CN112014778B - 微机电系统磁阻传感器、传感器单体及电子设备 - Google Patents

Abstract

本说明书实施例提供了一种微机电系统磁阻传感器、传感器单体及电子设备。该微机电系统磁阻传感器包括：第一支撑件；第一磁阻，设置在第一支撑件上，以及第一磁阻的第一钉扎方向是X方向；第二支撑件；磁场形成元件，设置在第二支撑件上，并形成施加于第一磁阻的磁场，其中，在待感测物理量的作用下，第一支撑件相对于第二支撑件移动，以产生感测信号，以及第二支撑件相对于第一支撑件移动的方向是Z方向，其中，在静态工作状态下，磁场形成元件施加于第一磁阻的磁场具有Y方向的偏置磁场分量。

Description

微机电系统磁阻传感器、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磁阻传感器技术领域，更具体地，涉及一种微机电系统磁阻传感器、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。通过设置磁阻及磁场形成元件，可以检测各种物理量。

诸如巨磁阻、隧穿磁阻的磁阻包括自由层、间隔层和钉扎层。根据这种磁阻的工作原理，通过改变自由层相对于钉扎层的钉扎方向的磁化方向，可以改变磁阻的阻值大小。

图1示出了一种磁阻和电流导线的设置方式。在图1所示的情况下，电流导线11和磁阻12已经被设置为工作状态，但是，没有向磁阻和电流导线施加物理作用。电流导线11作为磁场形成元件并形成施加到磁阻12的磁场。电流导线11所产生的磁场符合右手螺旋法则。在图1中的坐标轴包括X、Y、Z轴。电流导线11和磁阻12都位于XY平面内。电流导线11中的电流方向如箭头13所指示的那样。在这种情况下，电流导线11施加在磁阻12上的磁场是垂直于XY平面的并沿Z轴负方向的。磁阻12的钉扎方向是X轴正方向。当施加物理作用时，电流导线11和磁阻12可以相对于彼此沿Z轴移动。此时，施加在磁阻12上的磁场产生X轴方向的分量，从而改变磁阻11的阻值。

图2示出了一种磁阻和永磁体的设置方式。在图2所示的情况下，永磁体21和磁阻23、24已经被设置为工作状态，但是，没有向磁阻和永磁体施加物理作用。永磁体21内部的磁场方向沿Z轴正方向，如箭头22所示。永磁体21和磁阻23、24均位于XY平面内。在这种情况下，永磁体21施加在磁阻23、24上的磁场是垂直于XY平面的并沿Z轴负方向的。磁阻23、24的钉扎方向均是X轴正方向。当施加物理作用时，永磁体21和磁阻23、24可以相对于彼此沿Z轴移动。此时，施加在磁阻23、24上的磁场产生X轴方向的分量，从而改变磁阻23、24的阻值。

发明内容

本说明书的实施例提供用于微机电系统磁阻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磁阻传感器，包括：第一支撑件；第一磁阻，设置在第一支撑件上，以及第一磁阻的第一钉扎方向是X方向；第二支撑件；磁场形成元件，设置在第二支撑件上，并形成施加于第一磁阻的磁场，其中，在待感测物理量的作用下，第一支撑件相对于第二支撑件移动，以使得磁场形成元件施加于第一磁阻的磁场发生变化，从而改变第一磁阻的阻值，由此产生感测信号，以及第二支撑件相对于第一支撑件移动的方向是Z方向，其中，X方向和Z方向所构成的平面是XZ平面，Y方向垂直于XZ平面，其中，在静态工作状态下，磁场形成元件施加于第一磁阻的磁场具有Y方向的偏置磁场分量。

根据本说明书的第二方面，提供了一种传感器单体，包括单体外壳、根据实施例所述的微机电系统磁阻传感器以及集成电路芯片，其中，所述微机电系统磁阻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，包括根据实施例的传感器单体。

