CN113063839B - 一种基于磁隧道结的湿度探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及湿度探测领域，具体提供了一种基于磁隧道结的湿度探测器，钉扎层置于反铁磁层上，势垒层置于钉扎层上，自由层置于势垒层上，势垒层隔开钉扎层和自由层，自由层的表面设有楔形凹槽，吸湿膨胀材料置于楔形凹槽内。本发明中，钉扎层、势垒层、自由层构成磁隧道结。应用时，将本发明置于待测湿度环境中；同时，应用固定磁场作用于本发明。通过测量在待测湿度环境中和未在待测湿度环境中，磁隧道结磁电阻的差异，确定待测环境的湿度。本发明具有湿度探测灵敏度高的优点。

Description

一种基于磁隧道结的湿度探测器
技术领域
本发明涉及湿度探测领域，具体涉及一种基于磁隧道结的湿度探测器。
背景技术
湿度检测涉及生产和生活的各个领域。基于光纤的湿度检测具有灵敏度高的优点。但是，基于光纤的湿度检测装置成本高，体积大。探索基于新原理的湿度检测技术，对提高湿度检测的灵敏度和减小湿度检测装置的体积具有重要的意义。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供了一种基于磁隧道结的湿度探测器，包括反铁磁层、钉扎层、势垒层、自由层、吸湿膨胀材料，反铁磁层的材料为硬磁反铁磁材料，钉扎层置于反铁磁层上，钉扎层的材料为自旋性极化率高的金属或半金属，势垒层置于钉扎层上，自由层置于势垒层上，势垒层隔开钉扎层和自由层，自由层的材料为磁各向异性弱的软磁材料，自由层的表面设有楔形凹槽，吸湿膨胀材料置于楔形凹槽内。
更进一步地，在相邻楔形凹槽内，吸湿膨胀材料的深度不同。
更进一步地，相邻楔形凹槽的深度不同。
更进一步地，吸湿膨胀材料填充满楔形凹槽。
更进一步地，吸湿膨胀材料为聚酰亚胺。
更进一步地，反铁磁层的材料为IrMn、PtMn、FeMn。
更进一步地，钉扎层的材料为Co、Fe、CoFe、CoFeB、CoFeAl合金。
更进一步地，自由层的材料为NiFe合金、CoFe合金、CoFeB合金。
更进一步地，势垒层的材料为三氧化二铝或氧化镁。
更进一步地，势垒层的厚度大于0.8纳米、小于3纳米。
本发明的有益效果：本发明提供了一种基于磁隧道结的湿度探测器，包括反铁磁层、钉扎层、势垒层、自由层、吸湿膨胀材料，反铁磁层的材料为硬磁反铁磁材料，钉扎层置于反铁磁层上，钉扎层的材料为自旋性极化率高的金属或半金属，势垒层置于钉扎层上，自由层置于势垒层上，势垒层隔开钉扎层和自由层，自由层的材料为磁各向异性弱的软磁材料，自由层的表面设有楔形凹槽，吸湿膨胀材料置于楔形凹槽内。本发明中，钉扎层、势垒层、自由层构成磁隧道结。应用时，将本发明置于待测湿度环境中；同时，应用固定磁场作用于本发明。通过测量在待测湿度环境中和未在待测湿度环境中，磁隧道结磁电阻的差异，确定待测环境的湿度。在本发明中，吸湿膨胀材料吸湿后膨胀，从而改变了自由层内部的应力，从而改变了自由层的自旋状态，从而改变了磁隧道结的磁电阻。因为自由层的磁性或自旋严重地依赖于其内部的应力，所以本发明具有湿度探测灵敏度高的优点。另外，本发明是基于传统电学的，不需要光谱仪等大型设备，器件的尺寸小。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是一种基于磁隧道结的湿度探测器的示意图。
图2是又一种基于磁隧道结的湿度探测器的示意图。
图中：1、反铁磁层；2、钉扎层；3、势垒层；4、自由层；5、楔形凹槽。
具体实施方式
为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
实施例1
本发明提供了一种基于磁隧道结的湿度探测器，如图1所示，包括反铁磁层1、钉扎层2、势垒层3、自由层4、吸湿膨胀材料。反铁磁层1的材料为硬磁反铁磁材料，具体地，反铁磁层1的材料为IrMn、PtMn、FeMn。钉扎层置于反铁磁层上。钉扎层2的材料为自旋性极化率高的金属或半金属，钉扎层2的材料为Co、Fe、CoFe、CoFeB、CoFeAl合金。势垒层3置于钉扎层2上，自由层4置于势垒层3上。势垒层3隔开钉扎层2和自由层4。势垒层3的材料为三氧化二铝或氧化镁，势垒层3的厚度大于0.8纳米、小于3纳米，以便在自由层4和钉扎层2之间实现量子隧穿效应。自由层4的材料为磁各向异性弱的软磁材料，具体地，自由层4的材料为NiFe合金、CoFe合金、CoFeB合金。本发明中，钉扎层2、势垒层3、自由层4构成磁隧道结。自由层4的表面设有楔形凹槽5，吸湿膨胀材料置于楔形凹槽5内。吸湿膨胀材料吸湿后，产生膨胀。具体地，吸湿膨胀材料为聚酰亚胺。
