專(zhuān)利名稱(chēng)：巨磁阻式壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測(cè)量?jī)x器儀表的應(yīng)用領(lǐng)域，涉及一種巨磁阻式壓力傳感器。
背景技術(shù)：
壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)。常用的壓力傳感器有電阻應(yīng)變式壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變式壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器等。電阻應(yīng)變式壓力傳感器在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變化較小，造成靈敏度低；半導(dǎo)體應(yīng)變式壓力傳感器由于受晶向、雜質(zhì)等因素的影響，靈敏度離散程度大，溫度穩(wěn)定性差并且在較大應(yīng)變作用下非線性誤差大，給使用帶來(lái)一定困難；壓阻式壓力傳感器是基于高摻雜硅的壓阻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，高摻雜硅形成的壓敏器件對(duì)溫度有較強(qiáng)的依賴性，由壓敏器件組成的電橋檢測(cè)電路也會(huì)因溫度 變化引起靈敏度漂移；電感式壓力傳感器，體積比較大，很難實(shí)現(xiàn)微型化；電容式壓力傳感器精度的提高是利用增大電容面積來(lái)實(shí)現(xiàn)的，隨著器件的微型化，其精度因有效電容面積減小而難以提高；諧振式壓力傳感器要求材料質(zhì)量較高，加工工藝復(fù)雜，導(dǎo)致生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成本較高，另外，其輸出頻率與被測(cè)量往往是非線性關(guān)系，需進(jìn)行線性化處理才能保證良好的精度。壓力傳感器對(duì)壓力的測(cè)量是靠檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換來(lái)完成的，其靈敏度、分辨率十分重要。目前的壓力傳感器由于受微型化和集成化條件的約束，使檢測(cè)的靈敏度、分辨率等指標(biāo)已達(dá)到敏感區(qū)域檢測(cè)的極限狀態(tài)，從而限制了壓力傳感器檢測(cè)精度的進(jìn)一步提高，很難滿足現(xiàn)代軍事、民用裝備的需要。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種巨磁阻式壓力傳感器，基于巨磁阻效應(yīng)，巨磁敏電阻的電阻值在微弱的磁場(chǎng)變化下會(huì)產(chǎn)生劇烈的變化，巨磁阻效應(yīng)可以使傳感器的靈敏度提高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，而且溫度特性好，線性度好。巨磁阻式壓力傳感器適用于各種場(chǎng)合，能夠通過(guò)MEMS方法加工生產(chǎn)，具有超高靈敏度，可用于精密測(cè)量。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種巨磁阻式壓力傳感器，包括鍵合基板I ;鐵磁性薄膜承載體11，設(shè)置在鍵合基板I上方，上部分為彈性薄膜4，下部分為墊襯框體2，墊襯框體2四周與鍵合基板I相連接；鐵磁性薄膜3，設(shè)置在鐵磁性薄膜承載體11的彈性薄膜4的整個(gè)下表面；巨磁敏電阻8，設(shè)置在鍵合基板I上表面中心位置；保護(hù)罩6，固定在鐵磁性薄膜承載體11的上方，保護(hù)罩6上表面的中間設(shè)置連通保護(hù)罩6的內(nèi)腔24和外界的通孔7。較佳地，所述的鐵磁性薄膜承載體11的X方向的長(zhǎng)度小于鍵合基板I的X方向的長(zhǎng)度，鍵合基板I相對(duì)于鐵磁性薄膜承載體11有一個(gè)延伸區(qū)域。較佳地，所述的彈性薄膜4上表面中心位置刻制一個(gè)沉孔5，沉孔5為具有一定厚度的圓形孔。沉孔5的位置與巨磁敏電阻8的位置正對(duì)。彈性薄膜4的整個(gè)下表面設(shè)置鐵磁性薄膜3，為巨磁敏電阻8提供穩(wěn)定的磁場(chǎng)。所述的沉孔5，可以刻至鐵磁性薄膜3的上表面，以使壓力直接作用于鐵磁性薄膜3上，導(dǎo)致其形變，在這種情況下，鐵磁性薄膜3上表面需要生長(zhǎng)一層氧化薄膜起保護(hù)作用。