CN215340279U - 一种mems磁阻传感器 - Google Patents
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Abstract
实用新型涉及一种MEMS磁阻传感器，属于磁场检测领域，解决了现有MEMS磁阻传感器两侧磁通汇聚器运动不同步导致的噪声增加而使得检测精度降低的问题。传感器包括：磁阻传感器MTJ、磁通汇聚器、压电悬臂梁，第一衬底以及电极；第一衬底上设置有与悬臂梁尺寸相适应的通孔，悬臂梁设置于通孔中，悬臂梁一端悬空，另一端与第一衬底固定连接；MTJ放置在悬臂梁悬空端之上，通过悬臂梁带动MTJ沿着所述通孔的轴向作周期简谐振动；磁通汇聚器设置在第一衬底上，且对称放置在MTJ两侧；电极为叠层结构，包括从下至上依次设置的铬、金。通过悬臂梁振动避免了磁通汇聚器运动不同步的问题，提高了磁场检测分辨率，能够广泛应用于低频弱磁场的检测。
Description
技术领域
本实用新型涉及磁场检测领域，尤其涉及一种MEMS磁阻传感器。
背景技术
磁阻传感器由于小体积，低功耗和高灵敏度在工业传感，军事对抗，数据存储和生物医学等领域得到了广泛应用，然而其在测量低频弱磁场时受到1/f噪声的影响，严重限制了其低频弱磁场的检测分辨率。为了减小1/f噪声的影响，提高分辨率，利用微机电系统(Micro electromechanical systems,MEMS)技术驱动磁通汇聚器运动，将磁阻传感器检测区域的低频弱磁场调制到高频区域(大于10kHz)，使得检测分辨率比低频高三个数量级。
现有的MEMS磁阻传感器是利用MEMS谐振器的运动带动磁通汇聚器运动，对磁通汇聚器中间的磁通密度进行高频调制，通过固定放置的磁阻传感器检测高频磁场，并配合相应的接口电路读取磁场信号。例如美国陆军实验室提出的变间隙和扭转调制，我国国防科技大学提出的垂直运动调制和伊比利亚国际纳米实验室提出的悬臂梁调制。这些调制方式都是通过改变磁通汇聚器的运动形式实现低频磁场的高频调制，从而抑制1/f噪声以提高低频磁场检测分辨率。在现有的这些MEMS磁阻传感器中，都是磁通汇聚器运动，磁阻传感器固定放置，存在的最大的问题就是难以保持两侧的磁通汇聚器的运动同步。例如美国陆军实验室设计的梳齿驱动磁通汇聚器运动的MEMS磁阻传感器，在固定的磁阻传感器两边是两个由梳齿横向驱动的磁通汇聚器，只有当两个谐振器同步谐振时，调制的交流磁场才是一个频率和谐振器频率相同的信号。一旦不能同步，那么调制后的磁场将是频谱非常丰富的信号，其无法通过接口电路和信号处理解读出正确的磁场信号。那么不但不能抑制1/f噪声，反而增加了噪声。此外，这类结构普遍工艺比较复杂，对工艺容差的一致性要求较高。
实用新型内容
鉴于上述的分析，本实用新型实施例旨在提供一种MEMS磁阻传感器，用以解决现有MEMS磁阻传感器两侧磁通汇聚器运动不同步导致的噪声增加而使得检测精度降低的技术问题。
本实用新型实施例提供了一种MEMS磁阻传感器，其特征在于，所述MEMS磁阻传感器包括：磁阻传感器MTJ、磁通汇聚器、压电悬臂梁，第一衬底；
第一衬底上设置有与压电悬臂梁尺寸相适应的通孔，所述压电悬臂梁设置于所述通孔中，所述压电悬臂梁一端悬空，另一端与第一衬底固定连接；
所述磁阻传感器MTJ放置在压电悬臂梁悬空端之上，通过所述压电悬臂梁带动所述磁阻传感器MTJ沿着所述通孔的轴向作周期简谐振动；
磁通汇聚器设置在第一衬底上，且对称放置在磁阻传感器MTJ两侧；
所述磁通汇聚器为梯形。
进一步，所述压电悬臂梁为叠层结构，包括从下至上依次设置的第二衬底、第一绝缘层、压电层，磁阻传感器MTJ埋设在压电悬臂梁悬空端处的第一绝缘层之中，并漏出电极窗口，压电层位于第一绝缘层上未埋设磁阻传感器MTJ的位置，并使压电层与磁阻传感器MTJ间隔一定的距离。
