CN108075034A - 一种微波探测元件以及微波探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波探测元件，包括相对设置的绝缘层和第一磁性层；绝缘层施加有偏置电压时，绝缘层的邻近于第一磁性层的界面产生电场或发生应力形变，以改变第一磁性层的磁性。根据本发明的微波探测元件基于电场调控，利用各向异性磁电阻效应或巨磁电阻效应，实现微波探测。根据本发明的微波探测元件，在微波探测的过程中，采用电场作用而非电流作用，可以有效降低器件功耗，且具有尺寸小、功耗低、灵敏度高的优点，可以实现高信噪比的微波探测；与此同时，其可在常温下工作，对探测方式没有限制，可以广泛地应用于微波输能、多路通信等领域。本发明还公开了具有上述微波探测元件的微波探测器。

Description

一种微波探测元件以及微波探测器

技术领域

本发明属于微波探测技术领域，具体地讲，涉及一种微波探测元件及微波探测器。

背景技术

微波探测器是一种将交流信号转化为直流信号、继而进行微波信号探测的整流电路系统，其在远程通信、电子工业、科学研究等领域具有广泛的应用。在电子通信系统中，往往需要探测微波信号的有无或强弱来作为能否正常工作的标准。例如，无线电接收器中通常会对接收信号的强度进行测量，以调整自动增益控制电路，便于从接收器持续获取需要的输出信号，因此微波探测器构成了信号幅度测量系统的核心。目前主要采用肖特基二极管或PN结二极管作为微波探测器的元件；相对于PN结二极管，肖特基二极管的恢复时间短、正向电压低，因此在很宽的频率范围内都具有较高的探测灵敏度。

在室内低功率无线传感器供能、环境射频和微波辐射能量的再利用等领域，需要考虑宽带、低功率的微波能量的收集和转换，因而对微波探测器的功耗提出更高的要求。以肖特基二极管构成的微波探测器，在微波功率探测领域已经得到广泛应用，但是功耗相对较高。目前商业上肖特基二极管的最高灵敏度为3800mV/mW。虽然采用低势垒肖特基二极管制成的超小功率计能检测0.1纳瓦级的功率信号，但是其灵敏度明显不足。另外，在远程通信领域，常温下实现对高速多路复用通信的操作，往往需要高灵敏度的微波检测元件。目前，采用超导热辐射仪(superconducting bolometers)可以实现高灵敏度微波检测，然而这种仪器只能在低温下进行工作，这就大大限定了其使用范围。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种微波探测元件，该微波探测元件基于电场调控，在绝缘层受到外加偏置电压时，绝缘层的邻近第一磁性层的界面处产生电场或发生应力形变，并改变第一磁性层的磁性，调控该第一磁性层的磁电阻发生变化，进而通过结合第一磁性层材料的铁磁共振与电场调控作用，实现微波探测。

为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种微波探测元件，包括叠层设置的绝缘层和第一磁性层；所述绝缘层在施加有偏置电压时，所述绝缘层的邻近所述第一磁性层的界面产生电场或发生应力形变，以改变所述第一磁性层的磁性。

进一步地，所述第一磁性层的厚度为0.8nm～20nm，所述第一磁性层的材料选自NiFe、Fe、Co、FeB、CoFeB、Co/Pt、Co/Pd、Co/Ni、CoFeSiB和TeFeCoAl中的至少一种。

进一步地，所述绝缘层的厚度为0.1mm～2mm；所述绝缘层的材料选自磁性绝缘材料、铁电陶瓷和拓扑绝缘体中的至少一种。

进一步地，所述第一磁性层上还依次叠层设置有空间层和第二磁性层，所述第一磁性层、空间层、第二磁性层依次叠层设置形成巨磁电阻结构。

进一步地，所述第二磁性层的厚度为0.8nm～20nm，所述第二磁性层的材料选自NiFe、Fe、Co、FeB、CoFeB、Co/Pt、Co/Pd、Co/Ni、CoFeSiB和TeFeCoAl中的至少一种。

