本发明涉及磁性温度传感器和用于确定温度的方法。
背景技术：
本发明从根据专利独立权利要求的类型的所述的磁性温度传感器和用于确定温度的方法出发。
传统的温度传感器基于测辐射热的原理，其基于：材料的电阻在温度影响下变化，如其例如在DE 102012216618A1中所描述的那样。电阻的变化可以借助电流或电压测量来探测并且与温度变化相关联。
在EP 195434 A2中描述一种磁性的温度传感器，其包括磁性元件，该磁性元件包含两种不同铁磁性材料的至少两个薄层，其中对于这两个层中的每个层构造易磁化轴，以便使得其相对于大的巴克豪森效应灵敏。由于施加磁场，时间上偏移地在不同层中出现巴克豪森效应。测量在不同的层中在这些域的倾斜（Umklappen der Domänen）之间的时间差，它们与温度相关。通过与特性曲线的比较可以将时间差与温度相关联。
技术实现要素：
本发明说明一种温度传感器和用于确定温度的方法。
本发明的优点
根据本发明的温度传感器包括磁性元件，其包括至少一个磁性层，该磁性层的磁性特性与温度相关，其中所述磁性层具有带磁涡核的漩涡状磁化分布，其中漩涡状磁化分布被构造在层平面中并且磁涡核被构造得垂直于层平面。此外，根据本发明的温度传感器包括：激励单元，其被设置用于将漩涡状磁化分布激励至旋磁化运动（gyrotrope Magnetisierungsbewegung）；探测单元，其被设置用于探测旋磁化运动的谐振频率；和评估单元，其被设置用于从旋磁化运动的谐振频率中确定温度。有利的是，根据本发明的温度传感器具有与已知的温度传感器相比非常小的结构大小。此外，根据本发明的温度传感器具有高的敏感度和测量精度，因为频率测量由于高的精度而出众。根据本发明的温度传感器具有小的功率消耗，因为涉及谐振激励。此外，根据本发明的温度传感器具有小的自发热，使得不经冷却的运行是可能的。
根据本发明的温度传感器包括磁性元件，其在一种实施方式中包括多个磁性层，其中这些层平面横向并排地位于一个平面中。这能够实现制造薄的、扁平构造的温度传感器。优点在于：所述布置实现在温度传感器和激励单元以及温度传感器和探测单元之间的温度解耦，由此能够提高温度传感器的测量精度。
在可替代的实施方式中，磁性元件被构造为磁性层堆叠，其中这些层平面在磁性层堆叠中以彼此平行的方式来布置。优点在于：磁性元件可以非常紧凑地构造并且可以以节省空间的方式来布置在一个面上。
在一种实施方式中，根据本发明的温度传感器的探测单元包括中间层和带有固定磁化的第一层。该探测单元被施加到磁性元件上，从而该中间层构造在磁性元件上并且带有固定磁化方向的第一层布置在中间层上。有利地，在该实施例中，该旋磁化运动的谐振频率通过测量电阻的变化来确定，该电阻由磁性元件和探测单元形成。这种电阻式的测量相对电容测量能够以较少的花费来实现。
在一种实施方式中，激励单元包括第一电极、第二层和第二电极，其中该第二层作为自旋极化器起作用，磁性元件布置在第一电极上，在该磁性元件上施加第二层并且在该第二层上构造第二电极。有利地，通过向激励单元施加直流电流来利用磁性元件将漩涡状磁化分布激励至旋磁化运动。
在另一实施方式中，探测单元布置在磁性元件和激励单元的第一电极之间，该激励单元包括第一电极、作为自旋极化器起作用的第二层和第二电极，其中该探测单元包括中间层和带固定磁化的第一层，从而带有固定磁化的第一层布置在第一电极上并且中间层施加在带有固定磁化的第一层上。在中间层上布置磁性元件，其中在该磁性元件上施加第二层。第二电极布置在第二层上。优点在于，因此激励单元和探测单元紧凑地布置在一个堆叠中。
尤其是，中间层由非传导性材料构造。包括中间层和带有固定磁化的第一层的探测单元连同磁性元件一起构成隧道磁电阻（TMR）。该构造的优点在于，在使用标准工艺尤其是薄层技术的情况下实现制造根据本发明的辐射传感器。