較佳地，所述的墊襯框體2為中空框體結(jié)構(gòu)，框體下面與鍵合基板相連，上面覆蓋彈性薄膜4，三者形成一個(gè)真空腔25。當(dāng)該真空腔25與外界壓力存在壓差時(shí)，彈性薄膜4的沉孔區(qū)域就會(huì)發(fā)生形變，設(shè)置在沉孔5下面的鐵磁性薄膜3相應(yīng)的發(fā)生形變，引起其產(chǎn)生的磁場(chǎng)發(fā)生變化。較佳地，所述的鐵磁性薄膜3通過(guò)濺射法或分子束外延法設(shè)置在彈性薄膜4的下表面，所述的巨磁敏電阻8通過(guò)濺射法或分子束外延法設(shè)置在鍵合基板I的上表面。較佳地，所述的鐵磁性薄膜3為多層結(jié)構(gòu)，可以是自上到下依次為二氧化硅層12、二氧化鈦層13、鉬層14、鐵酸鈷層15、鐵酸秘層16。較佳地，所述巨磁敏電阻8通過(guò)巨磁敏電阻引出線9與巨磁敏電阻電極10相連，巨磁敏電阻電極10設(shè)置在鍵合基板I的延伸區(qū)域的上表面。較佳地，所述巨磁敏電阻8為多層結(jié)構(gòu)，自上到下依次為上鉭層17、鐵錳層18、鈷層19、銅層20、鎳鐵層21、下鉭層22以及絕緣層23。本發(fā)明中，被測(cè)壓力通過(guò)保護(hù)罩6上的通孔7作用在鐵磁性薄膜承載體11的彈性薄膜4上，當(dāng)外界與真空腔25存在壓差時(shí)，彈性薄膜4的沉孔5部分由于厚度較薄，將發(fā)生Z向彎曲，相應(yīng)地，設(shè)置在沉孔5區(qū)域下面的鐵磁性薄膜3發(fā)生離面形變，引起鐵磁性薄膜3產(chǎn)生的磁場(chǎng)發(fā)生微弱變化，根據(jù)巨磁阻效應(yīng)，巨磁敏電阻8的阻值會(huì)在微弱磁場(chǎng)變化下發(fā)生劇烈變化，電阻值變化影響輸出到外電路的電流或電壓變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)壓力的測(cè)量。[0021 ] 本發(fā)明中，由于巨磁敏電阻的阻值在微弱的磁場(chǎng)變化下會(huì)發(fā)生劇烈變化，該變化可以將巨磁阻式壓力傳感器的靈敏度提高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，巨磁阻式壓力傳感器會(huì)對(duì)微小變化的壓力有明顯的響應(yīng)。

圖1為發(fā)明實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)的立體圖。圖2為發(fā)明實(shí)施例的俯視圖。圖3為發(fā)明實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)的截面圖。圖4為發(fā)明實(shí)施例的壓力敏感原理圖。圖5為發(fā)明實(shí)施例的鐵磁性薄膜結(jié)構(gòu)圖。圖6為發(fā)明實(shí)施例的巨磁敏電阻結(jié)構(gòu)圖。圖7為發(fā)明實(shí)施例的巨磁敏電阻與鍵合基板組合體的平面結(jié)構(gòu)圖。圖8為發(fā)明實(shí)施例的壓力測(cè)量原理圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類(lèi)似的標(biāo)號(hào)表示相同或類(lèi)似的原件或具有相同或類(lèi)似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。在本發(fā)明中，需要解釋的是，術(shù)語(yǔ)“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示
的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述和簡(jiǎn)化描述本發(fā)明，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。在本發(fā)明中，需要說(shuō)明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接連接，也可以是通過(guò)中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，可以具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明中的具體含義。