CN111259865A - 一种磁电阻微区形貌传感器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种磁电阻微区形貌传感器，包括硅基板、至少一个磁阻探测阵列以及多个力传导结构，磁阻探测阵列设置于硅基板的第一表面，每个磁阻探测阵列包括多个探测区域，每个探测区域内设置多个磁阻敏感元件，磁阻敏感元件的等效磁矩方向平行或垂直于第一表面，力传导结构设置于磁阻探测阵列远离硅基板的一侧，每个力传导结构覆盖至少一个磁阻敏感元件。该磁电阻微区形貌传感器具有高分辨率、高灵敏度以及良好的防伪性和静电放电抗性，适合多种测量环境，多种指纹质量的检测。

Description

一种磁电阻微区形貌传感器

技术领域

本发明实施例涉及传感器技术，尤其涉及一种磁电阻微区形貌传感器。

背景技术

微区形貌传感器，特别是指纹识别传感器，由于其在消费类电子领域，工业控制领域及汽车制造领域的应用受到广泛关注。高精度微区形貌传感器可应用于需要对微区表面或浅表层形貌(如指纹)结构进行快速检测识别的技术领域，例如可应用于身份识别、安防、设备锁控制、汽车控制系统以及材料微区探测等技术领域。

近年来在微区形貌传感器领域，广为应用的有光学、压力、电容以及超声波传感器。作为传统微区形貌传感器，光学传感器有较好的静电放电抗性，并且不要求被探测物体贴附于传感器表面，但对探测微区表面的质量要求较高，且防伪能力较差，难以分辨照片同被探测物本体间差异；压力传感器成本较低，有很高的分辨率，但灵敏度较差，传感器表面保护层容易影响探测结果；电容传感器体积小，防伪能力强，但静电放电抗性差，且环境温度偏离室温较多时，容易产生信号失真；超声波传感器灵敏度高，耐用性比电容传感器好，但体积大且成本高。

由此可见，目前微区形貌传感器行业现有的任一种传感器均无法同时具备高灵敏度，高分辨率，高防伪，抗静电等特性。

发明内容

本发明实施例提供一种磁电阻微区形貌传感器，该传感器具有高分辨率和高灵敏度，同时兼具防伪性和静电放电抗性，适合多种测量环境。

为达此目的，本发明实施例采用以下技术方案：

一种磁电阻微区形貌传感器，包括：硅基板、至少一个磁阻探测阵列以及多个力传导结构；

磁阻探测阵列设置于硅基板的第一表面，每个磁阻探测阵列包括多个探测区域，每个探测区域内设置多个磁阻敏感元件；磁阻敏感元件的等效磁矩方向平行或垂直于第一表面；

力传导结构设置于磁阻探测阵列远离硅基板的一侧，每个力传导结构覆盖至少一个磁阻敏感元件。

可选的，该传感器还包括磁性增幅结构；

磁性增幅结构设置于硅基板和磁阻探测阵列之间，磁性增幅结构远离硅基板的一侧与磁阻敏感元件接触。

可选的，该传感器还包括磁性增幅结构；

磁性增幅结构和磁阻探测阵列共同设置于硅基板的第一表面，一个磁性增幅结构与至少一个磁阻敏感元件相邻设置；

在第一方向上，磁性增幅结构与最相邻的磁阻敏感元件的间距为第一预设间距；在第二方向上，磁性增幅结构的高度大于或者等于磁阻敏感元件的高度，其中，第一方向平行于第一表面，第二方向垂直于第一表面。

可选的，磁性增幅结构为永磁体，永磁体的充磁方向与磁阻敏感元件的等效磁矩方向相同；或者

磁性增幅结构为软磁体。

可选的，磁阻敏感元件包括顶电极、敏感层以及底电极；

底电极、敏感层以及顶电极沿垂直于第一表面的方向依次堆叠串联，其中，底电极远离顶电极的一侧与第一表面接触，顶电极远离底电极的一侧与力传导结构接触。

可选的，磁阻敏感元件为巨磁阻元件或隧道结磁电阻元件。

可选的，力传导结构的外观形状包括伞状、柱体和台体中的任一种。

可选的，力传导结构通过介电材料制成。

可选的，该传感器还包含信号调理模块；

磁阻敏感元件形成桥式电路，桥式电路的输出端与信号调理模块的输入端电连接。

可选的，该传感器还包括供电单元和电路控制单元；

供电单元与桥式电路的输入端电连接，用于为磁阻敏感元件提供供电电压；

电路控制单元用于控制供电单元输出的供电电压。

本发明实施例通过在硅基板上设置至少一个磁阻探测阵列，在每个探测阵列内设置多个探测区域，每个探测区域利用力传导结构和磁阻敏感元件探测该区域的微区形貌，从而实现了微区形貌的检测。因压磁效应磁阻敏感元件独有的特性，使得该磁电阻微区形貌传感器具有高分辨率、高灵敏度以及良好的防伪性和静电放电抗性，适合多种测量环境，多种指纹质量的检测。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种磁电阻微区形貌传感器的俯视结构示意图；

