[发明专利]一种基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器

说明书

本发明提出一种基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器主要包括圆柱型硅毛发体、第一隧道磁阻传感器、第二隧道磁阻传感器、绝缘层和底层基座组成；其中，绝缘层位于底层基座的正上方，圆柱型硅毛发体安装在绝缘层的中心位置，第一隧道磁阻传感器和第二隧道磁阻传感器安装在绝缘层的两侧并关于圆柱型硅毛发体对称分布，圆柱型硅毛发体的顶部包含刻蚀的电磁激励线圈用于产生磁场。采用高灵敏度的隧道磁阻效应进行流速信号检测，具有饱和磁场低、工作磁场小、灵敏度高、温度系数小、测量带宽大等优点，同时提出的基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器具有结构简单、体积小、灵敏度高、测量精度高等优点。

技术领域

本发明属于微机电系统(MEMS)和微惯性器件测量领域，具体涉及到一种基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器。

背景技术

基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器是指基于隧道磁阻效应的一种新型微流速传感器。隧道磁阻效应主要是指两层铁磁金属和中间绝缘层构成的磁性隧道结中，如果两层铁磁金属极化方向平行或者隧道间隙变小，那么电子隧穿过绝缘层的可能性会变大，磁性隧道结宏观表现为电阻极小；如果极化方向反平行或者隧道间隙变大，那么电子隧穿过绝缘层的可能性较小，磁性隧道结宏观表现为电阻极大。因此利用输入流速引起的极化方向变化或者隧道间隙变化，通过测量其导致的电阻变化就可以测量输入流速大小。

发明内容

发明目的：为探索隧道磁阻传感器的新型应用领域，以及现有微流速传感器的检测方式存在灵敏度低、检测电路复杂等缺点，针对以上问题，本发明提出一种基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器主要包括圆柱型硅毛发体(2)、第一隧道磁阻传感器(4)、第二隧道磁阻传感器(5)、绝缘层(6)和底层基座(7)组成；其中，绝缘层(6)位于底层基座(7)的正上方，圆柱型硅毛发体(2)安装在绝缘层(6)的中心位置，第一隧道磁阻传感器(4)和第二隧道磁阻传感器(5)安装在绝缘层(6)的两侧并关于圆柱型硅毛发体(2)对称分布，圆柱型硅毛发体(2)的顶部包含刻蚀的电磁激励线圈(3)用于产生磁场；当沿着水平方向有流速(1)输入时，圆柱型硅毛发体(2)产生偏移，使得第一隧道磁阻传感器(4)和第二隧道磁阻传感器(5)周围的磁场分布失衡，因此，通过对圆柱型硅毛发体(2)两侧第一隧道磁阻传感器(4)和第二隧道磁阻传感器(5)输出电压的测量可以实现流速信号的测量。

从基于隧道磁阻效应的MEMS微流速传感器的俯视图，第一隧道磁阻传感器(4)和第二隧道磁阻传感器(5)由矩形块以“蛇形”结构串联而成，位于绝缘层(6)左右中心线AB两侧对称分布，且第一隧道磁阻传感器(4)和第二隧道磁阻传感器(5)位于绝缘层(6)前后中心线CD上对称分布；电磁激励线圈(3)由矩形块以“环形”结构串联而成，位于绝缘层(6)左右中心线AB，且左右对称分布，同时电磁激励线圈(3)位于前后中心线CD上，且前后对称分布；第一隧道磁阻传感器(4)和第二隧道磁阻传感器(5)位于电磁激励线圈(3)的左右两侧，且第一隧道磁阻传感器(4)和第二隧道磁阻传感器(5)距离电磁激励线圈(3)左右的距离相等，且对称分布。

从隧道磁阻传感器的结构图，第一隧道磁阻传感器(4)和第二隧道磁阻传感器(5)均由六层结构叠加而成，从上至下分别为顶层电极(8)、自由层(9)、隧道势垒层(10)、铁磁层(11)、反铁磁层(12)、底层电极；其中，铁磁层(11)的磁场极化方向(15)由铁磁层(11)和反铁磁层(12)的相互作用预先设定，自由层(9)的磁场极化方向(14)由外界电磁激励线圈(3)产生的磁场决定。