基于声表面波的弱磁场传感技术 | 应用物理前沿推介系列No.35
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本期推介
基于声表面波的弱磁场传感技术
心磁图被用于心机缺血、冠心病的诊断，而脑磁图不仅被用于各类精神疾病和脑疾病的病理学诊断和术前定位，而且有望成为脑机接口和脑科学研究领域最有潜力的技术手段。心磁场的强度在50~100 pT，脑磁场更加微弱，所以从上世纪60、70年代起，心、脑磁图都依赖于超导量子干涉磁强计（SQUID），不仅体积巨大，需要运行在超低温液氦条件下，运行和维护成本高昂，而且对外界震动、电磁脉冲等非常敏感，只能在人体固定状态下工作，制约了其广泛应用。之后，人们一直在寻找小型化、经济、易于使用的磁传感器来替代SQUID系统。目前已经提出的替代传感器包括光泵磁力仪、磁通门磁力仪、基于磁阻效应或磁电复合材料的磁传感器[1]。
基于声表面波（SAW）的磁场传感器很早就被提出来，但是直到最近随着声表面波、体声波器件的快速发展，以及人们对高频磁-声相互作用更加深入的认识，才引起人们重视。其工作原理是在叉指换能器之上或者之间集成磁致伸缩薄膜，当外磁场改变时，由于杨氏模量量效应（DE效应）或者剪切模量效应（DG效应），磁致伸缩薄膜会对压电衬底施加一个应力，改变其浅表层的有效弹性模量，进而影响SAW的传播速度。跟踪中心频率（磁声谐振器）或者相位（磁声延迟线）的变化，就可以检测出外磁场的变化。磁致伸缩薄膜的模量效应与饱和磁致伸缩系数的平方成正比，而与总的各向异性能成反比。相较于研究最多的瑞利波器件，水平剪切波和乐甫波器件的优势在于可以更好地将应变约束在压电衬底的浅表层和界面层，从而增强磁声耦合作用。通过在特定切向的压电衬底上集成具有优良的单轴各向异性和低各向异性能的磁致伸缩膜可以获得极高的磁场灵敏度[2-3]，而且SAW传感器固有的宽带特点使这一类传感器有望应用于生物磁性测量或磁场辅助医疗，例如磁性纳米颗粒标测、主动运动传感或脑深部刺激电极定位和方向检测等。
在此类磁场传感器中，SAW和磁致伸缩薄膜之间存在复杂的磁声相互作用，不仅存在与磁畴壁形核、位移、湮灭相关的1/f相位噪声，而且存在与高频畴壁共振相关的损耗，此外磁噪声还与SAW的激励功率（即作用在磁性薄膜上的应变）相关。因此，从降低磁噪声、提高检测极限方面考虑，研究人员首先希望消除磁性膜中的畴壁以提高传感器的性能。这与基于磁阻效应和复合磁电材料的其它磁传感器是相同的。
2023年，德国基尔大学的研究人员制备了由Ta/(FeCoSiB/NiFe/IrMn)2/Ta组成的交换偏置堆叠结构（图1a）[3]，其中NiFe作为反铁磁IrMn的种子层，以诱导出{111}织构（图1b）。上下两层的FeCoSiB层被相邻的IrMn层偏置在相反的方向上，即呈反平行结构，以实现磁通量闭合，从而抑制边缘闭合磁畴的形成。由于该器件采用了底钉扎结构和磁场退火处理，其交换偏置场仅为具有类似厚度的铁磁层和反铁磁层样品的四分之一。这对于降低总的各向异性场，保持高的DG效应是很有帮助的。此外，难轴方向上的矫顽力近乎为零，单轴各向异性场为1.7 mT（图1c）。通过乐甫波延迟线的S参数随外加磁场的变化关系，发现相位变化达到了770°（图1d和1e）。在最佳DC偏置磁场下，最大相位灵敏度分别为2040°/mT和1920°/mT（图1f）。
图1 (a)乐甫波延迟线结构示意图；(b) 交换偏置堆叠结构；(c)沿难、易轴测试的M-H曲线；(d) 器件的S参数曲线；(e) 相位随外磁场的变化曲线；(f) 相位灵敏度随外磁场的变化关系图[3]。
此外，他们通过磁光克尔显微镜观察了磁畴状态，对比研究了单层FeCoSiB薄膜和反平行交换偏置样品的磁畴结构（图2）。尽管诱导单轴各向异性可以在很大程度上降低单层FeCoSiB中的磁畴密度，但是由于杂散场的存在，边缘磁畴是难以避免的，而且在磁化翻转过程中逐渐长大（图2a和2b）[4]，而反平行交换偏置样品中并未观察到磁畴，再次证实了反平行交换偏置结构薄膜的磁化翻转是通过的相干磁化旋转实现的（图2c）[3]，这磁化曲线中极小的磁滞相符合。
图2 (a) 沿正向增加磁场时FeCoSiB单层膜的磁畴演变；(b) 沿负向降低磁场时FeCoSiB单层膜的磁畴演变[4]；(c) 反平行交换偏置结构薄膜在从-2 mT到+2 mT外加磁场下的磁畴[3]。