进一步，所述第一衬底为SOI基底，从下至上依次包括Si层、埋氧层、Si层，所述第二衬底为通过去除所述第一衬底底层的Si层和埋氧层而形成，所述第一衬底中的Si层与第二衬底中的Si层为一体结构。
进一步，第一衬底上与悬臂梁连接处还设置有第二绝缘层，第二绝缘层与第一绝缘层为一体结构，并且第一绝缘层与第二绝缘层形成T字型，所述第二绝缘层上设置有压电层的电极窗口。
进一步，所述电极包括MTJ信号检测输出电极、压电驱动电极；所述MTJ信号检测输出电极包括依次连接的MTJ信号检测电极、MTJ信号传输线以及MTJ信号接口电极，所述MTJ信号检测电极位于磁阻传感器MTJ电极窗口中，通过磁阻传感器MTJ的电极接口与磁阻传感器电连接；MTJ信号传输线位于第一绝缘层之上未设置压电层的区域，MTJ信号接口电极设置于第二绝缘层之上；
所述压电驱动电极包括驱动电极、检测电极、压电驱动接口电极以及接地电极，驱动电极、检测电极均与压电驱动接口电极连接，驱动电极和检测电极位于压电层上，压电驱动接口电极位于第二绝缘层之上；接地电极设置在第二绝缘层上的压电层电极窗口中，直接与第一衬底相连。
进一步，压电层材料为氧化锌，厚度为500-1000nm。
进一步，磁通汇聚器由镀制在第一衬底上的高磁导率材料形成，厚度为0.5-10μm；两个磁通汇聚器以磁阻传感器MTJ为中心对称布置，两个磁通汇聚器之间的距离大于悬臂梁的宽度；磁通汇聚器上还设置有第三绝缘层。
进一步，磁通汇聚器为梯形，梯形的窄端靠近磁阻传感器MTJ，梯形的宽端远离磁阻传感器MTJ；所述窄端与宽端之间的距离为0.5-3mm。
进一步，第一绝缘层、第二绝缘层、第三绝缘层材料均为SiO2，厚度为200-500nm。
进一步，其特征在于，所述磁阻传感器MTJ为叠层结构，从下至上依次为：钽金属层、钌金属层、镍铁合金层、钌金属层、钴铁硼材料层、氧化镁层、钴铁硼材料层、钌金属层、钴铁合金层、铱锰合金层、钽金属层、钌金属层。
与现有技术相比，本实用新型至少可实现如下有益效果之一：
1、相比于现有磁通汇聚器运动、磁阻传感器固定的情形，本实用新型通过压电悬臂梁带动磁阻传感器MTJ运动，不存在运动不同步的问题，并且能够很好的将直流磁场调制到高频区域抑制1/f噪声，因此能够大幅提高磁场检测分辨率。
2、本申请中由于磁通汇聚器固定不动，所以其尺寸在器件允许范围内尽可能的大，从而尽可能的获得最大的磁场放大倍数，提高磁场检测分辨率。
3、本申请设计的传感器，由于仅有一个悬臂梁运动，因此工艺简单，对工艺容差的一致性要求较低。
本实用新型中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本实用新型的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本申请一个实施例中的MEMS磁阻传感器整体结构示意图。
图2为压电悬臂梁主视图；
图3为沿A-A’轴线压电悬臂梁横截面示意图；
附图标记：
10-磁阻传感器MTJ；20-磁通汇聚器；30-压电悬臂梁；40-第一衬底；50第二绝缘层；301-第二衬底；302-第一绝缘层；303-压电层；611-MTJ信号检测电极；612-MTJ信号传输线；613-MTJ信号接口电极；621-驱动电极；622检测电极；623压电驱动接口电极；624接地电极。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理，并非用于限定本实用新型的范围。
本实用新型的一个具体实施例，公开了一种MEMS磁阻传感器，如图1所示，所述MEMS磁阻传感器包括：磁阻传感器MTJ10、磁通汇聚器20、压电悬臂梁30，第一衬底40；第一衬底40上设置有与压电悬臂梁30尺寸相适应的通孔，所述压电悬臂梁30设置于所述通孔中，所述压电悬臂梁一端悬空，另一端与第一衬底40固定连接；
所述磁阻传感器MTJ10放置在压电悬臂梁30悬空端之上，通过所述压电悬臂梁30带动所述磁阻传感器MTJ沿着所述通孔的轴向作周期简谐振动。
