CN113504391A - 一种基于量子效应的高灵敏加速度探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及加速度探测领域，具体提供了一种基于量子效应的高灵敏加速度探测器，本发明提供了一种基于量子效应的高灵敏加速度探测器。本发明中，钉扎层、势垒层、自由层构成磁隧道结。应用时，在加速度的作用下，质量块压缩自由层；同时，应用固定磁场作用于本发明。通过测量在加速度作用下和未在加速度作用下，磁隧道结磁电阻的差异，确定待测加速度。在本发明中，质量块改变了自由层内部的应力，改变了势垒层中产生的量子隧穿，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，所以本发明具有加速度探测灵敏度高的优点。另外，本发明是基于传统电学的，信号处理简单，器件尺寸小。

Description

一种基于量子效应的高灵敏加速度探测器

技术领域

本发明涉及加速度探测领域，具体涉及一种基于量子效应的高灵敏加速度探测器。

背景技术

加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器。虽然，基于光纤的加速度传感器能够实现较为灵敏的加速度探测，但是，基于光纤的加速度传感器需要光源和光探测设备，这些使得基于光纤的加速度传感器设备复杂，质量重。因此，基于电学原理的加速度传感器仍然占据主流。常见的基于电学原理的加速度传感器有电容式、电感式、应变式、压电式等。由于其机理的限制，这些传统加速度传感器的灵敏度低，不能满足高灵敏度加速度的探测需求。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供了一种基于量子效应的高灵敏加速度探测器，包括反铁磁层、钉扎层、势垒层、自由层、质量块，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，质量块置于自由层上，质量块的尺寸小于自由层的表面积。

更进一步地，还包括突出部，突出部固定连接在质量块的下侧，突出部伸入自由层内。

更进一步地，突出部为圆柱形，突出部周期性设置。

更进一步地，突出部的材料与自由层的材料不同。

更进一步地，质量块为磁性材料。

更进一步地，还包括弹性部，弹性部置于自由层上，质量块固定在弹性部上。

更进一步地，自由层的表面设有凹槽，凹槽内设有颗粒，弹性部置于颗粒上。

更进一步地，颗粒的材料为磁性材料。

更进一步地，颗粒的材料与自由层的材料不同。

更进一步地，颗粒的材料为压磁材料。

本发明的有益效果：本发明提供了一种基于量子效应的高灵敏加速度探测器。本发明中，钉扎层、势垒层、自由层构成磁隧道结。应用时，在加速度的作用下，质量块压缩自由层；同时，应用固定磁场作用于本发明。通过测量在加速度作用下和未在加速度作用下，磁隧道结磁电阻的差异，确定待测加速度。在本发明中，质量块改变了自由层内部的应力，改变了自由层的自旋状态，改变了势垒层中产生的量子隧穿，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，所以本发明具有加速度探测灵敏度高的优点。另外，本发明是基于传统电学的，信号处理简单，器件尺寸小。

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是一种基于量子效应的高灵敏加速度探测器的示意图。

图2是又一种基于量子效应的高灵敏加速度探测器的示意图。

图3是又一种基于量子效应的高灵敏加速度探测器的示意图。

图4是又一种基于量子效应的高灵敏加速度探测器的示意图。

图中：1、反铁磁层；2、钉扎层；3、势垒层；4、自由层；5、质量块；6、突出部；7、弹性部；8、颗粒。

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加速度探测器，如图1所示，包括反铁磁层1、钉扎层2、势垒层3、自由层4、质量块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。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。质量块5置于自由层4上。质量块5的尺寸小于自由层4的表面积。这样一来，在自由层4的表面留有空间以便于测量磁隧道结的电阻。质量块5的个数可以为一个，也可以为多个：当测量较大加速度时，质量块5的数目较少；当测量较小加速度时，质量块5的数目较多。同样，也可以应用不同尺寸或质量的质量块5：当测量较大加速度时，质量块5的质量较小；当测量较小加速度时，质量块5的质量较大。这样的设计方便针对不同大小的加速度探测，也就是说，根据所测加速度的大小改造本发明时，操作方便和简单。

