一種橋接式石墨烯基磁傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種橋接式石墨烯基磁傳感器，包括第一橋墩組件、第二橋墩組件及架設于第一橋墩組件和第二橋墩組件上的橋梁石墨烯層，第一橋墩組件由第一橋墩石墨烯層、自由鐵磁層和公共電極由上至下依次排列而成，第二橋墩組件由第二橋墩石墨烯層、固定鐵磁層和偏置電極由上至下依次排列而成；橋梁石墨烯層的上方設有絕緣層，絕緣層的上方設置操控電極。本發明具有結構簡單緊湊、體積小、成本低廉、制作方便、具有高分辨率等優點。
【專利說明】一種橋接式石墨烯基磁傳感器
【技術領域】
[0001]本發明主要涉及到弱磁場測量【技術領域】，特指一種采用石墨烯設計的橋接式結構的磁場傳感器。
【背景技術】
[0002]弱磁場測量廣泛應用于目標探測、地磁導航、磁存儲器、地質勘探、生物醫學等軍事和國民經濟領域。現有技術中用于微弱磁場測量的傳感器類型較多，主要包括磁通門傳感器、光泵式磁傳感器、質子式磁傳感器、光纖磁傳感器、巨磁阻抗磁傳感器、AMR (Anisotropic Magnetoresistive,各向異性磁阻)磁傳感器、GMR (GiantMagnetoresistive,巨磁阻)磁傳感器、MTJ (Magnetic Tunnel Junction,磁隧道結)磁傳感器等。其中，AMR、GMR和MTJ磁傳感器是相比其他類型的磁傳感器明顯具有體積小、功耗低、易批量生產等特點。但是以AMR為敏感元件的磁傳感器使用時需要設置set/reset線圈對其進行預設-復位操作，造成其制造工藝的復雜，線圈結構的設置在增加尺寸的同時也增加了功耗。以多層膜GMR為敏感元件的磁傳感器響應曲線呈偶對稱，只能測量的磁場大小，不能反映磁場的方向。MTJ元件利用磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(TunnelMagnetoresistance, TMR)對磁場進行感應，比之前發現并實際應用的AMR元件和GMR元件具有更大的電阻變化率、更高的靈敏度和更好的溫度穩定性。
[0003]1975年Julliere在Fe/Ge/Co隧道結中觀察到當兩鐵磁層磁化方向平行或反平行時，隧道結將具有不同的電阻值(Julliere M.Tunneling Between FerromagneticFilms.Phys Lett A, 1975，54(3):225-226)。這種因外磁場改變隧道結鐵磁層的磁化狀態而導致其電阻變化的現象，稱為磁隧道結效應。Fe/Ge/Co隧道結低溫下的磁阻變化率高達14%，但在室溫下卻很小。在隨后的30多年中人們對MTJ進行了系列深入研究。1995年Miyazaki小組實現了磁隧道結研究的突破性進展(Miyazki T, Tezuka N.Giantmagnetic tunneling effect in Fe/Al203/Fe junction.J.Magn.Magn.Mater., 1995,139:L231),首次在Fe/Al203/Fe隧道結中發現在室溫和幾毫特磁場下的磁阻變化率高達15.6%，低溫下更高，約為23%。2008年，S.1keda等制備的MgO基MTJ在室溫下的磁阻變化率達到了 604%, 5K 低溫下則達 1144% (S.1keda, J.Hayakawa, Y.Ashizawa, Y.M.Lee, K.Miura, H.Hasegawa, M.Tsunoda, F.Matsukura, and H.0hno, App1.Phys.Lett.2008, 93: 082508)，這一記錄性的實驗結果已接近MgO基MTJ的理論預測值。
