CN112014001A - 微机电系统力学传感器、传感器单体及电子设备 - Google Patents

微机电系统力学传感器、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一种微机电系统力学传感器、传感器单体及电子设备。微机电系统力学传感器包括：第一支撑件；位于第一支撑件上的第一元件；可移动部件，该可移动部件能接受力学作用以相对于第一支撑件产生第一位移；以及位于可移动部件上的第二元件；其中，在未施加所述力学作用的工作情况下，第二元件位于第一元件的元件平面外侧；其中，第一元件和第二元件中的一个是磁阻，另一个是第一电流线；以及其中，由第一电流线对所述磁阻所施加的磁场随所述第一位移变化，以使得所述磁阻的阻值变化，从而产生传感器信号。

Description

微机电系统力学传感器、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技术领域，更具体地，涉及一种微机电系统力学传感器、传感器单体及电子设备。
背景技术
磁阻的阻值可以随着所施加的磁场的变化而变化。例如，可以将磁阻设置在磁场中。当磁阻的位置发生变化时，施加到磁阻磁场发生变化，从而导致磁阻的阻值变化。
可以把电流线设置在衬底上，把磁阻设置在可移动部件上。电流线所产生的磁场的方向可以通过右手螺旋法则来确定。
当可移动部件受到力学作用时，磁阻的位置相对于电流线变化，施加在磁阻的磁场也发生变化。由此，磁阻的阻值发生变化。通过检测磁阻的阻值变化，可以确定上述力学作用。这里的力学作用可以声压、压力、加速度、由于温度变化引起的形变、由于湿度变化引起的形变等。
中国专利申请CN110345972A公开了一种传感器及电子设备。在该专利申请中，磁阻和电流导线位于同一平面内。
因此，需要提供一种用于微机电系统力学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力学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力学传感器，包括：第一支撑件；位于第一支撑件上的第一元件；可移动部件，该可移动部件能接受力学作用以相对于第一支撑件产生第一位移；以及位于可移动部件上的第二元件；其中，在未施加所述力学作用的工作情况下，第二元件位于第一元件的元件平面外侧；其中，第一元件和第二元件中的一个是磁阻，另一个是第一电流线；以及其中，由第一电流线对所述磁阻所施加的磁场随所述第一位移变化，以使得所述磁阻的阻值变化，从而产生传感器信号。
根据本说明书的第二方面，提供了一种微机电系统力学传感器单体，包括单体外壳、根据实施例所述的微机电系统力学传感器以及集成电路芯片，其中，所述微机电系统力学传感器以及集成电路芯片被设置在所述单体外壳中。
根据本说明书的第三方面，提供了一种电子设备，包括根据实施例所述的微机电系统力学传感器。
在不同实施例中，由于不需要将磁阻和电流线设置在同一个平面内，因此，可以简化微机电系统力学传感器的制造工艺。
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示出了根据这里公开的一个实施例的微机电系统力学传感器的局部图。
图2示出了根据这里公开的一个实施例的微机电系统力学传感器。
图3示出了根据这里公开的另一个实施例的微机电系统力学传感器的局部图。
图4示出了根据这里公开的另一个实施例的微机电系统力学传感器。
图5示出了根据这里公开的又一个实施例的微机电系统力学传感器。
图6示出了根据这里公开的又一个实施例的微机电系统力学传感器。
图7示出了根据这里公开的又一个实施例的微机电系统力学传感器。
图8示出了根据这里公开的一个实施例的微机电系统力学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1示出了根据这里公开的一个实施例的微机电系统力学传感器的局部图。
微机电系统MEMS技术是将微电子技术与微机械工程融合到一起的工业技术。微机电系统器件的尺寸通常小于几毫米，它的内部结构一般在微米甚至纳米量级。这里，力学传感器是能够检测力学作用导致的变化的传感器。例如，这里的力学作用包括声压、气压、加速度、由于温度变化产生的应力所产导致的形变、由于湿度变化产生的应力所导致的形变等。
如图1(c)所示，微机电系统力学传感器包括：第一支撑件110、位于第一支撑件110上的第一元件120、可移动部件130和位于可移动部件130上的第二元件140。可移动部件130能接受力学作用以相对于第一支撑件110产生第一位移。
