CN114019011A - 一种吸附式气体探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气体探测领域，具体提供了一种吸附式气体探测器，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，自由层中设有孔洞，多孔材料部置于孔洞内的势垒层上。在本发明中，钉扎层、势垒层、自由层形成磁隧道结。应用时，应用固定磁场作用于本发明；同时将本发明置于待测环境中，多孔材料部吸附气体、释放热，改变了磁隧道结的磁电阻。通过磁隧道结磁电阻的变化，确定待测环境中气体的浓度。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，所以本发明具有气体探测灵敏度高的优点。

Description

一种吸附式气体探测器

技术领域

本发明涉及气体探测领域，具体涉及一种吸附式气体探测器。

背景技术

气体探测属于常规物质探测。气体的高灵敏检测在工业生产控制、环保检测与保护、医疗监护等多个领域具有非常重要的作用。传统的半导体式传感器、固体电解质型传感器、催化燃烧式传感器、电化学型气体传感器、红外线式传感器存在气体检测灵敏度不够高、检测限不够低的缺点。探索基于新原理的气体传感器，不仅有利于提高气体探测器的灵敏度，而且有利于拓展气体探测器的应用范围。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供了一种吸附式气体探测器，包括反铁磁层、钉扎层、势垒层、自由层、多孔材料部，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，自由层的材料为磁各向异性弱的软磁材料，自由层中设有孔洞，多孔材料部置于孔洞内的势垒层上。

更进一步地，孔洞为圆形。

更进一步地，孔洞周期性排布，孔洞排布的周期为方形周期。

更进一步地，多孔材料部的形状为尖锥形。

更进一步地，多孔材料部凸出孔洞。

更进一步地，多孔材料部不与孔洞的侧面接触。

更进一步地，势垒层的材料为氧化铝或氧化镁。

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：本发明提供了一种吸附式气体探测器，包括反铁磁层、钉扎层、势垒层、自由层，多孔材料部，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，自由层的材料为磁各向异性弱的软磁材料，自由层中设有孔洞，多孔材料部置于孔洞内的势垒层上。在本发明中，钉扎层、势垒层、自由层形成磁隧道结。应用时，应用磁场作用于本发明；同时将本发明置于待测环境中，多孔材料部吸附待测气体，从而多孔材料部产生热，分子动能转化为多孔材料部热能，改变了势垒层的温度，进而改变了势垒层的量子隧穿特性，从而改变了磁隧道结的磁电阻。通过磁隧道结磁电阻的变化，确定待测环境中气体的浓度。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，所以本发明具有气体探测灵敏度高的优点。多孔材料部可以吸附多种分子，因此，本发明还具有探测分子种类多的优点。

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是一种吸附式气体探测器的示意图。

图2是又一种吸附式气体探测器的示意图。

图中：1、反铁磁层；2、钉扎层；3、势垒层；4、自由层；5、孔洞；6、多孔材料部。

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

本发明提供了一种吸附式气体探测器，如图1所示，包括反铁磁层1、钉扎层2、势垒层3、自由层4、多孔材料部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。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的材料为NiFe合金、CoFe合金、CoFeB合金。在以上设置中，目的是使得钉扎层2、势垒层3、自由层4形成磁隧道结。因此，钉扎层2、势垒层3、自由层4能够形成磁隧道结的其他材料选择，也在本发明的保护范围之内。自由层4中设有孔洞5。孔洞5的形状为圆形、方形或矩形。孔洞5周期性排布。具体地，孔洞5排布的周期为方形周期。在应用中，孔洞5的排布周期也可以为矩形周期。多孔材料部6置于孔洞5内的势垒层3上。多孔材料部6为多孔材料。多孔材料是指由相互贯通的孔洞构成网络结构的材料，多孔材料具有类似于蜂窝的结构。多孔材料包括微孔材料、介孔材料、大孔材料。在本发明中，多孔材料主要指微孔材料和介孔材料。多孔材料的具体构成在此不做限制，主要根据探测的气体而定，以便于多孔材料吸附气体时，能够释放更多的热。