[0004]通過對MTJ的幾十年發展歷程的分析可以得出:I中間勢壘層對磁隧道結的發展具有極為重要的推動作用，勢壘層從早期的Ge到Al2O3，再到MgO，在鐵磁層基本不變的情況下，磁隧道結的磁阻變化率近似呈指數級提高，這一發展規律激發了人們對勢壘層的關注和研究；:！:制備工藝對磁隧道結的性能影響很大，研究人員在分析磁隧道結噪聲特性時發現，勢壘層在制備過程中存在的不一致性、針孔等缺陷會產生ι/f噪聲，限制了 MTJ磁傳感器的低頻磁場測量能力。
[0005]最近2-3年采用新材料石墨烯設計新型磁傳感器已成為小型化磁傳感器的一個研究熱點。例如:2011年日本名古屋大學的S Honda等人從理論上計算了不同結構條件下鐵磁/鋸齒形邊緣石墨烯/鐵磁型橫向磁隧道結的磁阻變化率，結果表明石墨烯作為橫向磁隧道結的中間結構能夠得到很大的磁阻效應(T.Hiraiwa, R.Sato, A.Yamamura, J.1noue , S.Honda, and H.1toh.Effects of Magnetic Contacts on Magnetoresistancein FM/Graphene/FM Lateral Junctions.1EEE Transanctions on Magnetics, Vol.47，N0.10，October 2011) ;2012年美國海軍研究實驗室最新研究了一種以石墨烯為勢壘層的磁隧道結，并制備了相應的樣品，測試發現由于存在鐵磁/石墨烯界面氧化等問題，磁阻變化率遠低于理論預測值(Enrique Cobas, Adam L.Fridaman, Olaf Μ.J.van’ tErve, Jeremy T.Robinson, and Berend T.Jonker.Graphene As a Tunnel Barrier:Graphene-Based Magnetic Tunnel Junctions.Nano Letters, 2012, 12, 3000-3004)。
[0006]上述采用石墨烯研制磁傳感器的方式具有很多的發展前景，但是目前尚存以下一些問題:
(I)現有的石墨烯基磁傳感器絕大多數基于三明治磁隧道結結構設計，磁傳感器制作過程中存在界面氧化等問題，使得磁阻變化率很低，影響了傳感器的分辨力。
[0007](2)現有的石墨烯基磁傳感器結構上難以通過電場操控來改進界面特性，進一步提高傳感器的磁阻變化率。
[0008](3)現有的石墨稀基磁傳感器大都是米用單晶石墨稀，但是單晶石墨稀尺寸目ill還難以達到圓片級尺寸。
【發明內容】
[0009]本發明要解決的技術問題就在于:針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種結構簡單緊湊、體積小、成本低廉、制作方便、具有高分辨力的橋接式石墨烯基磁傳感器。
[0010]為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案:
一種橋接式石墨烯基磁傳感器，包括第一橋墩組件、第二橋墩組件及架設于第一橋墩組件和第二橋墩組件上的橋梁石墨烯層，所述第一橋墩組件由第一橋墩石墨烯層、自由鐵磁層和公共電極由上至下依次排列而成，所述第二橋墩組件由第二橋墩石墨烯層、固定鐵磁層和偏置電極由上至下依次排列而成；所述橋梁石墨烯層的上方設有絕緣層，所述絕緣層的上方設置操控電極。
[0011]作為本發明的進一步改進:所述自由鐵磁層的磁矩方向隨外磁場的改變而改變，所述固定鐵磁層的磁矩方向固定在特定方向。
[0012]作為本發明的進一步改進:所述自由鐵磁層為鐵、鈷、或鎳。
[0013]作為本發明的進一步改進:所述固定鐵磁層包括鐵磁層和釘扎層，所述釘扎層為硬磁性材料制備。
[0014]作為本發明的進一步改進:所述橋梁石墨烯層為單層石墨烯。