图2是图1所示结构沿切割线AA’的一种剖面结构示意图；

图3是图1所示结构沿切割线AA’的另一种剖面结构示意图；

图4是本发明实施例提供的另一种磁电阻微区形貌传感器的俯视结构示意图；

图5是图4所示结构沿切割线BB’的剖面结构示意图；

图6是本发明实施例提供的又一种磁电阻微区形貌传感器的俯视结构示意图；

图7是图6所示结构沿切割线CC’的剖面结构示意图；

图8a-8b分别是本发明实施例提供的磁电阻微区形貌传感器中磁阻敏感元件的两种结构示意图；

图9a-9b分别是本发明实施例提供的磁电阻微区形貌传感器中力传导结构的两种结构示意图；

图10a-10c分别为本发明实施例提供的磁电阻微区形貌传感器的三种电气连接结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在介绍本发明实施例的技术方案之前，首先解释磁电阻的压磁效应。压磁效应，即反铁磁晶体材料中机械应变同磁性极化存在线性相关的现象。在压磁效应中，磁场与应变是线性相关，当外场方向转为逆向时，应变的方向同时改变符号，且在零磁场下，由应变自身可产生磁矩。因此，利用反铁磁晶体材料的压磁效应设计磁电阻在微区形貌探测上有其自身独有优势。此外由于磁电阻自身高灵敏度、低功耗的性能特点以及便于晶圆级量产的工艺特性，使其在高性能集成化应用领域具备显著优势。

正因如此，本发明实施例基于压磁效应磁电阻对压力的高灵敏度特点，设计了一种以磁电阻为敏感材料的微区形貌传感器，该微区形貌传感器基于磁电阻元件特有的低功耗、高灵敏度、高磁场响应、小体积以及同时兼具压力及电容传感特性，解决了上文所述光学、压力、电容及超声波传感器微区形貌传感器性能的不足。

图1是本发明实施例提供的一种磁电阻微区形貌传感器的俯视结构示意图，图2是图1所示结构沿切割线AA’的一种剖面结构示意图，图3是图1所示结构沿切割线AA’的另一种剖面结构示意图，该磁电阻微区形貌传感器可用于待测物的微区形貌检测。为便于描述，下文以指纹识别为例介绍该微区形貌传感器的工作原理。参见图1-图3，该磁电阻微区形貌传感器包括硅基板101、至少一个磁阻探测阵列110以及多个力传导结构103；磁阻探测阵列110设置于硅基板101的第一表面，每个磁阻探测阵列110包括多个探测区域111，每个探测区域111内设置多个磁阻敏感元件102；磁阻敏感元件102的等效磁矩方向平行或垂直于第一表面；力传导结构103设置于磁阻探测阵列110远离硅基板的一侧，每个力传导结构103覆盖至少一个磁阻敏感元件102。

示例性的，图1示出了传感器包括多个(4个)磁阻探测阵列110，每个磁阻探测阵列110包括多个(4个)探测区域111的结构。本发明的不同探测阵列110间输出信号可相对独立，且不同探测阵列110间磁阻敏感元件102及力传导结构103的排布数量、排布取向以及排布密度均可不同。由此可获得不同方向上、不同级别探测精度以及不同探测细节上待测物表面信号，有利于全面、精密检测。需要说明的是，磁阻探测阵列110以及探测区域111的数量及其在硅基板101表面的布局方式可以根据待测物的类型自行设定，在此仅作示例性说明，而非限定。

参见图2和图3所示剖面图，每个探测区域111内设置有多个磁阻敏感元件102，磁阻敏感元件102的上方覆盖有力传导结构103。当进行指纹识别时，指纹100按压在力传导结构103上，利用力传导结构103将指纹100施加的力传递到磁阻敏感元件102上。根据压磁效应，由于指纹100的峰和谷相对于磁阻敏感元件102的压力存在差异，因此造成不同探测区域间压磁材料的应变差异，继而影响压磁材料生成的钉扎场，最终使得磁阻敏感元件102的阻值产生变化，最后根据磁阻敏感元件102的阻值的变化确定指纹形貌。

