专利名称：一体式高精度三轴磁传感器的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及到微弱信号传感技术领域，特指一种一体式高精度三轴磁传感器。
背景技术：
微弱磁场测量在地磁导航、目标探测、地质勘探、生物医学等领域都有广泛应用。三轴磁传感器可以同时测量磁场的三个分量，计算出传感器的倾角和方位角，在导航、定姿定位等方面比单轴和双轴传感器有更广阔的应用前景，高分辨力、低功耗、小型化是三轴磁传感器的主要发展方向。现阶段用于磁场测量的三轴磁传感器类型较多，按实现方式可以分为组装式和一体式，按其工作原理可以分为磁通门传感器、霍尔传感器、洛伦兹力磁传感器、GMR (GiantMagnetoresistive,巨磁阻)磁传感器等。其中，GMR磁传感器是基于微电子工艺制成的，具有分辨力高、体积小、功耗低 、易批量生产等特点，基于GMR效应的三轴磁传感器有希望实现一体化设计，并且具有高分辨力、小型化和低功耗的特点。采用组装方式的三轴磁传感器主要有一个两轴和一个单轴、三个单轴这两种组合，主要有以下几种结构形式:1、组装式三轴磁传感器，其Χ、γ轴采用GMR单轴传感器，Z轴采用霍尔传感器，霍尔传感器方便测量Z向磁场(专利号:US20110234218A1) ;2、集成三个独立磁传感器到一个芯片上的三轴测量方案(专利号:US7271586) ;3、将三个独立的MI磁传感器组装在一起形成三轴(US7298140B2) ;4、将霍尔传感器和搜索线圈传感器组装到一起，可以同时测量恒定磁场和交变磁场，分辨力高，其中测量恒定磁场可以达到ΙΟΟρΤ，但是由于采用三维线圈结构，体积较大，无法实现三轴磁传感器的小型化且不便批量生产；5、基于GMR敏感元件的环形磁力线聚集器结构，并对其进行了有限元仿真分析，这种结构可以提高GMR敏感元件的灵敏度，但三个分立的环形聚集器工艺难以实现，而且需要放在一起组装形成三轴磁传感器。一般而言，组装式三轴磁传感器的三轴正交性依赖于组装精度，而采用MEMS工艺制作的一体式三轴磁传感器具有更好的正交性。在采用MEMS工艺的一体式三轴磁传感器方面，现有技术中也有不少方案提出:1、通过一定工艺在同一基底上制作不同钉扎方向的MR磁传感器，并在测量Z向磁场的MR敏感元件旁边制作软磁材料的聚集器，一体化制作形成基于MR效应的三轴磁传感器。2、将测量垂直平面的Z向磁场的传感器做到斜面上，与测量X、Y向磁场的平面内传感器一起实现三轴测量(专利号:US7564237、US7126330)，实现了一体化制作，但是斜面上的MR磁传感器制作难度相对较大，与平面内磁传感器的一致性难以保证。3、将MR敏感元件制作在基底的斜面上用来测量Z向磁场，和平面内的MR敏感元件一体化制作，形成三轴磁传感器(专利号:US20120268113A1、US20090027048AU US20090027048)。4、另有人采用 CMOS 工艺在一个硅片上实现基于霍尔效应的磁场三轴传感器，保证了三轴之间的正交性，无磁滞效应，也不需要特殊的磁性材料，可以同时测量三分量，但分辨力低，约21 μ T。5、采用微加工技术在GaAs基底上利用热应力使制作的霍尔传感器与基底平面大体垂直，形成三轴霍尔传感器，实现了三轴磁传感器的小型化和一体化设计制造，工艺流程相对简单，但其Z向传感器与平面的夹角难以精确控制，所有三轴之间的正交性难以保证，而且最小可探测在2μ T左右。6、有人利用永磁体膜和外磁场的相互作用力改变压阻敏感兀件输出的原理,米用MEMS加工技术在硅片上实现三轴磁传感器的一体化设计，保证了传感器的小型化和一体化，但可以达到的分辨力有限，目前其Z向磁场的测量分辨力为250ηΤ。7、由于置于磁场中的通电导体会受到洛伦兹力的作用力，通过结构设计把这种作用力产生位移，引起电容变化，测量电容即可得到磁场量值，采用MEMS技术的洛伦兹力三轴磁传感器，无磁滞效应，也不需要特殊的磁性材料，可以保证正交性、小型化、低功耗，但这种原理的磁传感器所能达到的分辨力不高，目前其Z分量的测量分辨力为70ηΤ左右，而且低于平面内磁场测量的分辨力。