巨磁阻效應(yīng)，是指磁性材料的電阻率在有外磁場(chǎng)作用時(shí)較之無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)存在巨大變化的現(xiàn)象。巨磁阻效應(yīng)是一種量子力學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)現(xiàn)象，可以在磁性材料和非磁性材料相間的薄膜層結(jié)構(gòu)中觀察到。這種結(jié)構(gòu)是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成，物質(zhì)的電阻值與鐵磁性材料薄膜層的磁化方向有關(guān)，當(dāng)鐵磁層的磁矩相互平行時(shí)，載流子與自旋有關(guān)的散射最小，材料有最小的電阻，當(dāng)鐵磁層的磁矩為反平行時(shí)，與自旋有關(guān)的散射最強(qiáng)，材料的電阻最大，故電阻在很弱的外加磁場(chǎng)下具有很大的變化量。
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理、工作原理作更詳細(xì)的說(shuō)明。如圖1、2、3所示，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，巨磁阻式壓力傳感器，包括鍵合基板1、鐵磁性薄膜3、保護(hù)罩6、巨磁敏電阻8和鐵磁性薄膜承載體11。具體而言，裝置以鍵合基板I為載體；鐵磁性薄膜承載體11設(shè)在鍵合基板I的上方，其四周與鍵合基板I相連接，鐵磁性薄膜承載體11由上部分的彈性薄膜4和下部分的墊襯框體2兩部分組成；鐵磁性薄膜3設(shè)置在彈性薄膜4的整個(gè)下表面區(qū)域，為巨磁敏電阻8提供穩(wěn)定的磁場(chǎng)；巨磁敏電阻8作為敏感部件，設(shè)置在鍵合基板I上表面的中心位置；保護(hù)罩6，可以用硅材料制作，連接在鐵磁性薄膜承載體11的上方，保護(hù)罩6的上表面中心位置設(shè)置有通孔形式的通孔7，用來(lái)連通內(nèi)腔24和外界。本發(fā)明實(shí)施例中，所述的鐵磁性薄膜承載體11的X方向的長(zhǎng)度小于鍵合基板I的X方向的長(zhǎng)度，鐵磁性薄膜承載體11的邊界26位于鍵合基板I上表面內(nèi)部，鍵合基板I相對(duì)于鐵磁性薄膜承載體11有一個(gè)延伸區(qū)域。本發(fā)明實(shí)施例中，所述的彈性薄膜4的上表面中心位置刻制具有一定厚度的圓形沉孔5，沉孔5與鍵合基板I上表面的巨磁敏電阻8位置正對(duì)。所述的沉孔5作用在于使彈性薄膜4的中間區(qū)域變薄，當(dāng)受壓力作用時(shí)，彈性薄膜4更容易發(fā)生形變，沉孔5甚至可以刻至鐵磁性薄膜3的上表面，以使壓力直接作用于其上，在這種情況下，鐵磁性薄膜3上表面需要生長(zhǎng)一層氧化薄膜起保護(hù)作用。本發(fā)明實(shí)施例中，所述的墊襯框體2，為中空框體結(jié)構(gòu)，其厚度由檢測(cè)量程確定。墊襯框體2，下面與鍵合基板I相連，上面覆蓋彈性薄膜3，三者形成一個(gè)真空腔25。真空腔25的作用有兩個(gè)，一是使外界與真空腔25存在壓差，彈性薄膜4受壓差作用發(fā)生Z向彎曲，引起設(shè)置在彈性薄膜4下表面的鐵磁性薄膜3發(fā)生離面形變；二是為鐵磁性薄膜3的形變提供一個(gè)運(yùn)動(dòng)空間。如圖4所示，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，外界的氣體通過(guò)保護(hù)罩6上的通孔7進(jìn)入內(nèi)腔24，當(dāng)真空腔25與外界壓力存在壓差時(shí)，由于彈性薄膜4中間沉孔5區(qū)域厚度較薄，在壓差作用下將發(fā)生Z向彎曲，相應(yīng)地，設(shè)置在沉孔5下面的鐵磁性薄膜3發(fā)生離面形變，造成鐵磁性薄膜3所產(chǎn)生的磁場(chǎng)也會(huì)發(fā)生微弱的變化，根據(jù)巨磁阻效應(yīng)，巨磁敏電阻8的阻值會(huì)在微弱磁場(chǎng)變化下發(fā)生劇烈變化，從而影響輸出到外電路的電流或電壓變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)壓力的測(cè)量。