CN113063841B - 一种高灵敏湿度探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及湿度探测领域，具体提供了一种本发明提供了一种高灵敏湿度探测器，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，自由层中设有贯穿的孔洞，吸湿膨胀材料部置于孔洞底部的势垒层上。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。本发明有湿度探测灵敏度高的优点。

Description

一种高灵敏湿度探测器
技术领域
本发明涉及湿度探测领域，具体涉及一种高灵敏湿度探测器。
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，本发明提供了一种高灵敏湿度探测器，包括反铁磁层、钉扎层、势垒层、自由层、吸湿膨胀材料部，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，自由层中设有贯穿的孔洞，吸湿膨胀材料部置于孔洞底部的势垒层上。
更进一步地，吸湿膨胀材料部与自由层接触。
更进一步地，相邻孔洞内，吸湿膨胀材料部的高度不同。
更进一步地，孔洞非周期排布。
更进一步地，吸湿膨胀材料部的边缘高，吸湿膨胀材料部的中间低。
更进一步地，吸湿膨胀材料部的材料为聚酰亚胺。
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。
本发明的有益效果：本发明提供了一种高灵敏湿度探测器，包括反铁磁层、钉扎层、势垒层、自由层、吸湿膨胀材料部，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，自由层中设有贯穿的孔洞，吸湿膨胀材料部置于孔洞底部的势垒层上。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，吸湿材料部吸湿后膨胀，从而改变势垒层的应力，从而改变势垒层的量子隧穿特性，从而改变磁隧道结的磁电阻。因为磁隧道结的磁电阻对势垒层的量子隧穿特性非常敏感，所以本发明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是一种高灵敏湿度探测器的示意图。
图2是又一种高灵敏湿度探测器的示意图。
图3是再一种高灵敏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、吸湿膨胀材料部。
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
本发明提供了一种高灵敏湿度探测器，如图1所示，包括反铁磁层1、钉扎层2、势垒层3、自由层4、吸湿膨胀材料部5。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的材料为Co、Fe、CoFe、CoFeB、CoFeAl合金。势垒层3置于钉扎层2上。势垒层3的材料为三氧化二铝或氧化镁。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。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。自由层4中设有贯穿的孔洞，吸湿膨胀材料部5置于孔洞底部的势垒层3上。孔洞的形状可以为圆形或方形，在此不做限制。吸湿膨胀材料部5的材料为聚酰亚胺。吸湿膨胀材料部5吸收水分后，吸湿膨胀材料部5产生膨胀。
本发明中，钉扎层2、势垒层3、自由层4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，吸湿膨胀材料部5吸湿后膨胀，从而改变势垒层3的应力，从而改变势垒层3的量子隧穿特性，从而改变磁隧道结的磁电阻。因为磁隧道结的磁电阻对势垒层3的量子隧穿特性非常敏感，所以本发明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，在本发明中，吸湿膨胀材料部5吸湿后，自身的重量增加，从而改变了对势垒层3的压力，从而更多地改变了势垒层3内的应力，从而更多地改变了势垒层3的量子隧穿特性，从而更多地改变了磁隧道结的磁电阻。因此，本发明能够实现高灵敏度的湿度探测。
实施例2
在实施例1的基础上，如图1所示，吸湿膨胀材料部5与自由层4接触。这样一来，当吸湿膨胀材料部5膨胀时，也会挤压自由层4，从而改变自由层4内的应力，从而改变自由层4的自旋状态，从而改变磁隧道结的磁电阻。因此，本实施例能够实现更高灵敏度的湿度探测。
实施例3
在实施例2的基础上，如图2所示，相邻孔洞内，吸湿膨胀材料部5的高度不同。这样一来，相邻孔洞内的吸湿膨胀材料部5对自由层4所施加的挤压力是不同的，从而对自由层4造成扭曲应力的效果，从而更多地改变自由层4内自旋状态，从而更多地改变磁隧道结的磁电阻，从而实现更高灵敏度的湿度探测。
更进一步地，孔洞非周期排布。也就是说，孔洞间的距离不相等。这样一来，更容易在自由层4内部造成不均匀的应力分布，从而更多地改变自由层4的自旋状态，从而更多地改变磁隧道结的磁电阻，从而实现更高灵敏度的湿度探测。
实施例4
在实施例2的基础上，如图3所示，吸湿膨胀材料部5的边缘高，吸湿膨胀材料部5的中间低。这样一来，吸湿膨胀材料部5具有更多的表面积，吸湿膨胀材料部5能够吸收更多的水分，从而产生更大程度的膨胀，更多地改变势垒层3的量子隧穿特性和自由层4的自旋状态，从而实现更高灵敏度的湿度探测。
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)

1.一种高灵敏湿度探测器，其特征在于，包括反铁磁层、钉扎层、势垒层、自由层、吸湿膨胀材料部，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，所述自由层中设有贯穿的孔洞，所述吸湿膨胀材料部置于所述孔洞底部的所述势垒层上。
2.如权利要求1所述的高灵敏湿度探测器，其特征在于：所述吸湿膨胀材料部与所述自由层接触。
3.如权利要求2所述的高灵敏湿度探测器，其特征在于：相邻所述孔洞内，所述吸湿膨胀材料部的高度不同。
4.如权利要求3所述的高灵敏湿度探测器，其特征在于：所述孔洞非周期排布。
5.如权利要求2所述的高灵敏湿度探测器，其特征在于：所述吸湿膨胀材料部的边缘高，所述吸湿膨胀材料部的中间低。
6.如权利要求1-5任一项所述的高灵敏湿度探测器，其特征在于：所述吸湿膨胀材料部的材料为聚酰亚胺。
7.如权利要求6所述的高灵敏湿度探测器，其特征在于：所述反铁磁层的材料为IrMn、PtMn、FeMn。
8.如权利要求7所述的高灵敏湿度探测器，其特征在于：所述钉扎层的材料为Co、Fe、CoFe、CoFeB、CoFeAl合金。
9.如权利要求8所述的高灵敏湿度探测器，其特征在于：所述自由层的材料为NiFe合金、CoFe合金、CoFeB合金。
10.如权利要求9所述的高灵敏湿度探测器，其特征在于：所述势垒层的材料为三氧化二铝或氧化镁。
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