CN113063840B - 一种基于磁电阻效应的湿度探测器 - 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电阻效应的湿度探测器，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，自由层的表面设有孔洞，孔洞不贯穿自由层，孔洞内设有吸湿膨胀材料，反铁磁层的材料为硬磁反铁磁材料，钉扎层的材料为自旋性极化率高的金属或半金属，自由层的材料为磁各向异性弱的软磁材料，势垒层隔开钉扎层和自由层。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

一种基于磁电阻效应的湿度探测器
技术领域
本发明涉及湿度探测领域，具体涉及一种基于磁电阻效应的湿度探测器。
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电阻效应的湿度探测器，包括反铁磁层、钉扎层、势垒层、自由层、吸湿膨胀材料，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，自由层的表面设有孔洞，孔洞不贯穿自由层，孔洞内设有吸湿膨胀材料，反铁磁层的材料为硬磁反铁磁材料，钉扎层的材料为自旋性极化率高的金属或半金属，自由层的材料为磁各向异性弱的软磁材料，势垒层隔开钉扎层和自由层。
更进一步地，吸湿膨胀材料填充满孔洞。
更进一步地，还包括吸湿膨胀块，吸湿膨胀块的材料为吸湿膨胀材料，吸湿膨胀块置于孔洞的顶部。
更进一步地，还包括吸湿膨胀层，吸湿膨胀层的材料为吸湿膨胀材料，吸湿膨胀层置于自由层的表面。
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电阻效应的湿度探测器，包括反铁磁层、钉扎层、势垒层、自由层、吸湿膨胀材料，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，自由层的表面设有孔洞，孔洞不贯穿自由层，孔洞内设有吸湿膨胀材料，反铁磁层的材料为硬磁反铁磁材料，钉扎层的材料为自旋性极化率高的金属或半金属，自由层的材料为磁各向异性弱的软磁材料，势垒层隔开钉扎层和自由层。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，应用固定磁场作用到本发明。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。本发明中，吸湿膨胀材料吸湿后膨胀，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是一种基于磁电阻效应的湿度探测器的示意图。
图2是又一种基于磁电阻效应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、孔洞；6、吸湿膨胀块。
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电阻效应的湿度探测器，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的材料可以为IrMn、PtMn、FeMn。钉扎层2置于反铁磁层1上。钉扎层2的材料为自旋性极化率高的金属或半金属，具体地，钉扎层2的材料可以为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。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的材料可以为NiFe合金、CoFe合金、CoFeB合金。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。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的表面设有孔洞5，孔洞5不贯穿自由层4。孔洞5内设有吸湿膨胀材料。吸湿后，吸湿膨胀材料发生膨胀。具体地，吸湿膨胀材料为聚酰亚胺。具体地，孔洞5为圆柱形。圆柱形孔洞5深入到自由层4内部。当吸湿膨胀材料膨胀时，能够更多地改变自由层4内的应力，从而实现更高灵敏度的湿度探测。
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。本发明中，吸湿膨胀材料吸湿后膨胀，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。
实施例2
在实施例1的基础上，吸湿膨胀材料填充满所述孔洞5。这样一来，当吸湿膨胀材料吸湿膨胀时，能够更多地改变自由层4内的应力，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2的基础上，还包括吸湿膨胀块6，吸湿膨胀块6的材料为吸湿膨胀材料，吸湿膨胀块6置于孔洞5的顶部。吸湿膨胀块也会吸湿膨胀，通过孔洞5作用到自由层4内，从而更多地改变自由层4内的应力，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4
在实施例2的基础上，还包括吸湿膨胀层，吸湿膨胀层的材料为吸湿膨胀材料，吸湿膨胀层置于自由层4的表面。吸湿膨胀层具有更多的表面积，能够吸收更多的水分。除实施例3所述效果外，当吸湿膨胀层吸湿后，自身重力增加，从而增加了其对自由层4的压力，从而更多地改变了自由层4内的应力，从而更多地改变了自由层4内的自旋状态，从而更多地改变了磁隧道结的磁电阻，从而更进一步地提高湿度探测的灵敏度。
更进一步地，孔洞底部与势垒层的距离小于100纳米。这样一来，当吸湿膨胀材料膨胀时，也会改变自由层与势垒层之间的界面，从而改变电子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)

1.一种基于磁电阻效应的湿度探测器，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，所述钉扎层置于所述反铁磁层上，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，所述自由层的表面设有孔洞，所述孔洞不贯穿所述自由层，所述孔洞内设有所述吸湿膨胀材料，所述反铁磁层的材料为硬磁反铁磁材料，所述钉扎层的材料为自旋性极化率高的金属或半金属，所述自由层的材料为磁各向异性弱的软磁材料，所述势垒层隔开所述钉扎层和所述自由层。
2.如权利要求1所述的基于磁电阻效应的湿度探测器，其特征在于：所述吸湿膨胀材料填充满所述孔洞。
3.如权利要求2所述的基于磁电阻效应的湿度探测器，其特征在于：还包括吸湿膨胀块，所述吸湿膨胀块的材料为所述吸湿膨胀材料，所述吸湿膨胀块置于所述孔洞的顶部。
4.如权利要求2所述的基于磁电阻效应的湿度探测器，其特征在于：还包括吸湿膨胀层，所述吸湿膨胀层的材料为所述吸湿膨胀材料，所述吸湿膨胀层置于所述自由层的表面。
5.如权利要求1-4任一项所述的基于磁电阻效应的湿度探测器，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所述的基于磁电阻效应的湿度探测器，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所述的基于磁电阻效应的湿度探测器，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所述的基于磁电阻效应的湿度探测器，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所述的基于磁电阻效应的湿度探测器，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所述的基于磁电阻效应的湿度探测器，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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