如图1(c)所示，在未施加力学作用的工作情况下，第二元件140位于第一元件120的元件平面外侧。如图1(c)所示，可移动部件130和第二元件140可以沿箭头方向上下移动。这里，箭头指示的方向为Z方向。第二元件140位于与Z方向垂直的平面，即元件平面。这里，“未施加力学作用的工作情况”指的是：传感器处于工作状态下，但是，没有向传感器施加待检测的力学作用。
第一元件120和第二元件140中的一个是磁阻，另一个是第一电流线。作为示例，如图1(c)中，第一元件120是第一电流线，第二元件140是磁阻。如图1(a)所示，磁阻140的钉扎方向是X方向，X方向位于磁阻140的元件平面内并且垂直于Z方向。由第一电流线120对磁阻140所施加的磁场随第一位移变化，以使得磁阻140的阻值变化，从而产生传感器信号。
图2示出了微机电系统力学传感器的整体结构。如图2所示，第一支撑件110和可移动部件130可以是设置在衬底150上的悬臂。第一支撑件110相对于可移动部件130较短。因此，当外界气压施加到第一支撑件110和可移动部件130上时，第一支撑件110相对于可移动部件130的位移较小，从而产生相对位移。此外，第一支撑件110可以是衬底150的侧壁。这样，当受到力学作用时，第一支撑件110保持静止。此外，可移动部件130可以是振膜、复合膜等。
图1(b)示出了施加在磁阻140上的磁场的示意图。如图1(c)所示，在图1的例子中，第一电流线120中的电流方向是从纸面向外；在Z轴方向上，在未施加力学作用的工作情况下，磁阻140位于Z＝0的平面，第一电流线120距离磁阻140的距离是a1。
与永磁体不同，电流线所产生的磁场的方向是围绕电流线的(符合右手螺旋法则)。因此，就这个方面来说，电流线所产生的磁场的作用方式与永磁体是不同的。下面，针对第一电流线120，分析施加到磁阻140的磁场。当施加力学作用时，磁阻140沿Z轴发生位移Z。因此，第一电流线120施加到磁阻140的磁场大小为：
Figure BDA0002647312000000041
其中，μ0表示真空磁导率，I1表示第一电流线120中的电流强度，BX(Z)表示随着磁阻140沿Z轴的移动，施加在磁阻140上的X方向的磁场大小。
当|Z/a1|<10％时，总谐波失真THD小于10％，并可以认为BX(Z)是线性的并忽略公式1中的|Z/a1|项。此时，BX(Z)可以表示为：
Figure BDA0002647312000000051
在Z＝0的位置，斜率dBX/dZ是
Figure BDA0002647312000000052
如图1(b)所示，当磁阻140沿Z轴正向移动时，沿磁阻的钉扎方向(X)的磁场增加。此时，磁阻140的阻值减小。当磁阻140沿Z轴负向移动时，沿磁阻的钉扎方向(X)的磁场减小。此时，磁阻140的阻值增加。在图1所示的例子中，施加到磁阻140的磁场的方向均是沿X轴的正向的。
由于第一电流线120位于磁阻140的元件平面外，因此，不需要采用较复杂的工艺来制造面内电流线。这可以简化微机电系统传感器的制造工艺。
此外，通过将电流线设置在磁场之外，可以很容易将磁阻和电流线设置得较近。这可以提高施加到磁阻的磁场强度，由此提高微机电系统力学传感器的灵敏度。
此外，如图2所示，第一元件120相对于第二元件140位于微机电系统力学传感器内侧，例如，位于内部的腔室160中。这样，当可移动部件130受到外力作用发生移动时，第一支撑件110可以对可移动部件130的移动幅度进行限制，以防止可移动部件130的移动幅度过大而造成损坏。例如，在微机电系统力学传感器的制造过程中，可以防止损坏可移动部件，从而提高良率。
图3示出了根据这里公开的另一个实施例的微机电系统力学传感器的局部图。图4示出了该微机电系统力学传感器的整体结构。
与图1、2的实施例相比，图3所示的微机电系统力学传感器还包括第二支撑件210和第二电流线220。可移动部件130能接受力学作用以相对于第二支撑件210产生第二位移。第二支撑件210支撑第二电流线220，以使得在未施加力学作用的工作情况下第二电流线220位于磁阻140的元件平面外侧。由第二电流线220对磁阻140所施加的磁场随第二位移变化，以使得磁阻140的阻值变化。
如图3(c)所示，在图3的例子中，第一电流线120和第二电流线220中的电流方向是从纸面向外；在Z轴方向上，在未施加力学作用的工作情况下，磁阻140位于Z＝0的平面，第一电流线120距离磁阻140的距离是a1，第二电流线220距离磁阻140的距离是a2。
