CN113790793A

CN113790793A - 一种超灵敏微振动探测装置

Info

Publication number: CN113790793A
Application number: CN202111024220.4A
Authority: CN
Inventors: 于孟今
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-09-02
Filing date: 2021-09-02
Publication date: 2021-12-14

Abstract

本发明涉及振动探测领域，具体提供了一种超灵敏微振动探测装置，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，第一弹性部和第二弹性部分别固定在势垒层上的两侧，第一弹性部和第二弹性部延伸出势垒层，自由层覆盖势垒层的中部、第一弹性部和第二弹性部在势垒层上的部分。在本发明中，钉扎层、势垒层、自由层形成磁隧道结。应用时，将本发明固定在待测物体上；同时应用磁场作用于本发明。通过测量振动时和静止时，磁隧道结的磁电阻的差异，确定待测物体的振动强度或振动频率。由于本发明是基于量子隧穿效应的，本发明具有振动探测灵敏度高的优点。

Description

一种超灵敏微振动探测装置

技术领域

本发明涉及振动探测领域，具体涉及一种超灵敏微振动探测装置。

背景技术

振动传感装置不仅健康监测、地震监测、工业控制等多行业和领域具有重要的应用，而且在低温环境监测、低温装置运行状态监控中具有重要的应用。传统机械式或电磁式的振动传感器的灵敏度低，不能高灵敏度地监测低温装置的微弱振动。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供了一种超灵敏微振动探测装置，包括反铁磁层、钉扎层、势垒层、第一弹性部、第二弹性部、自由层，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，第一弹性部和第二弹性部分别固定在势垒层上的两侧，第一弹性部和第二弹性部延伸出势垒层，自由层覆盖势垒层的中部、第一弹性部和第二弹性部在势垒层上的部分。

更进一步地，势垒层的表面设有凹形。

更进一步地，凹形置于势垒层表面的中部。

更进一步地，第一弹性部和第二弹性部对称地设置在势垒层上。

更进一步地，在自由层内，第一弹性部和第二弹性部延伸至凹形的上侧。

更进一步地，第一弹性部和第二弹性部的材料为金刚石。

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，钉扎层的材料为Co、Fe、CoFe、CoFeB、CoFeAl合金。

更进一步地，反铁磁层的材料为IrMn、PtMn、FeMn。

本发明的有益效果：本发明提供了一种超灵敏微振动探测装置，包括反铁磁层、钉扎层、势垒层、第一弹性部、第二弹性部、自由层。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，第一弹性部和第二弹性部分别固定在势垒层上的两侧，第一弹性部和第二弹性部延伸出势垒层，自由层覆盖势垒层的中部、第一弹性部和第二弹性部在势垒层上的部分。在本发明中，钉扎层、势垒层、自由层形成磁隧道结。应用时，将本发明固定在待测物体上；同时应用磁场作用于本发明。通过测量振动时和静止时，磁隧道结的磁电阻的差异，确定待测物体的振动强度。在本发明中，在待测物体的带动下，第一弹性部和第二弹性部发生振动，从而改变势垒层内部的应力，从而改变势垒层的量子隧穿特性，从而改变了磁隧道结的磁电阻。因为磁隧道结的磁电阻严重地依赖于势垒层内部的应力，所以本发明具有振动探测灵敏度高的优点。

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是一种超灵敏微振动探测装置的示意图。

图2是又一种超灵敏微振动探测装置的示意图。

图3是再一种超灵敏微振动探测装置的示意图。

图中：1、反铁磁层；2、钉扎层；3、势垒层；4、第一弹性部；5、第二弹性部；6、自由层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1

本发明提供了一种超灵敏微振动探测装置，如图1所示，包括反铁磁层1、钉扎层2、势垒层3、第一弹性部4、第二弹性部5、自由层6。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的材料为氧化铝或氧化镁。第一弹性部4和第二弹性部5分别固定在势垒层3上的两侧。第一弹性部4和第二弹性部5延伸出势垒层3，形成伸出部分。当探测装置振动时，伸出部分也发生振动。第一弹性部4和第二弹性部5伸出势垒层3的部分用以探测振动，该振动又通过第一弹性部4和第二弹性部5将力传递到自由层6内部，并且作用到势垒层3上。伸出部分的材料和长度根据实际需要进行设置，在此不作限制。第一弹性部4和第二弹性部5的材料为金刚石。第一弹性部4和第二弹性部5的材料还可以为弹性的绝缘材料。例如，第一弹性部4和第二弹性部5的材料为橡胶。这样一来，第一弹性部4和第二弹性部5并不导电，当第一弹性部4和第二弹性部5振动时，仅仅改变了磁隧道结的磁电阻。自由层6覆盖势垒层3的中部、第一弹性部4和第二弹性部5在势垒层3上的部分。也相当于，第一弹性部4和第二弹性部5嵌入自由层6内，但是第一弹性部4和第二弹性部5与势垒层3接触。自由层6的材料为磁各向异性弱的软磁材料，具体地，自由层6的材料为NiFe合金、CoFe合金、CoFeB合金。

