CN115077750A - 一种基于黑磷势垒层磁性隧道结的压力传感器及制备方法 - Google Patents

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李倩
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Abstract

本发明公开了一种基于黑磷势垒层磁性隧道结的压力传感器及制备方法,压力传感器包括两个绝缘接触层,在两个绝缘接触层之间设置两个具有不同相对磁化强度方向的磁性隧道结,磁性隧道结通过电流表连接至微处理器,所述两个磁性隧道结是半金属铁磁电极、势垒层、半金属铁磁电极的三明治结构,一个磁性隧道结中的两个半金属铁磁电极的磁化强度方向平行,另一个磁性隧道结中的两个半金属铁磁电极的磁化强度方向反向平行。本发明的压力传感器具有高灵敏度、良好的抗干扰能力、高空间分辨率以及响应速度快的优点。

Description

一种基于黑磷势垒层磁性隧道结的压力传感器及制备方法
技术领域
本发明涉及微机电系统(MEMS)领域,尤其涉及压力传感器领域。
背景技术
传统的压力传感器的物理机制来源于压力使得传感材料发生形变,从而导致传感材料自身的电阻或电容等产生变化。传统压力传感器的传感材料大多为铁、铜等金属或硅等半导体,研究发现,它们的形变只能提供2~200的度量因子(度量因子可以很好地反应传感器的灵敏度)。因此,现有压力传感器灵敏度较低,难以满足高灵敏度应用环境的要求。其次,现有的压力传感器的尺寸通常在毫米量级,因此难以实现高的空间分辨率。再次,现有的压力传感器不具有抗干扰能力,即当存在噪声信号时,无法排除噪声信号的干扰。鉴于上述原因,需要发明设计一种基于全新的物理机制的压力传感器,来克服传统压力传感器的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:现有压力传感器灵敏度较低,难以满足高灵敏度应用环境的要求。
本发明进一步解决的技术问题是:现有的压力传感器的尺寸通常在毫米量级,难以实现高的空间分辨率。
现有的压力传感器不具有抗干扰能力,即当存在噪声信号时,无法排除噪声信号的干扰。
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:
一种基于黑磷势垒层磁性隧道结的压力传感器,包括两个绝缘接触层,在两个绝缘接触层之间设置两个具有不同相对磁化强度方向的磁性隧道结,磁性隧道结通过电流表连接至微处理器,所述两个磁性隧道结是半金属铁磁电极、势垒层、半金属铁磁电极的三明治结构,一个磁性隧道结中的两个半金属铁磁电极的磁化强度方向平行,另一个磁性隧道结中的两个半金属铁磁电极的磁化强度方向反向平行。
所述半金属铁磁电极材料均采用Co2MnSi,势垒层为二维材料黑磷。
所述磁性隧道结,零压下势垒层的厚度为5~15nm(纳米),带隙为0.4eV(电子伏特),可通过机械剥离制备。
所述的绝缘接触层材料为SiO2(二氧化硅),厚度为20nm~50nm(纳米),可通过化学沉积的方法制备。
本发明所达到的有益效果:本发明的压力传感器极高的灵敏度,由于当前磁性隧道结的TMR对压力十分敏感,很微弱的压力都会使得磁性隧道结的TMR发生显著的变化,这种高灵敏度来源于TMR关于压力的临界现象;
本发明的压力传感器具有良好的抗干扰能力,如果存在噪声,噪声只会影响平行电流和反平行电流的大小,不会影响TMR的大小;
本发明的压力传感器目前的磁性隧道结尺寸在纳米量级,因此该压力传感器具有高空间分辨率;本发明的压力传感器两个具有不同相对磁化强度方向的磁性隧道结可以同时获得平行电流和反平行电流,使传感器具有快速响应速度。
附图说明
图1为基于黑磷势垒层磁性隧道结的压力传感器的结构示意图;
图2为黑磷势垒层磁性隧道结的TMR随压力的变化;
图3为黑磷势垒层磁性隧道结的制备流程。
