CN102901940B - 基于磁温差电效应的传感器元件及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于磁温差电效应的传感器元件及其实现方法，所述传感器元件包括若干位于磁场中的角形结构的温差电元件，所述温差电元件由具有温差电效应的磁性材料制成，温差电元件包括第一边、第二边以及两边相接形成的角部，所述角部处设有加热装置，所述第一边和第二边的另一端所在区域温度小于或等于周围环境温度。本发明的传感器元件结构及其制造工艺简单、性能稳定，能够加工成各种形式和大小的尺寸，可用于开发不同种类的磁场传感器，特别是可能用于开发超高密度磁性信息存储的新一代读出磁头，在包括信息存储在内的众多领域获得广泛的应用。

Description

基于磁温差电效应的传感器元件及其实现方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种基于磁温差电效应的传感器元件及其实现方法。
背景技术
磁性传感器广泛应用于空间定位和定向、自动监测和控制、信息存储等诸多技术领域，其中的磁性传感元件是关键的部分、决定着磁性传感器的性能和用途。
从原理上，磁性传感元件可以分为利用法拉第（Faraday）磁感应、各向异性磁电阻（AMR：anisotropy magneto-resistance）效应、霍耳（Hall）效应、巨磁电阻（GMR：giant magneto-resistance）效应、隧道磁电阻（TMR：tunnelgiant magneto-resistance）效应等不同类型。特别是基于GMR和TMR效应的传感器，因为它们的高灵敏度、适用于超大容量的信息存储，受到各国相关领域技术人员的重视。近年来，为满足日益增长的存储密度需求，超高灵敏度的磁电阻元件一直处于你追我赶的开发竞争状态，而研究开发的重点是通过寻找发现更合适的材料、更合适的多层结构和更合适的制造工艺，提高元件的灵敏度和运行的稳定性。
现有技术中WO/2012/093587（CO2FE-BASED HEUSLER ALLOY ANDSPINTRONIC DEVICE USING SAME）提出了通过采用Heusler合金、获得最高MR比和高输出信号的CPP-GMR元件；WO/2011/103437（A HIGH GMRSTRUCTURE WITH LOW DRIVE FIELDS）提出具有铁磁交换耦合、显示巨磁电阻(GMR)的多周期结构元件；WO/2011/007767（METHOD FORPRODUCING MAGNETORESISTIVE EFFECT ELEMENT,MAGNETICSENSOR,ROTATION-ANGLE DETECTION DEVICE）公开了一种既能调控固定铁磁膜层的磁化取向又能简化GMR膜制备工艺的方法；Application Number2009280406（METHOD OF MANUFACTURING TMR READ HEAD,ANDTMR LAMINATED BODY）公开了得到高MR比的TMR读出磁头的方法；Application Number 2009202412（TUNNEL JUNCTION TYPEMAGNETORESISTIVE HEAD AND METHOD OF MANUFACTURING THESAME）介绍了获得在面电阻ＲＡ小于1.0Ωμm2的区域MR比退化小的TMR磁头的方法；WO/2008/142748（MAGNETIC HEAD FOR MAGNETIC DISKAPPARATUS）发明了一种用在硬盘（HDD）装置中、含有TMR元件或CPP-GMR元件、信号传送性能优异的读出磁头；WO/2010/050125（CPP-GMRELEMENT,TMR ELEMENT,AND MAGNETIC RECORDING/REPRODUCTION DEVICE）通过采用结晶磁各向异性能达2×108erg/cm3的L10Mn50Ir50薄膜作为反铁磁性层，能够保证即使尺寸小到5nm，元件的稳定性也能达到天文数字的1.2×1049年。