在不同实施例中，通过设置Y方向的偏置磁场分量，可以防止磁阻在静态工作状态下处于随机磁化状态。

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示出了现有技术的微机电系统磁阻传感器中磁阻和电流导线的设置方式的示意图。

图2示出了现有技术的微机电系统磁阻传感器中磁阻和永磁体的设置方式的示意图。

图3示出了这里公开的微机电系统磁阻传感器的原理的示意图。

图4示出了根据一个实施例的微机电系统磁阻传感器中的元件设置方式的示意图。

图5示出了根据另一个实施例的微机电系统磁阻传感器中的元件设置方式的示意图。

图6示出了根据又一个实施例的支撑件的设置方式的示意图。

图7示出了根据又一个实施例的支撑件的设置方式的示意图。

图8示出了根据又一个实施例的微机电系统磁阻传感器的示意图。

图9示出了根据又一个实施例的微机电系统磁阻传感器的示意图。

图10示出了根据又一个实施例的微机电系统磁阻传感器的示意图。

图11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12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3示出了这里公开的微机电系统磁阻传感器的原理的示意图。

图3(a)示出了磁阻的一般结构。磁阻30包括自由层31、间隔层32和钉扎层33。如图3(a)所示，钉扎层33的钉扎方向是X轴正方向。自由层31的磁极化方向可以随外界磁场而变化，由此改变磁阻的阻值大小。

图3(b)示出了在没有设置Y方向的偏置磁场的情况下磁阻30的阻值随外部磁场的变化情况。在图3(b)的图中，横轴表示沿磁阻30的钉扎方向的磁场BX，纵轴表示磁阻30的阻值。如图3(b)中的实线所示，当磁场BX与磁阻30的钉扎方向相反时，磁阻30的阻值为最大值Rmax；当磁场BX逐渐向X轴正方向变化时，磁阻30的阻值逐渐减小为最小值Rmin。在未施加Y方向的偏置磁场的情况下，当磁场BX为0时，磁阻30的阻值变为最小值Rmin。在磁场BX为负的情况下，磁阻30具有线性区域。

图3(c)和(d)示出了在Y方向设置偏置磁场的例子。在图3(c)和(d)中通过电流导线34设置Y方向的偏置磁场。电流导线34中的电流方向沿X轴正方向。电流导线34对磁阻30施加沿Y轴正方向的偏置磁场。图3(c)示出了电流导线34和磁阻30的顶视图，图3(d)示出了电流导线34和磁阻30的侧视图。

图3(e)示出了在设置Y轴正方向的偏置磁场的情况下当沿X轴的磁场发生变化时施加在磁阻30上的合成磁场。箭头35表示当X轴的磁场为0时施加在磁阻30上的合成磁场。箭头36表示当X轴的磁场沿X轴负方向时施加在磁阻30上的合成磁场。箭头37表示当X轴的磁场沿X轴负方向时施加在磁阻30上的合成磁场。

图3(f)示出了在设置Y轴正方向的偏置磁场的情况下磁阻30的阻值随X轴的磁场的变化。如图3(f)所示，在施加Y方向的偏置磁场的情况下，当磁场BX为0时，磁阻30的阻值变为最大值Rmax和最小值Rmin之间的中间值。在这种设置下，在磁场BX为正和负时，磁阻30都具有线性区域。

需要说明的是，在图3中的XYZ坐标系仅仅用于说明这里公开的微机电系统磁阻传感器的原理，在下面描述这里公开的实施例时可以使用不同的坐标系。为了描述的简洁，在图3(c)和(d)中示出了单独的电流导线34，用于设置沿Y轴方向的偏置磁场，但是，本领域技术人员应当理解，这里的电流导线34可以是单独的电流导线，也可以是磁场形成元件的一个分量，该分量可以产生沿Y轴方向的偏置磁场。例如，该分量可以是电流导线沿X轴方向的电流导线分量，或者可以是永磁体沿Y轴方向的倾斜分量。

