CN113532257A - 一种应变传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应变传感器，包括柔性衬底及依序层叠设置于柔性衬底上的第一电极层、磁隧道结器件和第二电极层；其中，磁隧道结器件的电阻随着应变传感器所受应变的变化而改变。本发明还公开了上述应变传感器的制作方法。本发明解决了现有的应变传感器电阻变化率较小、并且随着使用时间传感性能变差，最终导致无法正常工作的问题。

Description

一种应变传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及应变传感器器件技术领域，尤其涉及一种应变传感器及其制作方法。

背景技术

传统的传感器难以在各种复杂表面执行工作，如曲面、动物及人体表面等，柔性传感器在这方面具备极大的优势。特别是应变传感器依托于其可弯曲、可折叠特性，非常适合于监测人体的运动状态，如肌肉的舒张、关节的运动以及各类人体应变信号的探测等。目前，常用的应变传感器的传感单元为电阻应变片，利用应变片中的敏感栅将应变信号转化为电阻信号。敏感栅一般为单层栅状金属，在受到拉伸时，金属丝拉长，敏感栅电阻增大，从而进行应变传感。但是，这种应变片作为应变传感单元存在一定的局限性：金属丝在受到拉伸时体积变化有限，电阻变化率较小；这样的结构随着应变的反复施加，敏感栅的金属丝的长度会被拉伸，导致了金属丝的横截面变小，随着使用时间的增长，电阻的变化率逐渐变小，最终传感性能变差无法正常工作。

发明内容

鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了如下的技术方案：

在本发明的一方面提供了一种应变传感器，包括柔性衬底及依序层叠设置于所述柔性衬底上的第一电极层、磁隧道结器件和第二电极层；其中，所述磁隧道结器件用于感应向所述应变传感器施加的应变。

进一步地，所述磁隧道结器件包括依序层叠的反铁磁层、磁性钉扎层、势垒层和磁性自由层；其中，所述磁性自由层的磁矩的方向与自身表面的法线相互垂直，所述磁性钉扎层的磁矩的方向与自身表面的法线相互垂直。

进一步地，向所述应变传感器施加的应变时，所述磁性自由层的磁矩的方向在与所述衬底平行的平面内以顺时针方向或以逆时针方向发生改变。

进一步地，所述磁性自由层的磁矩的方向与所述磁性钉扎层的磁矩的方向之间的夹角为180°时，所述磁隧道结器件处于第一状态；所述磁性自由层的磁矩的方向与所述磁性钉扎层的磁矩的方向之间的夹角为小于180°且大于90°时，所述磁隧道结器件处于第二状态；所述磁性自由层的磁矩的方向与所述磁性钉扎层的磁矩的方向之间的夹角为90°时，所述磁隧道结器件处于第三状态；其中，所述磁隧道结器件的第一状态的电阻值、第二状态的电阻值、第三状态的电阻值依序递减。

进一步地，所述磁性自由层的磁矩的方向与所述磁性钉扎层的磁矩的方向之间的夹角为0°时，所述磁隧道结器件处于第四状态；所述磁性自由层的磁矩的方向与所述磁性钉扎层的磁矩的方向之间的夹角为大于0°且小于90°时，所述磁隧道结器件处于第五状态；所述磁性自由层的磁矩的方向与所述磁性钉扎层的磁矩的方向之间的夹角为90°时，所述磁隧道结器件处于第六状态；其中，所述磁隧道结器件的第四状态的电阻值、第五状态的电阻值、第六状态的电阻值依序递增。

