CN111007442A - 一种提高低频磁场分辨率的mems谐振式磁阻传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种提高低频磁场分辨率的MEMS谐振式磁阻传感器，所述传感器包括：磁隧道结、位于所述磁隧道结两侧的两个梳齿驱动谐振器、分别位于所述两个梳齿驱动谐振器上的两个磁通汇聚器、设置于所述磁隧道结上方的压电悬臂梁、位于所述压电悬臂梁上的磁性薄膜；所述磁性薄膜位于所述磁隧道结正上方，所述两个磁通汇聚器为以磁隧道结为中心对称设置，所述磁通汇聚器的纵向长度随着远离所述磁隧道结而逐渐增大；所述压电悬臂梁用于带动所述磁性薄膜在竖直方向上做谐振运动，所述梳齿驱动谐振器用于使所述磁通汇聚器在水平方向上做谐振运动。提高了调制效率和分辨率。

Description

一种提高低频磁场分辨率的MEMS谐振式磁阻传感器
技术领域
本发明涉及存储器设计和MEMS传感器设计领域，具体涉及一种提高低频磁场分辨率的MEMS谐振式磁阻传感器。
背景技术
随着自旋电子学的快速发展，各种磁阻效应的发现，出现了一批新型的巨磁阻效应器件。磁隧道结(Magnetic tunnel junction，MTJ)是目前使用较多的磁敏感器件，其电阻随着外部磁场在一定范围内呈线性变化，可以通过测量MTJ两端的电压测量磁场。2006年，日本的Yuasa团队在室温下成功研制出磁阻为410％的MTJ，其能够检测1nT以下的磁场。令人遗憾的是，磁阻器件在测量低频磁场时受到1/f噪声影响，很难用于测量pT以下的高精度的磁场，相反在高频(大于10KHz)时，频谱中只有热噪声，且高频的最小检测磁场比低频低两三个数量级。为了减小1/f噪声的影响，提高磁阻器件的检测灵敏度，微机电系统(Microelectromechanical system，MEMS)谐振磁阻传感器应运而生，其主要由谐振器件，磁阻敏感器件和磁通汇聚器(Magnetic flux concentrator，MFC)组成，基本工作原理是由软磁性材料构成的磁通汇聚器将被测磁场汇聚放大，经过谐振器的高频调制后，将被测低频磁场调制到高频，最后由磁阻器件测量。MEMS谐振磁阻传感器因其轻质量，小体积，低功耗和高灵敏度被广泛应用于国防军事，工业检测，数据存储和生物医学领域。
现有技术中，MEMS谐振式磁阻传感器原型首先由美国陆军实验室的Edelstein在2002年提出，其将MFC沉积在硅平板上，使平板绕着中心轴上下扭转运动，类似于跷跷板，以实现MFC对磁场的调制作用。但是该设计难以实现高深度的硅腐蚀，调制效率非常低，为此其又设计了一款梳齿横向驱动的MEMS磁阻传感器，利用梳齿驱动沉积有MFC的硅质量块在平面上做谐振运动，将低频磁场调制到高频，但是其调制效率也很低。国防科技大学的陈棣湘教授团队设计了一种纵向运动调制方式，在磁阻器件的正上方放置一磁性薄膜，磁性薄膜渡在压电悬臂梁的底部，通过电压驱动悬臂梁在竖直方向做谐振运动，将低频磁场调制到高频，调制效率为18.8％。虽然该调制效率比Edelstein的设计要高，但是其效率还是比较低。
发明内容
(一)要解决的技术问题
现有技术中MEMS谐振式磁阻传感器在测量低频磁场时调制效率和分辨率低的问题。
(二)技术方案
为了解决上述问题，本发明提供了一种提高低频磁场分辨率的MEMS谐振式磁阻传感器，所述传感器包括：磁隧道结、位于所述磁隧道结两侧的两个梳齿驱动谐振器、分别位于所述两个梳齿驱动谐振器上的两个磁通汇聚器、设置于所述磁隧道结上方的压电悬臂梁、位于所述压电悬臂梁上的磁性薄膜；其中，所述磁性薄膜位于所述磁隧道结正上方，所述两个磁通汇聚器为以磁隧道结为中心对称设置，所述磁通汇聚器的纵向长度随着远离所述磁隧道结而逐渐增大；所述压电悬臂梁用于带动所述磁性薄膜在竖直方向上做谐振运动，所述梳齿驱动谐振器用于使所述磁通汇聚器在水平方向上做谐振运动。
可选地，所述磁通汇聚器由第一边、第二边、第三边和第四边构成封闭图形，其中，所述第一边和第四边为直线，所述第二边和第三边为弧线，每两条边之间的夹角≤90°，所述磁通汇聚器以第一边和第四边的中点连线为轴形成轴对称。
可选地，所述磁通汇聚器的第一边靠近所述磁隧道结，第四边远离所述磁隧道结。
