一种基于体声波自旋泵浦效应的磁传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于体声波自旋泵浦效应的磁传感器，属于磁传感器技术领域。本发明专利技术包括体声波换能器和自旋泵浦结构，所述体声波换能器启动后输出体声波，所述体声波在待测磁场下激励所述自旋泵浦结构输出磁子流，所述磁子流通过逆自旋霍尔效应产生逆自旋霍尔电压，由所述逆自旋霍尔电压的变化推导待测磁场强度及方向；本发明专利技术公开的磁传感器，具有高灵敏度、低功耗和易于集成等优点，在磁传感器技术中具有广泛的应用前景。中具有广泛的应用前景。中具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于体声波自旋泵浦效应的磁传感器


[0001]本专利技术属于磁传感器
，更具体地，涉及一种基于体声波自旋泵浦效应的磁传感器。

技术介绍

[0002]磁传感器是一种用于测量磁场强度或磁场变化的传感器。它们在工业、医疗、航空航天、汽车、电子等领域都有广泛的应用。例如，磁传感器可以用于测量机械运动、检测地磁场、检测电流、测量液位、探测金属等等。现有常见的磁传感器类型包括霍尔效应传感器、磁阻传感器、电感传感器和磁电传感器等。它们各有优缺点，可以根据不同的应用需求选择不同类型的磁传感器。自旋磁传感器相比于传统的磁传感器，自旋磁传感器具有灵敏度高，分辨率高，响应速度快，温度稳定性好，非接触式测量等多方面的优点。
[0003]现有常见的自旋磁传感器类型包括巨磁阻自旋传感器、隧穿磁阻自旋传感器、自旋霍尔效应传感器、磁电阻自旋传感器等，而基于自旋泵浦的磁传感器可以利用自旋泵浦效应将非平衡自旋转化为电压信号来实现高灵敏度的磁场测量。常用自旋泵浦技术包括有铁磁共振自旋泵浦和脉冲激光自旋泵浦。其中基于铁磁谐振的自旋泵浦功耗较高，传输阻尼较大，磁子流的激励效率低。而脉冲激光自旋泵浦对脉冲激光脉宽要求极高，操作复杂且使用材料受限。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于体声波自旋泵浦效应的磁传感器，其目的在于解决现有自旋磁传感器功耗高、效率低、操作复杂以及材料受限的技术问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于体声波自旋泵浦效应的磁传感器，所述磁传感器包括体声波换能器和自旋泵浦结构，所述体声波换能器启动后输出体声波，所述体声波在待测磁场下激励所述自旋泵浦结构输出磁子流，所述磁子流通过逆自旋霍尔效应产生逆自旋霍尔电压，由所述逆自旋霍尔电压推导待测磁场强度及方向。
[0006]优选的，所述体声波换能器包括下电极层、压电层和上电极层，所述压电层位于所述下电极层和所述上电极层之间；向所述下电极层和所述上电极层施加电压，所述压电层中将产生应变谐振，从而输出声体波；
[0007]所述自旋泵浦结构包括铁磁层和非磁导体层；所述铁磁层靠近所述体声波换能器；所述铁磁层在所述声体波和待测磁场的共同作用下输出磁子流，所述磁子流在所述非磁导体层中通过逆自旋霍尔效应产生逆自旋霍尔电压。
[0008]优选的，所述下电极层和上电极层采用金属电极材料；所述压电层采用压电薄膜材料；所述铁磁层采用铁磁绝缘体材料；所述非磁导体层采用金属电极材料。
[0009]优选的，所述下电极层和上电极层采用的材料包括但不限于Pt、Cu、Ag、Zn、Al、Li、Mo、W、Ti、Cr、Nb、Ru、Rh、Pd、Hf、Ta、Re、Ir或Au。
[0010]优选的，所述压电层采用的材料包括但不限于AlN、ZnO、Pb(ZrxTi1
‑
x)O3或Al1
‑
xScxN。
[0011]优选的，所述铁磁层采用的材料包括但不限于Y3Fe5O12、CoFe2O4或NiFe2O4。
[0012]优选的，所述非磁导体层采用的材料包括但不限于Pt、Cu、Ag、Zn、Al、Li、Mo、W、Ti、Cr、Nb、Ru、Rh、Pd、Hf、Ta、Re、Ir或Au。
[0013]优选的，所述下电极层和上电极层的材料为Al；所述压电层的材料为A10.93Sc0.07N；所述铁磁层的材料为CoFe2O4；所述非磁导体层的材料为Pt；
[0014]优选的，待测磁场方向和逆自旋霍尔电压的关系为：
[0015]V
ISHE
＝5.4064
×
10
‑7θ3‑
1.4565
×
10
‑4θ2+0.0018θ+0.5838
[0016]均方根误差为0.0238；其中，V
ISHE
表示逆自旋霍尔电压；θ表示待测磁场方向与体声波传播方向的夹角，0≤θ≤180
°
