CN102854339A - 一种硅基巨磁阻效应微加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种巨磁阻效应微加速度传感器，主要结构包括：键合基板；铁磁性薄膜，铁磁性薄膜设在键合基板上的矩形凹槽，即底槽中；和加速度敏感体，加速度敏感体设在键合基板上方并与键合基板相连接，且加速度敏感体包括：对应设在底槽上方的敏感质量块；敏感质量块上表面设有巨磁敏电阻且巨磁敏电阻与铁磁性薄膜位置对应；敏感质量块四周的悬臂梁，以及悬臂梁外侧的支撑框体。巨磁敏电阻层可随敏感质量块沿垂直于所述铁磁性薄膜上表面的方向振动。根据本发明实施例的微机械加速度传感器采用整体结构设计，结构合理，检测电路简单，使用方便、可靠性好、适合微型化。

Description

一种硅基巨磁阻效应微加速度传感器

技术领域

本发明涉及微惯性导航技术相关领域，具体而言，涉及一种基于巨磁阻效应的微机械加速度传感器。

背景技术

目前，微机械加速度传感器常用的检测方式是压阻式、电容式、压电式和隧道效应式等，压阻式是基于高掺杂硅的压阻效应原理实现的，高掺杂硅形成的压敏器件对温度有较强的依赖性，其由压敏器件组成的电桥检测电路也会因温度变化引起灵敏度漂移；电容式精度的提高是利用增大电容面积，由于器件的微小型化，其精度因有效电容面积的缩小而难以提高。压电效应纳传感器的灵敏度易漂移，需要经常校正，归零慢，不宜连续测试。隧道效应纳传感器，制造工艺复杂，检测电路也相对较难实现，成品率低，不利于集成。

微机械加速度传感器对角速度的测量是靠检测装置实现力电转换来完成的，其灵敏度、分辨率是十分重要的，由于加速度传感器微型化和集成化，检测的敏感区域随之减小，故而使检测的灵敏度、分辨率等指标已达到敏感区域检测的极限状态，从而限制了加速度传感器检测精度的进一步提高，很难满足现代军事、民用装备的需要。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

有鉴于此，本发明需要提供微机械加速度传感器，该微机械加速度传感器为基于巨磁阻效应的微机械加速度传感器，至少可以提高微机械加速度传感器的检测精度。

本发明提供了一种微机械加速度传感器，包括：键合基板；铁磁性薄膜，铁磁性薄膜设在键合基板底槽的中心位置。加速度敏感体，所述的加速度敏感体设在所述的键合基板上方并与键合基板连接，且加速度敏感体包括：敏感质量块，对应设在底槽上方；巨磁敏电阻，设在敏感质量块上表面，作为敏感部件，且巨磁敏电阻与铁磁性薄膜位置对应；支撑框体，通过悬臂梁与敏感质量块相连接，对敏感质量块起到支撑作用。巨磁敏电阻层可随敏感质量块沿垂直于所述铁磁性薄膜上表面的方向振动。

根据本发明实施例的微机械加速度传感器，采用整体结构设计，结构设计合理，适合器件的微型化。敏感质量块上表面设有巨磁敏电阻，其正对于键合基板上底槽中相应区域制作的铁磁性薄膜。在微弱的磁场变化下巨磁敏电阻的阻值会发生剧烈变化，该变化可以将微机械加速度传感器的灵敏度提高1-2个数量级。本设计的另一特点：由于此处铁磁性薄膜作用是为巨磁敏电阻提供稳定的非均匀磁场，因此，在铁磁性薄膜产生磁场效果不佳或稳定性不易控制的情况下可以考虑利用外置永磁体对铁磁性薄膜加以代替。除以上特点外，该加速度敏感体的检测电路设计简单、使用方便、可靠性好，适合微型化。

根据本发明的一个实施例，所述的键合基板为正方形结构，键合基板上表面的中心位置设有供敏感质量块运动的底槽。

根据本发明的一个实施例，所述的铁磁性薄膜为在半导体材料衬底层上依次排布的多层磁性材料纳米膜结构。

根据本发明的一个实施例，所述加速度敏感体进一步包括：敏感质量块，对应设在键合基板底槽的上方；巨磁敏电阻，设在敏感质量块上表面，作为敏感部件，且巨磁敏电阻与铁磁性薄膜位置对应；支撑框体，通过悬臂梁与敏感质量块相连接，对敏感质量块起到支撑作用。

根据本发明的一个实施例，所述的敏感质量块为正方形，且内嵌在键合基板上的底槽中，并可在此底槽中上、下运动；所述的敏感质量块四周分别通过悬臂梁与支撑框体相连接；所述的敏感质量块的上表面制作有两根巨磁敏电阻，作为敏感机构。

根据本发明的一个实施例，所述的悬臂梁长方体结构，与敏感质量块和支撑框体为一整体结构，且其宽度远大于厚度，保证上下方向刚度远大于水平方向。

根据本发明的一个实施例，所述的巨磁敏电阻为在衬底层上依次排布的巨磁敏材料纳米薄膜层。

根据本发明的一个实施例，所述的巨磁敏电阻设在敏感质量块的上表面，呈

形，两根巨磁敏电阻交叉吻合，通过巨磁敏电阻引出线引出，经悬臂梁与巨磁敏电阻电极相连接。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的整体结构图；

