一种利用磁隧道结RKKY耦合的温度依赖性测量温度的方法

一种利用磁隧道结rkky耦合的温度依赖性测量温度的方法
技术领域
1.本发明涉及温度传感器技术领域，特别是涉及一种利用磁隧道结rkky耦合的温度依赖性测量温度的方法。


背景技术：

2.在过去的几十年里，各种纳米级电子设备应运而生。尽管从微型到纳米的小型化带来了许多优点，但缺点之一是由于高电流密度导致的加热增加、散热不足可能会改变甚至破坏纳米级器件。
3.而纳米级温度传感器，特别是近期火热发展的磁隧道结(mtj)温度传感器，需要对纳米薄膜的温度以及周边环境温度准确掌握，所需求的测量方法更加准确、快速。mtj温度传感器的开关行为受到温度升高的影响极大，如果mtj温度和电流强度之间的关系不能确定，则不能够准确的得知温度具体的变化量，即在纳秒范围内的脉冲期间，温度的升高量就可能大于100℃，这会对磁性参数，如磁化强度、磁晶各向异性、热激活能产生极大的影响。并且由于加热所需的电流足够大，便足以诱发影响器件矫顽力的自旋力矩，这就使mtj温度和电流强度关系不能通过简单地将磁电阻或者矫顽场与温度的关系进行比较来解决，因此，亟需提供一种能够消除stt效应的温度与电压线性关系。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种利用磁隧道结rkky耦合的温度依赖性测量温度的方法，消除了stt对p、ap态开关场的影响，测试条件简单、操作安全，成本低，提高了传感器的测量精度。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种利用磁隧道结rkky耦合的温度依赖性测量温度的方法，包括以下步骤：
6.(1)选取合适的磁隧道结
7.磁隧道结的结构组成主要包括：以氧化镁或者氧化铝为绝缘层，由ptmn钉扎的合成反铁磁为参考层，以及势垒顶部的交换偏置合成铁磁存储层为自由层；所述磁隧道结的隧穿磁电阻大于等于130％；
8.(2)获得磁电阻分别与偏置电压、温度的关系；
9.测试装置包括电阻加热平台和电流源，将磁隧道结置于电阻加热平台之上，以电阻加热平台作为加热源，电流源作为偏置电压的施加设备，在恒定温度下，利用电流源调控电压的正负性及大小，在恒定电压下，通过加热台改变电阻温度，利用四探针法分别获得恒温下不同电压以及恒压下不同温度的磁电阻曲线；
10.(3)获得矫顽场分别和偏置电压、温度的关系
11.在电阻水平c＝50％时，从不同低电压下的磁电阻曲线中获得在正负电压降下p
→
ap和ap
→
p四种情况下矫顽场对电压的关系，为了消除stt的影响，计算得到四种情况下的平均矫顽场随低电压的变化关系；同理，获得矫顽场与平均温度的变化曲线；
12.(4)得到线性的偏置电压与温度变化相关性
13.利用插值法，归一化法，依靠矫顽场对温度和偏置电压的依赖性，得到线性的偏置电压与温度变化相关性。
14.优选的，参考层包括cofe、ru、cofeb中的一种或多种；自由层包括nife/cofe、ru、cofeb中的一种或多种。
15.优选的，存储层的形成机理为ru在室温下提供反平行层间耦合，其顶部复合cofe/nife层。
16.优选的，电阻加热丝为镍铬电阻丝或钨丝，直径为3mm，电阻加热丝的测温器件为pt100温度传感器。
17.优选的，电流源为keithley2400。
18.优选的，步骤(2)中，恒压下不同温度的条件下温度的范围为25℃-470℃，恒温下不同电压的条件下电压的测试范围为0.1-0.8v。
19.优选的，步骤(4)中，线性的偏置电压与温度变化相关性为：t-t0＝δt＝γv2，γ系数取决于堆电阻和导热率，用k/v2表示，表达式为：
20.本发明的有益效果：
21.(1)本发明通过温度变化与偏置电压的线性相关性进行温度测量，消除了stt对p、ap态开关场的影响，测量条件简单、操作安全，成本低，提高了传感器测量精度；
22.(2)磁隧道结非常小，通常只有几百纳米至几微米，可作为高时间与空间分辨率的温度传感器。
23.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
24.图1是本发明一种利用磁隧道结rkky耦合的温度依赖性测量温度的方法的测试示意图；
25.图2是恒温时测得的磁隧道结自由层磁电阻随电压的变化曲线；
26.图3是恒压时测得的磁隧道结磁电阻随温度变化曲线；
27.图4是矫顽场与电压变化的关系曲线；
28.图5是矫顽场与温度变化的关系曲线；
29.图6是偏置电压与温度变化的相关曲线。
30.附图标记：
31.1、磁隧道结；2、电流源；3、电阻加热平台；4、加热电阻丝；5、pt100温度传感器。
具体实施方式
32.下面结合实施例，对本发明进一步描述。
33.实施例1
34.如图1所示，以200nm
×
500nm的磁隧道结作为温度传感器为例，先将磁隧道结1置于的电阻加热平台3上，开启加热电阻丝4对电阻加热平台3加热，同时并使用pt100温度传
感器监测电阻加热平台3的温度，控制电阻加热平台3的温度恒温25℃，通过keithley 2400控制磁隧道结1处在不同正负电压下，利用四探针法获得磁隧道结1的磁阻曲线，此过程中keithley 2400所加电压范围为0.1-0.8v，测得磁电阻随电压的变化曲线，如图2所示。
35.在电阻水平c＝50％时，从图2中提取正负电压下p
→
ap以及ap
→
p四种情况的矫顽场与电压的变化关系，为了消除stt的影响，求取四种情况的平均矫顽场和电压的关系如图4所示。
36.然后再利用镍铬电阻丝，将平台逐渐从25℃加热到180℃，并测量平台温度和磁隧道结的磁阻曲线，此过程中keithley所加电流保持为0.5v，所测得磁电阻随温度变化的曲线如图3所示。
37.同理，在电阻水平c＝50％时，从图3中提取平均矫顽场和温度的变化关系，如图5所示。
38.最后再利用插值，归一化法，依靠矫顽场对温度和偏置电压的依赖性，得到线性的偏置电压与温度变化相关性：t＝δt＝273v2+25，如图6所示。
39.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。


