[发明专利]一种桥接式石墨烯基磁传感器

说明书

技术领域

本发明主要涉及到弱磁场测量技术领域，特指一种采用石墨烯设计的桥接式结构的磁场传感器。

背景技术

弱磁场测量广泛应用于目标探测、地磁导航、磁存储器、地质勘探、生物医学等军事和国民经济领域。现有技术中用于微弱磁场测量的传感器类型较多，主要包括磁通门传感器、光泵式磁传感器、质子式磁传感器、光纤磁传感器、巨磁阻抗磁传感器、AMR（Anisotropic Magnetoresistive，各向异性磁阻）磁传感器、GMR（Giant Magnetoresistive，巨磁阻）磁传感器、MTJ（Magnetic Tunnel Junction，磁隧道结）磁传感器等。其中，AMR、GMR和MTJ磁传感器是相比其他类型的磁传感器明显具有体积小、功耗低、易批量生产等特点。但是以AMR为敏感元件的磁传感器使用时需要设置set/reset线圈对其进行预设-复位操作，造成其制造工艺的复杂，线圈结构的设置在增加尺寸的同时也增加了功耗。以多层膜GMR为敏感元件的磁传感器响应曲线呈偶对称，只能测量的磁场大小，不能反映磁场的方向。MTJ元件利用磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应（Tunnel Magnetoresistance，TMR）对磁场进行感应，比之前发现并实际应用的AMR元件和GMR元件具有更大的电阻变化率、更高的灵敏度和更好的温度稳定性。

1975年Julliere在Fe/Ge/Co隧道结中观察到当两铁磁层磁化方向平行或反平行时，隧道结将具有不同的电阻值（Julliere M. Tunneling Between Ferromagnetic Films. Phys Lett A, 1975, 54(3):225-226)。这种因外磁场改变隧道结铁磁层的磁化状态而导致其电阻变化的现象，称为磁隧道结效应。Fe/Ge/Co隧道结低温下的磁阻变化率高达14%，但在室温下却很小。在随后的30多年中人们对MTJ进行了系列深入研究。1995年Miyazaki小组实现了磁隧道结研究的突破性进展（Miyazki T, Tezuka N. Giant magnetic tunneling effect in Fe/Al₂O₃/Fe junction. J. Magn. Magn. Mater., 1995, 139:L231），首次在Fe/Al₂O₃/Fe隧道结中发现在室温和几毫特磁场下的磁阻变化率高达15.6%，低温下更高，约为23%。2008年，S. Ikeda等制备的MgO基MTJ在室温下的磁阻变化率达到了604%，5K低温下则达1144%（S. Ikeda, J. Hayakawa, Y. Ashizawa, Y. M. Lee, K. Miura, H. Hasegawa, M.Tsunoda, F. Matsukura, and H. Ohno, Appl. Phys. Lett.2008, 93: 082508），这一记录性的实验结果已接近MgO基MTJ的理论预测值。

通过对MTJ的几十年发展历程的分析可以得出：                                                中间势垒层对磁隧道结的发展具有极为重要的推动作用，势垒层从早期的Ge到Al₂O₃，再到MgO，在铁磁层基本不变的情况下，磁隧道结的磁阻变化率近似呈指数级提高，这一发展规律激发了人们对势垒层的关注和研究；制备工艺对磁隧道结的性能影响很大，研究人员在分析磁隧道结噪声特性时发现，势垒层在制备过程中存在的不一致性、针孔等缺陷会产生1/f噪声，限制了MTJ磁传感器的低频磁场测量能力。