示例性的，图2示出了一个力传导结构103覆盖一个磁阻敏感元件102，即力传导结构103与磁阻敏感元件102一一对应设置的传感器结构，通过磁阻敏感元件102的阻值可以判断其对应探测区域111的指纹形貌。此外，还可以使一个力传导结构103覆盖多个磁阻敏感元件102(参见图3)，如此设置，可使同一外界形貌信号作用于多个磁阻敏感元件102，有利于降低磁阻敏感元件102性能差异造成的信号波动以及噪音，从而提高检测结果的准确性及稳定性。

需要说明的是，因一个探测区域111内力传导结构103的数量和布局具有多种设计方式，因此在图1所示俯视图中，每个探测区域111仅以单一力传导结构的俯视形貌展示，每个探测区域111内力传导结构103的具体设计方式可参见图2和图3。

本发明实施例通过在硅基板上设置至少一个磁阻探测阵列，在每个探测阵列内设置多个探测区域，每个探测区域利用力传导结构和磁阻敏感元件探测该区域的微区形貌，从而实现了待测物微区形貌的检测。因压磁效应磁阻敏感元件独有的特性，使得该磁电阻微区形貌传感器具有高分辨率、高灵敏度以及良好的防伪性和静电放电抗性，适合多种测量环境，多种指纹质量的检测。

图4是本发明实施例提供的另一种磁电阻微区形貌传感器的俯视结构示意图，图5是图4所示结构沿切割线BB’的剖面结构示意图。图4-图5所示结构对上述磁电阻微区形貌传感器的结构做了进一步优化。在上述实施例的基础上，参见图4-图5，可选的，该传感器还包括磁性增幅结构104，磁性增幅结构104设置于硅基板101和磁阻探测阵列110之间，磁性增幅结构104远离硅基板101的一侧与磁阻敏感元件102接触。

通过设置磁性增幅结构104，可以提高探测区域111灵敏度方向上磁感线密度，提升微区探测信号的灵敏度。其中，灵敏度方向平行于磁阻敏感元件102所在平面，即平行于硅基板所在平面，同时灵敏度方向与磁阻敏感元件102的等效磁矩方向正交(即夹角为90度)。

图6是本发明实施例提供的又一种磁电阻微区形貌传感器的俯视结构示意图，图7是图6所示结构沿切割线CC’的剖面结构示意图，图6-图7提供了磁性增幅结构104的另一种设置方式。参见图6-图7，可选的，该传感器还包括磁性增幅结构104，磁性增幅结构104和磁阻探测阵列110共同设置于硅基板101的第一表面，一个磁性增幅结构104与至少一个磁阻敏感元件102相邻设置；在第一方向上，磁性增幅结构104与最相邻的磁阻敏感元件102的间距为第一预设间距L1；在第二方向上，磁性增幅结构104的高度H1大于或者等于磁阻敏感元件的高度H2，其中，第一方向平行于第一表面，第二方向垂直于第一表面。

参见图6，磁性增幅结构104以矩阵形式排布，将力传导结构103进行分隔，如此设置同样可以起到提高探测区域111灵敏度方向上磁感线密度，提升微区探测信号的灵敏度的作用。

需要说明的是，当磁性增幅结构104位于两个磁阻探测阵列110之间时，磁性增幅结构104与最相邻的磁阻敏感元件102的间距为第一预设间距L1；当磁性增幅结构104位于两力传导结构103之间时，磁性增幅结构104与两侧的磁阻敏感元件102的距离相等，且均为第一预设距离L1。如此设置便于生产工艺的实施，本领域技术人员可自行设定第一预设距离L1的大小，在此不做限定。

设置磁性增幅结构104高度H1大于或者等于磁阻敏感元件102的高度H2的目的在于，使磁阻敏感元件102位置外磁场均匀稳定，有利于降低信号噪声，提高测量精度。

可选的，磁性增幅结构104为永磁体，永磁体的充磁方向与磁阻敏感元件102的等效磁矩方向相同；或者磁性增幅结构104为软磁体。这样是为了在损失部分灵敏度的前提下，有利于大幅提高磁阻敏感元件102的动态范围，改善信号稳定性，提高传感器测量幅值。

图4-图7所示传感器结构中，磁性增幅结构104可使用铁磁材料制成。示例性的，所用铁磁材料可以为NiFe合金等软磁材料，以实现磁通聚集器功能，放大地磁信号；所用铁磁材料还可以为CoPt合金等永磁材料，以沿探测区域灵敏度方向提供恒定磁场。此外，因为金属铁磁材料是一种良导体，因此，利用磁性增幅结构104可组成网络结构，从而防止静电放电损坏探测区域。