技术特征：
1.一种利用磁隧道结rkky耦合的温度依赖性测量温度的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)选取合适的磁隧道结磁隧道结的结构组成主要包括：以氧化镁或者氧化铝为绝缘层，由ptmn钉扎的合成反铁磁为参考层，以及势垒顶部的交换偏置合成铁磁存储层为自由层；(2)获得磁电阻分别与偏置电压、温度的关系测试装置包括电阻加热平台和电流源，将磁隧道结置于电阻加热平台之上，以电阻加热平台作为加热源，电流源作为偏置电压的施加设备，利用四探针法分别获得恒温下不同电压以及恒压下不同温度的磁电阻曲线；(3)获得矫顽场分别和偏置电压、温度的关系在电阻水平c＝50％时，获得在正负电压降下p
→
ap和ap
→
p四种情况下矫顽场对电压的关系，分别计算得到矫顽场平均值与电压、温度的关系；(4)得到线性的偏置电压与温度变化相关性利用插值法，归一化法，依靠矫顽场对温度和偏置电压的依赖性，得到线性的偏置电压与温度变化相关性。2.根据权利要求1所述的一种利用磁隧道结rkky耦合的温度依赖性测量温度的方法，其特征在于：参考层包括cofe、ru、cofeb中的一种或多种；自由层包括nife/cofe、ru、cofeb中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的一种利用磁隧道结rkky耦合的温度依赖性测量温度的方法，其特征在于：存储层的形成机理为ru在室温下提供反平行层间耦合，其顶部复合cofe/nife层。4.根据权利要求1所述的一种利用磁隧道结rkky耦合的温度依赖性测量温度的方法，其特征在于：电阻加热丝为镍铬电阻丝或钨丝，直径为3mm，电阻加热丝的测温器件为pt100温度传感器。5.根据权利要求1所述的一种利用磁隧道结rkky耦合的温度依赖性测量温度的方法，其特征在于：电流源为keithley2400。6.根据权利要求1所述的一种利用磁隧道结rkky耦合的温度依赖性测量温度的方法，其特征在于：步骤(2)中，恒压下不同温度的条件下温度的范围为25℃-470℃，恒温下不同电压的条件下电压的测试范围为0.1-0.8v。7.根据权利要求1所述的一种利用磁隧道结rkky耦合的温度依赖性测量温度的方法，其特征在于：步骤(4)中，线性的偏置电压与温度变化相关性为：t-t0＝δt＝γv2，γ系数取决于堆电阻和导热率，用k/v2表示，表达式为：

技术总结
本发明公开了一种利用磁隧道结RKKY耦合的温度依赖性测量温度的方法，包括以下步骤：(1)选取合适的磁隧道结；(2)获得磁电阻分别与偏置电压、温度的关系；(3)获得矫顽场分别和偏置电压、温度的关系；(4)利用插值法，归一化法，依靠矫顽场对温度和偏置电压的依赖性，得到线性的偏置电压与温度变化相关性。本发明采用上述的一种利用磁隧道结RKKY耦合的温度依赖性测量温度的方法，消除了STT对P、AP态开关场的影响，测试条件简单、操作安全，成本低，提高了传感器的测量精度。传感器的测量精度。传感器的测量精度。


技术研发人员：方杰扬 郑鑫怡 杨杭福 李紫莹 陈浩然 陈佳乐 吴琼 葛洪良
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：2022.11.08
技术公布日：2023/2/3