；基于上式由逆自旋霍尔电压V
ISHE
推得待测磁场方向θ。
[0017]优选的，待测磁场强度H和逆自旋霍尔电压V
ISHE
的关系为：
[0018]待测磁场强度测量区间为0.01T～0.25T时：
[0019]V
ISHE
＝11.2581H
‑
0.3701
[0020]均方根误差为0.1008；
[0021]待测磁场强度测量区间为0.08T～0.20T时：
[0022]V
ISHE
＝13.4187H
‑
0.7120
[0023]均方根误差为0.0203；
[0024]基于以上两式由逆自旋霍尔电压V
ISHE
推得待测磁场强度H。
[0025]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0026](1)本专利技术实现了一种新的磁传感器结构，通过对该结构输出逆自旋霍尔电压的测量即可实现待测磁场方向和强度的传感，相比于其他磁传感器，本专利技术磁传感器无需提供额外磁场，直接利用待测磁场就可以实现铁磁层磁子流泵浦，从而实现磁场测量，减少了磁场测量的复杂性；
[0027](2)本专利技术基于体声波自旋泵浦效应，利用体声波与磁场相互作用来实现磁场测量，相比于传统的声自旋泵浦，灵敏度更高；
[0028](3)本专利技术基于体声波自旋泵浦效应，可以实现很高的分辨率，可以检测到微小的磁场变化；同时体声波自旋泵浦的响应速度快，可以实现高速磁场测量；
[0029](4)本专利技术基于体声波自旋泵浦效应，温度稳定性较好，可以在宽温度范围内工作；同时可以实现无接触磁场测量，可以扩展传感器的应用场景。
附图说明
[0030]图1是本专利技术实施例中磁传感器结构示意图；
[0031]图2是本专利技术实施例中体声波换能器结构示意图；
[0032]图3是本专利技术实施例中自旋泵浦结构示意图；
[0033]图4是本专利技术实施例中针对磁场方向传感的仿真结果图；
[0034]图5是本专利技术实施例中针对磁场强度传感的仿真结果图；
[0035]图6是本专利技术实施例中针对测量范围缩小后的磁场强度传感的仿真结果图；
[0036]在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为上电极层，2为压电层，3为下电极层，4为铁磁绝缘体层，5为非磁导体层。
具体实施方式
[0037]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0038]本专利技术提供了一种基于自旋泵浦效应和逆自旋霍尔效应的磁传感器，采用体声波换能器作为自旋泵浦结构的激本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于体声波自旋泵浦效应的磁传感器，其特征在于，所述磁传感器包括体声波换能器和自旋泵浦结构，所述体声波换能器启动后输出体声波，所述体声波在待测磁场下激励所述自旋泵浦结构输出磁子流，所述磁子流通过逆自旋霍尔效应产生逆自旋霍尔电压，由所述逆自旋霍尔电压推导待测磁场强度及方向。2.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，所述体声波换能器包括下电极层、压电层和上电极层，所述压电层位于所述下电极层和所述上电极层之间；向所述下电极层和所述上电极层施加电压，所述压电层中将产生应变谐振，从而输出声体波；所述自旋泵浦结构包括铁磁层和非磁导体层；所述铁磁层靠近所述体声波换能器；所述铁磁层在所述声体波和待测磁场的共同作用下输出磁子流，所述磁子流在所述非磁导体层中通过逆自旋霍尔效应产生逆自旋霍尔电压。3.根据权利要求2所述的磁传感器，其特征在于，所述下电极层和上电极层采用金属电极材料；所述压电层采用压电薄膜材料；所述铁磁层采用铁磁绝缘体材料；所述非磁导体层采用金属电极材料。4.根据权利要求3所述的磁传感器，其特征在于，所述下电极层和上电极层采用的材料包括但不限于Pt、Cu、Ag、Zn、Al、Li、Mo、W、Ti、Cr、Nb、Ru、Rh、Pd、Hf、Ta、Re、Ir或Au。5.根据权利要求3所述的磁传感器，其特征在于，所述压电层采用的材料包括但不限于AlN、ZnO、Pb(ZrxTi1
‑
x)O3或Al1
‑
xScxN。6.根据权利要求3所述的磁传感器，其特征在于，所述铁磁层采用的材料包括但不限于Y3Fe5O12、CoFe2O4或NiFe2O4。7.根据权利要求3所述的磁传感器，其特征在于，所述非磁导体层...

【专利技术属性】
技术研发人员：傅邱云，王莉莎，凌寒冰，
申请(专利权)人：深圳华中科技大学研究院，
类型：发明
国别省市：