Fe5GeTe2材料的应用、磁阻角度传感器及其应用

技术领域

本发明涉及二维磁性材料领域，尤其涉及Fe

背景技术

Fe

发明内容

本发明的主要目的是提供一种Fe

为实现上述目的，本申请提供了一种Fe

根据本申请的实施方式，所述Fe

本申请还提供了一种磁阻角度传感器，所述磁阻角度传感器包括至少一个传感单元，所述传感单元中磁阻片的材料为Fe

根据本申请的实施方式，所述传感单元的数量为1个，所述传感单元包括均与所述磁阻片电性连接的工作电路和信号处理电路，所述信号处理电路用于测量所述磁阻片的纵向电阻；所述纵向电阻为所述工作电路在与所述磁阻片上的两个接入点之间的电阻。

根据本申请的实施方式，所述传感单元的数量为2个；

任一所述传感单元包括均与所述磁阻片电性连接的工作电路和信号处理电路，所述信号处理电路用于测量所述磁阻片的纵向电阻；并且，至少一个所述传感单元中的所述信号处理电路用于测量所述磁阻片的霍尔电阻；

所述纵向电阻为所述工作电路在与所述磁阻片上的两个接入点之间的电阻；

所述霍尔电阻的测量方向垂直于所述工作电路施加在所述磁阻片内形成电流的电流方向；

两个所述传感单元对应霍尔电阻的测量方向平行，且两个所述传感单元的工作面夹角为45°。

本申请还提供了一种上述磁阻角度传感器在角度校准中的应用，包括以下步骤：

将磁阻角度传感器设置于待校准机构的基准面上，其中，所述磁阻角度传感器中的任一传感单元中磁阻片的工作面与所述基准面维持第一预设角度；

在校准区域内的磁场方向与所述基准面的目标平面维持第二预设角度、且温度为160K～25℃的条件下，调整所述基准面与所述目标平面的角度，至任一传感单元中的输出电阻达到目标值；其中，所述目标平面为校准状态下所述基准面所处平面，磁场≥5T；所述输出电阻包括对应磁阻片输出的纵向电阻和霍尔电阻。

根据本申请的实施方式，在校准区域温度为160K～25℃且磁场范围为磁场≥5T的条件下，Fe

根据本申请的实施方式，在校准区域温度为160K～250K且磁场范围为磁场≥5T的条件下，Fe

根据本申请的实施方式，在校准区域温度为160K～170K且磁场范围为磁场≥5T的条件下，Fe

根据本申请的实施方式，所述第一预设角度为90°或0°；所述第二预设角度为90°或0°。

上述的Fe

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本申请一实施方式的磁阻角度传感器中传感单元堆叠的结构示意图；

图2是本申请一实施方式的磁阻角度传感器中传感单元的电路连接结构示意图；

图3是本申请一实施方式的传感单元布置的侧视结构示意图；

图4是本申请一实施方式的磁阻角度传感器中传感单元的光学图；

图5是本申请一实施方式的Fe

图6是本申请一实施方式的Fe

图7是本申请一实施方式的Fe

图8是本申请一实施方式的Fe

图9是本申请一实施方式的Fe

图10是本申请一实施方式的Fe

图11是本申请一实施方式的Fe

图12为本申请实施例1的Fe

图13为本申请实施例2的Fe

图14为本申请实施例3的Fe

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施方式，参照附图做进一步说明。

10、基底；20、磁阻片；30、封装层；40、工作电路；50、信号处理电路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施方式中所有方向性指示(诸如上、下……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

并且，本发明各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本申请提供了一种Fe

磁阻片具有磁阻效应(Magnetoresistance effect,MR)，即为MR元件，其中角度依赖的磁阻效应(Angle-Dependent Magnetoresistance,ADMR)，为传感器的核心部分。Fe

