CN114630244B - 传感器及可穿戴设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种传感器及可穿戴设备，传感器包括基层，基层包括衬底和设置于衬底上的隔离层，隔离层背离衬底的一侧设置有振膜和背极，背极设置于振膜远离衬底的一侧，振膜为聚酰亚胺膜。该传感器采用聚酰亚胺制作振膜，具体地，可以采用纳米级的聚酰亚胺制作振膜，一方面，聚酰亚胺层具有良好的机械性能，使振膜不易破裂，另一方面，本发明中通过采用纳米级的聚酰亚胺，不需要增厚振膜的厚度同样能够保证振膜的机械可靠性，实现了大尺寸麦克风的超薄结构。该传感器具有振膜机械性能好，并且能够实现大尺寸超薄结构的优点。

Description

传感器及可穿戴设备

技术领域

本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种传感器及可穿戴设备。

背景技术

MEMS传感器即微机电系统(Microelectro Mechanical Systems)，是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。经过四十多年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。MEMS传感器通过外界声压驱动振膜振动，进而产生电信号传递出去。然而，现有技术中振膜机械可靠性差，容易破损。

鉴于此，有必要提供一种新型的传感器及可穿戴设备，以解决或至少缓解上述技术缺陷。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种传感器及可穿戴设备，旨在解决现有技术中传感器的振膜机械可靠性差、容易破损的技术问题。

为实现上述目的，根据本发明的一方面，本发明提供一种传感器，包括：

基层，所述基层包括衬底和设置于所述衬底上的隔离层，所述隔离层背离所述衬底的一侧设置有振膜和背极，所述背极设置于所述振膜远离所述衬底的一侧，所述振膜为聚酰亚胺膜。

在一实施例中，所述振膜面向所述背极的一侧还设置有与所述振膜贴合的导电层。

在一实施例中，所述导电层为氧化石墨烯层。

在一实施例中，所述导电层为金属层。

在一实施例中，所述金属层为铝层或金层。

在一实施例中，所述传感器还包括泄气孔，所述导电层对应所述泄气孔的位置设置有与所述泄气孔连通的通孔。

在一实施例中，所述传感器还包括进音口，所述振膜面向所述进音口的一侧设置有纹膜结构。

在一实施例中，所述导电层通过溅射沉积形成于所述振膜表面。

在一实施例中，所述背极面向所述导电层的一侧形成有朝向所述导电层的突出端。

在一实施例中，所述传感器还包括电连接层和引脚，所述电连接层连接所述振膜和引脚。

根据本发明的另一方面，本发明还提供一种可穿戴设备，所述可穿戴设备包括上述所述的传感器。

上述方案中，传感器包括基层，基层包括衬底和设置于衬底上的隔离层，隔离层背离衬底的一侧设置有振膜和背极，背极设置于振膜远离衬底的一侧，振膜为聚酰亚胺膜。隔离层可以是过氧化层，起到绝缘的作用，还可以在过氧化层背离衬底的一方设置二氧化硅层，起到支撑和绝缘的作用。在二氧硅层远离隔离层的一侧设置背极，背极上设置有音孔。振膜可以连接在隔离层上并嵌入二氧化硅层中，振膜与背极间隔设置并在背极和振膜之间形成用于容纳声波的背腔，在振膜上设置泄气孔用于平衡气压。该发明采用聚酰亚胺制作振膜，具体地，可以采用纳米级的聚酰亚胺制作振膜，相比于现有技术中采用多晶硅制作振膜而言，一方面，聚酰亚胺层具有良好的机械性能，使振膜不易破裂，另一方面，采用纳米级的聚酰亚胺，能够实现超薄结构。现有技术中，在制作大尺寸的麦克风中，振膜的尺寸增大，为确保振膜的机械性能，需要增大振膜的厚度，而本发明中通过采用纳米级的聚酰亚胺，不需要增厚振膜的厚度同样能够保证振膜的机械可靠性，实现了大尺寸麦克风的超薄结构。该发明具有振膜机械性能好，并且能够实现大尺寸超薄结构的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例振膜和导电层的结构示意图。

