CN110345972B - 一种传感器及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传感器及电子设备，包括衬底以及连接在衬底上的敏感膜，敏感膜悬置在衬底上且被配置为当受到外力时，在垂直于其膜面的方向上发生形变；在敏感膜上还设置有磁阻；还包括连接在衬底上的固定部，固定部对外力不敏感；固定部与敏感膜位于同一平面内，固定部上邻近磁阻的位置设置有导线，所述导线被配置为通入电流以产生被所述磁阻感应的磁场。根据本公开的一个实施例，敏感膜和固定部位于同一平面内，可以避免传统传感器结构在制造时的对准等问题，由此可以提高检测结构的制作精度，保证了传感器的性能。

Description

一种传感器及电子设备

技术领域

本发明涉及测量领域，更准备地说，本发明涉及一种传感器，例如麦克风、位移传感器等；本发明还涉及一种应用此传感器的电子设备。

背景技术

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

但是鉴于电容器感测结构无法解决的声阻、后腔等、检测灵敏度低等问题，磁传感器逐渐成为检测领域的趋势。现有的磁传感器中，GMR和磁铁放置在相对移动的平面上，声压会使振膜在平面外变形，从而改变GMR和磁铁之间的间隙。这种结构的传感器，需要精确控制GMR和磁铁在三维方向上的位置，这对于半导体制造来说是非常不容易的。

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，提供了一种传感器，包括衬底以及连接在衬底上的敏感膜，所述敏感膜悬置在衬底上，且被配置为当受到外力时，在垂直于其膜面的方向上发生形变；在所述敏感膜上还设置有磁阻；

还包括连接在衬底上的固定部，所述固定部对外力不敏感；所述固定部与敏感膜位于同一平面内，所述固定部上邻近磁阻的位置设置有导线，所述导线被配置为通入电流以产生被所述磁阻感应的磁场。

可选地，所述固定部、敏感膜通过对同一膜层的图案化处理得到。

可选地，所述敏感膜、固定部相对设置；其中，所述敏感膜远离固定部的一侧连接在衬底上，所述敏感膜邻近固定部的一侧设置有呈梳齿状的敏感凸缘；所述固定部远离敏感膜的一侧连接在衬底上，所述固定部邻近敏感膜的一侧设置有与敏感凸缘对应配合在一起且呈梳齿状的固定凸缘；所述磁阻设置在敏感凸缘上；所述导线设置在固定凸缘上。

可选地，所述磁阻相对两侧的固定凸缘上各设有一条所述导线，所述两条导线沿着各自固定凸缘的延伸方向排布，且通入的电流方向相同。

可选地，所述两条导线的一端各有一个电流入线端，另一端分别沿着各自的固定凸缘延伸到固定部上并导通在一起，且通过同一个电流出线端引出。

可选地，至少两个磁阻中，其中一个磁阻对应导线中通入的电流，与另一个磁阻对应导线中通入的电流方向相反。

可选地，所述磁阻至少设置有四个，以构成至少一个惠斯通电桥。

可选地，所述敏感膜包括相对设置的第一膜体、第二膜体，所述第一膜体远离第二膜体的一侧连接在衬底上，所述第二膜体远离第一膜体的一侧连接在衬底上；所述第一膜体邻近所述第二膜体的一侧设置有朝向第二膜体方向延伸的第一敏感凸缘，所述第二膜体邻近所述第一膜体的一侧设置有朝向第一膜体方向延伸的第二敏感凸缘；第二敏感凸缘与第一敏感凸缘相对设置，所述磁阻设置有至少两个，分别位于第一敏感凸缘、第二敏感凸缘上；

所述固定部位于第一膜体、第二膜体之间，位于固定部上的所述导线穿过两个磁阻之间，并被配置为被两个磁阻感应。

可选地，所述传感器为麦克风、气体传感器、温度传感器、湿度传感器或者位移传感器。

根据本发明的另一方面，还提供了一种电子设备，包括上述的传感器。

根据本公开的一个实施例，敏感膜和固定部位于同一平面内，可以避免传统传感器结构在制造时的对准等问题，由此可以提高检测结构的制作精度，保证了传感器的性能。

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是本发明传感器的俯视图。

图2是图1中敏感凸缘和固定凸缘配合位置的局部放大图。

图3是本发明传感器另一实施方式的俯视图。

图4是本发明磁阻在导线产生的磁场中的示意图。

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。

本发明提供的传感器，其可以是麦克风、温度传感器、湿度传感器、气体传感器、位移传感器或者本领域技术人员所熟知的其它传感器。例如当应用到温度传感器中时，其敏感膜对外界的温度敏感，外界温度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或位移，在此不再一一列举。

