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基于负泊松比磁致伸缩衬底的磁声表面波谐振器研究

姜建利  
【摘要】:近年来,人们致力于将层状磁电材料和声表面波技术相结合来实现磁场探测,研究磁电声表面波在磁传感领域有着十分重要的学术意义和应用价值。本论文提出了一种基于ScAlN/FeGa多层结构的集成化磁声表面波谐振器,可用于直流和宽频磁场的高灵敏度探测。本论文的主要工作如下:首先,从各向异性介质中任意方向的弹性模量出发,得到了FeGa晶体的杨氏模量三维各向异性图像,梳理了应力和磁致负泊松比效应及其机理,然后计算各向异性介质中的弹性波,得到不同成分FeGa合金面内和对角面内的慢度曲线,讨论了负泊松比对慢度曲线的影响。其次,采用数值分析和有限元仿真软件计算了ScAlN/FeGa半无限异质结构中瑞利波在不同方向传播的频散曲线、机电耦合系数和截止频率。计算结果表明:瑞利波在Fe_(81.3)Ga_(18.7)(001)[100]方向传播时,谐振频率和压电薄膜厚度乘积fh的截止值仅为0.3 GHz·μm,相速度v_p变化范围为2175~2250 m/s,机电耦合系数K~2变化范围为0~0.4%;而在具有负泊松比的Fe_(81.3)Ga_(18.7)(001)[110]方向传播时,fh的截止值提高至1.58 GHz·μm,v_p变化范围为3000~3300 m/s,K~2变化范围为0.2~1.2%。通过COMSOL仿真上述不同方向传播时的振型、导纳特性,得出了FeGa负泊松比效应对瑞利波传播特性的重要影响。接着,在FeGa合金衬底上采用射频磁控溅射法制备c轴高度取向的ScAlN薄膜,其摇摆曲线半高宽仅为3.68°,厚度1.2~2μm,表面粗糙度为5 nm,膜-基附着力为22 N,各项性能指标满足SAW谐振器的制备要求。最后,采用lift-off工艺在ScAlN/FeGa结构上制备了叉指换能器,线宽和波长分别为4μm、16μm。采用矢量网络分析仪和微波探针台对单端口磁电SAW谐振器进行测试,测试结果表明:Sc_(21.3)Al_(78.7)N/Fe_(81.3)Ga_(18.7)结构SAW谐振器的谐振频率f_r为176 MHz,机电耦合系数K~2为0.7%;Sc_(21.3)Al_(78.7)N/Fe_(72.8)Ga_(27.2)结构SAW谐振器中出现多种模式,其中瑞利波的谐振频率f_r为259 MHz,K~2为1%。对谐振器的磁场灵敏度分析得出:当频率分辨率为100 Hz时,谐振器磁场灵敏度可达4.2×10~(-9) Tesla,可实现高灵敏磁场探测。


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