專利名稱：薄膜式結(jié)構(gòu)磁流體-聲表面波集成磁傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁傳感器的生產(chǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及薄膜式結(jié)構(gòu)磁流體-聲 表面波集成磁傳感器。
背景技術(shù)：
目前，隨著信息產(chǎn)業(yè)、工業(yè)自動化、電力電子技術(shù)、交通運(yùn)輸、醫(yī)療儀器、 辦公自動化、家用電器等飛速發(fā)展和電子計算機(jī)應(yīng)用的普及，需要大量傳感器 將被測非電參量轉(zhuǎn)換成可與計算機(jī)兼容的電訊號，這就為磁傳感器的快速發(fā)展 提供了機(jī)會，形成了相當(dāng)可觀的磁傳感器產(chǎn)業(yè)。
傳統(tǒng)的磁傳感器多為基于磁阻效應(yīng)的磁敏電阻或巨磁電阻加工制成測量 磁場的磁傳感器。包括最早的基于霍爾效應(yīng)的霍爾效應(yīng)器件，基于載流子疇磁 場調(diào)制的載流子疇器件，基于磁敏電阻的各向異性的金屬膜磁敏器件，基于巨 磁阻抗或巨磁感應(yīng)效應(yīng)的巨磁阻抗傳感器，基于磁致伸縮效應(yīng)的磁致伸縮傳感
器，基于法拉第電磁感應(yīng)效應(yīng)的磁電感應(yīng)傳感器，基于材料的B-H飽和特性的 磁通門磁強(qiáng)計，基于核磁共振的核磁共振磁強(qiáng)計，基于法拉第效應(yīng)或磁致伸縮 的磁光傳感器等。
聲磁傳感器基于材料的磁致伸縮效應(yīng)，當(dāng)對其施加交變磁場激勵信號，并 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(chǎn)生磁力共振，接收 裝置檢測到材料由于共振而產(chǎn)生的聲波信號，并經(jīng)過處理得到聲磁傳感器的共 振頻率及響應(yīng)幅值，從而反映磁場變化。用聲表面波舉件進(jìn)行磁場測量的方法， 目前是以超磁致伸縮材料為間接媒質(zhì)，將超磁致伸縮材料受外磁場變化產(chǎn)生的 應(yīng)力轉(zhuǎn)化為諧振器的頻率、幅值變化，進(jìn)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(qiáng)度范圍受其各自原理限制，即使是超磁致伸 縮材料制成的磁傳感器反應(yīng)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(xiàn)無源無線的信號激勵和收發(fā)控制。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于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(chǎn)生的粘性負(fù)載效應(yīng)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(qiáng)度變化與SH-SAW 器件延遲時間變化建立起對應(yīng)關(guān)系，可以精確，實時地測量磁場強(qiáng)度變化，即 形成磁傳感器。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出薄膜式結(jié)構(gòu)磁流體-聲表面波集成磁傳感 器，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明所涉及的薄膜式結(jié)構(gòu)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， 所哮叉指換能器位于壓電基片的兩端，所述磁流體填注于壓電基片表面中間的 淺槽中形成磁流體薄膜，并將具有磁流體薄膜的淺槽進(jìn)行封裝，所述天線分別 連接于叉指換能器IDT的兩條匯流條上。所述傳感器的基片材料為石英晶體，采用36°Y切割X方向傳播的加工方 式，使得基片表面激發(fā)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。所述磁流體薄膜位于傳感器兩叉指換能器之間的淺槽中，淺槽厚度小于水 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(dǎo)致的聲波波速變 化對外磁場強(qiáng)度變化進(jìn)行測量。所述傳感器是利用磁流體的粘性負(fù)載效應(yīng)對聲表面波波速產(chǎn)生影響，從而 影響延遲線延遲時間實現(xiàn)被測磁場變化的測量，該磁-聲耦合發(fā)生在微米數(shù)量 級，使得傳感器測量精度較高，且所述的磁傳感器采用的磁流體膜對外磁場變 化響應(yīng)無延時，以實現(xiàn)實時監(jiān)測。
