CN107131819B

CN107131819B - 基于隧道磁阻效应的单轴微机械位移传感器

Info

Publication number: CN107131819B
Application number: CN201710438107.8A
Authority: CN
Inventors: 崔敏; 刘晓东; 黄用; 王威; 李新娥
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2017-06-12
Filing date: 2017-06-12
Publication date: 2023-02-24
Anticipated expiration: 2037-06-12
Also published as: CN107131819A

Abstract

一种基于隧道磁阻效应的单轴微机械位移传感器，包括键合基板、位移敏感体、铁磁性薄膜和隧道磁敏电阻，位移敏感体由位移敏感体框体、敏感质量块及回折梁构成，位移敏感体框体固定在键合基板上，敏感质量块置于位移敏感体框体内，通过回折梁与位移敏感体框体连接，敏感质量块上表面固定有铁磁性薄膜，键合基板上表面设有与铁磁性薄膜位置对应的隧道磁敏电阻。本发明的单轴微机械位移传感器采用整体结构设计，将位移传感器集成制作于同一框体上，可将微机械位移传感器的灵敏度提高1～2个数量级。

Description

基于隧道磁阻效应的单轴微机械位移传感器

技术领域

本发明属于微惯性导航技术领域，涉及一种用于测量位移的传感器，特别是涉及一种利用隧道磁阻效应测量位移的传感器装置。

背景技术

微机械位移传感器常用的检测方式包括压阻式、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会因温度变化引起灵敏度漂移。电容式精度的提高依赖于电容面积的增大，但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。压电效应传感器灵敏度易漂移，需经常校正，归零慢，不宜连续测试。隧道效应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。

微机械位移传感器对位移的测量是依靠检测装置的力电转换完成的，其灵敏度和分辨率十分重要。由于位移传感器的微型化和集成化，检测敏感区域随之减小，故而使检测的灵敏度、分辨率等指标已经达到了敏感区域的检测极限状态，从而限制了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。

基于电子的自旋效应，在磁性钉扎层与磁性自由层中间间隔有绝缘体或半导体非磁层的磁性多层膜结构，由于在磁性钉扎层与磁性自由层之间的电流通过是基于电子的隧穿效应，因此称这一多层膜结构为磁性隧道结(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)。这种磁性隧道结在横跨绝缘层的电压作用下，其隧道电流和隧道电阻依赖于两个铁磁层(磁性钉扎层和磁性自由层)磁化强度的相对取向。当磁性自由层在外场作用下，其磁化强度方向改变，而钉扎层的磁化方向不变，此时两个磁性层的磁化强度相对取向发生改变，则可在横跨绝缘层的磁性隧道结上观测到大的电阻变化。这一物理效应正是基于电子在绝缘层的隧穿效应，称为隧道磁阻效应(TMR，Tunneling Magnetoresistance)。也就是说，TMR传感器是利用磁场变化来引起磁电阻的变化。

目前，作为***磁阻传感器，TMR传感器具有灵敏度高、线性度好、动态范围广等特点，一定程度上弥补了上一代巨磁阻效应(GMR，Giant Magnetoresistance)的不足。TMR已经在硬盘磁头这一对工作稳定性等各项性能要求极高的高精技术领域取代了GMR磁头。因此，TMR的性能已经经受了最为严格的考验。而随着TMR磁性传感器的大规模应用，其优异的性能将随着其产业化的发展，而渗透到传感器行业方面和应用领域，为很多传感器应用领域提供全新的技术解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种微机械位移传感器，该微机械位移传感器是基于隧道磁阻效应来测量位移的微小改变，从而提高微机械位移传感器的检测精度。

本发明所述的基于隧道磁阻效应的单轴微机械位移传感器包括有：

一个键合基板；

至少一个位移敏感体，所述位移敏感体由位移敏感体框体、敏感质量块以及回折梁构成，所述位移敏感体框体固定在键合基板上，所述敏感质量块置于位移敏感体框体内，通过回折梁与位移敏感体框体连接；所述敏感质量块由回折梁支撑，可沿垂直于键合基板表面的方向(Z轴向)振动；

