CN110220608B - 一种利用磁隧道结参考层矫顽场测量温度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用磁隧道结参考层矫顽场测量温度的方法，包括以下步骤：利用电阻加热平台，测量磁隧道结参考层的矫顽场随着温度变化曲线，计算得到温度矫顽场系数；通过测量磁隧道结矫顽场，并利用获得的温度矫顽场系数，将矫顽场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，利用其参考层矫顽场随着温度的变化关系，测温范围广，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，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用磁隧道结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，磁隧道结的参考层矫顽场与RKKY耦合有关，在室温附近，参考层的矫顽场与温度接近线性关系。这个变化规律为直接测量利用矫顽场测量温度提供了依据。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矫顽场测量温度的方法。
本发明的测量装置及示意图如图1所示：
测量步骤如下：
1.一种利用磁隧结参考层矫顽场测量温度的方法，磁隧道结（MTJ）的结构主要包括：以氧化镁或者氧化铝为绝缘层，CoFeB为磁性自由层和参考层，以及保护层和连接层，以Ru, Ta, Cu的一层或多层作为保护层，以Cu, Ta和CuN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以下具有非常好的面内单轴各向异性，并且要求具有非常好的单筹特性，磁隧道结越小越好；
2.磁隧道结温度矫顽场系数的校准方法为：使用的电阻加热平台，采用镍铬电阻丝或者钨丝加热，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100oC，利用Keithley 2400测量磁电阻曲线，获得参考层易磁化轴的矫顽场HC=(HAP-P+HP-AP)/2，HAP-P表示高电阻态向低电阻态转变的矫顽场，HP-AP表示低电阻态向高电阻态转变的矫顽场；
3. 温度矫顽场系数的计算方法为：采用参考层矫顽场与温度的变化关系，电阻温度系数：β=ΔHC/ΔT; ΔHC为为磁隧道结矫顽场的变化；ΔT为电阻加热平台温度（T-T0）的变化，以室温23 oC（T0）时的矫顽场作为基准矫顽场；
4. 测量MTJ磁电阻曲线（MR）过程中，使用Keithley 2400在MTJ中施加一个直流电流，电流的大小为10 µA到1mA；采用2线或者4线法测量MTJ的磁电阻曲线；
5. 温度测量：a) 测量环境温度的变化，先测量磁隧道结参考层的矫顽场随着环境温度变化，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，采用的的计算方法为：T=ΔHC/β +T0.b)；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，以透镜聚焦在磁隧道结表面，测量在激光脉冲下参考层矫顽场的变化，计算得到在激光加热下磁隧道结的温度变化。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
（1）利用磁隧道结参考层矫顽场测量温度的方法，测量精度高，误差±1 K；
（2）由于磁隧道结非常小，利于制作成纳米级温度传感器；
（3）本发明的操作简单、环保友好，易于工业化。
附图说明
图1，测量方法示意图。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20 nm×30nm的磁隧道结作为温度传感器为例，先将磁隧道结置于的电阻加热平台，利用钨丝电阻丝，将平台逐渐加热到100 oC，并测量平台温度和磁隧道结参考层的矫顽场，矫顽场通过测量磁电阻曲线获得，如图2所示。通过计算得到温度矫顽场系数为301 mOe/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矫顽场，计算得到空调房内温度为22.1oC, 房间外温度为33.1 oC。
计算得到空调房内温度为23.1oC, 房间外温度为33.5 oC。
实施例2，以30 nm×50 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，利用钨丝电阻丝，将平台逐渐加热到100 oC，并测量平台温度和磁隧道结参考层的矫顽场。矫顽场通过测量磁电阻曲线获得，通过计算得到温度电阻系数为342 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161oC。
Claims (3)
1.一种利用磁隧结参考层矫顽场测量温度的方法，其特征在于磁隧道结（MTJ）的结构主要包括：以氧化镁或者氧化铝为绝缘层，CoFeB为磁性自由层和参考层，以及保护层和连接层，以Ru, Ta, Cu的一层或多层作为保护层，以Cu, Ta和CuN的一层或多层作为连接层，所述磁隧道结的形状为椭圆形，大小为50纳米以下，具有非常好的面内单轴各向异性；磁隧道结温度矫顽场系数的标准曲线对应关系获得方法为：使用电阻加热平台，电阻加热丝为镍铬电阻丝或者钨丝，直径为2 mm，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，利用Keithley 2400测量磁电阻曲线（MR），获得参考层易磁化轴的矫顽场H C=(H AP-P+H P-AP)/2，H AP-P表示高电阻态向低电阻态转变的矫顽场，H P-AP表示低电阻态向高电阻态转变矫顽场；温度矫顽场系数的计算方法为：电阻温度系数：β=ΔH C/ΔT，ΔH C为磁隧道结矫顽场的变化，ΔT为电阻加热平台温度（T-T 0）的变化，以室温23 oC（T 0）时的参考层矫顽场作为基准矫顽场；以磁隧道结作为测温元器件，a) 测量环境温度的变化，先测量磁隧道结参考层的矫顽场随着环境温度变化，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，所采用的的计算方法为：T=ΔH C/β +T 0. b)激光加热下的温度变化，采用激光作为热源，以透镜将激光聚焦在磁隧道结表面，测量在激光脉冲下参考层矫顽场的变化，计算得到在激光加热下磁隧道的温度变化。
2.根据权利要求1所述的方法，在测量MTJ磁电阻曲线（MR）过程中，使用Keithley 2400在MTJ中施加一个直流电流，电流的大小为10 µA到1 mA；采用2线或者4线法测量MTJ的磁电阻曲线。
3.根据权利要求1所述的方法，激光为钛红宝石激光器/或其他激光器。
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