虽然基于GMR或TMR效应传感器能够暂时满足近期存储密度技术发展的要求，但这两类传感器元件都是由不同性能薄膜叠加而形成的多层结构（比如，见专利WO/2010/050125；WO/2002/078021；Application Number 06000077；Application Number 10011433），不仅对薄膜材料的性能有特殊的要求，元件的制备工艺也复杂；另外，还要求磁头的尺寸进一步减小。受这些关键因素的综合限制，元件性能提高的难度越来越大。
因此，为解决上述技术问题，基于新物理效应的磁性传感器元件的研究开发成为该领域技术发展的新方向。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于磁温差电效应的传感器元件及其实现方法。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：
一种基于磁温差电效应的传感器元件，所述传感器元件包括若干位于磁场中的角形结构的温差电元件，所述温差电元件由具有温差电效应的磁性材料制成，温差电元件包括第一边、第二边以及两边相接形成的角部，所述角部处设有加热装置，所述第一边和第二边的另一端所在区域温度小于或等于周围环境温度。
作为本发明的进一步改进，所述加热装置为一电热细线或光照装置，角部加热通过对电热细线通电或局部光照实现，加热温度由电流或光的强度调节。
作为本发明的进一步改进，所述电热细线和温差电元件之间还设有绝缘薄层。
作为本发明的进一步改进，所述温差电元件的第一边和第二边由同一种具有温差电效应的磁性材料弯折成型、或由不同温差电效应的磁性材料焊接成型，所述第一边和第二边的夹角为0~180°,所述角部为第一边和第二边的弯折部、或第一边和第二边的焊接部。
作为本发明的进一步改进，所述温差电元件的第一边和第二边由磁性材料的常规细丝制作，或由真空镀膜和微加工方法在绝缘衬底上制作薄膜细线形成。
作为本发明的进一步改进，所述若干位于磁场中的角形结构温差电元件为相互串联或相互并联、或串联和并联的组合，串联时，若干温差电元件顺次连接成线圈状，前一个温差电元件的第二边的端部和后一个温差电元件的第一边端部电性连接，并联时，若干温差电元件的第一边端部相互电性连接，温差电元件的第二边端部相互电性连接。
作为本发明的进一步改进，所述同一个温差电元件的第一边和第二线边的夹角为90°，若干温差电元件顺次串联时连接成的线圈截面成直角三角形。
作为本发明的进一步改进，所述温差电元件的具有温差电效应的磁性材料为金属、或半金属、或半导体、或导电氧化物。
作为本发明的进一步改进，所述温差电元件所在平面与磁场平行。
相应地，一种基于磁温差电效应的传感器元件实现方法，所述方法包括：
将温差电元件放置于磁场中，所述温差电元件包括若干个角形结构的温差电元件，所述温差电元件由具有温差电效应的磁性材料制成，温差电元件包括第一边、第二边以及所述两边相接形成的角部；
加热温差电元件的角部，使角部的温度高于第一边和第二边另一端的温度；
磁场发生变化时，基于磁温差电效应，角形结构的温差电元件将磁场的变化信息转化为变化的电信息，在温差电元件两端以电压的形式输出。
与现有技术相比，本发明的传感器元件结构和制造工艺简单、性能稳定，能够加工成各种形式和大小的尺寸，可用于开发不同种类的磁场传感器，特别是可能用于开发超高密度磁性信息存储的新一代读出磁头，在包括信息存储在内的众多领域获得广泛的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施方式传感器元件中温差电元件的结构示意图；
图2为本发明一实施方式传感器元件中实现原理的流程示意图；
图3为本发明一实施方式中温差电元件两端G和E间的电压随磁场强度的变化图。
具体实施方式
本发明公开了一种基于磁温差电效应的传感器元件，传感器元件包括若干位于磁场中的角形结构的温差电元件，温差电元件由具有温差电效应的磁性材料制成，温差电元件包括第一边、第二边以及两边相接形成的角部，角部处设有加热装置，第一边和第二边的另一端所在区域温度小于或等于周围环境温度。