铁磁性薄膜，固定在所述敏感质量块的上表面，随敏感质量块沿垂直于键合基板表面的方向(Z轴向)振动；

隧道磁敏电阻，所述隧道磁敏电阻设在键合基板的上表面，与敏感质量块上的铁磁性薄膜位置对应，所述隧道磁敏电阻通过电阻引出线与键合基板上设置的隧道磁敏电阻电极相连接。

本发明上述单轴微机械位移传感器用于检测Z轴向的位移。

其中，优选地，在所述位移敏感体框体上对称设置有四个相同尺寸的回折梁与所述敏感质量块连接。

本发明中，所述的回折梁是用于支撑敏感质量块只能沿Z轴向振动，在X轴向和Y轴向没有位移。因此，所述回折梁的厚度远小于其宽度，保证其在Z轴方向的刚度远小于其它两个方向。

进而，本发明所述隧道磁敏电阻的基本结构是排布在半导体材料衬底层上的、以绝缘层分隔的多层铁磁层构成的，具有隧道磁阻效应的电阻层。

更具体的，所述的隧道磁敏电阻具有方形结构。

作为本发明的优选技术方案，在所述键合基板上只固定有一个位移敏感体，所述位移敏感体置于所述键合基板的中心位置，且键合基板的面积大于位移敏感体面积。

基于上述结构，本发明将所述的隧道磁敏电阻电极置于键合基板上露出位移敏感体的位置处。

更进一步地，本发明中所述敏感质量块的表面呈方形，即其X轴向长度等于Y轴向的长度。

同时，所述的铁磁性薄膜被置于位移敏感体的中心位置。本发明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纳米膜结构。

本发明的单轴微机械位移传感器采用整体结构设计，将位移传感器集成制作于同一框体上，结构设计合理、简单，使用方便且可靠性好，适合器件的微型化。

本发明的单轴微机械位移传感器通过在敏感质量块上设置铁磁性薄膜，正对键合基板上相应区域设置的隧道磁敏电阻，在微弱的磁场变化下，隧道磁敏电阻的阻值会发生剧烈变化，该变化可以将微机械位移传感器的灵敏度提高1～2个数量级。

附图说明

图1是本发明单轴微机械位移传感器的结构示意图。

图2是图1中位移敏感体5的结构示意图。

图3是图1中键合基板部分的结构示意图。

图4是图1中回折梁4的局部放大图。

图中：1—键合基板；2—位移敏感体框体；3—敏感质量块；4—回折梁；5—位移敏感体；6—铁磁性薄膜；7—隧道磁敏电阻；8—电阻引出线；9—隧道磁敏电阻电极。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细的描述。所述实施例的示例在附图中示出，需要强调的是，通过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任何限制。

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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1、图2、图3所示，本发明实施例的单轴微机械位移传感器的组成单元包括键合基板1、位移敏感体5、铁磁性薄膜6和隧道磁敏电阻7。

其中，键合基板1作为载体，其可以由半导体材料制成，用以承载位移敏感体5。位移敏感体5设置于键合基板1的上方，且位移敏感体5的中心与键合基板1的中心位置正对。

位移敏感体5的结构具体如图2所示，进一步包括Z轴方向的敏感质量块3、Z轴方向回折梁4和位移敏感体框体2。

具体而言，位移敏感体5为一整体结构，以位移敏感体框体2为载体，在其上制作有能够敏感Z轴向的敏感质量块3。Z轴方向的敏感质量块3通过四根Z轴方向回折梁4与位移敏感体框体2相连接。其中，敏感质量块3的上下表面呈方形。

根据敏感质量块3对Z轴向的敏感，设置回折梁4的尺寸为其厚度远小于宽度，以保证其在Z轴方向的刚度远小于其它两个方向，且在敏感质量块3的上、下两边都设有Z轴方向回折梁4。需要说明的是，回折梁的根数可以根据对位移传感器的性能要求进行相应的更改，例如本实施例中虽然在敏感质量块3的上下两边各有两根Z轴方向回折梁4，但根据上面阐述，还可以适当在两侧增加同等数量的回折梁，所增加的回折梁与上述描述性质一致。