[0015]作為本發明的進一步改進:所述第一橋墩石墨烯層和第二橋墩石墨烯層為一至三層石墨稀。
[0016]作為本發明的進一步改進:所述公共電極、偏置電極和操控電極通過引線連接到封裝管殼引線框的封裝引腳上或ASIC專用集成電路。
[0017]與現有技術相比，本發明的優點在于: 1.本發明的橋接式結構石墨烯基磁傳感器，綜合利用了石墨烯極好的導電能力和電子自旋輸運能力，使得石墨烯基MTJ具有更高的磁阻變化率，并且通過操控電場進一步提高磁阻變化率，從而大大提高磁傳感器磁場測量靈敏度。
[0018]2.本發明中所用的石墨烯可以米用單晶石墨烯，也可以米用多晶石墨烯，并且對傳感器的性能影響不大，目前單晶石墨烯制備尺寸有限，但是制備的多晶石墨烯尺寸很大，可以滿足傳感器圓片級制造。
[0019]3.本發明設計的磁傳感器具有體積小、功耗低等優點，并且傳感器整體結構簡單，制造方便，可有效降低磁傳感器的制作成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是本發明中橋接式石墨烯基磁傳感器結構原理示意圖。
[0021]圖2是制備本發明橋接式石墨烯基磁傳感器時的制備原理示意圖。
[0022]圖3是本發明中當橋墩石墨烯層為一層石墨烯時，傳感器磁阻變化率與操控電極施加電壓的關系曲線示意圖。
[0023]圖例說明:
1、操控電極；2、絕緣層；3、橋梁石墨烯層；41、第一橋墩石墨烯層；42、第二橋墩石墨烯層；5、自由鐵磁層；6、公共電極；7、偏置電極；8、固定鐵磁層；9、基底；101、釘扎層；102、鐵磁層；A、自由鐵磁層磁矩方向；B、固定鐵磁層磁矩方向。
【具體實施方式】
[0024]以下將結合說明書附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明。
[0025]如圖1所示，本發明的橋接式石墨烯基磁傳感器，包括第一橋墩組件、第二橋墩組件及架設于第一橋墩組件和第二橋墩組件上的橋梁石墨烯層3，第一橋墩組件由第一橋墩石墨烯層41、自由鐵磁層5和公共電極6由上至下依次排列而成，第二橋墩組件由第二橋墩石墨烯層42、固定鐵磁層8和偏置電極7由上至下依次排列而成；橋梁石墨烯層3的上方設有絕緣層2，絕緣層2的上方設置操控電極I。在這種結構中，自由鐵磁層5的磁矩方向A隨外磁場的改變而改變，固定鐵磁層8的磁矩方向B固定在特定方向,在正常工作條件下是不會改變的。本發明橋接式石墨烯基磁傳感器的電阻值為偏置電極7與公共電極6之間的電阻值，當自由鐵磁層5的磁矩方向A與固定鐵磁層8的磁矩方向B順向平行時,傳感器的電阻為低電阻態；當自由鐵磁層5的磁矩方向A與固定鐵磁層8的磁矩方向B反向平行時，傳感器電阻為高電阻態，正常工作時傳感器的電阻隨著測量磁場的變化在高阻態和低阻態之間線性變化。
[0026]本實施例中，自由鐵磁層5由鐵、鈷、鎳等鐵磁性材料組成，優先選則鎳材料。固定鐵磁層8由鐵磁層102和釘扎層101組成，釘扎層101選用硬磁性材料制備。橋梁石墨烯層3為單層石墨烯，第一橋墩石墨烯層41和第二橋墩石墨烯層42為一至三層石墨烯，該磁場傳感器的三個電極層(公共電極6、偏置電極7和操控電極I)可以通過引線連接到封裝管殼引線框的封裝引腳上或ASIC(Application Specific Integrated Circuit,專用集成電路)。