所述傳感器的兩組天線分別連接于IDT的兩條匯流條上接收和發(fā)送射頻信 號，以實現(xiàn)水平剪切聲表面波的激發(fā)及波速變化后聲波轉(zhuǎn)換為電磁波的發(fā)射。 所述傳感器還能實現(xiàn)無源無線的磁場強(qiáng)度變化檢測。
本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是
1、 .溫度特性好(溫度系數(shù)為零)，傳播損耗小(聲表面波有效的機(jī)電耦合 系數(shù)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(qiáng)度變化，零遲滯，精度高；
3、 該傳感器可實現(xiàn)無源無線的磁場強(qiáng)度測量，尤其對于不宜采用電源或 需遙測的傳感系統(tǒng)較之傳統(tǒng)的有源有線傳感器更為適用；
4、 器件小、穩(wěn)定，適合集成到微型檢測系統(tǒng)中。


圖1為薄膜式結(jié)構(gòu)磁流體-聲表面波集成磁傳感器的二維立體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為薄膜式結(jié)構(gòu)磁流體-聲表面波集成磁傳感器的平面結(jié)構(gòu)俯視圖； 圖3為薄膜式結(jié)構(gòu)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(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明
實施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述
本實施例提供了薄膜式結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)磁流體-聲表面波集成磁傳感器的二維
立體結(jié)構(gòu)及平面結(jié)構(gòu)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分別位于壓電基片2 兩端，磁流體薄膜3位于壓電基片2中間的淺槽中并進(jìn)行封裝，兩組天線l分 別連接于兩個IDT的兩條匯流條上。該傳感器可實現(xiàn)無源無線高精度實時的磁 場強(qiáng)度測量，通過天線接受射頻信號在輸入IDT上激發(fā)水平剪切聲表面波，由 于磁流體對外磁場變化的零遲滯響應(yīng)，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，再將波速變化后的聲波經(jīng)IDT轉(zhuǎn)換為電磁 波由天線發(fā)射出去，根據(jù)延遲時間與磁場強(qiáng)度變化的對應(yīng)關(guān)系，即可準(zhǔn)確測量 出磁場變化。
結(jié)合原理圖3進(jìn)一步描述壓電基片2，材料為石英晶體。石英晶體制作的 聲表面波器件，除具有頻帶寬度窄、穩(wěn)定度高的特點，還具有零溫度系數(shù)切割， 傳播損耗小的特點，并且加工工藝成熟。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(fā)水平剪切聲表面波SH-SAW，采用36° Y切割X方 向傳播的加工方式。由于接收端壓電基片的逆壓電效應(yīng)，在輸入端IDT上的交 變電壓使得基片表面產(chǎn)生交替的形變，該形變以彈性機(jī)械振動的形式，即水平 剪切聲表面波的形式傳播，再經(jīng)發(fā)送端壓電基片的壓電效應(yīng)將聲波的機(jī)械振動 轉(zhuǎn)變?yōu)榛闹芷谛孕巫?，從而在輸出端IDT上產(chǎn)生交變輸出電壓。
結(jié)合原理圖3進(jìn)一步描述叉指換能器4，材料為金屬銅，加工于壓電基片 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(fā)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(jié)合原理圖3進(jìn)一步描述磁流體薄膜3，位于傳感器兩叉指換能器之間的 淺槽中，.淺槽厚度小于水平剪切聲表面波波長，填注形成磁流體薄膜后進(jìn)行封 裝。磁流體材料是由納米強(qiáng)磁性粒子、基液以及表面活性劑三者混合而成的一 種穩(wěn)定膠狀溶液。該流體在靜態(tài)時無磁吸引力，當(dāng)外加磁場作用時，才表現(xiàn)出有磁性。磁流體薄膜在外磁場強(qiáng)度變化時粘度發(fā)生變化，對在基片表面?zhèn)鞑サ?水平剪切聲表面波產(chǎn)生的粘性負(fù)載效應(yīng)發(fā)生變化，從而影響聲波波速產(chǎn)生時間 延遲。結(jié)合原理圖3進(jìn)一步描述天線1，兩組天線分別連接于叉指換能器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(yán)格相同)在輸入IDT上激發(fā)的水平 剪切聲表面波，經(jīng)磁流體薄膜延遲后，聲波經(jīng)輸出IDT轉(zhuǎn)換為電磁波信號通過 發(fā)送天線發(fā)送出去。雖然通過實施例描繪了本發(fā)明，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員知道，本發(fā)明有許多 變形和變化而不脫離本發(fā)明的精神，本發(fā)明的申請文件的權(quán)利要求包括這些變 形和變化。
