CN109941956A - Mems传感器及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MEMS传感器及电子设备，敏感膜层包括敏感部、固定部；磁检测机构包括设置在所述敏感部上的磁体，还包括设置在固定部上且分别在X轴方向上位于磁体相对两侧的磁阻；两个磁阻的中心至磁体中心的距离相等，且两个磁阻的感测方向相同，均在X轴方向上；当所述敏感部在Z轴方向上振动时，其中一个磁阻的阻值变大，另一个磁阻的阻值变小，且变化量相同，二者构成了惠斯通电桥。本发明的传感器，容易控制磁体与磁阻的对准工艺，而且可以将磁铁、磁阻做得更小，实现了传感器的小型化发展，同时还易于提高传感器的检测性能。

Description

MEMS传感器及电子设备

技术领域

本发明涉及换能领域，更具体地，涉及一种MEMS传感器，以及应用此传感器的电子设备。

背景技术

现有主流的传感器，例如麦克风、压力传感器、位移传感器等，均是通过平板电容器的原理进行检测。例如在麦克风的结构中，通常包括衬底以及形成在衬底上的背极板、振膜，其中，背极板与振膜之间具有间隙，使得背极板、振膜共同构成了平板式的电容器感测结构。

这种结构的麦克风，由于空气粘度造成的间隙或穿孔中的空气流动阻力成为MEMS麦克风噪声的主导因素，从而会在一定程度上限制麦克风的高信噪比性能，最终会导致麦克的性能不佳。

对于传统无背板的磁传感器结构，磁传感器和磁体分别放置在两个相对移动的平面上，声压会使振膜在平面外变形，从而改变GMR和磁体之间的间隙。这种结构的传感器，需要精确控制静止位置的间隙，另外还需要在两个平面上将磁体和GMR对齐，这对于半导体制造来说不容易。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种传感器的新技术方案。

根据本发明的第一方面，提供了一种MEMS传感器，包括承载在衬底上且位于XY平面内的敏感膜层，所述敏感膜层包括敏感部，以及与敏感部分离的固定部；还包括设置在敏感部和固定部上的磁检测机构；

所述磁检测机构包括设置在所述敏感部上的磁体，所述磁体的磁化方向在Z轴方向上；还包括设置在所述固定部上且分别在X轴方向上位于磁体相对两侧的磁阻；两个磁阻的中心至磁体中心的距离相等，且两个磁阻的感测方向相同，均在X轴方向上；或者是，

所述磁检测机构包括设置在所述固定部上的磁体，所述磁体的磁化方向在Z轴方向上；还包括设置在所述敏感部上且分别在X轴方向上位于磁体相对两侧的磁阻；所述两个磁阻的中心至磁体中心的距离相等，且两个磁阻的感测方向相同，均在X轴方向上；

当所述敏感部在Z轴方向上振动时，其中一个磁阻的阻值变大，另一个磁阻的阻值变小，且变化量相同，二者构成了惠斯通电桥。

可选地，初始位置时，所述磁体的中心面与磁阻中的自由磁性层的中心面共面。

可选地，磁阻的下表面与敏感膜层之间还设置有支撑层。

可选地，磁体相对两侧的磁阻分别设置有多个，且两侧磁阻的数量及相对于磁体的距离一一对应。

可选地，所述磁检测机构至少设置有两个，分别分布在敏感膜层相对的两侧。

可选地，所述敏感部相对的两侧分别向外延伸出第一悬臂梁，所述磁检测机构设置在第一悬臂梁和固定部上。

可选地，所述敏感部相对的两侧分别向外延伸出第一悬臂梁，在第一悬臂梁的自由端设置有第二悬臂梁；所述磁检测机构设置在第二悬臂梁和固定部上。

可选地，还包括预弯机构，所述预弯机构包括敏感膜层上与敏感部、固定部分离的悬臂部，所述悬臂部设置有改变其自由端与敏感部之间在Z 轴方向上相对位置的应力层；在所述悬臂部与敏感部之间施加有调整敏感部位置的静电力。

