[发明专利]磁性薄膜结构以及含有其的磁敏传感器器件、应用方法

说明书

本发明属于传感器领域，具体为一种磁性薄膜结构以及含有其的磁敏传感器器件、应用方法。本发明提供的磁性薄膜结构可通过时变电磁激励产生自旋整流效应，从而使得该薄膜结构的磁敏传感器调制，包括调整磁敏传感器工作电压窗口以及提高测量磁电阻率。另外，本发明还提供一种在给定磁场和给定直流工作电流下的输出电压窗口调制、利用上述磁性薄膜结构或相应磁敏传感器器件进行微波功率探测的使用方法，其通过将磁性薄膜结构或相应磁敏传感器器件的第一磁性层、第二磁性层各引出两个电极接口，并通过预先标定好输入的不同微波功率与磁性薄膜结构磁电阻率值的对应关系，在需要微波探测的场合，通过检测磁性薄膜结构的自旋整流电压或磁电阻率的变化，获得微波功率数值。

技术领域

本发明属于传感器领域，具体其涉及磁性薄膜结构以及含有其的磁敏传感器器件、应用方法。

背景技术

对于自旋阀和赝自旋阀式磁电阻器件，其器件电阻随外磁场变化一般可认为满足：这里R_P为两磁性层磁化强度方向同向平行时的电阻，R_AP为两磁性层磁化强度方向反平行时的电阻，ΔR＝R_AP-R_P是两磁性层磁化强度反平行时与平行时的电阻差，θ为两磁性层磁化强度的夹角。当有外界周期性电磁场扰动，如外加适当的时变场电场、时变磁场或时变电流时两磁性层中的一层磁矩将在θ_H角附近发生进动，从而导致器件电阻亦随之周期性波动，θ_H为没有外加直流工作电流时的两磁性层磁化强度的夹角，根据欧姆定律可以获得整流效应，称为自旋整流效应。以外加周期性电流i＝i₀Sin(ωt)为例，磁电阻器件电阻受电流扰动满足依据欧姆定律，器件输出的电压为即其中直流项即为自旋整流直流电压V₀。

这种由磁电阻效应与周期性变化的外电磁场(磁场、电场、电流)激励共同引起的整流效应，即自旋整流效应。自旋整流效应可以在多种周期性电磁扰动下发生，包括：

对于一般的铁磁性材料和亚铁磁性材料和结构，周期性磁场扰动造成磁矩在θ_H附近进动，与周期性电场扰动产生的交变电流耦合可发生自旋整流效应；

对于存在自旋转移力矩效应的磁性材料和结构，周期性电场扰动产生交变电流进而造成磁矩在θ_H附近进动，与周期性电场扰动产生的交变电流自身耦合可引起自旋整流效应；

对于电场调制磁各向异性磁性材料和结构，周期性电场扰动可直接造成磁矩在θ_H附近进动，与周期性电场扰动产生的交变电流耦合可引起自旋整流效应。

一定磁场H下，磁敏传感器的磁电阻率(MR,Magnetoresistance ratio)可以定义为：是磁敏传感器的重要指标，通常通过优化磁敏传感器的材料组分或改进器件的结构获得高的磁敏传感器磁电阻率，但随器件微纳化材料优化或改进器件结构提高磁电阻率存在一定的困难，因此在实际器件应用中采用其它手段放大器件输出信号或提高器件的磁电阻率十分重要；另一方面，磁电阻器件，包括各种磁敏传感器，其给定磁场下的输出电压窗口ΔV＝V_AP-V_P，由于其ΔV总是正比于直流工作电流所以在给定的直流工作电流下一般难以调制。本专利基于自旋整流效应和磁电阻率提供一种新的手段利用时变电磁场激励，典型的例如，微波，实现测量磁电阻率的放大和给定磁场和给定直流工作电流下的输出电压窗口调制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的利用自旋整流效应提高磁敏传感器的测量磁电阻率的磁性薄膜结构和器件使用方法，以克服现有技术通过优化磁敏传感器的材料与结构以获得高的磁敏传感器磁电阻率的局限；同时，提供一种调制磁敏传感器在给定磁场和直流工作电流下的输出电压窗口的技术实现手段；另外，本专利还提供基于上述磁性薄膜结构和器件实现微波功率测量的技术方案。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：