CN111854925B - 微机电系统绝对压力传感器、传感器单体及电子设备 - Google Patents

微机电系统绝对压力传感器、传感器单体及电子设备 Download PDF

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Abstract

本说明书实施例提供微机电系统绝对压力传感器、传感器单体及电子设备。微机电系统绝对压力传感器包括：衬底；振膜；位于振膜和衬底之间的支撑体；磁阻元件；以及磁场形成元件，用于对磁阻元件施加磁场，其中，所述衬底、振膜和支撑体形成真空腔，其中，所述磁阻元件和磁场形成元件中的一个元件位于所述振膜上并能够随所述振膜振动，其中，所述磁阻元件和磁场形成元件中的另一个元件位于所述支撑体侧并且相对于所述振膜的振动保持相对静止，以及其中，微机电系统绝对压力传感器的输出是基于所述磁阻元件的变化产生的。

Description

微机电系统绝对压力传感器、传感器单体及电子设备
技术领域
本说明书涉及微机电系统传感器技术领域，更具体地，涉及一种微机电系统绝对压力传感器、传感器单体及电子设备。
背景技术
压力传感器可以感测外界压力的大小。绝对压力传感器是一种压力传感器。图1示出了一个绝对压力传感器的例子。在图1中，背极板11、压力感测膜12和间隔件13形成真空腔。这里的真空指的是近似真空，可以是气压远低于标准大气压的环境。压力感测膜12可以接受外界的压力变化，从而产生形变，以靠近或远离背极板11。此时，背极板11和压力感测膜12之间的电容发生变化。通过检测这种电容变化，可以确定压力的大小。
麦克风可以感测声压，并且可以被认为是压力传感器中的一种。电容型麦克风利用电容变化产生声音信号。在电容型麦克风中，当振膜接受到声压时，振膜发生振动。此时，振膜和背极板之间的电容发生变化。这种电容变化对应于声音信号。通常，麦克风的声腔与外界是联通的，因此，在麦克风的振膜和背极板中具有孔洞，以便声压能够带动空气流动。这种麦克风的封装通常是开腔的，并且与注塑封装方式相比，体积较大。
因此，需要提出一种用于微机电系统绝对压力传感器的新技术方案。
发明内容
本说明书的实施例提供用于微机电系统绝对压力传感器的新技术方案。
根据本说明书的第一方面，提供了一种微机电系统绝对压力传感器，包括：衬底；振膜；位于振膜和衬底之间的支撑体；磁阻元件；以及磁场形成元件，用于对磁阻元件施加磁场，其中，所述衬底、振膜和支撑体形成真空腔，其中，所述磁阻元件和磁场形成元件中的一个元件位于所述振膜上并能够随所述振膜振动，其中，所述磁阻元件和磁场形成元件中的另一个元件位于所述支撑体侧并且相对于所述振膜的振动保持相对静止，以及其中，微机电系统绝对压力传感器的输出是基于所述磁阻元件的变化产生的。
根据本说明书的第二方面，提供了一种传感器单体，包括基板、根据实施例的微机电系统绝对压力传感器以及集成电路芯片，其中，所述微机电系统绝对压力传感器以及集成电路芯片被设置在所述基板上。
根据本说明书的第三方面，提供了一种电子设备，包括根据实施例的传感器单体。
在不同实施例中，可以提供较高性能的微机电系统传感器。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本说明书实施例。
此外，本说明书实施例中的任一实施例并不需要达到上述的全部效果。
通过以下参照附图对本说明书的示例性实施例的详细描述，本说明书的实施例的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了现有的微机电系统绝对压力传感器的示意图。
图2示出了根据一个实施例的微机电系统绝对压力传感器的示意图。
图3示出了根据一个实施例的微机电系统绝对压力传感器中一种磁场分布的示意图。
图4示出了根据一个实施例的微机电系统绝对压力传感器中另一种磁场分布的示意图。
图5示出了根据另一个实施例的微机电系统绝对压力传感器的示意图。
图6示出了根据另一个实施例的微机电系统绝对压力传感器的示意图。
图7示出了根据另一个实施例的微机电系统绝对压力传感器的示意图。
图8示出了根据这里公开的一个实施例的传感器单体的示意图。
图9示出了根据这里公开的一个实施例的电子设备的示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述各种示例性实施例。
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。