可选地，所述敏感部悬置在衬底的后腔中，且其中一侧固定在衬底上；所述磁检测机构分布在远离敏感部与衬底固定的位置。

可选地，所述敏感部悬置在衬底的后腔中，且其相对的两侧分别固定在衬底上；所述磁检测机构分布在敏感部的中部位置。

可选地，所述MEMS传感器为MEMS压力传感器、MEMS气体传感器、MEMS 麦克风、MEMS温度传感器、MEMS湿度传感器或者MEMS位移传感器。

根据本发明的另一方面，还提供了一种电子设备，包括上述的MEMS 传感器。

本发明的传感器，磁体、磁阻位于同一平面内，通过Z轴方向上的位移来实现磁阻电信号的检测，并最终通过磁体相对两侧的磁阻构成惠斯通电桥。这种传感器在制造的时候，容易控制磁体与磁阻的对准工艺，而且可以将磁铁、磁阻做得更小，实现了传感器的小型化发展，同时还易于提高传感器的检测性能。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明磁阻的检测原理图。

图2是本发明多磁阻与磁体的配合示意图。

图3是本发明传感器的结构示意图。

图4是本发明预弯机构与敏感部的配合示意图。

图5是本发明传感器第一实施方式的结构示意图。

图6是本发明传感器第二实施方式的结构示意图。

图7是本发明传感器第三实施方式的结构示意图。

图8a至图8h是本发明传感器的制造工艺流程图。

图9a是图2所示实施例中磁场分布的仿真图。

图9b是图9a中示意磁阻线性检测区域的放大图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明提供的MEMS传感器，可以是MEMS压力传感器、MEMS气体传感器、MEMS麦克风、MEMS温度传感器、MEMS湿度传感器、MEMS位移传感器，或者是本领域技术人员所熟知的其它传感器。例如当应用到压力传感器中时，敏感膜对外界的压力敏感，外界压力的变化会驱动敏感膜发生形变。当应用到位移传感器中时，可以设置一驱动杆与敏感膜连接在一起，通过驱动杆推动敏感膜发生形变，在此不再一一列举。

本发明还提供了一种应用上述MEMS传感器的电子设备，该电子设备可以是手机、平板电脑、智能手环、智能眼镜等本领域技术人员所熟知的智能设备。

为了便于描述，现以MEMS麦克风为例，对本发明的技术方案进行详尽的描述。

本发明提供的一种MEMS传感器，包括承载在衬底上且位于平面内的敏感膜层，敏感膜层包括敏感部，以及与敏感部分离的固定部。在固定部与敏感部上设置磁检测机构，当外界的声音作用到敏感部上后，敏感部在垂直于其表面的方向上振动，以使磁检测机构输出变化的电信号。

具体地，参考图3，固定部1a和敏感部1b从同一敏感膜层分离出来，该敏感膜层在MEMS制造工艺中，是同时沉积在衬底上，并可通过刻蚀间隙 7的工艺分离开。其中，敏感部1b的部分边缘可连接在衬底上，其它部分可悬置在衬底(图3未示出)上，使其对外界声音敏感。该蚀刻的间隙7 还利于敏感部1b两侧的均压。

固定部1a则连接在衬底(图3未示出)上，其对外界的声音不敏感。在MEMS制造工艺中，在敏感膜层未释放之前，敏感膜层处于同一水平面上。例如在三轴坐标系中，敏感膜层处于XY平面内。

磁检测机构包括设置在敏感部1b上的磁体6，磁体6的磁化方向在Z 轴方向上。磁体6可以是磁性薄膜的形式，磁性薄膜可以直接采用磁性材质，也可以是形成薄膜后对该薄膜进行磁化。在本发明一个具体的实施方式中，磁性薄膜可以采用CoCrPt或者CoPt材质。该磁体6可以通过沉积或者本领域技术人员所熟知的其它手段形成在敏感部1b上，在此对其不再具体说明。

磁检测机构还包括设置在固定部1a上且分别在X轴方向上位于磁体6 相对两侧的磁阻3。磁阻3优选采用巨磁阻传感器(GMR)、隧道磁阻传感器(TMR)或者各向异性磁阻传感器(AMR)等。通过采用高灵敏度的巨磁阻传感器(GMR)、隧道磁阻传感器(TMR)或各向异性磁阻传感器(AMR) 来获得检测的电信号，可以保证检测机构的电学性能。

图3由于剖视位置关系，仅示意出了磁体6其中一侧的磁阻3。磁体 6的两侧分别设有磁阻3，该两个磁阻3的中心至磁体6中心的距离相等，且两个巨磁阻的感测方向相同，均在X轴方向上。

