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原文传递一种基于电隔离隧道磁阻敏感元件的氢气传感器

专利名称：	一种基于电隔离隧道磁阻敏感元件的氢气传感器
摘要：	本发明实施例公开了一种基于电隔离隧道磁阻敏感元件的氢气传感器，包括：位于X‑Y平面的衬底，位于衬底上的隧道磁阻传感器以及位于隧道磁阻传感器上的氢敏感层，氢敏感层和隧道磁阻传感器之间相互电隔离，氢敏感层包含[钯金属层/铁磁层]n的多层薄膜结构，其中，n为大于或等于1的整数；钯金属层用于吸附空气中的氢气以引起铁磁层的各向异性磁场在X‑Z平面内X轴方向的偏转角的变化，隧道磁阻传感器用于感测氢敏感层的磁场信号并根据该磁场信号确定氢气浓度信息。本发明实施例的氢气传感器，保证了测量安全性。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	江苏多维科技有限公司
发明人：	詹姆斯·G·迪克;周志敏
专利状态：	有效
申请日期：	2019-08-30T00:00:00+0800
发布日期：	2019-11-05T00:00:00+0800
申请号：	CN201910817744.5
公开号：	CN110412118A
代理机构：	北京品源专利代理有限公司
代理人：	孟金喆
分类号：	G01N27/74(2006.01);G;G01;G01N;G01N27
申请人地址：	215634 江苏省苏州市张家港市保税区广东路7号E栋
主权项：	1.一种基于电隔离隧道磁阻敏感元件的氢气传感器，其特征在于，包括：位于X-Y平面的衬底，位于所述衬底上的隧道磁阻传感器以及位于所述隧道磁阻传感器上的氢敏感层，所述氢敏感层和所述隧道磁阻传感器之间相互电隔离，所述氢敏感层包含[钯金属层/铁磁层]n的多层薄膜结构，其中，n为大于或等于1的整数；所述钯金属层用于吸附空气中的氢气以引起所述铁磁层的各向异性磁场在X-Z平面内X轴方向的偏转角的变化，所述隧道磁阻传感器用于感测所述氢敏感层的磁场信号并根据该磁场信号确定氢气浓度信息。 2.根据权利要求1所述的氢气传感器，其特征在于，还包括：非氢敏感层，所述非氢敏感层位于所述隧道磁阻传感器上，所述氢敏感层、所述非氢敏感层和所述隧道磁阻传感器之间相互电隔离；所述非氢敏感层为[非钯金属层/铁磁层]n的多层薄膜结构，或者，所述非氢敏感层包括[钯金属层/铁磁层]n的多层薄膜结构以及覆盖该多层薄膜结构的钝化层。 3.根据权利要求2所述的氢气传感器，其特征在于，所述隧道磁阻传感器为参考桥式传感器，所述隧道磁阻传感器包括敏感桥臂和参考桥臂，所述敏感桥臂包括敏感磁电阻传感单元串，所述参考桥臂包括参考磁电阻传感单元串，所述敏感磁电阻传感单元串和所述参考磁电阻传感单元串的磁场敏感方向同为X轴方向；所述氢敏感层和所述非氢敏感层均为长条形形状，该长条形的长轴为Y轴方向，该长条形的短轴为X轴方向；在X-Y平面，所述敏感磁电阻传感单元串的正投影位于所述氢敏感层的长条形内的Y轴中心线上，和/或，所述敏感磁电阻传感单元串的正投影位于所述氢敏感层的长条形内的Y轴中心线的两侧的相同位置；在X-Y平面，所述参考磁电阻传感单元串的正投影位于所述非氢敏感层的长条形内的Y轴中心线上，和/或，所述参考磁电阻传感单元串的正投影位于所述非氢敏感层的长条形内的Y轴中心线的两侧的相同位置；其中，所述敏感磁电阻传感单元串和所述参考磁电阻传感单元串的设置方式相同；所述氢敏感层和所述敏感桥臂磁耦合并与所述参考桥臂磁隔离，所述非氢敏感层与所述敏感桥臂磁隔离并与所述参考桥臂磁耦合。 