基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪的制作方法

文档序号:5951072阅读:144来源:国知局
专利名称:基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪的制作方法
技术领域
本发明涉及微惯性导航技术领域,具体而言,涉及一种基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪。
背景技术
目前,微型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。

发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。有鉴于此,本发明需要提供基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪,该微机械陀螺仪为基于巨磁阻效应的基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪,至少可以提高微机械陀螺仪的检测精度。本发明提供了一种基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪,包括键合基板;两组巨磁敏电阻,所述两组巨磁敏电阻设在所述键合基板的上表面,且所述两组巨磁敏电阻分别由回折形电阻构成;和微陀螺,所述微陀螺设在所述键合基板的上方并与所述键合基板连接,且微陀螺包括对应地设在所述两组巨磁敏电阻上方的两个敏感质量块,所述两个敏感质量块的下表面上设有铁磁性薄膜层且所述铁磁性薄膜层与所述巨磁敏电阻的上表面之间间隔开,且所述敏感质量块可沿垂直于所述巨磁敏电阻的上表面的方向振动。根据本发明实施例的基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪,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,敏感质量块的下表面制作有铁磁性薄膜层,其正对于键合基板上的区域制作有巨磁敏电阻,在微弱的磁场变化下巨磁敏电阻的阻值发生剧烈的变化,该变化可将微机械陀螺的灵敏度提高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。根据本发明的一个实施例,所述铁磁性薄膜层为多层结构。根据本发明的一个实施例,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。根据本发明的一个实施例,所述巨磁敏电阻包括在半导体材料衬底层上依次排布的钽层、镍铁层、铜层、钴层、锰层和钽层。根据本发明的一个实施例,所述微陀螺进一步包括检测梁,所述检测梁与所述敏感质量块连接;连接外框,所述连接外框与所述检测梁连接,且所述连接外框的相对侧形成有第一梳齿;连接外框伸出臂,所述连接外框伸出臂由所述连接外框向外伸出,且所述连接外框伸出臂上设有第二梳齿;和驱动梁,所述驱动梁与所述连接外框和键合基板分别连接,以对所述敏感质量块进行定位。根据本发明的一个实施例,所述键合基板上设置有与所述驱动梁连接的锚点,以通过所述锚点将所述驱动梁键合在所述键合基板上,并将所述连接外框悬于所述键合基板之上。根据本发明的一个实施例,所述键合基板上设有与所述第一梳齿交叉吻合的第一梳齿基座和与所述第二梳齿交叉吻合的第二梳齿基座,所述第一梳齿基座和所述第二梳齿基座上分别形成有梳齿,所述梳齿可伸入到所述第一梳齿和所述第二梳齿中。根据本发明的一个实施例,所述敏感质量块为矩形,且内嵌在所述连接外框之中,所述敏感质量块四个角通过检测梁与所述连接外框连接。根据本发明的一个实施例,所述键合基板与所述连接外框之间形成有键合层,所述键合层包括在半导体材料衬底层上由下至上依次排布的钛层和金层。根据本发明的一个实施例,所述键合基板上设有键合位连接线。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。


本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中图I显示了根据本发明实施例的基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪的立体结构示意图;图2显示了根据本发明实施例的基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪的主视示意图;图3显示了根据本发明实施例的基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪的微陀螺的立体结构示意图;图4显示了根据本发明实施例的基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪的微陀螺的为平面结构示意图;图5显示了图4沿A-A剖面线的横截面的结构示意图;图6显示了根据本发明实施例的基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪的键合基板的立体结构示意图;图7显示了根据本发明实施例的基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪的键合基板的平面结构示意图;图8显示了根据本发明实施例的基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪的铁磁性薄膜的结构不意图;
图9显示了根据本发明实施例的基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪的巨磁敏电阻的结构不意图;和图10显示了根据本发明实施例的基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪的键合层的结构示意图。