可选地，所述第二边是由第一边和第四边两个下端点的连线为弦，弦的中垂线和磁隧道结1中垂线交点为圆心所作的一段圆弧；所述第三边是由第一边和第四边两个上端点的连线为弦，弦的中垂线和磁隧道结中垂线的交点为圆心所作的一段圆弧。
可选地，所述磁通汇聚器的厚度≤10μm，两个所述磁通汇聚器之间的距离大于所述磁隧道结的尺寸。
可选地，所述梳齿驱动谐振器包括靠近所述磁隧道结的质量块、与所述质量块连接并远离所述磁隧道结的梳齿、和用于支撑质量块的支撑梁，在所述质量块上设置所述磁通汇聚器。
可选地，所述梳齿驱动谐振器由硅构成。
可选地，所述压电悬臂梁包括硅层和压电层，该压电层例如但不限于氧化锌、氮化铝、PZT，所述压电悬臂梁的一端固定，另一端面向所述磁隧道结的硅层下表面设置所述磁性薄膜。
可选地，所述磁性薄膜的面积大于所述磁隧道结的面积，所述磁性薄膜的厚度为10μm，所述磁性薄膜为坡莫合金或其它高磁导率软磁材料。
可选地，磁通汇聚器在水平方向上做谐振运动的位移大于10μm。
(三)有益效果
本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明提供的提高低频磁场分辨率的MEMS谐振式磁阻传感器中磁通汇聚器采用类三角形，提高了待测低频磁场的放大倍数，最终提高了传感器的灵敏度。
(2)本发明使用横纵双自由度二维同步调制方法，压电悬臂梁纵向谐振使得磁性薄膜对MTJ处的磁场进行纵向调制，同时梳齿驱动MFC对MTJ处的磁场进行横向调制，其调制效率远远大于单自由度谐振调制，进而提高了MEMS谐振式磁阻传感器的测量低频磁场信号的分辨率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的提高低频磁场分辨率的MEMS谐振式磁阻传感器的结构示意图；
图2是本发明的实施例提供的提高低频磁场分辨率的MEMS谐振式磁阻传感器中磁通汇聚器的结构示意图；
图3A是本发明的实施例提供的提高低频磁场分辨率的MEMS谐振式磁阻传感器处于初始位置时的位置示意图；
图3B是本发明的实施例提供的提高低频磁场分辨率的MEMS谐振式磁阻传感器处于压电悬臂梁振动到最低点且两个磁通汇聚器均远离磁隧道结时的位置示意图；
图3C是本发明的实施例提供的提高低频磁场分辨率的MEMS谐振式磁阻传感器处于压电悬臂梁振动到最高点且两个磁通汇聚器均靠近磁隧道结时的位置示意图；
图4是本发明的实施例提供的提高低频磁场分辨率的MEMS谐振式磁阻传感器中压电悬臂梁结构示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
本发明实施例提供了一种提高低频磁场分辨率的MEMS谐振式磁阻传感器，参见图1，图1为MEMS谐振式磁阻传感器的俯视图，也具体示出了其结构。该所述传感器包括：磁隧道结1、位于所述磁隧道结两侧的两个梳齿驱动谐振器2、分别位于所述两个梳齿驱动谐振器2上的两个磁通汇聚器3、设置于所述磁隧道结1上方的压电悬臂梁4、位于所述压电悬臂梁4上的磁性薄膜5；其中，所述磁性薄膜5位于所述磁隧道结1正上方，所述两个磁通汇聚器3为以磁隧道结1为中心对称设置，所述磁通汇聚器3的纵向长度随着远离所述磁隧道结1而逐渐增大；所述压电悬臂梁4用于带动所述磁性薄膜5在竖直方向上做谐振运动，所述梳齿驱动谐振器2用于使所述磁通汇聚器3在水平方向上做谐振运动。
其工作原理为：当系统未加电压时，压电悬臂梁4和两个梳齿驱动谐振器2未运动，即压电悬臂梁4和两个磁通汇聚器3未运动，MEMS谐振式磁阻传感器处于初始位置时(参见图3A示出的位置)，外部磁通一部分从压电悬臂梁4底部的磁性薄膜5中流过，一部分从磁隧道结1中流过。
当系统工作时，压电悬臂梁4振动到最低点，磁性薄膜5处于最靠近磁隧道结1的位置，大部分磁通量将从磁性薄膜5中流过，少部分磁通量流过磁隧道结1。并且，在梳齿驱动谐振器2的梳齿202驱动作用下，两个磁通汇聚器3均远离磁隧道结1，到达离磁隧道结1最远的位置(参见图3B示出的位置)。由于磁隧道结1处的磁场随着两个磁通汇聚器3之间间隙的增大急剧减小，所以原本少量流过磁隧道结1的磁通量进一步减少。
相反地，当压电悬臂梁4振动到最高点，磁性薄膜5处于最远离磁隧道结1的位置，大部分磁通量将从磁隧道结1流过，同时两个磁通汇聚器3被梳齿驱动谐振器2的梳齿202驱动到最靠近磁隧道结1的位置，将原本大部分流过磁隧道结1的磁通量进一步增大(参见图3C示出的位置)。