图2为本发明实施例的整体结构的俯视图；

图3为本发明实施例的加速度敏感体的立体结构图；

图4为本发明实施例的键合基板整体结构图；

图5为本发明实施例的键合基板俯视图；

图6为本发明实施例的铁磁性薄膜结构图；

图7为本发明实施例的巨磁敏电阻结构图；

图中所示，附图标记清单如下：

1、敏感质量块，2、巨磁敏电阻，3、巨磁敏电阻引出线，4、巨磁敏电阻电极，5、铁磁性薄膜，6、键合基板，7、底槽，8、支撑框体，9、悬臂梁，10、衬底，11、绝缘层，12、多层巨磁敏材料纳米薄膜层，13、加速度敏感体，14、钽层，15、镍铁层，16、铜层，17、钴层，18、铁锰层，19、钽层，20、二氧化硅层，21、二氧化钛层，22、铂层，23、铁酸钴层，24、铁酸铋层

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

巨磁阻效应是一种量子力学和凝聚态物理学现象，是磁阻效应的一种，可以在磁性材料和非磁性材料相间的纳米薄膜层结构中观察到。这种结构物质的电阻值与铁磁性材料薄膜层的磁化方向有关，两层磁性材料磁化方向相反情况下的电阻值，明显大于磁化方向相同时的电阻值，电阻在很弱的外加磁场下具有很大的变化量。将巨磁阻效应和陀螺哥氏效应相结合，并应用于微机械加速度传感器的检测方面，可以提高微机械加速度传感器的检测精度。

以下结合附图对本发明做进一步说明：

如图1-2所示，根据本发明的实施例的微机械加速度传感器，包括：键合基板6，铁磁性薄膜5和加速度敏感体13。

具体而言，可以以键合基板6为载体，例如，键合基板6可以由半导体材料制成，键合基板6中心位置设有为敏感质量块1提供运动空间的底槽7；底槽7中心位置设有用以提供非均匀磁场的铁磁性薄膜5。

加速度敏感体13可以设在键合基板6之上并与键合基板6连接，且加速度敏感体13可以包括：敏感质量块1，对应设在底槽7上方。敏感质量块1上表面制作有巨磁敏电阻2，作为敏感部件，且巨磁敏电阻2与铁磁性薄膜5位置对应。巨磁敏电阻2可随敏感质量块1沿垂直于所述铁磁性薄膜5上表面的方向振动。

根据本发明实施例的微机械加速度传感器，采用整体结构设计，结构设计合理，适合器件的微型化。敏感质量块1上表面制作有巨磁敏电阻2，其正对于键和基板6上表面的铁磁性薄膜5，在微弱的磁场变化下巨磁敏电阻2的阻值会发生剧烈变化，该变化可将微机械加速度传感器的灵敏度提高1-2个数量级，此装置的检测电路设计简单、使用方便、可靠性好，适合微型化。

如图3所示，根据本发明的一个实施例，加速度敏感体13进一步包括：敏感质量块1、巨磁敏电阻2、巨磁敏电阻引出线3、巨磁敏电阻电极4、支撑框体8、悬臂梁9。

具体而言，敏感质量块1可以通过四根悬臂梁9分别将敏感质量块1的四边与支撑框体8相连接；巨磁敏电阻2为两根，可以设置在敏感质量块1上表面的中间位置，且巨磁敏电阻2呈

形，二者结构相同交叉吻合分布，且整体正对于键合基板6上表面制作的铁磁性薄膜层5；巨磁敏电阻引出线3将巨磁敏电阻2引出，末端经由悬臂梁9与支撑框体8上表面的巨磁敏电阻电极4相连接；悬臂梁9的宽度远大于其厚度，以保证悬臂梁在Z轴方向上的刚度远小于在X、Y方向的刚度，减小横向干扰。

如图4-5所示，根据本发明的一个实施例，键合基板6为正方形，上表面设有供敏感质量块运动的底槽7；底槽7的中心位置设有提供非均匀磁场的铁磁性薄膜5；铁磁性薄膜的大小、形状、厚度可以根据加速度敏感体的巨磁敏电阻2对磁场强度的强弱及分布需要情况而定。

如图6所示，根据本发明的一个实施例，巨磁敏电阻2包括在半导体材料衬底层10（敏感质量块1的上表面）上依次排布的绝缘层11和多层巨磁敏材料纳米薄膜层12。优选地，绝缘层11可以用二氧化硅材料制作，多层巨磁敏材料纳米薄膜层12可以包括在在绝缘层11上依次排布的钽层14、镍铁层15、铜层16、钴层17、铁锰层18和钽层19。需要说明的是，上述的巨磁敏电阻2可以采用通过分子束外延设计制作，分子束外延是一种在半导体晶片上生长高质量的晶体薄膜，在真空条件下，按晶体结构排列一层一层的生长在半导体材料衬底层10上，并形成纳米级膜层，逐层淀积，在沉积过程中，需要严格控制成膜的质量、厚度，以避免成膜的质量和厚度影响微机械加速度传感器的检测精度和灵敏度。