磁阻片在垂直于自身平均厚度方向具有两个相对设置的表面。两个表面相对较为平整，当然由于制备方法(例如，通过透明胶带从块状单晶Fe

在一些实施例中，参见图1，磁阻角度传感器中的传感单元还包括基底10和封装层30。如图1所示，最下面是基底10，中间是磁阻片20即Fe

其中，基底10上设有电极，磁阻片20设置在基底10上，且磁阻片20的一个表面与基底10的电极连接。该表面为可以称为磁阻片20的工作面。为描述方便，上述两个相对设置的表面，一个可以称为底面，一个可以称为顶面。通常而言，底面与电极连接，作为工作面。

参见图2，磁阻角度传感器中传感单元主要的结构示意图。在基底10上用光刻蒸镀法沉积Cr/Au电极，再在电极上覆盖近似Fe

可以理解的是，如图2所示的结构，基底10(包括基底10上的电极)、Fe

当传感单元的数量为1个时，该磁阻角度传感器为一型磁阻角度传感器。一型磁阻角度传感器的信号处理电路仅测量纵向电阻值即可。

当传感单元的数量为2个时，该磁阻角度传感器为二型磁阻角度传感器，其结构可参见图3，图3是二型磁阻角度传感器的结构示意图，两个传感单元交叠设置，交线平行y轴，且二者的夹角为45°。在二型磁阻角度传感器的信号处理电路，其中一个传感单元，信号处理电路既测量纵向电阻值又测量霍尔电阻值。另一个传感单元，信号处理电路可以仅测量纵向电阻值，同时也可以既测量纵向电阻值又测量霍尔电阻值。

一个传感单元组成的一型磁阻角度传感器能探测0～90度的范围，传感单元的底面称为该一型磁阻角度传感器的底面。两个相同传感单元组成的二型磁阻角度传感器，角度检测范围为0～360度，人为设置其中一个传感单元的底面为二型磁阻角度传感器的底面。在没有强调“角度检测范围时”，一型和二型磁阻角度传感器统称为磁阻角度传感器。

当某个传感单元需要测量纵向电阻值和霍尔电阻值时，其结构可以参见图4，图4是磁阻角度传感器中传感单元的光学图。基底10是SiO

通过上述制备方法可以知晓，磁阻片20的平均厚度也可以理解为平均厚度。例如，17nm的Fe

磁阻片20的平均厚度为17nm～188nm，磁阻片20包括多种规格的产品，例如平均厚度为17nm、20nm、30nm、40nm、44nm、56nm、71nm、87nm、90nm、100nm、155nm、188nm的磁阻片20等。

申请人研究发现当Fe

示例性地，在该下述条件下：

温度范围：160K至室温；磁场范围：5T以上；厚度范围：17nm。一型磁阻角度传感器可检测90度的范围，二型磁阻角度传感器可检测360度全范围。

又示例性地，在该下述条件下：

温度范围：160K至250K；磁场范围：5T以上；厚度范围：44nm。一型磁阻角度传感器可检测90度的范围，二型磁阻角度传感器可检测360度全范围。

又示例性地，在该下述条件下：

温度范围：160K至170K；磁场范围：5T以上；厚度范围：188nm。一型磁阻角度传感器可检测90度的范围，二型磁阻角度传感器可检测360度全范围。

又示例性地，在该下述条件下：

温度范围：极低温T＝10K～30K；磁场范围：5T以上；平均厚度：17nm。在一些实施例中，Fe

温度和磁场强度的条件，示例性地，其是磁阻角度传感器的工作环境提供；如使用环境处于室温，正好达到300K的温度。如测量对象在太空中，太空中温度较低，可能能达到10K～30K的温度，即磁阻角度传感器用于航天设备中；又如，通过液氦，提供10K～30K的测试环境，将磁阻角度传感器用于测量对象如待校准的机构上，当校准完成后，再从该测试环境中脱离。

