CN110261640B - 一种基于隧道磁阻效应的mems微流速传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器主要包括圆柱型硅毛发体、第一隧道磁阻传感器、第二隧道磁阻传感器、绝缘层和底层基座组成；其中，绝缘层位于底层基座的正上方，圆柱型硅毛发体安装在绝缘层的中心位置，第一隧道磁阻传感器和第二隧道磁阻传感器安装在绝缘层的两侧并关于圆柱型硅毛发体对称分布，圆柱型硅毛发体的顶部包含刻蚀的电磁激励线圈用于产生磁场。采用高灵敏度的隧道磁阻效应进行流速信号检测，具有饱和磁场低、工作磁场小、灵敏度高、温度系数小、测量带宽大等优点，同时提出的基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器具有结构简单、体积小、灵敏度高、测量精度高等优点。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统(MEMS)和微惯性器件测量领域，具体涉及到一种基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器。
背景技术
基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器是指基于隧道磁阻效应的一种新型微流速传感器。隧道磁阻效应主要是指两层铁磁金属和中间绝缘层构成的磁性隧道结中，如果两层铁磁金属极化方向平行或者隧道间隙变小，那么电子隧穿过绝缘层的可能性会变大，磁性隧道结宏观表现为电阻极小；如果极化方向反平行或者隧道间隙变大，那么电子隧穿过绝缘层的可能性较小，磁性隧道结宏观表现为电阻极大。因此利用输入流速引起的极化方向变化或者隧道间隙变化，通过测量其导致的电阻变化就可以测量输入流速大小。
发明内容
发明目的：为探索隧道磁阻传感器的新型应用领域，以及现有微流速传感器的检测方式存在灵敏度低、检测电路复杂等缺点，针对以上问题，本发明提出一种基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器主要包括圆柱型硅毛发体(2)、第一隧道磁阻传感器(4)、第二隧道磁阻传感器(5)、绝缘层(6)和底层基座(7)组成；其中，绝缘层(6)位于底层基座(7)的正上方，圆柱型硅毛发体(2)安装在绝缘层(6)的中心位置，第一隧道磁阻传感器(4)和第二隧道磁阻传感器(5)安装在绝缘层(6)的两侧并关于圆柱型硅毛发体(2)对称分布，圆柱型硅毛发体(2)的顶部包含刻蚀的电磁激励线圈(3)用于产生磁场；当沿着水平方向有流速(1)输入时，圆柱型硅毛发体(2)产生偏移，使得第一隧道磁阻传感器(4)和第二隧道磁阻传感器(5)周围的磁场分布失衡，因此，通过对圆柱型硅毛发体(2)两侧第一隧道磁阻传感器(4)和第二隧道磁阻传感器(5)输出电压的测量可以实现流速信号的测量。
从基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器的俯视图，第一隧道磁阻传感器(4)和第二隧道磁阻传感器(5)由矩形块以“蛇形”结构串联而成，位于绝缘层(6)左右中心线AB两侧对称分布，且第一隧道磁阻传感器(4)和第二隧道磁阻传感器(5)位于绝缘层(6)前后中心线CD上对称分布；电磁激励线圈(3)由矩形块以“环形”结构串联而成，位于绝缘层(6)左右中心线AB，且左右对称分布，同时电磁激励线圈(3)位于前后中心线CD上，且前后对称分布；第一隧道磁阻传感器(4)和第二隧道磁阻传感器(5)位于电磁激励线圈(3)的左右两侧，且第一隧道磁阻传感器(4)和第二隧道磁阻传感器(5)距离电磁激励线圈(3)左右的距离相等，且对称分布。
从隧道磁阻传感器的结构图，第一隧道磁阻传感器(4)和第二隧道磁阻传感器(5)均由六层结构叠加而成，从上至下分别为顶层电极(8)、自由层(9)、隧道势垒层(10)、铁磁层(11)、反铁磁层(12)、底层电极；其中，铁磁层(11)的磁场极化方向(15)由铁磁层(11)和反铁磁层(12)的相互作用预先设定，自由层(9)的磁场极化方向(14)由外界电磁激励线圈(3)产生的磁场决定。
