CN100573070C - 利用磁致伸缩效应的可变电感型mems压力传感器 - Google Patents

Abstract

利用磁致伸缩效应的可变电感型MEMS压力传感器包括电感阵列单元和电容单元。该电感阵列单元包括线圈单元，其具有多个形成在第一衬底上的串联的环形电极和一一对应于环形电极的磁致伸缩材料薄膜，形成在以预定距离与第一衬底平行相对的第二衬底上，以形成具有磁致伸缩材料薄膜作为线圈单元磁芯的电感，用来感应磁致伸缩薄膜取决于外部压力的导磁率的变化，以改变电感的感应系数。该电容单元与电感阵列单元构成LC谐振电路，以将电感阵列单元中释放的磁能转换为电压。该可变电感型MEMS压力传感器具有极好的分辨率，这是因为它比传统的压阻或电容传感器更灵敏，并且可采用可替代半导体加工的MEMS加工技术制作，从而能够最小化和批量加工以降低生产成本。

Description

利用磁致伸缩效应的可变电感型MEMS压力传感器

技术领域

本发明大体上涉及一种压力传感器，更具体地说，涉及一种通过实现可变电感型压力传感器获得的压力传感器，该可变电感型压力传感器利用磁致伸缩效应具有磁致伸缩材料作为磁芯，这意味着通过微机电系统(这之后称为“MEMS”)技术，导磁率基于外部施加的压力而被显著改变。

背景技术

作为近期商业化的压力传感器，半导体压力传感器不具有磁滞现象，即当施加压力时的特征曲线不同于当压力降低时的特征曲线，并且具有极好的线性。还有，即使小型化和轻量的半导体压力传感器对振动来说也是非常坚固。此外，半导体压力传感器比机械传感器具有高灵敏度和可靠性，以及极好的大批量生产率。

采用MEMS加工(process)技术的微压力传感器包括利用压电/压阻效应的压阻传感器，基于压力的施加通过薄膜的移动测量电容变化的电容传感器，和用来测量波束(beam)的共振频率变化的振动传感器。

该压阻压力传感器采用以硅晶片隔膜上的桥式构成的扩散阻力来检测电阻分量的变化量，然后通过信号检测单元检测电阻分量的变化量来感应压力。尽管压阻压力传感器已被广泛使用，但是当与惠斯通电桥(wheastone bridge)方法一起制造时，由于压电材料对于温度的敏感度，该传感器需要附加电路，并且不便于遥测(telemetry)。

在电容压力传感器中，彼此面对的电极板之间的间隔由于外部应力而变化，并且电极板之间的电容被改变。该电容压力传感器将该变化转换为电信号以测量应力。该电容压力传感器具有对温度的低灵敏度，并且可以用MEMS技术制造并甚至在小的压力变化下运行，因此电容压力传感器已被广泛使用以用于精确测量。然而，由于该电容压力传感器具有低FOM(品质因数)，其表示传感器的灵敏度，因此跨度区域是窄带，并且它的制造过程比压阻传感器更困难。

当压阻或电容压力传感器在高频带(高于UHF带)使用时，高频寄生分量和半导体(Si族)电阻分量的影响随频率增高而变得更大，这样需要可用在特定结构或特定高频带的材料/结构。结果，目前还没有高频压力传感器被公开。

同时，尽管采用电感变化测量压力的方法已进行了大约十年，但是该方法已开发到与RF标志相关的应用，而不是传感器本身的结果。线圈的通用形状太大而不能应用到微传感器，并且尽管它可以制作成具有MEMS结构，但是需要困难的加工，因此该方法是不实用的。