本发明还公开了一种基于磁温差电效应的传感器元件的实现方法，方法包括：
将温差电元件放置于磁场中，温差电元件包括若干个角形结构的温差电元件，温差电元件由具有温差电效应的磁性材料制成，温差电元件包括第一边、第二边以及两边相接形成的角部；
加热温差电元件的角部，使角部的温度高于第一边和第二边另一端的温度；
磁场发生变化时，基于磁温差电效应，角形结构的温差电元件将磁场的变化信息转化为变化的电信息，在温差电元件两端以电压的形式输出。
本发明基于磁温差电效应的传感器元件及其实现方法将具有角形结构的温差电元件放置于磁场中，加热温差电元件的角部，当磁场发生变化时，温差电元件两端的电压会相应的变化，从而实现磁场信息到电信息的转化。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
参图1所示，本发明一实施方式中基于磁温差电效应的传感器元件，包括若干位于磁场H中的角形结构的温差电元件10，温差电元件由具有温差电效应的磁性材料制成，温差电元件10包括第一边11、第二边12以及第一边11和第二边12相接形成的角部13，角部13处设有加热装置。加热装置为一电热细线或光照装置，对角部13通过电热细线通电或局部光照实现加热，加热温度由电流或光的强度调节。优选地，本实施方式中采用对电热细线20通电进行加热，加热温度由电流的大小调节。
本实施方式中传感器元件的实现方法为：
将温差电元件10放置于磁场H中；
加热温差电元件10的角部13，使角部13的温度高于第一边11和第二边12的另一端的温度；
磁场H发生变化时，基于磁温差电效应，温差电元件10将磁场变化的信息转化为变化的电信息。
本实施方式中的温差电元件采用具有温差电效应的磁性材料制成，具有温差电效应的磁各向异性，其可为金属、或半金属、或半导体、或导电氧化物。温差电元件的第一边和第二边由磁性材料的常规细丝制作，或由真空镀膜和微加工方法在绝缘衬底上制作薄膜细线形成，由此制成微型或小尺寸的传感器。将温差电元件置于可变磁场H中，优选地，温差电元件所在平面与可变磁场H的方向相平行，在其他实施方式中也可以有一定的夹角。
角部13(F部)通过加热装置加热形成高温区域，第一边11和第二边12的端部E和G置于较低温度的区域中，也可以直接置于周围的环境温度，则端部E和G为两个低温结，角部F为高温结，温差电元件就通过高温结和低温结之间的温差，将从高温端的热能直接转化成了电能，从而在温差电元件的两端E和G之间产生一个电压。该电压的大小会随着磁场强度的改变而变化，电压的正负极性随着磁场方向的改变而变化，从而实现磁场信息与电信息的转化。优选地，本实施方式中电热细线20直接与温差电元件10的角部(F部)接触，其他实施方式中电热细线和温差电元件还可以设有绝缘薄层间接接触。
本发明中温差电元件的第一边和第二边可以是同一种材料，也可以是符合传热匹配要求的不同种材料。采用同一种材料时，直接将其折弯成型，弯折部即为温差电元件的角部；采用不同种材料时，将两种材料焊接成型，焊接部即为温差电元件的角部。第一边和第二边间的夹角为0~180°。优选地，本发明一优选实施方式中温差电元件采用同一种具有温差电效应的磁性材料弯折而成，第一边和第二边之间的弯折角度最佳设为90°。
参图3所示，在本发明一具体实施例中，电加热使元件F部的温度至345K，室温是302K，磁场方向平行于元件的第二边，磁场强度H从0逐渐增加至6000 Oe，可得到温差电元件两端G和E间的电压UGE随磁场强度的变化曲线，从而实现磁场信息到电信息的转化。
本发明中的温差电元件可以单独使用，每个单个温差电元件所产生的电动势很小，只有几到几百个微伏，还可以先将多个温差电元件串联起来使用，起到放大电信号、提高传感器灵敏度的作用。串联时，温差电元件顺次串联时连接成线圈状，前一个温差电元件的第二边的端部和后一个温差电元件的第一边端部电性连接，优选地，温差电元件的第一边和第二线边的夹角为90°，且温差电元件顺次串联时连接成的线圈截面成直角三角形，在其他实施方式中斜边也可以设置为曲线等；并联时，温差电元件的第一边端部相互电性连接，温差电元件的第二边端部相互电性连接，分别作为两个连接端。串联组合件两端的电压与元件的个数成正比，由此提高传感器元件的磁-电信息转化性能。