为了便于描述，现以麦克风为例，对本发明的技术方案进行详尽的描述。

本发明提供了一种传感器，包括衬底以及连接在衬底上的敏感膜，敏感膜悬置在衬底上。当敏感膜受到外力时，例如受到外界的声压时，敏感膜可以在垂直于其膜面的方向上发生形变。在敏感膜上还设置有磁阻，使得磁阻可以随着敏感膜的形变而发生位移。

还包括连接在衬底上的固定部，固定部对外力不敏感；固定部与敏感膜位于同一平面内，固定部上邻近磁阻的位置设置有导线，导线被配置为通入电流以产生被所述磁阻感应的磁场。

当导线通入电流后，会在导线周围的空间产生圆形磁场。导线中流过的电流越大，产生的磁场越强，这是本领域技术人员所熟知的电生磁现象。敏感膜在受到外力发生形变或者位移时，会改变磁阻的位置，从而使得磁阻可以感应周围磁场的变化，并输出变大或者变小的电信号，以此来表征敏感膜的形变程度。当然，也可以通过磁阻构成的惠斯通电桥来获得变化的电信号，这属于本领域技术人员的公知常识。

本发明的磁阻可以选用例如巨磁阻传感器(GMR)、隧道磁阻传感器(TMR)、各向异性磁阻传感器(AMR)或者本领域技术人员所熟知的其它磁阻等。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1、图2示出了本发明传感器第一实施方式的示意图。

参考图1、图2,敏感膜1、固定部5位于同一平面内的相对两端，敏感膜1和固定部5可以通过对同一膜层进行图案化处理得到。例如可以首先沉积膜层，对膜层进行图案化处理，从而得到敏感膜1、固定部5的图形，后续可以通过腐蚀牺牲层等工艺来释放敏感膜1等。当然，由于敏感膜1和固定部5来源于同一膜层，因此在设计的时候，需要保证敏感膜1的灵敏度，以及保证固定部5不会随着外界的压力变化而发生位移、形变等。

敏感膜1与固定部5相对设置，其中，敏感膜1远离固定部5的一侧连接在衬底(视图未给出)上，例如通过第一锚固点1a连接在衬底上；敏感膜1的其余部分悬空在衬底上，使得当敏感膜1受到外力时，可以在垂直于其膜面的方向上发生形变。敏感膜1远离其锚固点的一侧的形变、位移程度最大。故可以在敏感膜1邻近固定部5的一侧设置有呈梳齿状的敏感凸缘。

在图1、图2示意出的实施例中，敏感凸缘设置有四个，分别记为两个第一敏感凸缘10，两个第二敏感凸缘11。两个第一敏感凸缘10相邻设置，两个第二敏感凸缘11相邻设置。四个敏感凸缘间隔设置呈梳齿状，且朝向固定部5的方向延伸。

在两个第一敏感凸缘10上分别设置有一个第一磁阻3，在两个第二敏感凸缘11上分别设置有一个第二磁阻4。第一磁阻3、第二磁阻4的钉扎方向相同，例如均朝向图2所示的右方。这是由于通过MEMS工艺在同一膜层上制作磁阻时，无法选择不同钉扎方向的磁阻，或者说工艺难度大。

磁阻可以通过本领域技术人员所熟知的方式形成在敏感凸缘上，例如可以通过逐层沉积、刻蚀等工艺形成在敏感膜1上，后续通过图形化处理得到第一敏感凸缘10、第二敏感凸缘11，在此不再具体说明。

固定部5远离敏感膜1的一侧连接在衬底上，例如通过第二锚固点5a连接在衬底上，且使该固定部5对外力不敏感。例如当外界的声音传递过来后，敏感膜1在声压的作用下发生变形，而固定部5则保持不动。

要想保证固定部5对外力不敏感，可以在提高固定部5与衬底之间的结合的面积，例如使固定部5相对于衬底不悬空，也可以是减少固定部5横向的尺寸等，在此不再具体说明。

固定部5邻近敏感膜1的一侧设置有与敏感凸缘对应配合在一起的固定凸缘。该固定凸缘的数量根据敏感凸缘的数量而定，以使得每个敏感凸缘的两侧各有一个固定凸缘。在图1示出的实施例中，固定凸缘设置有六个，分别记为与第一敏感凸缘10对应的三个第一固定凸缘50，以及与第二敏感凸缘11对应的三个第二固定凸缘51。这些固定凸缘与敏感凸缘交叉配合在一起。

当然，对于本领域的技术人员而言，第一敏感凸缘10、第二敏感凸缘11之间的第一固定凸缘50、第二固定凸缘51可以是独立的；也可以是一体的，作为一个固定凸缘。

导线6则设置在固定凸缘上与磁阻对应的位置，以使每个磁阻可以感应对应导线6通入电流后产生的磁场。

具体地，参考图2，第一磁阻3对应两条导线，分别为位于其两侧第一固定凸缘50上的两条第一导线60，第一导线60沿着第一固定凸缘50的延伸方向延伸，且邻近第一磁阻3设置，该间距使得其产生的磁场可以被第一磁阻3反应到。