權(quán)利要求
1、薄膜式結(jié)構(gòu)磁流體-聲表面波集成磁傳感器，其特征在于，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，所述叉指換能器位于壓電基片的兩端，所述磁流體填注于壓電基片表面中間的淺槽中形成磁流體薄膜，并將具有磁流體薄膜的淺槽進(jìn)行封裝，所述天線分別連接于叉指換能器IDT的兩條匯流條上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜式結(jié)構(gòu)磁流體-聲表面波集成磁傳感器，其 特征在于，所述傳感器的基片材料為石英晶體，采用36。Y切割X方向傳播的 加工方式，使得基片表面激發(fā)水平剪切聲表面波SH-SAW。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜式結(jié)構(gòu)磁流體-聲表面波集成磁傳感器，其 特征在于，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(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜式結(jié)構(gòu)磁流體-聲表面波集成磁傳感器，其 特征在于，所述磁流體薄膜位于傳感器兩叉指換能器之間的淺槽中，淺槽厚度 小于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(dǎo)致的聲波 波速變化對外磁場強(qiáng)度變化進(jìn)行測量。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l或4所述的薄膜式結(jié)構(gòu)磁流體-聲表面波集成磁傳感器， 其特征在于，所述傳感器是利用磁流體的粘性負(fù)載效應(yīng)對聲表面波波速產(chǎn)生影 響，從而影響延遲線延遲時間實現(xiàn)被測磁場變化的測量，該磁-聲耦合發(fā)生在 微米數(shù)量級，使得傳感器測量精度較高，且所述的磁傳感器采用的磁流體膜對 外磁場變化響應(yīng)無延時，以實現(xiàn)實時監(jiān)測。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜式結(jié)構(gòu)磁流體-聲表面波集成磁傳感器，其 特征在于，所述傳感器的兩組天線分別連接于IDT的兩條匯流條上接收和發(fā)送射頻信號，以實現(xiàn)水平剪切聲表面波的激發(fā)及波速變化后聲波轉(zhuǎn)換為電磁波的 發(fā)射。
7、根據(jù)權(quán)利要求l所述的薄膜式結(jié)構(gòu)磁流體-聲表面波集成磁傳感器，其 特征在于，所述傳感器還能實現(xiàn)無源無線的磁場強(qiáng)度變化檢測。
全文摘要
本發(fā)明公開了薄膜式結(jié)構(gòu)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(fā)電磁波信號的天線，所述兩個叉指能換能器IDT分別位于基片的兩端；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并封裝；兩組收發(fā)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(xiàn)無源無線高精度實時的磁場強(qiáng)度測量，通過天線接收射頻信號在IDT上激發(fā)水平剪切聲表面波，由于磁流體對外磁場變化的零遲滯響應(yīng)，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，再將波速變化后的聲表面波經(jīng)IDT轉(zhuǎn)換為電磁波由天線發(fā)射出去，根據(jù)延遲時間與磁場強(qiáng)度變化的對應(yīng)關(guān)系，即可準(zhǔn)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(yōu)先權(quán)日2009年3月6日
發(fā)明者宏 劉, 劉桂雄, 張沛強(qiáng) 申請人:華南理工大學(xué)