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。
下面，参照附图描述本说明书的不同实施例和例子。
图2示出了根据一个实施例的微机电系统绝对压力传感器的示意图。
如图2所示，微机电系统(MEMS)绝对压力传感器包括：衬底21、振膜22、位于振膜22和衬底21之间的支撑体211、磁阻元件231、232和磁场形成元件25。支撑体211可以是衬底21上的层，也可以是衬底21的一部分。
磁场形成元件25例如可以是磁膜，并用于对磁阻元件231、232施加磁场。衬底21、振膜22和支撑体形成真空腔27。
磁阻元件231、232和磁场形成元件25中的一个元件位于振膜22上并能够随振膜22振动，以及磁阻元件231、232和磁场形成元件25中的另一个元件位于支撑体211侧并且相对于振膜22的振动保持相对静止。微机电系统绝对压力传感器的输出是基于磁阻元件231、232的变化产生的。位于支撑体211侧的元件可以位于支撑体和振膜的上方，位于支撑体和振膜之间，或者位于支撑体内。
当磁阻元件相对于磁场形成元件发生位移时，磁阻元件所处的磁场发生变化。此时，磁阻元件的阻值发生变化。可以通过检测磁阻元件的电压和/或电流来检测这种变化，从而产生传感器输出。例如，微机电系统绝对压力传感器可以MEMS麦克风，并且它的输出是声音信号。
在这里，利用磁阻元件来检测外界压力，使得传感器可以具有较高的灵敏度。
此外，利用磁阻元件来检测外界压力，而不需要在衬底中形成开放的空腔。因此，这可以减小MEMS器件的体积。另外，可以使用注塑的方式来封装这种器件。这使得这种器件的体积更小，并且它的应用更加方便、灵活。
在这里，位于振膜22上的元件可以是磁阻元件231、232，也可以是磁场形成元件25；位于支撑体211侧的元件可以是磁场形成元件25，也可以是磁阻元件231、232。它们中的一个位于支撑体侧，以保持相对于固定；另一个位于振膜上，以跟随外界压力发生位移，从而使得磁阻元件所接受的磁场发生变化。
图2示出了磁阻元件位于固定位置的实施方式。在图2中，磁场形成元件25位于振膜22上并能够随振膜22振动。磁阻元件231、232位于支撑体211上方并且相对于振膜22的振动保持相对静止。在这种情况下，不需要在振膜上布置引线，这一方面可以减小在振膜上布置引线的难度，另一方面，也可以减小在振膜上布置有源器件所产生的额外功耗。
如图2所示，磁场形成元件25被覆盖有钝化层26。通常，与仅设置磁场形成元件25的结构相比，在磁场形成元件25上设置钝化层26，使得磁场形成元件25具有较高的硬度。这样，在振膜22的振动过程中，磁场形成元件25可以保持较为平整的形态，从而可以保持所产生的磁场分布不发生扭曲或不发生较大扭曲。这样，磁阻元件231、232的阻值变化的一致性也更好。
此外，钝化层26还可以保护磁场形成元件25免受外界侵蚀。
在磁阻元件231、232也可以设置钝化层241、242，以保护磁阻元件231、232。
这样设置的传感器，可以在较恶劣的环境中工作。例如，这种MEMS传感器不需要有开发的内部腔体，因此，整个MEMS器件可以被密封，以提供较高的防水性。
此外，这样的MEMS传感器还可以通过二次注塑成型(over-molding)进行封装，以形成非常紧凑的封装结构。
这里的磁阻元件可以是隧道磁阻TMR、巨磁阻GMR等。
图3示出了根据一个实施例的微机电系统绝对压力传感器中一种磁场分布的示意图。如图3所示，磁场形成元件的NS轴沿Z轴方向。磁场形成元件的磁场分布如图3中的虚线所示。磁场形成元件的左右两侧分别设置一个磁阻元件。磁阻元件可以具有相同的结构，并包括自由层a1、间隔层b1和钉扎层c1。钉扎层c1中的箭头表示钉扎方向(X轴方向)。在图3中，磁场形成元件向下运动，相对于钉扎方向(X轴方向)，左侧磁阻元件所受的磁场小于零(与钉扎方向相反)，阻值增加；右侧磁阻元件所受的磁场大于零(与钉扎方向相反)，阻值减小。
图4示出了根据一个实施例的微机电系统绝对压力传感器中另一种磁场分布的示意图。如图4所示，磁场形成元件的NS轴沿X轴方向。磁场形成元件的磁场分布如图4中的虚线所示。磁场形成元件的左右两侧分别设置一个磁阻元件。磁阻元件可以具有相同的结构，并包括自由层a2、间隔层b2和钉扎层c2。钉扎层c2中的箭头表示钉扎方向(Z轴方向)。在图4中，磁场形成元件向下运动，相对于钉扎方向(Z轴方向)，左侧磁阻元件所受的磁场大于零(与钉扎方向相同)，阻值减小；右侧磁阻元件所受的磁场小于零(与钉扎方向相反)，阻值增加。
