专利名称：一种巨磁阻效应三轴加速度计的制作方法
技术领域：
本发明涉及微惯性导航技术相关领域，具体而言，涉及ー种巨磁阻效应的三轴微机械加速度计。
背景技术：
目前，微机械加速度计常用的检测方式是压阻式、电容式、压电式和隧道效应式等，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。压电效应纳传感器的灵敏度易漂移，需要经常校正，归零慢，不宣连续测试。隧道效应纳传感器，制造エ艺复杂，检测电路也相对较难实现，成品率低，不利于集成。 微机械加速度计对加速度的测量是靠检测装置实现カ电转换来完成的，其灵敏度、分辨率是十分重要的，由于加速度计微型化和集成化，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，从而限制了加速度计检测精度的进ー步提高，很难满足现代军事、民用装备的需要。巨磁阻效应是ー种量子力学和凝聚态物理学现象，是磁阻效应的ー种，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夫，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。将巨磁阻效应和悬臂梁式加速度检测方式相结合，并应用于微机械加速度计的检测方面，可以提高微机械加速度计的检测精度。
发明内容
本发明g在提供三轴微机械加速度计，该微机械加速度计为基于巨磁阻效应的三轴微机械加速度计，可以提高三轴微机械加速度计的检测精度。本发明提供了一种三轴微机械加速度装置，包括键合基板；巨磁敏电阻，所述巨磁敏电阻设在键合基板上表面，且与微加速度计各敏感质量块上表面的铁磁性薄膜位置对应，巨磁敏电阻利用巨磁敏电阻引出线引出并与巨磁敏电阻电极相连接；和微加速度计，所述微加速度计设在键合基板上方并与键合基板相连接，且微加速度计包括敏感质量块，根据检测方向的不同敏感质量块分为三种，分别用以检测X、Y、Z三个轴向的加速度，三种轴向的加速度计的敏感质量块的形状、尺寸以及设置方向根据其检测方向的不同而有所不同；铁磁性薄膜，设所述铁磁性薄膜在敏感质量块上表面，所述铁磁性薄膜可随敏感质量块沿垂直于所述键合基板上表面的方向振动。悬臂梁，用干支撑微加速度计的敏感质量块，且用于支撑不同轴向加速度计敏感质量块的悬臂梁的形状及数量不同。进ー步地，所述的键合基板较微加速度计面积大，上表面设有巨磁敏电阻及其引出线和电扱，并且键合基板用以承载微加速度计，加速度计设置于键合基板的中心位置。
进ー步地，所述的巨磁敏电阻有多个，分别置于不同检测方向敏感质量块的下方，且与敏感质量块上表面的铁磁性薄膜位置对应；巨磁敏电阻采用《■ 形，以增大有效长度；巨磁敏电阻通过巨磁敏电阻引出线引出，与巨磁敏电阻电极相连。进ー步地，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、钴层、锰层和钽层。进ー步地，所述的微加速度计还包括微加速度计框体，所述的微加速度计框体为整体结构，其上设有分别能检测X、Y、Z三个轴向的三种加速度计，通过悬臂梁与各加速度计的敏感质量块连接；所述的悬臂梁用以连接敏感质量块和微加速度计框体。进ー步地，所述的敏感质量块根据检测方向的不同而有所不同用以检测Z轴方向的加速度计敏感质量块上表面呈方形，用以检测X轴向和Y轴向的加速度计敏感质量块 的上表面呈矩形，且根据检测方向的不同敏感质量块的设置方向不同，检测X轴向的加速度计敏感质量块X向长度小于Y向长度，检测Y轴向的加速度计敏感质量块Y向长度小于X向长度。进ー步地，所述的悬臂梁根据加速度计检测方向的不同而设置的尺寸及方向有所不同用以连接检测Z轴方向的加速度计敏感质量块的悬臂梁厚度远小于宽度保证其在Z轴方向的刚度远小于其它两个方向，且Z轴向加速度计敏感质量块的前、后、左、右四边都设有悬臂梁；用以连接检测X轴向和检测Y轴向的加速度计敏感质量块的悬臂梁厚度远大于其宽度，检测X轴向的加速度计悬臂梁X向长度远小于Y向长度，且只设于敏感质量块的前、后侧，检测Y轴向的加速度计悬臂梁Y向长度远小于X向长度，且只设于敏感质量块的左、右侧。