巨磁敏電阻8的阻值在磁場(chǎng)的微弱變化下發(fā)生劇烈的變化，該變化可將壓力傳感器的靈敏度提高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，此裝置的檢測(cè)電路簡(jiǎn)單、使用方便、可靠性好，適合微型化。如圖5所示，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，鐵磁性薄膜3為多層結(jié)構(gòu)。由此，可以更 好地和巨磁敏電阻8配合使用。優(yōu)選地，鐵磁性薄膜層可以包括彈性薄膜4的上表面向下依次為二氧化硅層12、二氧化鈦層13、鉬層14、鐵酸鈷層15和鐵酸鉍層16。需要說(shuō)明的是，上述的鐵磁性薄膜3可以采用通過(guò)分子束外延設(shè)計(jì)制作，分子束外延是一種在半導(dǎo)體晶片上生長(zhǎng)高質(zhì)量的晶體薄膜的新技術(shù)，在真空條件下，按晶體結(jié)構(gòu)排列一層一層地生長(zhǎng)在彈性薄膜上，并形成納米級(jí)膜層，逐層淀積，在沉積過(guò)程中，需要嚴(yán)格控制成膜的質(zhì)量、厚度，以避免成膜的質(zhì)量和厚度影響壓力傳感器的檢測(cè)精度和靈敏度。如圖6所示，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，巨磁敏電阻8包括鍵合基板I向上依次排布的絕緣層23、下鉭層22、鎳鐵層21、銅層20、鈷層19、鐵錳層18和上鉭層17。需要說(shuō)明的是，所述的巨磁敏電阻8可以采用分子束外延技術(shù)設(shè)計(jì)制作，分子束外延是一種在半導(dǎo)體晶片上生長(zhǎng)高質(zhì)量的晶體薄膜，在真空條件下，按晶體結(jié)構(gòu)排列一層一層的生長(zhǎng)在鍵合基板I的上表面上，并形成納米級(jí)膜層，逐層淀積，在沉積過(guò)程中，需要嚴(yán)格控制成膜的質(zhì)量、厚度，以避免成膜的質(zhì)量和厚度影響壓力傳感器的檢測(cè)精度和靈敏度。如圖7所示，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，巨磁敏電阻8呈“■，，形，鍵合基板上表面I設(shè)有巨磁敏電阻8、巨磁敏電阻引出線9、巨磁敏電阻電極10。巨磁敏電阻8設(shè)在鍵合基板I的上表面的中心位置，巨磁敏電阻電極10設(shè)在鍵合基板I的延伸區(qū)域的上表面。巨磁敏電阻8通過(guò)巨磁敏電阻引出線9與巨磁敏電阻電極10相連。本發(fā)明的工作原理為被測(cè)壓力通過(guò)保護(hù)罩6上的通孔7進(jìn)入內(nèi)腔24中，當(dāng)內(nèi)腔24中的外界壓力與真空腔25中的壓力存在壓差時(shí)，彈性薄膜4中間沉孔5區(qū)域受壓差作用發(fā)生Z向彎曲，設(shè)置在沉孔5下面的鐵磁性薄膜3也發(fā)生離面形變，引起鐵磁性薄膜3所產(chǎn)生的磁場(chǎng)發(fā)生微弱的變化，根據(jù)巨磁阻效應(yīng)，巨磁敏電阻8的阻值會(huì)在微弱磁場(chǎng)變化下發(fā)生劇烈變化。巨磁敏電阻8作為惠斯通電橋的一個(gè)臂，當(dāng)其阻值發(fā)生變化時(shí)，引起外電路的輸出電壓或電流發(fā)生變化，根據(jù)電信號(hào)與壓力的關(guān)系得到所測(cè)得壓力。在本說(shuō)明書(shū)的描述中，參考術(shù)語(yǔ)“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示意性實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說(shuō)明書(shū)中，對(duì)上述術(shù)語(yǔ)的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多樣的變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍有權(quán)利要求及其等同物限定。