本发明中，钉扎层2、势垒层3、自由层4构成磁隧道结。一般地，磁隧道结是指在两块铁磁薄片之间夹一层纳米级别的绝缘层，构成所谓的结元件。在铁磁材料中，由于量子力学交换作用，铁磁金属的3d轨道局域电子能带发生劈裂，使费米面附近自旋向上和向下的电子具有不同的能态密度。在绝缘体中产生的量子隧穿效应的机理是与自旋相关的隧穿效应。磁隧道结的结构一般为铁磁层/非磁绝缘层/铁磁层的三明治结构。在本发明中，钉扎层2、势垒层3、自由层4构成磁隧道结。

应用时，在加速度的作用下，质量块5压缩自由层4；同时，应用固定磁场作用于本发明。通过测量在加速度作用下和未在加速度作用下，磁隧道结磁电阻的差异，确定待测加速度。在本发明中，质量块5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，从而改变了势垒层3中的量子隧穿，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，所以本发明具有加速度探测灵敏度高的优点。另外，本发明是基于传统电学的，器件尺寸小。另外，磁隧道结的电阻具有灵敏度高、温度稳定性好、功耗低的优点。当磁隧道结被用于加速度探测时，以上优点也被带到本发明中。也就是说，本发明也具有灵敏度高、温度稳定性好和功耗低的优点。

实施例2

在实施例1的基础上，如图2所示，还包括突出部6，突出部6的材料与质量块5的材料相同，突出部6固定连接在质量块5的下侧，突出部6伸入自由层4内。也就是说，自由层4的表面具有与突出部6相匹配的凹陷。突出部6的形状可以为任意形状，突出部6的尺寸大于1微米、效应10微米，以便于突出部6和自由层4表面凹陷的制备。具体地，突出部6为圆柱形，突出部6周期性设置。也就是说，在加速度作用下，突出部6和质量块5一起压缩自由层4。这样，由于突出部6深入到自由层4的内部，突出部6对自由层4内的应力改变更多，从而更多地改变自由层4的自旋状态，从而更多地改变势垒层3中的量子隧穿，从而更多地改变磁隧道结的磁电阻，从而更进一步地提高加速度探测的灵敏度。

实施例3

在实施例2的基础上，突出部6的材料与自由层4的材料不同。更进一步地，突出部6也为软磁材料。这样一来，在加速度的作用下，突出部6更多地改变了自由层4内的磁性材料分布，也就是更多地改变了自由层4内部的磁导率分布，从而更多地改变了自由层4内的自旋状态，从而更多地改变势垒层3的量子隧穿，从而更多地改变磁隧道结的磁电阻，从而更进一步地提高加速度探测的灵敏度。

实施例4

在实施例3的基础上，质量块5为磁性材料。质量块5的材料可以与自由层4的材料相同，也可以与自由层4的材料不同。优选地，质量块5的材料与自由层4的材料不同。更优选地，质量块5为软磁材料，以分担更多的磁场线。相当于质量块5与自由层4构成并联的磁路，在质量块5与自由层4之间形成界面。这样一来，加速度作用下能够更多地改变自由层4的磁性或自旋状态，从而更多地改变势垒层3内的量子隧穿，从而更多地改变磁隧道结的磁电阻，从而更进一步地提高加速度探测的灵敏度。

实施例5

在实施例1的基础上，如图3所示，还包括弹性部7，弹性部7置于自由层4上，质量块5固定在弹性部7上，具体的固定方式，在此不作限制。弹性部的材料为弹性材料。这样一来，在测量加速度时，质量块5作用到弹性部7上，弹性部7再作用到自由层4上。这样当加速度过大时，能够减少质量块5直接对自由层4的冲击，减少对自由层4的损害。弹性部7的尺寸可以与质量块5的尺寸相同，弹性部7的尺寸也可以大于质量块5的尺寸。当弹性部7的尺寸大于质量块5的尺寸时，系统更稳定。

