阅读说明：本技术 一种磁电传感器及其制备方法 (Magnetoelectric sensor and preparation method thereof ) 是由 门阔 朱婧 连紫薇 魏峰 于 2019-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种磁电传感器及其制备方法。所述磁电传感器包括磁电复合薄膜,该薄膜包括依次沉积于单面抛光单晶硅基片上的Ti/Pt电极层、AlN压电层、Ta隔离层和FeGaB磁致伸缩层。所述薄膜的制备方法为：清洗单面抛光单晶硅基片；在基片上采用磁控溅射法依次沉积Ti薄膜、Pt薄膜、AlN薄膜、Ta薄膜、FeGaB薄膜。本发明的磁电传感器是包括FeGaB和AlN的多层结构薄膜,具有灵敏度高、磁机电耦合性能优良等优点。(The invention discloses a magnetoelectric sensor and a preparation method thereof. The magnetoelectric sensor comprises a magnetoelectric composite film, and the film comprises a Ti/Pt electrode layer, an AlN piezoelectric layer, a Ta isolating layer and a FeGaB magnetostrictive layer which are sequentially deposited on a single-side polished monocrystalline silicon substrate. The preparation method of the film comprises the following steps: cleaning a single-side polished single crystal silicon substrate; and depositing a Ti film, a Pt film, an AlN film, a Ta film and a FeGaB film on the substrate in sequence by adopting a magnetron sputtering method. The magnetoelectric sensor is a multilayer structure film comprising FeGaB and AlN, and has the advantages of high sensitivity, excellent magneto-electromechanical coupling performance and the like.)

一种磁电传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于功能复合材料制备技术领域，具体涉及一种FeGaB与AlN复合磁电传感器及其制备方法。

背景技术

多铁性材料在数据存储、换能器、磁电传感器等高科技领域具有广阔的应用，因此近年来得到科研工作者的广泛关注。在诸多种类多铁性材料中，磁致伸缩/压电复合薄膜由于具有高的居里温度、高灵敏度和优良的磁机电耦合性能、结构简单、成本低等优点而受到重视。

磁电复合薄膜是由磁致伸缩薄膜/压电薄膜叠加而成，两层分别发生磁-机械、机械-电能量转换，实现了应力的有效传递并避免了磁致伸缩、压电两相之间的相反应。然而，层叠磁电复合材料也存在一些缺点，如：难于小型化以制备微型器件、兆赫兹条件下磁电耦合系数较低等问题。因此，克服层叠磁电复合材料的上述缺点，并使其制备工艺尽可能与半导体工艺相兼容具有重要的工程意义。在以往的研究中，AlN材料本身具有压电特性，又因AlN和Si具有较好的热匹配度并且与MEMS加工工艺相兼容，越来越被人们所重视，尤其在1MHz-100MHz频率范围内，其性能达到最佳，同时考虑到振动疲劳等因素，AlN在该频段的器件中有绝对优势。在磁致伸缩层的选择上，Terfenol-D(具有Laves相结构的TbDyFe)具有很大磁致伸缩系数，但Terfenol-D基磁电复合材料由于其相对较低的磁导率和高饱和磁场并不适合于低场中的应用；非晶FeBSiC合金具有高达40000的磁导率，但其磁致伸缩系数相对较小；相比FeBSiC和Terfenol-D两种材料，FeGaB材料兼备了二者的优势，FeGaB薄膜低磁场响应性能好于Terfenol-D薄膜，并且拥有比FeBSiC薄膜更大的磁致伸缩系数。更重要的是FeGaB/AlN这两种材料的匹配程度较高。本发明制备了一种可以检测微磁场的磁电传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁电传感器，该传感器在兆赫兹条件下磁电耦合系数高、灵敏度高。所述磁电传感器包括复合磁电薄膜，所述薄膜包括依次沉积于单面抛光单晶硅基片上的Ti/Pt电极材料，AlN压电材料，Ta隔离材料和FeGaB磁致伸缩材料。

一种所述磁电传感器的制备方法，其中复合磁电薄膜的制备包括以下步骤：

(1)将单面抛光单晶硅基片用酒精和丙酮超声清洗分别15-30min，然后用电吹风吹干，清洗干净后放入超高真空磁控溅射设备基片台上，准备镀膜；

(2)在基片上采用磁控溅射法沉积Ti薄膜和Pt薄膜，其中，溅射靶材为Ti、Pt靶材，工作气压为0.1-0.4Pa，溅射功率为40-100W，保护气体为惰性气体；

(3)在Pt薄膜上采用磁控溅射法沉积AlN薄膜，其中，溅射靶材为Al靶材，并通入体积比为1:3的N2、Ar混合气体，工作气压0.5-2Pa，溅射功率为40-160W，保护气体为惰性气体；