这种结构的MEMS传感器具有较高的灵敏度。例如，假设图2所示的磁阻元件231、232和磁场形成元件25共平面。振膜22和磁场形成元件25的振动方向是Z方向。磁阻元件231、232位于支撑体211上，磁场形成元件25位于振膜上。磁阻元件231、232充当检测电路中惠斯通电桥的两个电桥臂。
这样，MEMS绝对压力传感器的灵敏度可以表示为：
Soc＝Vb*Sr*Sb*Sm(公式1)
其中，Vb是惠斯通电桥的偏置电压，Sr＝(dR/R)/dB是每单位磁通密度(B，或磁感应强度)变化的磁阻阻值改变率，Sb＝dB/dZ是沿Z轴的磁通密度梯度，以及Sm是振膜的机械灵敏度。
例如，以隧道磁阻TMR(磁阻元件)为例，Vb＝2V,Sr＝10％/Oersted＝1*103/Tesla,Sb＝3*104Tesla/m,Sm＝0.1nm/Pa。在这种情况下，这种MEMS绝对压力传感器的灵敏度Soc＝6mV/Pa。该灵敏度与传统的MEMS电容型麦克风的灵敏度相比拟。
因此，这种结构的MEMS传感器可以提供与传统MEMS麦克风相比拟的灵敏度，同时可以提供更适于实际应用的封装结构。
尽管图2中仅示出了两个磁阻元件，但是，本领域技术人员可以理解，根据这里的教导，可以在支撑体211上设置更多的磁阻元件。这样，这些磁阻元件可以充当惠斯通电桥的更多电桥臂。
在未施加声压的状态下，可以使得磁阻元件和磁场形成元件位于相同平面，以提供较好的MEMS传感器性能。
图5示出了根据另一个实施例的微机电系统绝对压力传感器的示意图。
在图5中，在衬底22中，与磁场形成元件25相对的位置设置磁性元件28。磁性元件28在磁场形成元件25的磁场能被改变，以调整磁场形成元件25的位置。例如，磁场形成元件25的磁场是沿Z轴正向的，磁性元件28的磁场方向沿Z轴负向。通过调整磁性元件28的磁场强度，可以排斥磁场形成元件25，从而使得振膜22和磁场形成元件25位于平整位置，与磁阻元件231、232持平，以提供较好的检测性能。
图6示出了根据另一个实施例的微机电系统绝对压力传感器的示意图。
在图6中，磁场形成元件25位于真空腔27内，磁阻元件231、232位于振膜22和支撑体211之间。通过这种方式，一方面可以使得磁场形成元件和磁阻元件位于相同的水平平面，从而提供较好的检测性能。此外，由于将磁场形成元件和磁阻元件设置在密封部件内部，因此，可以保护这些器件不受外界侵蚀，从而能够适应较恶劣的外界环境。通过这种方式，可以提供具有较高防水性的MEMS传感器。
此外，如图6所示，在这种情况下，可以省去磁阻元件231、232上的钝化层。
图7示出了根据另一个实施例的微机电系统绝对压力传感器的示意图。
图7示出了在真空环境下MEMS绝对压力传感器的状态。如图7所示，振膜22是经过预弯曲的振膜。在真空环境下，振膜22向外凸起。这样，在标准大气压下，振膜22可以处于平整位置，从而使得磁阻元件和磁场形成元件位于相同平面，以提供较好的MEMS传感器性能。。
图8示出了根据这里公开的一个实施例的传感器单体的示意图。
传感器单体30可以采用二次注塑成型封装。如图8所示，传感器单体30包括基板31、上面描述的MEMS绝对压力传感器32以及集成电路芯片33。MEMS绝对压力传感器32以及集成电路芯片33被设置在基板31上。
在传感器单体30中还包括引线34。引线34将MEMS绝对压力传感器32连接到集成电路芯片33，以及连接以及将MEMS绝对压力传感器32和集成电路芯片33连接到基板31中的焊盘35和互连线路36。对传感器单体30进行二次注塑成型封装，参考标号37表示注塑体。在注塑体37的外部可以涂敷电磁屏蔽层38，以保护传感器单体30内部的器件免受外部电磁干扰。在注塑体37中形成压力进入孔39，以便将外部压力(例如，声压)施加到MEMS绝对压力传感器32。
图9示出了根据这里公开的一个实施例的电子设备的示意图。
如图9所示，电子设备40可以包括图8所示的传感器单体41。电子设备40可以是手机、平板电脑、可穿戴设备等。
以上所述仅是本说明书实施例的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本说明书实施例原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本说明书实施例的保护范围。

