CN110196115A

CN110196115A - 一种利用磁隧道结磁电阻测量温度的方法

Info

Publication number: CN110196115A
Application number: CN201910484503.3A
Authority: CN
Inventors: 杨杭福; 黄霞妮; 吴琼; 泮敏翔; 徐靖才; 葛洪良
Original assignee: Individual
Current assignee: Dongyang Fushite Magnetic Industry Co ltd
Priority date: 2019-06-05
Filing date: 2019-06-05
Publication date: 2019-09-03
Anticipated expiration: 2039-06-05
Also published as: CN110196115B

Abstract

本发明公开了一种利用磁隧道结（MTJ）磁电阻精确测量温度的方法，包括以下步骤：利用电阻加热平台，测量磁隧道结磁电阻随着温度的变化曲线，计算得到温度电阻系数；通过测量磁隧道结磁电阻信号，利用获得的温度电阻系数，将电阻变化信号转化为温度信号；本发明可用于环境温度的监测，也适于其他加热条件，例如激光加热。本发明以纳米级磁隧道结作为测温元器件，利用其磁电阻随着温度的变化关系，测温范围广，测量准确度高，响应时间快，抗干扰性能好，操作简单，同时磁隧道结非常小，适合将磁隧道结制作成具有高空间分辨率的温度传感器，应用广泛。

Description

一种利用磁隧道结磁电阻测量温度的方法

技术领域

本发明涉及一种利用磁隧道结快速准确测量温度的方法，属于温度传感技术领域。

背景技术

近年来，温度传感器发展迅速，市场快速上升，几乎占了整个传感器总需求量的40%，尤其是汽车电子、消费电子和加工工业的迅猛增长带来了温度传感器需求的大幅增加，如根据MarketsandMarkets公司的分析和预测，温度传感器市场在2014年至2020年间将以5.11%的复合年均增长率增加，并且在2020年其总量将达到60.5亿美元。目前我国温度传感器只有中低档产品基本满足市场需求，产品品种满足率在60%-70%左右。但从行业产品结构看，老产品比例占60%以上，新产品明显不足，高新技术类产品更少；同时数字化、智能化、微型化产品严重欠缺。

随着电子器件的快速小型化，热耗散与热传导变得愈加重要，正成为电子器件的进一步小型化的限制因素以及基础研究领域的关键因素，自旋热点学的兴起，需要对纳米薄膜的温度以及周边环境温度的需要准确掌握，所要求的测量方法的更加准确、快速、并且有更高的空间分辨率。研究表明，基于Julliere的自旋极化直接弹性隧穿模型(spin-polarized direct elastic tunneling model), 磁隧道结的电导G=1/R随着温度T的变化存在以下关系：

其中+与-分别表示低电阻态（P）与高电阻态（AP），G ₀(T)=G ₀ CT/sin(CT)是直接弹性隧穿的前置系数，G ₀是T=0 K时的电导率，C是常数，P(T)是MTJ中磁性薄膜的自旋极化率。随着MTJ制备技术不断提高，具有高质量薄膜和高TMR的MTJ的电导在AP态时，它的电导率是随着温度变化的，特别是在室温附近，基本呈线性，但在P态下，电导率基本不随温度变化。由于MTJ磁电阻主要是由自由层、绝缘层与参考层决定，对于具有高TMR的MTJ,它的磁电阻随着温度的变化关系，主要由这三层决定。这个变化规律为直接测量MTJ中纳米磁性层的温度变化提供了依据。因此本发明对国内高端传感器的发展有着帮助作用，同时，能够推动自旋热电子学等基础研究的发展。

发明内容

本发明的目的提供一种利用磁隧道结磁电阻快速准确测量温度的测量方法。

本发明的测量装置及示意图如图1所示：

测量步骤如下：

1.本发明所采用的磁隧道结主要结构包括：氧化镁或氧化铝绝缘层，CoFeB磁性自由层和参考层，CoFe反铁磁层，以及保护层和连接层；以Ru, Ta, Cu等的一层或多层作为保护层；连接层以Cu, Ta, CuN等的一层或多层作为连接层。磁隧道结的形状为椭圆形或者方形，大小在50 nm×100 nm 到200 nm×600 nm之间。

2.磁隧道结温度系数的校准：将磁隧道结置于使用的电阻加热平台，采用镍铬电阻丝为加热源, Pt100为平台的温度传感器，改变通过电阻丝的电流，测量并记录加热平台的温度以及磁隧道电阻加热平台。所使用的电阻测量仪器为Keithley 2400;

3.温度系数的计算：其特征在于采用磁电阻与温度的变化关系，电阻温度系数：α=ΔR/ΔT; ΔR=R-R ₀为为磁隧道结磁电阻的变化；ΔT=T-T ₀为电阻加热平台温度的变化，以室温23 ^oC（T ₀）时的电阻作为基准电阻（R ₀），通过线性拟合，获得α;

