专利名称：Mems隧道磁阻高度压力传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于测量仪器仪表的应用领域，涉及一种MEMS隧道磁阻高度压力传感器。
背景技术：
压力传感器是工业实践中最常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。常用的压力传感器有电阻应变式压力传感器、半导体应变式压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器等。电阻应变式压力传感器在受力时产生的阻值变化较�。斐闪槊舳鹊停话氲继逵Ρ涫窖沽Υ衅饔捎谑芫�、杂质等因素的影响，灵敏度离散程度大，温度稳定性差并且在较大应变作用下非线性误差大，给使用带来一定困难；压阻式压力传感器是基于高掺杂硅的压阻效应实现的，高掺杂硅形成的压敏器件对温度有较强的依赖性，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；电感式压力传感器，体积比较大，很难实现微型化；电容式压力传感器精度的提高是利用增大电容面积来实现的，随着器件的微型化，其精度因有效电容面积减小而难以提高；谐振式压力传感器要求材料质量较高，加工工艺复杂，导致生产周期长，成本较高，另外，其输出频率与被测量往往是非线性关系，需进行线性化处理才能保证良好的精度。高度压力传感器是靠检测装置实现力电转换来完成测量的，其灵敏度、分辨率是十分重要的。目前的高度压力传感器由于微型化和集成化，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，从而限制了压力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。
发明内容为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种MEMS隧道磁阻高度压力传感器，基于隧道磁阻效应，隧道磁敏电阻在微弱的磁场变化下电阻值会产生剧烈的变化，常温下变化率达到200%，比硅压阻效应的变化率高2个数量级以上，而且温度特性好，线性度高，重复性好。MEMS隧道磁阻高度压力传感器适用于各种场合，能够通过MEMS方法加工生产，具有较高的灵敏度以用于精密测量。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种MEMS隧道磁阻高度压力传感器，包括键合基板I ;铁磁性薄膜承载体10，设置在键合基板I上方，上部分为弹性薄膜4，下部分为垫衬框体2，垫衬框体2四周与键合基板I相连接；铁磁性薄膜3，设置在铁磁性薄膜承载体10的弹性薄膜4下表面的中心位置；隧道磁敏电阻7，设置在键合基板I上表面中心位置，与铁磁性薄膜3的位置正对；保护罩5，固定在铁磁性薄膜承载体10的上方，保护罩5上表面的中间设置连通保护罩5的内腔19和外界的通孔形的接触孔6。较佳地，所述的铁磁性薄膜承载体10的X方向的长度小于键合基板I的X方向的长度，键合基板I相对于铁磁性薄膜承载体10有一个延伸区域。较佳地，所述的弹性薄膜4的中心区域的厚度大于周边区域的厚度，使得弹性薄膜4的四周受压力容易弯曲，而中心区域的刚度相对较大，保持不变形，只能平动。铁磁性薄膜3设置在弹性薄膜4中心区域的下表面，为隧道磁敏电阻7提供稳定的非均匀磁场。所述的垫衬框体2为中空框体结构，垫衬框体2下面与键合基板I相连，上面覆盖弹性薄膜4，三者形成一个“凹”字形的真空腔20。较佳地，所述的铁磁性薄膜3通过溅射法或分子束外延法设置在弹性薄膜4的下表面，所述的隧道磁敏电阻7通过溅射法或分子束外延法设置在键合基板I的上表面。较佳地，所述的铁磁性薄膜3为多层结构，可以是自上到下依次为二氧化硅层11、二氧化钛层12、钼层13、铁酸钴层14、铁酸铋层15。较佳地，所述隧道磁敏电阻7，通过隧道磁敏电阻引出线8与隧道磁敏电阻电极9相连，隧道磁敏电阻电极9设置在键合基板I的延伸区域的上表面。较佳地，所述隧道磁敏电阻7是在半导体材料衬底层上自上到下依次排布上铁磁层16、绝缘层17和下铁磁层18，整个隧道磁敏电阻7为多层纳米膜结构。本发明中，被测压力通过保护罩5上的接触孔6作用在铁磁性薄膜承载体10的弹性薄膜4上，当真空腔20与外界压力存在压差时，弹性薄膜4的周边区域就会发生Z向弯曲，而弹性薄膜4的中心区域刚度相对较大，保持不变形，只能在Z向平动，引起设置在其中心区域下表面的铁磁性薄膜3发生Z向移动，铁磁性薄膜3产生的磁场发生微弱变化，根据隧道磁阻效应，隧道磁敏电阻7的阻值会在微弱磁场变化下发生剧烈变化，电阻值变化影响输出到外电路的电流或电压变化，实现对被测压力的测量。本发明中，由于隧道磁敏电阻7的阻值在微弱的磁场变化下会发生剧烈变化，该变化可以将压力传感器的灵敏度提高1-2个数量级，因此MEMS隧道磁阻高度压力传感器对于微小变化的压力都会有明显的响应。