根据调制效率和分辨率的下列公式可知，采用本发明实施例提供的MEMS谐振式磁阻传感器，调制效率和分辨率(最小检测磁场)相对于现有技术大大提高。
Figure BDA0002309559280000051
Figure BDA0002309559280000052
其中，e是调制效率，Binit是初始位置时的磁场，Bmax和Bmin分别是调制时的最大最小磁场，G是磁通汇聚器的增益，Bintrinsic是磁隧道结的本征最小检测磁场，Bdetect是MEMS谐振式磁阻传感器能检测的最小检测磁场。
需要说明的是，上文中所述的磁通汇聚器3在水平方向上做谐振运动，是指磁通汇聚器3在水平方向做靠近磁隧道结1或远离磁隧道结1的运动，上文中所述磁性薄膜5在竖直方向上做谐振运动是指磁性薄膜5在竖直方向做靠近磁隧道结1或远离磁隧道结1的运动。该“水平方向”即为图1所示位置的左右方向，该“竖直方向”即为图1所示位置垂直纸面的进出方向。另外，磁通汇聚器3的纵向长度中的“纵向”是指图1所示位置的上下方向。
另外，外界磁场被磁通汇聚器3汇聚放大，在两个磁通汇聚器3之间的间隙中心达到最强，所以间隙中心一般用于放置磁隧道结1(磁阻器件MTJ)，间隙宽度略大于磁阻器件的尺寸。
具体地，参见图2，所述磁通汇聚器3由第一边301、第二边302、第三边303和第四边304构成封闭图形，其中，所述第一边301和第四边304为直线，所述第二边302和第三边303为弧线，每两条边之间的夹角≤90°，所述磁通汇聚器3以第一边301和第四边304的中点连线为轴形成轴对称。可以看出，本发明实施例中磁通汇聚器3为类三角形。
由于所述梳齿驱动谐振器2包括靠近所述磁隧道结1的质量块201、与所述质量块201连接并远离所述磁隧道结1的梳齿202、和用于支撑质量块201的支撑梁203，部分梳齿202和支撑梁203通过固定锚点固定。在所述质量块201上设置所述磁通汇聚器3。该梳齿驱动谐振器2由硅构成。该磁通汇聚器3的设置位置以及方向即为图2中示出的位置，即所述磁通汇聚器3的第一边301靠近所述磁隧道结1，第四边304远离所述磁隧道结1。并且，所述第二边302是由第一边301和第四边304两个下端点的连线为弦，弦的中垂线和磁隧道结1中垂线交点为圆心所作的一段圆弧，所述第三边303是由第一边301和第四边304两个上端点的连线为弦，弦的中垂线和磁隧道结1中垂线交点为圆心所作的一段圆弧。此处，第一边301和第四边304两个上端点是指从图2所示的视角上的第一边301和第四边304两个上端点a、b。第一边301和第四边304两个下端点是指从图2所示的视角上的第一边301和第四边304两个下端点c、d。
另外，所述磁通汇聚器3的厚度≤10μm，两个所述磁通汇聚器3之间的距离大于所述磁隧道结1的尺寸。该磁通汇聚器3为高磁导率的软磁性材料。
参见图4，压电悬臂梁4包括硅层401和压电层402，本发明实施例对该压电层402的材质不做具体限定，例如其可以为氧化锌、氮化铝、PZT等。所述压电悬臂梁4的一端固定，通过固定锚点6固定，另一端面向所述磁隧道结1的硅层401表面设置所述磁性薄膜5。所述磁性薄膜5的面积大于所述磁隧道结1的面积，所述磁性薄膜5的厚度为10μm。本发明实施例对该磁性薄膜5的材质不做具体限定，所述磁性薄膜5为高磁导率的软磁性材料，例如坡莫合金。
经过仿真验证，当磁通汇聚器3在水平方向上做谐振运动的位移大于10μm时，本发明实施例提供的MEMS谐振式磁阻传感器的调制效率将是现有技术的纵向调制器件的4倍(见表1)。此处的现有技术指国防科技大学的陈棣湘教授团队设计了一种纵向运动调制方式，在磁阻器件的正上方放置一磁性薄膜，磁性薄膜渡在压电悬臂梁的底部，通过电压驱动悬臂梁在竖直方向做谐振运动，将低频磁场调制到高频，调制效率为27.99％。
表1调制效率对比表
Figure BDA0002309559280000071
Figure BDA0002309559280000081
需要说明的是，表1中的纵向驱动振幅指所述压电悬臂梁4带动所述磁性薄膜5在竖直方向上做谐振运动的振幅，表1中的横向驱动振幅指所述磁通汇聚器3在水平方向上做谐振运动的振幅。可以看出，对于同等灵敏度的磁隧道结，本发明实施例提供的MEMS谐振式磁阻传感器的调制效率提高4倍，最小检测场强降低约2倍。