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”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”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。此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。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“安装”、“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。巨磁阻效应是一种量子力学和凝聚态物理学现象,是磁阻效应的一种,可以在磁性材料和非磁性材料相间的纳米薄膜层结构中观察到。这种结构物质的电阻值与铁磁性材料薄膜层的磁化方向有关,两层磁性材料磁化方向相反情况下的电阻值,明显大于磁化方向相同时的电阻值,电阻在很弱的外加磁场下具有很大的变化量。将巨磁阻效应和陀螺哥氏效应相结合,并应用于微机械陀螺仪的检测,可以提高微机械陀螺仪的检测精度。如图1-2所示,根据本发明的实施例的基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪,包括键合基板10、两组巨磁敏电阻20和微陀螺30。具体而言,可以以键合基板10为载体,例如键合基板10可以由半导体材料制成,将两组巨磁敏电阻20设在键合基板10的上表面,并且两组巨磁敏电阻20可以分别由回折形电阻构成。微陀螺30可以设在键合基板10的上方并与键合基板10连接,且微陀螺30可以包括对应地设在两组巨磁敏电阻20上方的两个敏感质量块40,敏感质量块可以用半导体材料,例如为硅材料制成,两个敏感质量块40的下表面上设有铁磁性薄膜层41且铁磁性薄膜层41与巨磁敏电阻20的上表面之间间隔开,且敏感质量块40可沿垂直于巨磁敏电阻20的上表面的方向振动。根据本发明实施例的基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪,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40的下表面制作有铁磁性薄膜层41,其正对于键合基板10上的区域制作有巨磁敏电阻20,在微弱的磁场变化下巨磁敏电阻20的阻值发生剧烈的变化,该变化可将基于巨磁阻效应的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8所示,根据本发明的一个实施例,铁磁性薄膜层41可以为多层结构。由此,可以更好地和巨磁敏电阻20配合使用。优选地,铁磁性薄膜层41可以包括在半导体材料衬底层141 (敏感质量块40的底面)上依次排布的二氧化硅层142、二氧化钛层143、钼层144、铁酸钴层145和铁酸铋层146。需要说明的是,上述的铁磁性薄膜层41可以采用通过分子数外延设计制作的,分子数外延使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层的生长在半导体材料衬底层141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基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪的检测精度和灵敏度。如图9所示,根据本发明的一个实施例,巨磁敏电阻20包括在半导体材料衬底层141 (键合基板10的上表面)上依次排布的钽层147、镍铁层148、铜层149、钴层150、锰层151和钽层152。需要说明的是,上述的巨磁敏电阻20可以采用通过分子数外延设计制作的,分子数外延使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层的生长在半导体材料衬底层141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基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪的检测精度和灵敏度。 如图1-10所示,跟据本发明的一个实施例,微陀螺30进一步包括检测梁31、连接外框32、连接外框伸出臂33和驱动梁34。具体而言,检测梁31可以与敏感质量块40连接。敏感质量块40可以为正方形,每个敏感质量块40的四角部位与检测梁连接,例如检测梁31可以具有检测梁连接块311,该检测梁连接块311用于连接检测梁31和敏感质量块40,在敏感质量块40的四角部位与检测梁连接块311相连。其中,与两块敏感质量块40连接的检测梁31及检测梁连接块呈对称分布。连接外框32与检测梁31连接,且连接外框32的相对侧形成有第一梳齿51。连接外框伸出臂33由连接外框32向外伸出,且连接外框伸出臂33上设有第二梳齿52。驱动梁34与连接外框32和键合基板10分别连接,以对敏感质量块40进行定位。需要说明的是,键合基板10与连接外框32之间形成有键合层60。具体地,键合基板10上设置有与驱动梁34连接的锚点61,以通过锚点61将驱动梁34键合在键合基板10上,并将连接外框32悬于键合基板10之上。可选地,键合基板10上设有与第一梳齿51交叉吻合的第一梳齿基座18和与第二梳齿52交叉吻合的第二梳齿基座16,第一梳齿基座18和第二梳齿基座16上分别形成有第三梳齿53和第四梳齿54,第三梳齿53和第四梳齿54可分别伸入到第一梳齿51和第二梳齿52中。具体而言,键合层60上分别牢固键合有锚点61,在锚点61上连接驱动梁34的一端,驱动梁34的另一端连接于连接外框32的外侧四角部位,连接外框32的左右(参见图2中的左右方向)外侧面分别制作有第一梳齿51,在键合基板10上可以形成有第一梳齿基座键合层19,在第一梳齿基座键合层19上可以牢固键合有第一梳齿基座18。第一梳齿基座18的右侧面制作有第三梳齿53,且与连接外框32上的外左侧的第一梳齿51交叉吻合。连接外框32的外上下侧面分别制作有连接外框伸出臂33,在键合基板上相对应的设置有第二梳齿基座键合层17,在第二梳齿基座键合层17牢固键合有第二梳齿基座16,第二梳齿基座16的侧面制作有第二梳齿基座伸出臂161,第二梳齿基座伸出臂161的一侧设有第四梳齿54,第四梳齿54且与连接外框伸出臂33侧面制作的第二梳齿52交叉吻合。