磁通汇聚器20设置在第一衬底40上，且对称放置在磁阻传感器MTJ10两侧。所述磁通汇聚器为梯形。
为防止悬臂梁中压电层被击穿和磁阻传感器MTJ氧化，在压电悬臂梁30中设置了第一绝缘层302，优选的，所述压电悬臂梁30为叠层结构，参考图2-图3，图2为压电悬臂梁主视图，图3为沿A-A’轴线压电悬臂梁横截面示意图，A为Si层，B为绝缘层，C为压电层、D为电极层，E为磁阻传感器MTJ，F为埋氧层。
所述叠层结构包括从下至上依次设置的第二衬底301、第一绝缘层302、压电层303，磁阻传感器MTJ10埋设在压电悬臂梁30悬空端处的第一绝缘层中并漏出电极窗口，压电层303位于第一绝缘层302上未埋设磁阻传感器MTJ10的位置，并使压电层303与磁阻传感器MTJ10间隔一定的距离，具体的间距可以设置为20um，以避免对磁阻传感器MTJ造成影响，防止MTJ的检测电极与压电层的电极靠的太近引起电学干扰。
优选的，所述第一衬底为SOI基底，从下至上依次包括Si层、埋氧层、Si层，所述第二衬底为通过去除所述第一衬底底层的Si层和埋氧层而形成，所述第一衬底中的Si层与第二衬底中的Si层为一体结构；即整个MEMS磁阻传感器是在SOI基底上完成的；
选取的SOI的参数如下:SOI基底Si层300um，埋氧层0.5um，上部Si层10um，晶向<100>，P型掺杂，双面抛光，Si层电阻率0.001-0.005ohm*cm，基底电阻率0.01-0.05ohm*cm。
第一衬底40上与悬臂梁30连接处还设置有第二绝缘层50，第二绝缘层50与第一绝缘层302为一体结构，并且第一绝缘层302与第二绝缘层50形成T字型，第一绝缘层302为T字的纵向部分，第二绝缘层50为T字的横向部分。所述第二绝缘层上设置有压电层的电极窗口。
优选的，第一绝缘层、第二绝缘层材料为SiO2，厚度为200-500nm。
优选的，压电层材料为氧化锌，厚度为500-1000nm。
为实现磁阻传感器MTJ的信号检测输出以及压电层的驱动及振动检测，本申请MEMS磁阻传感器中还设置有电极，所述电极包括MTJ信号检测输出电极、压电驱动电极；所述MTJ信号检测输出电极包括依次连接的MTJ信号检测电极611、MTJ信号传输线612以及MTJ信号接口电极613，所述MTJ信号检测电极611位于磁阻传感器MTJ10的电极窗口中，与磁阻传感器MTJ10电连接；MTJ信号传输线612位于第二绝缘层302之上未设置压电层303的区域，MTJ信号接口电极613设置于第二绝缘层50之上；
所述MTJ信号接口电极613包括正、负电流接口电极，正、负电压接口电极。电源以电流信号的形式通过正、负电流接口电极、MTJ信号传输线612输入到磁阻传感器MTJ10中，磁阻传感器MTJ10测量得到的电压信号通过MTJ信号检测电极611、MTJ信号传输线612传输至正、负电压接口电极，通过该正、负电压接口电极将测量得到的电压信号向外部信号处理电路输出。
所述压电驱动电极包括驱动电极621、检测电极622、压电驱动接口电极623以及接地电极624，驱动电极621、检测电极622均与压电驱动接口电极623连接，驱动电极621和检测电极622位于压电层303上，压电驱动接口电极623位于第二绝缘层50之上；接地电极624设置在第二绝缘层50上的压电层电极接口中，直接与第一衬底SOI的上部Si层(器件层)相连通，作为电学的地。
所述压电驱动接口电极623包括驱动接口电极D、检测接口电极S，所述驱动接口电极D与驱动电极621连接、检测接口电极S与检测电极622连接。驱动信号通过驱动接口电极D传输至驱动电极621中，驱动电极621进一步将驱动信号传输至压电层302，在驱动信号的作用下压电层作简谐振动，进而带动整个悬臂梁振动，悬臂梁带动磁阻传感器振动。检测电极622检测压电层的振动信号，并将该振动信号传输至检测接口电极S，通过检测接口电极S将振动信号反馈给外部信号处理电路。