又示例性地，磁阻角度传感器自身的结构提供温度和磁场强度的条件或测量对象提供温度和磁场强度的条件。如测量对象具有上述温度和磁场范围。

上述的Fe

相应地，本申请还提供了一种磁阻角度传感器，磁阻角度传感器包括至少一个传感单元，所述传感单元中磁阻片20的材料为Fe

上述的磁阻角度传感器，由于采用了Fe

在一些实施例中，传感单元的数量为1个，传感单元包括均与磁阻片20电性连接的工作电路40和信号处理电路50，信号处理电路50用于测量磁阻片20的纵向电阻。纵向电阻为工作电路40在与磁阻片上的两个接入点之间的电阻。在该情形下，磁阻角度传感器为一型磁阻角度传感器。

具体在一些实施例中，工作电路40中的输入电压为20mV～70mV，工作电路40中的输入电流为0.2mA～0.5mA。

在另一些实施例中，传感单元的数量为2个，两个所述传感单元对应霍尔电阻的测量方向平行，且两个所述传感单元的工作面夹角为45°。即如图3所示。图3是二型磁阻角度传感器的结构示意图，两个传感单元交叠设置，交线平行y轴，且二者的夹角为45°。

任一传感单元包括均与磁阻片20电性连接的工作电路40和信号处理电路50，信号处理电路50用于测量磁阻片20的纵向电阻；并且，至少一个传感单元中的信号处理电路50用于测量磁阻片20的霍尔电阻；纵向电阻为工作电路40在与磁阻片20上的两个接入点之间的电阻；霍尔电阻的测量方向垂直于工作电路40施加在所述磁阻片20内形成电流的电流方向。

示例性地，磁阻片20设有两组电极，第一组电极沿磁阻片20的第一方向相对设置，如x方向，第二组电极垂直磁阻片20的第一方向相对设置。这样，工作电路40两端连接在第一组电极的两个电极上，若信号处理电路50两端连接在第二组电极的两个电极上测量霍尔电阻，而若信号处理电路50两端连接在第一组电极的两个电极上则测量纵向电阻。信号处理电路50可能包括放大器、滤波器、模数转换器等。

可以理解的是，工作电路40和信号处理电路50并非磁阻角度传感器的必要结构，即如在一些实施例中，测量对象，如待校准的机构存在工作电路40和信号处理电路50，只要将待校准的机构的工作电路40和信号处理电路50与磁阻角度传感器连接即可。

在一些实施例中，Fe

本申请还提供了一种上述磁阻角度传感器在角度校准中的应用，包括以下步骤：

将磁阻角度传感器设置于待校准机构的基准面上，其中，磁阻角度传感器任一传感单元中磁阻片20的工作面与基准面维持第一预设角度；

在校准区域内的磁场方向与基准面的目标平面维持第二预设角度、且温度为160K～25℃的条件下，调整基准面与目标平面的角度，至任一传感单元中的输出电阻达到目标值；其中，目标平面为校准状态下基准面所处平面，磁场≥5T；所述输出电阻包括对应磁阻片输出的纵向电阻和霍尔电阻。

利用上述磁阻角度传感器的性质，可以用于机构的角度校准，如安装时的角度。在一些精磨的仪器中，待校准机构通常需要保证其与其他零件的角度位于合适的角度下，此时该机构即处于校准状态。在该状态下，待校准机构的基准面所在的平面即为目标平面。

磁阻片20的工作面固定在待校准机构的基准面上，与基准面维持第一预设角度，如0°、13°、35°、68°、90°。磁场方向与基准面的目标平面维持第二预设角度。因此，在校准状态下，磁场方向与工作面的夹角为固定值，如0°、21°、47°、76°、90°。相应的纵向电阻为目标值。若纵向电阻与目标值出现偏差，则说明待校准机构的基准面与目标平面存在夹角，调整基准面与目标平面的角度，至磁阻角度传感器的纵向电阻达到目标值，即完成校准。

