基于磁致伸缩金属衬底的磁声纳传感器及其制备方法技术

一种基于磁致伸缩金属衬底的磁声纳传感器，属于磁声探测技术领域。包括两个磁声表面波谐振器单元组成的磁场探测部分和2×N个阵列排列的压电超声换能器单元组成的声压探测部分，其中，磁声表面波谐振器单元和压电超声换能器单元中的磁致伸缩衬底、金属缓冲层、压电薄膜和保护层共用，两个磁声表面波谐振器单元中的压电薄膜层的厚度不相同。本发明专利技术通过将磁声表面波谐振器与压电超声换能器集成为一体，来实现舰船、潜艇、UUV等水下目标的磁场探测和声压探测，具有结构简单、易加工、成本低、集成度高、探测灵敏度高、损耗低、响应速度快等优点。

Magnetic Sonar Sensor Based on Magnetostrictive Metal Substrate and Its Preparation Method

A magneto-acoustic sensor based on magnetostrictive metal substrate belongs to the field of magneto-acoustic detection technology. The acoustic pressure detection part consists of two magneto-acoustic surface wave resonator units and two *N piezoelectric ultrasonic transducer units arranged in arrays. The magnetostrictive substrate, metal buffer layer, piezoelectric film and protective layer in the magneto-acoustic surface wave resonator unit and the piezoelectric thin layer in the piezoelectric surface wave resonator unit are shared. The thickness of the film is different. The invention integrates Magnetoacoustic surface wave resonator and piezoelectric ultrasonic transducer to realize magnetic field detection and acoustic pressure detection of underwater targets such as warships, submarines, UUVs, etc. It has the advantages of simple structure, easy processing, low cost, high integration, high detection sensitivity, low loss and fast response speed.

