CN110836734B - 一种利用磁隧道结tmr效应测量温度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用磁隧道结TMR效应测量温度的方法，包括以下步骤：利用恒温器，准确测量磁隧道结在不同温度下（4K‑400K）磁隧道结的磁电阻，获得磁隧道结在高电阻态下电阻RAP(T)和低电阻态下电阻RP(T)与温度的变化曲线，计算得到TMR与温度的关系曲线；测量磁隧道结在不同低温条件下的磁电阻与TMR值，通过比较TMR与温度的关系曲线，准确测得温度参数。本发明以纳米级或微米级磁隧道结作为测温元器件，测量准确度高，抗干扰性能好，操作简单，同时磁隧道结非常小，适合将磁隧道结制作成具有高空间分辨率的温度传感器，可用于环境温度的监测和实验仪器等设备中。

Description

一种利用磁隧道结TMR效应测量温度的方法
技术领域
本发明涉及一种利用磁隧道结TMR效应测量温度的方法，属于温度传感技术领域。
背景技术
近年来，温度传感器发展迅速，市场快速上升，几乎占了整个传感器总需求量的40%，尤其是汽车电子、消费电子和加工工业的迅猛增长带来了温度传感器需求的大幅增加，如根据MarketsandMarkets公司的分析和预测，温度传感器市场在2014年至2020年间将以5.11%的复合年均增长率增加，并且在2020年其总量将达到60.5亿美元。目前我国温度传感器只有中低档产品基本满足市场需求，产品品种满足率在60%-70%左右。但从行业产品结构看，老产品比例占60%以上，新产品明显不足，高新技术类产品更少；同时数字化、智能化、微型化产品严重欠缺。
随着电子器件的快速小型化，热耗散与热传导变得愈加重要，正成为电子器件的进一步小型化的限制因素以及基础研究领域的关键因素，自旋热点学的兴起，需要对纳米薄膜的温度以及周边环境温度的需要准确掌握，所要求的测量方法的更加准确、快速、并且有更高的空间分辨率。研究表明，基于Julliere的自旋极化直接弹性隧穿模型(spin-polarized direct elastic tunneling model), 磁隧道结的电导G=1/R随着温度T的变化存在以下关系：
GP/AP(T)=G0(T)(1±P(T)2)+GSI
其中+与-分别表示低电阻态（P）与高电阻态（AP），G 0(T)=G 0 CT/sin(CT)是直接弹性隧穿的前置系数，G 0是T=0 K时的电导率，C是常数，P(T)是MTJ中磁性薄膜的自旋极化率。随着MTJ制备技术不断提高，具有高质量薄膜和高TMR的MTJ的电导在AP态时，它的电导率是随着温度非常大，但在P态下，电导率随着温度变化较小，而TMR是磁隧道结的核心参数，其值受其他因素影响更小，并且TMR与温度具有很强的依赖关系，因此磁隧道结可以据此作为测温元器件。
发明内容
本发明的目的提供一种利用磁隧道结TMR效应测量温度的方法，与传统温度测温器件相比，该测量方法测量准确度高，响应时间快，体积小，与利用磁隧道结的磁电阻测量温度相比，抗干扰性能更好。
本发明提供的磁隧道结作为低温传感器的温度测量方法，包含以下步骤：
（1）：利用恒温器，准确测量磁隧道结（MTJ）在不同温度下（4K-400K）磁隧道结的磁电阻，获得磁隧道结在高电阻态下磁电阻RAP(T)和低电阻态下磁电阻RP(T)与温度的变化曲线，根据公式TMR=(RAP-RP)/RP100%，计算得到TMR与温度的关系曲线；
（2）：测量磁隧道结在不同温度条件下高电阻态和低磁电阻态下的磁电阻和TMR值，通过比较TMR与温度的关系曲线，准确测得温度参数。
尤其，优选地，所述步骤（1）中的恒温器的温度控制范围为4 K～400 K。
尤其，优选地，所述步骤（1）中的磁隧道结（MTJ）包括以下结构：氧化镁或者氧化铝为绝缘层，CoFeB为磁性自由层和参考层，以CoFe为反铁磁层，以及保护层和连接层，保护层其特征在于，以Ru, Ta, Cu等的一层或多层作为保护层，连接层其特征在于，以Cu, Ta和CuN等的一层或多层作为连接层；所述磁隧道结的形状为椭圆形或者方形，其特征在于大小50 nm×50nm到600nm×600nm。
尤其，优选地，所述步骤（1）中，使用Keithley 2400在MTJ中施加一个直流电流，电流的大小为100 µA到3 mA，采用 4线法测量。
尤其，优选地，所述步骤（2）中，在不同温度条件下测量高电阻态和低电阻态下的磁电阻，所加的测量电流必须与步骤（1）所加直流电流大小相同。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
（1）与利用磁隧道结磁电阻测量温度的方法相比，本发明测量精度更高，抗干扰性更好；
（2）由于磁隧道结非常小，通常只有几百纳米至几微米，利于小型化，应用范围更广。
附图说明
图1磁隧道结在高电阻态RAP(T)和低电阻态RP(T)与温度的变化曲线。
图2磁隧道结利用TMR与温度的变化曲线测量温度的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式及对比例对本发明作进一步阐述。
实施例1，
以200 nm×300 nm的磁隧道结的TMR效应测量温度为例，利用Keithley 2400在MTJ两端施加一个直流电流，大小为1 mA，控制恒温器的温度，采用4线法测量磁隧道结（MTJ）在不同温度下（4K-400K）磁隧道结的磁电阻，获得磁隧道结在高电阻态下磁电阻RAP(T)和低电阻态下磁电阻RP(T)与温度的变化曲线，如图1所示，根据公式TMR=(RAP-RP)/RP100%，计算得到TMR与温度的关系曲线，如图二所示；改变恒温器的温度，在磁隧道结两端一个直流电流，大小同样为1 mA， 同样采用4线法测得磁隧道结在高电阻态时的磁电阻RAP=82.40Ω，其在低电阻态时的磁电阻RP= 42.00Ω，计算TMR=96.2%，通过与TMR与温度的关系曲线比较得到，此时恒温器的温度为112.7 K。