发明内容

技术问题

本发明的一个目的是提供一种电感型压力传感器，其适于高频应用，能够通过MEMS方法加工生产，并且具有高FOM(传感器的灵敏度)以用于精确测量。

技术方案

为了实现上述的目的，利用磁致伸缩效应的可变电感型MEMS压力传感器包括电感阵列单元和电容单元。该电感阵列单元包括初级线圈单元，所述初级线圈单元形成在第一衬底上；和磁致伸缩材料薄膜，所述磁致伸缩材料薄膜形成在以预定距离与第一衬底平行相对的第二衬底上，以形成具有磁致伸缩材料薄膜作为所述初级线圈单元磁芯的电感，用来感应磁致伸缩薄膜取决于外部压力的导磁率的变化，以改变电感的感应系数。该电容单元与电感阵列单元构成LC谐振电路，以将电感阵列单元中释放的磁能转换为电压，所述初级线圈单元具有多个串联的环形电极，以及所述磁致伸缩材料薄膜由多个片构成，每个片与所述环形电极一一对应，以及所述可变电感型MEMS压力传感器使用MEMS技术制作。

附图说明

附图1是示出依据本发明实施例的利用磁致伸缩效应的可变电感型MEMS压力传感器的平面图。

附图2是示出附图1的等效电路的图。

附图3是示出附图1中的传感器沿A-A′方向截取的截面图。

附图4-11是示出附图3中的电感阵列单元100的制作过程的截面图。

附图12是示出具有磁致伸缩材料作为磁芯的通用螺线管模型的图。

附图13是示出当压力施加到附图1中的电感阵列单元100的一个单元元件(unit cell)时的框图。

附图14是示出无线遥测如何利用互感工作的电路图。

具体实施方式

将结合附图详细描述本发明。

附图1是示出依据本发明实施例的利用磁致伸缩效应的可变电感型MEMS压力传感器的平面图。

在实施例中，利用磁致伸缩效应的可变电感型MEMS压力传感器包括电感阵列单元100和电容单元200，其形成LC谐振电路。

基于外部施加的压力改变磁致伸缩材料的薄膜的导磁率，该电感阵列单元100感应磁致伸缩材料薄膜的改变，从而改变传感器的感应系数。该电感阵列单元100包括多个单元元件130。每个单元元件130都包括环形线圈电极110和磁致伸缩材料的薄膜120，该薄膜对应于环形线圈电极并形成在距离对应的环形线圈电极110的中心预定距离处。这里，多个环形线圈电极110被串联在玻璃衬底上，并且该磁致伸缩薄膜120形成在介电薄膜上，所述介电薄膜以预定间隔与玻璃衬底平行相对。就是说，电感阵列单元100经MEMS过程技术通过具有磁致伸缩材料作为磁芯的螺线管被具体化。形成在衬底上的多个环形线圈电极110电串联以形成电感的线圈单元。该磁致伸缩材料薄膜120对应于每个环形电极110的中心形成，这样每一个都具有磁致伸缩材料作为磁芯的多个螺线管构成等效于附图2所示的串联电感网络的电路。这里，非晶体(amorphous)和单晶体合金被用于磁致伸缩材料。

该电容单元200将电感阵列单元100中释放的磁能转换为电压并保存该电压。该电容单元200被连接到串联的环形线圈电极110之间的两端的环形线圈电极，从而与电感阵列单元100构成LC储能电路(LC谐振电路)。

由外部压力引起的电感阵列单元100的线圈单元(初级绕组线圈)产生的能量变化通过互感效应传送到外部测量装置(未示出)的电感器(次级绕组线圈)。该外部测量装置(未示出)计算由次级线圈测量到的电感变化，从而能够实现无动力(power-free)/无线遥测施加到电感阵列单元100上的压力。

附图3是示出附图1中的传感器沿A-A′方向截取的截面图，以示出电感阵列单元100的详细结构。

该电感阵列单元100包括下部衬底140和上部衬底150，所述下部衬底140和上部衬底150彼此间隔预定距离地平行布置在外壳400中。环形电极形成在下部衬底140的面向上部衬底150的上表面上。这里，环形电极110由Au或Cu通过用于形成厚膜金属的电镀或其它加工处理制成。耐热玻璃(Pyrex glass)或石英玻璃被用于下部衬底140。