进一步地，所述空间层的厚度为0.5nm～5nm，所述空间层的材料为金属材料或绝缘材料。

进一步地，所述绝缘层的厚度为0.5nm～5nm；所述绝缘层的材料选自Al₂O₃和MgO中的至少一种；所述第一磁性层的厚度不超过2nm，所述第一磁性层的材料选自NiFe、Fe、Co、FeB、CoFeB、Co/Pt、Co/Pd、Co/Ni、CoFeSiB和TeFeCoAl中的至少一种。

进一步地，所述微波探测元件还包括第二磁性层，所述第一磁性层、绝缘层、第二磁性层依次叠层设置形成磁性隧道结。

进一步地，所述第二磁性层的厚度不超过3nm，所述第二磁性层的材料选自NiFe、Fe、Co、FeB、CoFeB、Co/Pt、Co/Pd、Co/Ni、CoFeSiB和TeFeCoAl中的至少一种。

本发明的另一目的在于提供一种微波探测器，其包括如上任一所述的微波探测元件。

本发明通过设置紧邻的绝缘层和第一磁性层，使得该微波探测元件在外加偏置电压时，其中的绝缘层的邻近第一磁性层的界面处产生电场或发生应力形变，并作用于邻近的第一磁性层而改变第一磁性层的磁性，从而当改变外加偏置电压的大小和方向时，受到电场调制的第一磁性层可以通过铁磁共振吸收探测外部的微波信号；同时，通过对外加电场和探测微波的功率、频率的相互依赖关系，还可以标定出探测微波的功率、频率随电场的变化，进而可以用于对微波的探测。根据本发明的微波探测元件，在微波探测的过程中，采用电场作用而非电流作用，可以有效降低器件功耗，具有潜在的应用优势。根据本发明的具有上述微波探测元件的微波探测器，相比一般基于肖特基二极管的微波探测器，具有尺寸小、功耗低、灵敏度高的优点，可以实现高信噪比的微波探测；与此同时，该微波探测器相比于现有技术中的超导热辐射仪，也可在常温下工作，对探测方式没有限制，因而可以广泛地应用于微波输能、多路通信等领域。

附图说明

通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：

图1是根据本发明的实施例1的微波探测元件的结构示意图。

图2是根据本发明的实施例1的微波探测元件在施加电场时的结构示意图。

图3是根据本发明的实施例2的微波探测元件的结构示意图。

图4是根据本发明的实施例2的微波探测元件在电场调制下的微波响应曲线。

图5是根据本发明的实施例3的微波探测元件的结构示意图。

图6是根据本发明的实施例4的微波探测元件在电场调制下的频率探测曲线。

图7是根据本发明的实施例4的微波探测元件的结构示意图。

图8是根据本发明的实施例4的微波探测元件在电场调制下的微波响应曲线。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。在附图中，为了清楚起见，可以夸大元件的形状和尺寸，并且相同的标号将始终被用于表示相同或相似的元件。

将理解的是，尽管在这里可使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开来。

本发明公开了一种基于电场调控的微波探测元件，其通过外加偏置电压调控与绝缘层邻近的第一磁性层的磁性，进而实现对外部微波信号的探测。

根据本发明的微波探测元件的机理主要源自式(1)：

由于每条微波响应曲线是由对称洛仑兹和反对称的洛仑兹线型共同构成的；因此，在式(1)中，V_s和V_a分别是对称线型和反对称线型的系数，其决定了线型的形状；σ是构成磁性层的磁性材料的磁性因子；f是注入微波探测元件中的微波频率，当频率为f₀时，出现共振峰，将f₀称作特定频率；V_dc表示整流电压，其代表对不同频率微波信号的响应强度。

