一种双峰混杂模态磁电传感器、制备及检测方法

本发明属于磁电传感器，具体涉及一种双峰混杂模态磁电传感器、制备及检测方法。

背景技术：

1、磁电悬臂梁传感器是一种基于磁致伸缩效应与压电效应耦合的磁场敏感器件，通常由磁致伸缩层和压电层层叠构成。其工作原理为：待测磁场使磁致伸缩层产生应变，该应变通过层间界面传递至压电层，由压电效应转换为电压、电荷或阻抗变化输出。由于该类传感器具有室温下磁电转换能力强、灵敏度高、响应快、易于微型化及与mems工艺兼容等优点，在生物医学磁场测量（如心磁、脑磁检测）、地球物理勘探、军事导航、无损检测及弱磁环境监测等领域具有广阔的应用前景。

2、磁电悬臂梁传感器其结构组成主要由衬底与第一电极层、压电薄膜层、磁致伸缩层和第二电极层构成。在磁电悬臂梁传感器的制备中，u形模态（即悬臂梁在振动时沿短轴方向发生弯曲的高频机械模态，梁截面或宽度方向呈u形变形）因其具有较高的品质因数和较强的磁电响应而受到广泛关注。传统制备工艺中，u形模态下伴随的长轴方向振荡被视为有害的寄生模态或噪声源。为此，制备时通常需引入复杂的边界加固结构（如增加固定端厚度、设计非对称支撑梁）或采用精密的质量加载调谐，试图在工艺上抑制或消除该振荡分量，从而达到对该叠加振荡的抑制目的。

3、然而，依据这种传统方式制备的磁电悬臂梁传感器，其磁电悬臂梁在u形模态工作时，会叠加沿悬臂梁长轴方向的机械振荡，导致检测精度的不稳定，且极易受到环境温度漂移、夹具装夹状态变化、激励信号幅值波动以及材料老化等因素的影响，导致在使用过程中出现检测信号的基线漂移和灵敏度衰减，长期稳定性难以保证，无法兼顾高灵敏度和高稳定性的检测需求。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种双峰混杂模态磁电传感器、制备及检测方法，将传统上被视为不期望叠加振荡的模态转化为可设计的双峰混杂响应，通过双峰差分或比值读出抑制共模漂移，并利用退火方向实现模态选择性增益，提高了磁场检测的稳定性和信号可辨识性。

2、本发明的技术方案是：

3、一种双峰混杂模态磁电传感器的制备方法，包括以下步骤：

4、确定目标悬臂梁的u形模态与另一机械模态发生受控耦合时产生的可分辨的第一混杂谐振峰和第二混杂谐振峰；其中，所述第一混杂谐振峰用于表征所述悬臂梁短轴方向的u形应变响应，所述第二混杂谐振峰用于表征所述悬臂梁长轴方向应变或扭转诱导剪切应变响应；所述另一机械模态为所述悬臂梁除u形模态以外的、与所述u形模态频率相邻的弯曲模态、扭转模态或边界诱导模态中的任意一种或多种的组合；

5、基于所述第一混杂谐振峰和第二混杂谐振峰确定所述目标悬臂梁的几何尺寸；并根据所述第一混杂谐振峰和第二混杂谐振峰的应变分布，确定磁致伸缩层与所述应变分布相匹配的覆盖区域图形；

6、基于所述目标悬臂梁的几何尺寸与磁致伸缩层的覆盖区域图形，在衬底上依次沉积设置第一电极层、压电薄膜层、磁致伸缩层和第二电极层，将所述衬底的一端作为固定端，另一端作为自由端，并去除所述衬底在自由端的材料，形成可在振动时产生u形模态的目标悬臂梁；

7、对所述磁致伸缩层进行磁场退火处理，沿预定方向施加磁场并加热保温，以在所述磁致伸缩层中感生或重构磁各向异性，得到双峰混杂模态磁电传感器。

8、优选的，将所述磁致伸缩层的覆盖区域设置为与所述应变分布相匹配的图形时，所述覆盖区域为全长覆盖、半长覆盖、靠近所述固定端覆盖、靠近所述自由端覆盖、中央条带覆盖、宽度方向分区覆盖或多段覆盖中的一种，并通过改变所述磁致伸缩层的覆盖区域，调节所述第一混杂谐振峰和所述第二混杂谐振峰的磁弹参与度和峰间响应比。