Claims (8)

1.一种微机电系统绝对压力传感器，包括：
衬底；
振膜；
位于振膜和衬底之间的支撑体；
磁阻元件；以及
磁场形成元件，用于对磁阻元件施加磁场，
其中，所述衬底、振膜和支撑体形成真空腔，
其中，所述磁阻元件和磁场形成元件中的一个元件位于所述振膜上并能够随所述振膜振动，
其中，所述磁阻元件和磁场形成元件中的另一个元件位于所述支撑体侧并且相对于所述振膜的振动保持相对静止，以及
其中，微机电系统绝对压力传感器的输出是基于所述磁阻元件的变化产生的，
其中，在衬底中，与磁场形成元件相对的位置设置磁性元件，所述磁性元件在磁场形成元件的磁场能被改变，以调整磁场形成元件的位置，从而使得在未施加声压的状态下，所述磁阻元件和磁场形成元件位于相同平面，
其中，所述一个元件是磁场形成元件并位于所述振膜上，以及所述另一个元件是磁阻元件并位于所述支撑体侧。
2.根据权利要求1所述的微机电系统绝对压力传感器，其中，所述磁阻元件包括至少两个磁阻元件，用于充当检测电路中惠斯通电桥的至少两个电桥臂。
3.根据权利要求1所述的微机电系统绝对压力传感器，其中，磁场形成元件被覆盖有钝化层。
4.根据权利要求1所述的微机电系统绝对压力传感器，其中，所述一个元件位于真空腔内，所述另一个元件位于振膜和支撑体之间。
5.根据权利要求1所述的微机电系统绝对压力传感器，其中，所述振膜是经过预弯曲的振膜，以便在标准大气压下处于平整位置。
6.根据权利要求1所述的微机电系统绝对压力传感器，其中，微机电系统绝对压力传感器被用作微机电系统麦克风。
7.一种传感器单体，包括基板、根据权利要求1所述的微机电系统绝对压力传感器以及集成电路芯片，其中，所述微机电系统绝对压力传感器以及集成电路芯片被设置在所述基板上。
8.一种电子设备，包括根据权利要求7所述的传感器单体。
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