具体来讲，在本发明的微波探测元件中，主要包括以下三方面的影响：磁电阻效应、铁磁共振以及电场调控。

(1)磁电阻效应反映了该微波探测元件的电阻随着构成第一磁性层的磁性材料的磁矩的取向而发生改变，而电阻变化率受磁电阻率的影响；磁电阻效应产生的根本是上述磁性材料的磁矩的变化，而磁矩的调控，可以受到外界诸如磁场、电场、电流等物理量的调控。鉴于磁电阻效应，对于具有不同结构或采用不同磁性材料形成第一磁性层的微波探测元件，由于其中的磁电阻率不同，从而造成上述式(1)中V_s和V_a发生变化。

(2)铁磁材料在一定的外加磁场和一定频率的微波磁场中，当满足共振条件时会产生强烈的共振吸收的现象称为铁磁共振。从本发明的微波探测元件的角度来看，铁磁共振可以认为是一种自旋整流现象，即当有微波信号注入第一磁性层中，构成第一磁性层的磁性材料的磁矩受到周期振荡的磁场或电场影响而发生磁电阻的变化。当微波信号的频率与磁电阻振荡变化的频率一致时，此时微波探测元件经由设置于其两端的金属电极输出直流电压；也就是说，将一定频率的交流信号转变为直流电压信号，产生整流现象，而该输出的直流电压即为上述整流电压V_dc。

(3)本申请的微波探测元件主要依赖电场调控，以进行微波频率的检测；也就是说，电场用于对构成第一磁性层的磁性材料的磁矩产生调控作用，进而调控磁电阻的变化。从而利用铁磁共振和电场调控相结合，以实现微波探测元件对微波频率的检测。

上述式(1)阐述了基于本申请的微波探测元件的器件结构用以实现微波探测的基本原理；简言之，就是对微波探测元件中的第一磁性层注入不同频率的微波信号，可以实现对特定频率f₀的探测。由此可以看出，根据本发明的微波探测元件是基于电场调控进行微波探测的，其相比于现有技术中的基于电流调控的微波探测器，更有利于降低器件的功耗，由此在微波探测器的应用中存在巨大的优势。

基于上述原理，以下将通过具体的实施例介绍本申请的微波探测元件的具体结构。

实施例1

参照图1，本实施例公开了一种微波探测元件，包括叠层设置的绝缘层11和第一磁性层121；绝缘层11与第一磁性层121直接贴覆在一起；由此，当向该微波探测元件施加偏置电压时，绝缘层11会感应该偏置电压，绝缘层11的邻近第一磁性层121的界面处即发生应力形变，并作用于第一磁性层121上，第一磁性层121的磁性即被改变，即第一磁性层121受电场调制用于微波探测。

在本实施例的微波探测元件中，上述电场调控的机理称之为应力调控。

在本实施例中，鉴于该微波探测元件是一个双层结构，其中仅有一层磁性层，因此其磁电阻率较小，一般为百分之几。且在该仅有一层磁性层的结构中，磁电阻效应具体体现为各向异性磁电阻效应。

本实施例中的微波探测元件的宽度优选为20nm～2μm；当然，如若其长度与宽度相近，则所获得的微波探测元件是一块体状，如若其长度较大，则形成的为一纳米线状，此处不再赘述。

在本实施例中，绝缘层11的厚度为0.1mm～2mm，其材料选自磁性绝缘材料、铁电陶瓷、拓扑绝缘体中的至少一种，如YIG(即钇铁石榴石)、PMN-PT(铌镁酸铅)、BaFeO₃、BaTiO₃等。

第一磁性层121的厚度为0.8nm～20nm，其材料选自NiFe、Fe、Co、FeB、CoFeB、Co/Pt、Co/Pd、Co/Ni、CoFeSiB、TeFeCoAl中的至少一种；值得说明的是，此处如CoFeSiB即表示Co、Fe、Si、B四种金属及非金属形成的合金，而如Co/Pt则表示叠层设置的一层Co和一层Pt，其余类似。