进一步地，所述磁性钉扎层与所述磁性自由层为CoFeB、Py、Co、CoFe、FePt、Co/Ni中的至少一种。

进一步地，所述势垒层为MgO、Al₂O₃、TiO₂中的一种。

进一步地，所述磁隧道结器件的形状为圆柱状或椭圆柱状。

进一步地，所述磁性钉扎层或磁性自由层的厚度为0.1nm～10nm。

进一步地，所述势垒层的厚度为1nm～5nm。

在本发明的另一方面提供了一种应变传感器的制作方法，该方法包括：

在柔性衬底上形成第一电极层；

在所述第一电极层上依序沉积反铁磁层、磁性钉扎层、势垒层和磁性自由层，以形成磁隧道结材料层；

对所述磁隧道结材料层进行加工，以形成磁隧道结器件；

在所述磁隧道结器件上形成第二电极层，以完成应变传感器。

在本发明的又一方面提供了一种应变传感器的制作方法，该方法包括：

在刚性衬底上形成第一电极层；

在所述第一电极层上依序沉积反铁磁层、磁性钉扎层、势垒层和磁性自由层，以形成磁隧道结材料层；

对所述磁隧道结材料层进行加工，以形成磁隧道结器件；

在所述磁隧道结器件上形成第二电极层，以形成初步应变传感器；

对所述刚性衬底进行减薄处理，并将所述初步应变传感器转移至柔性衬底上，以完成应变传感器。

与现有技术相比，本发明的应变传感器采用了磁隧道结器件作为传感单元，因此传感单元的电阻变化过程中，电阻变化率较高并且其形态不易受弯曲或折叠等影响，从而解决了应变传感器电阻变化率低且随着使用时间传感性能变差导致无法正常工作的问题。

附图说明

图1为本发明实施例的应变传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例的应变传感器的截面图；

图3为本发明实施例的应变传感器的磁隧道结器件的电阻与器件所受的应变之间的一种变化关系图；

图4a至图4c为磁性自由层的磁矩的方向与磁性钉扎层的磁矩的方向之间的变化示意图；

图5为本发明实施例的应变传感器的磁隧道结器件的电阻与器件所受的应变之间的另一种变化关系图；

图6a至图6c为磁性自由层的磁矩的方向与磁性钉扎层的磁矩的方向之间的另一变化示意图；

图7为本发明实施例的应变传感器的制作流程图；

图8为本发明实施例的应变传感器的另一制作流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所述和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

本发明提供了一种应变传感器，如图1所述，本实施例应变传感器包括柔性衬底1和依序层叠设置于所述柔性衬底1上的第一电极层2、磁隧道结器件3和第二电极层4。所述磁隧道结器件3的形状为圆柱状或椭圆柱状。

其中，所述磁隧道结器件3用于感应向所述应变传感器施加的应变。就如图3所示，图3中X轴为向所述磁隧道结器件3施加的应变的大小，Y轴为所述磁隧道结器件3的电阻值。根据图3可知，所述磁隧道结器件3的电阻值随着向所述磁隧道结器件3施加的应变的增大而减小；或者如图5所示，图5中X轴为向所述磁隧道结器件3施加的应变的大小，Y轴为所述磁隧道结器件3的电阻值。根据图5可知，所述磁隧道结器件3的电阻值随着向所述磁隧道结器件3施加的应变的增大而增大，因此可以通过检测电路读取所述磁隧道结器件3的电阻值的变化即可判断向所述应变传感器3施加的应变的变化状态。

与现有技术不同的是，本发明的应变传感器采用了磁隧道结器件作为传感单元，因此传感单元的电阻变化过程中，电阻变化率较高并且其形态不易受弯曲或折叠等影响，从而解决了应变传感器电阻变化率低且随着使用时间传感性能变差导致无法正常工作的问题。以下说明本发明的几个具体实施例。

实施例1

本实施例的所述磁隧道结器件3包括依序层叠的反铁磁层31、磁性钉扎层32、势垒层33和磁性自由层34。所述磁性钉扎层与32所述磁性自由层34为CoFeB、Py、Co、CoFe、FePt、Co/Ni中的至少一种。所述势垒层33为MgO、Al2O₃、TiO₂中的一种。所述磁性钉扎层32或磁性自由层34的厚度为0.1nm～10nm。所述势垒层33的厚度为1nm～5nm。

其中，所述磁性自由层34的磁矩的方向与自身表面的法线相互垂直，所述磁性钉扎层32的磁矩的方向与自身表面的法线相互垂直。本发明中，所述反铁磁层31的作用是固定所述磁性钉扎层32的磁矩的方向。其中，向所述应变传感器施加的应变时，所述磁隧道结器件3的反铁磁层31会由于磁弹效应的作用，磁各向异性发生改变，进而改变所述磁性自由层34的磁矩方向，从而使所述磁性自由层34的磁矩的方向在与所述衬底1平行的平面内以顺时针方向或以逆时针方向发生改变，以此所述磁性自由层34的磁矩方向与所述磁性钉扎层32的磁矩的方向之间的夹角也随之改变，当所述磁性自由层34的磁矩方向与所述磁性钉扎层32的磁矩的方向之间的夹角改变时，所述磁隧道结器件3的电阻值也会发生改变。以下说明本发明的具体工作原理。