图8a-8b分别是本发明实施例提供的磁电阻微区形貌传感器中磁阻敏感元件的两种结构示意图，示例性的提供了磁阻敏感元件102的一种具体结构，图8a和图8b的区别在于磁阻敏感元件102的等效磁矩方向201不同，本领域技术人员可任选其中一种设置方式，或者可以自行设定其他结构的磁阻敏感元件，本发明实施例对此不做限定。

参见图8a或图8b，可选的，磁阻敏感元件102包括顶电极105、敏感层106以及底电极107，底电极107、敏感层106以及顶电极105沿垂直于第一表面的方向依次堆叠串联，其中，底电极107远离顶电极105的一侧与第一表面接触，顶电极105远离底电极107的一侧与力传导结构103接触。

示例性的，图8a中的等效磁矩方向201平行于硅基板101的第一表面，图8b中的等效磁矩方向201垂直于硅基板201的第一表面。由于指纹100峰谷区域间相对于设置在硅基板101表面的磁阻敏感元件102的压力差异，造成不同探测区域间压磁材料的应变差异，继而影响压磁材料生成的钉扎场，最终使得磁电阻值产生变化。同时，由于指纹100峰谷区域相对于磁阻敏感元件102顶电极105的距离不同，使得相邻电极板间电容变化，该电容两极板间电压放大并加载于磁阻敏感元件102，使得相同外磁场下，产生输出信号。

可选的，磁阻敏感元件102为巨磁阻元件或隧道结磁电阻元件。

采用巨磁阻元件或隧道结磁电阻元件作为磁阻敏感元件，可使磁电阻微区形貌传感器具有高分辨率、高灵敏度、适应性强、抗静电放电、防探测目标物伪造、体积小以及成本低的优点，而且能够适应不同指纹质量及检测环境。

图9a-9b分别是本发明实施例提供的磁电阻微区形貌传感器中力传导结构的两种结构示意图，示例性的提供了力传导结构103的另外两种外形设计方式。可选的，力传导结构103的外观形状包括伞状、柱体和台体中的任一种。

图2或图3所示传感器中力传导结构103的外形为柱体，如此设置的好处在于，柱体结构有利于最大化空间分辨率，同时还能够简化工艺流程，提高产品良率。示例性的，该柱体可为圆柱，棱柱，椭圆柱中的任一种。

参见图9a，力传导结构103的外形为伞状结构，伞状结构有利于将作用在磁阻敏感元件102表面的压强进行放大，实现高灵敏度探测。

参见图9b，力传导结构103的外形为台体结构，示例性的，该台体结构可为圆台、棱台或椭圆台中的任一种，本发明实施例对此不做限定。此外，可以设置台体上表面的面积大于下表面的面积，以提高灵敏度；还可以设置台体上表面的面积小于下表面的面积，以提高空间分辨率，本领域技术人员可根据自身产品需求自行设定。

可选的，力传导结构103通过介电材料制成。采用介电材料制备力传导结构103，可以避免静电干扰，以提高检测结果的准确性，也可以在电容机制测量下根据选材调整供电电容的介电常数，从而根据不同应用环境调整传感器灵敏度，保证测量精度。同时，相比于简单利用空气作为介电层而言，通过选用介电材料能够有效防止测量时发生静电击穿损坏，从而显著提高传感器使用寿命。

图10a-10c分别为本发明实施例提供的磁电阻微区形貌传感器的三种电气连接结构示意图，示例性的提供了磁阻敏感元件102与微区形貌传感器中其他功能模块的电气连接方式，以实现磁电阻微区形貌传感器对指纹检测结果的输出。

参见图10a-10c，可选的，该传感器还包含信号调理模块301，磁阻敏感元件102形成桥式电路，桥式电路的输出端与信号调理模块301的输入端电连接。

示例性的，磁阻敏感元件102之间可通过串并联方式构成全桥、半桥或单臂形式中的任一种桥式电路，图10a-10c以全桥电路为例进行说明。需要说明的是，磁性增幅结构104作用在磁阻敏感元件102的磁场方向与力传导结构103的受力方向互相垂直，换句话说，微区形貌传感器所设置的磁性增幅结构104作用在磁阻敏感元件102的磁场方向与被探测物的接触方向互相垂直。信号调理模块具有数模转换功能，可对桥式电路输出端输出的信号进行差分、放大、调零、降噪以及模数转换等处理，以输出表征各个探测微区形貌的信号。

