专利名称：一种硅基隧道磁阻效应微陀螺的制作方法
技术领域：
本发明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。
背景技术：
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技术领域取代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。

发明内容
本发明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。本发明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。根据本发明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。


图I为本发明实施例的整体结构图；图2为本发明实施例的整体结构的主视图；图3为本发明实施例的微陀螺立体结构图；图4为本发明实施例的敏感质量块的主视图； 图5为本发明实施例的键合基板与垫衬框体组合体的立体结构图；图6为本发明实施例的键合基板与垫衬框体组合体的平面结构图；图7为本发明实施例的组合梁立体结构图；图8为本发明实施例的组合梁的三视图；图9为本发明实施例的固定梳齿结构立体图；图10为本发明实施例的铁磁性薄膜结构图；图11为本发明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，19、固定梳齿电极正极，20、垫衬框体，21、键合基板，22、铁磁性薄膜，23、矩形凹槽，24、衬底层，25、绝缘层，26、钽层，27、镍铁层，28、铜层，29、钴层，30、铁锰层，31、钽层，32、二氧化娃层,33、二氧化钛层,34、钼层,35、铁酸钴层,36、铁酸秘层,37、组合梁,38、微陀螺，39、三氧化二铝层
具体实施例方式下面详细描述本发明的实施例，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元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，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。在本发明的描述中，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；可以是直接相连，也可以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而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。以下结合附图对本发明做进一步说明
如图1-2所示，根据本发明的实施例的微机械陀螺仪，包括键合基板21，垫衬框体20，铁磁性薄膜22和微陀螺38。具体而言，可以以键合基板21为载体，例如键合基板21可以由半导体材料制成，键合基板21中心位置设有用以提供非均匀磁场的铁磁性薄膜22 ;并且键合基板21上设有矩形中空垫衬框体20，该垫衬框体20与键合基板21共同形成可为敏感质量块I提供运动空间的矩形凹槽23。需要说明的是，垫衬框体20可以不是必需的，也可以考虑先在键合基板21上刻蚀出一个矩形凹槽23 (图中为示出)，然后再在此凹槽中制作铁磁性薄膜22，这样矩形凹槽的提供体是一个整体而不再是组合体结构。微陀螺38可以设在垫衬框体20之上并与垫衬框体20粘结牢固，且微陀螺38包括对应设在矩形凹槽23上方的敏感质量块I。敏感质量块上表面设有巨磁敏电阻6作为敏感部件，且巨磁敏电阻6与铁磁性薄膜22位置对应。巨磁敏电阻6可随敏感质量块I沿垂直于所述铁磁性薄膜22上表面的方向振动。 根据本发明实施例的微机械陀螺仪，采用整体结构设计，结构设计合理紧凑，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I上表面制作有巨磁敏电阻6,其正对于键和基板21上表面的铁磁性薄膜22,在微弱的磁场变化下巨磁敏电阻6的阻值会发生剧烈变化，该变化可将微机械陀螺仪的灵敏度提高1-2个数量级，此装置的检测电路设计简单、使用方便、可靠性好，适合微型化。如图3所示，根据本发明的一个实施例，微陀螺38包括敏感质量块I、固定座3、固定梳齿5、巨磁敏电阻6、巨磁敏电阻引出线7、巨磁敏电阻电极8、驱动梳齿9、反馈导线16、反馈导线电极17、梳齿电极负极18、固定梳齿电极正极19、组合梁37。具体而言，固定梳齿电极正极19可以为两个分别设在垫衬框体20左、右两侧边框上表面之上,并粘结牢固，并且两个固定梳齿电极正极19上表面分别设有固定梳齿5，并粘结牢固；梳齿电极负极18为敏感质量块左、右两侧驱动梳齿的电极，可以为前、后两个，分别设在垫衬框体20前、后边框上表面之上，并粘结牢固，并且梳齿电极负极18上表面分别设有固定座3，并粘结牢固；敏感质量块I可以通过组合梁37与固定座相连接；巨磁敏电阻6为两根，可以设置在敏感质量块I上表面的中间位置，且巨磁敏电阻6呈“IiH，，形，二者结构相同交叉分布，且整体正对于键合基板21上表面制作的铁磁性薄膜层22 ;巨磁敏电阻引出线7将巨磁敏电阻6引出，末端经由回折形组合梁37与固定座3上表面的巨磁敏电阻电极8相连接；反馈导线16对称分布于敏感质量块I的上表面，末端经由组合梁37与固定座3上表面的反馈导线电极17相连接；驱动梳齿9均匀分布于敏感质量块I的左、右两侧边缘，且与固定梳齿5交叉吻合。如图4所示，根据本发明的一个实施例，敏感质量块I呈矩形，通过组合梁37连接于固定座3的内侧四角部位，正好内嵌于垫衬框体20与键合基板21形成的组合体矩形凹槽23的中央位置。敏感质量块I可以用半导体材料制作，在组合梁37的支撑下，敏感质量块I可在垫衬框体20与键合基板21形成的组合体矩形凹槽23中沿前、后、左、右、上、下方向自由振动。如图5-6所示，根据本发明的一个实施例，键合基板与垫衬框体的组合体包括垫衬框体20、键合基板21、铁磁性薄膜22。