CN115079061A

CN115079061A - 微机电***差分磁传感器、传感器单体及电子设备

Info

Publication number: CN115079061A
Application number: CN202210483319.9A
Authority: CN
Inventors: 邹泉波
Original assignee: Goertek Microelectronics Inc
Current assignee: Goertek Microelectronics Inc
Priority date: 2022-05-05
Filing date: 2022-05-05
Publication date: 2022-09-20

Abstract

公开了一种微机电***差分磁传感器、传感器单体及电子设备。该微机电***差分磁传感器包括：第一磁阻；第一磁源；以及第二磁源，其中，第一磁源和第二磁源分别位于第一磁阻的两侧，第一磁源和第二磁源的磁化方向相反，以在第一磁阻处形成差分磁场，第一磁阻、第一磁源和第二磁源形成在相同的器件平面上，以及所述第一磁阻能相对于第一磁源和第二磁源移动。

Description

微机电***差分磁传感器、传感器单体及电子设备

技术领域

本说明书涉及微机电***(MEMS)传感器技术领域，更具体地，涉及一种微机电***差分磁传感器、传感器单体及电子设备。

背景技术

微机电***传感器可以包括微机电***电容型传感器和磁传感器。在微机电***电容型传感器中设置振膜和背极板。当振膜发生振动时，振膜和背极板之间的电容发生变化。通过检测这种电容变化，确定振膜的震动。在微机电***磁阻传感器中，设置磁源和磁阻。当磁源和磁阻的相对位置发生变化时，施加在磁阻上的磁场也发生变化。磁场的变化导致磁阻的阻值发生变化。

微机电***传感器可以用作微机电***麦克风、微机电***加速度仪等。

发明内容

本说明书的实施例提供用于微机电***差分磁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***差分磁传感器，包括：第一磁阻；第一磁源；以及第二磁源，其中，第一磁源和第二磁源分别位于第一磁阻的两侧，其中，第一磁源和第二磁源的磁化方向相反，以在第一磁阻处形成差分磁场，其中，第一磁阻、第一磁源和第二磁源形成在相同的器件平面上，以及其中，所述第一磁阻能相对于第一磁源和第二磁源移动。

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***差分磁传感器以及集成电路芯片，其中，所述微机电***差分磁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，可以简化微机电***差分磁传感器的制造工艺。

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示出了根据第一实施例的微机电***差分磁传感器的示意性磁力线分布。

图2示出了在根据第一实施例的微机电***差分磁传感器中磁阻所受到的磁场强度的变化的示意图。

图3示出了根据第二实施例的微机电***差分磁传感器的示意性结构。

图4示出了根据第三实施例的微机电***差分磁传感器的示意性磁力线分布。

图5示出了在根据第三实施例的微机电***差分磁传感器中磁阻所受到的磁场强度的变化的示意图。

图6示出了根据第四实施例的微机电***差分磁传感器的示意性结构。

图7示出了根据第五实施例的微机电***差分磁传感器的示意性结构。

图8示出了根据第六实施例的传感器单体的示意图。

图9示出了根据第七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。

微机电***磁传感器通常采用非差分磁场的结构。相比于采用非差分磁场的微机电***磁传感器，采用差分磁场的微机电***磁传感器可以具有较高的灵敏度，较广的线性范围等。目前，这种微机电***差分磁传感器采用非共平面的结构，以布置磁阻和提供差分磁场的永磁体对。本发明人发现，在这种非平面结构的微机电***差分磁传感器中，需要精确定位磁阻和永磁体对。在这种情况下，对于微机电***差分磁传感器的性能优化和生产良率都会带来较大挑战。

因此，在这里提出以共平面的结构设置磁阻和提供差分磁场的磁源/永磁体，从而提高微机电***差分磁传感器的量产性和良率。

在一个实施例中，微机电***差分磁传感器包括：第一磁阻；第一磁源；以及第二磁源。第一磁源和第二磁源分别位于第一磁阻的两侧。第一磁源和第二磁源的磁化方向相反，以在第一磁阻处形成差分磁场。第一磁阻、第一磁源和第二磁源形成在相同的器件平面上。所述第一磁阻能相对于第一磁源和第二磁源移动。