4.环境温度与激光加热下温度的测量：，a)测量环境温度的变化，其特征在于先测量磁隧道结的电阻（R）随着环境温度的变化，接着计算得到环境温度的变化曲线，T=(R-R ₀)/α+T ₀. b)激光加热下的温度变化，采用的激光为飞秒激光脉冲或其他激光，用透镜聚焦在磁隧道结表面，测量在激光脉冲下磁电阻的变化，最终得到在激光加热下磁隧道结的平均温度变化;

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

（1）利用磁隧道结磁电阻测量温度的方法，测量精度更高，达到了毫K级别，响应时间更快，皮秒量级；

（2）由于磁隧道结非常小，通常只有几百纳米至几微米，利于小型化，应用范围更广；

（3）本发明的方法操作简单、环保友好，成本低，易于工业化，具有高端传感器的潜质。

附图说明

图1，测量方法及装置示意图。1为加热电阻丝，2导热平台，材料为Cu或者Al，3为磁隧道结，4为直流电流，5为Pt100温度传感器。

图2，测量得到的磁电阻曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施方式及对比例对本发明作进一步阐述。

实施例1，以100 nm×200 nm的磁隧道结作为温度传感器为例，先测量磁电阻曲线，如图2所示，将磁隧道结置于的电阻加热平台，利用镍铬电阻丝，将平台逐渐加热到100^oC，并测量平台温度和磁隧道结的磁电阻（测量的电阻为0磁场下，高电阻态的电阻）。通过计算和线性拟合得到温度电阻系数α为100 mΩ/K,将磁隧道结置于空调房内与房间外面，测量在两个环境中的电阻，计算得到空调房内温度为24.5 ^oC, 房间外温度为37.5 ^oC。

实施例2，以400 nm×600 nm的磁隧道结作为温度传感器为例，将磁隧道结置于的电阻加热平台，利用镍铬电阻丝，将平台逐渐加热到100^oC，并测量平台温度和磁隧道的磁电阻（测量的电阻为0磁场下，高电阻态的电阻）。通过计算得到温度电阻系数α为89 mΩ/K,采用飞秒激光加热样品表面，并测量磁电阻，计算得到激光加热后，磁隧道结的温度为156 ^oC。

Claims

1.一种利用磁隧道结磁电阻测量温度的方法, 其特征在于磁隧道结（MTJ）的结构主要包括：氧化镁或者氧化铝为绝缘层，CoFeB为磁性自由层和参考层，以CoFe为反铁磁层，以及保护层和连接层，保护层其特征在于，以Ru, Ta, Cu等的一层或多层作为保护层，连接层其特征在于，以Cu, Ta和CuN等的一层或多层作为连接层；所述磁隧道结的形状为椭圆形或者方形，其特征在于大小为50 nm×100 nm到200 nm×600 nm。

2.一种利用磁隧道结磁电阻测量温度的方法，其特征在于磁隧道结温度系数的校准方法为：所使用的电阻加热平台，其特征在于所使用的电阻加热丝为镍铬电阻丝或者钨丝，直径为2 mm, 所使用的电阻温度测温器件为Pt100，电阻加热平台能达到的温度为100 ^oC，所使用的电阻测量仪器为Keithley 2400。

3.一种利用磁隧道结磁电阻测量温度的方法,其特征在于温度系数的计算方法为：电阻温度系数：α=ΔR/ΔT; ΔR为磁隧道结磁电阻（R-R ₀）的变化，ΔT为电阻加热平台温度（T-T ₀）的变化，以室温23 ^oC（T ₀）时的电阻作为基准电阻（R ₀）。

4.一种利用磁隧道结磁电阻测量温度的方法：其特征在于以磁隧道结作为测温元器件，a) 测量环境温度的变化，其特征在于先测量磁隧道结的电阻（R）随着环境温度的变化，采用的测量仪器为Keithley 2400，接着计算得到环境温度的变化曲线，其特征在于所采用的的计算方法为：T=(R-R ₀)/α +T _0.b)测量激光加热下的温度变化，其特征在于采用的激光为飞秒加热，以透镜聚焦在磁隧道结表面，测量在激光脉冲下磁电阻的变化，计算得到在激光加热下磁隧道的温度变化。

5.根据权利要求2所述的，在测量MTJ磁电阻的过程中，使用Keithley 2400在MTJ中施加一个直流电流，电流的大小为100 µA到3 mA，采用2线或者4线法测量MTJ的磁电阻。

6.根据权利要求4所述的，激光为钛红宝石激光器/或其他激光器。