CN112420917B - 一种磁场探测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种磁场探测方法及装置，该装置包括：衬底；位于衬底上的多个探测单元；探测单元包括：相对设置的霍尔电极，位于相对设置的霍尔电极之间的阻变材料层和有源层，使得霍尔电极分别与阻变材料层和有源层均接触，有源层位于阻变材料层之上，该霍尔电极位于有源层的第一对边，嵌于有源层上的相对设置的两个欧姆电极，两个欧姆电极位于有源层的第二对边，进而能够对探测出的磁场信息进行存储记录，为磁场探测提供有效帮助。

Description

一种磁场探测方法及装置
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种磁场探测方法及装置。
背景技术
磁场探测技术应用比较广泛，工业领域中需要探测磁场的存在、强度或者方向，而且，所探测的磁场不仅限于地磁场，还包括永磁体、软磁体、地磁干扰、生物弱磁场以及电流感生的磁场等。
但是，现有的磁场探测结构无法实现存储功能，探测的磁场信号在掉电之后就会丢失，而目前为了实现对磁场信号的存储，采用外部的存储结构对所探测的磁场信息进行存储，不仅可以使得磁场信号在传输过程中失真，还会增加探测的结构复杂性。
因此，如何得到具有存储功能的磁场探测器是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种磁场探测装置及方法。
一方面，本发明实施例提供了一种磁场探测装置，包括：
衬底；
位于衬底上的多个探测单元；
所述探测单元包括：
相对设置的霍尔电极；
位于所述相对设置的霍尔电极之间的阻变材料层和有源层，使得所述霍尔电极分别与所述阻变材料层和所述有源层均接触，所述有源层位于所述阻变材料层之上，霍尔电极位于有源层的第一对边；
嵌于所述有源层上的相对设置的两个欧姆电极，所述两个欧姆电极位于所述有源层的第二对边。
进一步地，所述衬底具体为如下任意一种材料：
硅、柔性材料聚酰亚胺。
进一步地，所述霍尔电极和所述欧姆电极均具体为如下任意一种材料：
镍、金。
进一步地，所述有源层具体采用掺杂N型杂质的硅。
进一步地，所述阻变材料层具体为如下任意一种材料：
TiOx，HfOx，TaOx。
进一步地，所述多个探测单元以阵列形式排布在所述衬底上。
进一步地，所述多个探测单元的数量按照探测精度进行设置。
另一方面，本发明还提供了一种磁场探测方法，应用于上述的磁场探测装置，包括：
对每个探测单元的欧姆电极施加电流；
向垂直于所述多个探测单元所在的面施加预设磁场，所述预设磁场为磁场强度一致且分布不均匀的磁场；
在所述电流和所述预设磁场的作用下，确定所述多个探测单元中的目标探测单元，所述目标探测单元为在所述电流和所述预设磁场的作用下，阻变材料层由高阻态变为低阻态所对应的探测单元；
对所述目标探测单元所在的目标位置进行记录，以记录所述目标位置存在磁场。
进一步地，所述预设磁场的强度为：
Figure BDA0002732720680000021
其中，B为所述预设磁场的强度，Vset为使得所述阻变材料层由高阻态变为低阻态时，所述有源层产生的霍尔电势差，n为所述有源层的载流子浓度，q为电子电量，d为所述有源层的厚度，Ibise为对每个探测单元的欧姆电极施加的电流。
进一步地，对所述目标探测单元所在的目标位置进行记录，以记录所述目标位置存在磁场之后，还包括：
对所述磁场探测装置中的所述目标探测单元的欧姆电极都施加反向电流，以擦除记录，使得所述目标探测单元中的阻变材料层恢复为高阻态。
本发明提供的本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明提供的一种磁场探测装置，包括衬底、位于衬底上的多个探测单元，该探测单元包括：两侧的霍尔电极、位于霍尔电极之间的阻变材料层和有源层，该有源层位于阻变材料层之上，该霍尔电极位于有源层的第一对边，以及嵌于有源层上的两个欧姆电极，两个欧姆电极位于该有源层的第二对边；对多个探测单元中的每个探测单元的两个欧模电极施加电流，且垂直与多个探测单元所在面施加磁场，使得霍尔电极产生霍尔效应，以使探测到磁场的有源层在霍尔效应的作用下形成霍尔电势差；在该霍尔电势差的作用下，使得该阻变材料层由高阻态变为低阻态，对探测到磁场的有源层所对应的目标探测单元所在的目标位置进行记录，以记录目标位置存在磁场，进而能够对探测出的磁场信息进行存储记录，为磁场探测提供有效帮助。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考图形表示相同的部件。在附图中：
图1示出了本发明实施例一中磁场探测装置的结构示意图；
图2示出了本发明实施例一中探测单元的结构示意图；
图3a-图3d示出了本发明实施例一中探测单元对磁场探测过程中呈现的多种状态示意图；
图4a和图4b示出了本发明实施例一中基于阻变材料层的阻态，确定磁场分布的示意图；