可替代地，中间层由非磁性材料构造。因此，包括中间层和带固定磁化的第一层的探测单元连同磁性元件一起构成巨磁电阻（GMR）。由此，有利地，在使用标准工艺尤其是薄层技术的情况下实现制造根据本发明的辐射传感器。
可替代地，探测单元通过微线圈来实现，其被这样布置在磁性元件上，使得它尽可能被暴露于最大的磁通量变化，该磁通量变化由于漩涡状磁化分布的旋磁化运动而局部地形成。优点在于，这里更少地形成焦耳热，因为不需要测试电流用来执行该测量。由此，温度传感器的敏感度和精度被提高。
在一种实施方式中，激励单元通过激励元件来构成，该激励元件包括磁性相邻元件，该磁性相邻元件包括其磁性特性与温度相关的至少一个磁性相邻层，其中磁性相邻层具有漩涡状的磁化分布。此外，该激励元件包括激励单元，该激励单元将磁性相邻元件激励至旋磁化运动。磁性相邻元件和磁性元件的散射场耦合，使得通过磁性相邻元件的旋磁化运动的激励也间接激励磁性元件的旋磁化运动。该构造的优点在于，在磁性元件中不由于所述激励产生焦耳热，因为激励间接地进行。因此，根据本发明的温度传感器的测量精度被提高。
在用于借助根据本发明的温度传感器来确定温度的方法中，磁性元件被激励至谐振的旋磁化运动并且探测该旋磁化运动。旋磁化运动的谐振频率被确定并且根据特性曲线来与温度相关联。根据本发明的温度传感器有利地具有高敏感度和测量精度，因为频率测量由于高精度而出众。此外，根据本发明的温度传感器有利地具有小的功率消耗，因为其涉及谐振激励。此外，根据本发明的温度传感器在用于确定温度的方法中经受小的自发热，从而实现未经冷却的运行。
在一种实施方式中，旋磁化运动的探测通过如下方式来进行：确定由旋磁化运动引起的自旋动力。一般由不均匀的自旋布置的运动来产生自旋动力。优选借助第一接触部和第二接触部在平行于旋磁化运动平面的表面上进行自旋动力的测量，其中旋磁化运动作为电压被探测。在一种优选的实施方式中，为了确定自旋动力而将磁性元件施加到绝缘体上，在该磁性元件上布置这两个电接触部，第一接触部和第二接触部，所述绝缘体又布置在由交流电流流过的电极上。当磁涡核被激励至回转运动时，测量在第一接触部和第二接触部之间的电压，因为由于随时间上变化的磁化而感生出电压。在此，构成探测信号的感应电压的频率相应于旋磁化运动的谐振频率。优点在于，这里产生较少的焦耳热，因为不需要测试电流用来执行测量。由此，提高温度传感器的敏感度和精度。
用于测量自旋动力的构造在“Spin-motive force due to gyrating magnetic vortex（由于旋转磁涡引起的自旋动力）”（Tanabe等人，“Nature Communications（自然通信）”（2012））中被描述。
可替代地，进行旋磁化运动的探测，其方式是，磁通量的变化作为对旋磁化运动的度量被探测。在优选的实施方式中，为此，在磁性元件上布置微线圈，从而使其尽可能暴露于最大的磁通量变化中。可替代地，可以将多个微线圈布置在磁性元件上。通过该磁通量变化来在微线圈中感生出电压。构成探测信号的感应电压的频率相应于旋磁化运动的谐振频率。
如果探测单元连同磁性元件一起构成GMR或者TMR，那么可以探测旋磁化运动，其方式是，探测变化的电阻，所述电阻由磁性元件和探测单元形成。电阻变化的频率（探测信号）相应于旋磁化运动的谐振频率。
附图说明
在附图中示出根据本发明的实施例并且在接下来的描述中被进一步阐述。在图中相同的附图标记表示相同的或相同作用的元件。其中
图1示出在基本状态中的磁性层上的俯视图，该磁性层具有带有磁涡核的漩涡状磁化分布，
图2示出磁性元件上的俯视图，该磁性元件包括多个横向并排布置的磁性层，