图4、5示出了微机电系统磁阻传感器中的元件设置方式的示意图。

微机电系统磁阻传感器包括：第一支撑件、第一磁阻42、52、第二支撑件和磁场形成元件41、51。第一磁阻42、52设置在第一支撑件上。磁场形成元件41、51设置在第二支撑件上。在图4、5中，为了说明微机电系统磁阻传感器的工作方式，没有示出第一支撑件和第二支撑件。第一支撑件和第二支撑件可以衬底、振膜、悬臂等。

在图4、5中，第一磁阻42、52的第一钉扎方向是X方向。磁场形成元件41、51形成施加于第一磁阻42、52的磁场。

在待感测物理量的作用下，第一支撑件相对于第二支撑件移动，以使得磁场形成元件41、51施加于第一磁阻42、52的磁场发生变化，从而改变第一磁阻42、52的阻值，由此产生感测信号。第二支撑件相对于第一支撑件移动的方向是Z方向。如图4、5所示，X方向和Z方向所构成的平面是XZ平面，Y方向垂直于XZ平面。

这里，第一支撑件相对于第二支撑件的移动是相对的。可以是第一支撑件移动，也可以是第二支撑件移动，还可以是第一支撑件和第二支撑件均发生移动但移动的位移量不同。相应地，磁阻和磁场形成元件的移动也是相对的。

在这里，待感测物理量例如可以包括声压、压力、加速度、温度、湿度、姿态等等。相应地，微机电系统磁阻传感器可以是微机电系统磁阻麦克风、微机电系统磁阻压力传感器、微机电系统磁阻加速度传感器、微机电系统磁阻温度传感器、微机电系统磁阻湿度传感器、微机电系统磁阻姿态传感器等。

在静态工作状态下，磁场形成元件41、51施加于第一磁阻42、52的磁场具有Y方向的偏置磁场分量。可以通过多种方式来产生Y方向的偏置磁场分量。例如，将磁场形成元件41、51和第一磁阻42、52设置成彼此具有一定的倾斜角度，或者，将磁场形成元件41、51设置成具有倾斜的磁场等。

通过设置Y方向的偏置磁场分量，在工作状态下，第一磁阻42、52的自由层可以被偏置在线性区的中间，从而使得在外界磁场沿X轴正/负方向变化时，第一磁阻42、52均具有线性区域。这可以改善微机电系统磁阻传感器的线性范围并减小磁切换噪声。Y方向的偏置磁场分量例如可以在100～1000Oe范围内。

在图4的实施例中，使用电流导线41作为磁场形成元件。在图4中，X方向和Y方向所构成的平面是XY平面，Y方向和Z方向所构成的平面是YZ平面。电流导线41在YZ平面内相对于XY平面倾斜，从而生成所述Y方向的偏置磁场分量。

如图4所示，电流导线41中的电流如其中的箭头所示。电流导线在YZ平面内相对于XY平面倾斜的角度θ大于等于0.1°且小于等于10°。例如，电流导线所产生的磁场大小为B，则在Y方向的偏置磁场分量BY＝Bsinθ。

在图5的实施例中，使用磁体51作为磁场形成元件。磁体51的南北极轴线在YZ平面内相对于XZ平面倾斜。这里的磁体是可以在工作状态下为磁阻提供工作磁场的任何磁体。由于软磁、半硬磁、硬磁等磁体都具有一定的保持磁性的能力，因此，在满足应用要求的情况下，磁体可以是软磁、半硬磁或硬磁。

如图5所示，磁体51的南北极轴线在YZ平面内相对于XZ平面倾斜的角度θ大于等于0.1°且小于等于10°，优选地，角度θ大于等于0.5°且小于等于2°。例如，磁体51所产生的磁场大小为B，则在Y方向的偏置磁场分量BY＝Bsinθ。

