低温退火可以调节磁声耦合，从而提高FeCoSiB/Ti SAW磁场传感器的性能

《Nanoscale Advances》：Low-temperature annealing regulates magneto-acoustic coupling for enhanced FeCoSiB/Ti SAW magnetic field sensor performance

利用低温退火（100°C）调控FeCoSiB/Ti多层薄膜磁致伸缩效应，显著提升SAW磁传感器灵敏度和温度稳定性。理论模型结合实验验证，揭示了退火对饱和磁致伸缩系数（λs从40×10??增至46.9×10??）、内部应力松弛（界面剪切应力从-100MPa降至0MPa）及磁各向异性的协同优化机制。实验表明，100°C退火使灵敏度提升51%（从156.34°/mT增至236.19°/mT），温度漂移系数降低62.5%，而高温退火（>200°C）导致晶格畸变和插入损耗增加，灵敏度下降。研究为高精度磁传感器制备提供新思路。

　　
该研究聚焦于表面声波（SAW）磁传感器中低温退火工艺对性能优化的机制探索。通过FeCoSiB/Ti多层复合薄膜制备与性能测试，系统揭示了低温退火（100°C）如何协同调控材料磁学参数与界面应力状态，从而突破传统SAW磁传感器灵敏度与温度稳定性的平衡瓶颈。

在材料优化方面，研究团队发现低温退火能有效修复磁记录薄膜在溅射过程中产生的晶格缺陷与残余应力。实验数据显示，经100°C退火后，薄膜饱和磁致伸缩系数从40×10??提升至46.9×10??，相对增幅达17.25%。这种增强源于退火过程中晶格畸变修复与磁畴重组的双重作用，使得材料在强磁场下能产生更大形变响应。值得注意的是，该工艺并未引入晶格重组导致的性能衰减，因为退火温度控制在石英基底的耐温阈值（250°C）以下，避免了基板热损伤。

磁声耦合效率的提升通过三重协同机制实现：首先，退火过程释放了薄膜与基板界面间的剪切应力（从-100MPa降至接近0MPa），增强了声波在界面处的应力传递效率。其次，磁畴重排使材料矫顽力降低19%（从0.211mT降至0.171mT），同时磁晶各向异性场减小13.5%（从2.205mT降至1.917mT），这种双效作用显著降低了磁化阻力。最后，薄膜的磁导率提升23.6%（从982.32到1068.69），增强了磁场变化引起的磁化能转换效率。

在传感器性能方面，实验构建了200MHz延迟线型SAW磁传感器原型。经100°C退火处理后，器件灵敏度从156.34°/mT跃升至236.19°/mT，增幅达51%。这一突破性进展源于ΔE效应的显著增强（从19.58%提升至49.5%），使得声波相位变化对磁场的响应更加敏感。温度稳定性测试显示，器件中心频率在-15°C至60°C范围内波动仅0.045MHz，较未退火器件（0.12MHz）改善62.5%。这种双重性能提升得益于退火后界面应力状态的优化重构——薄膜表面粗糙度降低约40%，晶界缺陷密度减少60%，形成更致密的应力传递通道。

工艺对比实验揭示了不同退火温度的影响机制：200°C退火虽然能进一步提升磁导率至1132.99，但导致界面出现150MPa tensile应力，引发声波传播衰减（插入损耗增加2.78dB），且相位灵敏度反而下降至94.93°/mT。300°C退火进一步加剧晶格畸变，插入损耗达4.89dB，灵敏度骤降至8.67°/mT，同时导致基板频率偏移超过70kHz，表明高温退火已造成基板热损伤。

研究创新性地建立了"应力-磁致伸缩-界面耦合"三维优化模型。理论分析表明，当退火温度超过100°C时，材料内部残余应力开始反向积累，导致声波传播路径中的应力折射效应抵消部分ΔE效应增益。这种非线性关系在ΔE效应-退火温度曲线上表现为49.5%的峰值出现在100°C，而200°C时因磁畴结构重组反而下降至38.2%。数值模拟显示，100°C退火可使应力梯度分布均匀性提升3倍，界面声阻抗匹配度优化至89.7%，显著优于传统退火工艺。

器件测试环节采用矢量网络分析仪与亥姆霍兹线圈组合系统，实现了0.02mT精度的磁场扫描测试。值得注意的是，在0-0.2mT弱场范围内，100°C退火器件表现出线性响应特征（灵敏度标准差<5%），而在强场段（0.2-2mT）相位响应仍保持良好线性（R2>0.98），这归功于退火过程中形成的梯度应力分布——表面1-2μm范围内的应力梯度可控制在±10MPa/μm，有效平衡了材料各向异性。

温度稳定性测试采用阶梯式温变法，在-15°C至60°C范围内每15°C进行相位响应测量。结果显示，退火器件在低温区（-15°C至15°C）相位漂移系数为0.18°/°C，而在高温区（15°C至60°C）系数降至0.05°/°C，这种温度梯度下的稳定性表现优于同类传感器30%以上。失效分析表明，100°C退火后石英基板表面粗糙度从Ra=0.8μm降至Ra=0.3μm，热膨胀失配系数降低至0.0004/°C，远优于未退火器件的0.0012/°C。

该研究为SAW磁传感器制造提供了关键工艺参数：最佳退火条件为100°C/1h氮气保护处理，此时薄膜晶格完整度（缺陷密度<5×10?cm?2）与基板热膨胀系数匹配度（Δα=0.0004/°C）达到最佳平衡。工艺窗口理论计算显示，在100-200°C区间存在0.8μm的应力缓冲带，但当温度超过该区间临界点（约120°C）时，残余应力释放速率超过界面热应力传递能力，导致性能下降。

未来研究方向包括：1）开发脉冲退火技术，通过快速升降温（5°C/min）抑制晶界扩散；2）构建多层梯度应力结构，在薄膜/基板界面形成应力缓冲层；3）集成表面纳米结构（如磁畴定向纹理）进一步提升声波能量捕获效率。这些改进有望将器件灵敏度提升至300°/mT量级，温度漂移系数控制在0.03°/°C以下，推动SAW磁传感器在精密导航、生物医学检测等领域的应用突破。