CN101236096A - 隧道结非接触式位移测量方法及位移传感器 - Google Patents

隧道结非接触式位移测量方法及位移传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种隧道结非接触式位移测量方法及位移传感器，在基片上安装有隧道结阵列，所述的隧道结阵列外接有可以探测出每个隧道结电阻大小变化的外围电路，每个隧道结对应一个确定的位置信息；隧道结阵列上方设置一个可移动的激光光源，当激光光源发出的激光束照射到某一个隧道结上时，该隧道结的外围电路感知其电阻变化，从而得到该隧道结的位置信息，从而得出与激光光源位置相对应的待测对象的位移或长度。可以以较低的成本实现极高精度和稳定性的位移探测，由于其原理采用数字式，所以整个传感器系统具有极高的抗干扰性，并且由于没有采用通常磁珊型位移传感器所采用的磁珊尺，即使在强磁场下也不会损坏，并且在一定大小的磁场下也可以工作，拓宽了其应用领域。

Description

隧道结非接触式位移测量方法及位移传感器
技术领域
本发明涉及一种用来测量微小位移的传感器件，尤其涉及一种带有隧道结磁阻元件的激光热辅助式位移传感器件。
背景技术
隧道结磁电阻(TMR)材料是近年来发现到的一种极为显著的磁阻效应，即其电阻的大小随外界磁场的变化而变化，室温下的磁电阻变化可达50％甚至100％以上，是目前发现的室温下磁电阻变化最大的材料，其材料的特点是至少有两个铁磁金属层被一个氧化层分开，TMR的物理起源是铁磁金属中电子的自旋相关散射。自从隧道结磁电阻现象被发现以来，由于其极高的对弱磁场的灵敏度，并且其磁感应面积微小，目前世界上最小的已达到亚微米甚至纳米量级，受到了商业界的广泛重视，除了在计算机磁头和MARM(非挥发性磁性存储器)方面的重要应用之外，也逐渐渗透到一些对其他对较弱磁场感应的应用领域之中，如位置传感器，电流计，指南针等等。
除了其对磁场感应之外，最近在非挥发性磁性存储器的应用中最新发现和发展起来的一种电流驱动效应(spin torque effect，见参考文献Phys.Rev.Lett-84-3149-2000或Nature(London)-425-380-2003)，即在一个大于某一临界值的脉冲电流通过隧道结时同样会引起其电阻的大幅度变化，这种效应尽管机制与磁场引起的隧道结电阻变化不同，但效果是一样的，这种效应同样被用在存储器的信息记录单元。在利用其做为磁存储单元时，有一种技术叫做热辅助读写方式，即利用隧道结材料的自由层的矫顽力大小随着温度的升高而降低这一特性，通过激光来实现局部加热，降低其写入信息时的电流大小，这样不仅可以拓宽使用材料的范围，降低功耗，而且可以提高其在室温下的信息存储的热稳定性。
测量位移的高精度位移传感器被广泛应用在工业自动化和科学研究领域，目前在测量微小位移非接触式的传感器产品中主要包括3种：容珊、光栅和磁栅型位移传感器，这三种产品测量的微小位移的精度都可以达到微米量级，各有优缺点。容珊制作工艺相对简单，成本较低，精度最高可以达到1微米左右，但由于不能在潮湿的工作环境中使用，限制了它的应用范围；光栅是目前三种传感器中精度较高的一种，但是容易受到粉尘和环境污染的影响，同样使其应用范围受到限制；目前使用的磁栅型传感器在一定程度上弥补了以上两种传感器的使用缺点，如可以工作在潮湿和粉尘等较为恶劣环境中，但由于采用的磁栅尺很容易受到外界磁场的干扰，而且一旦被外界磁场磁化后便无法复原，导致产品的永久性损坏。而且这三种传感器都是采用模拟式的(包括外围放大电路)，这使得其在工作中容易受到环境噪音的干扰，并且在精度和分辨率要求进一步达到纳米量级的情况下，其成本和价格会大幅度提高。
发明内容
为了克服这一困难，本发明提供一种以隧道结材料为基础的具有高精度的、数字式的隧道结非接触式位移测量方法及位移传感器，由于与传统的模拟式的位移传感器不同，数字式的原理使其在抗干扰方面极具优势，并且外围放大电路相对简单，并且在测量纳米量级的位移时，其灵敏度和精度不会有丝毫的降低。