铁磁性薄膜6设置于敏感质量块3的上表面中心位置，与键合基板1上制作的隧道磁敏电阻7位置对应。

如图1、图3所示，键合基板1为正方形，且面积比位移敏感体5大，其上表面中心位置设有隧道磁敏电阻7，隧道磁敏电阻7采用方形，通过电阻引出线8与设置在键合基板1边缘的隧道磁敏电阻电极9连接。

隧道磁敏电阻7包括在半导体材料衬底层(例如键合基板1上表面)上依次排布的铁磁层、绝缘层、铁磁层。上述隧道磁敏电阻7可以采用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晶体薄膜的方法，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位移传感器的检测精度和灵敏度。

铁磁性薄膜6的大小、形状、厚度也可以根据微机械位移传感器的隧道磁敏电阻7对磁场强度的强弱及分布需要情况而定。

另外，铁磁性薄膜6也可以为多层结构，以更好的与隧道磁敏电阻7配合使用。铁磁性薄膜6可以由在敏感质量块3上表面依次排布的多层铁磁材料纳米膜制作而成。需要说明的是，上述铁磁性薄膜6也可以采用分子束外延设计制作生长在敏感质量块3上。

当微机械位移传感器在Z轴方向有位移时，敏感质量块3会在惯性作用下，偏离平衡位置，沿Z轴方向振动。因相对间距发生变化，由敏感质量块3上表面的铁磁性薄膜6产生的磁场在键合基板1上对应的隧道磁敏电阻7位置处的强度会增大或减小。磁场强度的变化引起隧道磁阻效应，使隧道磁敏电阻的阻值发生剧烈变化。这样就可以把一个微弱的位移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轴向输入位移的大小。

本实施例的单轴微机械位移传感器采用整体结构设计，适合器件微型化，并可将微机械位移传感器的灵敏度提高1～2个数量级。

尽管上述已经描述了本发明的具体实施例，但本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明原理和宗旨情况下，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

1.一种单轴微机械位移传感器，其特征在于，包括：

一个键合基板；

至少一个位移敏感体，所述位移敏感体由位移敏感体框体、敏感质量块以及回折梁构成，所述位移敏感体框体固定在键合基板上，所述敏感质量块置于位移敏感体框体内，通过回折梁与位移敏感体框体连接；所述敏感质量块由回折梁支撑，可沿垂直于键合基板表面的方向振动；

铁磁性薄膜，固定在所述敏感质量块的上表面，随敏感质量块沿垂直于键合基板表面的方向振动；

隧道磁敏电阻，所述隧道磁敏电阻设在键合基板的上表面，与敏感质量块上的铁磁性薄膜位置对应，所述隧道磁敏电阻通过电阻引出线与键合基板上设置的隧道磁敏电阻电极相连接；

所述位移敏感体框体上对称设置有四个相同尺寸的回折梁与所述敏感质量块连接；敏感质量块上对称分布有4个梁结构单元，其内部中心是一T形梁，T形梁的尾部与位移敏感体框体相连，T形梁的顶部两侧连接两条梁，所述两条梁与T形梁的竖直部分平行，T形梁通过所述两条梁与敏感质量块连接，T形梁与所述两条梁共同组成回折梁；敏感质量块的大小形状与位移敏感体框体的内框相配合。

2.根据权利要求1所述的单轴微机械位移传感器，其特征是所述的隧道磁敏电阻是排布在半导体材料衬底层上的、以绝缘层分隔的多层铁磁层构成的，具有隧道磁阻效应的电阻层。

3.根据权利要求2所述的单轴微机械位移传感器，其特征是所述的隧道磁敏电阻为方形结构。

4.根据权利要求3所述的单轴微机械位移传感器，其特征是在所述键合基板上固定有一个位移敏感体，所述位移敏感体置于所述键合基板的中心位置，且键合基板的面积大于位移敏感体面积。

5.根据权利要求4所述的单轴微机械位移传感器，其特征是所述的隧道磁敏电阻电极置于键合基板上露出位移敏感体的位置处。

6.根据权利要求5所述的单轴微机械位移传感器，其特征是所述敏感质量块的表面呈方形。

7.根据权利要求6所述的单轴微机械位移传感器，其特征是所述铁磁性薄膜置于位移敏感体的中心位置。