在本发明中，钉扎层2、势垒层3、自由层4形成磁隧道结。应用时，应用固定磁场作用于本发明；同时将本发明置于待测环境中，多孔材料部6吸附待测气体，从而多孔材料部6产生热，气体分子的动能转化为多孔材料的热能，由于多孔材料部6与势垒层3接触，从而多孔材料部6改变了势垒层3的温度，从而改变了势垒层3的量子隧穿特性，进而改变了磁隧道结的磁电阻，通过磁隧道结磁电阻的变化，确定待测环境中气体的浓度。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，所以本发明具有气体探测灵敏度高的优点。另外，多孔材料部可以吸附多种分子，因此，本发明还具有探测分子种类多的优点。

在本发明中，多孔材料部6吸附气体后不仅改变了势垒层3的温度，而且自身的重力增加，增加了对势垒层3的压力，从而改变了势垒层3的应力，从而更多地改变了势垒层3的量子隧穿特性，从而能够实现高灵敏度的气体探测。

另外，多孔材料部6吸附气体、温度升高后，还改变了自身的体积，从而改变了势垒层3与自由层4之间的界面，从而更多地改变了磁隧道结的磁电阻，从而能够实现更高灵敏度的气体探测。

实施例2

在实施例1的基础上，如图2所示，多孔材料部6的形状为尖锥形。这样一来，一方面，多孔材料部6较少地与孔洞5的侧壁接触，也就是说，多孔材料部6较少地与自由层4接触，以便于减少多孔材料部6产生的热传递到自由层4，减少了通过自由层4散失到外界的热量；另一方面，尖锥形的多孔材料部6具有更多的表面积，以便于多孔材料部6吸附更多的气体。这两方面的效果均有利于势垒层3吸收更多的热，从而更多地改变势垒层3的温度，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气体探测。

实施例3

在实施例2的基础上，多孔材料部6凸出孔洞5。这样一来，多孔材料部6具有更多的表面积和更多的体积，多孔材料部6可以吸附更多的气体分子，从而产生更多的热、更多地改变自身的重量，从而更多地改变势垒层3的温度和势垒层3的应力，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气体探测。

实施例4

在实施例3的基础上，多孔材料部6不与孔洞5的侧面接触。这样一来，多孔材料部6中产生的热更少地传递到自由层4中、更多地传递到势垒层3；多孔材料部6自身重量更多地作用到势垒层3。这样一来，多孔材料部6吸附气体后，多孔材料部6对势垒层3的改变更多，更多地改变势垒层3的量子隧穿特性，更多地改变磁隧道结的磁电阻，从而实现更高灵敏度的气体探测。

更进一步地，多孔材料部6的底部部分地嵌入到势垒层3内。这不仅有利于多孔材料部6中的热量更多地传递到势垒层3内，从而更多地改变势垒层3的量子隧穿特性；而且有利于改变势垒层3内部的应力，从而更多地改变势垒层3的量子隧穿特性，从而更多地改变了磁隧道结的磁电阻。这两方面的效果均提高了气体探测的灵敏度。

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 (10)

1.一种吸附式气体探测器，其特征在于，包括反铁磁层、钉扎层、势垒层、自由层、多孔材料部，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，所述自由层中设有孔洞，所述多孔材料部置于所述孔洞内的所述势垒层上。

2.如权利要求1所述的吸附式气体探测器，其特征在于：所述孔洞为圆形。

3.如权利要求2所述的吸附式气体探测器，其特征在于：所述孔洞周期性排布，所述孔洞排布的周期为方形周期。

4.如权利要求3所述的吸附式气体探测器，其特征在于：所述多孔材料部的形状为尖锥形。

5.如权利要求4所述的吸附式气体探测器，其特征在于：所述多孔材料部凸出所述孔洞。

6.如权利要求5所述的吸附式气体探测器，其特征在于：所述多孔材料部不与所述孔洞的侧面接触。

7.如权利要求1-6任一项所述的吸附式气体探测器，其特征在于：所述势垒层的材料为氧化铝或氧化镁。

8.如权利要求7所述的吸附式气体探测器，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所述的吸附式气体探测器，其特征在于：所述钉扎层的材料为Co、Fe、CoFe、CoFeB、CoFeAl合金。

10.如权利要求9所述的吸附式气体探测器，其特征在于：所述反铁磁层的材料为IrMn、PtMn、FeMn。

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