薄膜式結構磁流體-聲表面波集成磁傳感器的製作方法

2023-05-11 12:32:56 2

專利名稱：薄膜式結構磁流體-聲表面波集成磁傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及磁傳感器的生產及應用領域，尤其涉及薄膜式結構磁流體-聲 表面波集成磁傳感器。
背景技術：
目前，隨著信息產業、工業自動化、電力電子技術、交通運輸、醫療儀器、 辦公自動化、家用電器等飛速發展和電子計算機應用的普及，需要大量傳感器 將被測非電參量轉換成可與計算機兼容的電訊號，這就為磁傳感器的快速發展 提供了機會，形成了相當可觀的磁傳感器產業。
傳統的磁傳感器多為基於磁阻效應的磁敏電阻或巨磁電阻加工製成測量 磁場的磁傳感器。包括最早的基於霍爾效應的霍爾效應器件，基於載流子疇磁 場調製的載流子疇器件，基於磁敏電阻的各向異性的金屬膜磁敏器件，基於巨 磁阻抗或巨磁感應效應的巨磁阻抗傳感器，基於磁致伸縮效應的磁致伸縮傳感
器，基於法拉第電磁感應效應的磁電感應傳感器，基於材料的B-H飽和特性的 磁通門磁強計，基於核磁共振的核磁共振磁強計，基於法拉第效應或磁致伸縮 的磁光傳感器等。
聲磁傳感器基於材料的磁致伸縮效應，當對其施加交變磁場激勵信號，並 且交變激勵信號的頻率與材料的固有頻率相等時,材料將產生磁力共振，接收 裝置檢測到材料由於共振而產生的聲波信號，並經過處理得到聲磁傳感器的共 振頻率及響應幅值，從而反映磁場變化。用聲表面波舉件進行磁場測量的方法， 目前是以超磁致伸縮材料為間接媒質，將超磁致伸縮材料受外磁場變化產生的 應力轉化為諧振器的頻率、幅值變化，進而通過測量聲表面波諧振器頻率幅值 的變化來測量外磁場變化。
4上述各種磁傳感器測量磁場強度範圍受其各自原理限制，即使是超磁致伸 縮材料製成的磁傳感器反應靈敏度也不夠高，實時性不夠好，且上述磁傳感器 均不易實現無源無線的信號激勵和收發控制。發明內容本發明的目的在於通過磁流體膜在外加磁場變化時有明顯的粘度變化，即 磁流體對聲表面波產生的粘性負載效應明顯變化而改變聲表面波延遲線的延遲時間，即外磁場變化改變聲表面波傳播的波速；使外磁場強度變化與SH-SAW 器件延遲時間變化建立起對應關係，可以精確，實時地測量磁場強度變化，即 形成磁傳感器。為了達到上述目的，本發明提出薄膜式結構磁流體-聲表面波集成磁傳感 器，本發明是通過以下技術方案實現的本發明所涉及的薄膜式結構磁流體-聲表面波集成磁傳感器，包括-所述裝置包括壓電基片、兩個叉指換能器IDT、磁流體薄膜及兩組天線， 所哮叉指換能器位於壓電基片的兩端，所述磁流體填注於壓電基片表面中間的 淺槽中形成磁流體薄膜，並將具有磁流體薄膜的淺槽進行封裝，所述天線分別 連接於叉指換能器IDT的兩條匯流條上。所述傳感器的基片材料為石英晶體，採用36°Y切割X方向傳播的加工方 式，使得基片表面激發水平剪切聲表面波SH-SAW。所述傳感器在壓電基片表面將叉指換能器IDT加工成指條寬度為四分之一 水平剪切聲表面波波長的等周期和等指長的叉指電極；所述傳感器的叉指換能 器材料為金屬銅。所述磁流體薄膜位於傳感器兩叉指換能器之間的淺槽中，淺槽厚度小於水 平剪切聲表面波波長，使得傳感器通過磁流體薄膜粘度變化導致的聲波波速變 化對外磁場強度變化進行測量。所述傳感器是利用磁流體的粘性負載效應對聲表面波波速產生影響，從而 影響延遲線延遲時間實現被測磁場變化的測量，該磁-聲耦合發生在微米數量 級，使得傳感器測量精度較高，且所述的磁傳感器採用的磁流體膜對外磁場變 化響應無延時，以實現實時監測。