进ー步地，所述的铁磁性薄膜包括在半导体材料衬底层上依次排布的ニ氧化硅层、ニ氧化钛层、钼层、铁酸钴层和铁酸铋层。根据本发明实施例的三轴微机械加速度计，采用整体结构设计，三种检测不同方向的加速度计集成制作于同一框体上，结构设计合理，适合器件的微型化。敏感质量块上表面设有铁磁性薄膜，其正对于键合基板上表面相应区域制作的巨磁敏电阻。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加速度计的灵敏度提高1-2个数量级。除以上特点外，该微加速度计的检测电路设计简单、使用方便、可靠性好，适合微型化。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。
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俯视图；图3为本发明实施例的微加速度计立体结构图；图4为本发明实施例的微加速度计俯视图；图5为本发明实施例的键合基板立体结构；图6为本发明实施例的键合基板俯视图；图7为本发明实施例的铁磁性薄膜结构图8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UX轴敏感质量块，2、Y轴敏感质量块，3、Z轴敏感质量块，4、X轴悬臂梁，5、Y轴悬臂梁，6、Z轴悬臂梁，7、铁磁性薄膜，8、微加速度计框体，9、键合基板，10、巨磁敏电阻，11、巨磁敏电阻引出线，12、巨磁敏电阻电极，13、微加速度计边框线，15、衬底层，16、绝缘层，17、钽层，18、镍铁层，19、铜层，20、钴层，21、铁锰层，22、钽层，23、ニ氧化硅层，24、ニ氧化钛层，
25、钼层，26、铁酸钴层，27、铁酸铋层，28、微加速度计
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。下面通过參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ー步说明如图1-2所示，根据本发明的实施例的三轴微机械加速度计装置，包括键合基板9，铁磁性薄膜7和微加速度计28。 具体而言，可以以键合基板9为载体，例如，键合基板9可以由半导体材料制成，键合基板9上表面与微加速度计各敏感质量块上表面的铁磁性薄膜7对应位置处分别设有巨磁敏电阻10 ;与键合基板上方设有微加速度计28，且微加速度计28的中心与键合基板中心位置正对。根据本发明实施例的三轴微机械加速度计，采用整体结构设计，结构设计合理，适合器件的微型化。微加速度计的各轴向加速度计的敏感质量块1、2、3的上表面制作的铁磁性薄膜7，正对于键合基板9上表面的各自对应的巨磁敏电阻10,在微弱的磁场变化下巨磁敏电阻10的阻值会发生剧烈变化，该变化可将微机械加速度计的灵敏度提高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3-4所示，跟据本发明的一个实施例，微加速度计28进ー步包括X轴敏感质量块I、Y轴敏感质量块2、Z轴敏感质量块3、X轴悬臂梁4、Y轴悬臂梁5、Z轴悬臂梁6、铁磁性薄膜7、微加速度计框体8。