在这里，一方面，这种采用差分磁场的结构可以提供较高的灵敏度、线性范围等。另一方面，由于采用共平面结构，因此，比较容易设置磁阻和磁源的位置，从而能够较容易地进行性能优化。这样的微机电***差分磁传感器可以具有较高的量产性以及良率。此外，这也可以给设计人员提高较大的设计自由度。本领域技术人员应当理解，这里的“第一磁阻、第一磁源和第二磁源形成在相同的器件平面上”指的是，在静止时，在没有施加外力的情况下(例如，在没有外界压力的情况下，或者在传感器内的密封腔中没有形成真空的情况下)，第一磁阻、第一磁源和第二磁源在相同的器件平面上。

例如，第一磁源和第二磁源是永磁体。它们可以是永磁体磁膜。

在一个实施例中，第一磁阻能在所述器件平面内，相对于第一磁源和第二磁源，在第一磁源和第二磁源之间移动。本领域技术人员应当理解，磁阻和磁源的相对移动包括如下几种情况。在第一种情况中，磁阻静止，而磁源移动。在第二种情况中，磁阻移动，而磁源静止。在第三种情况中，磁阻和磁源均移动，但是，磁阻和磁源相对位置发生变化。

在这个实施例中，磁阻相对于磁源的移动也位于相同的平面。这种结构有利于控制移动的范围，从而避免对于传感器移动部件的损坏。

在一个实施例中，微机电***差分磁传感器还包括：位于相同器件层的第一器件部分、第二器件部分和第三器件部分。第二器件部分位于第一器件部分和第三器件部分之间，并且能够相对于第一器件部分和第三器件部分，在所述器件平面内，在第一器件部分和第三器件部分之间移动。所述第一磁源位于所述第一器件部分上，所述第一磁阻位于所述第二器件部分上，所述第二磁源位于所述第三器件部分上。

例如，所述第二器件部分是位于第一器件部分和第二器件部分之间的悬臂梁，以及第一磁阻位于所述悬臂梁的末段。悬臂梁的末段指的是，悬臂梁的悬空部分的至少2/3位置到末端的部分。由于相对于悬臂梁前段，末段可以实现更大的振动幅度，因此，这有利于提高传感器的灵敏度。

可选地，第二器件部分也可以是两端固定在支撑件上的横梁，第一磁阻可以位于所述横梁的中段。例如，横梁是弹性的横梁，能够在外界物理信号的作用下发生移动。

在另一个实施例中，第一器件部分和第二器件部分是悬臂梁，第二器件部分是位于第一器件部分和第二器件部分之间的横梁。第一磁源和第二磁源位于所述悬臂梁的末段。在这种结构中，由于磁源可以是永磁体膜，因此，在磁源中没有电流。这样，磁源的移动不会产生电流噪声。另外，由于磁源也不需要电流线供电，因此，不需要在悬臂梁上布置电流线，从而避免这部分电流线所产生的干扰。此外，磁阻可以位于相对静止的位置。这样，磁阻中的电流不会由于振动而引起较大的噪声和/或功耗损失。

此外，微机电***差分磁传感器还包括：分别以与第一磁阻、第一磁源和第二磁源相同的方式设置的第二磁阻、第三磁源和第四磁源。第三磁源和第四磁源的磁化方向分别与第一磁源和第二磁源磁化方向相反。第一磁阻和第二磁阻以相同方式移动，以形成差分电阻。

在另一个实施例中，第一磁阻能沿器件平面的法线方向移动。

下面参照附图，详细描述这里公开的实施例。

图1示出了根据第一实施例的微机电***差分磁传感器的示意性磁力线分布。如图1所示，永磁体的磁源MS1和MS2的磁场方向为Z方向。磁源MS1的磁场方向为+Z方向，磁源MS2的磁场方向与磁源MS1的磁场方向相反，为-Z方向。如图1中虚线所示，磁源MS1和MS2在它们之间产生差分磁场。磁源MS1和MS2被设置成对称地位于磁阻MR1的两侧。磁源MS1、MS2和磁阻MR1共平面。例如，磁源MS1、MS2和磁阻MR1被设置在相同的器件层中。