用来吸收外部的振动并将传感器连接到外壳400的背板170形成在下部衬底400的下表面上。该背板170由软聚合物构成。

对应于每个环形电极110的磁致伸缩材料薄膜120形成在上部衬底150面向下部衬底140的上表面的下表面上。一对环形电极110和磁致伸缩材料薄膜120形成一个单元元件130。该磁致伸缩材料薄膜120用作电感阵列单元100的每个单元元件130上的电感磁芯。该磁致伸缩材料薄膜120是形成在上部衬底150的下表面上的薄膜，通过利用由非晶体或单晶体合金形成的磁致伸缩材料执行金属膜沉积法获得。

与磁致伸缩材料薄膜120一一对应的压力相位倾角180(pressure phase dips)形成在上部衬底的上表面上，这样外部施加的压力可以容易地被传送到磁致伸缩材料薄膜120。介电薄膜被用于上部衬底150。

下部衬底140通过垫片160与上部衬底150间隔预定距离，这样当绝缘薄膜由于外部施加的压力变形时，下部衬底140的环形电极110可以不与上部衬底150的磁致伸缩材料薄膜120接触。由垫片160形成的空间用作参考压力室。垫片160由硅或它的相似材料形成。

由硅橡胶构成的隔膜300用于拦截与外部材料直接接触，该隔膜300形成在传感器的上表面上，用来接收外部压力。用于保护除了传感器的上表面之外的其它表面并固定传感器和隔膜300的外壳400被形成以覆盖下部衬底140和上部衬底150的侧表面。

附图4-11是示出附图3中的电感阵列单元100的制作过程的截面图。在该实施例中，仅仅描述了一个单元元件的制作过程。

例如SiO₂或Si₃N_x的硅蚀刻掩膜生成或沉积在硅晶片上以具有足够的厚度，这样硅蚀刻掩膜可以用作蚀刻掩膜。在上部衬底150的形成压力相位倾角180的一部分上执行湿法腐蚀过程，这样如图4所示，形成的相应区域具有厚度t。

磁致伸缩材料真空沉积在对应于压力相位倾角180的上部衬底150的下表面(附图5的上表面)上，然后被沉积的磁致伸缩薄膜被蚀刻，这样如附图5所示，磁致伸缩材料薄膜120形成在上部衬底150上。

如附图6所示，金属晶种层142沉积在与形成有磁致伸缩材料薄膜120的上部衬底150间隔的耐热玻璃或石英玻璃140上。接下来，厚膜光刻胶(photoresist)PR144被设计图案以在金属晶种层142上具有线圈形状。在基于图案化形状电镀Au或Cu以形成环形电极110之后，如附图7所示，去除厚膜PR144。

参考附图8，在除了玻璃衬底140和金属晶种层142的环形电极110之间的部分之外的其它部分上执行蚀刻过程。这里，对环形电极110和金属晶种层142之间的金属晶种蚀刻溶液的选择为ER_coil∶ER_seed＝1∶10或以上，其中ER代表蚀刻比率。

其后，如附图9所示，由硅形成的垫片160通过阳极连接法形成在玻璃衬底140上。

如附图10所示，附图5的上部衬底150被结合到垫片160的其它表面，这样磁致伸缩材料薄膜120可以对应于环形电极110的中心。这里，结合方法包括熔结合法，共晶结合法和有机结合法。

接下来，在通过注模形成的外壳400的内部底面被环氧树脂170覆盖后，附图10的传感器被安全地定位在外壳170中。然后，装置的上表面被例如硅橡胶的钝化膜覆盖，如附图11所示。

这之后，将描述依据本发明实施例的可变电感型MEMS压力传感器的运行。

AC情况下，当应力施加到磁致伸缩材料时，导磁率的微分方程由方程1和2表示。

【方程1】

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{AC}}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{M}^2}{2K-3\mathrm{\λ\σ}}+1$