根据本实施例的微波探测元件在使用时，一般需要在该微波探测元件的两侧分别贴覆一片金属电极2，如图2所示。如此，即可通过两片金属电极2对第一磁性层121注入微波，同时，通过设置在绝缘层11两侧的电极(图中未示出)对该微波探测元件施加偏置电压，此时绝缘层11的邻近第一磁性层121的界面处即发生应力形变，并作用于第一磁性层121，第一磁性层121发生磁性的改变，从而可以对注入第一磁性层121中的不同频率的微波实现共振吸收，达到不同电场调制下的微波探测。

在本实施例中，通过连接在两片金属电极2上的两个探测针进行探测，鉴于直接探测到的电压其实质为偏置电压和整流电压之和，而其中偏置电压会远大于整流电压，导致无法区分整流电压的大小；因此一般情况下可利用锁相放大技术(standard lock-intechnique)探测电压信号，此时可以避开偏置电压，从而探测到整流电压。

实施例2

参照图3所示，实施例2公开了一种微波探测元件，包括叠层设置的第一磁性层121、绝缘层11和第二磁性层122。

值得说明的是，在本实施例的微波探测元件中，电场调控的机理具体为界面调控。具体来讲，通过分别贴覆在第一磁性层121和第二磁性层122两侧的两片金属电极(图中未示出)施加偏置电压；当向该微波探测元件施加偏置电压时，绝缘层11产生电场，这部分电场由于自由电子屏蔽作用而仅仅作用于第一磁性层121与绝缘层11接触的界面的几个原子层厚的区域上，而影响了第一磁性层121中磁性材料的磁性，以用于微波探测。

在本实施例中，依次叠层设置的第一磁性层121、绝缘层11及第二磁性层122即形成了一个磁性隧道结，磁性隧道结的设置有利于该微波探测元件在微波探测的过程中实现更强的响应信号。这是由于本实施例所形成的磁性隧道结是一个具有多层磁性层的结构，因此其磁电阻率MR较大，一般为百分之一百左右。且在该具有多层磁性层的结构中，磁电阻效应具体体现为巨磁电阻效应。

值得说明的是，在具有多层磁性层的结构中，各材料层之间并不会体现简单的电阻串联机制，而是由材料及结构的内在物理机理决定了多层磁性层的结构中具有更大的电阻变化量ΔR，由此在电阻R变大的同时，仍能够根据式MR＝ΔR/R获得较单磁性层结构更大的磁电阻率MR，从而体现出巨磁电阻效应。

具体地，绝缘层11的厚度为0.5nm～5nm，绝缘层的材料选自Al₂O₃和MgO中的至少一种。

进一步地，第一磁性层121的厚度不超过2nm，第二磁性层122的厚度不超过3nm，第一磁性层和第二磁性层的材料均选自NiFe、Fe、Co、FeB、CoFeB、Co/Pt、Co/Pd、Co/Ni、CoFeSiB和TeFeCoAl中的至少一种。

在本实施例中，第一磁性层121为2nm厚的CoFeB，绝缘层11为2nm厚的MgO，第二磁性层122为3nm厚的CoFeB。

优选地，当第一磁性层121和第二磁性层122的厚度相当时，一般会在第二磁性层122上设置钉扎层(图中未示出)，该钉扎层包括一层反铁磁层或依次叠层设置在第二磁性层122上的金属耦合层、铁磁层、反铁磁层；钉扎层起到了维持第二磁性层122的磁矩稳定的作用。

对本实施例的微波探测元件在外加不同偏置电压下的微波信号以及在不同电场调制下对不同频率微波信号分别进行了测试，测试结果分别如图4、图5所示。在本实施中，为了方便测试，贴覆在该微波探测元件两侧的金属电极分别为10nm厚的Ta片和15nm厚的Ta片。

值得说明的是，在本实施例中，通过连接在两片金属电极上的两个探测针(图中未示出)进行探测，鉴于直接探测到的电压其实质为偏置电压和整流电压之和，而其中偏置电压会远大于整流电压，导致无法区分整流电压的大小；因此一般情况下利用锁相放大技术探测电压信号，此时可以避开偏置电压，从而探测到整流电压。

