使用高灵敏度压磁表面声波传感器测量铁磁薄片中的磁损耗

《Sensors and Actuators A: Physical》：Measurement of magnetic loss in ferromagnetic lamella using high sensitivity piezo-magnetic surface acoustic wave sensor

　　

Othmane Marbouh|Gaetan Sanchez|Aurélien Mazzamurro|Mohamed Boutghatin|Olivier Bou Matar|Yannick Dusch|Romain Viard|Aymen Ammar|Phillipe Pernod|Nicolas Tiercelin|Abdelmounaim Tounzi|Abdelkader Benabou|Abdelkrim Talbi

法国里尔大学，法国国家科学研究中心（CNRS），里尔中央理工学院（Centrale Lille），上法兰西理工学院（Université Polytechnique Hauts-de-France），UMR 520 - IEMN，LIA LICS，里尔 F-59000

摘要

结合表面声波（SAW）和磁致伸缩薄膜的磁场传感器在实验室研究中展现出良好的灵敏度，但其在实际应用中的进展仍然有限。在这项工作中，我们首次报道了使用剪切水平SAW磁场传感器对铁磁电钢进行表征的应用实例，这种材料是制造高效电气机器的关键。所提出的传感器设计基于石英基板，其特点是覆盖了一层纳米结构的TbCo?/FeCo薄膜（140纳米），该薄膜上再覆有700纳米厚的SiO?层，以增强剪切波的约束效果并保护基板表面。传感器芯片直接集成在铁磁薄片上。通过使用紧凑的基于雷达的射频电路（AD8302 IC），我们实现了相位敏感检测，灵敏度约为91伏特/特斯拉（V/T），噪声谱密度为83纳伏/√赫兹（nV/√Hz）。在薄片表面测量了静态和动态磁损耗，结果与霍尔传感器的基准值非常吻合。这项研究为SAW磁致伸缩传感器的应用奠定了第一个概念验证，证明了它们作为电气工程中铁磁材料原位表征和监测的强大工具的潜力。

部分摘要

引言

表面声波（SAW）传感器已在多个领域证明了自己的有效性，例如气体检测[1]、机械应力测量[2]和温度变化监测[3]。通过将磁致伸缩薄膜功能化，SAW传感器也成为一类有前景的磁场传感器[4]。近年来，由于其无线操作、被动特性和高灵敏度，引起了广泛关注，许多研究小组对此进行了研究

设备的设计与制造

本研究中使用的SAW传感器配置为延迟线，包含两个叉指换能器（IDT）。我们选择了ST-Cut石英作为压电基板，因为其温度系数（TCF）接近零，与其他基板（如LiNbO?和LiTaO?）相比，可以显著减少热漂移，该基板的厚度为500微米。表面声波是通过Ti（20纳米）/Al（180纳米） IDT产生的，其波长约为16微米。SAW延迟线的性能表现出色

理论模型

已引入了一种等效的压磁方法来分析压电磁复合材料中的磁弹性耦合[44]、[45]、[46]。

我们考虑了在压电基板上沉积的薄铁磁层中传播的弹性波。所研究的系统如图3所示，其中与弹性波传播相关的波矢k沿着Ox方向排列。

该模型是基于对磁弹性波传播的研究得出的

SAW传感器的校准

使用磁声特性测试装置对磁场SAW传感器进行了校准，该装置能够测量传输系数$\mathrm{<mi\; mathvariant="italic"\; is="trueomidou</mi></math>\text{'}\; role="\; presentation"=""><svg\; xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"\; width="5.647ex"\; height="3.009ex"\; viewBox="0\; -995.6\; 2431.5\; 1295.7"\; role="img"\; focusable="false"\; style="vertical-align:\; -0.697ex;"\; aria-hidden="true"><g\; stroke="currentColor"\; fill="currentColor"\; stroke-width="0"\; transform="matrix(1\; 0\; 0\; -1\; 0\; 0)"><g\; is="true"><use\; xlink:href="\#MJMAIN-31"></use><use\; xlink:href="\#MJMAIN-36"\; x="500"\; y="0"></use></g><g\; is="true"\; transform="translate(1001,0)"><text\; font-family="STIXGeneral,\text{'}Arial\; Unicode\; MS\text{'},serif"\; font-style="italic"\; stroke="none"\; transform="scale(55.199)\; matrix(1\; 0\; 0\; -1\; 0\; 0)"></text><use\; xlink:href="\#MJMATHI-6D"\; x="551"\; y="0"></use></g></g></svg><span\; class="MJX\_Assistive\_MathML"\; role="presentation"><math\; xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">16</math></span></mi>}$作为施加在硬轴上的磁场的函数。测量装置包括一个微波探针站，样品支架安装在了GMW 5201电磁模型上。

该装置能够实现磁场在其表面附近的平面投影。系统可以控制磁场的大小和方向

用于测量铁磁薄片表面磁场的Mini SST

在[40]中开发的Mini SST用于测量厚度为1毫米、宽度为10毫米、长度为27毫米的铁磁薄片表面的磁场，该薄片取自爪极发电机的转子。Mini SST配备了高磁导率磁轭（μr > 20000），通过环绕磁轭的初级线圈可以实现磁场的生成和系统的极化[49]。从极爪发电机转子中提取的铁磁样品

结果与讨论

• A.
  磁场静态测量

由于环绕磁轭的初级线圈，成功生成了不同幅度的静态磁场。图9-a)中的蓝色图表显示了使用电流探针测量的激励电流。图9-a)还展示了磁场SAW传感器测量的薄片表面磁场结果（用红色图表表示），黑色图表表示通过线性外推得到的薄片表面磁场值

结论

本研究专注于使用带有纳米结构TbCo?/FeCo薄膜的功能化延迟线SAW传感器，对从汽车发电机爪极转子中提取的铁磁薄片进行磁场测量。结果表明，SAW磁场传感器适用于测量薄片表面的静态和动态磁场，为实时、车载电磁测量提供了霍尔效应传感器的定量替代方案

[50], [51]

CRediT作者贡献声明

Phillipe Pernod：资源管理、项目协调。Aymen Ammar：资源管理。Romain Viard：资金获取、数据分析。Yannick Dusch：软件开发、资源协调。Olivier Bou Matar：验证、软件开发、资源协调。Mohamed Boutghatin：研究工作、数据分析。Aurélien Mazzamurro：资金获取、数据分析。Abdelkrim Talbi：撰写、审稿与编辑、可视化、验证。Gaetan Sanchez：软件开发、研究工作

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了法国国家研究机构（ANR）在ANR 20-CE42-0009项目框架下的资助。同时获得了CPER EE 4.0和IMITECH项目的支持，以及Jeumont Electric公司的支持。作者还感谢法国国家纳米制造网络RENATECH的支持。

Othmane Marbouh自2025年9月起担任里尔中央理工学院（Centrale Lille Institut）的副教授。此前他在法国IEMN担任博士后研究员。他于2024年获得里尔中央理工学院的博士学位，并于2021年获得ISED Lille颁发的嵌入式电子系统工程学位。他的研究重点是设计和制造SAW射频传感器，用于早期缺陷诊断（机械、热和磁性缺陷）以及预测性维护