[發明專利]一種微波探測元件

有效

• 申請號: 201910834059.3
• 申請日: 2019-09-04
• 公開（公告）號: CN110554058B
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發明（設計）人: 劉青芳;王佳寧;王金帥;王建波
• 申請（專利權）人: 蘭州大學
• 主分類號: G01N22/00
• 分類號: G01N22/00;G01S7/35;H01L43/08;H01L43/10
• 代理公司: 蘭州振華專利代理有限責任公司 62102
• 代理人: 張晉

本發明公開了一種微波探測元件，是由包括依次層疊設置的片狀釘扎層、絕緣層、自由層和重金屬層構成，其上層的磁性釘扎層為環形，自由層、絕緣層和重金屬層的形狀設置為圓形。其中：重金屬層材料與自由層材料間可產生Dzyaloshinskii–Moriya相互作用，所述的釘扎層中磁矩沿垂直方向排布，且由于Dzyaloshinskii–Moriya相互作用使得自由層中磁矩排布為磁斯格明子態。本發明的微波探測元件，當輸入一個微波電流信號時，磁斯格明子的尺寸會周期性變化，由于隧道磁電阻效應存在，會使元件的電阻值也產生周期性的變化，其與輸入的微波電流耦合會產生一個直流信號，從而實現微波探測。本發明可以使靈敏度值有較大提升。

技術領域

本發明涉及一種微波探測元件。

背景技術

微波傳感器其實就是指利用微波特性來對一些物理量進行檢測的裝置或器件。其主要分為發射裝置與接收裝置，由發射裝置發出微波，遇到被測物體時被吸收或反射，使微波功率或頻率發生改變，利用微波接收裝置將改變后的微波信號轉化為電信號，再對電信號進行分析，就可以得出被測物體的材料性質和運動狀態等物理性質，這就是微波檢測的基本原理。由于微波傳感器具有非接觸、速度快、靈敏度高、耐高溫高壓和耐輻射等特點，因此廣泛應用于軍事、交通、醫療、工業、農業等各個領域。

微波探測器作為微波接收裝置，是微波傳感器中非常重要的一環，近年來一直朝著小型化、集成化、高靈敏度、低能耗、低噪聲等方向發展。目前商用的傳統半導體二極管探測器由于熱力學極限的存在，其靈敏度很難超過3800 mV/mW，因而很難探測低輸入功率的微波；另外隨著尺寸降低到納米量級，半導體二極管內的量子效應所產生的噪聲愈發明顯，限制著半導體二極管小型化的發展。近年來在磁性隧道結結構中發現了自旋轉矩二極管效應，其在小型化、集成化方面具有巨大優勢，但其靈敏度遠小于傳統半導體二極管的靈敏度。

中國發明專利2014102737811公開了一種微波探測器，其中的探測元件包含：具有面內平衡磁化的固定磁性層，形成于所述固定磁性層之上的非磁性隔離層，以及，形成于所述非磁性隔離層之上的、具有垂直磁晶各向異性的磁性自由層。

中國發明專利申請2016110045027公開了一種微波探測元件，包括相對設置的絕緣層和第一磁性層；絕緣層施加有偏置電壓時，絕緣層的鄰近于第一磁性層的界面產生電場或發生應力形變，以改變第一磁性層的磁性。根據本發明的微波探測元件基于電場調控，利用各向異性磁電阻效應或巨磁電阻效應，實現微波探測。這兩個專利的原理都是外來信號時，自由層中一致取向的磁矩會一致進動由此產生磁阻變化，來探測微波場的功率。這種方法具有很高的靈敏度，達到70000mV/mW，但是需要偏置電流輔助才能達到這么高的靈敏度，而且施加偏置電流輔助，勢必會加大元件的功耗；當沒有偏置電流輔助時，靈敏度值也僅有1000mV/mW左右。

發明內容

本發明提供一種可克服現有技術不足的微波探測元件。

本發明的微波探測元件包括依次層疊設置的片狀釘扎層、絕緣層、自由層和重金屬層，各層間物理結合，例如通過真空濺射或真空蒸鍍等方式逐層形成相應的各層，所述的：釘扎層和自由層分別用任一種能與絕緣層形成磁隧道結結構的磁性材料制成，絕緣層材料選自MgO_X、AlO_X、TaO_X中的一種，重金屬層由Pt、Ta、Pd、Ir、Au、Gd、Hf、W、Re或Os中的任一種制成，且材料選擇時應保證使重金屬層材料與自由層材料間可產生Dzyaloshinskii–Moriya相互作用，所述的釘扎層中磁矩沿垂直方向排布，且由于Dzyaloshinskii–Moriya相互作用使得自由層中磁矩排布為磁斯格明子態。