所述傳感器的兩組天線分別連接於IDT的兩條匯流條上接收和發送射頻信 號，以實現水平剪切聲表面波的激發及波速變化後聲波轉換為電磁波的發射。 所述傳感器還能實現無源無線的磁場強度變化檢測。
本發明提供的技術方案的有益效果是
1、 .溫度特性好(溫度係數為零)，傳播損耗小(聲表面波有效的機電耦合 係數大)，加工容易且成本低廉；
2、 有效測量靜磁場和交變、高頻磁場強度變化，零遲滯，精度高；
3、 該傳感器可實現無源無線的磁場強度測量，尤其對於不宜採用電源或 需遙測的傳感系統較之傳統的有源有線傳感器更為適用；
4、 器件小、穩定，適合集成到微型檢測系統中。


圖1為薄膜式結構磁流體-聲表面波集成磁傳感器的二維立體結構示意圖； 圖2為薄膜式結構磁流體-聲表面波集成磁傳感器的平面結構俯視圖； 圖3為薄膜式結構磁流體-聲表面波集成磁傳感器的傳感原理圖。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明
實施方式作進一步地詳細描述
本實施例提供了薄膜式結構磁流體-聲表面波集成磁傳感器。
參見圖1與圖2分別為薄膜式結構磁流體-聲表面波集成磁傳感器的二維
立體結構及平面結構俯視圖，該傳感器包括壓電基片2、兩個叉指換能器(IDT)4、磁流體Ji膜3及兩組天線l，其中，兩個叉指換能器4分別位於壓電基片2 兩端，磁流體薄膜3位於壓電基片2中間的淺槽中並進行封裝，兩組天線l分 別連接於兩個IDT的兩條匯流條上。該傳感器可實現無源無線高精度實時的磁 場強度測量，通過天線接受射頻信號在輸入IDT上激發水平剪切聲表面波，由 於磁流體對外磁場變化的零遲滯響應，瞬時改變聲表面波延遲線的延遲時間， 即磁流體的粘度變化改變聲波波速，再將波速變化後的聲波經IDT轉換為電磁 波由天線發射出去，根據延遲時間與磁場強度變化的對應關係，即可準確測量 出磁場變化。
結合原理圖3進一步描述壓電基片2，材料為石英晶體。石英晶體製作的 聲表面波器件，除具有頻帶寬度窄、穩定度高的特點，還具有零溫度係數切割， 傳播損耗小的特點，並且加工工藝成熟。為避免聲縱波在與基片垂直方向的能 量衰減，使基片表面激發水平剪切聲表面波SH-SAW，採用36° Y切割X方 向傳播的加工方式。由於接收端壓電基片的逆壓電效應，在輸入端IDT上的交 變電壓使得基片表面產生交替的形變，該形變以彈性機械振動的形式，即水平 剪切聲表面波的形式傳播，再經發送端壓電基片的壓電效應將聲波的機械振動 轉變為基片的周期性形變，從而在輸出端IDT上產生交變輸出電壓。
結合原理圖3進一步描述叉指換能器4，材料為金屬銅，加工於壓電基片 兩端，在基片表面形成指條寬度為四分之一水平剪切聲表面波波長的等周期和 等指長叉指電極。器件一邊的IDT接受天線輸入的電信號激發出聲信號，器件 另一邊的IDT將聲信號變換為電信號從天線輸出，其中的延遲時間長短反映了 磁流體粘度變化對聲波的影響，即外磁場變化對聲波波速的影響。
