[發明專利]一種磁阻運動調制的低頻MEMS磁阻傳感器

有效

• 申請號: 202110839148.4
• 申請日: 2021-07-23
• 公開（公告）號: CN113567898B
• 公開（公告）日: 2023-08-08
• 發明（設計）人: 鄒旭東;劉振溪;陳嘉民;李志天;楊伍昊;熊興崟;汪政
• 申請（專利權）人: 中國科學院空天信息創新研究院
• 主分類號: G01R33/09
• 分類號: G01R33/09;B81B7/02
• 代理公司: 北京天達知識產權代理事務所有限公司 11386
• 代理人: 劉鏡

發明涉及一種磁阻運動調制的低頻MEMS磁阻傳感器，屬于磁場檢測領域，解決了現有MEMS磁阻傳感器兩側磁通匯聚器運動不同步導致的噪聲增加而使得檢測精度降低的技術問題。本申請傳感器包括：磁阻傳感器MTJ、磁通匯聚器、壓電懸臂梁，第一襯底；第一襯底上設置有與壓電懸臂梁尺寸相適應的通孔，壓電懸臂梁設置于通孔中，壓電懸臂梁一端懸空，另一端與第一襯底固定連接；磁阻傳感器MTJ放置在壓電懸臂梁懸空端之上，通過懸臂梁帶動磁阻傳感器MTJ沿著通孔的軸向作簡諧振動；磁通匯聚器設置在第一襯底上，且對稱放置在磁阻傳感器MTJ兩側。通過懸臂梁振動避免了磁通匯聚器運動不同步的問題，提高了磁場檢測分辨率，能夠廣泛應用于低頻弱磁場的檢測。

技術領域

本發明涉及磁場檢測領域，尤其涉及一種磁阻運動調制的低頻MEMS磁阻傳感器。

背景技術

磁阻傳感器由于小體積，低功耗和高靈敏度在工業傳感，軍事對抗，數據存儲和生物醫學等領域得到了廣泛應用，然而其在測量低頻弱磁場時受到1/f噪聲的影響，嚴重限制了其低頻弱磁場的檢測分辨率。為了減小1/f噪聲的影響，提高分辨率，利用微機電系統(Micro?electromechanical?systems,MEMS)技術驅動磁通匯聚器運動，將磁阻傳感器檢測區域的低頻弱磁場調制到高頻區域(大于10kHz)，使得檢測分辨率比低頻高三個數量級。

現有的MEMS磁阻傳感器是利用MEMS諧振器的運動帶動磁通匯聚器運動，對磁通匯聚器中間的磁通密度進行高頻調制，通過固定放置的磁阻傳感器檢測高頻磁場，并配合相應的接口電路讀取磁場信號。例如美國陸軍實驗室提出的變間隙和扭轉調制，我國國防科技大學提出的垂直運動調制和伊比利亞國際納米實驗室提出的懸臂梁調制。這些調制方式都是通過改變磁通匯聚器的運動形式實現低頻磁場的高頻調制，從而抑制1/f噪聲以提高低頻磁場檢測分辨率。在現有的這些MEMS磁阻傳感器中，都是磁通匯聚器運動，磁阻傳感器固定放置，存在的最大的問題就是難以保持兩側的磁通匯聚器的運動同步。例如美國陸軍實驗室設計的梳齒驅動磁通匯聚器運動的MEMS磁阻傳感器，如圖1所示，在固定的磁阻傳感器兩邊是兩個由梳齒橫向驅動的磁通匯聚器，只有當兩個諧振器同步諧振時，調制的交流磁場才是一個頻率和諧振器頻率相同的信號。一旦不能同步，那么調制后的磁場將是頻譜非常豐富的信號，其無法通過接口電路和信號處理解讀出正確的磁場信號。那么不但不能抑制1/f噪聲，反而增加了噪聲。此外，這類結構普遍工藝比較復雜，對工藝容差的一致性要求較高。

發明內容

鑒于上述的分析，本發明實施例旨在提供一種磁阻運動調制的低頻MEMS磁阻傳感器及其制作方法，用以解決現有MEMS磁阻傳感器兩側磁通匯聚器運動不同步導致的噪聲增加而使得檢測精度降低的技術問題。

一方面，本發明實施例提供了一種磁阻運動調制的低頻MEMS磁阻傳感器，所述MEMS磁阻傳感器包括：磁阻傳感器MTJ、磁通匯聚器、壓電懸臂梁，第一襯底；

第一襯底上設置有與壓電懸臂梁尺寸相適應的通孔，所述壓電懸臂梁設置于所述通孔中，所述壓電懸臂梁一端懸空，另一端與第一襯底固定連接；

所述磁阻傳感器MTJ放置在壓電懸臂梁懸空端之上，通過所述壓電懸臂梁帶動所述磁阻傳感器MTJ沿著所述通孔的軸向作周期簡諧振動；

磁通匯聚器設置在第一襯底上，且對稱放置在磁阻傳感器MTJ兩側。

進一步，所述壓電懸臂梁為疊層結構，包括從下至上依次設置的第二襯底、第一絕緣層、壓電層，磁阻傳感器MTJ埋設在壓電懸臂梁懸空端處的第一絕緣層之中，并漏出電極窗口，壓電層位于第一絕緣層上未埋設磁阻傳感器MTJ的位置，并使壓電層與磁阻傳感器MTJ間隔一定的距離。

進一步，所述第一襯底為SOI基底，從下至上依次包括Si層、埋氧層、Si層，所述第二襯底為通過去除所述第一襯底底層的Si層和埋氧層而形成，所述第一襯底中的Si層與第二襯底中的Si層為一體結構。