附图标号说明：

1、衬底；2、隔离层；3、二氧化硅层；4、振膜；41、纹膜结构；5、背极；6、导电层；7、泄气孔；8、进音口；9、引脚；10、电连接层；11、背腔；12、音孔；13、通孔；14、突出端。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施方式，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施方式中所有方向性指示(诸如上、下……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

并且，本发明各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

参见图1和图2，根据本发明的一个方面，本发明提供一种传感器，包括基层，基层包括衬底1和设置于衬底1上的隔离层2，隔离层2背离衬底1的一侧设置有振膜4和背极5，背极5设置于振膜4远离衬底1的一侧，振膜4为聚酰亚胺膜。

需要说明的是，聚酰亚胺(Polyimide，简写为PI)指主链上含有酰亚胺环(-CO-N-CO-)的一类聚合物，是综合性能最佳的有机高分子材料之一。上述实施例中，隔离层2可以是过氧化层，起到绝缘的作用，还可以在过氧化层背离衬底1的一侧设置二氧化硅层3，起到支撑和绝缘的作用。在二氧硅层远离隔离层2的一侧设置背极5，背极5上设置有音孔12。振膜4可以连接在隔离层2上并嵌入二氧化硅层3中，振膜4与背极5间隔设置并在背极5和振膜4之间形成用于容纳声波的背腔11，在振膜4上设置泄气孔7用于平衡内外气压。该实施例采用聚酰亚胺制作振膜4，具体地，可以采用纳米级的聚酰亚胺制作振膜4，相比于现有技术中采用多晶硅制作振膜4而言，一方面，聚酰亚胺层具有良好的机械性能，使振膜4不易破裂，另一方面，采用纳米级的聚酰亚胺，能够实现超薄结构。现有技术中，在制作大尺寸的麦克风中，振膜4的尺寸增大，为确保振膜4的机械性能，需要增大振膜4的厚度，而本实施例中通过采用纳米级的聚酰亚胺制作振膜4，不需要增厚振膜4的厚度同样能够保证振膜4的机械可靠性，实现了大尺寸麦克风的超薄结构。该实施例具有振膜4机械性能好，并且能够实现大尺寸超薄结构的优点。

并且，采用聚酰亚胺制作振膜4工艺简单，在蚀刻完衬底1后直接甩胶将聚酰亚胺涂覆在衬底1上，振膜4上的气孔通过氧离子直接击穿，振膜4上的纹膜结构41也可以经过离子蚀刻制作。该聚酰亚胺膜具有工艺简单，适用于大规模生产的优点。

在一实施例中，振膜4面向背极5的一侧还设置有与振膜4贴合的导电层6。具体地，导电层6可以为氧化石墨烯层。

需要说明的是，石墨烯是一种以sp²杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料。石墨烯是已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，且可以弯曲，同时具有优异的导电性能，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景。溅射沉积是指高能粒子轰击靶材，使靶材中的原子溅射出来，沉积在基底表面形成薄膜的方法。

上述实施例中，通过在聚酰亚胺面向背极5的表面溅射沉积一层石墨烯层作为导电层6，将纳米级聚酰亚胺及氧化石墨烯相结合，相比于现有技术中仅采用氮化硅制作振膜4而言，至少具有以下优点：1、具有耐腐蚀、耐高温、耐有机溶剂性能以及抵抗光照性能；2、具有良好的绝缘性能和介电性能；3、具有比氮化硅更好的平坦化性能；4、对Si、Al、陶瓷和介电材料等具有良好的粘附性能；5、储存方便，工艺简单，适合芯片的大规模生产；6、用溅射在聚酰亚胺膜表面的氧化石墨烯作为屏蔽电极，屏蔽电极厚度大大降低，并且由于石墨烯具有的导电性能及单层结构特点(界面惯性矩小)，可以提高MEMS的充放电速度以及额外增强振膜4弯曲变形能力，增强机械可靠性，提高MEMS的灵敏度；7、将纳米级聚酰亚胺及氧化石墨烯结合，实现超薄尺寸的振膜4结构，尤其适用于大尺寸麦克风的超薄结构的制作。