从基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器底层结构电极引线图，第一隧道磁阻传感器(4)的两端电极(16、17)通过电极引线由第一、二电极(22、23)引出，其中第一隧道磁阻传感器(4)的前端电极(16)与第一电极引线(22)相连接，第一隧道磁阻传感器(4)的后端电极(17)与第二电极引线(17)相连接；第二隧道磁阻传感器(5)的两端电极(18、19)通过电极引线由第三、四电极(24、25)引出，其中第二隧道磁阻传感器(5)的前端电极(17)与第三电极(24)相连接，第二隧道磁阻传感器(5)的前端电极(18)与第四电极(25)相连接；电磁激励线圈(3)的两端电极(20、21)通过电极引线又第五、六电极(26、27)引出，其中电磁激励线圈(3)的前端电极(20)与第五电极(26)相连接，电磁激励线圈(3)的前端电极(21)与第五电极(27)相连接。
本发明提出一种所述从基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器的简化工艺流程，对于上层硅结构部分的加工由三部分组成，抛光硅片(28)并通过掩膜版在硅片(28)上刻蚀台阶，然后通过电镀Cu工艺在硅片(28)非镂空实体的顶部电镀Cu引线生成电磁激励线圈(3)；对于底层结构，首先在玻璃基板(29)刻蚀玻璃凹槽并溅射Au电极(30，301,302)，Au电极(301,302)在Au电极(30)的两侧并关于Au电极(30)对称分布；其次在Au电极(301和302)的上方沉积复合层制作隧道磁阻传感器(4、5)，并在隧道磁阻传感器(4、5)的正上方溅射Au电极(31)，Au电极(301、31)作为隧道磁阻传感器(4)的引出电极，Au电极(302、31)作为隧道磁阻传感器(5)的引出电极；在上层硅结构和底层结构加工完成之后，通过玻璃-硅阳极键合的工艺在Au电极(30)的正上方实现上层硅结构和底层结构的键合，最后通过腐蚀工艺对硅结构进行释放，去除上层硅结构的镂空部分，生成圆柱型硅毛发体(2)，将键合后的上下层结构安装在底层基座(7)上，从而实现基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器的制作。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
(1)采用高灵敏度的隧道磁阻效应进行流速信号检测，具有饱和磁场低、工作磁场小、灵敏度高、温度系数小、测量带宽大等优点。
(2)本发明利用电磁激励线圈产生外界磁场，具有磁场强度可控、灵敏度可调等优点。
(3)本发明提出的基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器具有结构简单、体积小、灵敏度高、测量精度高等优点。
附图说明
图1基于隧道磁阻效应的MEMS微流速计传感器整体框图；
图2基于隧道磁阻效应的MEMS微流速计传感器俯视图；
图3隧道磁阻传感器结构图；
图4基于隧道磁阻效应的MEMS微流速计传感器电极布置图；
图5基于隧道磁阻效应的MEMS微流速计传感器制作流程简化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器主要包括圆柱型硅毛发体(2)、第一隧道磁阻传感器(4)、第二隧道磁阻传感器(5)、绝缘层(6)和底层基座(7)组成；其中，绝缘层(6)位于底层基座(7)的正上方，圆柱型硅毛发体(2)安装在绝缘层(6)的中心位置，第一隧道磁阻传感器(4)和第二隧道磁阻传感器(5)安装在绝缘层(6)的两侧并关于圆柱型硅毛发体(2)对称分布，圆柱型硅毛发体(2)的顶部包含刻蚀的电磁激励线圈(3)用于产生磁场；当沿着水平方向有流速(1)输入时，圆柱型硅毛发体(2)产生偏移，使得第一隧道磁阻传感器(4)和第二隧道磁阻传感器(5)周围的磁场分布失衡，因此，通过对圆柱型硅毛发体(2)两侧第一隧道磁阻传感器(4)和第二隧道磁阻传感器(5)输出电压的测量可以实现流速信号的测量。
如图2所示，从基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器的俯视图，第一隧道磁阻传感器(4)和第二隧道磁阻传感器(5)由矩形块以“蛇形”结构串联而成，位于绝缘层(6)左右中心线AB两侧对称分布，且第一隧道磁阻传感器(4)和第二隧道磁阻传感器(5)位于绝缘层(6)前后中心线CD上对称分布；电磁激励线圈(3)由矩形块以“环形”结构串联而成，位于绝缘层(6)左右中心线AB，且左右对称分布，同时电磁激励线圈(3)位于前后中心线CD上，且前后对称分布；第一隧道磁阻传感器(4)和第二隧道磁阻传感器(5)位于电磁激励线圈(3)的左右两侧，且第一隧道磁阻传感器(4)和第二隧道磁阻传感器(5)距离电磁激励线圈(3)左右的距离相等，且对称分布。