4.根据权利要求1所述的氢气传感器，其特征在于，所述氢敏感层包括：同层电隔离设置的推氢敏感层和挽氢敏感层，所述推氢敏感层在没有外加磁场时具有正X轴方向的磁矩，所述挽氢敏感层在没有外加磁场时具有负X轴方向的磁矩；所述推氢敏感层的正X轴方向磁矩和所述挽氢敏感层的负X轴方向磁矩的写入方法包括：激光热磁写入、写磁头写入、写入线圈写入和永磁块写入中的任意一种写入方式；所述写入线圈位于所述衬底和所述氢敏感层之间，其中，所述写入线圈包括沿所述推氢敏感层的Y轴中心线方向且具有正Y轴电流方向的第一写入导线和沿所述挽氢敏感层的Y轴中心线方向且具有负Y轴电流方向的第二写入导线；所述永磁块具有条形形状以及所述永磁块位于所述衬底的背离所述氢敏感层的一侧表面，所述永磁块具有Z轴方向的磁化方向，所述推氢敏感层和所述挽氢敏感层分别位于所述永磁块的Z轴中心线两侧区域且该两侧区域具有对称相反的X轴方向磁场分量。 5.根据权利要求4所述的氢气传感器，其特征在于，还包括：位于所述氢敏感层上的磁屏蔽层，所述磁屏蔽层包括至少一个通孔，所述推氢敏感层的钯金属层和所述挽氢敏感层的钯金属层通过所述至少一个通孔与空气直接接触。 6.根据权利要求4所述的氢气传感器，其特征在于，所述隧道磁阻传感器为推挽桥式传感器，所述隧道磁阻传感器包括推臂和挽臂，所述推臂包括推磁电阻传感单元串，所述挽臂包括挽磁电阻传感单元串，所述推磁电阻传感单元串和所述挽磁电阻传感单元串的磁场敏感方向同为X轴方向；所述推氢敏感层和所述挽氢敏感层均为长条形形状，该长条形的长轴为Y轴方向，该长条形的短轴为X轴方向；在X-Y平面，所述推磁电阻传感单元串的正投影位于所述推氢敏感层的长条形内的Y轴中心线上，和/或，所述推磁电阻传感单元串的正投影位于所述推氢敏感层的长条形内的Y轴中心线的两侧的相同位置；在X-Y平面，所述挽磁电阻传感单元串的正投影位于所述挽氢敏感层的长条形内的Y轴中心线上，和/或，所述挽磁电阻传感单元串的正投影位于所述挽氢敏感层的长条形内的Y轴中心线的两侧的相同位置；其中，所述推磁电阻传感单元串与所述挽磁电阻传感单元串的设置方式相同；所述推氢敏感层和所述推臂磁耦合并与所述挽臂磁隔离，所述挽氢敏感层与所述挽臂磁耦合并与所述推臂磁隔离。 7.根据权利要求2所述的氢气传感器，其特征在于，还包括：偏置线圈，所述偏置线圈所在膜层位于所述衬底和所述氢敏感层之间，并且所述偏置线圈位于所述隧道磁阻传感器的正上方或者正下方，所述偏置线圈为螺旋线圈；对于X轴方向或Y轴方向偏置磁场，所述偏置线圈所在平面包含第一偏置区和第二偏置区，所述第一偏置区和所述第二偏置区分别设置平行排列的且具有相同电流方向的N个直线段，其中N为大于等于1的整数，所述第一偏置区和所述第二偏置区的直线段的电流同向或者反向，所述氢敏感层均匀分布于所述第一偏置区，所述非氢敏感层均匀分布于所述第二偏置区；对于Z轴方向偏置磁场,所述偏置线圈所在平面包含中心偏置区，所述中心偏置区设置数量相同且对称设置以及电流方向对称相反的2M个直线段，其中M为大于等于1的整数，所述氢敏感层和所述非氢敏感层设置于所述中心偏置区并对称设置，与所述氢敏感层对应设置的直线段的电流方向对称相反，与所述非氢敏感层对应设置的直线段的电流方向对称相反，且电流方向都垂直于Y轴中心线。 