專利名稱：一種硅基巨磁阻效應(yīng)微加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微慣性導(dǎo)航技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域，具體而言，涉及ー種基于巨磁阻效應(yīng)的微機(jī)械加速度傳感器。
背景技術(shù)：
目前，微機(jī)械加速度傳感器常用的檢測方式是壓阻式、電容式、壓電式和隧道效應(yīng)式等，壓阻式是基于高摻雜硅的壓阻效應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)的，高摻雜硅形成的壓敏器件對溫度有較強(qiáng)的依賴性，其由壓敏器件組成的電橋檢測電路也會因溫度變化引起靈敏度漂移；電容式精度的提高是利用增大電容面積，由于器件的微小型化，其精度因有效電容面積的縮小而難以提高。壓電效應(yīng)納傳感器的靈敏度易漂移，需要經(jīng)常校正，歸零慢，不宣連續(xù)測試。隧道效應(yīng)納傳感器，制造エ藝復(fù)雜，檢測電路也相對較難實(shí)現(xiàn)，成品率低，不利于集成。 微機(jī)械加速度傳感器對角速度的測量是靠檢測裝置實(shí)現(xiàn)カ電轉(zhuǎn)換來完成的，其靈敏度、分辨率是十分重要的，由于加速度傳感器微型化和集成化，檢測的敏感區(qū)域隨之減小，故而使檢測的靈敏度、分辨率等指標(biāo)已達(dá)到敏感區(qū)域檢測的極限狀態(tài)，從而限制了加速度傳感器檢測精度的進(jìn)ー步提高，很難滿足現(xiàn)代軍事、民用裝備的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明g在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。有鑒于此，本發(fā)明需要提供微機(jī)械加速度傳感器，該微機(jī)械加速度傳感器為基于巨磁阻效應(yīng)的微機(jī)械加速度傳感器，至少可以提高微機(jī)械加速度傳感器的檢測精度。本發(fā)明提供了ー種微機(jī)械加速度傳感器，包括鍵合基板；鐵磁性薄膜，鐵磁性薄膜設(shè)在鍵合基板底槽的中心位置。加速度敏感體，所述的加速度敏感體設(shè)在所述的鍵合基板上方并與鍵合基板連接，且加速度敏感體包括敏感質(zhì)量塊，對應(yīng)設(shè)在底槽上方；巨磁敏電阻，設(shè)在敏感質(zhì)量塊上表面，作為敏感部件，且巨磁敏電阻與鐵磁性薄膜位置對應(yīng)；支撐框體，通過懸臂梁與敏感質(zhì)量塊相連接，對敏感質(zhì)量塊起到支撐作用。巨磁敏電阻層可隨敏感質(zhì)量塊沿垂直于所述鐵磁性薄膜上表面的方向振動。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的微機(jī)械加速度傳感器，采用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，適合器件的微型化。敏感質(zhì)量塊上表面設(shè)有巨磁敏電阻，其正對于鍵合基板上底槽中相應(yīng)區(qū)域制作的鐵磁性薄膜。在微弱的磁場變化下巨磁敏電阻的阻值會發(fā)生劇烈變化，該變化可以將微機(jī)械加速度傳感器的靈敏度提高1-2個(gè)數(shù)量級。本設(shè)計(jì)的另ー特點(diǎn)由于此處鐵磁性薄膜作用是為巨磁敏電阻提供穩(wěn)定的非均勻磁場，因此，在鐵磁性薄膜產(chǎn)生磁場效果不佳或穩(wěn)定性不易控制的情況下可以考慮利用外置永磁體對鐵磁性薄膜加以代替。除以上特點(diǎn)外，該加速度敏感體的檢測電路設(shè)計(jì)簡單、使用方便、可靠性好，適合微型化。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述的鍵合基板為正方形結(jié)構(gòu)，鍵合基板上表面的中心位置設(shè)有供敏感質(zhì)量塊運(yùn)動的底槽。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述的鐵磁性薄膜為在半導(dǎo)體材料襯底層上依次排布的多層磁性材料納米膜結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述加速度敏感體進(jìn)ー步包括敏感質(zhì)量塊，對應(yīng)設(shè)在鍵合基板底槽的上方；巨磁敏電阻，設(shè)在敏感質(zhì)量塊上表面，作為敏感部件，且巨磁敏電阻與鐵磁性薄膜位置對應(yīng)；支撐框體，通過懸臂梁與敏感質(zhì)量塊相連接，對敏感質(zhì)量塊起到支撐作用。