图1为发明实施例的整体结构的立体图。图2为发明实施例的俯视图。图3为发明实施例的整体结构的截面图。图4为发明实施例的压力敏感原理图。图5为发明实施例的隧道磁敏电阻与键合基板组合体的平面结构图。图6为发明实施例的铁磁性薄膜结构图。图7为发明实施例的隧道磁敏电阻结构图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，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原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。在本发明中，需要解释的是，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，仅是为了便于描述和简化描述本发明，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；可以是直接连接，也可以是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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。隧道磁阻效应基于电子的自旋效应，在磁性钉扎层和磁性自由层中间间隔有绝缘体或半导体的非磁层的磁性多层膜结构，由于在磁性钉扎层和磁性自由层之间的电流通过基于电子的隧穿效应，因此称这一多层膜结构称为磁性隧道结。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的作用下，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，因此称为隧道磁电阻效应。隧道磁敏电阻的电阻值随外加磁场值的变化而改变，并且这种改变对于氧化铝可达30 50%，对于氧化镁可达200%，因此其输出相当可观，灵敏度非常高。正是由于隧道磁敏电阻的这些优点，它逐渐渗透到传感器的行业方面和应用领域，为很多传感器应用领域提供了全新的技术方案。
以下结合附图对本发明的结构原理、工作原理作更详细的说明。如图1、2、3所示，根据本发明的一个实施例，MEMS隧道磁阻高度压力传感器，包括键合基板1、铁磁性薄膜3、保护罩5、隧道磁敏电阻7和铁磁性薄膜承载体10。具体而言，装置以键合基板I为载体；铁磁性薄膜承载体10设在键合基板I的上方，为“ η ”形结构，其四周与键合基板I相连接，铁磁性薄膜承载体 ο由两部分组成上部分为弹性薄膜4，下部分为垫衬框体2 ;铁磁性薄膜3设置在弹性薄膜4中间位置的下表面；隧道磁敏电阻7作为敏感部件，设置在键合基板I上表面的中心位置，与铁磁性薄膜3的位置正对；保护罩5，可以用硅材料制作，连接在铁磁性薄膜承载体10的上方，保护罩5的上表面中心位置设置有通孔形式的接触孔6，用来连通内腔19和外界。本发明实施例中，所述的铁磁性薄膜承载体10的X方向的长度小于键合基板I的X方向的长度，铁磁性薄膜承载体10的边界21位于键合基板I上表面内部。键合基板I相对于铁磁性薄膜承载体10有一个延伸区域。本发明实施例中，所述的弹性薄膜4的中心区域的厚度大于四周的厚度，所述的隧道磁敏电阻7位于键合基板I的中心位置。铁磁性薄膜3与隧道磁敏电阻7正对，铁磁性薄膜3的形状和面积根据隧道磁敏电阻7对磁场强度的强弱及分布需要情况而定。[0038]本发明实施例中，所述的垫衬框体2，为中空框体结构，其厚度由检测量程确定。垫衬框体2，下面与键合基板I相连，上面覆盖弹性薄膜4，三者形成一个“凹”字形的真空腔20。真空腔20的作用有两个，一是使外界与真空腔20存在压差，弹性薄膜4受压差作用周边区域发生形变，引起设置在弹性薄膜4中间位置的铁磁性薄膜3产生Z轴方向的位移；二是为铁磁性薄膜3的移动提供一个运动空间。如图4所示，根据本发明的一个实施例，外界的气体通过保护罩5上的接触孔6进入内腔19，当真空腔20与外界压力存在压差时，压差作用于弹性薄膜4上，使弹性薄膜4四周较薄区域发生Z向弯曲，而弹性薄膜4的中心区域由于刚度较大，保持不变形，只能在Z向平动，引起其中心区域下表面的铁磁性薄膜3相应的产生一个Z方向的微小位移，造成铁磁性薄膜3所产生的磁场发生微弱的变化，根据隧道磁阻效应，隧道磁敏电阻7的阻值会在微弱磁场变化下发生剧烈变化，从而影响输出到外电路的电流或电压变化，实现对被测压力的测量。隧道磁敏电阻7的阻值在磁场的微弱变化下发生剧烈的变化，该变化可将压力传感器的灵敏度提高1-2个数量级。如图5所示，根据本发明的一个实施例，隧道磁敏电阻7呈“·，，形，键合基板上表面I设有隧道磁敏电阻7、隧道磁敏电阻引出线8、隧道磁敏电阻电极9。隧道磁敏电阻7设在键合基板I的上表面的中心位置，隧道磁敏电阻电极9设在键合基板I的延伸区域的上表面。隧道磁敏电阻7通过隧道磁敏电阻引出线8与隧道磁敏电阻电极9相连。如图6所示，根据本发明的一个实施例，铁磁性薄膜3为多层结构。由此，可以更好地和隧道磁敏电阻7配合使用。优选地，铁磁性薄膜层可以包括弹性薄膜4的上表面向下依次为二氧化硅层11、二氧化钛层12、钼层13、铁酸钴层14和铁酸铋层15。