8.根据权利要求2所述的氢气传感器，其特征在于，还包括：永磁偏置层；对于X轴方向或Y轴方向偏置磁场，所述永磁偏置层包括至少两个平行排列的永磁条，所述永磁条位于所述氢敏感层的两侧和所述非氢敏感层的两侧，相邻所述永磁条之间产生X轴方向偏置磁场或者Y轴方向偏置磁场；对于Z轴方向偏置磁场，所述永磁偏置层包括一个永磁条，所述永磁条位于所述衬底下方位置，所述氢敏感层和所述非氢敏感层分别位于所述永磁条的具有相同Z轴方向磁场分量的两个区域内，所述氢敏感层和所述非氢敏感层分别位于所述永磁条的具有对称相反Y轴方向磁场分量的两个区域内。 9.根据权利要求4所述的氢气传感器，其特征在于，还包括：偏置线圈，所述偏置线圈所在膜层位于所述衬底和所述氢敏感层之间，并且所述偏置线圈位于所述隧道磁阻传感器的正上方或者正下方，所述偏置线圈为螺旋线圈；对于Y轴方向偏置磁场，所述偏置线圈所在平面包含第三偏置区和第四偏置区，所述第三偏置区和所述第四偏置区分别设置平行排列的且具有相同电流方向的P个直线段，其中P为大于等于1的整数，所述第三偏置区和所述第四偏置区的直线段的电流同向或者反向，所述推氢敏感层均匀分布于所述第三偏置区，所述挽氢敏感层均匀分布于所述第四偏置区；对于Z轴方向偏置磁场,所述偏置线圈所在平面包含中心偏置区，所述中心偏置区设置数量相同且对称设置以及电流方向对称相反的2Q个直线段，其中Q为大于等于1的整数，所述推氢敏感层和所述挽氢敏感层设置于所述中心偏置区并对称设置，与所述推氢敏感层对应设置的直线段的电流方向对称相反，与所述挽氢敏感层对应设置的直线段的电流方向对称相反，且电流方向都垂直于Y轴中心线。 10.根据权利要求4所述的氢气传感器，其特征在于，还包括：永磁偏置层；对于Y轴方向偏置磁场，所述永磁偏置层包括至少两个平行排列的永磁条，所述永磁条位于所述推氢敏感层的两侧和所述挽氢敏感层的两侧，相邻所述永磁条之间产生Y轴方向偏置磁场；对于Z轴方向偏置磁场，所述永磁偏置层包括一个永磁条，所述永磁条位于所述衬底下方位置，所述推氢敏感层和所述挽氢敏感层分别位于所述永磁条的具有相同Z轴方向磁场分量的两个区域内，所述推氢敏感层和所述挽氢敏感层分别位于所述永磁条的具有对称相反Y轴方向磁场分量的两个区域内。 11.根据权利要求2或4所述的氢气传感器，其特征在于，还包括：微带，所述微带为单带或双带结构，所述微带位于所述衬底和所述隧道磁阻传感器之间，所述微带的两端连接微波端口并与微波激励电源相连以使偏置磁场为Z轴方向或者为Y轴方向。 12.根据权利要求11所述的氢气传感器，其特征在于，所述隧道磁阻传感器为参考桥式传感器时，所述微带为平行或者垂直于Y轴中心线方向；所述隧道磁阻传感器为推挽桥式传感器时，所述微带垂直于Y轴中心线方向。 13.根据权利要求1所述的氢气传感器，其特征在于，所述氢敏感层还包括：种子层和隔离层，所述隔离层位于所述种子层和[钯金属层/铁磁层]n的多层薄膜结构之间，所述铁磁层的磁化强度偏转角在10°～80°范围内变化。
所属类别：	发明专利