图3示出磁性元件的横截面，该磁性元件被构造为包括多个磁性层的堆叠，
图4示出带有探测单元的磁性元件的横截面，
图5示出带有激励单元的磁性元件的横截面，
图6示出没有评估单元的根据本发明的温度传感器的横截面，
图7示出布置在微线圈上的磁性层上的俯视图，
图8示出磁性元件和激励元件上的俯视图，
图9示出磁性层上的俯视图，在其上布置第一接触部和第二接触部，
图10示出磁性元件的横截面，该磁性元件以通过绝缘层间隔开的方式布置在微带线上，
图11示出磁性元件的横截面，其布置在微带线中并且
图12示出流程图，该流程图示出借助根据本发明的温度传感器来确定温度。
具体实施方式
涡状态特征在于漩涡状的磁化分布。涡结构例如出现在薄的、铁磁性的正方形小片中、三角形小片中和圆片状元件中，它们具有微米范围内以及之下范围内的尺寸。在基本状态中，这里，漩涡状的磁化分布形成在小片或圆片状元件的平面中。漩涡状的磁化在涡结构的中心从该平面中出来。在中心中的从该平面指向出来的磁化被称为涡核2。如下区域典型地具有大约10nm的半径，在该区域中磁化从该平面中出来。漩涡状的磁化分布在小片或圆片状元件的平面中被称为涡结构，其中所述漩涡状的磁化分布在中心具有涡核2。涡状态具有专门的激励模式，在激励模式情况下涡结构在该平面中围绕其基本状态位置运动。该专门的激励模式在下文中也被称为旋磁化运动。
图1示出在基本状态中的磁性层1上的俯视图，该磁性层在x-y平面中具有带有在中心的磁涡核2的漩涡状的磁化分布。在其中存在漩涡状的磁化分布的平面在下文中被称为层平面。在该实施方式中，磁性层1被构造为正方形小片。限定磁性层1的这些面被称为界限面。在这里未示出的另外的实施方式中，磁性层1的漩涡状的磁化分布可以在该平面中以顺时针的方式定向。涡核2指向与图1中相同的方向。磁性层1的所述两个实施方式在手征性方面是不同的。
系统呈现如下状态，在该状态中所有能量的总和最小。在磁性层1的情况下，基本上从如下三个量值得出所有能量的总和：散射场能量、磁各向异性能量和交换能量。当自旋被布置为与界限面平行时，散射场能量是最小的，由此有利于磁域（均匀磁化的区域）的形成，这些磁域通过域壁（均匀磁化的区域的界限）相互隔开。这些域壁表示如下区域，在该区域中，一个域的自旋取向过渡到另一个域的自旋取向。这种过渡这样构成，使得在该区域中的交换能量被减小。在小尺寸的样本中，交换能量占主导，由此使得域的形成在能量上是不利的。在其尺寸例如在几百纳米范围内的样本中，在层平面中产生漩涡状的磁化分布。在漩涡状的磁化分布的中心，磁化从层平面中旋转出来，因为交换能量由此被减少。可能会需要无限多的能量用来保持在层平面中的所述磁化。该奇点通过磁化从层平面中旋转出来而被消除。从层平面中旋转出来的所述磁化构成涡核2，涡核2在该实施例中垂直于层平面指向z方向。磁各向异性能量随温度而变化。由此，旋磁化运动的谐振频率随温度变化。
磁性层1的尺寸的选择对于涡结构的形成是决定性的。构成磁性层1、1a、1b、1c的正方形小片的典型尺寸在层厚在50nm和150nm之间的情况下为500nm×500nm至6μm至6μm。自10nm的层厚和大约200nm×200nm的非常小的小片起，同样可以产生涡结构。用来激励旋磁化运动的频率取决于磁性层的尺寸。针对低频率的应用，例如使用在6μm至6μm范围内的小片。
尤其是在另外的实施方式中，可以由磁致伸缩材料构成磁性层1，1a，1b，1c。