当然，在其他实施例中，导电层6可以为金属层，金属层可以为铝层或金层或者有其他金属材质制作。这里需要说明的是，导电层6采用金属层同样可以具备良好的机械性能，但相对于采用石墨烯而言，采用金属层制作导电层6厚度较大，实现超薄尺寸的效果不如石墨烯好。当然，金属层也可以通过溅射沉积的方法形成于振膜4表面。

在一实施例中，传感器还包括泄气孔7，导电层6对应泄气孔7的位置设置有与泄气孔7连通的通孔13。振膜4上设置的泄气孔7用于平衡外界与背腔11中的气压，提升传感器的可靠性，泄气孔7一般设置于振膜4的外围，即振膜4靠近隔离层2的位置。由于在振膜4上设置了导电层6，并且导电层6位于背腔11内，为避免导电层6堵住泄气孔7，因此，导电层6在对应泄气孔7的位置应当设置通孔13，通孔13与泄气孔7连通，以确保背腔11通过泄气孔7和通孔13与外界连通，达到气压平衡。对于通孔13的形状，此处不作具体限定，只要能够不阻碍泄气孔7连通外界和背腔11即可，可以是圆形、方形或其他不规则形状。至于通孔13的大小，可以与泄气孔7大小相同，也可以略大于泄气孔7。

在一实施例中，传感器还包括进音口8，振膜4面向进音口8的一侧设置有纹膜结构41；传感器还包括电连接层10和引脚9，电连接层10连接振膜4和引脚9。具体地，振膜4与背极5构成电容的两个极板，声音从进音口8进入传递至振膜4，引起振膜4振动，振膜4与背极5之间的间距发生变化，这种变化转变为电信号通过电连接层10传递至引脚9，电连接层10起到传递电信号的作用。具体地，电连接层10设置于背极5内，可以在背极5内设置通道用于容纳电连接层10，振膜4的一侧与电连接层10连接，在背极5背离振膜4的一侧的外表面开设有安装槽，安装槽内设置与电连接层10连接的引脚9，引脚9的数量可以为两个，引脚9可以是金属焊盘。纹膜结构41可以是朝向进音口8设置的凸起结构，以提高振膜4的顺性、灵敏度和弹性性能。

在一实施例中，背极5面向导电层6的一侧形成有朝向导电层6的突出端14。设置突出端14可以防止导电层6与背极5贴合，并且为导电层6提供支撑，防止导电层6形变过大。

根据本发明的另一方面，本发明还提供一种可穿戴设备，可穿戴设备包括上述的传感器。由于可穿戴设备包括了上述所有传感器的全部实施例的所有技术方案，因此，至少具有上述所有技术方案带来的一切有益效果，在此不再一一赘述。

以上仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的技术构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围。

Claims (9)

1.一种传感器，其特征在于，包括基层，所述基层包括衬底和设置于所述衬底上的隔离层，所述隔离层背离所述衬底的一侧设置有振膜和背极，所述背极设置于所述振膜远离所述衬底的一侧，所述振膜为聚酰亚胺膜，所述振膜面向所述背极的一侧还设置有与所述振膜贴合的导电层，所述振膜通过甩胶工艺将聚酰亚胺溶液涂覆在所述衬底上形成；

所述背极面向所述导电层的一侧形成有朝向所述导电层的突出端。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述导电层为氧化石墨烯层。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述导电层为金属层。

4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述金属层为铝层或金层。

5.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述传感器还包括泄气孔，所述导电层对应所述泄气孔的位置设置有与所述泄气孔连通的通孔。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的传感器，其特征在于，所述导电层通过溅射沉积形成于所述振膜表面。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的传感器，其特征在于，所述传感器还包括进音口，所述振膜面向所述进音口的一侧设置有纹膜结构。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的传感器，其特征在于，所述传感器还包括电连接层和引脚，所述电连接层连接所述振膜和引脚。

9.一种可穿戴设备，其特征在于，所述可穿戴设备包括如权利要求1-8中任一项所述的传感器。