在本发明中，钉扎层2、势垒层3、自由层6形成磁隧道结。应用时，将本发明固定在待测物体上；待测物体带动本实施例中的微振动探测装置振动。同时应用磁场作用于本发明。通过测量振动时和静止时，磁隧道结的磁电阻的差异，确定待测物体的振动强度。在本发明中，在待测物体的带动下，第一弹性部4和第二弹性部5发生振动，从而改变势垒层3内部的应力，从而改变势垒层3的量子隧穿特性，从而改变了磁隧道结的磁电阻。本发明中，第一弹性部4和第二弹性部5的微小振动即可改变势垒层3内的应力，并且磁隧道结的磁电阻严重地依赖于势垒层3内部的应力，所以本发明具有微振动探测灵敏度高的优点。

另外，在本发明中，第一弹性部4和第二弹性部5还作用到自由层6中，改变了自由层6内的应力，从而改变了自由层6内的自旋状态，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微振动探测。

在本实施例中，优选地在自由层6内，第一弹性部4和第二弹性部5宽，在自由层6的伸出部，第一弹性部4和第二弹性部5窄。这样一来，第一弹性部4和第二弹性部5的振动能够更多地改变势垒层3中的应力，从而更多地改变势垒层3的量子隧穿特性，从而实现更高灵敏度的微振动探测。

实施例2

在实施例1的基础上，如图2所示，势垒层3的表面设有凹形。凹形置于势垒层3表面的中部，第一弹性部4和第二弹性部5对称地设置在势垒层3上。这样一来，一方面，势垒层3中部的厚度更小，电子更容易从势垒层3的中部隧穿；另一方面由于势垒层3中部薄，在第一弹性部4和第二弹性部5的作用下，势垒层3内的应力相对改变更多，从而更多地改变势垒层3的量子隧穿特性，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微振动探测。

实施例3

在实施例2的基础上，如图3所示，在自由层6内，第一弹性部4和第二弹性部5延伸至凹形的上侧。也就是说，在第一弹性部4和势垒层3的凹形表面之间、第二弹性部5和势垒层3的凹形表面之间均设有自由层6材料。这样一来，当第一弹性部4和第二弹性部5振动时，不仅改变了势垒层3内的应力，而且改变了第一弹性部4和势垒层3的凹形表面之间、第二弹性部4和势垒层3的凹形表面之间的自由层6材料与势垒层3凹形表面之间的界面，从而改变了界面的量子隧穿特性，从而更多地改变了磁隧道结的磁电阻，从而实现更高灵敏度的微振动探测。另外，在本实施例中，第一弹性部4和第二弹性部5的振动更多地改变了自由层6内的应力，从而更多地改变了自由层6内的自旋状态，也能从另外一个方面更多地改变磁隧道结的磁电阻，从而实现更高灵敏度的微振动探测。

实施例4

在实施例1的基础上，第一弹性部4和第二弹性部5均有两种材料构成，在自由层6内为第一种材料；在自由层6外为第二种材料。第一种材料为绝缘材料，第二种材料为刚性的半导体材料。这样一来，既能保证绝缘，又能具有很好的弹性。

另外，第一弹性部4和第二弹性部5还可以为不同的结构：在自由层6内，第一弹性部4和第二弹性部5为多孔材料，也就是说材料中具有很多通孔，自由层6材料填充通孔；在自由层6外，第一弹性部4和第二弹性部5为正常材料。这样一来，第一弹性部4和第二弹性部5振动时，还能改变自由层6与势垒层3之间的界面，从而更多地改变磁隧道结的磁电阻，从而实现高灵敏的微振动探测。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种超灵敏微振动探测装置，其特征在于，包括反铁磁层、钉扎层、势垒层、第一弹性部、第二弹性部、自由层，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，所述第一弹性部和所述第二弹性部分别固定在所述势垒层上的两侧，所述第一弹性部和所述第二弹性部延伸出所述势垒层，所述自由层覆盖所述势垒层的中部、所述第一弹性部和所述第二弹性部在所述势垒层上的部分。

2.如权利要求1所述的超灵敏微振动探测装置，其特征在于：所述势垒层的表面设有凹形。

3.如权利要求2所述的超灵敏微振动探测装置，其特征在于：所述凹形置于所述势垒层表面的中部。

4.如权利要求3所述的超灵敏微振动探测装置，其特征在于：所述第一弹性部和所述第二弹性部对称地设置在所述势垒层上。

5.如权利要求4所述的超灵敏微振动探测装置，其特征在于：在所述自由层内，所述第一弹性部和所述第二弹性部延伸至所述凹形的上侧。

6.如权利要求1-5任一项所述的超灵敏微振动探测装置，其特征在于：所述第一弹性部和所述第二弹性部的材料为金刚石。

7.如权利要求6所述的超灵敏微振动探测装置，其特征在于：所述自由层的材料为NiFe合金、CoFe合金、CoFeB合金。

8.如权利要求7所述的超灵敏微振动探测装置，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所述的超灵敏微振动探测装置，其特征在于：所述反铁磁层的材料为IrMn、PtMn、FeMn。