在图1中，磁阻MR1的钉扎方向为箭头1所指示的+Z方向。磁阻MR1在磁源MS1、MS2之间移动，如箭头5所指示的那样。磁阻MR1包括自由层2、间隔层3和钉扎层4。磁阻MR1对Z方向的磁感应强度BZ的变化敏感。磁阻MR1的灵敏度SR＝(dR/dBZ)*R，其中，R是磁阻MR1的阻值。

如图2所示，参考标号7表示磁源MS1的位置，也是左侧磁场的边界。参考标号8表示磁源MS2的位置，也是由侧磁场的边界。磁源MS1所产生的主轴磁场如曲线9所示，磁源MS2所产生的主轴磁场如曲线10所示，总的主轴磁场分量(磁感应强度)如曲线11所示。因此，这样的结构具有较高的磁场空间梯度，即磁场灵敏度SB＝dBZ/dX。

当磁阻MR1和磁源对MS1、MS2在X方向(+/-X)相对运动(面内振动)时，对敏感外界物理信号(如声压、加速度、角速度、压力等等)的机械灵敏度是SM＝dX/dP，P是外界物理信号。

如图2所示，这样结构的传感器可以具有提高的磁场梯度(灵敏度)和更广的线性范围。

图3示出了根据第二实施例的微机电***差分磁传感器的示意性结构。如图3所示，磁阻MR1位于磁源MS1、MS2之间。磁源MS1、MS2的磁场方向相反。类似地布置磁阻MR2和磁源MS3、MS4。磁源MS3、MS4的磁场方向分别与磁源MS1、MS2的磁场方向相反。

当磁阻MR1、MR2相对于磁源MS1、MS2、MS3、MS4一起振动时，磁阻MR1、MR2可以形成差分磁阻，即，磁阻MR1、MR2中的一个的阻值变大，另一个的阻值变小。可以将这两组磁阻和磁源放置在统一运动部件的不同位置。

可是使用磁阻MR1、MR2形成惠斯通全桥电路。这样，传感器的灵敏度可以是S＝VB*SR*SB*SM，其中VB为惠斯通电桥的偏压。

可以利用键合(Bonding)的方法制作相反磁化方向的永磁体。所述健合的方法例如可以包括晶圆级键合(Wafer Bonding)和芯片键合(Die-level Bonding)等等。

永磁体的磁源MS1’和MS2’的磁场方向为Z方向。磁源MS1’的磁场方向为+Z方向，磁源MS2’的磁场方向与磁源MS1’的磁场方向相反，为-Z方向。如图1中虚线所示，磁源MS1’和MS2’在它们之间产生差分磁场。磁源MS1’和MS2’被设置成对称地位于磁阻MR1’的两侧。磁源MS1’、MS2’和磁阻MR1’共平面。例如，磁源MS1’、MS2’和磁阻MR1’被设置在相同的器件层中。

磁阻MR1’的钉扎方向为箭头12所指示的+X方向。磁阻MR1’沿器件平面的法线方向Z方向运动(+/-Z，面外振动)，如箭头16所指示的那样。磁阻MR1’包括自由层13、间隔层14和钉扎层15。磁阻MR1’对X方向的磁感应强度BX的变化敏感。磁阻MR1’的灵敏度SR＝(dR/dBX)*R，其中，R是磁阻MR1’的阻值。

如图5所示，磁源MS1’、MS2’所产生的X方向磁场相同，如曲线18所示。总的X方向磁场分量(磁感应强度)为磁源MS1’或MS2’所产生的X方向磁场分量的两倍，如曲线19所示。因此，这样的结构具有较高的磁场空间梯度。

当磁阻MR1和磁源对MS1、MS2在Z方向(+/-Z)相对运动(面内振动)时，对敏感外界物理信号(如声压、加速度、角速度、压力等等)的机械灵敏度是SM＝dZ/dP，P是外界物理信号。