综上所述，本发明至少具有以下有益效果：
(3)本发明提供的提高低频磁场分辨率的MEMS谐振式磁阻传感器中磁通汇聚器采用类三角形，提高了待测低频磁场的放大倍数，最终提高了传感器的灵敏度。
(4)本发明使用横纵双自由度二维同步调制方法，压电悬臂梁纵向谐振使得磁性薄膜对MTJ处的磁场进行纵向调制，同时梳齿驱动MFC对MTJ处的磁场进行横向调制，其调制效率和灵敏度远远大于单自由度谐振调制，进而提高了MEMS磁阻谐振器的测量低频磁场信号的分辨率。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提高低频磁场分辨率的MEMS谐振式磁阻传感器，其特征在于，所述传感器包括：磁隧道结(1)、位于所述磁隧道结两侧的两个梳齿驱动谐振器(2)、分别位于所述两个梳齿驱动谐振器(2)上的两个磁通汇聚器(3)、设置于所述磁隧道结(1)上方的压电悬臂梁(4)、位于所述压电悬臂梁(4)上的磁性薄膜(5)；
其中，所述磁性薄膜(5)位于所述磁隧道结(1)正上方，所述两个磁通汇聚器(3)为以磁隧道结(1)为中心对称设置，所述磁通汇聚器(3)的纵向长度随着远离所述磁隧道结(1)而逐渐增大；
所述压电悬臂梁(4)用于带动所述磁性薄膜(5)在竖直方向上做谐振运动，所述梳齿驱动谐振器(2)用于使所述磁通汇聚器(3)在水平方向上做谐振运动。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述磁通汇聚器(3)由第一边(301)、第二边(302)、第三边(303)和第四边(304)构成封闭图形，
其中，所述第一边(301)和第四边(304)为直线，所述第二边(302)和第三边(303)为弧线，每两条边之间的夹角≤90°，所述磁通汇聚器(3)以第一边(301)和第四边(304)的中点连线为轴形成轴对称。
3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述磁通汇聚器(3)的第一边(301)靠近所述磁隧道结(1)，第四边(304)远离所述磁隧道结(1)。
4.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述第二边(302)是由第一边(301)和第四边(304)两个下端点的连线为弦，弦的中垂线和磁隧道结(1)中垂线交点为圆心所作的一段圆弧；
所述第三边(303)是由第一边(301)和第四边(304)两个上端点的连线为弦，弦的中垂线和磁隧道结(1)中垂线交点为圆心所作的一段圆弧。
5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述磁通汇聚器(3)的厚度≤10μm，两个所述磁通汇聚器(3)之间的距离大于所述磁隧道结(1)的尺寸。
6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述梳齿驱动谐振器(2)包括靠近所述磁隧道结(1)的质量块(201)、与所述质量块(201)连接并远离所述磁隧道结(1)的梳齿(202)、和用于支撑质量块(201)的支撑梁(203)，
在所述质量块(201)上设置所述磁通汇聚器(3)。
7.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述梳齿驱动谐振器(2)由硅构成。
8.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述压电悬臂梁(4)包括硅层(401)和压电层(402)，所述压电悬臂梁(4)的一端固定，另一端面向所述磁隧道结(1)的硅层(401)下表面设置所述磁性薄膜(5)。
9.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述磁性薄膜(5)的面积大于所述磁隧道结(1)的面积，所述磁性薄膜(5)的厚度为10μm，所述磁性薄膜(5)为坡莫合金。
10.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，磁通汇聚器(3)在水平方向上做谐振运动的位移大于10μm。
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