本發(fā)明屬于微慣性導航技術領域，涉及一種用于測量位移的傳感器，特別是涉及一種利用隧道磁阻效應測量位移的傳感器裝置。

背景技術：

微機械位移傳感器常用的檢測方式包括壓阻式、電容式、壓電式和隧道效應式等。

壓阻式是基于高摻雜硅的壓阻效應原理實現(xiàn)的，高摻雜硅形成的壓敏器件對溫度有較強的依賴性，其由壓敏器件組成的電橋檢測電路會因溫度變化引起靈敏度漂移。電容式精度的提高依賴于電容面積的增大，但由于器件的微小型化，其精度因有效電容面積的縮小而難以提高。壓電效應傳感器靈敏度易漂移，需經(jīng)常校正，歸零慢，不宜連續(xù)測試。隧道效應傳感器制造工藝復雜，檢測電路也相對較難實現(xiàn)，成品率低，不利于集成。

微機械位移傳感器對位移的測量是依靠檢測裝置的力電轉換完成的，其靈敏度和分辨率十分重要。由于位移傳感器的微型化和集成化，檢測敏感區(qū)域隨之減小，故而使檢測的靈敏度、分辨率等指標已經(jīng)達到了敏感區(qū)域的檢測極限狀態(tài)，從而限制了傳感器檢測精度的進一步提高，很難滿足現(xiàn)代軍事、民用裝備的需要。

基于電子的自旋效應，在磁性釘扎層與磁性自由層中間間隔有絕緣體或半導體非磁層的磁性多層膜結構，由于在磁性釘扎層與磁性自由層之間的電流通過是基于電子的隧穿效應，因此稱這一多層膜結構為磁性隧道結(mtj，magnetictunneljunction)。這種磁性隧道結在橫跨絕緣層的電壓作用下，其隧道電流和隧道電阻依賴于兩個鐵磁層(磁性釘扎層和磁性自由層)磁化強度的相對取向。當磁性自由層在外場作用下，其磁化強度方向改變，而釘扎層的磁化方向不變，此時兩個磁性層的磁化強度相對取向發(fā)生改變，則可在橫跨絕緣層的的磁性隧道結上觀測到大的電阻變化。這一物理效應正是基于電子在絕緣層的隧穿效應，稱為隧道磁阻效應(tmr，tunnelingmagnetoresistance)。也就是說，tmr傳感器是利用磁場變化來引起磁電阻的變化。

目前，作為第四代磁阻傳感器，tmr傳感器具有靈敏度高、線性度好、動態(tài)范圍廣等特點，一定程度上彌補了上一代巨磁阻效應(gmr，giantmagnetoresistance)的不足。tmr已經(jīng)在硬盤磁頭這一對工作穩(wěn)定性等各項性能要求極高的高精技術領域取代了gmr磁頭。因此，tmr的性能已經(jīng)經(jīng)受了最為嚴格的考驗。而隨著tmr磁性傳感器的大規(guī)模應用，其優(yōu)異的性能將隨著其產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，而滲透到傳感器行業(yè)方面和應用領域，為很多傳感器應用領域提供全新的技術解決方案。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種微機械位移傳感器，該微機械位移傳感器是基于隧道磁阻效應來測量位移的微小改變，從而提高微機械位移傳感器的檢測精度。

本發(fā)明所述的基于隧道磁阻效應的單軸微機械位移傳感器包括有：

一個鍵合基板；

至少一個位移敏感體，所述位移敏感體由位移敏感體框體、敏感質(zhì)量塊以及回折梁構成，所述位移敏感體框體固定在鍵合基板上，所述敏感質(zhì)量塊置于位移敏感體框體內(nèi)，通過回折梁與位移敏感體框體連接；所述敏感質(zhì)量塊由回折梁支撐，可沿垂直于鍵合基板表面的方向(z軸向)振動；

鐵磁性薄膜，固定在所述敏感質(zhì)量塊的上表面，隨敏感質(zhì)量塊沿垂直于鍵合基板表面的方向(z軸向)振動；

隧道磁敏電阻，所述隧道磁敏電阻設在鍵合基板的上表面，與敏感質(zhì)量塊上的鐵磁性薄膜位置對應，所述隧道磁敏電阻通過電阻引出線與鍵合基板上設置的隧道磁敏電阻電極相連接。

本發(fā)明上述單軸微機械位移傳感器用于檢測z軸向的位移。

其中，優(yōu)選地，在所述位移敏感體框體上對稱設置有四個相同尺寸的回折梁與所述敏感質(zhì)量塊連接。

本發(fā)明中，所述的回折梁是用于支撐敏感質(zhì)量塊只能沿z軸向振動，在x軸向和y軸向沒有位移。因此，所述回折梁的厚度遠小于其寬度，保證其在z軸方向的剛度遠小于其它兩個方向。

進而，本發(fā)明所述隧道磁敏電阻的基本結構是排布在半導體材料襯底層上的、以絕緣層分隔的多層鐵磁層構成的，具有隧道磁阻效應的電阻層。

更具體的，所述的隧道磁敏電阻具有方形結構。

作為本發(fā)明的優(yōu)選技術方案，在所述鍵合基板上只固定有一個位移敏感體，所述位移敏感體置于所述鍵合基板的中心位置，且鍵合基板的面積大于位移敏感體面積。