图1示出了本发明磁检测机构的工作原理图，磁体位于两个磁阻中间的位置，且磁阻的磁化方向在竖直方向上。例如参考图1的视图方向，磁体的上端为N极，下端为S极，磁体的磁场方向由N极回到S极。两个磁阻的中心位置至磁体的中心位置相同，且磁阻、磁体均在同一表面内。两个磁阻的感测方向相同，例如两个磁阻的感测方向均朝向X轴的正方向。

对于本领域的技术人员而言，磁阻通常包括自由磁性层、非磁性层、固定层，自由磁层为磁阻的功能层。由于磁阻、磁体的尺寸不同，为了保证两个磁阻检测的性能，初始位置时，磁体的中心面与磁阻中的自由磁性层的中心面共面。

当磁体在Z轴方向上发生位移时，例如当磁体向上发生位移时，两个磁阻感测到磁场强度的变化，其中一个磁阻的阻值变大，另一个磁阻的阻值变小，且变化量相同。例如图1中示出的磁阻R-、R+，该两个磁阻共同可以构成惠斯通电桥，以输出检测的电信号。

当然对于本领域的技术人员而言，磁检测机构中，也可以将磁体放置在固定部上，将磁阻放置在敏感部上。当敏感部振动时，同样可以使磁检测机构输出变化的电信号。将磁阻设置在敏感部上时，需要考虑将引线设置在敏感部上时，引线对敏感部的影响等。

参考图3，磁体6、磁阻3均设置在敏感膜层上，鉴于磁体6、磁阻3 的尺寸，为了保证磁体6的中心面与磁阻3中的自由磁性层的中心面共面，可沉积形成磁体6、磁阻3之前，可预先在固定部1a的位置沉积一层支撑层2，例如氧化硅。磁阻3形成在该支撑层2上，以提高磁阻3的高度。引线4可沉积在支撑层2上，并与磁阻3相连，以将磁阻3的信号引出。在磁阻3和磁体6的表面可以设置一层保护层5，以保护磁体6和磁阻3 不受损坏。

本发明的传感器，磁体、磁阻位于同一平面内，通过Z轴方向上的位移来实现磁阻电信号的检测，并最终通过磁体相对两侧的磁阻构成惠斯通电桥。这种传感器在制造的时候，容易控制磁体与磁阻的对准工艺，而且可以将磁铁、磁阻做得更小，实现了传感器的小型化发展，同时还易于提高传感器的检测性能。

图2示出了本发明MEMS传感器另一种实施方式，磁体两侧的磁阻分别设置有多个，且两侧磁阻的数量及相对于磁体的距离一一对应。例如在图2示意出的实施例中，磁体M左侧设置有三个磁阻，分别记为R1-、R2-、 R3-；磁体M右侧设置有三个磁阻，分别记为R1+、R2+、R3+。R1+、R1-对应起来，R2+、R2-对应起来，R3+、R3-对应起来。

在本发明一个具体的实施方式中，例如R1+、R1-的中心距离磁体M 的中心为3μm；R2+、R2-的中心距离磁体M的中心为4μm；R3+、R3-的中心距离磁体M的中心为5μm。根据磁体M磁场分布的特点可知，不同距离的磁阻具有不同的线性区域、灵敏度、信噪比。设计人员可以根据实际需要选择合适的距离进行组合。

图9a、图9b示出了不同距离的磁阻在磁场中的仿真。图中横坐标代表磁体在Z轴方向上的位移，纵坐标代表磁场强度Bx(T)以及磁场变化梯度dBx/dz(T/m)。从这两张仿真图中可以看出，更近的距离导致更高的磁场强度梯度，因此灵敏度(Sb＝dBx/dZ)更高，但具有更窄的线性区域，因此具有更窄的动态范围(或声学过载点，AOP)，并且更难以在磁体、磁阻之间进行对准。如果将多个磁阻放置在同一传感器中，则可以获得最佳的性能。

本发明的MEMS传感器，在释放牺牲层的时候，敏感膜层在应力的作用下会发生一定程度的弯曲变形，这就导致敏感部上的磁体与固定部上的磁阻更难以对准。为此，本发明的MEMS传感器还包括预弯机构9，参考图 4。