【方程2】

$\frac{d{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{AC}}}{\mathrm{d\σ}}=\frac{3\mathrm{\λ}{\mathrm{\μ}}_0{M}^2}{{(2K-3\mathrm{\λ\σ})}^2}$

(在方程1和2中，λ：磁致伸缩常数，K：各向异性常数，M：磁化强度，σ：施加的应力，μ_AC：AC情况下的导磁率)

通过上述的方程1和2，可以知道，当应力施加到磁致伸缩材料上时，导磁率改变。导磁率的变化导致电感的变化。作为结果，通过测量电感的变化可获得施加到磁致伸缩材料上的压力。

如附图12所示，方程3示出了具有磁致伸缩材料作为磁芯的螺线管的电感。当向螺线管磁芯的表面A施加压缩应力时，通过将表示应力和磁致伸缩材料的导磁率之间关系的方程1代入方程3，可获得电感的变化。

【方程3】

$L=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r{N}^{2}A}{l}$

(这里，L：单位为H的电感，μ₀：自由空间的导磁率，μ_r：螺线管磁芯的相对导磁率，N：螺线管中导线的匝数，A：螺线管的截面积，l：设置有导线匝的螺线管长度)

【方程4】

$L=\frac{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{AC}}{N}^{2}A}{l}=\frac{\{{\mathrm{\μ}}_0\frac{M^2}{2K-3\mathrm{\λ\σ}}+1\}{N}^{2}A}{l}=\{{\mathrm{\μ}}_0\frac{M^2}{2K-3\mathrm{\λ\σ}}+1\}\frac{N^{2}A}{l}$

依据上述原理，当压力施加到隔膜300上时，隔膜300弯曲，并且压力通过压力相位倾角180传送到介电薄膜150，这样绝缘薄膜150变形，如附图13所示。

附图13是示出当压力施加到附图1中的电感阵列单元100的一个单元元件时的框图。介电薄膜150由于压力变形，这样基于由变形产生的应力，应力被施加到沉积在介电薄膜150上的磁致伸缩材料薄膜120。结果，磁致伸缩材料薄膜120机械变形，这样磁致伸缩材料薄膜120的相对导磁率变化。

如果螺线管磁芯的磁致伸缩材料薄膜120的相对导磁率变化，那么电感阵列单元100的电感变化，如方程4所示。当电感阵列单元100是初级绕组电感并且外部测量装置的电感(未示出)是次级绕组电感时，取决于电感阵列单元100的电感变化的初级绕组电感的能量变化通过互感效应传送到次级绕组电感。

附图14是示出无线遥感如何利用互感工作的电路图。即使当应用附图14的电路原理时，也可以在附图13的单元元件中采用通用的方程。

也就是说，方程5示出了谐振频率ω₀下初级绕组的输入阻抗，和方程6表示初级绕组电感和次级绕组电感之间的互感M。

【方程5】

$Z_{\mathrm{in}}\left({\mathrm{\ω}}_0\right)=R_P+\frac{{{\mathrm{\ω}}_0}^2{M}^2}{R_S}+j{\mathrm{\ω}}_0{L}_P,f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_S{C}_S}}$

R_P：初级绕组的电阻(寄生电阻)

L_P：初级绕组的电感

R_S：次级绕组的电阻(寄生电阻)

L_S：次级绕组的电感

C_S：次级绕组的电容(传感器)

M：互感

K：耦合系数

ω₀：谐振频率

【方程6】

$M=k\sqrt{L_S{L}_P}$

在方程6中，k是两个电感之间的耦合系数，并由方程7表示。

【方程7】

$k\left(z\right)\≅\frac{{r_s}^2{r_p}^2}{\sqrt{r_s{r}_p}{\left[\sqrt{z^2+{r_p}^2}\right]}^3}$