应用时，将本发明置于待测湿度环境中；同时，应用固定磁场作用于本发明。通过测量在待测湿度环境中和未在待测湿度环境中，磁隧道结磁电阻的差异，确定待测环境的湿度。在本发明中，吸湿膨胀材料吸湿后膨胀，从而改变了自由层4内部的应力，从而改变了自由层4的自旋状态，从而改变了磁隧道结的磁电阻。因为自由层4的磁性或自旋严重地依赖于其内部的应力，所以本发明具有湿度探测灵敏度高的优点。另外，本发明是基于传统电学的，不需要光谱仪等大型设备，器件的尺寸小。
另外，本发明之间在自由层4表面设置楔形凹槽5，楔形凹槽5增强了吸湿膨胀材料与自由层4的作用，并且楔形凹槽5制作简单。
实施例2
在实施例1的基础上，在相邻楔形凹槽5内，吸湿膨胀材料的深度不同。这样一来，由于吸湿膨胀材料不在同一高度上，因此在自由层4内部产生更多沿图1中竖直方向上的应力变化，从而更多地改变自由层4内部的应力，从而更多地改变自由层4内的自旋状态，从而更多地改变磁隧道结的磁电阻，从而更进一步地提高湿度探测的灵敏度。
实施例3
在实施例1的基础上，如图2所示，相邻楔形凹槽5的深度不同。也就是说，吸湿膨胀材料在自由层4内的深度不同。这样一来，当吸湿膨胀材料吸湿膨胀时，在自由层4内形成交错的应力，从而更多地改变自由层4内的应力分布，从而更多地改变自由层4内的自旋状态，从而更多地改变磁隧道结的磁电阻，从而更进一步地提高湿度探测的灵敏度。
更进一步地，吸湿膨胀材料填充满楔形凹槽5。这样一来，吸湿膨胀材料对楔形凹槽5侧壁的压力更大，从而更多地改变自由层4内的应力，从而实现更高灵敏度的湿度探测。
更进一步地，吸湿膨胀材料覆盖自由层4。这样一来，参与吸湿膨胀的材料更多，对自由层4的作用力也更大，从而更多地改变自由层4内的应力，从而实现更高灵敏度的湿度探测。
更进一步地，较深楔形凹槽5的底部距离势垒层3的距离小于100纳米。这样一来，当楔形凹槽5底部的吸湿膨胀材料膨胀时，也会改变自由层4与势垒层3之间的界面，从而改变在该界面的量子隧穿几率，从而改变磁隧道结的磁电阻，从而更进一步地提高湿度探测的灵敏度。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于磁隧道结的湿度探测器，其特征在于，包括反铁磁层、钉扎层、势垒层、自由层、吸湿膨胀材料，所述反铁磁层的材料为硬磁反铁磁材料，所述钉扎层置于所述反铁磁层上，所述钉扎层的材料为自旋性极化率高的金属或半金属，所述势垒层置于所述钉扎层上，所述自由层置于所述势垒层上，所述势垒层隔开所述钉扎层和所述自由层，所述自由层的材料为磁各向异性弱的软磁材料，所述自由层的表面设有楔形凹槽，所述吸湿膨胀材料置于所述楔形凹槽内。
2.如权利要求1所述的基于磁隧道结的湿度探测器，其特征在于：在相邻所述楔形凹槽内，所述吸湿膨胀材料的深度不同。
3.如权利要求1所述的基于磁隧道结的湿度探测器，其特征在于：相邻所述楔形凹槽的深度不同。
4.如权利要求3所述的基于磁隧道结的湿度探测器，其特征在于：所述吸湿膨胀材料填充满所述楔形凹槽。
5.如权利要求1-4任一项所述的基于磁隧道结的湿度探测器，其特征在于：所述吸湿膨胀材料为聚酰亚胺。
6.如权利要求5所述的基于磁隧道结的湿度探测器，其特征在于：所述反铁磁层的材料为IrMn、PtMn、FeMn。
7.如权利要求6所述的基于磁隧道结的湿度探测器，其特征在于：所述钉扎层的材料为Co、Fe、CoFe、CoFeB、CoFeAl合金。
8.如权利要求7所述的基于磁隧道结的湿度探测器，其特征在于：所述自由层的材料为NiFe合金、CoFe合金、CoFeB合金。
9.如权利要求8所述的基于磁隧道结的湿度探测器，其特征在于：所述势垒层的材料为三氧化二铝或氧化镁。
10.如权利要求9所述的基于磁隧道结的湿度探测器，其特征在于：所述势垒层的厚度大于0.8纳米、小于3纳米。
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