预弯机构9包括敏感膜层上的悬臂部1c，该悬臂部1c与敏感部1b、固定部1a均分离开。例如可通过刻蚀的工艺对敏感膜层进行加工，以形成相互独立的固定部1a、敏感部1b、悬臂部1c。

该悬臂部1c的一端进行固定，例如在MEMS结构中，悬臂部1c的一端可以固定在衬底上，另一端悬置在衬底的后腔中。在悬臂部1c的表面上沉积有一层应力层8。当悬臂部1c释放后，在应力层8的作用，改变悬臂部1c自由端与敏感部1b之间在Z轴方向上相对位置。图4示出了悬臂部 1c自由端在Z轴方向上高于敏感部1b。

敏感膜层在制造的时候，是通过沉积等工艺形成在衬底上，其具有均一的平整度。在悬臂部1c位置形成的应力层8可以根据实际需要选择拉应力层或者压应力层。当敏感膜层释放后，在应力层8自身的应力作用下，带动悬臂部1c相对于敏感部1b发生一定的翘曲(往上或者往下)。

在悬臂部1c与敏感部1b之间施加一定的静电力，使得敏感部1b可以在静电力的作用下往悬臂部1c的方向被吸引，从而改变了敏感部1b的位置。并且可以根据静电力的大小，来调整敏感部1b的位移程度，最终达到对准敏感部1b上磁体与固定部1a上磁阻的目的。

图5示出了本发明一种MEMS传感器的具体实施例。在该实施例中，敏感部50通过其固定端500固定连接在衬底上，其它的位置均悬空在衬底上。敏感部50相对的两侧分别向外延伸出第一悬臂梁501，磁检测机构设置在第一悬臂梁501和固定部上。

具体地，在第一悬臂梁501上设置了磁体52，在第一悬臂梁501的两侧分别设置了第一磁阻单元53、第二磁阻单元54。同一个悬臂梁两侧的第一磁阻单元53、第二磁阻单元54构成了惠斯通电桥。不同悬臂梁之间的磁检测机构组合到在一起，共同输出变化的电信号。当然，对于本领域的技术人员而言，敏感部50同一侧的第一悬臂梁可以设置有多个，在此不再具体说明。

预弯机构51设置在远离敏感部50固定端500的一侧。

在图6示意出的实施例中，与图5所示实施例不同的是，在第一悬臂梁5001的自由端设置有第二悬臂梁5002；磁检测机构设置在第二悬臂梁 5002和固定部上。

具体地，第一悬臂梁5001从敏感部上延伸出来，第二悬臂梁5002的中心位置与第一悬臂梁5001连接在一起，二者构成了T型结构。第二悬臂梁5002的两端分别设置有一个磁体，每个磁体相对的两侧分别设置有两个磁阻单元。

在图7所示的实施例中，与图5所示实施例不同的是，敏感部50相对两侧均为固定端500，固定连接在衬底上。敏感部50的其它位置悬置在衬底的后腔中，磁检测机构分布在敏感部50的中部位置。即，第一悬臂梁 501分别在敏感部50中部区域相对的两侧。预弯机构51设置有多个，分布在敏感部50的中部位置，以保证敏感部50中部区域位置调整的均衡性。

图8a至图8h示出了本发明MEMS传感器的其中一种制造工艺流程图。

参考图8a，在衬底100上依次沉积绝缘层101、敏感膜层102。衬底 100可以选用单晶硅衬底，其厚度可以为0.1-10μm。绝缘层101可以选用氧化硅，敏感膜层102可以选用多晶硅等本领域技术人员所熟知的材质。在敏感膜层102上继续沉积一层氧化硅，并对该氧化硅进行图案化处理，以在敏感膜层102的相应位置形成支撑层103。

参考图8b，通过剥离工艺或者图案化工艺，在敏感膜层102的相应位置上形成磁体104。例如当选用剥离工艺时，可在敏感膜层102上形成光刻胶，并对光刻胶刻蚀形成光刻图案；通过PVD的方式在光刻胶上沉积磁体膜层，最后去胶形成磁体的图案。