需要说明的是，上述的铁磁性薄膜3可以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的新技术，在真空条件下，按晶体结构排列一层一层地生长在弹性薄膜上，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压力传感器的检测精度和灵敏度。如图7所示，根据本发明的一个实施例，隧道磁敏电阻8包括键合基板I向上依次排布的铁磁层16、绝缘层17、铁磁层18。需要说明的是，上述的隧道磁敏电阻7可以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键合基板I的上表面上，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压力传感器的检测精度和灵敏度。本发明的工作原理为被测压力通过保护罩5上的接触孔6作用于弹性薄膜4上，当真空腔20与外界压力存在压差时，压差作用于弹性薄膜4上，使弹性薄膜4四周较薄区域发生Z向弯曲，而弹性薄膜4的中心区域由于刚度较大，保持不变形，只能在Z向平动，引起其中心区域下表面的铁磁性薄膜3相应的发生一个Z方向的微小位移，造成铁磁性薄膜3所产生的磁场发生微弱的变化，根据隧道磁阻效应，隧道磁敏电阻7的阻值会在微弱磁场变化下发生剧烈变化，从而影响输出到外电路的电流或电压变化，实现对被测压力的测量。由于海拔与压力之间有一定的关系，通过测得的压力就可以得到海拔高度。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样的变化、修改、替换和变型，本发明的范围有权利要求及其等同物限定。
权利要求1.一种MEMS隧道磁阻高度压力传感器，其特征在于，包括键合基板(I);铁磁性薄膜承载体(10)，设置在键合基板(I)上方，上部分为弹性薄膜(4)，下部分为垫衬框体(2)，垫衬框体(2)四周与键合基板(I)相连接；铁磁性薄膜(3)，设置在铁磁性薄膜承载体(10)的弹性薄膜(4)下表面的中心位置；隧道磁敏电阻(7)，设置在键合基板(I)上表面中心位置，与铁磁性薄膜(3)的位置正对；保护罩(5)，固定在铁磁性薄膜承载体(10)的上方，保护罩(5)上表面的中间设置连通保护罩(5)的内腔(19)和外界的通孔形的接触孔(6)。
2.根据权利要求1所述的MEMS隧道磁阻高度压力传感器，其特性在于，所述铁磁性薄膜承载体(10)的X方向的长度小于键合基板(I)的X方向的长度，键合基板(I)相对于铁磁性薄膜承载体(10)有一个延伸区域。
3.根据权利要求1所述的MEMS隧道磁阻高度压力传感器，其特性在于，所述的弹性薄膜(4)中心区域的厚度大于四周的厚度。
4.根据权利要求1所述的MEMS隧道磁阻高度压力传感器，其特征在于，所述的垫衬框体(2)为中空框体结构，垫衬框体(2)下面与键合基板(I)相连，上面覆盖弹性薄膜(4)，三者形成一个“凹”字形的真空腔(20)。
5.根据权利要求1所述的MEMS隧道磁阻高度压力传感器，其特征在于，所述的铁磁性薄膜(3)为多层结构。
6.根据权利要求5所述的MEMS隧道磁阻高度压力传感器，其特征在于，所述多层结构是自上到下依次为二氧化硅层(11 )、二氧化钛层(12)、钼层(13)、铁酸钴层(14)、铁酸铋层(15)。
7.根据权利要求1所述的MEMS隧道磁阻高度压力传感器，其特征在于，所述隧道磁敏电阻(7)，通过隧道磁敏电阻引出线(8)与隧道磁敏电阻电极(9)相连。
8.根据权利要求7所述的MEMS隧道磁阻高度压力传感器，其特征在于，所述隧道磁敏电阻电极(9)设置在键合基板(I)的延伸区域的上表面。
9.根据权利要求1所述的MEMS隧道磁阻高度压力传感器，其特征在于，所述隧道磁敏电阻(7)是在半导体材料衬底层上自上到下依次排布上铁磁层(17)、绝缘层(18)和下铁磁层(19)，整个隧道磁敏电阻(7)为多层纳米膜结构。
专利摘要一种MEMS隧道磁阻高度压力传感器，包括键合基板、设置在键合基板上方的铁磁性薄膜承载体、设置在铁磁性薄膜承载体的弹性薄膜的下表面的中心位置的铁磁性薄膜、设置在键合基板上表面中心位置的与铁磁性薄膜正对的隧道磁敏电阻以及固定在铁磁性薄膜承载体上方的保护罩，保护罩上表面的中间设置连通保护罩的内腔和外界的接触孔，被测压力通过接触孔作用在铁磁性薄膜承载体的硅弹性薄膜上并使其发生Z向弯曲，从而带动铁磁性薄膜发生Z向移动，导致其产生的磁场发生微弱变化，引起隧道磁敏电阻阻值发生剧烈变化，电阻值变化影响到外电路的输出电流或电压变化，实现对被测压力的测量，由于海拔与压力之间有一定的关系，通过测得的压力就可以得到海拔高度。
文档编号G01L1/12GK202853817SQ20122054180
公开日2013年4月3日 申请日期2012年10月22日 优先权日2012年10月22日
发明者李孟委, 刘泽文, 刘双红, 孙剑文 申请人:清华大学, 中北大学
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