图2示出构成磁性元件3的三个磁性层1a、1b、1c上的俯视图。磁性层1a、1b、1c构造在x-y平面中。在该实施例中，第一磁性层1a、第二磁性层1b和第三磁性层1c沿着x轴并排布置。第一磁性层1a、第二磁性层1b和第三磁性层1c的涡核2垂直于这些层平面，在这些层平面中构造磁性层1a、1b、1c的漩涡状的磁化分布。在一种可替代的实施方式中，布置多个磁性层1a、1b、1c，使得磁性层1a、1b、1c的层平面位于一个平面中，例如x-y平面中，并且磁性层1、1a、1b、1c以矩阵（Array（阵列））的形式来布置。因此，例如2×2阵列包括四个磁性层1a、1b、1c。
在磁性元件3的一种可替代的实施方式中，将第二磁性层1b施加到第一磁性层1a上并且将第三磁性层1c施加到第二磁性层1b上。由此，得到如下层堆叠，该层堆叠包括第一磁性层1a、第二磁性层1b和第三磁性层1c，它们共同构成磁性元件3。这些层平面彼此平行地布置。
在图4中示出探测单元16的一种构型方案。探测单元16包括带有固定磁化方向的第一层5和中间层4。中间层4被施加到磁性元件3上。在中间层上构造第一层5，从而磁性元件3和第一层5通过中间层4间隔开。在磁性元件3和第一层5之间的间隔通过中间层4的厚度来确定。第一层5优选包括仅仅一个磁性域，其具有固定的磁化方向，也即，第一层5的磁化方向不由于施加外部磁场或者其他环境影响而变化并且因此总是具有相同的磁化方向。第一层5的固定的磁化方向可以通过反铁磁体例如铱-锰（IrMg）来维持。其布置在第一层5（这里未示出）上并且防止第一层5的磁化方向的变化。在一种优选实施方式中，第一层5由钴-铁-硼（CoFeB）来实施。
在进一步的设计形式中，中间层4由非传导性材料构造。在图4中所示的堆叠于是尤其是TMR。其优选借助薄层技术来制成。
在一种可替代的实施方式中，中间层4由非磁性材料构造。由此，磁性元件3连同探测单元16一起构成GMR。该制造优选借助薄层技术来进行。电接触借助两个电极（这里未示出）来实现，所述电极布置在图4中所示堆叠的相对置的两侧上。优选地，接触部在侧面布置，从而这些电极分别经所有层来延伸。可替代地，可以在磁性元件3的背离中间层4的一侧上布置一个电极，并且在第一层5的背离中间层4的层一侧上布置另一电极。
如果磁性元件3如图2中所示地包括并排布置的磁性层1a、1b、1c，那么将中间层4和第一层5施加到这些磁性层1a、1b、1c至少之一上就足够。
探测单元16探测到旋磁化运动。在该实施方式中，磁性元件3连同探测单元16一起形成电阻。如果中间层4由非传导性材料构造，那么磁性元件3和带有固定磁化方向的第一层5通过以薄层技术制成的绝缘体来分离并且构成TMR。中间层4因此作为隧道势垒起作用。视磁性元件3和带有固定磁化方向的第一层5的磁化如何相对彼此定向而定地，或多或少的电子隧穿过隧道势垒。一般而言适用：与在势垒的左边和右边的自旋彼此反平行地定向的情况相比，当在隧道势垒的右边和左边的自旋彼此平行定向时，电子的隧穿概率更高。因此，针对这两个相对的自旋配置：平行和反平行的自旋，得出两个不同的电阻值。如果这些磁化之一是固定的、也即不变化的，那么可以根据电阻值来确定如下层的磁化方向，该层的磁化是变化的。磁性元件3具有不是均匀、而是漩涡状的磁化分布。如果磁性元件3被激励至旋磁化运动，那么磁化在该层平面中振荡。因此，平行于在第一层5中的自旋定向的数个自旋随着旋磁化运动而振荡。这导致电阻的周期性变化。电阻变化的频率与旋磁化运动的谐振频率一致。如果中间层由非磁性材料构造，那么磁性元件3和带有固定磁化方向的第一层5连同非磁性的中间层4一起构成GMR。通常GMR效应引起：使得如下电阻取决于如下两个磁性层的磁化的相对定向，该电阻通过这两个磁性层构成，这两个层通过非磁性层被分离。该电阻在相反磁化的情况下比在这些磁性层的磁化平行定向的情况下明显更高。类似于在使用TMR堆叠的情况下旋磁化运动的探测方法，当在磁性元件3中旋磁化运动被激励时，该电阻周期性地变化，因为平行于在第一层5中的自旋来定向的数个自旋随着旋磁化运动而振荡。随着电阻进行变化的频率与旋磁化运动的谐振频率一致。因此，借助探测电阻的变化来探测旋磁化运动。