图中,1.绝缘接触层,2.半金属铁磁电极,3.势垒层,4.光刻胶膜5.掩模板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示,一种基于黑磷势垒层磁性隧道结的压力传感器,由绝缘接触层、两个具有不同相对磁化强度方向的磁性隧道结、电流表、电源和微处理器组成。
包括两个绝缘接触层,在两个绝缘接触层之间设置两个具有不同相对磁化强度方向的磁性隧道结,磁性隧道结通过电流表连接至微处理器,所述两个磁性隧道结是半金属铁磁电极、势垒层、半金属铁磁电极的三明治结构,一个磁性隧道结中的两个半金属铁磁电极的磁化强度方向平行,另一个磁性隧道结中的两个半金属铁磁电极的磁化强度方向反向平行。
本发明的基于黑磷势垒层磁性隧道结的压力传感器,绝缘接触层的材料为二氧化硅,厚度为20nm~50nm。
所述磁性隧道结的两个半金属铁磁电极材料为Co2MnSi。
磁性隧道结的势垒层材料为黑磷,厚度为5~15nm。
所述电流表分别与两个磁性隧道结的两侧半金属铁磁电极连接,用于测量磁性隧道结的隧穿电流,电源分别给两个磁性隧道结两侧的半金属铁磁电极提供电压,即相当于电源位于电路干路提供电压,两个磁性隧道结并联为两个支路,两个电流表分别位于两个支路测量支路电流。
本发明设计的基于黑磷势垒层磁性隧道结的压力传感器,其原理与传统的压力传感器截然不同,传统的压力传感器传统的压力传感器的原理为:压力使得传感材料发生形变,从而导致传感材料自身的电阻或电容等产生变化;本发明的传感器的工作原理为:法向压力通过绝缘接触层均匀地施加在两个磁性隧道结上,使得两个具有不同相对磁化强度方向的磁性隧道结同时输出平行电流和反平行电流,再由微处理器将平行电流和反平行电流计算输出电阻值即TMR。也就是说,压力使得磁性隧道结的TMR发生变化。
一种基于黑磷势垒层磁性隧道结的压力传感器制备方法,包括以下步骤:
1)制备绝缘接触层,具体方法为:先在硅片表面化学沉积一层二氧化硅薄膜,然后再将二氧化硅薄膜剥离为绝缘接触层;
2)制备磁性隧道结的下侧铁磁电极材料,具体方法为:采用超高真空直流磁控溅射系统,先在制备好的SiO2薄膜上于室温沉积厚度为20nm~50nm的Co2MnSi薄膜,然后在600~800摄氏度进行退火处理60~120分钟;
3)制备磁性隧道结的势垒层:将剥离好的黑磷薄膜单面旋涂粘合剂PMMA,粘合在下侧铁磁电极上;
4)在势垒层表面制备磁性隧道结的上侧铁磁电极材料,具体方法与步骤2)相同,进而形成铁磁层/黑磷/铁磁层结构;
5)利用光刻技术将铁磁层/黑磷/铁磁层结构进行刻蚀,具体过程为:
首先,将光致抗蚀剂涂在上层Co2MnSi上;
然后将光刻掩模板上确定好的图形复制在上层Co2MnSi上,光致抗蚀剂在设定波长的光照下会发生化学腐蚀刻蚀掉中间部分和两边部分的磁性隧道结,保留成两个磁性隧道结;
6)在刻蚀好的两个磁性隧道结上制备SiO2薄膜绝缘接触层,具体方法与步骤1)相同。
7)用铜制导线将磁性隧道结和电流表、电源以及微处理器连接起来。
为了验证上述基于黑磷势垒层磁性隧道结的压力传感器的性能,利用Matlab软件进行仿真计算TMR随压力的变化。设定的物理参数如下:黑磷势垒层数为20层,外加偏置电压V0=70emV,压力范围为0GPa~1GPa。
TMR的大小为:
Figure BDA0003645524950000051
其中,IP为平行电流,IAP为反平行电流。理论计算结果如图3所示,垂直方向为指数型。
从图3中可以看出,对于半金属铁磁电极情形下的黑磷势垒层磁性隧道结,TMR对于压力的变化十分敏感,且随压力单调递增的速度甚至比指数形式更快。
当前,压力灵敏度可定义为
Figure BDA0003645524950000052
其中ΔTMR为TMR的变化,TMR0为无压力下的TMR,ΔP为压力的变化。通过仿真结果,即图3,可知压力灵敏度可达到8.53×102MPa-1。这种高灵敏度来源于TMR关于压力的临界现象。