在图5的实施例中，微机电系统磁阻传感器还包括：第三支撑件和第二磁阻53。第二磁阻53设置在第三支撑件上。第二磁阻53的第二钉扎方向是X方向。第一钉扎方向和第二钉扎方向可以是相同的，也可以是不同的。在图5的实施例中使用磁体作为磁场形成元件，并且第一钉扎方向和第二钉扎方向可以是相同的(例如，均是沿X轴正方向)以产生差分输出。此外，在磁场形成元件是电流线的情况下，第一钉扎方向和第二钉扎方向可以是不同的，例如，分别沿X轴正方向和负方向。

在待感测物理量的作用下，第三支撑件相对于第二支撑件移动，以使得磁场形成元件51施加于第二磁阻53的磁场发生变化，从而改变第二磁阻53的阻值，由此产生感测信号。第二支撑件相对于第三支撑件移动的方向是Z方向。如图5所示，在静态工作状态下，磁场形成元件51施加于第二磁阻53的磁场也具有Y方向的偏置磁场分量。

在图5的实施例中，可以由第一磁阻52和第二磁阻53的差分输出信号产生所述感测信号。

图6示出了根据又一个实施例的支撑件的设置方式的示意图。第二支撑件61是振膜或悬臂梁。在振膜或悬臂梁61上设置应力结构63以使得磁场形成元件62相对于第一磁阻产生倾斜，从而生成所述Y方向的偏置磁场分量。应力结构63可以是张应力膜或压应力膜。

这里，磁场形成元件62可以是磁体，例如，磁膜。由于不需要给磁体提供电流，因此，当磁体移动时，不会产生额外的噪声或热量。因此，在诸如麦克风的应用下，这种设置方式是更加有利的。

图7示出了根据又一个实施例的支撑件的设置方式的示意图。

第一支撑件是衬底71并包括具有倾斜表面的结构73。第一磁阻72设置在倾斜表面上，以使得磁场形成元件相对于第一磁阻72产生倾斜，从而生成所述Y方向的偏置磁场分量。例如，可以首先执行灰度光刻，然后执行反映离子刻蚀RIE，从而在衬底71的平坦表面上产生倾斜表面的结构73。倾斜表面的倾斜角度例如大于等于0.1°且小于等于10°，优选地，大于等于0.5°且小于等于2°。

由于需要通过检测磁阻来产生感测信号，因此，将磁阻设置在固定的衬底上可以减小噪声和/或功耗。

此外，在衬底71上的元件也可以是磁场形成元件，例如，磁体。可以在倾斜表面上通过沉积、构图来形成磁体。

图8示出了根据又一个实施例的微机电系统磁阻传感器的示意图。如图8所示，微机电系统磁阻传感器包括衬底81、悬臂梁82、元件84和元件83。衬底81、悬臂梁82可以分别用作为上面描述的第一、第二支撑件或第二、第一支撑件。在悬臂梁82上设置应力结构85。应力结构85可以是设置在悬臂梁82上表面的张应力膜或悬臂梁82下表面的压应力膜。元件84和元件83可以分别是磁场形成元件和磁阻或磁阻和磁场形成元件。通过应力结构85使得磁场形成元件相对于磁阻发生倾斜，以产生Y方向的偏置磁场分量。

图9示出了根据又一个实施例的微机电系统磁阻传感器的示意图。如图9所示，微机电系统磁阻传感器包括衬底91、振膜92、磁场形成元件93、第一磁阻95和第二磁阻97。衬底91可以用作为上面描述的第一支撑件和第三支撑件。振膜92作为第二支撑件。在衬底91上设置具有倾斜表面的结构94、96。第一磁阻95和第二磁阻97可以分别设置在具有倾斜表面的结构94、96上，以产生Y方向的偏置磁场分量。

图10示出了根据又一个实施例的微机电系统磁阻传感器的示意图。如图10所示，微机电系统磁阻传感器包括衬底101、悬臂梁104、105、元件103和元件106。元件103和元件106可以分别是磁场形成元件和磁阻或磁阻和磁场形成元件。元件103设置在具有倾斜表面的结构102上。悬臂梁104、105具有上层104和下层105。上层104和下层105对于待感测的物理量具有不同的伸展性，从而使得悬臂梁上的元件106发生位移。这里所要检测的物理量例如可以是温度或湿度等。