图5示出激励单元15的一种实施方式。激励单元15包括第一电极7、作为自旋极化器起作用的第二层8和第二电极，其中磁性元件3布置在第一电极7上，第二层8施加在磁性元件3上并且第二电极6构造在第二层8上。在第一电极7和第二电极6上施加直流电流。这些电子首先经过作为自旋极化器起作用的第二层8。第二层8具有针对不同自旋定向的不同传导性。尤其是，特定自旋定向的传导性起主导作用，而其自旋与该特定自旋定向有偏差的电子被反射并且在理想情况下仅仅传送带有特定自旋定向的电子。由此，直流电流在经过第二层8之后被自旋极化。借助垂直于层平面流过的经自旋极化的直流电流，激励旋磁化运动。例如由“Magnetic vortex oscillator driven by dc-polarized current（由dc极化电流驱动的磁涡旋振荡器）”（Pribiag等人，Nature Phys.3（2007））已知：借助经自旋极化的直流电流来实现对旋磁化运动的激励。
视对于图5中的不同层使用哪些材料而定地，在第二层8和磁性元件之间附加地施加导电层，其用作附着力促进剂或者用于在第二层8和磁性元件3之间的磁去耦合（在图5中没有描绘）。
图6示出探测单元16，其包括中间层4和带有固定磁化的第一层5，该探测单元布置在磁性元件3和图5的激励单元15的第一电极7之间。激励单元15包括第一电极7、作为自旋极化器起作用的第二层8和第二电极6。带有固定磁化的第一层5布置在第一电极7上，中间层4施加在第一层5上。磁性元件3布置在中间层4上并且第二层8施加在磁性元件3上。第二电极6布置在第二层8上。由此，探测单元15节省空间地集成到激励单元15中。激励旋磁化运动的经自旋极化的直流电流此外可以被用于确定进行变化的电阻，该电阻由探测单元16和磁性元件3构成。为此，附加地测量如下电压，该电压落在如下电阻上，该电阻由探测单元16和磁性元件3构成。该电压和电流强度经由电阻而被关联。由已知的电压和已知的电流强度能够确定每个时间点的电阻。
在图7中描绘磁性层1，微线圈9布置在该磁性层1上。磁性层1可以是磁性元件3的部分，该磁性元件3由多个磁性层1、1a、1b、1c组成。替代在图4和图6中所描绘的探测单元16，在该实施例中借助微线圈9来进行旋磁化运动的探测。微线圈9平行于层平面地布置。其布置在磁性层1上，使得其暴露于最大磁通量变化中，该磁性层的旋磁化运动应当被探测。在旋磁化运动过程中，磁化在包围微线圈9的区域中变化，由此通过微线圈9围成的磁通量在时间上变化。只要该磁通量在时间上变化，在微线圈9中就感生出电压。因为旋磁化运动是周期性运动，感应电压也是周期性信号，该周期性信号的频率与旋磁化运动的谐振频率一致。
替代在图5中所示的激励单元15，在图8中，激励单元15由激励元件17构成，该激励单元包括磁性相邻元件10，其包括至少一个磁性相邻层，磁性相邻层的磁性特性与温度相关，其中，磁性相邻层具有漩涡状的磁化分布，并且激励元件包括将磁性相邻元件10激励至旋磁化运动的激励单元15。磁性相邻元件10的磁性层1、1a、1b、1c在下文中被称为磁性相邻层。借助激励单元15将磁性相邻元件10激励至旋磁化运动。磁性相邻元件10和磁性元件3的散射磁场耦合，从而通过激励单元15，磁性元件3的磁性相邻元件10被激励至共同的、以谐振频率耦合的旋磁化运动。在磁性元件3的温度变化时，共同的、耦合的旋磁化运动的谐振频率变化。谐振频率的变化因此有助于确定温度。测量元件18包括磁性元件3和探测单元16。旋磁化运动的激励借助激励元件17来进行，旋磁化运动的探测借助测量元件18来进行。磁性相邻元件10和磁性元件3布置在相同的平面中，即x-y平面中。磁性元件3、10的涡核2沿着z方向来定向。在一种实施方式中，激励元件17通过在图5中所示的激励单元15来构成，其在该情况下包围磁性相邻元件10而不是磁性元件3。测量元件18的探测单元16在一种实施方式中通过在图4中所示的探测单元16来构成或者可替代地通过在图7中示出的包括微线圈9的探测单元16来构成。