两条第一导线60平行设置，且其通入的电流方向相同，例如图2的图示方向，两条第一导线60中电流的方向均朝下。钉扎方向朝右的第一磁阻3在两条第一导线60之间，第一磁阻3在随着敏感膜1上下运动时，可以对正负磁场有对称的信号输出。

在此需要注意的是，第一磁阻3可以位于两条第一导线60之间的中心位置，也可以偏向其中某一条第一导线60。

该两条第一导线60可以并联在一起，即两条第一导线60的一端各有一个电流入线端，另一端分别沿着各自的第一固定凸缘50延伸到固定部5上并导通在一起，且通过同一个电流出线端引出，参考图2。

图4示出了磁阻在两个通电导线形成的磁场中的示意图。在Z轴方向上的磁场满足以下公式：

其中，a₁、a₂表示两条导线至磁阻(GMR)的距离；I₁、I₂表示两条导线中的电流；Z表示磁阻在垂直于敏感膜方向上的位移；μ₀为常数。

需要控制导线与磁阻之间的距离，保证磁阻可以工作在其线性检测区域内。

第二敏感凸缘11上第二磁阻4及第二固定凸缘51的设置方式与第一敏感凸缘10、第一磁阻3、第一固定凸缘50的布置方式相同，在此不再具体说明。

与第一固定凸缘50不同的是，两个第二固定凸缘51上的两条第二导线61的电流方向与第一导线60中电流的方向相反。参考图2的视图方向，第二导线61的电流方向均朝上。两条第二导线61的一端各有一个电流出线端，另一端分别沿着各自的第二固定凸缘51延伸到固定部5上并导通在一起，且通过同一个电流入线端引入，参考图2。

当敏感膜1在声压的作用下向下或者向上发生形变、位移时，由于第一导线60、第二导线61的电流方向不同，这就使得第一磁阻3与第二磁阻4的变化是相反的。例如第一磁阻3变大时，第二磁阻4变小；或者是，第一磁阻3变小时，则第二磁阻4变大。这些磁阻配合在一起可以构成惠斯通电桥。

当然，对于本领域的技术人员而言，也可以将某些磁阻做成“死电阻”或者“固定电阻”，即不随着敏感膜1的变形而变化。还可以调整第一导线、第二导线中的电流方向等，来调整惠斯通电桥的具体检测方式，这些不同的惠斯通电桥属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。

另外，本发明的传感器，通过上述的磁阻可以构成多个惠斯通电桥，在此不再具体说明。还可以在敏感膜1的其它侧边设置磁阻的结构，还可以在敏感膜的中部区域设置磁阻结构。

在本发明另一个实施例中，参考图3，敏感膜包括相对设置的第一膜体70、第二膜体71，第一膜体70、第二膜体71正对设置，且二者之间具有间隙。

第一膜体70远离第二膜体71的一侧连接在衬底(视图未给出)上，例如通过第一锚点70a连接在衬底上。第一膜体70其余的位置均悬空在衬底上，使得当第一膜体70受到外力时，可以在垂直于其膜面的方向上发生形变或位移。第一膜体70远离其锚固点的一侧的形变、位移程度最大。故可以在第一膜体70邻近第二膜体71一侧的中部位置设置有朝向第二膜体71方向延伸的第一敏感凸缘70b。

在图3的实施例中，第一敏感凸缘70b设置有一个。对于本领域的技术人员而言，第一敏感凸缘70b可以设置多个，在此不再具体说明。

第二膜体71远离第一膜体70的一侧连接在衬底(视图未给出)上，例如通过第二锚点71a连接在衬底上。第二膜体71其余的位置均悬空在衬底上，使得当第二膜体71受到外力时，可以在垂直于其膜面的方向上发生形变或位移。且第二膜体71远离其锚固点的一侧的形变、位移程度最大。故可以在第二膜体71邻近第一膜体70一侧的中部位置设置有朝向第一膜体70方向延伸的第二敏感凸缘71b。

第二敏感凸缘71b设置有一个，且与第一敏感凸缘70b正对设置。当然，当第一敏感凸缘70b设置有多个时，第二敏感凸缘71b相应设置多个，并与第一敏感凸缘70b一一正对。

分别在第一敏感凸缘70b、第二敏感凸缘上71b上设置第一磁阻72、第二磁阻73，两个磁阻可以通过本领域技术人员所熟知的方式形成在两个敏感凸缘上。第一磁阻72、第二磁阻73的钉扎方向例如可以朝向如图3所示的右方。