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述的敏感質(zhì)量塊為正方形，且內(nèi)嵌在鍵合基板上的底槽中，并可在此底槽中上、下運(yùn)動；所述的敏感質(zhì)量塊四周分別通過懸臂梁與支撐框體相連接；所述的敏感質(zhì)量塊的上表面制作有兩根巨磁敏電阻，作為敏感機(jī)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述的懸臂梁長方體結(jié)構(gòu)，與敏感質(zhì)量塊和支撐框體為一整體結(jié)構(gòu)，且其寬度遠(yuǎn)大于厚度，保證上下方向剛度遠(yuǎn)大于水平方向。 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述的巨磁敏電阻為在襯底層上依次排布的巨磁敏材料納米薄膜層。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述的巨磁敏電阻設(shè)在敏感質(zhì)量塊的上表面，呈《UU，，形，兩根巨磁敏電阻交叉吻合，通過巨磁敏電阻引出線引出，經(jīng)懸臂梁與巨磁敏電阻電極相連接。本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。


本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖I為本發(fā)明實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)的俯視圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例的加速度敏感體的立體結(jié)構(gòu)圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例的鍵合基板整體結(jié)構(gòu)圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例的鍵合基板俯視圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例的鐵磁性薄膜結(jié)構(gòu)圖；圖7為本發(fā)明實(shí)施例的巨磁敏電阻結(jié)構(gòu)圖；圖中所示，附圖標(biāo)記清單如下I、敏感質(zhì)量塊，2、巨磁敏電阻，3、巨磁敏電阻引出線，4、巨磁敏電阻電極，5、鐵磁性薄膜，6、鍵合基板，7、底槽，8、支撐框體，9、懸臂梁，10、襯底，11、絕緣層，12、多層巨磁敏材料納米薄膜層，13、加速度敏感體，14、鉭層，15、鎳鐵層，16、銅層，17、鈷層，18、鐵錳層，19、鉭層，20、ニ氧化硅層，21、ニ氧化鈦層，22、鉬層，23、鐵酸鈷層，24、鐵酸鉍層
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。巨磁阻效應(yīng)是ー種量子力學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)現(xiàn)象，是磁阻效應(yīng)的ー種，可以在磁性材料和非磁性材料相間的納米薄膜層結(jié)構(gòu)中觀察到。這種結(jié)構(gòu)物質(zhì)的電阻值與鐵磁性材料薄膜層的磁化方向有夫，兩層磁性材料磁化方向相反情況下的電阻值，明顯大于磁化方向相同時(shí)的電阻值，電阻在很弱的外加磁場下具有很大的變化量。將巨磁阻效應(yīng)和陀螺哥氏效應(yīng)相結(jié)合，并應(yīng)用于微機(jī)械加速度傳感器的檢測方面，可以提高微機(jī)械加速度傳感器的檢測精度。 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)ー步說明如圖1-2所示，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的微機(jī)械加速度傳感器，包括鍵合基板6，鐵磁性薄膜5和加速度敏感體13。具體而言，可以以鍵合基板6為載體，例如，鍵合基板6可以由半導(dǎo)體材料制成，鍵合基板6中心位置設(shè)有為敏感質(zhì)量塊I提供運(yùn)動空間的底槽7 ;底槽7中心位置設(shè)有用以提供非均勻磁場的鐵磁性薄膜5。加速度敏感體13可以設(shè)在鍵合基板6之上并與鍵合基板6連接，且加速度敏感體13可以包括敏感質(zhì)量塊I，對應(yīng)設(shè)在底槽7上方。敏感質(zhì)量塊I上表面制作有巨磁敏電阻2，作為敏感部件，且巨磁敏電阻2與鐵磁性薄膜5位置對應(yīng)。巨磁敏電阻2可隨敏感質(zhì)量塊I沿垂直于所述鐵磁性薄膜5上表面的方向振動。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的微機(jī)械加速度傳感器，采用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，適合器件的微型化。敏感質(zhì)量塊I上表面制作有巨磁敏電阻2,其正對于鍵和基板6上表面的鐵磁性薄膜5，在微弱的磁場變化下巨磁敏電阻2的阻值會發(fā)生劇烈變化，該變化可將微機(jī)械加速度傳感器的靈敏度提高1-2個(gè)數(shù)量級，此裝置的檢測電路設(shè)計(jì)簡單、使用方便、可靠性好，適合微型化。如圖3所示，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，加速度敏感體13進(jìn)ー步包括敏感質(zhì)量塊