具体的，上述各个电极、信号传输线均采用金属材料制成，该金属材料可以为铂Pt、金Au，因为它们的化学性质非常稳定，几乎不和常规的化学物品反应。特别需要注意的是，在溅射导电材料之前，需要先溅射铬(Cr)用作黏附层，否则在剥离时，溅射的金或铂会脱落。
因此，本实施例中优选的电极材料为30nm/200nm的Cr/Au或Cr/Pt。
优选的，所述磁阻传感器MTJ为叠层结构，从下至上依次为：钽金属层、钌金属层、镍铁合金层、钌金属层、钴铁硼材料层、氧化镁层、钴铁硼材料层、钌金属层、钴铁合金层、铱锰合金层、钽金属层、钌金属层。所述磁阻传感器各层厚度从下至上依次为：Ta(5nm)/Ru(10nm)/NiFe(70nm)/Ru(0.9nm)/CoFeB(3nm)/MgO(1.6nm)/CoFeB(3nm)/Ru(0.9nm)/CoFe(5nm)/IrMn(10nm)/Ta(5nm)/Ru(30nm)。
优选的，磁通汇聚器由镀制在第一衬底上的高磁导率材料形成，厚度为0.5um-10um；所述高磁导率材料可以是坡莫合金或镍铁合金；
两个磁通汇聚器以磁阻传感器MTJ为中心对称布置，两个磁通汇聚器之间的距离大于悬臂梁的宽度；
优选的，磁通汇聚器为梯形，梯形的窄端靠近磁阻传感器MTJ，梯形的宽端远离磁阻传感器MTJ；所述窄端与宽端之间的距离为0.5-3mm。
为防止磁通汇聚器被氧化，优选的，磁通汇聚器上还设置有第三绝缘层。
具体的，第三绝缘层为SiO，厚度为200-500nm。
该MEMS磁阻传感器的基本工作原理是待测磁场被磁通汇聚器汇聚放大，位于压电悬臂梁末端的磁阻传感器MTJ随着压电悬臂梁一起高频周期运动，由于两磁通汇聚器间隙处的磁场强度不均匀，磁阻传感器MTJ将检测到一个周期变化的交变磁场，然后通过相应的接口电极输出对应的交变电压。
相比于前人提出的磁通汇聚器运动，磁阻传感器固定的情况，本专利实用新型的MEMS磁阻传感器由于只有磁阻传感器运动，所以不存在像磁通汇聚器那样需要两边同步运动的问题。另一方面，由于磁通汇聚器的面积越大，对磁场的放大倍数越大，所以一旦固定磁通汇聚器，则其尺寸在版图允许范围内可以尽可能的大，从而尽可能的获得最大的磁场放大倍数。而对于运动的磁通汇聚器，由于要满足调制频率处于高频区域，根据谐振频率与质量成反比的关系：
其中fr，k，m分别是谐振器的谐振频率、支撑谐振器的梁的刚度系数、谐振器的质量。要使得频率达到一定的范围(例如大于10kHz)，则磁通汇聚器的尺寸就不能任意的大，那么相应的对磁场的放大倍数将受到限制，且往往较小。
当使用该传感器测量外界直流磁场B0时，假设磁通汇聚器对间隙中心的磁场的放大倍数为G，初始静止状态时磁阻传感器检测的磁场则为B0·G。当长度为L的压电悬臂梁谐振器以频率f，振幅x做高频振荡时，尖端的振荡角度计为θ，则根据几何关系有θ＝4x/3L，当悬臂梁正弦振荡时，即
θ＝θ0sin(2πft) (2)
其中θ0为最大的振荡角度。由于磁阻传感器位于压电悬臂梁的末端，所以在其上下振动时，其检测磁场可表示为
将(2)带入到(3)中，则检测磁场可表示为如下形式：
则其可以分成直流分量和交流分量
从(6)可知，直流磁场将被调制成高频交流磁场，且其频率是两倍的谐振器的谐振频率。调制效率(η)通常定义为交流分量与直流分量的比值，所以该传感器的调制效率为
从(7)可知，压电谐振器的振动位移(角度)越大，调制效率越高。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种MEMS磁阻传感器，其特征在于，所述MEMS磁阻传感器包括：磁阻传感器MTJ、磁通汇聚器、压电悬臂梁，第一衬底；
第一衬底上设置有与压电悬臂梁尺寸相适应的通孔，所述压电悬臂梁设置于所述通孔中，所述压电悬臂梁一端悬空，另一端与第一衬底固定连接；
所述磁阻传感器MTJ放置在压电悬臂梁悬空端之上，通过所述压电悬臂梁带动所述磁阻传感器MTJ沿着所述通孔的轴向作周期简谐振动；