另外，根据本发明的一个实施例，铁磁性薄膜层5可以为多层结构。由此，可以更好地和巨磁敏电阻2配合使用。优选地，铁磁性薄膜层5可以包括在键合基板6的上表面依次排布的二氧化硅层20、二氧化钛层21、铂层22、铁酸钴层23和铁酸铋层24。需要说明的是，上述的铁磁性薄膜层5可以采用通过分子束外延设计制作的，分子束外延是一种在半导体晶片上生长高质量的晶体薄膜，在真空条件下，按晶体结构排列一层一层地生长在键合基板6上，并形成纳米级膜层，逐层淀积，在沉积过程中，需要严格控制成膜的质量、厚度，以避免成膜的质量和厚度影响微机械加速度传感器的检测精度和灵敏度。另外，由于此处铁磁性薄膜5作用是为巨磁敏电阻2提供稳定的非均匀磁场，因此，在铁磁性薄膜5产生磁场效果不佳或稳定性不易控制的情况下可以考虑利用外置永磁体对铁磁性薄膜5加以代替。

当加速度传感器在Z轴方向有加速度时，敏感质量块1会在惯性作用下，偏离平衡位置，沿Z轴方向振动。因间距发生变化，由键合基板6上表面的铁磁性薄膜层5产生的磁场在敏感质量块1上巨磁敏电阻2位置处的强度会增大或减小。磁场强度的变化引起巨磁阻效应使巨磁敏电阻2的阻值发生剧烈的变化。这样就可把一个微弱的加速度信号转化为一个较强的电学信号，通过对该信号的处理就可以检测出Z轴方向输入加速度的大小。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种微机械加速度传感器，其特性在于，包括：

键合基板，键合基板上制作有供敏感质量块运动提供空间的底槽；

铁磁性薄膜，铁磁性薄膜设键合基板底槽的中心位置；

加速度敏感体，所述的加速度敏感体设在所述的键合基板上方，并且与键合基板粘结牢固，且加速度敏感体包括：敏感质量块，对应设在底槽上方；巨磁敏电阻，设在敏感质量块上表面，且巨磁敏电阻与铁磁性薄膜位置对应；支撑框体，通过悬臂梁与敏感质量块连接，对敏感质量块起支撑作用，巨磁敏电阻可随敏感质量块沿垂直于所述铁磁性薄膜上表面的方向振动。

2.根据权利要求1所述的微机械加速度传感器，其特征在于，所述的垫衬框体为矩形中空框体；垫衬框体下面与键合基板键和连接并且共同形成底槽。

3.根据权利要求1所述的微机械加速度传感器，其特征在于，所述的铁磁性薄膜为多层结构。

4.根据权利要求3所述的微机械加速度传感器，其特征在于，铁磁性薄膜层包括在键合基板的上表面依次排布的二氧化硅层、二氧化钛层、铂层、铁酸钴层和铁酸铋层。

5.根据权利要求1所述的微机械加速度传感器，其特征在于，

敏感质量块，所述的敏感质量块表面设有巨磁敏电阻、巨磁敏电阻引出线；

悬臂梁，所述的悬臂梁用于连接支撑框体和敏感质量块，其中前后对称的两根悬臂梁上表面设有巨磁敏电阻引出线，用以连接巨磁敏电阻及其电极；

支撑框体，所述的支撑框体设在键合基板上方，并与键合基板粘结牢固；同时，支撑框体通过悬臂梁与敏感质量块相连接，对敏感质量块起到支撑作用；支撑框体与设有巨磁敏电阻引出线的悬臂梁连接部位的上表面制作有巨磁敏电阻电极（包括正极和负极）。

6.根据权利要求5所述的微机械加速度传感器，其特征在于，所述敏感质量块上表面的巨磁敏电阻通过巨磁敏电阻引出线经悬臂梁与巨磁敏电阻电极相连；支撑框体与悬臂梁相连接部位的上表面设有巨磁敏电阻正极和巨磁敏电阻负极。

7.根据权利要求5所述的微机械加速度传感器，其特征在于，所述的敏感质量块为正方形，且内嵌在键合基板的底槽中，并可在此底槽中上、下运动；所述的敏感质量块前、后、左、右对称位置分别通过悬臂梁与支撑框体相连接。

8.根据权利要求5所述的微机械加速度传感器，其特征在于，所述的巨磁敏电阻指利用多层膜结构制作具有巨磁阻效应的电阻层，包括在半导体材料衬底层上依次排布的绝缘层和多层巨磁敏材料纳米薄膜层。

9.根据权利要求8所述的微机械加速度传感器，其特征在于，巨磁敏材料纳米薄膜层包括在绝缘层上依次排布的钽层、镍铁层、铜层、钴层、铁锰层和钽层。

10.根据权利要求5所述的微机械加速度传感器，其特征在于，悬臂梁厚度比敏感质量块厚度薄，且远小于悬臂梁的宽度以此减小横向干扰。

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