隧道磁阻压力传感器制造技术

一种隧道磁阻压力传感器，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整个下表面的铁磁性薄膜、设置在键合基板上表面中心位置的隧道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通孔，本发明专利技术利用铁磁性薄膜形变引起磁场变化测得压力，被测压力通过通孔作用在沉孔区域的铁磁性薄膜上，使其发生离面形变，导致磁场发生变化，根据隧道磁阻效应，隧道磁敏电阻的阻值会在微弱磁场变化下发生剧烈变化，电阻值的变化将影响到外电路的输出电流或电压变化，由测得的电流或电压值实现对被测压力的测量，本发明专利技术结构合理，检测电路简单，灵敏度高，适合微型化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于测量仪器仪表的应用领域，涉及一种隧道磁阻压力传感器。
技术介绍
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。压力传感器对压力的测量是靠检测装置实现力电转换来完成的，其灵敏度、分辨率十分重要。目前的压力传感器由于受微型化和集成化条件的约束，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。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种隧道磁阻压力传感器，基于隧道磁阻效应，隧道磁敏电阻在微弱的磁场变化下电阻值会产生剧烈的变化，常温下变化率达到200%，比硅压阻效应的变化率高2个数量级以上，而且温度特性好，线性度高，重复性好。隧道磁阻压力传感器适用于温度较高、响应快速、灰尘较多等恶劣环境场合，而且体积小、功率极低，能够通过MEMS方法加工生产，与集成电路工艺集成，具有超高灵敏度，可用于精密测量。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是一种隧道磁阻压力传感器，包括键合基板I ;铁磁性薄膜承载体11，设置在键合基板I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I相连接；铁磁性薄膜3，设置在铁磁性薄膜承载体11的弹性薄膜4的整个下表面；隧道磁敏电阻8，设置在键合基板I上表面中心位置；保护罩6，固定在铁磁性薄膜承载体11的上方，保护罩6上表面的中间设置连通保护罩6的内腔20和外界的通孔7。较佳地，所述的铁磁性薄膜承载体11的X方向的长度小于键合基板I的X方向的长度，键合基板相I对于铁磁性薄膜承载体11有一个延伸区域。较佳地，所述的弹性薄膜4上表面中心位置刻制一个沉孔5，沉孔5的位置与隧道磁敏电阻8的位置正对。弹性薄膜4的整个下表面设置铁磁性薄膜3，为隧道磁敏电阻8提供稳定的磁场。所述的沉孔5，可以刻至铁磁性薄膜3的上表面，以使压力直接作用于铁磁性薄膜3上，导致其形变，在这种情况下，铁磁性薄膜3上表面需要生长一层氧化薄膜起保护作用。较佳地，所述的垫衬框体2为中空框体结构，框体下面与键合基板相连，上面覆盖弹性薄膜4，三者形成一个真空腔21。当该真空腔21与外界压力存在压差时，弹性薄膜4的沉孔区域就会发生形变，设置在沉孔5下面的铁磁性薄膜3相应的发生形变，引起其产生的磁场发生变化。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，所述的隧道磁敏电阻8通过溅射法或分子束外延法设置在键合基板I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12、二氧化钛层13、钼层14、铁酸钴层15、铁酸秘层16。较佳地，所述隧道磁敏电阻8，通过隧道磁敏电阻引出线9与隧道磁敏电阻电极10相连，隧道磁敏电阻电极10设置在键合基板I的延伸区域的上表面。较佳地，所述隧道磁敏电阻8是在半导体材料衬底层上自上到下依次排布上铁磁层17、绝缘层18和下铁磁层19，整个隧道磁敏电阻8为多层纳米膜结构。本专利技术中，被测压力通过保护罩6上的通孔7作用在铁磁性薄膜承载体11的弹性薄膜4上，当外界与真空腔21存在压差时，弹性薄膜4的沉孔5部分由于厚度较薄，将发生Z向弯曲，相应地，设置在沉孔5区域下面的铁磁性薄膜3发生离面形变，引起铁磁性薄膜3产生的磁场发生微弱变化，根据隧道磁阻效应，隧道磁敏电阻8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。本专利技术中，由于隧道磁敏电阻8的阻值在微弱的磁场变化下会发生剧烈变化，该变化可以将隧道磁阻压力传感器的灵敏度提高1-2个数量级，因此，隧道磁阻压力传感器会对微小变化的压力有明显的响应。附图说明图图图图图图I为本专利技术实施例的整体结构的立体图。2为本专利技术实施例的俯视图。3为本专利技术实施例的整体结构的截面图。4为本专利技术实施例的压力敏感原理图。5为本专利技术实施例的铁磁性薄膜结构图。6为本专利技术实施例的隧道磁敏电阻结构图。图7为本专利技术实施例的隧道磁敏电阻与键合基板组合体的平面结构图。图8为本专利技术实施例的压力测量原理图。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细说明，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，仅用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。在本专利技术中，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专利技术，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专利技术的限制。在本专利技术中，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专利技术中的具体含义。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。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。隧道磁敏电阻的电阻值随外加磁场值的变化而改变，并且这种改变对于氧化铝可达30 50%，对于氧化镁可达200%，因此其输出相当可观，灵敏度非常高。正是由于隧道磁敏电阻的这些优点，它逐渐渗透到传感器的行业方面和应用领域，为很多传感器应用领域提供了全新的技术方案。以下结合附图对本专利技术的结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种隧道磁阻压力传感器，其特征在于，包括：键合基板（1）；铁磁性薄膜承载体（11），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（11）的弹性薄膜（4）的整个下表面；隧道磁敏电阻（8），设置在键合基板（1）上表面中心位置；保护罩（6），固定在铁磁性薄膜承载体（11）的上方，保护罩（6）上表面的中间设置连通保护罩（6）的内腔（20）和外界的通孔（7）。

【技术特征摘要】
1.一种隧道磁阻压力传感器，其特征在于，包括 键合基板(I); 铁磁性薄膜承载体(11)，设置在键合基板(I)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(I)相连接； 铁磁性薄膜(3)，设置在铁磁性薄膜承载体(11)的弹性薄膜(4)的整个下表面； 隧道磁敏电阻(8)，设置在键合基板(I)上表面中心位置； 保护罩(6)，固定在铁磁性薄膜承载体(11)的上方，保护罩(6)上表面的中间设置连通保护罩(6)的内腔(20)和外界的通孔(7)。2.根据权利要求I所述的隧道磁阻压力传感器，其特性在于，所述铁磁性薄膜承载体(11)的X方向的长度小于键合基板(I)的X方向的长度，键合基板相(I)对于铁磁性薄膜承载体(11)有一个延伸区域。3.根据权利要求I所述的隧道磁阻压力传感器，其特性在于，所述弹性薄膜(4)上表面中心位置刻制一个沉孔(5)，沉孔(5)的位置与隧道磁敏电阻(8)的位置正对。4.根据权利要求3所述的隧道磁阻压力传感器，其特征在于，所述沉孔(5)向下刻至铁磁性薄膜(3)的上表面，以使压力直接作用于铁磁性薄膜(3)上...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘泽文，李孟委，李锡广，孙振源，
申请(专利权)人：清华大学，中北大学，
类型：发明
国别省市：