磁通汇聚器设置在第一衬底上，且对称放置在磁阻传感器MTJ两侧；
所述磁通汇聚器为梯形。
2.根据权利要求1所述的MEMS磁阻传感器，其特征在于，所述压电悬臂梁为叠层结构，包括从下至上依次设置的第二衬底、第一绝缘层、压电层，磁阻传感器MTJ埋设在压电悬臂梁悬空端处的第一绝缘层之中，并漏出电极窗口，压电层位于第一绝缘层上未埋设磁阻传感器MTJ的位置，并使压电层与磁阻传感器MTJ间隔一定的距离。
3.根据权利要求2所述的MEMS磁阻传感器，其特征在于，所述第一衬底为SOI基底，从下至上依次包括Si层、埋氧层、Si层，所述第二衬底为通过去除所述第一衬底底层的Si层和埋氧层而形成，所述第一衬底中的Si层与第二衬底中的Si层为一体结构。
4.根据权利要求3中所述的MEMS磁阻传感器，其特征在于，第一衬底上与悬臂梁连接处还设置有第二绝缘层，第二绝缘层与第一绝缘层为一体结构，并且第一绝缘层与第二绝缘层形成T字型，所述第二绝缘层上设置有压电层的电极窗口。
5.根据权利要求4所述的MEMS磁阻传感器，其特征在于，所述电极包括MTJ信号检测输出电极、压电驱动电极；所述MTJ信号检测输出电极包括依次连接的MTJ信号检测电极、MTJ信号传输线以及MTJ信号接口电极，所述MTJ信号检测电极位于磁阻传感器MTJ电极窗口中，通过磁阻传感器MTJ的电极接口与磁阻传感器电连接；MTJ信号传输线位于第一绝缘层之上未设置压电层的区域，MTJ信号接口电极设置于第二绝缘层之上；
所述压电驱动电极包括驱动电极、检测电极、压电驱动接口电极以及接地电极，驱动电极、检测电极均与压电驱动接口电极连接，驱动电极和检测电极位于压电层上，压电驱动接口电极位于第二绝缘层之上；接地电极设置在第二绝缘层上的压电层电极窗口中，直接与第一衬底相连。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的MEMS磁阻传感器，其特征在于，压电层材料为氧化锌，厚度为500-1000nm。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的MEMS磁阻传感器，其特征在于，磁通汇聚器由镀制在第一衬底上的高磁导率材料形成，厚度为0.5-10μm；两个磁通汇聚器以磁阻传感器MTJ为中心对称布置，两个磁通汇聚器之间的距离大于悬臂梁的宽度；磁通汇聚器上还设置有第三绝缘层。
8.根据权利要求7所述的MEMS磁阻传感器，其特征在于，磁通汇聚器为梯形，梯形的窄端靠近磁阻传感器MTJ，梯形的宽端远离磁阻传感器MTJ；所述窄端与宽端之间的距离为0.5-3mm。
9.根据权利要求7所述的MEMS磁阻传感器，其特征在于，第一绝缘层、第二绝缘层、第三绝缘层材料均为SiO2，厚度为200-500nm。
10.根据权利要求1-5中任一项所述的MEMS磁阻传感器，其特征在于，所述磁阻传感器MTJ为叠层结构，从下至上依次为：钽金属层、钌金属层、镍铁合金层、钌金属层、钴铁硼材料层、氧化镁层、钴铁硼材料层、钌金属层、钴铁合金层、铱锰合金层、钽金属层、钌金属层。
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2021
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| CN116165576A (zh) * | 2022-12-23 | 2023-05-26 | 南方电网数字电网研究院有限公司 | TMRz轴磁场传感器 |
| CN116165576B (zh) * | 2022-12-23 | 2023-12-12 | 南方电网数字电网研究院有限公司 | TMRz轴磁场传感器 |
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