实施例6

在实施例5的基础上，如图4所示，自由层4的表面设有凹槽，凹槽内设有颗粒8，弹性部7置于颗粒8上。这样一来，在加速度的作用下，弹性部7压缩颗粒8，因为颗粒8具有较小的尺寸，从而在自由层4上形成微区应力不同的分布。也就是说，自由层4内各个微区内应力不同，从而更多地改变自由层4内的磁导率分布，从而更多地改变自由层4的磁性，从而更多地改变自由层4的自旋状态，从而改变势垒层3中的量子隧穿，从而更多地改变磁隧道结的磁电阻，从而提高加速度探测的灵敏度。

实施例7

在实施例6的基础上，颗粒8的材料为磁性材料。颗粒8的材料与自由层4的材料不同，颗粒8的材料也可以与自由层4的材料相同。优选地，颗粒8的材料与自由层4的材料不同。颗粒8的磁导率更高，以便于颗粒8中通过更多的磁力线。颗粒8与自由层4之间具有弧形界面，颗粒8的形状改变严重地改变颗粒8与自由层4之间的界面。这样一来，颗粒8的形状还改变了颗粒8和自由层4复合结构的磁性，从而改变了自由层4内部的自旋状态，从而改变了势垒层3中的量子隧穿。因此，将颗粒8的材料设置为磁性材料，更多地改变磁隧道结的磁电阻，从而提高加速度探测的灵敏度。

实施例8

在实施例6的基础上，颗粒8的材料为压磁材料。在压力的作用下，颗粒8的磁性发生变化，从而改变了颗粒8与自由层4复合结构的磁性，从而更多地改变自由层4的磁性，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，从而提高加速度探测的灵敏度。

实施例9

在实施例5的基础上，质量块5为永磁体。在加速度的作用下，弹性部7收缩，减小了质量块5与自由层4之间的距离。当质量块5为永磁体时，在加速度的作用下，自由层4内的磁场改变，从而改变自由层4内的自旋状态，从而改变势垒层3中的量子隧穿，从而更多地改变磁隧道结的磁电阻，从而提高加速度探测的灵敏度。

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)

1.一种基于量子效应的高灵敏加速度探测器，其特征在于，包括反铁磁层、钉扎层、势垒层、自由层、质量块，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，所述势垒层隔开所述钉扎层和所述自由层，所述质量块置于所述自由层上，所述质量块的尺寸小于所述自由层的表面积。

2.如权利要求1所述的基于量子效应的高灵敏加速度探测器，其特征在于：还包括突出部，所述突出部固定连接在所述质量块的下侧，所述突出部伸入所述自由层内。

3.如权利要求2所述的基于量子效应的高灵敏加速度探测器，其特征在于：所述突出部为圆柱形，所述突出部周期性设置。

4.如权利要求3所述的基于量子效应的高灵敏加速度探测器，其特征在于：所述突出部的材料与所述自由层的材料不同。

5.如权利要求4所述的基于量子效应的高灵敏加速度探测器，其特征在于：所述质量块为磁性材料。

6.如权利要求1所述的基于量子效应的高灵敏加速度探测器，其特征在于：还包括弹性部，所述弹性部置于所述自由层上，所述质量块固定在所述弹性部上。

7.如权利要求6所述的基于量子效应的高灵敏加速度探测器，其特征在于：所述自由层的表面设有凹槽，所述凹槽内设有颗粒，所述弹性部置于所述颗粒上。

8.如权利要求7所述的基于量子效应的高灵敏加速度探测器，其特征在于：所述颗粒的材料为磁性材料。

9.如权利要求8所述的基于量子效应的高灵敏加速度探测器，其特征在于：所述颗粒的材料与所述自由层的材料不同。

10.如权利要求6所述的基于量子效应的高灵敏加速度探测器，其特征在于：所述颗粒的材料为压磁材料。

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