具体而言，微加速度计28为一整体结构，以微加速度计框体为载体其上分別制作有能够敏感X、Y、Z各轴向的敏感质量块1、2、3 ;X轴敏感质量块I通过两根X轴悬臂梁4与微加速度计框体8相连接；Y轴敏感质量块2通过两根Y轴悬臂梁5与微加速度计框体8相连接；z轴敏感质量块3通过四根Z轴悬臂梁6与微加速度计框体8相连接；敏感质量块根据检测方向的不同而有所不同Z轴敏感质量块3上表面呈方形，X轴和Y轴敏感质量块1、2的上表面呈矩形，且根据检测方向的不同敏感质量块的设置方向不同，X轴敏感质量块I的X方向长度小于Y方向长度，Y轴敏感质量块2的Y方向长度小于X方向长度；悬臂梁根据加速度计检测方向的不同而设置的尺寸及方向有所不同Z轴悬臂梁6厚度远小于宽度，以保证其在Z轴方向的刚度远小于其它两个方向，且Z轴敏感质量块3的前、后、左、右四边都设有Z轴悬臂梁6 ；X轴和Y轴敏感质量块的悬臂梁4、5厚度远大于其宽度，详细地，即检测X轴悬臂梁4的X方向长度远小于Y方向长度，且只设于X轴敏感质量块I的前、后侧，Y轴悬臂梁5的Y方向长度远小于X方向长度，且只设于Y轴敏感质量块2的左、右侧。需要说明的是，一方面此处悬臂梁的根数可以根据对加速度计性能要求进行相应的更改，例如，实施例中Z轴敏感质量块3的四周各有一根Z轴悬臂梁6，根据上 面阐述，可以适当在每一侧增加同等数量悬臂梁，所增悬臂梁与上述描述性质一致。另一方面，微加速度计28中各检测方向加速度计的数量也可以进行相应的变更。铁磁性薄膜7设置于各敏感质量块1、2、3的上表面的中心位置，且与键合基板9上制作的巨磁敏电阻10位置上一一对应；铁磁性薄膜7的大小、形状、厚度可以根据加速度计的巨磁敏电阻10对磁场强度的强弱及分布需要情况而定。如图5-6所示，根据本发明的一个实施例，键合基板9为正方形，且面积比微加速度计28大，上表面设有巨磁敏电阻10及巨磁敏电阻引出线11和巨磁敏电阻电极12，巨磁敏电阻采用形，以增大有效长度；并且键合基板9用以承载微加速度计28，微加速度计28设置于键合基板9的上方，且中心位置正对。另外，键合基板9上的各巨磁敏电阻10分别与微加速度计28上各敏感质量块1/2/3上表面的铁磁性薄膜7位置对应。如图7所示，根据本发明的一个实施例，铁磁性薄膜层7可以为多层结构。由此，可以更好地和巨磁敏电阻10配合使用。优选地，铁磁性薄膜层7可以包括在敏感质量块1/2/3的上表面依次排布的二氧化娃层23、二氧化钛层24、钼层25、铁酸钴层26和铁酸秘层27。需要说明的是，上述的铁磁性薄膜层7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敏感质量块1/2/3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加速度计的检测精度和灵敏度。如图8所示，根据本发明的一个实施例，巨磁敏电阻10包括在半导体材料衬底层15 (键合基板9的上表面)上依次排布的绝缘层16、钽层17、镍铁层18、铜层19、钴层20、铁锰层21和钽层22。需要说明的是，上述的巨磁敏电阻10可以采用通过分子束外延设计制作，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，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15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加速度计的检测精度和灵敏度。当加速度计在Z轴方向有加速度时，敏感质量块1/2/3会在惯性作用下，偏离平衡位置，沿X/Y/Z轴方向振动。因相对间距发生变化，由敏感质量块1/2/3上表面的铁磁性薄膜层7产生的磁场在键合基板9上各敏感质量块对应的巨磁敏电阻位置处的强度会增大或减小。磁场强度的变化引起巨磁阻效应使巨磁敏电阻的阻值发生剧烈的变化。这样就可把一个微弱的加速度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X、Y、Z三个轴向输入加速度的大小。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