对于单磁层SAW器件而言，随着激励功率的增加，SAW磁场传感器的1/f相位噪声会降低，但这只适用于一定的激励功率范围。在足够高的激励功率下，一般认为在DC偏置磁场附近，巴克豪森跳变会成为噪声的主要来源。因此，该工作还研究了反平行交换偏置传感器的灵敏度和相位噪音在不同激励功率下随DC偏置场的变化关系（图3a）。在15 dBm的激励功率范围内，磁场灵敏度不会显著改变。然而，当激励功率提高至24 dBm时，不仅在小磁场值下的灵敏度最大值大幅提升外，而且在−0.4 mT/0.4 mT左右还会出现线型的变化，表明磁化机制发生了变化。
此前，时间分辨的磁光克尔显微镜研究表明[4]，单磁层SAW传感器的磁插入损耗与畴壁共振有关，部分SAW会被畴壁反射或散射，造成相位失谐或者产生二次谐波，畴壁密度越高，磁插入损耗越高；而应变受激畴壁本身会表现出动态的周期性膨胀，并沿着畴壁传播，并改变周围区域的磁机响应特性。另外，噪音功率密度谱测试表明，磁插入损耗和相位噪声之间有明显的正相关性[5]。然而，对于反平行交换偏置传感器，由于畴壁反射、散射SAW的效应而被抑制，相位噪声仅在一定程度上与磁插入损耗相关（图3b）。对比不同频率的相位噪声与激励功率关系（图3c），发现尽管插入损耗随着激励功率的增加而增加，但是相位噪声却先减小再增大，最小相位噪声出现在5到10 dBm之间。此外，在24 dBm下，相位噪声的增加也没有很剧烈。这表明噪声来源于其它机制而不是畴壁相关的随机巴克豪森跳跃。这可能是由于温度升高导致1/f相位噪声的增加。此外，剪切应变激发的磁化振荡也可能会导致噪声，但具体原因尚有待研究。最后，检测极限（LOD，相位噪声和灵敏度的比值）遵循与相位噪声相同的趋势，最低LOD出现在5-8 dBm之间，在10 Hz时为28 pT/Hz1/2，在100 Hz时为10 pT/Hz1/2（图3d）[3]。
图3 (a) 不同激励功率下的相位灵敏度随外磁场的变化关系；(b) 不同激励功率下的磁插入损耗随外磁场的变化关系；10 Hz和100 Hz处(c)相位噪声随激励功率的变化关系；(d) 检测极限随激励功率的变化关系[3]。
与此同时，如何实现自偏置的声表面波磁传感器[6-7]，以及如何进一步提高磁致伸缩薄膜的弹性模量效应[8-9]也得到了国内外研究者的较多关注。前者的目的在于彻底摆脱DC偏置磁场，实现器件的微型化和低功耗，后者显然与传感器的灵敏度直接相关。与基于磁阻效应和复合磁电材料的其它磁传感器不同，声表面波会在磁致伸缩薄膜内激发偶极作用场，因此DG效应不仅是DC偏置磁场的函数，而且还与SAW波矢与磁化方向的夹角相关（图4a）。利用这一点，通过多物理场仿真手段设计了基于SH-SAW谐振器的自偏置矢量磁场传感器，其频率灵敏度达到6304 kHz/mT（图4b），而且该方法同样适用于延迟线型磁传感器。此外，通过激发高阶剪切声表面波（图4c），还研究了动态DG效应。理论和实验表明，与DE效应不同，DG效应与SAW的中心频率和磁致伸缩薄膜的有效阻尼因子相关。SAW的中心频率越接近磁致伸缩薄膜的自然共振频率，有效阻尼越低，DG效应增益越显著，可以到达82%（图4d）。
图4 (a) ST-切石英衬底上FeCoSiB薄膜的Dc66即DG对外磁场和ψ角（波矢与磁化方向的夹角）的依赖关系；(b) 6支不同ψ角的磁传感器在零偏置磁场下计算和实测的灵敏度[6]；(c) 42o Y-切LiTaO3衬底上制备的SH-SAW延迟线的实测S参数；(d) 不同阻尼因子情况下剪切模量随频率的变化关系[9]。
尽管基于声表面波的磁场传感器已经在磁畴噪声抑制和自偏置矢量传感方面取得了突破，但是仍然需将检测极限提高到亚pT/Hz1/2量级，才能满足生物磁性测量或磁场辅助医疗方面的迫切应用需求。与基于磁阻效应、磁阻抗效应和复合磁电材料的其它磁传感器不同，声表面波磁传感器的本质是利用磁弹波的色散关系，未来的工作一方面可以通过磁-声-电-热多物理场仿真实现更加准确的设计，另一方面还应充分挖掘和利用工作频率、激励功率、磁结构和阻尼因子方面的丰富自由度，在增强磁声耦合作用的同时，进一步降低器件本身和后端传感电路的闪烁噪声和热噪声。
推介人
白飞明 电子科技大学电子科学与工程学院、电子薄膜与集成器件全国实验室教授，博士生导师。近年来主要从事磁电信息功能材料，片上集成磁电子器件研究。
参考资料
[1] C. Z. Dong, X. F. Liang, J. L. Gao, et al., Adv. Electron. Mater, 8, 2200013 (2022)
[2] A. Kittmann, P. Durdaut, S. Zabel, et al., Sci. Rep. 8, 278 (2018).