如图3所示，从隧道磁阻传感器的结构图，第一隧道磁阻传感器(4)和第二隧道磁阻传感器(5)均由六层结构叠加而成，从上至下分别为顶层电极(8)、自由层(9)、隧道势垒层(10)、铁磁层(11)、反铁磁层(12)、底层电极；其中，铁磁层(11)的磁场极化方向(15)由铁磁层(11)和反铁磁层(12)的相互作用预先设定，自由层(9)的磁场极化方向(14)由外界电磁激励线圈(3)产生的磁场决定。
如图4所示，从基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器底层结构电极引线图，第一隧道磁阻传感器(4)的两端电极(16、17)通过电极引线由第一、二电极(22、23)引出，其中第一隧道磁阻传感器(4)的前端电极(16)与第一电极引线(22)相连接，第一隧道磁阻传感器(4)的后端电极(17)与第二电极引线(17)相连接；第二隧道磁阻传感器(5)的两端电极(18、19)通过电极引线由第三、四电极(24、25)引出，其中第二隧道磁阻传感器(5)的前端电极(17)与第三电极(24)相连接，第二隧道磁阻传感器(5)的前端电极(18)与第四电极(25)相连接；电磁激励线圈(3)的两端电极(20、21)通过电极引线又第五、六电极(26、27)引出，其中电磁激励线圈(3)的前端电极(20)与第五电极(26)相连接，电磁激励线圈(3)的前端电极(21)与第五电极(27)相连接。
如图5所示，从基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器的简化工艺流程，基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器的具体加工流程如下：
如图5-(A)所示，对于基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器的上层硅结构部分，进行硅片(28)的双面抛光。
如图5-(B)所示，通过基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器的掩膜版图形，对硅片(28)进行刻蚀，形成刻蚀台阶。
如图5-(C)所示，通过电镀Cu工艺在硅片(28)非镂空实体的顶部电镀一层铜线圈，生成电磁激励线圈(3)。
如图5-(D)所示，对于基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器的底层结构，首先在玻璃基板(29)上刻蚀玻璃凹槽并溅射Au电极(30，301,302)，Au电极(301,302)在Au电极(30)的两侧并关于Au电极(30)对称分布。
如图5-(E)所示，在Au电极(301和302)的上方沉积复合层制作隧道磁阻传感器(4、5)。
如图5-(F)所示，在隧道磁阻传感器(4、5)的正上方溅射Au电极(31)，Au电极(301、31)作为隧道磁阻传感器(4)的引出电极，Au电极(302、31)作为隧道磁阻传感器(5)的引出电极；
如图5-(G)所示，在基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器的上层硅结构和底层结构加工完成之后，通过玻璃-硅阳极键合的工艺实现上层硅结构和底层结构的键合。
如图5-(H)所示，对于键合后的基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器整体结构，通过腐蚀工艺对上层硅结构部分进行释放，去除上层硅结构的镂空部分，生成圆柱型硅毛发体(2)，从而实现基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器的制作。
Claims (3)
1.一种基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器的制作方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)对于上层结构部分，抛光硅片(28)并通过掩膜版在硅片(28)上刻蚀台阶，然后通过电镀Cu工艺在硅片(28)非镂空实体的顶部电镀Cu引线生成电磁激励线圈(3)；
(2)对于底层结构部分，首先在玻璃基板(29)刻蚀玻璃凹槽并溅射第一Au电极(30)，第二Au电极(301),第三Au电极(302)；并且，第二Au电极(301),第三Au电极(302)在第一Au电极(30)的两侧，关于第一Au电极(30)对称分布；
