基于铁钴磁致伸缩敏感膜的新型声传感器研制成功

寂静回声

　　中国科学院声学研究所超声技术中心研究员王文、博士贾雅娜等人研究发现，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

　　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。该项研究为高性能磁场检测提供了一个有效途径。

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

　　* 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。