[3] V. Schell, E. Spetzler, N. Wolff, et al., Sci. Rep. 13, 8446 (2023).
[4] C. Müller, P. Durdaut, R. B. Holländer, et al., Adv. Electron. Mater. 8, 2200033 (2022).
[5] P. Durdaut, C Müller, A. Kittmann, et al., Sensors 21, 5631 (2021).
[6] X. Liu, B. Tong, J. Ou-Yang, et al., Appl. Phys. Lett. 113, 082402 (2018).
[7] W. B. Hu, Y. D. Wang, M. X. Huang, et al., Appl. Phys. Lett. 123, 012406 (2023).
[8] B. Spetzler, E. V. Golubeva, C. M€uller, et al., Sensors 19, 4769 (2019).
[9] W. B. Hu, M. X. Huang, H. Xie, et al., Phys. Rev. Appl. 19, 014010 (2023).
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前沿推介专栏
为推动中国的应用物理研究，中国物理学学会和中科院物理所“应用物理中心“合作推出《应用物理前沿推介》专栏，用以推动应用物理的学科教育，推介国际应用物理前沿的最新重要成果，把握有重大应用潜力的物理研究动态，促进不同学科和不同领域之间的交叉融合，激发新的原创思想，使物理研究更好地服务国家战略需求。
中国物理学会特别成立了“应用物理前沿推介委员会”，同时将鼓励各方向召集人牵头组织针对所在领域的专题讨论会，使广大物理同行以未来重大应用为牵引，进行有深度的学术研讨，促进优秀科学家之间的思想碰撞，激发科学家提出有颠覆性应用潜力的新原理、新方法、新技术路线和新概念。
专栏推介文章由“前沿推介委员会”委员亲自或邀请知名专家撰稿，具有前瞻性(Foresight)，易读性(Accessibility)，洞察性(Insights)，快速性(Timeliness)和突出性(Highlights)等特色亮点。
中国物理学会
应用物理前沿推介委员会
主 任：吴义政， 复旦大学
副主任：杨海涛，中科院物理所
一、传感与探测方向
召集人：柴国志
委 员：王鹏、彭斌、黄晓砥、贺晓霞
二、量子精密测量方向
召集人：荣星
委 员：屈继峰、刘刚钦、杜关祥、鲁大为
三、新型信息载体与技术方向
召集人：黄元
委 员：李志强、郝玉峰、叶堉、张金星
四、微波与太赫兹物理与技术方向
召集人：孙亮
委 员：齐静波、陶洪琪、李龙、高翔
五、光子与光电子学方向
召集人：肖云峰
委 员：魏钟鸣、王建禄、李家方、邓震
六、功率半导体物理与器件方向
召集人：孙钱
委 员：黄森、江洋、周弘、王俊
七、材料物理方向
召集人：于浦
委 员：柳延辉、刘淼、周家东、于海滨
八、低温物理与技术方向
召集人：金魁
委 员：程智刚、刘楠、李雪、沈俊
九、能量转化、存储与传输方向
召集人：禹习谦
委 员：史迅、刘明桢、赵怀周、王凯
十、极端条件物理与技术方向
召集人：吉亮亮
委 员：于晓辉、周睿、胡建波、付恩刚
END
设计：陈 龙
排版：陈 龙
美编：张 悦
主编：吴义政
副主编：杨海涛
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