基于ZnO-Metglas復(fù)合多層膜結(jié)構(gòu)的磁電聲表面波諧振器研究.pdf

1、本論文針對(duì)基于磁電復(fù)合材料的磁場(chǎng)傳感器在低頻或直流磁場(chǎng)測(cè)試時(shí)靈敏度低、體積大等問題，研究了一種基于ZnO/Metglas復(fù)合多層膜的磁電聲表面波磁場(chǎng)傳感器。該磁傳感器結(jié)合了磁電復(fù)合材料與聲表面波技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)直流及寬頻交流磁場(chǎng)下的高靈敏度探測(cè)，且具有溫度穩(wěn)定性高、可與MEMS等工藝兼容和無源無線等優(yōu)點(diǎn)。論文的主要研究內(nèi)容包括：
　　一、采用散射矩陣法求解了ZnO/Metglas半無限基底結(jié)構(gòu)中瑞利波的波速及機(jī)電耦合系數(shù)，利用反散射

2、矩陣法求解了此結(jié)構(gòu)壓電薄膜上表面的位移與電勢(shì)的狀態(tài)矢量。利用耦合模(COM)模型，考慮機(jī)械負(fù)載與電負(fù)載對(duì)該結(jié)構(gòu)的影響，求解了等效波速、反射系數(shù)、換能系數(shù)等COM參數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明：金屬電極電負(fù)載開路柵相比于短路柵對(duì)波速的影響小，在開路柵中，當(dāng)金屬化率η為0.5，中心頻率與ZnO厚度乘積fhZnO=0.162GHz*μm時(shí)，電負(fù)載對(duì)波速影響最大達(dá)-0.45％，機(jī)械負(fù)載對(duì)ZnO/Metglas多層膜結(jié)構(gòu)波速的影響為正值。由電負(fù)載引起的反射比

3、機(jī)械負(fù)載的大，開路電極的反射系數(shù)為正，短路電極的反射系數(shù)為負(fù)。金屬化率對(duì)聲表面波振幅及靜電儲(chǔ)能有一定的影響。
　　二、介紹了一種非晶態(tài)合金的數(shù)學(xué)模型，模擬了帶材在不同方向退火后的磁化特性，求解了磁化強(qiáng)度、磁致伸縮系數(shù)以及楊氏模量對(duì)于磁場(chǎng)的依賴關(guān)系。對(duì)Metglas2605SA1進(jìn)行了磁場(chǎng)退火實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明溫度為360℃保溫一小時(shí)磁場(chǎng)退火效果最好。對(duì)未退火的非晶帶材及360℃磁場(chǎng)退火后的樣品進(jìn)行了共振反共振頻率測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：磁

4、場(chǎng)退火改變了非晶帶材的應(yīng)力狀態(tài)，易軸方向測(cè)試的磁機(jī)械耦合系數(shù)k33明顯增大，在外加磁場(chǎng)8Oe時(shí)達(dá)到0.32，比未退火樣品增大了一倍；對(duì)比退火后樣品易軸難軸的△E效應(yīng)，楊氏模量隨外加磁場(chǎng)的變化規(guī)律與數(shù)學(xué)模型仿真結(jié)果相吻合，其中難軸方向測(cè)試的磁機(jī)械耦合系數(shù)略低于易軸方向，難軸方向楊氏模量隨外加磁場(chǎng)的增加先增大后降低，楊氏模量效應(yīng)達(dá)到53.3%。
　　三、對(duì)Metglas非晶軟磁帶材進(jìn)行了拋光處理，通過優(yōu)化磁控濺射參數(shù)，以及改變基底束縛