[发明专利]MEMS巨磁阻式高度压力传感器

说明书

技术领域

本发明属于测量仪器仪表的应用领域，涉及一种MEMS巨磁阻式高度压力传感器。

背景技术

压力传感器是工业实践中最常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。

常用的压力传感器有电阻应变式压力传感器、半导体应变式压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器等。电阻应变式压力传感器在受力时产生的阻值变化较小，造成灵敏度低；半导体应变式压力传感器由于受晶向、杂质等因素的影响，灵敏度离散程度大，温度稳定性差并且在较大应变作用下非线性误差大，给使用带来一定困难；压阻式压力传感器是基于高掺杂硅的压阻效应实现的，高掺杂硅形成的压敏器件对温度有较强的依赖性，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；电感式压力传感器，体积比较大，很难实现微型化；电容式压力传感器精度的提高是利用增大电容面积来实现的，随着器件的微型化，其精度因有效电容面积减小而难以提高；谐振式压力传感器要求材料质量较高，加工工艺复杂，导致生产周期长，成本较高，另外，其输出频率与被测量往往是非线性关系，需进行线性化处理才能保证良好的精度。

高度压力传感器是靠检测装置实现力电转换来完成测量的，其灵敏度、分辨率是十分重要的。目前的高度压力传感器由于微型化和集成化，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，从而限制了压力传感器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

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种MEMS巨磁阻式高度压力传感器，基于基于巨磁阻效应，巨磁敏电阻的电阻值在微弱的磁场变化下会产生剧烈的变化，巨磁阻效应可以使传感器的灵敏度提高1-2个数量级，而且温度特性好，线性度好。MEMS巨磁阻式高度压力传感器适用于各种场合，能够通过MEMS方法加工生产，具有较高的灵敏度以用于精密测量。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种MEMS巨磁阻式高度压力传感器，包括：

键合基板1；

铁磁性薄膜承载体10，设置在键合基板1上方，上部分为弹性薄膜4，下部分为垫衬框体2，垫衬框体2四周与键合基板1相连接；

铁磁性薄膜3，设置在铁磁性薄膜承载体10的弹性薄膜4下表面的中心位置；

巨磁敏电阻7，设置在键合基板1上表面中心位置，与铁磁性薄膜3的位置正对；

保护罩5，固定在铁磁性薄膜承载体10的上方，保护罩5上表面的中间设置连通保护罩5的内腔23和外界的通孔形的接触孔6。

较佳地，所述的铁磁性薄膜承载体10的X方向的长度小于键合基板1的X方向的长度，键合基板相1对于铁磁性薄膜承载体10有一个延伸区域。

较佳地，所述的弹性薄膜4的中心区域的厚度大于周边区域的厚度，使得弹性薄膜4的四周受压力容易弯曲，而中心区域的刚度相对较大，保持不变形，只能平动。铁磁性薄膜3设置在弹性薄膜4中心区域的下表面，为巨磁敏电阻7提供稳定的非均匀磁场。所述的垫衬框体2为中空框体结构，垫衬框体2下面与键合基板1相连，上面覆盖弹性薄膜4，三者形成一个“凹”字形的真空腔24。

较佳地，所述的铁磁性薄膜3通过溅射法或分子束外延法设置在弹性薄膜4的下表面，所述的巨磁敏电阻7通过溅射法或分子束外延法设置在键合基板1的上表面。

较佳地，所述的铁磁性薄膜3为多层结构，可以是自上到下依次为：二氧化硅层11、二氧化钛层12、铂层13、铁酸钴层14、铁酸铋层15。

较佳地，所述巨磁敏电阻7通过巨磁敏电阻引出线8与巨磁敏电阻电极9相连，巨磁敏电阻电极9设置在键合基板1的延伸区域的上表面。

较佳地，所述巨磁敏电阻7为多层结构，自上到下依次为上钽层16、铁锰层17、钴层18、铜层19、镍铁层20、下钽层21以及绝缘层22。

本发明中，被测压力通过保护罩5上的接触孔6作用在铁磁性薄膜承载体10的弹性薄膜4上，当真空腔24与外界压力存在压差时，弹性薄膜4的周边区域就会发生Z向弯曲，而弹性薄膜4的中心区域刚度相对较大，保持不变形，只能在Z向平动，引起设置在其中心区域下表面的铁磁性薄膜3发生Z向移动，铁磁性薄膜3产生的磁场发生微弱变化，根据巨磁阻效应，巨磁敏电阻7的阻值会在微弱磁场变化下发生剧烈变化，电阻值变化影响输出到外电路的电流或电压变化，实现对被测压力的测量。