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。

▲ 圖1 (a) 聲表面波磁場(chǎng)傳感器的基本結(jié)構(gòu);(b) 傳感器件響應(yīng);(c) 沉積柵陣化鐵鈷薄膜的傳感器件(圖/賈雅娜)

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(guò)釋放鐵鈷中的內(nèi)部應(yīng)力變化來(lái)有效地抑制磁滯效應(yīng)。參考通道的器件用于通過(guò)差分方法有效減小外圍環(huán)境溫度等影響。

當(dāng)磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，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(jìn)而可以差分振蕩頻率信號(hào)的變化來(lái)表征待測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，通過(guò)采用鐵鈷柵陣式磁敏薄膜的SAW磁場(chǎng)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。

▲ 圖2 沉積鐵鈷薄膜與柵陣的傳感器性能對(duì)比：(a) 磁滯誤差測(cè)試;(b) 靈敏度測(cè)試(圖/賈雅娜)

該項(xiàng)研究為高性能磁場(chǎng)檢測(cè)提供了一個(gè)有效途徑。

強(qiáng)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(chǎng)的變化，在外磁場(chǎng)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(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，材料的尺寸和體積會(huì)發(fā)生變化。

ΔE效應(yīng)：鐵磁材料在外部磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，自身的楊氏彈性模量 (E) 也會(huì)發(fā)生變化。

參考文獻(xiàn)：

[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.