[發明專利]磁性薄膜結構以及含有其的磁敏傳感器器件、應用方法

有效

• 申請號: 201611140368.3
• 申請日: 2016-12-12
• 公開（公告）號: CN106597102B
• 公開（公告）日: 2020-05-05
• 發明（設計）人: 余天;徐延浩;張兆偉
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: G01R27/02
• 分類號: G01R27/02
• 代理公司: 四川力久律師事務所 51221
• 代理人: 王蕓;熊曉果

本發明屬于傳感器領域，具體為一種磁性薄膜結構以及含有其的磁敏傳感器器件、應用方法。本發明提供的磁性薄膜結構可通過時變電磁激勵產生自旋整流效應，從而使得該薄膜結構的磁敏傳感器調制，包括調整磁敏傳感器工作電壓窗口以及提高測量磁電阻率。另外，本發明還提供一種在給定磁場和給定直流工作電流下的輸出電壓窗口調制、利用上述磁性薄膜結構或相應磁敏傳感器器件進行微波功率探測的使用方法，其通過將磁性薄膜結構或相應磁敏傳感器器件的第一磁性層、第二磁性層各引出兩個電極接口，并通過預先標定好輸入的不同微波功率與磁性薄膜結構磁電阻率值的對應關系，在需要微波探測的場合，通過檢測磁性薄膜結構的自旋整流電壓或磁電阻率的變化，獲得微波功率數值。

技術領域

本發明屬于傳感器領域，具體其涉及磁性薄膜結構以及含有其的磁敏傳感器器件、應用方法。

背景技術

對于自旋閥和贗自旋閥式磁電阻器件，其器件電阻隨外磁場變化一般可認為滿足：這里R_P為兩磁性層磁化強度方向同向平行時的電阻，R_AP為兩磁性層磁化強度方向反平行時的電阻，ΔR＝R_AP-R_P是兩磁性層磁化強度反平行時與平行時的電阻差，θ為兩磁性層磁化強度的夾角。當有外界周期性電磁場擾動，如外加適當的時變場電場、時變磁場或時變電流時兩磁性層中的一層磁矩將在θ_H角附近發生進動，從而導致器件電阻亦隨之周期性波動，θ_H為沒有外加直流工作電流時的兩磁性層磁化強度的夾角，根據歐姆定律可以獲得整流效應，稱為自旋整流效應。以外加周期性電流i＝i₀Sin(ωt)為例，磁電阻器件電阻受電流擾動滿足依據歐姆定律，器件輸出的電壓為即其中直流項即為自旋整流直流電壓V₀。

這種由磁電阻效應與周期性變化的外電磁場(磁場、電場、電流)激勵共同引起的整流效應，即自旋整流效應。自旋整流效應可以在多種周期性電磁擾動下發生，包括：

對于一般的鐵磁性材料和亞鐵磁性材料和結構，周期性磁場擾動造成磁矩在θ_H附近進動，與周期性電場擾動產生的交變電流耦合可發生自旋整流效應；

對于存在自旋轉移力矩效應的磁性材料和結構，周期性電場擾動產生交變電流進而造成磁矩在θ_H附近進動，與周期性電場擾動產生的交變電流自身耦合可引起自旋整流效應；

對于電場調制磁各向異性磁性材料和結構，周期性電場擾動可直接造成磁矩在θ_H附近進動，與周期性電場擾動產生的交變電流耦合可引起自旋整流效應。

一定磁場H下，磁敏傳感器的磁電阻率(MR,Magnetoresistance ratio)可以定義為：是磁敏傳感器的重要指標，通常通過優化磁敏傳感器的材料組分或改進器件的結構獲得高的磁敏傳感器磁電阻率，但隨器件微納化材料優化或改進器件結構提高磁電阻率存在一定的困難，因此在實際器件應用中采用其它手段放大器件輸出信號或提高器件的磁電阻率十分重要；另一方面，磁電阻器件，包括各種磁敏傳感器，其給定磁場下的輸出電壓窗口ΔV＝V_AP-V_P，由于其ΔV總是正比于直流工作電流所以在給定的直流工作電流下一般難以調制。本專利基于自旋整流效應和磁電阻率提供一種新的手段利用時變電磁場激勵，典型的例如，微波，實現測量磁電阻率的放大和給定磁場和給定直流工作電流下的輸出電壓窗口調制。

發明內容

本發明的目的在于提供一種新的利用自旋整流效應提高磁敏傳感器的測量磁電阻率的磁性薄膜結構和器件使用方法，以克服現有技術通過優化磁敏傳感器的材料與結構以獲得高的磁敏傳感器磁電阻率的局限；同時，提供一種調制磁敏傳感器在給定磁場和直流工作電流下的輸出電壓窗口的技術實現手段；另外，本專利還提供基于上述磁性薄膜結構和器件實現微波功率測量的技術方案。

為了實現上述發明目的，本發明提供了以下技術方案：