前言

最近，磁电(ME)传感器因其在磁性粒子成像和生物磁场检测中的可能应用，而引起了极大的兴趣。这些应用需要毫米范围内的高空间分辨率、传感器阵列的应用以及在低频检测非常弱的磁信号的能力。为了实现具有所需分辨率的传感器阵列，可以通过微机电系统技术实现小尺寸的大规模相同的磁电传感器的制造。已经报道了基于各种磁传感机制的微机电系统传感器，例如巨磁阻抗(GMI)效应、磁通门磁强计、磁阻(磁流变)效应、磁电效应、ΔE效应、电磁交流电磁传感器、和永磁传感器。特别是近年来，基于具有不同组成材料和几何形状的磁电效应的微机电系统传感器已经被广泛研究。这些悬臂微机电传感器在窄带宽的谐振中表现出高灵敏度，但在低频时灵敏度显著降低。因此，频率转换方法和基于ΔE效应的ME传感器已经被引入，以允许在低频下具有高灵敏度的ME传感器的宽带操作。

研究内容

德国弗劳恩霍夫硅酸盐研究所的研究人员报道了一种基于钪氮化铝薄膜的微机电磁电传感器。传感器由一个1000umx200um大小的多晶硅悬臂组成，由压电Al0.73Sc0.27N和磁致伸缩(Fe90Co 10)78Si 12 B 10 薄膜覆盖。基于磁电电压系数、电压噪声密度和检测限对传感器的性能进行了研究，并与相同布局和制作工艺的氮化铝薄膜磁电传感器的特性进行了比较。通过在微机电系统微机电传感器中使用具有更高压电活性的Al0.73Sc0.27N薄膜代替AlN，谐振时(1334+84) V/cm Oe的微机电系统电压系数几乎加倍，从而降低了对电子系统的要求。

实验方法

用反应脉冲DC共溅射分离钪和铝靶的方法制备了Al0.73Sc0.27N薄膜。为了确定传感器的磁场敏感方向，在溅射沉积过程中，通过与悬臂短轴对齐的恒定磁场，在软磁层FeCoSiB上压印磁易轴。为了很好地比较压电材料对传感器性能的影响，对AlSn和AlN传感器采用相同的制造工艺。

微机电系统AlScN谐振磁电传感器原理图

AlScN(蓝色)和AlN(橙色)ME传感器以及参考通道(黑色)的电压噪声密度谱。请注意，AlScN (AlN)的频率轴显示在底部(顶部)。

谐振状态下磁流变传感器的近似等效电路

结论

为了确保具有不同压电层的微机电传感器的良好可比性，除了压电材料的沉积之外，所有器件都采用完全相同的制造流程。对于不在噪声极限下工作的应用(例如，电流传感器)，灵敏度的提高直接降低了对电子系统的要求，从而能够降低生产成本。在谐振之外，基于AlScN的器件的LOD提高了1.85倍。对于DE效应磁场传感器，由于较高的机电耦合，Sc掺杂AlN有望提高磁场传感器的灵敏度。28此外，谐振频率附近的ΔE效应ME传感器的主要噪声源是磁噪声。如果AlSn和AlN ME传感器的磁噪声相似，AlSn薄膜传感器灵敏度的预期提高可能会获得更好的LOD。今后，该课题组将从实验和理论两方面研究基于ΔE效应的AlScN微机电传感器。

DOI：10.1063/5.0022636。