绝缘接触层可以使外部的机械压力均匀地施加在两个磁性隧道结上,使得两个磁性隧道结随压力的相对变化保持一致。两个具有不同磁化强度方向的磁性隧道结分别并联输出平行电流和反平行电流,可以同时获得平行电流IP和反平行电流IAP,这可以提高传感器的响应速度。如果存在噪声,它只能影响平行电流IP和反平行电流IAP的大小,而对TMR的大小没有影响。也就是说,目前的压力传感器具有良好的抗干扰能力。此外,纳米尺度的磁性隧道结可以生产具有高空间分辨率的微型压力传感器。
以上结果表明,黑磷势垒层磁性隧道结可以作为高敏感的压力传感器的潜在系统。本发明的传感器在自动化、安全控制以及医学等领域具有广阔的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于黑磷势垒层磁性隧道结的压力传感器,其特征在于:包括两个绝缘接触层,在两个绝缘接触层之间设置两个具有不同相对磁化强度方向的磁性隧道结,磁性隧道结通过电流表连接至微处理器,所述两个磁性隧道结是半金属铁磁电极、势垒层、半金属铁磁电极的三明治结构,一个磁性隧道结中的两个半金属铁磁电极的磁化强度方向平行,另一个磁性隧道结中的两个半金属铁磁电极的磁化强度方向反向平行。
2.根据权利要求1所述的基于黑磷势垒层磁性隧道结的压力传感器,其特征在于:所述绝缘接触层的材料为二氧化硅,厚度为20nm ~ 50nm
3.根据权利要求1所述的基于黑磷势垒层磁性隧道结的压力传感器,其特征在于:所述磁性隧道结的两个半金属铁磁电极材料为Co2MnSi。
4.根据权利要求1所述的基于黑磷势垒层磁性隧道结的压力传感器,其特征在于:磁性隧道结的势垒层材料为黑磷,厚度为5~15nm
5.根据权利要求1所述的基于黑磷势垒层磁性隧道结的压力传感器,其特征在于:所述电流表分别与两个磁性隧道结的两侧半金属铁磁电极连接,用于测量磁性隧道结的隧穿电流,电源分别给两个磁性隧道结两侧的半金属铁磁电极提供电压,两个磁性隧道结并联为两个支路,两个电流表分别位于两个支路测量支路电流。
6.一种基于黑磷势垒层磁性隧道结的压力传感器制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)制备绝缘接触层,具体方法为:先在硅片表面化学沉积一层二氧化硅薄膜,然后再将二氧化硅薄膜剥离为绝缘接触层;
2)制备磁性隧道结的下侧铁磁电极材料,具体方法为:采用超高真空直流磁控溅射系统,先在制备好的SiO2薄膜上于室温沉积厚度为20 nm~50 nm的Co2MnSi薄膜,然后在600~800摄氏度进行退火处理60~120分钟;
3)制备磁性隧道结的势垒层:将剥离好的黑磷薄膜单面旋涂粘合剂PMMA,粘合在下侧铁磁电极上;
4)在势垒层表面制备磁性隧道结的上侧铁磁电极材料,具体方法与步骤2)相同,进而形成铁磁层/黑磷/铁磁层结构;
5)利用光刻技术将铁磁层/黑磷/铁磁层结构进行刻蚀,具体过程为:
首先,将光致抗蚀剂涂在上层Co2MnSi上;
然后将光刻掩模板上确定好的图形复制在上层Co2MnSi上,光致抗蚀剂在设定波长的光照下会发生化学腐蚀刻蚀掉中间部分和两边部分的磁性隧道结,保留成两个磁性隧道结;
6)在刻蚀好的两个磁性隧道结上制备SiO2薄膜绝缘接触层,具体方法与步骤1)相同;
7)用铜制导线将磁性隧道结和电流表、电源以及微处理器连接起来。
7.根据权利要求6所述的一种基于黑磷势垒层磁性隧道结的压力传感器制备方法,其特征在于,所述电流表分别与两个磁性隧道结的两侧半金属铁磁电极连接,用于测量磁性隧道结的隧穿电流,电源分别给两个磁性隧道结两侧的半金属铁磁电极提供电压,两个磁性隧道结并联为两个支路,两个电流表分别位于两个支路测量支路电流。
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