一种硅基隧道磁阻效应微陀螺制造技术

本发明专利技术公开了一种硅基隧道磁阻效应微陀螺，包括：键合基板；垫衬框体，垫衬框体设在键合基板上方并与键合基板相连接；铁磁性薄膜，铁磁性薄膜设在键合基板与垫衬框体组合形成的矩形凹槽的中心位置；和微陀螺，微陀螺设在垫衬框体的上方并与垫衬框体相连接，且微陀螺包括：对应设在矩形凹槽上方的敏感质量块，敏感质量块上表面设有巨磁敏电阻且巨磁敏电阻与铁磁性薄膜位置对应。巨磁敏电阻层可随敏感质量块沿垂直于所述铁磁性薄膜上表面的方向振动。根据本发明专利技术的微机械陀螺仪采用整体结构设计，结构合理、紧凑，检测电路简单，使用方便、可靠性好、适合微型化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微惯性导航技术相关领域，具体而言，涉及一种硅基隧道磁阻效应的微机械陀螺仪。
技术介绍
目前，微机械陀螺仪常用的检测方式是电容式和压阻式，压阻式是基于高掺杂硅的压阻效应原理实现的，高掺杂硅形成的压敏器件对温度有较强的依赖性，其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；电容式精度的提高是利用增大电容面积，由于器件的微小型化，其精度因有效电容面积的缩小而难以提高。微机械陀螺仪对角速度的测量是靠检测装置实现力电转换来完成的，其灵敏度、 分辨率是十分重要的，由于陀螺仪微型化和集成化，检测的敏感区域随之减小，故而使检测的灵敏度、分辨率等指标已达到敏感区域检测的极限状态，从而限制了陀螺仪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。隧道磁阻效应基于电子的自旋效应，在磁性钉扎层和磁性自由层中间间隔有绝缘体或半导体的非磁层的磁性多层膜结构，由于在磁性钉扎层和磁性自由层之间的电流通过基于电子的隧穿效应，因此称这一多层膜结构称为磁性隧道结(MTJ，Magnetic TunnelJunction)。这种磁性隧道结在横跨绝缘层的电压作用下，其隧道电流和隧道电阻依赖于两个铁磁层(磁性钉扎层和磁性自由层)磁化强度的相对取向。当磁性自由层在外场的作用下，其磁化强度方向改变，而钉扎层的磁化方向不变，此时两个磁性层的磁化强度相对取向发生改变，则可在横跨绝缘层的的磁性隧道结上观测到大的电阻变化，这一物理效应正是基于电子在绝缘层的隧穿效应，因此称为隧道磁电阻效应(TMR，TunnelingMagnetoresistance)ο也就是说TMR磁传感器是利用磁场的变化来引起磁电阻变化,另一方面，我们可以通过观测TMR磁传感器的电阻变化来测量外磁场的变化。实际的TMR器件及其制造工艺要远比以上三层膜结构复杂，但是就磁性传感器的应用来讲，我们可以认为TMR传感器就是一个电阻，只是TMR传感器的电阻值随外加磁场值的变化，其阻值发生改变，并且这种改变对于氧化铝A1203可达30 50%，对于氧化镁MgO可达200%，因此其输出相当可观，灵敏度非常高.正是由于TMR的这些优点，TMR已经在硬盘磁头这一对工作稳定性等各项性能要求极高的高精
取代GMR磁头，因此TMR的性能已经经受了最为严格的考验.而随着TMR磁性传感器的大规模应用，其优异的性能将随着其产业化的发展，而渗透到传感器行业方面和应用领域，为最终客户和传感器供应商创造更多的价值和提供更优的技术体验。由于TMR的优异性能，一方面将会为很多传感器应用领域提供全新的技术解决方案，另一方面，也为磁传感器生产企业提供了一个非常好的发展机遇。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种微机械陀螺仪，该微机械陀螺仪为硅基隧道磁阻效应的微机械陀螺仪，可以提高微机械陀螺仪的检测精度。本专利技术提供了一种微机械陀螺仪，其包括键合基板；垫衬框体，垫衬框体设在键合基板上方并与键合基板相连接；铁磁性薄膜，铁磁性薄膜设在键合基板与垫衬框体组合形成的矩形凹槽的中心位置。此铁磁性薄膜非必须结构，该结构可以用外部磁体加以代替；微陀螺，所述的微陀螺设在所述的垫衬框体上方，并且与垫衬框体粘结牢固，且微陀螺包括对应设在所述矩形凹槽上方的敏感质量块，敏感质量块上表面设有巨磁敏电阻、巨磁敏电阻引出线、反馈导线，并且表面均布通孔阻尼孔；且巨磁敏电阻与所述铁磁性薄膜位置对应。巨磁敏电阻可随敏感质量块沿垂直于所述铁磁性薄膜上表面的方向振动；敏感质量块左、右两侧边缘均匀分布有驱动梳齿。 进一步地，所述的垫衬框体为矩形中空框体，所述垫衬框体下面与键合基板键和连接并且共同形成矩形凹槽。 进一步地，所述的铁磁性薄膜为多层结构。