結合原理圖3進一步描述磁流體薄膜3，位於傳感器兩叉指換能器之間的 淺槽中，.淺槽厚度小於水平剪切聲表面波波長，填注形成磁流體薄膜後進行封 裝。磁流體材料是由納米強磁性粒子、基液以及表面活性劑三者混合而成的一 種穩定膠狀溶液。該流體在靜態時無磁吸引力，當外加磁場作用時，才表現出有磁性。磁流體薄膜在外磁場強度變化時粘度發生變化，對在基片表面傳播的 水平剪切聲表面波產生的粘性負載效應發生變化，從而影響聲波波速產生時間 延遲。結合原理圖3進一步描述天線1，兩組天線分別連接於叉指換能器IDT的兩 條匯流條上。其中接收天線通過接收到特定頻率的射頻信號(射頻激勵信號頻 率與石英基片的固有頻率和IDT的中心頻率嚴格相同)在輸入IDT上激發的水平 剪切聲表面波，經磁流體薄膜延遲後，聲波經輸出IDT轉換為電磁波信號通過 發送天線發送出去。雖然通過實施例描繪了本發明，本領域普通技術人員知道，本發明有許多 變形和變化而不脫離本發明的精神，本發明的申請文件的權利要求包括這些變 形和變化。
權利要求
1、薄膜式結構磁流體-聲表面波集成磁傳感器，其特徵在於，所述裝置包括壓電基片、兩個叉指換能器IDT、磁流體薄膜及兩組天線，所述叉指換能器位於壓電基片的兩端，所述磁流體填注於壓電基片表面中間的淺槽中形成磁流體薄膜，並將具有磁流體薄膜的淺槽進行封裝，所述天線分別連接於叉指換能器IDT的兩條匯流條上。
2、 根據權利要求1所述的薄膜式結構磁流體-聲表面波集成磁傳感器，其 特徵在於，所述傳感器的基片材料為石英晶體，採用36。Y切割X方向傳播的 加工方式，使得基片表面激發水平剪切聲表面波SH-SAW。
3、 根據權利要求1所述的薄膜式結構磁流體-聲表面波集成磁傳感器，其 特徵在於，所述傳感器在壓電基片表面將叉指換能器IDT加工成指條寬度為四 分之一水平剪切聲表面波波長的等周期和等指長的叉指電極；所述傳感器的叉 指換能器材料為金屬銅。
4、 根據權利要求1所述的薄膜式結構磁流體-聲表面波集成磁傳感器，其 特徵在於，所述磁流體薄膜位於傳感器兩叉指換能器之間的淺槽中，淺槽厚度 小於水平剪切聲表面波波長，使得傳感器通過磁流體薄膜粘度變化導致的聲波 波速變化對外磁場強度變化進行測量。
5、 根據權利要求l或4所述的薄膜式結構磁流體-聲表面波集成磁傳感器， 其特徵在於，所述傳感器是利用磁流體的粘性負載效應對聲表面波波速產生影 響，從而影響延遲線延遲時間實現被測磁場變化的測量，該磁-聲耦合發生在 微米數量級，使得傳感器測量精度較高，且所述的磁傳感器採用的磁流體膜對 外磁場變化響應無延時，以實現實時監測。
6、 根據權利要求1所述的薄膜式結構磁流體-聲表面波集成磁傳感器，其 特徵在於，所述傳感器的兩組天線分別連接於IDT的兩條匯流條上接收和發送射頻信號，以實現水平剪切聲表面波的激發及波速變化後聲波轉換為電磁波的 發射。
7、根據權利要求l所述的薄膜式結構磁流體-聲表面波集成磁傳感器，其 特徵在於，所述傳感器還能實現無源無線的磁場強度變化檢測。
全文摘要
本發明公開了薄膜式結構磁流體-聲表面波集成磁傳感器，包括壓電基片、兩個叉指換能器IDT、一層磁流體薄膜及兩組收發電磁波信號的天線，所述兩個叉指能換能器IDT分別位於基片的兩端；所述磁流體薄膜填注在傳感器表面兩個叉指換能器之間的淺槽中並封裝；兩組收發外界射頻信號的天線，分別連接在兩個IDT的兩條匯流條上。該傳感器可實現無源無線高精度實時的磁場強度測量，通過天線接收射頻信號在IDT上激發水平剪切聲表面波，由於磁流體對外磁場變化的零遲滯響應，瞬時改變聲表面波延遲線的延遲時間，即磁流體的粘度變化改變聲波波速，再將波速變化後的聲表面波經IDT轉換為電磁波由天線發射出去，根據延遲時間與磁場強度變化的對應關係，即可準確測量出磁場變化。
文檔編號G01R33/02GK101504446SQ20091007927
公開日2009年8月12日 申請日期2009年3月6日 優先權日2009年3月6日
發明者宏 劉, 劉桂雄, 張沛強 申請人:華南理工大學