在一些实施例中，在校准区域温度为160K～25℃且磁场范围为磁场≥5T的条件下，Fe

在一些实施例中，在校准区域温度为160K～250K且磁场范围为磁场≥5T的条件下，Fe

在一些实施例中，在校准区域温度为160K～170K且磁场范围为磁场≥5T的条件下，Fe

在一些实施例中，所述第一预设角度与所述第二预设角度相同或不同。

在一些实施例中，所述第一预设角度为90°或0°；在该条件下，磁阻角度传感器底面磁阻片20的工作面与基准面垂直或平行。便于磁阻角度传感器设置在待校准机构上。

所述第二预设角度为90°或0°。在该条件下，磁阻角度传感器底面磁阻片20的工作面与磁场方向垂直或平行。当出现角度偏差时，纵向电阻值将偏移稳定位置。

实施例1

将Cr/Au(5nm/50nm)电极沉积在热氧化硅基底10上。电极包括沿x方向的第一组电极和沿y方向的第二组电极。

通过透明胶带从块状单晶Fe

然后通过聚二甲基硅氧烷将薄片转移到第一组电极和第二组电极上。为了避免降解，这些器件被六方氮化硼(h-BN)薄膜封装，得到Fe

Fe

纵向(x方向)和霍尔电阻(y方向)由两组Keithley 2182A纳伏表同时测量，可以视为信号处理电路50。

其中，磁场B的磁场方向在zx平面内偏转(z方向为磁阻片20的厚度方向，同时垂直于y方向和x方向)。磁场方向与z方向的夹角为θ，当θ为0°时，B平行于z方向；当θ为90°时，B平行于x方向。测量磁场B在不同的磁场大小下，纵向电阻和霍尔电阻与磁场角度的关系，测量结果如图5～9所示。

实施例2

将Cr/Au(5nm/50nm)电极沉积在热氧化硅基底10上。电极包括沿x方向的第一组电极和沿y方向的第二组电极。

通过透明胶带从块状单晶Fe

然后通过聚二甲基硅氧烷将薄片转移到第一组电极和第二组电极上。为了避免降解，这些器件被六方氮化硼(h-BN)薄膜封装，得到Fe

Fe

纵向(x方向)和霍尔电阻(y方向)由两组Keithley 2182A纳伏表同时测量，可以视为信号处理电路50。

其中，磁场B的磁场方向在zx平面内偏转(z方向为磁阻片20的厚度方向，同时垂直于y方向和x方向)。磁场方向与z方向的夹角为θ，当θ为0°时，B平行于z方向；当θ为90°时，B平行于x方向。测量磁场B在不同的磁场大小下，纵向电阻与磁场角度的关系，测量结果如图10所示。

实施例3

将Cr/Au(5nm/50nm)电极沉积在热氧化硅基底10上。电极包括沿x方向的第一组电极和沿y方向的第二组电极。

通过透明胶带从块状单晶Fe

然后通过聚二甲基硅氧烷将薄片转移到第一组电极和第二组电极上。为了避免降解，这些器件被六方氮化硼(h-BN)薄膜封装，得到Fe

Fe

纵向(x方向)和霍尔电阻(y方向)由两组Keithley 2182A纳伏表同时测量，可以视为信号处理电路50。

其中，磁场B的磁场方向在zx平面内偏转(z方向为磁阻片20的厚度方向，同时垂直于y方向和x方向)。磁场方向与z方向的夹角为θ，当θ为0°时，B平行于z方向；当θ为90°时，B平行于x方向。测量磁场B在不同的磁场大小下，纵向电阻与磁场角度的关系，测量结果如图11所示。

分析

比较实施例1～3的结果可知，当磁场B根据图2所示在xz面进行旋转时，纵向电阻与角度具有可量化的特殊关系，为了量化数据与简便性，采用ADMR描述纵向电阻随角度的变化。定义ADMR为[R(θ)-R(0)]/R(0)×100％。定义角度θ为磁场与薄膜法线方向的夹角，即磁场方向与+z方向的夹角。

图5展示了17nm的Fe

图6展示了17nm的Fe

图7展示了17nm的Fe

图8展示了17nm的Fe

图9显示了17nm的Fe

图10显示了厚度为44nm的Fe

图11显示了厚度为188nm的Fe

综上所述，对于17nm～188nm的Fe

本发明的上述技术方案中，以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的技术构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围。