例如当选用干法IBE刻蚀的工艺时，可在敏感膜层102通过PVD的方式沉积磁体膜层，之后通过IBE的工艺对磁体膜层进行刻蚀，以形成磁体的图案。

参考图8c，通过剥离工艺或者图案化工艺，在支撑层103上形成磁阻 105，例如可以形成GMR或者TMR。

参考图8d，在支撑层103上形成引线106，该引线106与磁阻105导通，以将磁阻105的电信号引出。引线106可以采用金属铝，或者采用Cr 与Au复合的导电膜。引线106与磁阻105连接，并将磁阻105的信号导通至合适的位置，以便后续引出。引线106可以通过PVD结合Liftoff工艺或湿法腐蚀的工艺形成，在此不再具体说明。PVD的成型温度较低，甚至可以在常温中进行。

参考图8e，在磁体、磁阻的外表面沉积一层保护层107进行保护。该保护层107在引线106的位置进行刻蚀，以将部分引线106露出。

参考图8f，在保护层107的相应位置形成焊盘，以将引线106导出。

参考图8g，对位于磁体、磁阻之间的敏感膜层进行刻蚀，形成间隙 1020，以将敏感膜层分隔成固定部110、敏感部109。

参考图8h，对衬底100进行刻蚀，并通过腐蚀的方式将绝缘层101 去除，以释放敏感部109，最终形成了本发明的MEMS传感器。

当然对于本领域的技术人员而言，对于具有预弯机构的传感器而言，还需要对在上述步骤中形成预弯机构的具体结构，在此不再具体说明。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (12)

1.一种MEMS传感器，其特征在于：包括承载在衬底上且位于XY平面内的敏感膜层，所述敏感膜层包括敏感部，以及与敏感部分离的固定部；还包括设置在敏感部和固定部上的磁检测机构；

所述磁检测机构包括设置在所述敏感部上的磁体，所述磁体的磁化方向在Z轴方向上；还包括设置在所述固定部上且分别在X轴方向上位于磁体相对两侧的磁阻；两个磁阻的中心至磁体中心的距离相等，且两个磁阻的感测方向相同，均在X轴方向上；或者是，

所述磁检测机构包括设置在所述固定部上的磁体，所述磁体的磁化方向在Z轴方向上；还包括设置在所述敏感部上且分别在X轴方向上位于磁体相对两侧的磁阻；所述两个磁阻的中心至磁体中心的距离相等，且两个磁阻的感测方向相同，均在X轴方向上；

当所述敏感部在Z轴方向上振动时，其中一个磁阻的阻值变大，另一个磁阻的阻值变小，且变化量相同，二者构成了惠斯通电桥。

2.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其特征在于：初始位置时，所述磁体的中心面与磁阻中的自由磁性层的中心面共面。

3.根据权利要求2所述的MEMS传感器，其特征在于：磁阻的下表面与敏感膜层之间还设置有支撑层。

4.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其特征在于：磁体相对两侧的磁阻分别设置有多个，且两侧磁阻的数量及相对于磁体的距离一一对应。

5.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其特征在于：所述磁检测机构至少设置有两个，分别分布在敏感膜层相对的两侧。

6.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其特征在于：所述敏感部相对的两侧分别向外延伸出第一悬臂梁，所述磁检测机构设置在第一悬臂梁和固定部上。

7.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其特征在于：所述敏感部相对的两侧分别向外延伸出第一悬臂梁，在第一悬臂梁的自由端设置有第二悬臂梁；所述磁检测机构设置在第二悬臂梁和固定部上。

8.根据权利要求6或7所述的MEMS传感器，其特征在于：还包括预弯机构，所述预弯机构包括敏感膜层上与敏感部、固定部分离的悬臂部，所述悬臂部设置有改变其自由端与敏感部之间在Z轴方向上相对位置的应力层；在所述悬臂部与敏感部之间施加有调整敏感部位置的静电力。

9.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其特征在于：所述敏感部悬置在衬底的后腔中，且其中一侧固定在衬底上；所述磁检测机构分布在远离敏感部与衬底固定的位置。

10.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其特征在于：所述敏感部悬置在衬底的后腔中，且其相对的两侧分别固定在衬底上；所述磁检测机构分布在敏感部的中部位置。

11.根据权利要求1至10任一项所述的MEMS传感器，其特征在于；所述MEMS传感器为MEMS压力传感器、MEMS气体传感器、MEMS麦克风、MEMS温度传感器、MEMS湿度传感器或者MEMS位移传感器。

12.电子设备，其特征在于，包括根据权利要求1至11任一项所述的MEMS传感器。