[发明专利]一种基于磁阻元件的氢气传感器及其检测氢气的方法

权利要求书

1.一种基于磁阻元件的氢气传感器，其特征在于，包括：

位于X-Y平面上的衬底；

位于衬底上的磁电阻传感单元和磁电阻参考单元，所述磁电阻传感单元电连接成传感臂，所述磁电阻参考单元电连接成参考臂，所述传感臂与所述参考臂电连接成参考桥式结构；其中，所述述磁电阻传感单元与所述磁电阻参考单元同为具有相同磁多层薄膜结构的AMR单元或具有相同磁多层薄膜结构的GMR单元；所述磁电阻传感单元与所述磁电阻参考单元的上分别覆盖Pd层，在覆盖在所述磁电阻参考单元的Pd层的上方再覆盖一层钝化绝缘层；

所述磁多层薄膜结构通过半导体微加工工艺制成带状蛇形电路，所述带状蛇形电路的平行线段沿X方向，所述带状蛇形电路的拐角沿Y方向，并且相邻所述带状蛇形电路的平行线段之间形成有间隙，所述间隙的长轴沿X方向，所述间隙的短轴沿Y方向；所述半导体微加工工艺包括但不限于光刻蚀技术、离子刻蚀技术；

其中，所述磁电阻传感单元上覆盖的Pd层吸收氢气后改变磁电阻传感单元中铁磁层的磁各向异性；所述钝化绝缘层隔离氢气避免磁电阻参考单元中铁磁层的磁各向异性的变化；根据参考桥式结构吸收氢气前后的输出电压值的变化检测氢气浓度。

2.根据权利要求1所述的基于磁阻元件的氢气传感器，其特征在于，所述AMR单元的磁多层薄膜结构自下而上包括：种子层、复合中间层；其中，所述复合中间层为[PMA界面层/铁磁层]_n，n属于自然数。

3.根据权利要求1所述的基于磁阻元件的氢气传感器，其特征在于，

所述GMR单元为GMR自旋阀结构时，所述磁多层薄膜结构自下而上包括：种子层、反铁磁层、PMA铁磁层、缓冲层、Cu间隔层、缓冲层、铁磁层、复合中间层、Pd层；或者自下而上包括：种子层、PMA界面层、PMA铁磁层、缓冲层、Cu间隔层、缓冲层、铁磁层、复合中间层；其中，所述复合中间层为[PMA界面层/铁磁层]_m，m属于自然数；或

所述GMR单元为具有层间反铁磁耦合的GMR多层膜堆栈时，所述磁多层薄膜结构自下而上包括：种子层、多膜中间层；其中，所述多膜中间层为[铁磁层/非磁性中间层/铁磁层]_p，p属于自然数。

4.根据权利要求2或3所述的基于磁阻元件的氢气传感器，其特征在于，所述铁磁层的易轴垂直于X-Y平面，所述铁磁层的磁矩在X-Z平面内向相邻Pd层偏转的角度范围在10°至80°之间，所述铁磁层为磁致伸缩材料，包括但不限于铁、钴、镍单元素中的一种，或者钴铁、镍铁、钴铂、钴钯、钴铁硼、镍铁钴合金中的一种，所述种子层的材料包括但不限于钽、钨中的一种，所述PMA界面层的材料包括但不限于氧化镁、钯、铂中的一种。

5.根据权利要求1所述的基于磁阻元件的氢气传感器，其特征在于，在所述衬底下方设置块状永磁体，所述块状永磁体产生沿Z轴正方向的磁场；

或者，在所述衬底与所述桥式结构之间有薄膜永磁体，所述薄膜永磁体产生沿Z轴正方向的磁场；

或者，在所述带状蛇形电路上方或下方有长条状永磁体阵列，所述长条状永磁体阵列包括多个长条状永磁体，所述长条状永磁体介于所述带状蛇形电路的平行线段之间的间隙处，并产生沿Y轴正方向的磁场。

6.根据权利要求1所述的基于磁阻元件的氢气传感器，其特征在于，所述参考桥式结构包括半桥结构、全桥结构或准桥结构。

7.根据权利要求1所述的基于磁阻元件的氢气传感器，其特征在于，所述衬底的材料包括但不限于硅、氧化硅、康宁玻璃中的一种，所述钝化绝缘层的材料包括但不限于为光刻胶、氧化铝、氮化硅中的一种。

8.根据权利要求4所述的基于磁阻元件的氢气传感器，其特征在于，所述PMA铁磁层的材料包括但不限于钴、钴铁硼中的一种，所述缓冲层的材料包括但不限于钽、钌的一种，所述非磁性中间层的材料包括但不限于铜、钌、钯、铬、金、银中的一种。

9.一种利用如权利要求1至8任一项所述的基于磁阻元件的氢气传感器检测氢气浓度的方法,其特征在于，包括：

将氢气传感器置于包含有氢气的气体环境中，所述磁电阻传感单元上覆盖的Pd层吸收氢气，改变所述磁电阻传感单元的磁多层薄膜结构中的铁磁层的垂直磁各向异性，使得铁磁层的磁矩发生旋转，产生与氢气浓度正相关的磁电阻阻值的变化；

根据磁电阻阻值的变化得到桥式结构的输出电压值的变化，根据桥式结构的输出电压值的变化检测氢气浓度。