權(quán)利要求1.一種巨磁阻式壓力傳感器，其特征在于，包括鍵合基板(I);鐵磁性薄膜承載體(11)，設(shè)置在鍵合基板(I)上方，上部分為彈性薄膜(4)，下部分為墊襯框體(2)，墊襯框體(2)四周與鍵合基板(I)相連接；鐵磁性薄膜(3)，設(shè)置在鐵磁性薄膜承載體(11)的彈性薄膜(4)的整個(gè)下表面；巨磁敏電阻(8)，設(shè)置在鍵合基板(I)上表面中心位置；保護(hù)罩(6)，固定在鐵磁性薄膜承載體(11)的上方，保護(hù)罩(6)上表面的中間設(shè)置連通保護(hù)罩(6)的內(nèi)腔(24)和外界的通孔(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巨磁阻式壓力傳感器，其特性在于，所述鐵磁性薄膜承載體(11)的X方向的長(zhǎng)度小于鍵合基板(I)的X方向的長(zhǎng)度，鍵合基板(I)相對(duì)于鐵磁性薄膜承載體(11)有一個(gè)延伸區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巨磁阻式壓力傳感器，其特性在于，所述彈性薄膜(4)上表面中心位置刻制一個(gè)沉孔(5)，沉孔(5)的位置與巨磁敏電阻(8)的位置正對(duì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的巨磁阻式壓力傳感器，其特征在于，所述沉孔(5)向下刻至鐵磁性薄膜(3)的上表面，以使壓力直接作用于鐵磁性薄膜(3)上導(dǎo)致其形變，且鐵磁性薄膜 (3)上表面生長(zhǎng)有一層起保護(hù)作用的氧化薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巨磁阻式壓力傳感器，其特征在于，所述墊襯框體(2)為中空框體結(jié)構(gòu)，框體下面與鍵合基板相連，上面覆蓋彈性薄膜(4 )，三者形成真空腔(25 )。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巨磁阻式壓力傳感器，其特征在于，所述的鐵磁性薄膜(3)為多層結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的巨磁阻式壓力傳感器，其特征在于，所述多層結(jié)構(gòu)是自上到下依次為二氧化硅層(12)、二氧化鈦層(13)、鉬層(14)、鐵酸鈷層(15)、鐵酸鉍層(16)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巨磁阻式壓力傳感器，其特征在于，所述巨磁敏電阻(8)通過(guò)巨磁敏電阻引出線(9)與巨磁敏電阻電極(10)相連。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的巨磁阻式壓力傳感器，其特征在于，所述巨磁敏電阻電極 (10)設(shè)置在鍵合基板(I)的延伸區(qū)域的上表面。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巨磁阻式壓力傳感器，其特征在于，所述巨磁敏電阻(8)為多層結(jié)構(gòu)，自上到下依次為上鉭層(17)、鐵錳層(18)、鈷層(19)、銅層(20)、鎳鐵層(21)、下鉭層(22)以及絕緣層(23)。
專(zhuān)利摘要一種巨磁阻式壓力傳感器，包括鍵合基板、設(shè)置在鍵合基板上方的鐵磁性薄膜承載體、設(shè)置在鐵磁性薄膜承載體的彈性薄膜的整個(gè)下表面的鐵磁性薄膜、設(shè)置在鍵合基板上表面中心位置的巨磁敏電阻以及固定在鐵磁性薄膜承載體上方的保護(hù)罩，保護(hù)罩上表面的中間設(shè)置連通保護(hù)罩的內(nèi)腔和外界的通孔，本實(shí)用新型利用鐵磁性薄膜形變引起磁場(chǎng)變化測(cè)得壓力，被測(cè)壓力通過(guò)通孔作用在沉孔區(qū)域的鐵磁性薄膜上，使其發(fā)生離面形變，導(dǎo)致磁場(chǎng)發(fā)生變化，根據(jù)巨磁阻效應(yīng)，巨磁敏電阻的阻值會(huì)在微弱磁場(chǎng)變化下發(fā)生劇烈變化，電阻值的變化將影響到外電路的輸出電流或電壓變化，由測(cè)得的電流或電壓值實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)壓力的測(cè)量。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)合理，檢測(cè)電路簡(jiǎn)單，靈敏度高，適合微型化。
文檔編號(hào)G01L1/12GK202853818SQ201220541990
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月22日
發(fā)明者劉澤文, 李孟委, 李錫廣, 孫振源 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 中北大學(xué)