[0027]如圖2所示，為本發明橋接式石墨烯基磁傳感器在制備時的示意圖，該傳感器制造工藝按圖中所示從底層到頂層的過程進行。基底9通常選用硅、石英、玻璃或者是其他能夠晶圓集成的任何材料，硅加工工藝成熟并且由于易于加工為集成電路成為最好的選擇。操控電極1、偏置電極7和公共電極6通常采用非磁性的優良導電材料，例如銅、鋁、金、銀等，可以通過蒸鍍、磁控濺射等工藝將操控電極I制備在基底9上。絕緣層2采用二氧化硅、三氧化而鋁、氮化硅等材料，利用電子束蒸發或化學氣相沉積的方式制備。橋梁石墨烯層3是單層石墨烯，利用標準轉移工藝，將其轉移在絕緣層2之上，再光刻、刻蝕得到所需形狀和尺寸。第一橋墩石墨烯層41和第二橋墩石墨烯層42是單層或多層石墨烯，先通過光亥IJ，用光刻膠覆蓋非橋墩區域，再采用標準工藝轉移石墨烯，然后再一次光刻定義橋墩圖形并等離子刻蝕，最后去掉所有光刻膠后即可得到。用來構成自由鐵磁層5的鐵磁層102采用鐵、鎳、鈷和軟鐵磁合金(如鎳鐵、鈷鐵硼)等材料，制備方式為電子束蒸發和磁控濺射等，最后通過光刻、刻蝕得到所需形狀和尺寸。用來構成固定鐵磁層8中的釘扎層101為銥錳、鉬錳等硬磁合金膜材料，制備方法同自由鐵磁層5。偏置電極7和公共電極6皆為導電金屬材料，通常為鈦、金等，制備方法同自由鐵磁層5。
[0028]如圖3所示，為本發明中當第一橋墩石墨烯層41和第二橋墩石墨烯層42為一層石墨烯時，傳感器磁阻變化率與操控電極I所施加電壓的關系曲線。可以看出，在其它條件不變的情況下，通過改變操控電極I與公共電極6之間的操控電壓可以改變傳感器的磁阻變化率，也就改變了傳感器的靈敏度。因此通過合理調整操控電壓，可以顯著地提高傳感器的靈敏度。
[0029]以上僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發明思路下的技術方案均屬于本發明的保護范圍。應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，應視為本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種橋接式石墨烯基磁傳感器，其特征在于，包括第一橋墩組件、第二橋墩組件及架設于第一橋墩組件和第二橋墩組件上的橋梁石墨烯層(3)，所述第一橋墩組件由第一橋墩石墨烯層(41)、自由鐵磁層(5)和公共電極(6)由上至下依次排列而成，所述第二橋墩組件由第二橋墩石墨烯層(42)、固定鐵磁層(8)和偏置電極(7)由上至下依次排列而成；所述橋梁石墨烯層(3)的上方設有絕緣層(2)，所述絕緣層(2)的上方設置操控電極(I)。
2.根據權利要求1所述的橋接式石墨烯基磁傳感器，其特征在于，所述自由鐵磁層(5)的磁矩方向隨外磁場的改變而改變，所述固定鐵磁層(8 )的磁矩方向固定在特定方向。
3.根據權利要求1或2所述的橋接式石墨烯基磁傳感器，其特征在于，所述自由鐵磁層(5)為鐵、鈷、或鎳。
4.根據權利要求1或2所述的橋接式石墨烯基磁傳感器，其特征在于，所述固定鐵磁層(8)包括鐵磁層(102)和釘扎層(101 )，所述釘扎層(101)為硬磁性材料制備。
5.根據權利要求1或2所述的橋接式石墨烯基磁傳感器，其特征在于，所述橋梁石墨烯層(3)為單層石墨烯。
6.根據權利要求1或2所述的橋接式石墨烯基磁傳感器，其特征在于，所述第一橋墩石墨烯層(41)和第二橋墩石墨烯層(42)為一至三層石墨烯。
7.根據權利要求1或2所述的橋接式石墨烯基磁傳感器，其特征在于，所述公共電極(6)、偏置電極(7)和操控電極(I)通過引線連接到封裝管殼引線框的封裝引腳上或ASIC專用集成電路。
【文檔編號】G01R33/09GK103792501SQ201410029280
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月22日 優先權日:2014年1月22日
【發明者】潘孟春, 田武剛, 胡佳飛, 趙建強, 胡靖華 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學