I、巨磁敏電阻2、巨磁敏電阻引出線3、巨磁敏電阻電極4、支撐框體8、懸臂梁9。具體而言，敏感質(zhì)量塊I可以通過四根懸臂梁9分別將敏感質(zhì)量塊I的四邊與支撐框體8相連接；巨磁敏電阻2為兩根，可以設(shè)置在敏感質(zhì)量塊I上表面的中間位置，且巨磁敏電阻2呈《1Π]，，形，二者結(jié)構(gòu)相同交叉吻合分布，且整體正對于鍵合基板6上表面制作的鐵磁性薄膜層5 ;巨磁敏電阻引出線3將巨磁敏電阻2引出，末端經(jīng)由懸臂梁9與支撐框體8上表面的巨磁敏電阻電極4相連接；懸臂梁9的寬度遠(yuǎn)大于其厚度，以保證懸臂梁在Z軸方向上的剛度遠(yuǎn)小于在X、Y方向的剛度，減小橫向干擾。如圖4-5所示，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，鍵合基板6為正方形，上表面設(shè)有供敏感質(zhì)量塊運(yùn)動的底槽7 ;底槽7的中心位置設(shè)有提供非均勻磁場的鐵磁性薄膜5 ;鐵磁性薄膜的大小、形狀、厚度可以根據(jù)加速度敏感體的巨磁敏電阻2對磁場強(qiáng)度的強(qiáng)弱及分布需要情況而定。如圖6所示，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，巨磁敏電阻2包括在半導(dǎo)體材料襯底層10(敏感質(zhì)量塊I的上表面)上依次排布的絕緣層11和多層巨磁敏材料納米薄膜層12。優(yōu)選地，絕緣層11可以用ニ氧化硅材料制作，多層巨磁敏材料納米薄膜層12可以包括在在絕緣層11上依次排布的鉭層14、鎳鐵層15、銅層16、鈷層17、鐵錳層18和鉭層19。需要說明的是，上述的巨磁敏電阻2可以采用通過分子束外延設(shè)計(jì)制作，分子束外延是ー種在半導(dǎo)體晶片上生長高質(zhì)量的晶體薄膜，在真空條件下，按晶體結(jié)構(gòu)排列一層ー層的生長在半導(dǎo)體材料襯底層10上，并形成納米級膜層，逐層淀積，在沉積過程中，需要嚴(yán)格控制成膜的質(zhì)量、厚度，以避免成膜的質(zhì)量和厚度影響微機(jī)械加速度傳感器的檢測精度和靈敏度。另外，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，鐵磁性薄膜層5可以為多層結(jié)構(gòu)。由此，可以更好地和巨磁敏電阻2配合使用。優(yōu)選地，鐵磁性薄膜層5可以包括在鍵合基板6的上表面 依次排布的ニ氧化硅層20、ニ氧化鈦層21、鉬層22、鐵酸鈷層23和鐵酸鉍層24。需要說明的是，上述的鐵磁性薄膜層5可以采用通過分子束外延設(shè)計(jì)制作的，分子束外延是ー種在半導(dǎo)體晶片上生長高質(zhì)量的晶體薄膜，在真空條件下，按晶體結(jié)構(gòu)排列一層ー層地生長在鍵合基板6上，并形成納米級膜層，逐層淀積，在沉積過程中，需要嚴(yán)格控制成膜的質(zhì)量、厚度，以避免成膜的質(zhì)量和厚度影響微機(jī)械加速度傳感器的檢測精度和靈敏度。另外，由于此處鐵磁性薄膜5作用是為巨磁敏電阻2提供穩(wěn)定的非均勻磁場，因此，在鐵磁性薄膜5產(chǎn)生磁場效果不佳或穩(wěn)定性不易控制的情況下可以考慮利用外置永磁體對鐵磁性薄膜5加以代替。當(dāng)加速度傳感器在Z軸方向有加速度時(shí)，敏感質(zhì)量塊I會在慣性作用下，偏離平衡位置，沿Z軸方向振動。因間距發(fā)生變化，由鍵合基板6上表面的鐵磁性薄膜層5產(chǎn)生的磁場在敏感質(zhì)量塊I上巨磁敏電阻2位置處的強(qiáng)度會増大或減小。磁場強(qiáng)度的變化引起巨磁阻效應(yīng)使巨磁敏電阻2的阻值發(fā)生劇烈的變化。這樣就可把ー個(gè)微弱的加速度信號轉(zhuǎn)化為一個(gè)較強(qiáng)的電學(xué)信號，通過對該信號的處理就可以檢測出Z軸方向輸入加速度的大小。在本說明書的描述中，參考術(shù)語“ー個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示意性實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“ー些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少ー個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，在不脫離本發(fā)明的原理和宗g的情況下可以對這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。
權(quán)利要求