基于上述結構，本發(fā)明將所述的隧道磁敏電阻電極置于鍵合基板上露出位移敏感體的位置處。

更進一步地，本發(fā)明中所述敏感質(zhì)量塊的表面呈方形，即其x軸向長度等于y軸向的長度。

同時，所述的鐵磁性薄膜被置于位移敏感體的中心位置。本發(fā)明所述的鐵磁性薄膜為在半導體材料襯底層上依次排布的多層納米膜結構。

本發(fā)明的單軸微機械位移傳感器采用整體結構設計，將位移傳感器集成制作于同一框體上，結構設計合理、簡單，使用方便且可靠性好，適合器件的微型化。

本發(fā)明的單軸微機械位移傳感器通過在敏感質(zhì)量塊上設置鐵磁性薄膜，正對鍵合基板上相應區(qū)域設置的隧道磁敏電阻，在微弱的磁場變化下，隧道磁敏電阻的阻值會發(fā)生劇烈變化，該變化可以將微機械位移傳感器的靈敏度提高1～2個數(shù)量級。

附圖說明

圖1是本發(fā)明單軸微機械位移傳感器的結構示意圖。

圖2是圖1中位移敏感體5的結構示意圖。

圖3是圖1中鍵合基板部分的結構示意圖。

圖4是圖1中回折梁4的局部放大圖。

圖中：1—鍵合基板；2—位移敏感體框體；3—敏感質(zhì)量塊；4—回折梁；5—位移敏感體；6—鐵磁性薄膜；7—隧道磁敏電阻；8—電阻引出線；9—隧道磁敏電阻電極。

具體實施方式

以下通過具體實施例對本發(fā)明的技術方案進行詳細的描述。所述實施例的示例在附圖中示出，需要強調(diào)的是，通過附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的任何限制。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，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、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術語“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術語在本發(fā)明中的具體含義。

如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明實施例的單軸微機械位移傳感器的組成單元包括鍵合基板1、位移敏感體5、鐵磁性薄膜6和隧道磁敏電阻7。

其中，鍵合基板1作為載體，其可以由半導體材料制成，用以承載位移敏感體5。位移敏感體5設置于鍵合基板1的上方，且位移敏感體5的中心與鍵合基板1的中心位置正對。

位移敏感體5的結構具體如圖2所示，進一步包括z軸方向的敏感質(zhì)量塊3、z軸方向回折梁4和位移敏感體框體2。

具體而言，位移敏感體5為一整體結構，以位移敏感體框體2為載體，在其上制作有能夠敏感z軸向的敏感質(zhì)量塊3。z軸方向的敏感質(zhì)量塊3通過四根z軸方向回折梁4與位移敏感體框體2相連接。其中，敏感質(zhì)量塊3的上下表面呈方形。

根據(jù)敏感質(zhì)量塊3對z軸向的敏感，設置回折梁4的尺寸為其厚度遠小于寬度，以保證其在z軸方向的剛度遠小于其它兩個方向，且在敏感質(zhì)量塊3的上、下兩邊都設有z軸方向回折梁4。需要說明的是，回折梁的根數(shù)可以根據(jù)對位移傳感器的性能要求進行相應的更改，例如本實施例中雖然在敏感質(zhì)量塊3的上下兩邊各有兩根z軸方向回折梁4，但根據(jù)上面闡述，還可以適當在兩側增加同等數(shù)量的回折梁，所增加的回折梁與上述描述性質(zhì)一致。

鐵磁性薄膜6設置于敏感質(zhì)量塊3的上表面中心位置，與鍵合基板1上制作的隧道磁敏電阻7位置對應。

如圖1、圖3所示，鍵合基板1為正方形，且面積比位移敏感體5大，其上表面中心位置設有隧道磁敏電阻7，隧道磁敏電阻7采用方形，通過電阻引出線8與設置在鍵合基板1邊緣的隧道磁敏電阻電極9連接。

隧道磁敏電阻7包括在半導體材料襯底層(例如鍵合基板1上表面)上依次排布的鐵磁層、絕緣層、鐵磁層。上述隧道磁敏電阻7可以采用分子束外延設計制作，分子束外延是一種在半導體晶片上生長高質(zhì)量晶體薄膜的方法，在真空條件下，按晶體結構排列一層一層的生長在半導體材料襯底層上，并形成納米級膜層，逐層淀積。在沉積過程中，需要嚴格控制成膜的質(zhì)量、厚度，以避免成膜的質(zhì)量和厚度影響微機械位移傳感器的檢測精度和靈敏度。

鐵磁性薄膜6的大小、形狀、厚度也可以根據(jù)微機械位移傳感器的隧道磁敏電阻7對磁場強度的強弱及分布需要情況而定。

另外，鐵磁性薄膜6也可以為多層結構，以更好的與隧道磁敏電阻7配合使用。鐵磁性薄膜6可以由在敏感質(zhì)量塊3上表面依次排布的多層鐵磁材料納米膜制作而成。需要說明的是，上述鐵磁性薄膜6也可以采用分子束外延設計制作生長在敏感質(zhì)量塊3上。

當微機械位移傳感器在z軸方向有位移時，敏感質(zhì)量塊3會在慣性作用下，偏離平衡位置，沿z軸方向振動。因相對間距發(fā)生變化，由敏感質(zhì)量塊3上表面的鐵磁性薄膜6產(chǎn)生的磁場在鍵合基板1上對應的隧道磁敏電阻7位置處的強度會增大或減小。磁場強度的變化引起隧道磁阻效應，使隧道磁敏電阻的阻值發(fā)生劇烈變化。這樣就可以把一個微弱的位移信號轉化為一個較強的電學信號，通過對該信號的處理，就可以檢測出z軸向輸入位移的大小。

本實施例的單軸微機械位移傳感器采用整體結構設計，適合器件微型化，并可將微機械位移傳感器的靈敏度提高1～2個數(shù)量級。

盡管上述已經(jīng)描述了本發(fā)明的具體實施例，但本領域的普通技術人員可以理解，在不脫離本發(fā)明原理和宗旨情況下，可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權利要求及其等同物限定。