图5示出了本发明实施例二中磁场探测方法的步骤流程示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例一
本发明实施例一提供了一种磁场探测装置，如图1和图2所示，包括：衬底101；位于衬底101上的多个探测单元102，该探测单元102包括：相对设置的霍尔电极201，位于相对设置的霍尔电极201之间的阻变材料层202和有源层203，使得霍尔电极201分别与阻变材料层202和有源层203均接触，该有源层203位于该阻变材料层202之上，该霍尔电极位于该有源层的第一对边，以及嵌于有源层上的相对设置的两个欧姆电极204，两个欧姆电极204位于有源层203的第二对边。
上述为该磁场探测装置的结构。
其中，该衬底101具体为如下任意一种材料：硅、柔性材料聚酰亚胺。在本发明中并不作限定。
该霍尔电极201与该欧姆电极204均具体为如下任意一种材料：镍、金。在本发明中并不作限定。
该有源层203具体为掺杂N型杂质的硅。在本发明中并不作限定。
该阻变材料层202具体为如下任意一种材料：TiOx，HfOx，TaOx。在本发明中并不作限定。
阻变材料层和霍尔电极构成了简单的MIM(metal-insulator-metal)电容结构的非易失存储器。该电容结构中间的阻变材料层电阻会在特定外机电信号下发生变化，并且，阻值变化后不会因电信号的撤除而恢复，因此，在本发明中能够对磁场信号进行记录和存储。
该多个探测单元102以阵列形式排布在衬底上，采用这样均匀排布的方式，能够对磁场内的各个位置进行有效探测。
而且，多个探测单元102的数量按照探测精度进行设置。比如，对于4×4数量的探测单元相较于9×9数量的探测单元，前者的探测精度略低于后者的探测精度。因此，本发明提供的磁场探测装置的精度可调。
下面，对该磁场探测装置的磁场探测原理进行说明：
首先对多个探测单元102中的每个探测单元的两个欧姆电极204施加电流，或者电压，且垂直于多个探测单元102所在的面施加预设磁场，以使在探测到磁场的有源层203中产生霍尔效应，使得霍尔电极201形成霍尔电势差。
具体地，在霍尔效应的作用下，探测到磁场的有源层203的载流子将发生偏离，继而被霍尔电极201所吸收，因此，在有源层203两侧即霍尔电极201上形成霍尔电势差，该霍尔电势差作用于下方的阻变材料层202。
接着，在霍尔电势差的作用下，使得该阻变材料层202由高阻态变为低阻态，因而，对该探测到磁场的有源层203所对应的目标探测单元所在的目标位置进行记录，以记录该目标位置存在磁场。
具体地，如图3a～图3d所示，为磁场探测装置的探测原理中单个探测单元102存在的四种状态。
其中，图3a为未对两个欧姆电极204施加正向电流，以及外界磁场的状态，即为初始态，此时，阻变材料层202为高阻态。
图3b为对两个欧姆电极204施加电压，以及外界磁场的状态，即为识别态，此时，两侧的霍尔电极204才刚产生霍尔电势差。
图3c为在霍尔电势差的作用下，阻变材料层202发生阻态变化的状态，即为存储态。此时，阻变材料层202由高阻态变为低阻态。
图3d为对两个欧姆电极204施加反向电流，同时也施加外界磁场的状态，即为擦除态，此时，阻变材料层202由低阻态恢复为高阻态，实现对存储的记录进行清除的效果。
按照上述的磁场探测原理，进而对各个位置的磁场进行探测，从而获得不均匀的磁场分布状态，具体如图4a、图4b所示。根据获得的每个探测单元中阻变材料层的阻态信息，进而得到各个位置处的阻变材料的分布情况。由此，到磁场的分布情况。
本发明提供的本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明提供的一种磁场探测装置，包括衬底、位于衬底上的多个探测单元，该探测单元包括：两侧的霍尔电极、位于霍尔电极之间的阻变材料层和有源层，该有源层位于阻变材料层之上，霍尔电极位于有源层的第一对边，以及嵌于有源层上的两个欧姆电极，两个欧姆电极位于该有源层的第二对边；对多个探测单元中的每个探测单元的两个欧姆电极施加电流，且垂直与多个探测单元所在面施加预设磁场，使得霍尔电极产生霍尔效应，以使探测到磁场的有源层在霍尔效应的作用下形成霍尔电势差；在该霍尔电势差的作用下，使得该阻变材料层由高阻态变为低阻态，对探测到磁场的有源层所对应的目标探测单元所在的目标位置进行记录，以记录目标位置存在磁场，进而能够对探测出的磁场信息进行存储记录，为磁场探测提供有效帮助。
实施例二
本发明实施例二提供了一种磁场探测的方法，应用于磁场探测装置中，如图5所示，包括：
S501，对每个探测单元的欧姆电极施加的电流；
S502，向垂直多个探测单元所在的面施加预设磁场，所述预设磁场为磁场强度一致且分布不均匀的磁场；
S503，在所述电流和所述预设磁场的作用下，确定所述多个探测单元中的目标探测单元，所述目标探测单元为在所述电流和所述预设磁场的作用下，阻变材料层由高阻态变为低阻态所对应的探测单元；
S504，对所述目标探测单元所在的目标位置进行记录，以记录所述目标位置存在磁场。
在一种可选的实施方式中，该单个探测单元中有源层在磁场和电流的作用下产生霍尔电压，具体为如下式所示：