例如，当可移动部件130受到沿Z轴正向的压力时，可移动部件130与第一支撑件110之间的第一位移减小，可移动部件130与第二支撑件210之间的第二位移增加。
在图3所示的例子中，在未施加力学作用的工作情况下，第一电流线120和第二电流线220相对于磁阻140的元件平面对称并且磁阻140位于第一电流线120和第二电流线220之间，即，磁阻140位于第一电流线120和第二电流线220之间的线段中间。这样，第一电流线120和第二电流线220所产生的磁场在磁阻140上下移动的范围内是沿X方向的。换句话说，在磁阻140进行检测的期间，尽管磁阻140沿Z轴移动，但是，施加到磁阻140的磁场仅沿X轴变化。这种方式减小了其他干扰因素对于磁阻的影响，有利于提高微机电系统力学传感器的检测性能。
当施加力学作用时，磁阻140沿Z轴发生位移Z。第一电流线120和第二电流线220在磁阻140产生的磁场如下：
Figure BDA0002647312000000061
其中，μ0表示真空磁导率，I1表示第一电流线120中的电流强度，I2表示第二电流线220中的电流强度，BX(Z)表示随着磁阻140沿Z轴的移动，施加在磁阻140上的X方向的磁场大小。
如图3所示，第一电流线120和第二电流线22-中的电流方向相同，均是垂直于纸面向外。电流线120、220对磁阻140所施加的磁场的方向与磁阻140的钉扎方向平行，即，X方向。
当第一电流线120和第二电流线220相对于磁阻140的元件平面对称时，它们距离磁阻140的元件平面的距离相同，即，a1＝a2＝a。假设第一电流线120和第二电流线220中的电流大小相同，即，I1＝I2＝I。通过这种方式，可以构造一个对称的磁阻工作区域。此时，公式3可以改写为：
Figure BDA0002647312000000062
在|Z/a|<30％的情况下，总谐波失真THD小于10％，并可以认为BX(Z)是线性的。此时，BX(Z)可以表示为：
Figure BDA0002647312000000071
在上面这种对称的情况下，在未施加力学作用的工作情况下，施加到磁阻140的总磁场为0。当磁阻140沿Z轴移动时，磁场的变化是由两个电流线的磁场变化叠加产生的。因此，这可以增加灵敏度。
此外，如图3(b)所示，施加到磁阻140的磁场的变化是线性的。
此外，在|Z/a|～(30-70)％的情况下，可以认为微机电系统力学传感器的响应时非线性的。此时，BX(Z)可以表示为：
Figure BDA0002647312000000072
由于在线性区域的两端，磁阻对于磁场的灵敏度趋向于饱和，因此，这可以用于扩展微机电系统力学传感器的线性范围，例如声学过载点AOP。
这里公开的微机电系统力学传感器可以被用作微机电系统麦克风、微机电系统压力传感器或微机电系统加速度传感器。
例如，可以在可移动部件130上设置有质量块，以使得磁阻140在力学作用下产生加速度传感器信号。可选地，微机电系统力学传感器可以包括密封腔，可移动部件130是密封腔的压力感测膜，以使得磁阻140在力学作用下产生压力传感器信号。
如图4所示，第一支撑件110和第二支撑件210可以将可移动部件130夹在中间，从而对可移动部件130起到保护作用。第一支撑件110相对于可移动部件130位于微机电系统力学传感器的内部，即，位于内部的腔室160内。
图5示出了根据这里公开的又一个实施例的微机电系统力学传感器。如图5(a)所示，微机电系统力学传感器的钉扎方向是X轴的正向。如图5(b)所示，第一支撑件320和可移动部件340位于衬底310上。第一支撑件320和可移动部件340例如是悬臂梁。在第一支撑件320上设置电流线330。在可移动部件340上设置磁阻350。磁阻350通过引线360连接到外部电子器件。电流线330中的电流方向如箭头370所指示的那样。还可以在可移动部件340的另一侧设置第二支撑件和电流线。当受到力学作用时，通过检测磁阻的阻值变化，可以确定力学作用的幅度。
图6示出了根据这里公开的又一个实施例的微机电系统力学传感器。如图6(a)所示，微机电系统力学传感器的钉扎方向是X轴的正向。如图6(b)所示，在衬底410上可以包括两组微机电系统力学检测部件420、430，例如图5中所示的部件。
如图6中电流线附近的箭头所指示的那样，微机电系统力学检测部件420、430的电流线中的电流方向相反。这样，可以利用两组微机电系统力学检测部件420、430产生信号的差分输出。