在键合基板10上的键合层60的区域的上面分别制作有驱动电极70,通过键合位连接线71连接驱动电极70和扩展梳齿键合层17以及梳齿基座键合层19。如图10所示,根据本发明的一个实施例,键合基板10与连接外框32之间形成有键合层60。换句或说,键合基板10和连接外框32可以通过键合层连接。键合层60包括在半导体材料衬底层41 (键合基板10的上表面)上由下至上依次排布的钛层153和金层154。需要说明的是,上述键合层60可以采用通过分子数外延设计制作的,分子数外延使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层的生长在半导体材料衬底层141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基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪的检测精度和灵敏度。下面参考图I描述根据本发明实施例的基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪的工作过程。两个敏感质量块40在差分式静电梳齿(第一梳齿51至第四梳齿54)的驱动作用力下,沿X轴方向做相向或相背的线性简谐振动,当基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪在Y轴·方向上有角速度输入时,两个敏感质量块40由于在哥氏力的作用下将在Z轴方向上产生方向相反的进动,敏感质量块40下表面上的铁磁性薄膜层41会增大或减小键合基板10上巨磁敏电阻20位置处的磁场强度,磁场强度的变化引起巨磁阻效应使巨磁敏电阻20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
1.一种基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪,其特征在于,包括 键合基板; 两组巨磁敏电阻,所述两组巨磁敏电阻设在所述键合基板的上表面,且所述两组巨磁敏电阻分别由回折形电阻构成;和 微陀螺,所述微陀螺设在所述键合基板的上方并与所述键合基板连接,且微陀螺包括 对应地设在所述两组巨磁敏电阻上方的两个敏感质量块,所述两个敏感质量块的下表面上设有铁磁性薄膜层且所述铁磁性薄膜层与所述巨磁敏电阻的上表面之间间隔开,且所述敏感质量块可沿垂直于所述巨磁敏电阻的上表面的方向振动。
2.根据权利要求I所述的基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪,其特征在于,所述铁磁性薄膜层为多层结构。
3.根据权利要求2所述的基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪,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。
4.根据权利要求I所述的基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪,其特征在于,所述巨磁敏电阻包括在半导体材料衬底层上依次排布的钽层、镍铁层、铜层、钴层、锰层和钽层。
5.根据权利要求I所述的基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪,其特征在于,所述微陀螺进一步包括 检测梁,所述检测梁与所述敏感质量块连接; 连接外框,所述连接外框与所述检测梁连接,且所述连接外框的相对侧形成有第一梳齿; 连接外框伸出臂,所述连接外框伸出臂由所述连接外框向外伸出,且所述连接外框伸出臂上设有第二梳齿;和 驱动梁,所述驱动梁与所述连接外框和键合基板分别连接,以对所述敏感质量块进行定位。
6.根据权利要求5所述的基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪,其特征在于,所述键合基板上设置有与所述驱动梁连接的锚点,以通过所述锚点将所述驱动梁键合在所述键合基板上,并将所述连接外框悬于所述键合基板之上。
7.根据权利要求5所述的基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪,其特征在于,所述键合基板上设有与所述第一梳齿交叉吻合的第一梳齿基座和与所述第二梳齿交叉吻合的第二梳齿基座,所述第一梳齿基座和所述第二梳齿基座上分别形成有梳齿,所述梳齿可伸入到所述第一梳齿和所述第二梳齿中。
8.根据权利要求5所述的基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪,其特征在于,所述敏感质量块为矩形,且内嵌在所述连接外框之中,所述敏感质量块四个角通过检测梁与所述连接外框连接。
9.根据权利要求5所述的基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪,其特征在于,所述键合基板与所述连接外框之间形成有键合层,所述键合层包括在半导体材料衬底层上由下至上依次排布的钛层和金层。
10.根据权利要求I所述的基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪,其特征在于,所述键合基板上设有键合位连接线。
全文摘要
本发明公开了一种基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪,包括键合基板;两组巨磁敏电阻,两组巨磁敏电阻设在键合基板的上表面,且两组巨磁敏电阻分别由回折形电阻构成;和微陀螺,微陀螺设在键合基板的上方并与键合基板连接,且微陀螺包括对应地设在两组巨磁敏电阻上方的两个敏感质量块,两个敏感质量块的下表面上设有铁磁性薄膜层且铁磁性薄膜层与巨磁敏电阻的上表面之间间隔开,且敏感质量块可沿垂直于所述巨磁敏电阻的上表面的方向振动。根据本发明实施例的基于巨磁阻效应的微机械陀螺仪,采用整体结构设计,电路设计简单、使用方便、可靠性好,适合微型化。
文档编号G01C19/5656GK102706338SQ20121020890
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月19日 优先权日2012年6月19日
发明者刘俊, 刘泽文, 李孟委, 杜康 申请人:中北大学, 清华大学
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