由上述技术方案可以看出，本发明基于磁温差电效应的传感器元件及其实现方法将具有角形结构的温差电元件放置于磁场中，加热温差电元件的角部，当磁场发生变化时，温差电元件两端的电压会相应的变化，从而实现磁场信息到电信息的转化。
本发明的传感器元件结构简单和制造工艺、性能稳定，能够加工成各种形式和大小的尺寸，可用于开发不同种类的磁场传感器，特别是可能用于开发超高密度磁性信息存储的新一代读出磁头，在包括信息存储在内的众多领域获得广泛的应用。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种基于磁温差电效应的传感器元件，其特征在于，所述传感器元件包括若干位于磁场中的角形结构的温差电元件，所述温差电元件由具有温差电效应的磁性材料制成，温差电元件包括第一边、第二边以及两边相接形成的角部，所述角部处设有加热装置，所述第一边和第二边的另一端所在区域温度小于或等于周围环境温度，若干位于磁场中的角形结构温差电元件为相互串联或相互并联、或串联和并联的组合，串联时，若干温差电元件顺次连接成线圈状，前一个温差电元件的第二边的端部和后一个温差电元件的第一边端部电性连接，并联时，若干温差电元件的第一边端部相互电性连接，温差电元件的第二边端部相互电性连接。
2.根据权利要求1所述的传感器元件，其特征在于，所述加热装置为一电热细线或光照装置，角部加热通过对电热细线通电或局部光照实现，加热温度由电流或光的强度调节。
3.根据权利要求2所述的传感器元件，其特征在于，所述电热细线和温差电元件之间还设有绝缘薄层。
4.根据权利要求1所述的传感器元件，其特征在于，所述温差电元件的第一边和第二边由同一种具有温差电效应的磁性材料弯折成型、或由不同温差电效应的磁性材料焊接成型，所述第一边和第二边的夹角为0～180°,所述角部为第一边和第二边的弯折部、或第一边和第二边的焊接部。
5.根据权利要求4所述的传感器元件，其特征在于，所述温差电元件的第一边和第二边由磁性材料的常规细丝制作，或由真空镀膜和微加工方法在绝缘衬底上制作薄膜细线形成。
6.根据权利要求1所述的传感器元件，其特征在于，同一个所述温差电元件的第一边和第二线边的夹角为90°，若干温差电元件顺次串联时连接成的线圈截面成直角三角形。
7.根据权利要求1所述的传感器元件，其特征在于，所述温差电元件的具有温差电效应的磁性材料为金属、或半金属、或半导体、或导电氧化物。
8.根据权利要求1所述的传感器元件，其特征在于，所述温差电元件所在平面与磁场平行。
9.一种基于磁温差电效应的传感器元件实现方法，其特征在于，所述方法包括：
将温差电元件放置于磁场中，所述温差电元件包括若干个角形结构的温差电元件，所述温差电元件由具有温差电效应的磁性材料制成，温差电元件包括第一边、第二边以及所述两边相接形成的角部，若干位于磁场中的角形结构温差电元件为相互串联或相互并联、或串联和并联的组合，串联时，若干温差电元件顺次连接成线圈状，前一个温差电元件的第二边的端部和后一个温差电元件的第一边端部电性连接，并联时，若干温差电元件的第一边端部相互电性连接，温差电元件的第二边端部相互电性连接；
加热温差电元件的角部，使角部的温度高于第一边和第二边另一端的温度；
磁场发生变化时，基于磁温差电效应，角形结构的温差电元件将磁场的变化信息转化为变化的电信息，在温差电元件两端以电压的形式输出。
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磁各向异向性热电效应对自旋相关器件的影响;陈家洛 等;《物理学报》;20120919;第61卷(第20期);第207201-1～207201-6页 *

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