孫 媛,賈雅娜，張玉鳳，梁 勇，王 文

(1.中國(guó)科學(xué)院 聲學(xué)研究所，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引言

電流傳感器在電力、冶金、化工、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。聲表面波(SAW)電流傳感器具有靈敏度高，響應(yīng)快，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性穩(wěn)定性高，體積小及壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，在電流傳感器領(lǐng)域備受關(guān)注[1-2]。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)基于磁性材料的SAW電流/磁場(chǎng)傳感器進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[3]提出在FeCo厚為500 nm，諧振頻率為300 MHz時(shí)，基于FeCo的SAW電流傳感器靈敏度可達(dá)16.6 kHz/A。為了改善傳感器的磁滯誤差特性，文獻(xiàn)[4]采用具有較低矯頑力的FeNi作為延遲線型SAW電流傳感器的敏感材料，使傳感器具有線性度為1.22%，磁滯誤差為0.97%的良好性能。文獻(xiàn)[3-4]同時(shí)也研究了薄膜厚度和長(zhǎng)寬比對(duì)傳感器靈敏度的影響。文獻(xiàn)[5]分析了在磁場(chǎng)下沉積FeCoSiB薄膜及磁場(chǎng)退火處理對(duì)基于FeCoSiB的SAW磁場(chǎng)傳感器的影響。文獻(xiàn)[6]重點(diǎn)研究了SAW磁場(chǎng)傳感器的工作機(jī)制，同時(shí)為了提高傳感器的靈敏度，提出了一種表面凹槽結(jié)構(gòu)的CoFeB磁場(chǎng)傳感器。

由SAW電流傳感器的基本原理可知，使用不同的磁致伸縮材料及傳感器結(jié)構(gòu)的SAW電流傳感器獲得的靈敏度也不同。FeGa 具有矯頑力小，居里溫度高，成本低，機(jī)械性能優(yōu)，加工性能好等優(yōu)勢(shì)[7]。文獻(xiàn)[8]報(bào)道了Fe-Ga合金的最大磁致伸縮系數(shù)已達(dá)400×10-6，遠(yuǎn)大于Fe，Co,Ni及其合金等材料系數(shù)[9-10]，有望為高靈敏電流/磁場(chǎng)傳感器的研制提供有效解決方案。本文以FeGa作為敏感材料，研制了SAW新型電流傳感器。通過磁控濺射法在延遲線型SAW傳感器件的聲傳播路徑上沉積FeGa薄膜，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了基于差分振蕩結(jié)構(gòu)的SAW電流傳感器。為了實(shí)現(xiàn)傳感器性能優(yōu)化，本文研究和評(píng)估了不同濺射功率及退火溫度等制備工藝對(duì)基于FeGa薄膜的電流傳感器靈敏度的影響，從而選擇最合適的制備參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文制作的傳感器具有良好的線性度、重復(fù)性和較高的靈敏度。

1 傳感器制備

本文研制的SAW電流傳感器結(jié)構(gòu)主要包括延遲線型SAW傳感器件、沉積于SAW器件表面的FeGa磁致伸縮薄膜及差分振蕩電路，如圖1所示。

圖1 基于FeGa薄膜的SAW電流傳感器結(jié)構(gòu)框圖

1.1 延遲線型SAW傳感器件制備

本文SAW傳感器件采用延遲線結(jié)構(gòu)。由于LiNbO3壓電晶體具有較大的機(jī)電耦合系數(shù)(K2)，這有利于降低SAW器件的插入損耗，故而選擇具有大K2(5.5%)的128°LiNbO3作為壓電基片。利用標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝在LiNbO3基片上制備單向單相換能器(SPUDTs)，其中，器件工作頻率為150 MHz，電極厚為300 nm，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)(λ)為25.84 μm，輸入、輸出換能器長(zhǎng)分別為130λ和40λ。SPUDTs中反射電極寬度、叉指電極寬度分別為6.46 μm、3.23 μm。使用SPUDTs結(jié)構(gòu)將有效降低器件損耗[11]。此外，在壓電晶體表面利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)沉積與壓電晶體溫度系數(shù)極性相反、厚50 nm的SiO2薄膜，其具有溫度補(bǔ)償和保護(hù)電極的作用。

1.2 FeGa磁致伸縮薄膜制備

在完成了延遲線圖形級(jí)SiO2溫補(bǔ)層制備后，在LiNbO3晶圓上沉積FeGa薄膜，從而完成SAW傳感器件的制備。

選用直徑?50.8 mm的Fe80Ga20作為靶材，利用RF磁控濺射法進(jìn)行FeGa薄膜沉積。不同的薄膜制備條件對(duì)基于FeGa薄膜的電流傳感器性能影響較大。薄膜制備條件參數(shù)如下：濺射氣體為純度99.9%的氬氣(Ar)，濺射氣壓為1 Pa，背壓為1.5×10-5Pa，靶基距離為60 mm，鍍膜厚為500 nm。首先在濺射功率分別為50 W，100 W及150 W時(shí)制作相應(yīng)器件，評(píng)估并選擇合適的濺射功率；在選取合適的濺射功率后，研究所制備的器件在溫度分別為100 ℃，200 ℃，300 ℃及400 ℃退火處理后的傳感器性能，選擇合適的退火溫度，從而優(yōu)化傳感器性能。

完成FeGa薄膜制備后，通過對(duì)LiNbO3晶圓進(jìn)行劃片、粘接與封裝，進(jìn)而完成電流傳感器件的制備。利用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)其頻響性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖2所示，器件頻率約為150 MHz，對(duì)應(yīng)損耗小于10 dB。