Claims (5)

1.一种利用磁隧道结TMR效应测量温度的方法, 其特征在于测量过程包含两个步骤：
（1）：利用恒温器，准确测量磁隧道结MTJ在不同温度下的磁电阻，获得磁隧道结在高电阻态下磁电阻RAP和低电阻态下磁电阻RP与温度的变化曲线，根据公式TMR=(RAP-RP)/RP100%，计算得到TMR与温度的关系曲线；
（2）：测量磁隧道结在不同低温条件下高电阻态和低电阻态下的磁电阻和TMR值，通过比较TMR与温度的关系曲线，准确测得温度参数。
2.根据权利要求1所述的一种利用磁隧道结TMR效应测量温度的方法，步骤（1）中的恒温器的温度控制范围为4 K～400 K。
3.根据权利要求1所述的一种利用磁隧道结TMR效应测量温度的方法，步骤（1）中的磁隧道结MTJ包括以下结构：氧化镁或者氧化铝为绝缘层，CoFeB为磁性自由层和参考层，以CoFe为反铁磁层，以及保护层和连接层，以Ru, Ta, Cu的一层或多层作为保护层，以Cu, Ta和CuN的一层或多层作为连接层；所述磁隧道结的形状为椭圆形或者方形，大小50 nm×50nm到600nm×600nm。
4.根据权利要求1所述的一种利用磁隧道结TMR效应测量温度的方法，步骤（1）中，测量MTJ磁电阻的过程中，使用Keithley 2400在MTJ中施加一个直流电流，电流的大小为100 µA到3 mA，采用 4线法测量。
5.根据权利要求4所述的一种利用磁隧道结TMR效应测量温度的方法，步骤（2）中，在不同温度条件下测量高电阻态和低电阻态下的磁电阻，所加的测量电流必须与步骤（1）所加直流电流大小相同。
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