图7示出了根据这里公开的又一个实施例的微机电系统力学传感器。
如图7(a)所示，微机电系统力学传感器的钉扎方向是X轴的正向。如图7(b)所示，在衬底510上可以包括四组微机电系统力学检测部件520、530、540、550，例如图5中所示的部件。
如图7中电流线附近的箭头所指示的那样，微机电系统力学检测部件520、530的电流线中的电流方向相反；微机电系统力学检测部件530、540的电流线中的电流方向相反；微机电系统力学检测部件540、540的电流线中的电流方向相反。这样，可以利用四组微机电系统力学检测部件520、530、540、550形成惠斯通电桥，以提高微机电系统力学传感器的检测性能。
磁阻的尺寸很小，例如，隧穿磁阻的尺寸是0.1-5um，巨磁阻的尺寸是0.5-20um。因此，如上面附图6、7所示，可以在衬底上设置多组包括磁阻和电流线的微机电系统力学检测部件。
图8示出了根据这里公开的一个实施例的微机电系统力学传感器单体的示意图。
如图8所示，微机电系统力学传感器单体600包括单体外壳610、上面描述的微机电系统力学传感器602以及集成电路芯片630。微机电系统力学传感器620以及集成电路芯片630被设置在所述单体外壳610中。微机电系统力学传感器620与单体外壳610的进气口对应。微机电系统力学传感器620、集成电路芯片630和单体外壳610中的电路通过引线640连接。
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700可以包括图8所示的微机电系统力学传感器单体710。电子设备700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 (11)

1.一种微机电系统力学传感器，包括：
第一支撑件；
位于第一支撑件上的第一元件；
可移动部件，该可移动部件能接受力学作用以相对于第一支撑件产生第一位移；以及
位于可移动部件上的第二元件；
其中，在未施加所述力学作用的工作情况下，第一元件位于第二元件的元件平面外侧；
其中，第一元件和第二元件中的一个是磁阻，另一个是第一电流线；以及
其中，由第一电流线对所述磁阻所施加的磁场随所述第一位移变化，以使得所述磁阻的阻值变化，从而产生传感器信号。
2.根据权利要求1所述的微机电系统力学传感器，其中，第一元件是第一电流线，以及第二元件是磁阻。
3.根据权利要求2所述的微机电系统力学传感器，还包括：
第二支撑件，所述可移动部件能接受所述力学作用以相对于第二支撑件产生第二位移；以及
第二电流线；
其中，第二支撑件支撑第二电流线，以使得在未施加所述力学作用的工作情况下第二电流线位于所述磁阻的元件平面外侧，以及
其中，由第二电流线对所述磁阻所施加的磁场随所述第二位移变化，以使得所述磁阻的阻值变化。
4.根据权利要求3所述的微机电系统力学传感器，其中，在未施加所述力学作用的工作情况下，所述第一电流线和第二电流线相对于所述磁阻的元件平面对称，以及所述磁阻位于所述第一电流线和第二电流线之间。
5.根据权利要求3或4所述的微机电系统力学传感器，其中，所述第一电流线和第二电流线中的电流方向相同。
6.根据权利要求1-4中的任何一个所述的微机电系统力学传感器，其中，所述电流线对所述磁阻所施加的磁场的方向与所述磁阻的钉扎方向平行。
7.根据权利要求1-4中的任何一个所述的微机电系统力学传感器，其中，所述第一元件相对于所述第二元件位于所述微机电系统力学传感器内侧。
8.根据权利要求1-4中的任何一个所述的微机电系统力学传感器，其中，在所述可移动部件上设置有质量块，以使得所述磁阻在所述力学作用下产生加速度传感器信号；或者
其中，所述微机电系统力学传感器包括密封腔，所述可移动部件是密封腔的压力感测膜，以使得所述磁阻在所述力学作用下产生压力传感器信号。
9.根据权利要求1-4中的任何一个所述的微机电系统力学传感器，其中，所述微机电系统力学传感器是微机电系统麦克风、微机电系统压力传感器和微机电系统加速度传感器中的一个。
10.一种微机电系统力学传感器单体，包括单体外壳、根据权利要求1所述的微机电系统力学传感器以及集成电路芯片，其中，所述微机电系统力学传感器以及集成电路芯片被设置在所述单体外壳中。
11.一种电子设备，包括根据权利要求10所述的微机电系统力学传感器。
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