本实施例的应变传感器根据需要可以设定两种初始状态。其中之一是：所述应变传感器未受到应变时(ε0)，所述磁性自由层34的磁矩的方向β与所述磁性钉扎层32的磁矩的方向α之间的夹角γ为180°，此时所述磁隧道结器件3的电阻值为最大值R0(如图3和图4a所示)；

如图3和图4b所示，当所述应变传感器受到逐渐增大的应变(如ε1、ε2、ε3)时，所述磁性自由层34的磁矩的方向β与所述磁性钉扎层32的磁矩的方向α之间的夹角γ逐渐减小且保持在180°与90°之间(即为90°<γ<180°)，此时的所述磁隧道结器件3的电阻值也相应地减小(如R1>R2>R3)。

如图3和图4c所示，所述应变传感器受到的应变达最大应变时，所述磁性自由层34的磁矩的方向β与所述磁性钉扎层32的磁矩的方向α之间的夹角γ为90°，此时所述磁隧道结器件3的电阻值为最小值R4。

综上可知，本实施例的应变传感器的初始状态为，所述磁性自由层34的磁矩的方向与所述磁性钉扎层32的磁矩的方向之间的夹角为180°时，所述磁隧道结器件3电阻值会随着所述应变传感器所受到的应变的增大而减小。

本实施例的应变传感器的其中之另一的初始状态为：如图5和图6a所示，所述应变传感器未受到应变时(ε0)，所述磁性自由层34的磁矩的方向β与所述磁性钉扎层32的磁矩的方向α之间的夹角γ为0°，此时所述磁隧道结器件3的电阻值为最小值R5；

如图5和图6b所示，当所述应变传感器受到逐渐增大的应变(如ε1、ε2、ε3)时，所述磁性自由层34的磁矩的方向β与所述磁性钉扎层32的磁矩的方向α之间的夹角γ逐渐增大且保持在0°与90°之间(即为0°<γ<90°)，此时的所述磁隧道结器件3的电阻值也相应地增大(如R6<R7<R8)。

如图5和图6c所示，所述应变传感器受到的应变达到最大应变时，所述磁性自由层34的磁矩的方向β与所述磁性钉扎层32的磁矩的方向α之间的夹角γ为90°，此时所述磁隧道结器件3的电阻值为最大值R9。

综上可知，本实施例的应变传感器的初始状态为，所述磁性自由层34的磁矩的方向与所述磁性钉扎层32的磁矩的方向之间的夹角为0°时，所述磁隧道结器件3电阻值会随着所述应变传感器所受到的应变的增大而增大。

在这里需要说明的是，上述两个示例的所述磁性自由层34的磁矩的方向β与所述磁性钉扎层32的磁矩的方向α之间的夹角的初始状态不同，因此两个示例中分别所述的最大电阻值或者最小电阻值的实际数值不同。