圖2 SAW器件頻率響應(yīng)圖

1.3 差分振蕩電路設(shè)計(jì)與制備

傳感器件制備完成后，將傳感器件與未鍍膜的參考器件接入由相移器、放大器及混頻器等構(gòu)成的差分振蕩電路中，構(gòu)建的SAW電流傳感系統(tǒng)如圖3所示。在外部電流產(chǎn)生外部磁場(chǎng)作用下，磁致伸縮薄膜FeGa產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)和ΔE效應(yīng)，使薄膜尺寸和楊氏模量發(fā)生變化，使SAW傳播速度發(fā)生相應(yīng)地改變。通過測(cè)量差分振蕩器的頻率輸出來表征被測(cè)電流大小。差分振蕩器的頻率輸出由基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)的頻率信號(hào)采集模塊進(jìn)行采集，并由電腦記錄繪制成圖。

圖3 雙通道差分振蕩電路

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

針對(duì)SAW電流傳感器實(shí)驗(yàn)測(cè)試，搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示。根據(jù)畢奧薩伐爾定律，赫姆霍茲線圈中軸線上的磁場(chǎng)強(qiáng)度和均勻性最強(qiáng)，因此，SAW電流傳感器被置于整個(gè)線圈的中心。當(dāng)直流電源輸出電流經(jīng)赫姆霍茲線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，SAW電流傳感器則產(chǎn)生相應(yīng)的頻率響應(yīng)，經(jīng)FPGA模塊實(shí)時(shí)采集并在PC端輸出。通過觀察PC端輸出信號(hào)的變化，即可觀察被測(cè)電流強(qiáng)度的變化。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.2 濺射功率對(duì)靈敏度的影響

磁控濺射功率對(duì)最終成膜質(zhì)量有較大的影響。因此，這部分著重考慮不同濺射功率對(duì)薄膜質(zhì)量的影響，以實(shí)際測(cè)量的傳感器靈敏度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。圖5為不同濺射功率下傳感器的響應(yīng)。由圖5可見，當(dāng)磁控濺射功率分別為50 W、100 W、150 W時(shí)，傳感器靈敏度分別為17.4 kHz/A、22.5 kHz/A和20.2 kHz/A。由圖5可看出，在濺射功率為100 W時(shí)，電流傳感器具有較高的靈敏度。其主要原因是在濺射功率為50 W時(shí)，其濺射出的離子能量較低，密度較小，沉積速率慢，導(dǎo)致膜層疏松且附著力差，成膜質(zhì)量較差，從而影響傳感器的靈敏度；在濺射功率為150 W時(shí)，靶材易損傷，且薄膜的沉積速率快易導(dǎo)致薄膜不均勻，致密度不好，進(jìn)而影響最終的成膜質(zhì)量，導(dǎo)致傳感器的靈敏度下降；在濺射功率為100 W時(shí)，薄膜的沉積速率合適，成膜質(zhì)量較好，電流傳感器的靈敏度也較高。

圖5 不同濺射功率下的傳感器頻率響應(yīng)

2.3 退火溫度對(duì)靈敏度的影響

除濺射功率為100 W外，其他制備條件與1.2節(jié)保持一致，研究了不同的退火溫度對(duì)傳感器性能的影響，以傳感器的靈敏度增加量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。在實(shí)際驗(yàn)證過程中，當(dāng)溫度高于400 ℃時(shí)，LiNbO3基底易破裂，因此，本次實(shí)驗(yàn)最高溫度設(shè)為400 ℃。實(shí)驗(yàn)中將傳感器件分為4組，每組有5個(gè)傳感器件。首先分別測(cè)出每個(gè)器件的靈敏度，然后將4組器件分別以100 ℃、200 ℃、300 ℃及400 ℃進(jìn)行退火，再測(cè)出退火后的靈敏度，最后計(jì)算不同退火溫度下每組器件靈敏度增加量的平均值，如圖6所示。

圖6 不同退火溫度下的傳感器頻率響應(yīng)

由圖6可看出，在退火溫度為100 ℃、200 ℃、300 ℃及400 ℃時(shí)，傳感器的靈敏度增加量平均值分別為0.43 kHz/A、1.03 kHz/A、2.17 kHz/A及2.01 kHz/A。在退火溫度為300 ℃時(shí)，傳感器的靈敏度可達(dá)24.67 kHz/A。因此，對(duì)薄膜進(jìn)行退火熱處理可提高傳感器的靈敏度。其主要原因是在薄膜的制備過程中，薄膜厚度增加及濺射時(shí)間延長(zhǎng)會(huì)增加薄膜內(nèi)部應(yīng)力，進(jìn)而嚴(yán)重影響磁性薄膜的軟磁特性。而對(duì)薄膜采用熱處理工藝，不僅可釋放薄膜在沉積過程中所產(chǎn)生的應(yīng)力，且由于高溫下有利于原子遷移，進(jìn)一步增加了薄膜的結(jié)晶度，提高了薄膜質(zhì)量。

3 結(jié)束語

本文介紹了基于FeGa磁性薄膜的SAW電流傳感器的設(shè)計(jì)與研制。通過實(shí)驗(yàn)分析了不同濺射功率及退火溫度對(duì)傳感器性能的影響，確定了最優(yōu)濺射功率及退火溫度，從而優(yōu)化傳感器性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在FeGa薄膜厚為500 nm，濺射功率為100 W，后期退火溫度為300 ℃時(shí)，電流傳感器靈敏度約為24.67 kHz/A。