在一种实施例中，磁性相邻元件10在结构上与测量元件18的磁性元件3相同。
对于在图4和图7中所示的探测单元16的替代方案是在图9中描绘的探测单元16。在可以是磁性元件3的部分的磁性层1上，将两个电接触部11、12，即第一接触部11和第二接触部12布置在层平面上。如果磁涡核2被激励至旋磁化运动的话，因为通过在时间上变化的磁化来感生出电压，在第一接触部11和第二接触部12之间的电压被测量。这相应于探测自旋动力，自旋动力通过旋磁化运动而引起。自旋动力一般由不均匀的自旋布置的运动而产生。感应的电压的频率相应于旋磁化运动的谐振频率。用于测量自旋动力的构造在“Spin-motive force due to gyrating magnetic vortex（由于旋转磁涡引起的自旋动力）”（Tanabe等人，“Nature Communications(自然通信)”（2012））中被描述。
在图10中描绘一种替代性的激励单元15。磁性元件3被布置在绝缘体13上，该绝缘体被构造为层。绝缘体13布置在微带线14上，其沿着y方向伸展。磁性元件3通过绝缘体13与微带线14绝缘。交流电流被施加到微带线14上，其频率相应于旋磁化运动的谐振频率。由此，产生磁交变场，其频率相应于旋磁化运动的谐振频率，并且其场力线同心于微带线14地伸展。磁性元件3因此暴露于磁交变场中，其激励旋磁化运动。
可替代地，实现如图11中所示的激励单元15。这里，磁性元件3被引入到微带线14中，从而层平面处于带有微带线14的平面中。如果例如在y方向上向微带线14施加交变电流，所述交变电流的频率相应于旋磁化运动的谐振频率，那么交变电流沿着层平面流过磁性元件3。在进入磁性元件3时，电子撞击到磁性材料上，在磁性材料中自旋沿着优先方向被定向。这引起：对于不同自旋定向，在磁性元件3中存在不同导电性。这具有如下后果：仅仅带有优选的自旋定向的电子被磁性元件3传送。这导致：磁性元件3的中心基本上被在层平面中的自旋极化的交变电流流过。这导致旋磁化运动的激励。所基于的效应是所谓的“自旋转移矩（Spin-Transfer Torque）”。
根据本发明的温度传感器包括探测单元16和激励单元15。其优选相应于图3至图11的描绘来实施。此外，其包括评估单元19。根据本发明的温度传感器的测量原理基于：磁性元件3的磁性特性与温度相关，尤其是磁性元件3具有温度相关的磁各向异性。回转运动的谐振频率与磁性元件3的磁性特性、尤其是磁各向异性相关。因此，谐振频率是用于磁性特性的度量，该特性又是用于温度的度量。根据在图12中的流程图示出用于借助根据本发明的温度传感器的确定温度的方法。磁性元件3借助激励单元15被激励至谐振旋磁化运动并且旋磁化运动借助探测单元16被探测。旋磁化运动的谐振频率（在图12中用f表示）例如在使用相位调节电路的情况下被确定并且根据特性曲线来与温度（在图12中用T表示）相关联。在旋磁化运动的谐振频率和温度之间的关系在一次性的校准测量中被确定并且被储存在评估单元19中。由旋磁化运动的谐振频率所确定的温度被用作根据本发明的温度传感器的输出。
如果磁性元件3包括多个磁性层1a、1b、1c，那么一般来说，磁性元件3的分散关系可以被用于确定温度。能够考虑磁性元件3的一个或多个激励模式的频率变化来用于确定温度。在频率和温度之间的关联例如如上面所描述地根据特性曲线来进行。