【技术实现步骤摘要】
基于磁致伸缩金属衬底的磁声纳传感器及其制备方法
本专利技术属于磁声探测
，具体涉及一种基于磁致伸缩金属衬底的磁声纳传感器及其制备方法，该传感器具有磁异常场和声压探测功能，可以用于水下目标探测、定位、导航或其他水声探测系统中。
技术介绍
在水声探测
中，水声传感器一般由声压水声传感器与直接或间接测量振速的传感器复合而成，能够同时共点测量水下声标量和矢量(声压梯度、质点振速、加速度、位移或声强等)信息。微型声定向换能器传感元件，即基于MEMS工艺设计的压电超声换能器，是微型声定向系统的重要组成部分，其性能好坏与结构尺寸直接影响声频定向系统的载波频率、输出声压级以及驱动电路元器件选择。对于远场目标检测和安静型潜艇探测，需要低频段高灵敏度的水声传感器，而压电微机械超声换能器(PiezoelectricMEMSUltrasonicTransducers，PMUT，以下用缩写代替)，与传统超声换能器相比，具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、频率控制灵活、频带宽、灵敏度高以及易于与电路集成和实现智能化等特点，使得其适合作为磁声纳探测系统声探测内部振子组件。但仅仅通过单个水声传感器件来对空间目标实现定位是比较困难的，即很难精准确定探测目标与传感器的相对姿态。由于“磁”与“声”在水中有良好的传播特性，使得复合磁场探测与声压探测成为了水下目标探测的有效技术手段，可以更加充分地获取水中目标特征信息，进行融合处理。例如，在磁声纳技术中，通过对磁信号处理可以实现对水声传感器主响应轴的相对于地磁北极的方位角判断，提高了系统的指向性和定位精度，在水下探测效果很好。目前，磁声纳系统中磁探测部分采用的分立磁传感器主要有：线圈、霍尔器件、磁通门传感器、磁阻传感器、光泵、质子磁力仪等。其中，线圈、霍尔器件、磁阻探测的探测灵敏度都比较低；磁通门磁探仪的灵敏度与体积相关；质子磁力仪虽然灵敏度高，但电路复杂、功耗高，而且不能用于连续探测；光泵磁场灵敏度可高达5pT，但只能用于标量探测，使用和维护费用昂贵。近年来，国内外广泛研究了由压电材料和磁致伸缩材料复合而成的层状磁电复合材料，利用磁电效应可以实现高灵敏度的磁场探测和感知。此外，为了实现低频、超低频磁异常场的探测，最近还提出了磁电声表面波谐振器(MagnetoelectricSurfaceAcousticWaveResonator，缩写为MSAWR，以下用缩写代替)，其工作原理为：选择具有巨杨氏模量的磁致伸缩金属衬底，外加磁场会诱导衬底的杨氏模量发生变化，进而引起压电层的声表面波相速度发生变化；由于声表面波谐振器的波速ν、中心频率f0、波长λ三者满足：v＝f0·λ，从而会引起中心频率的大幅改变。MSAWR摆脱了磁电效应所固有的电荷/电压探测模式，没有1/f噪音，不仅可以实现宽频磁场的探测，而且具有无线无源功能，可以用于磁场梯度探测。目前，已经应用及研究的磁声纳探测器件，均是将矢量水声传感器与磁传感器通过机械构架组合来实现磁声复合探测，或者超磁致声波换能器等。这些磁声传感器件采用机械组合的方式形成，体积大，结构及制备工艺复杂，同时，机械构架耦合水声传感器与磁场传感器，使得磁声纳传感器的一致性较难保证，也难适应当前器件微型化发展的需要。因此，就水下目标探测需求而言，目前尚缺乏一种可实现声压和磁场复合信号探测的高集成化、一致性好、探测灵敏度高、定位精准的传感器。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，针对
技术介绍
存在的缺陷，提出一种微型集成化、易加工、高灵敏度的基于磁致伸缩金属衬底的磁声纳传感器及其制备方法，该磁声纳传感器通过将磁声表面波谐振器(MSAWR)与压电超声换能器(PMUT)集成为一体，来实现舰船、潜艇、UUV等水下目标的磁场探测和声压探测，可在不同环境下实现协同探测、精准定位。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种基于磁致伸缩金属衬底的磁声纳传感器，如图3所示，当俯视所述磁声纳传感器时，所述磁声纳传感器包括声压探测和磁场探测两部分，所述磁场探测包括两个磁声表面波谐振器(MSAWR)单元100，声压探测包括2×N个阵列排列的压电超声换能器(PMUT)单元200，N≥2；所述磁声表面波谐振器单元100包括自下而上依次设置的磁致伸缩衬底1、金属缓冲层2、温度补偿层3、压电薄膜4、叉指换能器5和保护层12；所述压电超声换能器单元200包括自下而上依次设置的磁致伸缩衬底1、金属缓冲层2、氮化硅层(Si3N4)6、二氧化硅层(SiO2)7、超声换能器下电极8、压电薄膜4、超声换能器上电极10和保护层12，其中，所述压电超声换能器单元200的磁致伸缩衬底中设置超声共振腔11；所述磁声表面波谐振器单元100和压电超声换能器单元200中的磁致伸缩衬底1、金属缓冲层2、压电薄膜4和保护层12共用，两个磁声表面波谐振器单元中的压电薄膜层的厚度不相同。进一步地，所述两个磁声表面波谐振器中声表面波传输方向相同。进一步地，所述两个磁声表面波谐振器单元中的压电薄膜层的厚度不相同，其中一个磁声表面波谐振器单元中磁声表面波器件中心频率(f0)与压电薄膜厚度(h)的乘积处于声表面波传播频率色散区(即压电薄膜较薄)，另一个磁声表面波谐振器单元中磁声表面波器件中心频率(f0)与压电薄膜厚度(h)的乘积位于声表面波传播频率非色散区(即压电薄膜较厚)，二者对外界磁场的敏感度不同，即可实现差频信号处理。进一步地，所述磁声表面波谐振器(MSAWR)单元与压电超声换能器单元之间设置深度为30～50μm的沟道隔离；两个磁声表面波谐振器单元之间设置深度为30～50μm的沟道隔离；相邻压电超声换能器单元之间设置深度为30～50μm的沟道隔离。进一步地，所述N根据灵敏度要求、栅瓣、器件面积等因素进行设定。进一步地，所述磁致伸缩衬底1为具有巨杨氏模量效应的磁致伸缩材料，其厚度大于2倍的声表面波波长。具体地，所述磁致伸缩衬底1为FeB、FeSiB、FeSiBC或FeCoSiB等非晶磁致伸缩带材，或同时具有负泊松比和拉胀效应的Fe1-xGax、Fe1-yAly、Ni1-zAlz等磁致伸缩合金块材，其中，x＝0.12～0.33，y＝0.12～0.4，z＝0.041～0.125。进一步地，所述磁致伸缩衬底的表面粗糙度小于5nm。进一步地，所述金属缓冲层2为Ti或Cr等，在沉积温度补偿层3时可以有效阻止磁致伸缩衬底被氧化。进一步地，所述温度补偿层3为SiO2、Al2O3等；频率温度补偿TCF＝1/f*(df/dT)，而TCF受补偿层与压电薄膜层厚度比，以及两者的总厚度的影响，选择合适的厚度比和总厚度，即可实现在一定频率范围内的零温漂。进一步地，所述压电薄膜4为具有高度c轴取向、高压电系数的ScAlN、AlN、ZnO或GaN等压电薄膜，其厚度为0.5～4μm。进一步地，所述叉指换能器5为单端口叉指换能器，具体包括输入电极、输出电极、反射栅。进一步地，所述氮化硅(Si3N4)层6和二氧化硅(SiO2)层7组成复合振动膜作为PMUT单元的支撑层，以及绝缘层的作用。进一步地，所述超声换能器下电极8和上电极10为Mo、Pt或Al等，厚度为100～200nm。进一步地，所述超声共振腔11通过刻蚀和电感耦合等离子体处理得到。进一步地，所述保护层12本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于磁致伸缩金属衬底的磁声纳传感器，包括声压探测和磁场探测两部分，所述磁场探测包括两个磁声表面波谐振器单元(100)，声压探测包括2×N个阵列排列的压电超声换能器单元(200)，N≥2；所述磁声表面波谐振器单元包括自下而上依次设置的磁致伸缩衬底(1)、金属缓冲层(2)、温度补偿层(3)、压电薄膜(4)、叉指换能器(5)和保护层(12)；所述压电超声换能器单元包括自下而上依次设置的磁致伸缩衬底(1)、金属缓冲层(2)、氮化硅层(6)、二氧化硅层(7)、超声换能器下电极(8)、压电薄膜(4)、超声换能器上电极(10)和保护层(12)，其中，所述压电超声换能器单元的磁致伸缩衬底中设置超声共振腔(11)；所述磁声表面波谐振器单元和压电超声换能器单元中的磁致伸缩衬底(1)、金属缓冲层(2)、压电薄膜(4)和保护层(12)共用，两个磁声表面波谐振器单元中的压电薄膜层的厚度不相同。