1.一種微機(jī)械加速度傳感器，其特性在于，包括 鍵合基板，鍵合基板上制作有供敏感質(zhì)量塊運(yùn)動提供空間的底槽； 鐵磁性薄膜，鐵磁性薄膜設(shè)鍵合基板底槽的中心位置； 加速度敏感體，所述的加速度敏感體設(shè)在所述的鍵合基板上方，并且與鍵合基板粘結(jié)牢固，且加速度敏感體包括敏感質(zhì)量塊，對應(yīng)設(shè)在底槽上方；巨磁敏電阻，設(shè)在敏感質(zhì)量塊上表面，且巨磁敏電阻與鐵磁性薄膜位置對應(yīng)；支撐框體，通過懸臂梁與敏感質(zhì)量塊連接，對敏感質(zhì)量塊起支撐作用，巨磁敏電阻可隨敏感質(zhì)量塊沿垂直于所述鐵磁性薄膜上表面的方向振動。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微機(jī)械加速度傳感器，其特征在于，所述的墊襯框體為矩形 中空框體；墊襯框體下面與鍵合基板鍵和連接并且共同形成底槽。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微機(jī)械加速度傳感器，其特征在于，所述的鐵磁性薄膜為多層結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微機(jī)械加速度傳感器，其特征在于，鐵磁性薄膜層包括在鍵合基板的上表面依次排布的二氧化娃層、二氧化鈦層、鉬層、鐵酸鈷層和鐵酸秘層。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微機(jī)械加速度傳感器，其特征在于， 敏感質(zhì)量塊，所述的敏感質(zhì)量塊表面設(shè)有巨磁敏電阻、巨磁敏電阻引出線； 懸臂梁，所述的懸臂梁用于連接支撐框體和敏感質(zhì)量塊，其中前后對稱的兩根懸臂梁上表面設(shè)有巨磁敏電阻引出線，用以連接巨磁敏電阻及其電極； 支撐框體，所述的支撐框體設(shè)在鍵合基板上方，并與鍵合基板粘結(jié)牢固；同時(shí)，支撐框體通過懸臂梁與敏感質(zhì)量塊相連接，對敏感質(zhì)量塊起到支撐作用；支撐框體與設(shè)有巨磁敏電阻引出線的懸臂梁連接部位的上表面制作有巨磁敏電阻電極(包括正極和負(fù)極)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微機(jī)械加速度傳感器，其特征在于，所述敏感質(zhì)量塊上表面的巨磁敏電阻通過巨磁敏電阻引出線經(jīng)懸臂梁與巨磁敏電阻電極相連；支撐框體與懸臂梁相連接部位的上表面設(shè)有巨磁敏電阻正極和巨磁敏電阻負(fù)極。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微機(jī)械加速度傳感器，其特征在于，所述的敏感質(zhì)量塊為正方形，且內(nèi)嵌在鍵合基板的底槽中，并可在此底槽中上、下運(yùn)動；所述的敏感質(zhì)量塊前、后、左、右對稱位置分別通過懸臂梁與支撐框體相連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微機(jī)械加速度傳感器，其特征在于，所述的巨磁敏電阻指利用 多層膜結(jié)構(gòu)制作具有巨磁阻效應(yīng)的電阻層，包括在半導(dǎo)體材料襯底層上依次排布的絕緣層和多層巨磁敏材料納米薄膜層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的微機(jī)械加速度傳感器，其特征在于，巨磁敏材料納米薄膜層包括在絕緣層上依次排布的鉭層、鎳鐵層、銅層、鈷層、鐵錳層和鉭層。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微機(jī)械加速度傳感器，其特征在于，懸臂梁厚度比敏感質(zhì)量塊厚度薄，且遠(yuǎn)小于懸臂梁的寬度以此減小橫向干擾。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種巨磁阻效應(yīng)微加速度傳感器，主要結(jié)構(gòu)包括鍵合基板；鐵磁性薄膜，鐵磁性薄膜設(shè)在鍵合基板上的矩形凹槽，即底槽中；和加速度敏感體，加速度敏感體設(shè)在鍵合基板上方并與鍵合基板相連接，且加速度敏感體包括對應(yīng)設(shè)在底槽上方的敏感質(zhì)量塊；敏感質(zhì)量塊上表面設(shè)有巨磁敏電阻且巨磁敏電阻與鐵磁性薄膜位置對應(yīng)；敏感質(zhì)量塊四周的懸臂梁，以及懸臂梁外側(cè)的支撐框體。巨磁敏電阻層可隨敏感質(zhì)量塊沿垂直于所述鐵磁性薄膜上表面的方向振動。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的微機(jī)械加速度傳感器采用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)合理，檢測電路簡單，使用方便、可靠性好、適合微型化。
文檔編號G01P15/105GK102854339SQ20121033051
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月7日
發(fā)明者王莉, 鄭倫貴, 李錫廣, 李孟委, 劉俊, 崔敏 申請人:中北大學(xué)