在图4中，对该微波探测元件的第一磁性层121注入不同频率的微波信号，再分别以300mV、0mV、-300mV为例，基于上述式(1)，绘制出整流电压V_dc与注入的微波频率f的关系曲线，即本实施例的微波探测元件在不同微波频率下的响应曲线，各响应曲线上均有吸收峰，即对应特定频率f₀下的微波探测。而在图5中，总结了不同的电场下，特定频率f₀随电场发生的改变，也更加直接地说明了电场对不同频率微波信号的探测。换句话说，图4与图5表明了如本实施例中的一个具有固定结构及材料的微波探测元件的标准参数。

当使用该微波探测元件对环境中的未知微波信号进行探测时，首先根据上述确定的标准参数，对该微波探测元件施加某一固定偏置电压，并检验是否有整流电压V_dc输出，最后根据输出的整流电压V_dc来确定环境中的位置微波信号的频率，即实现了利用该微波探测元件对微波信号的探测。本领域技术人员将理解的是，对于某一具有固定结构及材料的微波探测元件，其仅能够在一定偏置电压范围内检测一定范围的微波频率，因此，当上述检测过程中发现始终未出现对应的整流电压V_dc时，即可认为环境中的未知微波信号的频率已超出所使用的微波探测元件的检测范围。

实施例3

在实施例3的描述中，与实施例2的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例2的不同之处。具体参照图6所示，实施例3与实施例2的不同之处在于，绝缘层11的厚度为0.5nm～5nm，绝缘层11的材料选自Al₂O₃和MgO中的至少一种；第一磁性层121的厚度不超过2nm。

在本实施例中，在绝缘层11上还优选设置有非磁性金属层13；也就是说，本实施例公开的微波探测元件包括依次叠层设置的第一磁性层121、绝缘层11和非磁性金属层13。

具体地，非磁性金属层13的厚度为5nm，非磁性金属层13的材料选自Cu或Pt中的至少一种。

如此，当向该微波探测元件施加偏置电压时，绝缘层11产生电场，这部分电场作用于第一磁性层121与绝缘层11接触的界面的几个原子层厚的区域上，而影响了第一磁性层121中磁性材料的磁性，以用于微波探测。

鉴于本实施例所公开的微波探测元件中仅有一层磁性层，因此其磁电阻信号相比实施例2中的具有双层磁性层的结构的磁电阻信号更弱。

实施例4

在实施例4的描述中，与实施例1的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例1的不同之处。参照图7所示，实施例4与实施例1的不同之处在于，在本实施例的微波探测元件中，在第一磁性层121的背对绝缘层11的另一侧上依次叠层设置有空间层14和第二磁性层122；也就是说，本实施例的微波探测元件是由依次叠层设置的绝缘层11、第一磁性层121、空间层14以及第二磁性层122构成的。

优选地，在第二磁性层122上还可设置有钉扎层15。

在本实施例中，依次叠层设置的第一磁性层121、空间层14及第二磁性层122即形成了一个巨磁电阻结构，巨磁电阻结构的设置能够产生更强的磁电阻信号，从而提高该微波探测元件的探测灵敏度。这是由于本实施例所形成的巨磁电阻结构也是一具有多层磁性层的结构，因此其磁电阻率较大，一般为百分之一百左右。且在该具有多层磁性层的结构中，磁电阻效应具体体现为巨磁电阻效应。

空间层14的厚度一般控制在0.5nm～5nm的范围内，其材料可以是Au、Cu等金属材料或Al₂O₃、MgO等绝缘材料。

具体地，在本实施例中，绝缘层11为0.5mm厚的PMN-PT，第一磁性层121为2nm厚的CoFeB，空间层14为1nm厚的MgO，第二磁性层122为3nm厚的CoFeB，钉扎层15为8nm厚的IrMn。

值得说明的是，在本实施例的微波探测元件中，即使空间层14的材料选自绝缘材料时，该微波探测元件也主要是通过绝缘层11在外加偏置电压的情况下发生应力形变，以作用于第一磁性层121上并影响第一磁性层121的磁性。