实施例2

本实施例公开了实施例1的所述应变传感器的具体的制作方法。如图7所示，该制作方法包括：

在柔性衬底1上形成第一电极层2；

在所述第一电极层2上依序沉积反铁磁层31、磁性钉扎层32、势垒层33和磁性自由层34，以形成磁隧道结材料层；其中，主要利用磁控溅射在室温下进行沉积；

将对所述磁隧道结材料层进行加工，通过光刻、刻蚀、镀膜等加工方法使所述磁隧道结材料层成为磁隧道结器件3。其中，对于所述磁隧道结的刻蚀采用离子束干法刻蚀的方法；

在所述磁隧道结器件3上形成第二电极层4，以完成应变传感器。

此外，实施例1的应变传感器还可以通过如下方法制作，采用以下方法可以进一步提高磁隧道结器件在工作时的电阻变化率。如图8所述，该制作方法包括：

在刚性硅衬底上形成第一电极层2；

在第一电极层上依序沉积反铁磁层31、磁性钉扎层32、势垒层33和磁性自由层34，以形成磁隧道结材料层。其中，主要利用磁控溅射在室温下进行沉积；

将对所述磁隧道结材料层进行加工，通过光刻、刻蚀、镀膜等加工方法使所述磁隧道结材料层成为磁隧道结器件3。其中，对于所述磁隧道结的刻蚀采用离子束干法刻蚀的方法；

在所述磁隧道结器件3上形成第二电极层4。

将对所述刚性硅衬底进行减薄处理。具体的，利用深硅刻蚀的方法将刚性衬底减薄至厚度在15微米以下，将以上包含所述第一电极层1、磁隧道结器件3与第二电极层4的初步应变传感器转移至所述柔性衬底1的表面上。具体的，利用胶键合的方式使柔性衬底1与所述样品结合牢固，以完成应变传感器。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种应变传感器，其特征在于，包括柔性衬底及依序层叠设置于所述柔性衬底上的第一电极层、磁隧道结器件和第二电极层；其中，所述磁隧道结器件用于感应向所述应变传感器施加的应变。

2.根据权利要求1所述的应变传感器，其特征在于，所述磁隧道结器件包括依序层叠的反铁磁层、磁性钉扎层、势垒层和磁性自由层；其中，所述磁性自由层的磁矩的方向与自身表面的法线相互垂直，所述磁性钉扎层的磁矩的方向与自身表面的法线相互垂直。

3.根据权利要求2所述的应变传感器，其特征在于，向所述应变传感器施加的应变时，所述磁性自由层的磁矩的方向在与所述衬底平行的平面内以顺时针方向或以逆时针方向发生改变。

4.根据权利要求3所述的应变传感器，其特征在于，所述磁性自由层的磁矩的方向与所述磁性钉扎层的磁矩的方向之间的夹角为180°时，所述磁隧道结器件处于第一状态；所述磁性自由层的磁矩的方向与所述磁性钉扎层的磁矩的方向之间的夹角为小于180°且大于90°时，所述磁隧道结器件处于第二状态；所述磁性自由层的磁矩的方向与所述磁性钉扎层的磁矩的方向之间的夹角为90°时，所述磁隧道结器件处于第三状态；其中，所述磁隧道结器件的第一状态的电阻值、第二状态的电阻值、第三状态的电阻值依序递减。

5.根据权利要求3所述的应变传感器，其特征在于，所述磁性自由层的磁矩的方向与所述磁性钉扎层的磁矩的方向之间的夹角为0°时，所述磁隧道结器件处于第四状态；所述磁性自由层的磁矩的方向与所述磁性钉扎层的磁矩的方向之间的夹角为大于0°且小于90°时，所述磁隧道结器件处于第五状态；所述磁性自由层的磁矩的方向与所述磁性钉扎层的磁矩的方向之间的夹角为90°时，所述磁隧道结器件处于第六状态；其中，所述磁隧道结器件的第四状态的电阻值、第五状态的电阻值、第六状态的电阻值依序递增。

6.根据权利要求2至5任一所述的应变传感器，其特征在于，所述磁性钉扎层与所述磁性自由层为CoFeB、Py、Co、CoFe、FePt、Co/Ni中的至少一种。

7.根据权利要求6所述的应变传感器，其特征在于，所述势垒层为MgO、Al₂O₃、TiO₂中的一种。

8.根据权利要求7所述的应变传感器，其特征在于，所述磁隧道结器件的形状为圆柱状或椭圆柱状。

9.一种应变传感器的制作方法，其特征在于，包括：

在柔性衬底上形成第一电极层；

在所述第一电极层上依序沉积反铁磁层、磁性钉扎层、势垒层和磁性自由层，以形成磁隧道结材料层；

对所述磁隧道结材料层进行加工，以形成磁隧道结器件；

在所述磁隧道结器件上形成第二电极层，以完成应变传感器。

10.一种应变传感器的制作方法，其特征在于，包括：

在刚性衬底上形成第一电极层；

在所述第一电极层上依序沉积反铁磁层、磁性钉扎层、势垒层和磁性自由层，以形成磁隧道结材料层；

对所述磁隧道结材料层进行加工，以形成磁隧道结器件；

在所述磁隧道结器件上形成第二电极层，以形成初步应变传感器；

对所述刚性衬底进行减薄处理，并将所述初步应变传感器转移至柔性衬底上，以完成应变传感器。

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