铁磁性薄膜层包括在半导体材料衬底层上依次排布的二氧化硅层、二氧化钛层、钼层、铁酸钴层和铁酸铋层。进一步地，所述微陀螺进一步包括固定梳齿电极正极，所述的固定梳齿电极正极为两个，分别置于垫衬框体左、右边框的上表面并粘结牢固，并且该正极上表面设固定梳齿，并粘结牢固；梳齿电极负极，所述的梳齿电极负极为敏感质量块左、右两侧驱动梳齿的电极，该电极与固定梳齿电极正极在同一平面，置于垫衬框体前、后边框上表面，并粘结牢固，并且该负极的上表面设固定座，并粘结牢固；组合梁，所述的组合梁由驱动梁、检测梁、连接块构成，用于连接固定座和敏感质量块。进一步地，所述的固定梳齿电极正极上设有固定梳齿的基座；所述的梳齿电极负极上设有所述的固定座，固定座有前、后两个，分别置于两个梳齿电极负极上表面，并通过组合梁与敏感质量块相连接；所述敏感质量块上表面的巨磁敏电阻通过巨磁敏电阻引出线与巨磁敏电阻电极相连；所述敏感质量块上表面两侧对称位置设有两根反馈导线，反馈导线端部经组合梁与固定座上表面的反馈导线电极相连接；固定座与组合梁相连接部位的上表面设有巨磁敏电阻电极和反馈导线电极。进一步地，所述的敏感质量块为矩形，且内嵌在垫衬框体与键合基板共同形成的矩形凹槽中，并可在此凹槽中上、下、前、后、左右运动；所述的敏感质量块前、后对称位置分别通过组合梁与固定座相连接；在敏感质量块的四角对称设有组合梁运动空间，在所述敏感质量块上没有巨磁敏电阻及其引出线分布处分别设置有方形阻尼通孔。进一步地，所述的巨磁敏电阻包括在半导体材料衬底层上依次排布的绝缘层、钽层、镍铁层、铜层、三氧化二铝层、钴层、铁锰层和钽层。进一步地，所述的固定梳齿与所述敏感质量块两侧边缘的驱动梳齿交叉吻合。进一步地，所述的组合梁呈回折形，驱动梁和检测梁通过连接块相连接，组合梁中 "L，，形驱动梁的厚度与敏感质量块的厚度相同，检测梁的厚度小于两侧《!_，，形驱动梁。根据本专利技术实施例的微机械陀螺仪，采用整体结构设计，结构设计紧凑合理，既能充分利用空间，又能抑制驱动对检测的影响，适合器件的自解耦和微型化。敏感质量块上表面设有巨磁敏电阻，其正对于键合基板上表面相应区域制作的铁磁性薄膜。在微弱的磁场变化下巨磁敏电阻的阻值会发生剧烈变化，该变化可以将微机械陀螺仪的灵敏度提高1-2个数量级。本设计的另一特点由于此处铁磁性薄膜作用是为巨磁敏电阻提供稳定的非均匀磁场，因此，在铁磁性薄膜产生磁场效果不佳或稳定性不易控制的情况下可以考虑利用外置永磁体对铁磁性薄膜加以代替。除以上特点外，该微陀螺的检测电路设计简单、使用方便、可靠性好，适合微型化。附图说明图I为本专利技术实施例的整体结构图；图2为本专利技术实施例的整体结构的主视图；图3为本专利技术实施例的微陀螺立体结构图；图4为本专利技术实施例的敏感质量块的主视图； 图5为本专利技术实施例的键合基板与垫衬框体组合体的立体结构图；图6为本专利技术实施例的键合基板与垫衬框体组合体的平面结构图；图7为本专利技术实施例的组合梁立体结构图；图8为本专利技术实施例的组合梁的三视图；图9为本专利技术实施例的固定梳齿结构立体图；图10为本专利技术实施例的铁磁性薄膜结构图；图11为本专利技术实施例的巨磁敏电阻结构图；图中所示，附图标记清单如下I、敏感质量块，2、阻尼孔，3、固定座，4、固定梳齿基座，5、固定梳齿，6、巨磁敏电阻，7、巨磁敏电阻引出线，8、巨磁敏电阻电极，9、驱动梳齿，10、组合梁运动空间，11、驱动梁，12、检测梁，13、连接块，14、梳齿，15、梳齿槽，16、反馈导线，17、反馈导线电极，18、梳齿电极负极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微机械陀螺仪，其特性在于，包括：键合基板；垫衬框体，垫衬框体设在键合基板上方并与键合基板相连接；铁磁性薄膜，铁磁性薄膜设在键合基板与垫衬框体组合形成的矩形凹槽的中心位置。此铁磁性薄膜非必须结构，该结构可以用外部磁体加以代替；微陀螺，所述的微陀螺设在所述的垫衬框体上方，并且与垫衬框体粘结牢固，且微陀螺包括对应设在所述矩形凹槽上方的敏感质量块，敏感质量块上表面设有巨磁敏电阻、巨磁敏电阻引出线、反馈导线，并且表面均布通孔阻尼孔；且巨磁敏电阻与所述铁磁性薄膜位置对应。巨磁敏电阻可随敏感质量块沿垂直于所述铁磁性薄膜上表面的方向振动；敏感质量块左、右两侧边缘均匀分布有驱动梳齿。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李孟委，李锡广，刘俊，刘双红，王莉，石云波，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：