9、优选的，所述第一混杂谐振峰与所述第二混杂谐振峰的频率间隔δ

f与中心频率

f0的比值为0.2%~20%，所述中心频率

f0为第一混杂谐振峰的频率与第二混杂谐振峰的频率平均值。

10、优选的，对所述磁致伸缩层进行磁场退火处理时，沿所述悬臂梁的长轴方向、短轴方向或与所述长轴成预定夹角的方向施加100oe~3000oe的磁场，在200℃~350℃下保温10min~90min；若对以u形短轴应变为主的所述第一混杂谐振峰进行选择性增强，则沿所述短轴方向施加磁场进行退火；若对以长轴应变或扭转诱导剪切应变为主的所述第二混杂谐振峰进行选择性增强，则沿所述长轴方向或斜向施加磁场进行退火；其中，所述长轴成预定夹角为0度~90度。

11、优选的，在去除所述自由端下方的衬底材料之前，还包括对所述目标悬臂梁的衬底进行局部减薄、整体减薄、边缘修整或局部质量加载，用于调控所述u形模态与所述另一机械模态的频率接近关系和耦合强度。

12、优选的，所述压电薄膜层的材料为aln或alscn，厚度为0.5μm~3μm；所述磁致伸缩层的材料为fecosib、fegab或fega，厚度为0.2μm~5μm；所述第一电极层和所述第二电极层的材料各自独立地为mo、pt、au、cu、ti/pt复合层或cr/au复合层，厚度为50nm~300nm。

13、一种双峰混杂模态磁电传感器，根据上述任一所述的一种双峰混杂模态磁电传感器的制备方法制备得到，包括由衬底、第一电极层、压电薄膜层、磁致伸缩层和第二电极层形成的目标悬臂梁结构。

14、优选的，所述悬臂梁的长度为5mm~30mm，宽度为1mm~5mm，所述衬底的厚度为50μm~500μm。

15、一种双峰混杂模态磁电传感器的检测方法，用于根据上述任一项所述的一种双峰混杂模态磁电传感器实现，包括以下步骤：

16、对所述双峰混杂模态磁电传感器进行频率扫描，获得频率响应曲线，并在所述频率响应曲线上确定第一混杂谐振峰和第二混杂谐振峰；

17、对经预定方向磁场退火后的所述双峰混杂模态磁电传感器进行磁电响应标定，根据所述第一混杂谐振峰和所述第二混杂谐振峰的输出增强程度、灵敏度和信噪比，确定其中一个混杂谐振峰为高增益检测通道，另一个混杂谐振峰为参考通道；

18、在所述高增益检测通道和所述参考通道对应的谐振频率处，以同时或分时方式施加交流载波磁场，并调节直流偏置磁场，使所述双峰混杂模态磁电传感器工作于预先标定的工作偏置点；

19、在所述工作偏置点下采集所述高增益检测通道的输出和所述参考通道的输出，并采用双峰差分读出或双峰比值读出获得待测磁场幅值或待测磁场变化量；

20、其中，所述高增益检测通道用于提高磁场响应强度和信号可辨识性，所述参考通道用于表征或抑制由温度、装夹状态、交流载波磁场幅值或检测电路增益变化引起的共模漂移。

21、与现有技术相比，本发明的一种双峰混杂模态磁电传感器、制备及检测方法，具有以下有益效果：

22、本发明，在磁电传感器的制备过程中通过在单个悬臂梁中协同配置几何尺寸、磁致伸缩层覆盖区域及固定端边界约束条件，使振动产生的u形模态与另一机械模态形成受控耦合，使其在频域上产生可分辨的第一混杂谐振峰和第二混杂谐振峰，从而将传统上被视为噪声来源的长轴叠加振荡转化为可设计的双峰混杂响应；在此基础上，根据有限元仿真或预实验获得的两个混杂峰应变分布，将磁致伸缩层覆盖区域设置为与应变分布相匹配的图形，使两个混杂峰均能有效参与磁电转换，再通过对磁致伸缩层沿预定方向施加磁场进行退火处理，使退火感生的磁各向异性与目标混杂模态的主应变方向或有效磁弹响应方向匹配，从而实现对一个混杂峰的选择性增强；在检测时，通过同时采集两个混杂峰的磁电响应并采用双峰差分、比值或归一化差分读出方式，可将环境温度漂移、夹具装夹状态变化、激励信号幅值波动及材料老化等因素引起的两个峰的共同变化作为共模项予以扣除，仅将两个峰的相对变化作为磁场检测信号，从而在根本上克服了传统单峰读出方案难以抑制共模漂移、长期稳定性差的技术缺陷，实现了高灵敏度与高稳定性的协同提升，同时退火方向与混杂模态应变场匹配的设计使得无需改变通用层叠结构即可选择性增强目标峰输出，在单个悬臂梁内实现两个可标定读出点，显著提高了磁场检测的稳定性和信号可辨识性。