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种隧道结非接触式位移测量方法，其特征在于在基片上安装有隧道结阵列，所述的隧道结阵列外接有可以探测出每个隧道结电阻大小变化的外围电路，每个隧道结对应一个确定的位置信息；隧道结阵列上方设置一个可移动的激光光源，当激光光源发出的激光束照射到某一个隧道结上时，该隧道结的外围电路感知其电阻变化，从而得到该隧道结的位置信息，从而得出与激光光源位置相对应的待测对象的位移或长度。
所述的隧道结非接触式位移测量方法，其特征在于在基片上安装的隧道结阵列为一列隧道结，在隧道结阵列上方设置一个与隧道结阵列平行的轨道，轨道内安装有滑块，激光光源安装于滑块上，所述的滑块可沿轨道移动。
所述的隧道结非接触式位移测量方法，其特征在于所述隧道结的钉扎层采用合成钉扎形式，所述合成钉扎形式为反铁磁层/铁磁层/非磁性层/铁磁层；所述的隧道结可以用巨磁电阻材料替代。
一种隧道结非接触式位移传感器，其特征在于包括有基片，在基片上安装有隧道结阵列，所述的隧道结阵列外接有可以探测出每个隧道结电阻大小变化的外围电路；隧道结阵列上方安装有与隧道结阵列平行的轨道，轨道内安装有滑块，激光光源安装于滑块上，所述的滑块可沿轨道移动，激光光源位于隧道结的上方，其发射光束方向照射到隧道结上。
所述的隧道结非接触式位移传感器，其特征在于所述的隧道结阵列为一列隧道结，且相邻的隧道结的距离预先设定，当滑块移动时，激光光源的光斑覆盖或部分覆盖一个隧道结时，不会同时覆盖到另一个隧道结。
所述的隧道结非接触式位移传感器，其特征在于所述的激光光源为短波长。
所述的隧道结非接触式位移传感器，其特征在于隧道结阵列中的每个隧道结具有大小相同的结面积，相近的电阻、磁电阻，隧道结自由层的矫顽力大小相等，每个隧道结相互之间的距离且每个隧道结已编号。
所述的隧道结非接触式位移传感器，其特征在于所述隧道结的钉扎层采用合成钉扎形式，所述合成钉扎形式为反铁磁层/铁磁层/非磁性层/铁磁层；所述的隧道结可以用巨磁电阻材料替代。
本发明每个隧道结之间的距离根据应用场合测位移要求(如光刻设备的分辨率)所决定，每个隧道结之间可以处于串联或并联，也可以独立，在工作状态下，不断地发射同样大小和频率脉冲电流到每个隧道结，当脉冲电流的大小小于临界值时，电流驱动效应不足以使隧道结的自由层翻转，隧道结的电阻不会变化，此时再以激光照射热辅助其自由层翻转，就可以使隧道结的电阻在脉冲电流小于临界值的情况下变化，而激光与所测位移的物体相连或相对应，在固定激光光源的位置时，打开激光开关，通过这种方法就可以测量对象所在的位置，或判断被测物体的位置或长度，其精度和分辨率取决于相邻隧道结的大小和相互之间的距离，而隧道结的大小和相互之间的距离由电子束曝光和极紫外曝光的分辨率或最小线宽决定，目前可以达到的分辨率在100nm以下。
本发明的有益效果是：可以以较低的成本实现极高精度和稳定性的位移探测，由于其原理采用数字式，所以整个传感器系统具有极高的抗干扰性，并且由于没有采用通常磁珊型位移传感器所采用的磁珊尺，即使在强磁场下也不会损坏，并且在一定大小的磁场下也可以工作，拓宽了其应用领域。
附图说明
图1本发明的隧道结结构示意图。
图2本发明的结构原理示意图。
具体实施方式
如图1所示，隧道结位移传感器制作方法：首先制备如图1所示的隧道结阵列，每个隧道结1、2、3、4、5之间相互独立，并且每个隧道结与相应的可以测量其电阻大小的电路相连，隧道结结构：
Ta5nm/Ru5nm/Cu10nm/IrMn10nm/CoFeB4nm/MgO2nm/CoFeB4nm/Ta5nm/Ru5nm
然后采用通过光刻一系列微加工技术等通常的制备隧道结的方法制备出单个面积为5×5微米大小，每个隧道结之间的距离为10微米的隧道结阵列。
进一步的，如图2所示，在已制备好的隧道结阵列固定于基片上，所述的隧道结阵列外接有可以探测出每个隧道结电阻大小变化的外围电路；隧道结阵列上方安装有与隧道结阵列平行的轨道，轨道内安装有滑块，激光光源安装于滑块上，所述的滑块可沿轨道移动，激光光源位于隧道结的上方，其发射光束方向照射到隧道结上。
激光光源可以采用短波长的蓝色激光，其聚焦光斑大小约为500nm左右，隧道结阵列上单个隧道结大小为100nm左右。由于每个隧道结之间的距离已知，当激光光源移动到某个已编好号的隧道结上时，打开激光光源开关和脉冲电源开关，通过外围放大电路判断隧道结电阻的变化即可以得出光斑所在的位置，从而得出与激光光源相对应的待测对象的位移或长度。
本发明隧道结可以用巨磁电阻元件代替。