如图5所示，这样结构的传感器可以具有提高的磁场梯度(灵敏度)和更广的线性范围。

如图6所示，磁源MS1、MS2被设置在微机电***差分磁传感器的器件层的固定支撑部分22上。磁阻MR1被设置在悬臂梁21上。磁阻MR1位于悬臂梁21的末段，并且位于磁源MS1、MS2之间。磁源MS1、MS2可以相对于磁阻MR1对称。

如图7所示，磁源MS1、MS2分别被设置悬臂梁23、24上。磁阻MR1被设置在横梁25上。横梁25的两端被固支在器件层的固定支撑部分26上。磁源MS1、MS2分别位于悬臂梁23、24的末段。磁阻MR1位于磁源MS1、MS2之间。磁源MS1、MS2可以相对于磁阻MR1对称。

图8示出了根据第六实施例的传感器单体的示意图。

如图8所示，传感器单体30包括基板31、上面描述的微机电***差分磁传感器32以及集成电路芯片33。微机电***差分磁传感器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将微机电***差分磁传感器32连接到集成电路芯片33，以及将微机电***差分磁传感器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。

图9示出了根据第七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

1.一种微机电***差分磁传感器，包括：

第一磁阻；

第一磁源；以及

第二磁源，

其中，第一磁源和第二磁源分别位于第一磁阻的两侧，

其中，第一磁源和第二磁源的磁化方向相反，以在第一磁阻处形成差分磁场，

其中，第一磁阻、第一磁源和第二磁源形成在相同的器件平面上，以及

其中，所述第一磁阻能相对于第一磁源和第二磁源移动。

2.根据权利要求1所述的微机电***差分磁传感器，其中，第一磁源和第二磁源是永磁体。

3.根据权利要求1或2所述的微机电***差分磁传感器，其中，第一磁阻能在所述器件平面内，相对于第一磁源和第二磁源，在第一磁源和第二磁源之间移动。

4.根据权利要求3所述的微机电***差分磁传感器，还包括：位于相同器件层的第一器件部分、第二器件部分和第三器件部分，

其中，第二器件部分位于第一器件部分和第三器件部分之间，并且能够相对于第一器件部分和第三器件部分，在所述器件平面内，在第一器件部分和第三器件部分之间移动，

其中，所述第一磁源位于所述第一器件部分上，所述第一磁阻位于所述第二器件部分上，所述第二磁源位于所述第三器件部分上。

5.根据权利要求4所述的微机电***差分磁传感器，其中，所述第二器件部分是位于第一器件部分和第二器件部分之间的悬臂梁，以及

其中，所述第一磁阻位于所述悬臂梁的末段。

6.根据权利要求4所述的微机电***差分磁传感器，其中，所述第二器件部分是两端固定在支撑件上的横梁，以及

其中，所述第一磁阻位于所述横梁的中段。

7.根据权利要求4所述的微机电***差分磁传感器，其中，第一器件部分和第二器件部分是悬臂梁，所述第二器件部分是位于第一器件部分和第二器件部分之间的横梁，以及

其中，所述第一磁源和第二磁源位于所述悬臂梁的末段。

8.根据权利要求1或2所述的微机电***差分磁传感器，还包括：分别以与第一磁阻、第一磁源和第二磁源相同的方式设置的第二磁阻、第三磁源和第四磁源，

其中，第三磁源和第四磁源的磁化方向分别与第一磁源和第二磁源磁化方向相反，

其中，第一磁阻和第二磁阻以相同方式移动，以形成差分电阻。

9.根据权利要求1或2所述的微机电***差分磁传感器，其中，第一磁阻能沿所述器件平面的法线方向移动。

10.一种传感器单体，包括基板、根据权利要求1所述的微机电***差分磁传感器以及集成电路芯片，其中，所述微机电***差分磁传感器以及集成电路芯片被设置在所述基板上。

11.一种电子设备，包括根据权利要求10所述的传感器单体。