1.一种三轴微机械加速度装置，其特性在于，包括 键合基板； 巨磁敏电阻，所述巨磁敏电阻设在键合基板上表面，且与微加速度计各敏感质量块上表面的铁磁性薄膜位置对应，巨磁敏电阻利用巨磁敏电阻引出线引出并与巨磁敏电阻电极相连接； 和微加速度计，所述微加速度计设在键合基板上方并与键合基板相连接，且微加速度计包括:敏感质量块，根据检测方向的不同敏感质量块分为三种，分别用以检测X、Y、Z三个轴向的加速度，三种轴向的加速度计的敏感质量块的形状、尺寸以及设置方向根据其检测方向的不同而有所不同；铁磁性薄膜，设所述铁磁性薄膜在敏感质量块上表面，所述铁磁性薄膜可随敏感质量块沿垂直于所述键合基板上表面的方向振动，悬臂梁，用干支撑微加速度计的敏感质量块，且用于支撑不同轴向加速度计敏感质量块的悬臂梁的形状及数量不同。
2.根据权利要求I所述的三轴微机械加速度计装置，其特征在于，所述的键合基板较微加速度计面积大，上表面设有巨磁敏电阻及其引出线和电扱，并且键合基板用以承载微加速度计，加速度计设置于键合基板的中心位置。
3.根据权利要求I所述的三轴微机械加速度计装置，其特征在于，所述的巨磁敏电阻有多个，分别置于不同检测方向敏感质量块的下方，且与敏感质量块上表面的铁磁性薄膜位置对应；巨磁敏电阻采用形，以增大有效长度；巨磁敏电阻通过巨磁敏电阻引出线引出，与巨磁敏电阻电极相连。
4.根据权利要求I所述的三轴微机械加速度计装置，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、钴层、锰层和钽层。
5.根据权利要求I所述的三轴微机械加速度计装置，其特征在于，所述的微加速度计还包括微加速度计框体，所述的微加速度计框体为整体结构，其上设有分别能检测X、Y、Z三个轴向的三种加速度计，通过悬臂梁与各加速度计的敏感质量块连接；所述的悬臂梁用以连接敏感质量块和微加速度计框体。
6.根据权利要求5所述的三轴微机械加速度计装置，其特征在干，所述的敏感质量块根据检测方向的不同而有所不同用以检测Z轴方向的加速度计敏感质量块上表面呈方形，用以检测X轴向和Y轴向的加速度计敏感质量块的上表面呈矩形，且根据检测方向的不同敏感质量块的设置方向不同，检测X轴向的加速度计敏感质量块X向长度小于Y向长度，检测Y轴向的加速度计敏感质量块Y向长度小于X向长度。
7.根据权利要求I所述的三轴微机械加速度计装置，其特征在于，所述的悬臂梁根据加速度计检测方向的不同而设置的尺寸及方向有所不同用以连接检测Z轴方向的加速度计敏感质量块的悬臂梁厚度远小于宽度保证其在Z轴方向的刚度远小于其它两个方向，且Z轴向加速度计敏感质量块的前、后、左、右四边都设有悬臂梁；用以连接检测X轴向和检测Y轴向的加速度计敏感质量块的悬臂梁厚度远大于其宽度，检测X轴向的加速度计悬臂梁X向长度远小于Y向长度，且只设于敏感质量块的前、后侧，检测Y轴向的加速度计悬臂梁Y向长度远小于X向长度，且只设于敏感质量块的左、右側。
8.根据权利要求I所述的三轴微机械加速度计装置，其特征在于，所述的铁磁性薄膜包括在半导体材料衬底层上依次排布的ニ氧化硅层、ニ氧化钛层、钼层、铁酸钴层和铁酸铋层。
全文摘要
本发明公开了一种巨磁阻效应三轴加速度计，包括键合基板；巨磁敏电阻和微加速度计，巨磁敏电阻设在键合基板上表面，且与各检测方向加速度计敏感质量块上表面的巨磁敏电阻位置对应；微加速度计设在键合基板上方并与键合基板相连接，其包括敏感质量块，铁磁性薄膜和悬臂梁。根据本发明的三轴微机械加速度计采用整体结构设计，三种检测不同方向的加速度计集成制作于同一框体上，结构合理，检测电路简单，使用方便、可靠性好、适合微型化。
文档编号G01P15/18GK102841217SQ20121033012
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月7日 优先权日2012年9月7日
发明者刘俊, 李孟委, 李锡广, 王莉, 郑伦贵, 苏树清 申请人:中北大学