基于铁钴磁致伸缩敏感膜的声表面波磁场传感器
在当今的信息社会中，磁场传感器已成为信息技术和信息产业中不可缺少的基础元件。目前，人们已研制出利用各种物理、化学和生物效应的磁场传感器，并已在科研、生产和社会生活的各个方面得到广泛应用，承担起探究种种信息的任务。但是多数的磁场传感技术在灵敏度及磁滞误差等方面仍存在问题，阻碍了其实质应用。
将栅阵式铁钴 (FeCo) 磁致伸缩薄膜高磁敏、低磁滞性与声表面波的快速响应特点相结合，有可能实现一种快速、高灵敏、低迟滞误差、稳定可靠的新型磁场检测方法来检测磁场。
中科院声学所超声技术中心的王文研究员、贾雅娜博士等人研究发现，对铁钴磁致伸缩薄膜进行栅阵式设计，可以获得一种新型的快速、灵敏度高的磁场检测方法，提高磁场传感器的线性度、一致性和稳定性，减小迟滞误差，由此改善磁场传感器的性能。相关成果已发表于国际期刊 AIP advances。
近年来，研究人员采用磁致伸缩薄膜作为敏感膜的表面声波 (surface acoustic wave，简称SAW) 传感器，为设计磁场传感器提供了新方法。王文的研究小组曾提出一种基于铁钴薄膜的SAW器件，用于感测电流/磁场，根据理论优化获得的灵敏度高达8.3kHz/mT。然而，磁致伸缩薄膜中的强磁滞效应带来了显著的滞后误差，明显降低了传感器性能。
此次，研究人员将栅阵式图形设计的铁钴磁致伸缩敏感膜与表面声波相结合进行磁场感测，所提出的传感器由差分双延迟线振荡器构成，如图1所示。
▲ 图1 (a) 声表面波磁场传感器的基本结构;(b) 传感器件响应;(c) 沉积栅阵化铁钴薄膜的传感器件(图/贾雅娜) 传感通道上的器件表面利用射频溅射技术和套刻工艺沉积铁钴薄膜栅阵，通过释放铁钴中的内部应力变化来有效地抑制磁滞效应。参考通道的器件用于通过差分方法有效减小外围环境温度等影响。
当磁场发生变化时，铁钴薄膜发生磁致伸缩效应和ΔE效应，引起SAW传播速度的改变，进而可以差分振荡频率信号的变化来表征待测磁场强度。
实验结果证明，通过采用铁钴栅阵式磁敏薄膜的SAW磁场传感器，成功抑制了铁钴材料中的磁滞效应，其磁滞误差仅为铁钴薄膜式传感器的五分之一，而且，传感器的灵敏度、线性度也得到了大幅改善，如图2所示。
▲ 图2 沉积铁钴薄膜与栅阵的传感器性能对比：(a) 磁滞误差测试;(b) 灵敏度测试(图/贾雅娜) 该项研究为高性能磁场检测提供了一个有效途径。
· 强磁滞效应：铁磁材料磁化状态的变化总是落后于外加磁场的变化，在外磁场撤消后，材料仍能保持原有的部分磁性。
· 磁致伸缩效应：铁磁材料在外部磁场发生变化时，材料的尺寸和体积会发生变化。
· ΔE效应：铁磁材料在外部磁场发生变化时，自身的杨氏弹性模量 (E) 也会发生变化。
参考文献：
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
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.
论文链接：
https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.5012579
英文报道：
http://english.ioa.cas.cn/rh/as/201805/t20180507_192236.html
来源：中科院声学所公众号(ID：cas-ioa)，作者：贾雅娜。
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