图11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110包括单体外壳111、上面描述的微机电系统磁阻传感器112以及集成电路芯片113。微机电系统磁阻传感器112以及集成电路芯片113被设置在单体外壳111中。微机电系统磁阻传感器112可以与弹体外壳111的开口相对，以感测外部物理量。微机电系统磁阻传感器112、集成电路芯片113和单体外壳111中的电路通过引线114连接。

图12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12所示，电子设备120可以包括图11所示的传感器单体121。电子设备120可以是手机、平板电脑、可穿戴设备等。传感器单体121可以用于感测声音、压力、加速度、温度、湿度、姿态等。

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 (7)

1.一种微机电系统磁阻传感器，包括：

第一支撑件；

第一磁阻，设置在第一支撑件上，以及第一磁阻的第一钉扎方向是X方向；

第二支撑件；

磁场形成元件，设置在第二支撑件上，并形成施加于第一磁阻的磁场，

其中，在待感测物理量的作用下，第一支撑件相对于第二支撑件移动，以使得磁场形成元件施加于第一磁阻的磁场发生变化，从而改变第一磁阻的阻值，由此产生感测信号，以及第二支撑件相对于第一支撑件移动的方向是Z方向，

其中，X方向和Z方向所构成的平面是XZ平面，Y方向垂直于XZ平面，

其中，磁场形成元件和第一磁阻设置成彼此具有一定的倾斜角度，或者磁场形成元件设置成具有倾斜的磁场，在静态工作状态下，磁场形成元件施加于第一磁阻的磁场具有Y方向的偏置磁场分量，Y方向的偏置磁场分量在100～1000Oe范围内，

其中，X方向和Y方向所构成的平面是XY平面，Y方向和Z方向所构成的平面是YZ平面，

其中，磁场形成元件是电流导线或磁体，电流导线在YZ平面内相对于XY平面倾斜的角度大于等于0.1°且小于等于10°，磁体的南北极轴线在YZ平面内相对于XZ平面倾斜的角度大于等于0.1°且小于等于2°，从而生成所述Y方向的偏置磁场分量。

2.根据权利要求1所述的微机电系统磁阻传感器，其中，第二支撑件是振膜或悬臂梁，以及

其中，在所述振膜或悬臂梁上设置应力结构以使得磁场形成元件相对于第一磁阻产生倾斜，从而生成所述Y方向的偏置磁场分量。

3.根据权利要求1所述的微机电系统磁阻传感器，其中，第一支撑件是衬底并包括具有倾斜表面的结构，第一磁阻设置在倾斜表面上，以使得磁场形成元件相对于第一磁阻产生倾斜，从而生成所述Y方向的偏置磁场分量。

4.根据权利要求1所述的微机电系统磁阻传感器，还包括：

第三支撑件；以及

第二磁阻，设置在第三支撑件上，以及第二磁阻的第二钉扎方向是X方向；

其中，在待感测物理量的作用下，第三支撑件相对于第二支撑件移动，以使得磁场形成元件施加于第二磁阻的磁场发生变化，从而改变第二磁阻的阻值，由此产生感测信号，以及第二支撑件相对于第三支撑件移动的方向是Z方向，

其中，在静态工作状态下，磁场形成元件施加于第二磁阻的磁场具有Y方向的偏置磁场分量。

5.根据权利要求4所述的微机电系统磁阻传感器，其中，由第一磁阻和第二磁阻的差分输出信号产生所述感测信号。

6.一种传感器单体，包括单体外壳、根据权利要求1所述的微机电系统磁阻传感器以及集成电路芯片，其中，所述微机电系统磁阻传感器以及集成电路芯片被设置在所述单体外壳中。

7.一种电子设备，包括根据权利要求6所述的传感器单体。