Z：两个电感之间的距离

r_p：次级绕组导体(线圈)的半径

r_s：初级绕组导体(线圈)的半径

在外部测量装置中，可以通过如方程5所示计算输入阻抗测量得到施加到传感器的压力以测量能量的变化量。

在上述方程5-7中，仅仅当从初级绕组电感100传送最大能量到次级绕组电感时，在方程5的次级绕组阻抗中显示出大的变化。最大能量被传送的条件是当产生谐振频率f₀时。

对每个单元元件的压力相位倾角180由方程8表示，并且它的品质因数Q_tank由方程9表示。

【方程8】

$\mathrm{\Δ\φ}\≅{\tan }^{-1}\left(k^2{Q}_{\tan k}\right)$

【方程9】

$Q_{\tan k}=\frac{1}{R_S}\sqrt{\frac{L_S}{C_S}}$

因此，如果压力相位倾角180变得更大，那么品质因数也增加以有利于高频或无线传感器应用。

表1示出了关于压力相位倾角的大小的参数的关系。如表1所示，如果电感阵列单元100包括多个串联的电感Ns以增加总电感Ls，并具有大的导磁率μ_s，那么依据本发明实施例的压力传感器被期望比传统的MEMS LC谐振型压力传感器显示出更出色的性能。

表1

工业实用性

如上所述，依据本发明实施例的利用磁致伸缩效应的可变电感型MEMS压力传感器具有出色的分辨率，这是因为它比传统的压阻或电容传感器更灵敏。此外，利用磁致伸缩效应的可变电感型MEMS压力传感器采用可与半导体加工互换的MEMS加工技术制造，从而能够实现最小化和批量封加工以降低生产的成本。还有，上述压力传感器可以被用作可植入的或实时分析系统，这是因为压力传感器可以是无功率/无线传感器，可在没有能源的无源状态下测量压力。

Claims (6)

1、一种利用磁致伸缩效应的可变电感型MEMS压力传感器，包括：

电感阵列单元，所述电感阵列单元包括：初级线圈单元，所述初级线圈单元形成在第一衬底上；和磁致伸缩材料薄膜，所述磁致伸缩材料薄膜形成在以预定距离平行面对第一衬底的第二衬底上，以形成具有磁致伸缩材料薄膜作为所述初级线圈单元的磁芯的电感，以用于根据外部压力来感生磁致伸缩薄膜的导磁率的变化从而改变电感的感应系数；和

电容单元，用来与电感阵列单元构成LC谐振电路，以将从电感阵列单元释放的磁能转换为电压，

其特征在于，所述初级线圈单元具有多个串联的环形电极，以及所述磁致伸缩材料薄膜由多个片构成，每个片与所述环形电极一一对应，以及所述可变电感型MEMS压力传感器使用MEMS技术制作；

进一步包括测量装置，所述测量装置包括用来无线接收电感阵列单元的电感系数变化的次级线圈单元，所述测量装置用来计算经所述次级线圈单元接收的电感阵列单元的电感系数变化以测量施加到电感阵列单元的压力。

2、根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其中该磁致伸缩材料薄膜是非晶材料或单晶合金。

3、根据权利要求1或2所述的MEMS压力传感器，其中该电感阵列单元包括：

第一衬底，所述第一衬底具有形成在第一表面上的串联的环形电极；

第二衬底，所述第二衬底具有磁致伸缩薄膜，所述磁致伸缩薄膜由多个片构成，所述多个片一一对应于每个环形电极并被沉积在面向第一表面的第二表面上，以及具有形成在作为第二表面背面的第三表面上的压力相位倾角，这样外部压力被传送到磁致伸缩材料薄膜；和

垫片，所述垫片用来保持第一衬底以预定距离离开第二衬底，而不直接接触环形电极和磁致伸缩材料薄膜。

4、根据权利要求3所述的MEMS压力传感器，其中第一衬底是耐热或石英玻璃。

5、根据权利要求3所述的MEMS压力传感器，其中第二衬底是介电薄膜。

6、根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，进一步包括：

隔膜，所述隔膜用来覆盖传感器的施加外部压力的上部表面；和

外壳，所述外壳用来覆盖除传感器的上部表面之外的传感器的外部表面并固定传感器和隔膜。

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