可选的，该传感器还包括供电单元和电路控制单元302，供电单元与桥式电路的输入端电连接，用于为磁阻敏感元件102提供供电电压，电路控制单元302用于控制供电单元输出的供电电压。

图10a、图10b以及图10c的区别在于，磁阻敏感元件的供电方式的不同。下面分别以图10a、图10b以及图10c为例，介绍上述供电单元和电路控制单元的几种设计方式，本领域技术人员可自行选择供电方式，本发明实施例对此不作限定。

图10a为磁阻敏感元件102通过压力探测微区形貌途径下，微区形貌传感器的电气连接方式，此时磁阻敏感元件102在恒定电源Vcc及匀强磁场环境下，将接触应变转化为输出信号变化，经过信号调理301模块后输出。

图10b为磁阻敏感元件102通过电容探测微区形貌途径下，微区形貌传感器的电气连接方式。被探测物微区与磁阻敏感元件102的顶电极105之间的距离差异造成相邻电极板之间的电压差异(图10b以电容C标示)。该电压经电路控制单元302放大后作为磁阻敏感元件102的供电电压。在匀强磁场环境下，供电电压变化使得输出信号线性变化，经过信号调理301模块后输出。

图10c为磁阻敏感元件102通过压力和电容共同探测微区形貌途径下，微区形貌传感器的电气连接方式。此连接方式可通过电路控制单元302将磁阻敏感元件102的供电电压在恒定电源Vcc和探测电容电压间切换，并将两组信号分别经过信号调理模块301后输出。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种磁电阻微区形貌传感器，其特征在于，包括：硅基板、至少一个磁阻探测阵列以及多个力传导结构；

所述磁阻探测阵列设置于所述硅基板的第一表面，每个所述磁阻探测阵列包括多个探测区域，在每个所述探测区域内设置多个磁阻敏感元件；所述磁阻敏感元件的等效磁矩方向平行或垂直于所述第一表面；

所述力传导结构设置于所述磁阻探测阵列远离所述硅基板的一侧，每个所述力传导结构覆盖至少一个所述磁阻敏感元件。

2.根据权利要求1所述的磁电阻微区形貌传感器，其特征在于，还包括磁性增幅结构；

所述磁性增幅结构设置于所述硅基板和所述磁阻探测阵列之间，所述磁性增幅结构远离所述硅基板的一侧与所述磁阻敏感元件接触。

3.根据权利要求1所述的磁电阻微区形貌传感器，其特征在于，还包括磁性增幅结构；

所述磁性增幅结构和所述磁阻探测阵列共同设置于所述硅基板的第一表面，一个所述磁性增幅结构与至少一个所述磁阻敏感元件相邻设置；

在第一方向上，所述磁性增幅结构与最相邻的所述磁阻敏感元件的间距为第一预设间距；在第二方向上，所述磁性增幅结构的高度大于或者等于所述磁阻敏感元件的高度，其中，所述第一方向平行于所述第一表面，所述第二方向垂直于所述第一表面。

4.根据权利要求2或3所述的磁电阻微区形貌传感器，其特征在于，所述磁性增幅结构为永磁体，所述永磁体的充磁方向与所述磁阻敏感元件的等效磁矩方向相同；或者

所述磁性增幅结构为软磁体。

5.根据权利要求1所述的磁电阻微区形貌传感器，其特征在于，所述磁阻敏感元件包括顶电极、敏感层以及底电极；

所述底电极、所述敏感层以及所述顶电极沿垂直于所述第一表面的方向依次堆叠串联，其中，所述底电极远离所述顶电极的一侧与所述第一表面接触，所述顶电极远离所述底电极的一侧与所述力传导结构接触。

6.根据权利要求5所述的磁电阻微区形貌传感器，其特征在于，所述磁阻敏感元件为巨磁阻元件或隧道结磁电阻元件。

7.根据权利要求1所述的磁电阻微区形貌传感器，其特征在于，所述力传导结构的外观形状包括伞状、柱体和台体中的任一种。

8.根据权利要求7所述的磁电阻微区形貌传感器，其特征在于，所述力传导结构通过介电材料制成。

9.根据权利要求1所述的磁电阻微区形貌传感器，其特征在于，还包含信号调理模块；

所述磁阻敏感元件形成桥式电路，所述桥式电路的输出端与所述信号调理模块的输入端电连接。

10.根据权利要求9所述的磁电阻微区形貌传感器，其特征在于，还包括供电单元和电路控制单元；

所述供电单元与所述桥式电路的输入端电连接，用于为所述磁阻敏感元件提供供电电压；

所述电路控制单元用于控制所述供电单元输出的供电电压。

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