垫衬框体20为矩形框体，前后边框与梳齿电极负极以及固定座宽度相同，垫衬框体20的厚度视微陀螺仪的检测量程和阻尼系数确定，键合基板21中间位置与敏感质量块I上巨磁敏电阻6正对处设有铁磁性薄膜22，铁磁性薄膜22的形状和面积根据巨磁敏电阻6对磁场强度的强弱及分布需要情况而定。如图7-8所示，根据本发明的一个实施例，组合梁37包括驱动梁11、检测梁12、连接块13。组合梁37端部为连接块13，在连接块13的左右部对称设置有驱动梁11，在两驱动梁11之间为检测梁12，检测梁12端部接连接块13，三者为一体结构。驱动梁11与连接块13厚度相同，检测梁12的厚度小于驱动梁11和连接块13，连接块13、驱动梁11的厚度与敏感质量块I的厚度相同。保证检测梁12在Z轴方向上的总刚度也远远小于驱动梁11在Z轴方向上的总刚度，可以实现微陀螺在驱动方向、即X轴方向和检测方向、即Z轴方向上的自解耦。优选的，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 I，，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
M
ο如图9所示，根据本发明的一个实施例，固定梳齿5包括固定梳齿基座4、梳齿14、梳齿槽15，固定梳齿基座4键合于固定梳齿电 极正极19之上，固定梳齿5的一侧等间距设置梳齿14，梳齿14之间为梳齿槽15，梳齿14、梳齿槽15与敏感质量块I上的驱动梳齿9交叉关联，固定梳齿5与敏感质量块的厚度相同。如图10所示，根据本发明的一个实施例，铁磁性薄膜层22可以为多层结构。由此，可以更好地和巨磁敏电阻6配合使用。优选地，铁磁性薄膜层22可以包括在键合基板21的上表面依次排布的二氧化娃层32、二氧化钛层33、钼层34、铁酸钴层35和铁酸秘层36。需要说明的是，上述的铁磁性薄膜层22可以采用通过分子束外延设计制作的，分子束外延是一种在半导体晶片上生长高质量的晶体薄膜，在真空条件下，按晶体结构排列一层一层地生长在键合基板21上，并形成纳米级膜层，逐层淀积，在沉积过程中，需要严格控制成膜的质量、厚度，以避免成膜的质量和厚度影响微机械陀螺仪的检测精度和灵敏度。另外，由于此处铁磁性薄膜22作用是为巨磁敏电阻6提供稳定的非均匀磁场，因此，在铁磁性薄膜22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22加以代替。如图11所示，根据本发明的一个实施例，巨磁敏电阻6包括在半导体材料衬底层24(敏感质量块I的上表面)上依次排布的绝缘层25、钽层26、镍铁层27、铜层28、三氧化二铝层39、钴层29、铁锰层30和钽层31。需要说明的是，上述的巨磁敏电阻6可以采用分子束外延技术设计制作，分子束外延是一种在半导体晶片上生长高质量的晶体薄膜的技术，在真空条件下，按晶体结构排列一层一层的生长在半导体材料衬底层24上，并形成纳米级膜层，逐层淀积，在沉积过程中，需要严格控制成膜的质量、厚度，以避免成膜的质量和厚度影响微机械陀螺仪的检测精度和灵敏度。敏感质量块I在驱动梳齿9的驱动作用力下，沿X轴方向做线性简谐振动，当陀螺仪在Y轴方向上有角速度输入时，由于哥氏力的作用，敏感质量块I将在Z轴方向上产生进动。因间距发生变化，由键合基板21上表面的铁磁性薄膜层22产生的磁场在敏感质量块I上巨磁敏电阻6位置处的强度会增大或减小。磁场强度的变化引起隧道磁阻效应使巨磁敏电阻6的阻值发生剧烈的变化。这样就可把一个微弱的哥氏力信号转化为一个较强的电学信号，通过对该信号的处理就可以检测出Y轴方向输入角速度的大小。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。尽管已经 示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
权利要求
1.一种微机械陀螺仪，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。
2.根据权利要求I所述的微机械陀螺仪，其特征在于，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。
3.根据权利要求I所述的微机械陀螺仪，其特征在于，所述的铁磁性薄膜为多层结构。
4.根据权利要求3所述的微机械陀螺仪，其特征在于，所述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。
5.根据权利要求I所述的微机械陀螺仪，其特征在于，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。
6.根据权利要求5所述的微机械陀螺仪，其特征在于，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。
7.根据权利要求5所述的微机械陀螺仪，其特征在于，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。
8.根据权利要求5所述的微机械陀螺仪，其特征在于，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。
9.根据权利要求5所述的微机械陀螺仪，其特征在于，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。
10.根据权利要求5所述的微机械陀螺仪，其特征在于，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《 1_，，形驱动梁。
全文摘要
本发明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。
文档编号G01C19/5733GK102853826SQ201210329748
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月7日 优先权日2012年9月7日
发明者李孟委, 李锡广, 刘俊, 刘双红, 王莉, 石云波 申请人:中北大学