CN202853815U

CN202853815U - Mems巨磁阻式高度压力传感器

Info

Publication number: CN202853815U
Application number: CN 201220541716
Authority: CN
Inventors: 李孟委; 刘泽文; 刘双红; 孙剑文
Original assignee: Tsinghua University; North University of China
Current assignee: Tsinghua University; North University of China
Priority date: 2012-10-22
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2022-10-22

Abstract

一种MEMS巨磁阻式高度压力传感器，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巨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，引起巨磁敏电阻阻值发生剧烈变化，电阻值变化引起测量电路中相应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。

Description

MEMS巨磁阻式高度压力传感器

技术领域

本实用新型属于测量仪器仪表的应用领域，涉及一种MEMS巨磁阻式高度压力传感器。

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小，造成灵敏度低；半导体应变式压力传感器由于受晶向、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，本实用新型的目的在于提供一种MEMS巨磁阻式高度压力传感器，基于基于巨磁阻效应，巨磁敏电阻的电阻值在微弱的磁场变化下会产生剧烈的变化，巨磁阻效应可以使传感器的灵敏度提高12个数量级，而且温度特性好，线性度好。MEMS巨磁阻式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，本实用新型采用的技术方案是：

一种MEMS巨磁阻式高度压力传感器，包括：

键合基板1；

铁磁性薄膜承载体10，设置在键合基板1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1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；

巨磁敏电阻7，设置在键合基板1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23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1的X方向的长度，键合基板1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，为巨磁敏电阻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1相连，上面覆盖弹性薄膜4，三者形成一个“凹”字形的真空腔24。

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，所述的巨磁敏电阻7通过溅射法或分子束外延法设置在键合基板1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、铂层13、铁酸钴层14、铁酸铋层15。

较佳地，所述巨磁敏电阻7通过巨磁敏电阻引出线8与巨磁敏电阻电极9相连，巨磁敏电阻电极9设置在键合基板1的延伸区域的上表面。

较佳地，所述巨磁敏电阻7为多层结构，自上到下依次为上钽层16、铁锰层17、钴层18、铜层19、镍铁层20、下钽层21以及绝缘层22。

本实用新型中，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24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，根据巨磁阻效应，巨磁敏电阻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。

本实用新型与技术背景中相比具有明显的先进性，该巨磁式高度压力传感器可以与巨磁加速度、角速度、陀螺仪等仪器方便地集成在一块硅片上，减少了生产成本。

本实用新型中，由于巨磁电阻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MEMS巨磁阻式高度传感器的灵敏度提高1-2个数量级，因此MEMS巨磁式高度压力传感器对于微小变化的压力都会有明显的响应。

附图说明

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为发明实施例的巨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为发明实施例的巨磁敏电阻结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细说明，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，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，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实用新型，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实用新型的限制。

在本实用新型中，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实用新型中的具体含义。

巨磁阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。巨磁阻效应是一种量子力学和凝聚态物理学现象，可以在磁性材料和非磁性材料相间的薄膜层结构中观察到。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成，物质的电阻值与铁磁性材料薄膜层的磁化方向有关，当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻，当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大，故电阻在很弱的外加磁场下具有很大的变化量。

以下结合附图对本实用新型的结构原理、工作原理作更详细的说明。

如图1、2、3所示，根据本实用新型的一个实施例，MEMS巨磁式高度压力传感器，包括：键合基板1、铁磁性薄膜3、保护罩5、巨磁敏电阻7和铁磁性薄膜承载体10。

具体而言，装置以键合基板1为载体；铁磁性薄膜承载体10设在键合基板1的上方，为形结构，其四周与键合基板1相连接，铁磁性薄膜承载体10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；巨磁敏电阻7作为敏感部件，设置在键合基板1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23和外界。

本实用新型实施例中，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1的X方向的长度，铁磁性薄膜承载体10的边界25位于键合基板1上表面内部，键合基板1相对于铁磁性薄膜承载体10有一个延伸区域。

本实用新型实施例中，所述的弹性薄膜4的中心区域的厚度大于四周的厚度，所述的巨磁敏电阻7位于键合基板1的中心位置。铁磁性薄膜3与巨磁敏电阻7正对，铁磁性薄膜3的形状和面积根据巨磁敏电阻7对磁场强度的强弱及分布需要情况而定。

本实用新型实施例中，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1相连，上面覆盖弹性薄膜4，三者形成一个“凹”字形的真空腔24。真空腔24的作用有两个，一是：使外界与真空腔24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，根据本实用新型的一个实施例，外界的气体通过保护罩5上的接触孔6进入内腔23，当真空腔24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，根据巨磁阻效应，巨磁敏电阻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。巨磁敏电阻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，根据本实用新型的一个实施例，巨磁敏电阻7呈

形，键合基板上表面1设有巨磁电阻7、巨磁电阻引出线8、巨磁电阻电极9。巨磁敏电阻7设在键合基板1的上表面的中心位置，巨磁电阻电极9设在键合基板1的延伸区域的上表面。巨磁电阻7通过巨磁电阻引出线8与巨磁电阻电极9相连。

如图6所示，根据本实用新型的一个实施例，铁磁性薄膜3为多层结构。由此，可以更好地和巨磁敏电阻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、铂层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，根据本实用新型的一个实施例，巨磁敏电阻7包括键合基板1向上依次排布的绝缘层22、钽层21、镍铁层20、铜层19、钴层18、铁锰层17和钽层16。需要说明的是，上述的巨磁敏电阻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1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。

本实用新型的工作原理为：

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24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，根据巨磁阻效应，巨磁敏电阻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实用新型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实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本实用新型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，本实用新型的范围有权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种MEMS巨磁阻式高度压力传感器，其特征在于，包括：

键合基板（1）；

铁磁性薄膜承载体（10），设置在键合基板（1）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（1）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；

巨磁敏电阻（7），设置在键合基板（1）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（23）和外界的通孔形的接触孔（6）。

2.根据权利要求1所述的MEMS巨磁阻式高度压力传感器，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（1）的X方向的长度，键合基板（1）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巨磁阻式高度压力传感器，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3所述的MEMS巨磁阻式高度压力传感器，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（1）相连，上面覆盖弹性薄膜（4），三者形成一个“凹”字形的真空腔（24）。

5.根据权利要求1所述的MEMS巨磁阻式高度压力传感器，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巨磁阻式高度压力传感器，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）、铂层（13）、铁酸钴层（14）、铁酸铋层（15）。

7.根据权利要求1所述的MEMS巨磁阻式高度压力传感器，其特征在于，所述巨磁敏电阻（7）通过巨磁敏电阻引出线（8）与巨磁敏电阻电极（9）相连。

8.根据权利要求7所述的MEMS巨磁阻式高度压力传感器，其特征在于，所述巨磁敏电阻电极（9）设置在键合基板（1）的延伸区域的上表面。

9.根据权利要求1所述的MEMS巨磁阻式高度压力传感器，其特征在于，所述巨磁敏电阻（7）为多层结构，自上到下依次为上钽层（16）、铁锰层（17）、钴层（18）、铜层（19）、镍铁层（20）、下钽层（21）以及绝缘层（22）。