固定部位于第一膜体70、第二膜体71之间，并穿过第一膜体70、第二膜体71之间的间隙。位于固定部上的导线穿过两个磁阻之间，并分别被两个磁阻感应。

固定部整体可以呈哑铃型，其包括位于两侧的支撑部74，该支撑部74的外侧可以通过第三锚点74a连接在衬底上；还包括位于两个支撑部74之间的连接部75。该连接部75在宽度方向上的尺寸小于支撑部74的宽度尺寸，且穿过第一敏感凸缘70b和第二敏感凸缘71b之间。导线包括在连接部75上延伸的感应导线76，以及位于支撑部74上的连接导线77，通过连接导线77可以将电流引入、引出感应导线76。该感应导线76与两个磁阻配合在一起。当第一膜体70、第二膜体71发生形变或者位移时，该感应导线76产生的磁场可以被运动的第一磁阻72、第二磁阻73同时感应到，以输出变化的电信号。

本发明的传感器，第一膜体70、第二膜体71、固定部可以通过对同一膜层的图案化处理得到。例如可以首先沉积膜层，在膜层的相应位置制作第一磁阻72、第二磁阻73，制作感应导线76、连接导线77。后续可通过图案化处理制作出第一膜体70、第二膜体71及支撑部74、连接部75的图案，最终通过腐蚀牺牲层来释放第一膜体70、第二膜体71。这种沉积、图案化、腐蚀的MEMS工艺属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。

本发明的传感器，敏感膜和固定部位于同一平面内，可以避免传统传感器结构在制造时的对准等问题，由此可以提高检测结构的制作精度，保证了传感器的性能。

本发明的传感器可以应用到电子设备中，为此本发明还提供了一种电子设备，包括上述的传感器。该电子设备可以是智能手机、平板电脑、智能手表、智能手环、智能眼镜等本领域技术人员所熟知的电子设备终端，在此不再一一列举。

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 (10)

1.一种传感器，包括衬底以及连接在衬底上的敏感膜，所述敏感膜悬置在衬底上，且被配置为当受到外力时，在垂直于其膜面的方向上发生形变；其特征在于，在所述敏感膜上还设置有磁阻；

还包括连接在衬底上的固定部，所述固定部对外力不敏感；所述固定部与敏感膜位于同一平面内，所述固定部上邻近磁阻的位置设置有导线，所述导线被配置为通入电流以产生被所述磁阻感应的磁场，所述磁阻感应周围磁场的变化，并输出变大或者变小的电信号；

所述敏感膜包括相对设置的第一膜体、第二膜体，所述第一膜体设置有第一敏感凸缘，所述第二膜体设置有第二敏感凸缘，第二敏感凸缘与第一敏感凸缘相对设置，所述磁阻设置有至少两个，分别位于第一敏感凸缘、第二敏感凸缘上；

所述固定部位于第一膜体、第二膜体之间，位于固定部上的所述导线穿过两个磁阻之间，并被配置为被两个磁阻感应。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述固定部、敏感膜通过对同一膜层的图案化处理得到。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述敏感膜、固定部相对设置；其中，所述敏感膜远离固定部的一侧连接在衬底上，所述敏感膜邻近固定部的一侧设置有呈梳齿状的敏感凸缘；所述固定部远离敏感膜的一侧连接在衬底上，所述固定部邻近敏感膜的一侧设置有与敏感凸缘对应配合在一起且呈梳齿状的固定凸缘；所述磁阻设置在敏感凸缘上；所述导线设置在固定凸缘上。

4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述磁阻相对两侧的固定凸缘上各设有一条所述导线，两条导线沿着各自固定凸缘的延伸方向排布，且通入的电流方向相同。

5.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述两条导线的一端各有一个电流入线端，另一端分别沿着各自的固定凸缘延伸到固定部上并导通在一起，且通过同一个电流出线端引出。

6.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，至少两个磁阻中，其中一个磁阻对应导线中通入的电流，与另一个磁阻对应导线中通入的电流方向相反。

7.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述磁阻至少设置有四个，以构成至少一个惠斯通电桥。

8.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述敏感膜包括相对设置的第一膜体、第二膜体，所述第一膜体远离第二膜体的一侧连接在衬底上，所述第二膜体远离第一膜体的一侧连接在衬底上；所述第一膜体邻近所述第二膜体的一侧设置有朝向第二膜体方向延伸的第一敏感凸缘，所述第二膜体邻近所述第一膜体的一侧设置有朝向第一膜体方向延伸的第二敏感凸缘；第二敏感凸缘与第一敏感凸缘相对设置，所述磁阻设置有至少两个，分别位于第一敏感凸缘、第二敏感凸缘上；

所述固定部位于第一膜体、第二膜体之间，位于固定部上的所述导线穿过两个磁阻之间，并被配置为被两个磁阻感应。

9.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器为麦克风、气体传感器、温度传感器、湿度传感器或者位移传感器。

10.电子设备，其特征在于，包括根据权利要求1至9任一项所述的传感器。

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