(4)在AlN薄膜上采用磁控溅射法沉积Ta薄膜，溅射靶材为Ta靶材，工作气压为0.1-0.4Pa，溅射功率为40-100W，保护气体为惰性气体；

(5)采用磁控溅射法在Ta薄膜上沉积FeGaB薄膜，溅射靶材为FeGa靶材和B靶材，溅射功率分别为60-80W和50-80W，溅射时间为30-120min。

在步骤(2)中，所述Ti靶的溅射时间为1-10min，Ti薄膜的厚度为5-30nm；Pt靶的溅射时间为1-15min，Pt薄膜的厚度为10-90nm。

在步骤(3)中，所述溅射时间30-60min，AlN薄膜的厚度为300-1000nm。

在步骤(4)中，所述溅射时间为2-10min，Ta薄膜的厚度为10-50nm。

在步骤(5)中，所述FeGaB薄膜的厚度为300-1000nm。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种FeGaB与AlN复合磁电传感器的制备方法，该方法可制备小型化、兆赫兹条件下磁电耦合系数高、综合性能优异的复合磁电薄膜。本发明制备的多层结构复合磁电薄膜灵敏度高、磁机电耦合性能优良，为复合磁电薄膜的制备提供了新的方法。

附图说明

图1为本发明传感器提供的磁电耦合系数。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

实施例1

本实施例中磁电复合薄膜的制备过程为：

1)用金刚石刀片将单面抛光的单晶硅片切割成载物台尺寸大小，然后用无水酒精和丙酮分别超声清洗15min，经电吹风吹干后，放入超高真空磁控溅射设备基片台上。

2)将靶材安置在靶材座上，钛、铂、铝、钽靶材均分别与直流电源连接，铁镓靶材与射频电源连接。靶材安置完毕后，关闭溅射舱门，开冷却机，先用机械泵预抽真空，当真空度达到10^-1mba时打开分子泵。

3)当本底真空度达到5.4×10^-7mba时，打开气瓶阀门，调节流量，调节基底温度，打开电源，调节功率，溅射。

4)Ti层及Pt层的沉积工艺参数：保护气体为氩气，工作气压0.2Pa，气体流量20sccm，直流电源功率60W，附加基片台旋转，沉积温度为300℃。在此参数下，沉积速率约为每分钟10nm，沉积速率在镀膜前精确获得。Ti层沉积3min，Pt层沉积7min。关闭电源。

5)AlN层的沉积工艺参数：通入比例为1:3的N2、Ar混合气体，工作气压1Pa，气体流量20sccm，直流脉冲电源功率100W，通入比例为1:3的N2、Ar混合气体，附加基片台旋转，沉积温度为400℃。在此参数下，沉积速率约为每分钟10nm，连续沉积50min，关闭直流电源。

6)Ta层的沉积工艺参数：保护气体为氩气，工作气压0.2Pa，气体流量20sccm，直流脉冲电源功率60W，附加基片台旋转，沉积温度为300℃。在此参数下，沉积速率约为每分钟8.3nm，沉积6min，关闭直流电源。

7)FeGaB层的沉积工艺参数：保护气体为氩气，工作气压0.2Pa，气体流量20sccm，FeGa靶连接直流电源功率为60W，B靶连接射频电源功率为60W，附加基片台旋转，沉积温度为300℃。在此参数下，沉积速率约为每分钟6nm，沉积83min，关闭射频电源。

实施例2

本实施例中磁电复合薄膜的制备过程为：

1)用金刚石刀片将单面抛光的单晶硅片切割成载物台尺寸大小，然后用无水酒精和丙酮分别超声清洗15min，经电吹风吹干后，放入超高真空磁控溅射设备基片台上。

2)将靶材安置在靶材座上，钛、铂、铝、钽靶材均分别与直流电源连接，铁镓靶材与射频电源连接。靶材安置完毕后，关闭溅射舱门，开冷却机，先用机械泵预抽真空，当真空度达到10^-1mba时打开分子泵。

3)当本底真空度达到5.4×10^-7mba时，打开气瓶阀门，调节流量，调节基底温度，打开电源，调节功率，溅射。

4)Ti层及Pt层的沉积工艺参数：保护气体为氩气，工作气压0.2Pa，气体流量20sccm，直流电源功率60W，附加基片台旋转，沉积温度为300℃。在此参数下，沉积速率约为每分钟10nm，沉积速率在镀膜前精确获得。Ti层沉积3min，Pt层沉积7min。关闭电源。

5)AlN层的沉积工艺参数：通入比例为1:3的N2、Ar混合气体，工作气压1Pa，气体流量20sccm，直流脉冲电源功率100W，通入比例为1:3的N2、Ar混合气体，附加基片台旋转，沉积温度为400℃。在此参数下，沉积速率约为每分钟10nm，连续沉积50min，关闭直流电源。

6)Ta层的沉积工艺参数：保护气体为氩气，工作气压0.2Pa，气体流量20sccm，直流脉冲电源功率60W，附加基片台旋转，沉积温度为300℃。在此参数下，沉积速率约为每分钟8.3nm，沉积6min，关闭直流电源。

7)FeGaB层的沉积工艺参数：保护气体为氩气，工作气压0.2Pa，气体流量20sccm，FeGa靶连接直流电源功率为60W，B靶连接射频电源功率为80W，附加基片台旋转，沉积温度为300℃。在此参数下，沉积速率约为每分钟8nm，沉积62min，关闭射频电源。

图1为上述制备方法所得磁电传感器的复合磁电薄膜进行磁电耦合系数测试的结果。

综上所述，本发明制备的复合磁电薄膜成分均匀可控，为复合磁电薄膜的制备提供了新的方法。该方法操作简单，便于实现工业化生产和推广。

上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。