对本实施例的微波探测元件在外加不同偏置电压下的微波信号进行了测试，测试结果如图8所示。在本实施中，为了方便测试，夹在该微波探测元件两侧的金属电极(图中未示出)分别为100nm厚的Ta片和15nm厚的Ta片。

在图8中，对该微波探测元件的第一磁性层121注入不同频率的微波信号，再分别以160V、0V、-160V为例，基于上述式(1)，绘制出整流电压V_dc与注入的微波频率f的关系曲线，即本实施例的微波探测元件在不同微波频率下的响应曲线，各响应曲线上均有吸收峰，即对应特定频率f₀下的微波探测。换句话说，图8表明了如本实施例中的一个具有固定结构及材料的微波探测元件的部分标准参数。

实施例5

本实施例公开了一种微波探测器，该微波探测器包括如上述实施例1-4中任一所述的微波探测元件，本实施例的微波探测器还包括依次连接在该微波探测元件上的信号检测模块、信号显示模块，以及连接在微波探测元件上的信号采集模块。

信号检测模块、信号显示模块及信号采集模块以及其之间的具体连接关系，本领域技术人员参照现有技术即可，此处不再一一赘述。

本实施例公开了的微波探测器可应用于室内低功率无线传感器供能、环境射频和微波辐射能量的再利用等领域，以及微波输能、多路通信等领域

虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。

Claims (10)

1.一种微波探测元件，其特征在于，包括叠层设置的绝缘层和第一磁性层；所述绝缘层在施加有偏置电压时，所述绝缘层的邻近所述第一磁性层的界面产生电场或发生应力形变，以改变所述第一磁性层的磁性。

2.根据权利要求1所述的微波探测元件，其特征在于，所述第一磁性层的厚度为0.8nm～20nm，所述第一磁性层的材料选自NiFe、Fe、Co、FeB、CoFeB、Co/Pt、Co/Pd、Co/Ni、CoFeSiB和TeFeCoAl中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的微波探测元件，其特征在于，所述绝缘层的厚度为0.1mm～2mm；所述绝缘层的材料选自磁性绝缘材料、铁电陶瓷和拓扑绝缘体中的至少一种。

4.根据权利要求1-3任一所述的微波探测元件，其特征在于，所述第一磁性层上还依次叠层设置有空间层和第二磁性层，所述第一磁性层、空间层和第二磁性层依次叠层设置形成巨磁电阻结构。

5.根据权利要求4所述的微波探测元件，其特征在于，所述第二磁性层的厚度为0.8nm～20nm，所述第二磁性层的材料选自NiFe、Fe、Co、FeB、CoFeB、Co/Pt、Co/Pd、Co/Ni、CoFeSiB和TeFeCoAl中的至少一种。

6.根据权利要求4所述的微波探测元件，其特征在于，所述空间层的厚度为0.5nm～5nm，所述空间层的材料为金属材料或绝缘材料。

7.根据权利要求1所述的微波探测元件，其特征在于，所述绝缘层的厚度为0.5nm～5nm；所述绝缘层的材料选自Al₂O₃和MgO中的至少一种；所述第一磁性层的厚度不超过2nm，所述第一磁性层的材料选自NiFe、Fe、Co、FeB、CoFeB、Co/Pt、Co/Pd、Co/Ni、CoFeSiB和TeFeCoAl中的至少一种。

8.根据权利要求1或7所述的微波探测元件，其特征在于，所述微波探测元件还包括第二磁性层，所述第二磁性层、绝缘层和第一磁性层依次叠层设置形成磁性隧道结。

9.根据权利要求8所述的微波探测元件，其特征在于，所述第二磁性层的厚度不超过3nm，所述第二磁性层的材料选自NiFe、Fe、Co、FeB、CoFeB、Co/Pt、Co/Pd、Co/Ni、CoFeSiB和TeFeCoAl中的至少一种。

10.一种微波探测器，其特征在于，包括如权利要求1-9任一所述的微波探测元件。