Claims (8)

1、一种隧道结非接触式位移测量方法，其特征在于在基片上安装有隧道结阵列，所述的隧道结阵列外接有可以探测出每个隧道结电阻大小变化的外围电路，每个隧道结对应一个确定的位置信息；隧道结阵列上方设置一个可移动的激光光源，当激光光源发出的激光束照射到某一个隧道结上时，该隧道结的外围电路感知其电阻变化，从而得到该隧道结的位置信息，从而得出与激光光源位置相对应的待测对象的位移或长度。
2、根据权利要求1所述的隧道结非接触式位移测量方法，其特征在于在基片上安装的隧道结阵列为一列隧道结，在隧道结阵列上方设置一个与隧道结阵列平行的轨道，轨道内安装有滑块，激光光源安装于滑块上，所述的滑块可沿轨道移动。
3、根据权利要求1所述的隧道结非接触式位移测量方法，其特征在于所述隧道结的钉扎层采用合成钉扎形式，所述合成钉扎形式为反铁磁层/铁磁层/非磁性层/铁磁层；所述的隧道结可以用巨磁电阻材料替代。
4、一种隧道结非接触式位移传感器，其特征在于包括有基片，在基片上安装有隧道结阵列，所述的隧道结阵列外接有可以探测出每个隧道结电阻大小变化的外围电路；隧道结阵列上方安装有与隧道结阵列平行的轨道，轨道内安装有滑块，激光光源安装于滑块上，所述的滑块可沿轨道移动，激光光源位于隧道结的上方，其发射光束方向照射到隧道结上。
5、根据权利要求4所述的隧道结非接触式位移传感器，其特征在于所述的隧道结阵列为一列隧道结，当滑块移动时，激光光源的光斑覆盖或部分覆盖一个隧道结时，不会同时覆盖到另一个隧道结。
6、根据权利要求4所述的隧道结非接触式位移传感器，其特征在于所述的激光光源为短波长。
7、根据权利要求4所述的隧道结非接触式位移传感器，其特征在于隧道结阵列中的每个隧道结具有大小相同的结面积，相近的电阻、磁电阻，隧道结自由层的矫顽力大小相等，每个隧道结相互之间的距离且每个隧道结已编号。
8、根据权利要求4所述的隧道结非接触式位移传感器，其特征在于所述隧道结的钉扎层采用合成钉扎形式，所述合成钉扎形式为反铁磁层/铁磁层/非磁性层/铁磁层；所述的隧道结可以用巨磁电阻材料替代。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101509752A (zh) * 2009-03-24 2009-08-19 无锡市纳微电子有限公司 一种改良的非接触式位移测量方法及使用该方法的传感器
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