一种提高低频磁场分辨率的MEMS谐振式磁阻传感器制造技术

本发明专利技术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。

A MEMS resonant magnetoresistance sensor for improving the resolution of low frequency magnetic field

【技术实现步骤摘要】
一种提高低频磁场分辨率的MEMS谐振式磁阻传感器
本专利技术涉及存储器设计和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。
技术介绍
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(Magnetictunneljunction，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(Microelectromechanicalsystem，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(Magneticfluxconcentrator，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。
技术实现思路
(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，本专利技术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)有益效果本专利技术至少具有以下有益效果：(1)本专利技术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)本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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专利技术的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本专利技术的范围。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专利技术实施例的全面理解。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专利技术的概念。在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本专利技术。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。本专利技术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。该所述传感器包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
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)；/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹旭东，刘振溪，陈嘉民，李志天，杨伍昊，熊兴崟，汪政，
申请(专利权)人：中国科学院电子学研究所，中国科学院大学，
类型：发明
国别省市：北京;11