【技术特征摘要】
1.一种基于磁致伸缩金属衬底的磁声纳传感器，包括声压探测和磁场探测两部分，所述磁场探测包括两个磁声表面波谐振器单元(100)，声压探测包括2×N个阵列排列的压电超声换能器单元(200)，N≥2；所述磁声表面波谐振器单元包括自下而上依次设置的磁致伸缩衬底(1)、金属缓冲层(2)、温度补偿层(3)、压电薄膜(4)、叉指换能器(5)和保护层(12)；所述压电超声换能器单元包括自下而上依次设置的磁致伸缩衬底(1)、金属缓冲层(2)、氮化硅层(6)、二氧化硅层(7)、超声换能器下电极(8)、压电薄膜(4)、超声换能器上电极(10)和保护层(12)，其中，所述压电超声换能器单元的磁致伸缩衬底中设置超声共振腔(11)；所述磁声表面波谐振器单元和压电超声换能器单元中的磁致伸缩衬底(1)、金属缓冲层(2)、压电薄膜(4)和保护层(12)共用，两个磁声表面波谐振器单元中的压电薄膜层的厚度不相同。2.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩金属衬底的磁声纳传感器，其特征在于，所述磁声表面波谐振器单元与压电超声换能器单元之间设置深度为30～50μm的沟道隔离；两个磁声表面波谐振器单元之间设置深度为30～50μm的沟道隔离；相邻压电超声换能器单元之间设置深度为30～50μm的沟道隔离。3.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩金属衬底的磁声纳传感器，其特征在于，所述磁致伸缩衬底为具有巨杨氏模量效应的磁致伸缩材料，其厚度大于2倍的声表面波波长。4.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩金属衬底的磁声纳传感器，其特征在于，所述磁致伸缩衬底为FeB、FeSiB、FeSiBC、FeCoSiB非晶磁致伸缩带材，或同时具有负泊松比和拉胀效应的Fe1-xGax、...

【专利技术属性】
技术研发人员：白飞明，姜建利，刘力，张怀武，金立川，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51