其次在第二Au电极(301),第三Au电极(302)的上方沉积复合层制作第一隧道磁阻传感器(4)、第二隧道磁阻传感器(5)，并在第一隧道磁阻传感器(4)、第二隧道磁阻传感器(5)的正上方溅射第四Au电极(31)，第二Au电极(301)和第四Au电极(31)作为第一隧道磁阻传感器(4)的引出电极，第三Au电极(302)和第四Au电极(31)作为第二隧道磁阻传感器(5)的引出电极；而且玻璃基板(29)作为绝缘层(6)；
(3)在上层硅结构和底层结构加工完成之后，通过玻璃-硅阳极键合的工艺在第一Au电极(30)的正上方实现上层硅结构和底层结构的键合；
(4)通过腐蚀工艺对硅结构进行释放，去除上层硅结构的镂空部分，生成圆柱型硅毛发体(2)，将键合后的上下层结构安装在底层基座(7)上以实现基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器的制作；
所述制作的基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器包括圆柱型硅毛发体(2)第一隧道磁阻传感器(4)、第二隧道磁阻传感器(5)、绝缘层(6)和底层基座(7)；其中，绝缘层(6)位于底层基座(7)的正上方，圆柱型硅毛发体(2)垂直安装在绝缘层(6)的中心位置，第一隧道磁阻传感器(4)和第二隧道磁阻传感器(5)安装在绝缘层(6)的两侧并关于圆柱型硅毛发体(2)对称分布，圆柱型硅毛发体(2)的顶部包含刻蚀的电磁激励线圈(3)用于产生磁场；当沿着水平方向有流速(1)输入时，圆柱型硅毛发体(2)产生偏移，使得第一隧道磁阻传感器(4)和第二隧道磁阻传感器(5)周围的磁场分布失衡，通过对圆柱型硅毛发体(2)两侧第一隧道磁阻传感器(4)和第二隧道磁阻传感器(5)输出电压的测量以实现流速信号的测量；
所述第一隧道磁阻传感器(4)和第二隧道磁阻传感器(5)由矩形块以“蛇形”结构串联而成，位于绝缘层(6)左右中心线AB两侧对称分布，且第一隧道磁阻传感器(4)和第二隧道磁阻传感器(5)位于绝缘层(6)前后中心线CD上对称分布；电磁激励线圈(3)由矩形块以“环形”结构串联而成，位于绝缘层(6)左右中心线AB上，且左右对称分布，同时电磁激励线圈(3)位于前后中心线CD上，且前后对称分布；第一隧道磁阻传感器(4)和第二隧道磁阻传感器(5)位于电磁激励线圈(3)的左右两侧，且第一隧道磁阻传感器(4)和第二隧道磁阻传感器(5)距离电磁激励线圈(3)左右的距离相等，且对称分布。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一隧道磁阻传感器(4)和第二隧道磁阻传感器(5)均由六层结构叠加而成，从上至下分别为顶层电极(8)、自由层(9)、隧道势垒层(10)、铁磁层(11)、反铁磁层(12)、底层电极(13)；其中，铁磁层(11)的磁场极化方向(15)由铁磁层(11)和反铁磁层(12)的相互作用预先设定，自由层(9)的磁场极化方向(14)由外界电磁激励线圈(3)产生的磁场决定。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一隧道磁阻传感器(4)的两端电极通过电极引线由第一电极(22)、第二电极(23)引出，其中，第一隧道磁阻传感器(4)的顶层电极(8)与第一电极(22)相连接，第一隧道磁阻传感器(4)的底层电极(13)与第二电极(23)相连接；
第二隧道磁阻传感器(5)的两端电极通过电极引线由第三电极(24)、第四电极(25)引出，其中，第二隧道磁阻传感器(5)的顶层电极(8)与第三电极(24)相连接，第二隧道磁阻传感器(5)的底层电极(13)与第四电极(25)相连接；
电磁激励线圈(3)的两端电极通过电极引线由第五电极(26)、第六电极(27)引出，其中，电磁激励线圈(3)的前端电极(20)与第五电极(26)相连接，电磁激励线圈(3)的后端电极(21)与第六电极(27)相连接。
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2019
- 2019-06-27 CN CN201910565537.5A patent/CN110261640B/zh active Active
Patent Citations (5)
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