Figure BDA0002732720680000071
其中，n为有源层中的载流子浓度，q为电子电量，d为有源层的厚度，B为外加磁场，Ibias为对每个探测单元中的两个欧姆电极施加的电流，VH为该霍尔电压。
在该霍尔电压VH达到VSET时，使得该阻变材料层由高阻态变为低阻态。因此，需要外加的预设磁场的强度为：
Figure BDA0002732720680000072
采用上述的磁场强度，才能满足阻变材料层对磁场的记录。
在对目标探测单元所在的目标位置进行记录，以记录目标位置在磁场之后，还包括：
对磁场探测装置中的目标探测单元的欧姆电极施加反向电流，以擦除上述的记录，使得目标探测单元中的阻变材料层恢复为高阻态。
因此，采用上述磁场探测装置对磁场进行探测并记录之后，还可以对探测的磁场信息进行擦除，进而可以重复利用，提高了该磁场探测装置的利用率。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种磁场探测装置，其特征在于，包括：
衬底；
位于衬底上的多个探测单元；
所述探测单元包括：
相对设置的霍尔电极；
位于所述相对设置的霍尔电极之间的阻变材料层和有源层，使得所述霍尔电极分别与所述阻变材料层和所述有源层均接触，所述有源层位于所述阻变材料层之上，所述霍尔电极位于所述有源层的第一对边；
嵌于所述有源层上的相对设置的两个欧姆电极，所述两个欧姆电极位于所述有源层的第二对边；
单个探测单元存在四种状态，包括：初始态、识别态、存储态、擦除态；其中，
所述初始态为：未对两个欧姆电极施加正向电流，以及未施加外界磁场的状态，此时，阻变材料层为高阻态；
所述识别态为：对两个欧姆电极施加电压，以及施加外界磁场的状态，此时，两侧的霍尔电极才刚产生霍尔电势差；
所述存储态为：在霍尔电势差的作用下，阻变材料层发生阻态变化的状态，此时，阻变材料层由高阻态变为低阻态；
所述擦除态为：对两个欧姆电极施加反向电流，同时也施加外界磁场的状态，此时，阻变材料层由低阻态恢复为高阻态，实现对存储的记录进行清除的效果；
所述多个探测单元以阵列形式、均匀排布在衬底上，以对磁场内的各个位置进行有效探测。
2.如权利要求1所述的磁场探测装置，其特征在于，所述衬底具体为如下任意一种材料：
硅、柔性材料聚酰亚胺。
3.如权利要求1所述的磁场探测装置，其特征在于，所述霍尔电极和所述欧姆电极均具体为如下任意一种材料：
镍、金。
4.如权利要求1所述的磁场探测装置，其特征在于，所述有源层具体采用掺杂N型杂质的硅。
5.如权利要求1所述的磁场探测装置，其特征在于，所述阻变材料层具体为如下任意一种材料：
TiOx，HfOx，TaOx。
6.如权利要求1所述的磁场探测装置，其特征在于，所述多个探测单元以阵列形式排布在所述衬底上。
7.如权利要求1所述的磁场探测装置，其特征在于，所述多个探测单元的数量按照探测精度进行设置。
8.一种磁场探测方法，应用于权利要求1-7中任一所述的磁场探测装置，其特征在于，包括：
对每个探测单元的欧姆电极施加电流；
向垂直于所述多个探测单元所在的面施加预设磁场，所述预设磁场为磁场强度一致且分布不均匀的磁场；
在所述电流和所述预设磁场的作用下，确定多个探测单元中的目标探测单元，所述目标探测单元为在所述电流和所述预设磁场的作用下，阻变材料层由高阻态变为低阻态所对应的探测单元；
对所述目标探测单元所在的目标位置进行记录，以记录所述目标位置存在磁场。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预设磁场的强度为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 870053DEST_PATH_IMAGE002
为所述预设磁场的强度，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为使得所述阻变材料层由高阻态变为低阻态时，所述有源层产生的霍尔电势差，
Figure 928138DEST_PATH_IMAGE004
为所述有源层的载流子浓度，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为电子电量，
Figure 193029DEST_PATH_IMAGE006
为所述有源层的厚度，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为对每个探测单元的欧姆电极施加的电流。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，对所述目标探测单元所在的目标位置进行记录，以记录所述目标位置存在磁场之后，还包括：
对所述目标探测单元的欧姆电极都施加反向电流，以擦除所述记录，使得所述目标探测单元中的阻变材料层恢复为高阻态。
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