[发明专利]一种利用铁磁性纳米环巨磁电阻效应的磁场传感器

说明书

技术领域

本发明属于磁性纳米传感器技术领域，特别涉及一种使用铁磁性纳米环结构材料的磁场检测传感器。

背景技术

磁场检测是磁测量中的重要方面之一，在国民经济中有着广泛的应用，如信息工业中磁记录读出头，航海中地磁方位的测量，飞行器上磁场方位的测量，石油勘探中的地磁大小和方位的测量，工业生产中漏磁、剩磁的测量，冶金、航空工业中产品质量的无损检测，弱磁防伪技术中的应用等，现有的技术中主要采用各向异性磁电阻材料，如NiFe、NiCo等金属薄膜材料，自从1988年以来，随着研究工作的深入，各种新型磁电阻材料不断涌现，如金属多层膜巨磁电阻材料，自旋阀磁电阻材料，颗粒膜巨磁电阻材料，磁隧道结磁电阻材料等都有各自的特点。

目前使用较多的磁传感器有各向异性磁电阻传感器、自旋阀巨磁电阻传感器、磁隧道结巨磁电阻传感器等，各向异性磁电阻传感器由于材料磁电阻小，输出信号小，噪声较大；自旋阀巨磁电阻传感器的磁场灵敏度较各向异性磁电阻传感器有显著的提高，可达到1％/Oe，但总的磁电阻变化只有2-5％，输出信号幅度也不大；而磁隧道结巨磁电阻传感器相比前面两种传感器，其制备技术要求更高，需要制备1个纳米的超薄、均匀的绝缘层，并且大批量生产时难以保证其一致性。

发明内容

本发明的目的在于采用巨磁电阻材料的铁磁性纳米环，该材料在外磁场作用下，其电阻发生变化，从而导致纳米环两端的电压变化，通过检测纳米环两端的电压变化，将磁场信号转换成电信号，达到检测外磁场变化的目的，并且提高磁场传感器的磁电阻变化和磁场灵敏度，使制备更加简单。

本发明磁场传感器由在基片5上制备的纳米尺寸的铁磁性纳米环1以及一组引线4和4’组成；在环的两端连接的这组引线4和4’同时作为恒流源接线2和电压测量接线3；铁磁性纳米环1的几何尺寸是：外径D的范围在7纳米到10微米之间，内径d小于外径D，环宽(＝D/2-d/2)范围在5纳米到1微米之间，纳米环的厚度在1纳米到500纳米之间。

所述铁磁性纳米环1材料包括铁、钴、镍单质铁磁性金属中的一种；或是以铁、钴、镍为基的铁磁性合金材料中的一种；或是铁磁性氧化物中的一种。

所述引线4和4’材料包括导电性良好的金、银、铜、铝等非磁性金属材料，或非磁性金属合金材料。

所述基片5材料包括非磁性的绝缘体材料。

所述磁场传感器所检测的外磁场范围：0.1毫特斯拉～1特斯拉的外磁场。

本发明设计的磁性纳米环为结构单元的磁场传感器的工作原理如下：

铁磁性纳米环在外磁场作用下，会发生在磁涡旋态和磁双畴态之间的转换，从而会引起纳米环的电阻发生显著变化，如果在纳米环直径的两端点各连接一个电极，在两电极之间施加电流I，并探测相应电压V，在外磁场作用下，输出电压信号就会发生有规律的变化。纳米环在外磁场作用下达到磁化饱和时，纳米环处于磁化双畴态，电阻为一定值；随着外场的减小，纳米环的面内磁矩发生偏转，形成特殊的磁化涡旋态，磁电阻显著减小，产生一个台阶式的变化，在外磁场进一步减小最后达到反向饱和时，纳米环磁化状态变为朝向反向磁场方向的双畴态，磁电阻又跳变到最初值。该传感器利用探测纳米环两端电压的变化从而检测出外场大小的变化，二者是一一对应关系。

本发明的优点在于：该传感器制作非常简单，输出信号大，响应快速，特别适合于检测磁场变化的阈值，在磁场转变点的磁场灵敏度极高。同时该传感器还可作为磁存储单元，涡旋态和双畴态分别作为记录单元的“0”和“1”。与现有磁场传感器相比，本发明的磁场传感器磁电阻变化大，磁场灵敏度高，可达2-10％/Oe或更高。

附图说明

图1铁磁性纳米环磁场传感器示意图。1表示铁磁性纳米环，D表示纳米环外径，d表示纳米环内径，2表示用于恒流源的接线，3表示用于电压测量的接线，4和4’表示用于测量的引出线及接点，5表示基片，H表示外磁场方向。

图2纳米环中的磁涡旋态示意图，图中箭头表示磁矩方向。

图3纳米环中的磁双畴态示意图，图中箭头表示磁矩方向。

图4该纳米环传感器电阻随外磁场变化曲线。图中箭头表示纳米环中的磁矩方向。

具体实施方式

实施例1

在石英玻璃基片上制作由钴铁合金铁磁性纳米环和铜测量引线构成的磁场传感器。