8、在双轴GMR磁传感器基础上，利用NiFe板将垂直平面的磁场分量扭曲至平面后测量，形成三轴MR传感器,可用表面微加工技术实现,但扭曲后的磁场分量较小,Z向磁场测量分辨力较低。通过以上对现有一体化三轴磁传感器的分析可知，在三轴磁传感器一体化制作中，难点是在于测量Z向磁场。基于霍尔磁敏感元件和洛伦兹力谐振的磁传感器可以达到的分辨率都不高，采用GMR敏感元件可以实现高分辨率测量需求，但是GMR敏感元件有一个特点，就是只能测量GMR敏感元件所在平面内的磁场。解决这个问题主要有两种思路，第一种是把磁传感器制作在基底的斜面上，第二种是用磁力线转向结构把垂直平面的Z向磁力线转到平面内后用平面磁传感器测量。基于这两种思路测量Z向磁场方面目前也有不少方案提出。如:1、在MR元件两侧添加软磁材料的聚集器，把垂直平面的磁力线部分地折的平面内测量(专利号:US7505233B2) ;2、在MR敏感元件旁边放置软磁块，也是类似的作用(专利号:US20120200292A1) ;3、在基底上做出凹坑或者凸台，然后把MTJ器件制作在斜面上，通过电路处理敏感元件的输出信号来测量Z向磁场(专利号:US20120068698) ;4、在硅的100表面各向异性蚀刻出111面，111面与100面之间有取决于硅晶体结构的夹角，然后把AMR磁敏感元件111面上，由于AMR敏感元件与基底平面呈一定夹角，可以测量Z向磁场，噪声水平为20ηΤ@1Ηζ ;同时，制作在斜面上的AMR磁敏感元件与平面上的AMR磁敏感元件对磁场的灵敏度有差异，采用简单的电路难以从两个磁敏元件的响应中解出Z向磁场量值。一般情况下，一体式三轴磁传感器比组装式具有更好地正交性，可采用微加工技术实现传感器的小型化，但基于霍尔元件、AMR元件、洛伦兹力谐振磁敏感元件，总体分辨力较低；采用GMR作为敏感元件一般可以达到较高的灵敏度和分辨率，但是GMR对所在平面内的磁场敏感，垂直平面的磁场对其影响很小。在GMR敏感元件的附近放置软磁块在一定程度上可以把Z向磁力线转移到平面内测量，但是以上各种放置方法在具体实现中难度较大，而且难以保证软磁块的结构对称性和性能一致性；把GMR敏感元件制作在传感器基底的斜面上可以直接测量Z向磁场，但其实现方法也比较复杂，而且位于斜面上的各磁传感器之间以及和平面内的磁传感器之间的一致性也难以保证。所以，现有技术中技术发展的难点在于如何用GMR敏感元件测量Z向磁场,这个难点导致了基于GMR敏感元件的三轴一体式磁传感器的设计制作难以实现。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于:针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、体积小、制造方便、制作成本低廉、灵敏度高的一体式高精度三轴磁传感器。为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案:一种一体式高精度三轴磁传感器，包括四个磁测量单元、信号输出和偏置电极、平面内聚集器、四个磁变轨聚集器、四个凹坑以及基底，所述平面聚集器采用自身对称式结构并位于基底的中间位置处，所述四个磁变轨聚集器在平面聚集器的四面呈对称状分布，每个所述磁变轨聚集器均位于一个凹坑中；每个磁测量单元均包括用两个GMR敏感元件和两个GMR参考元件构成的惠斯通电桥。作为本发明的进一步改进:所述平面聚集器和磁变轨聚集器之间的气隙比GMR敏感元件宽，所述GMR敏感元件放置于所述气隙处，所述两个GMR参考元件分别位于所述气隙两侧的磁变轨聚集器下方。所述磁变轨聚集器包括位于凹坑底部的坑底聚集器、位于凹坑斜面上的斜面聚集器、位于凹坑边沿的边沿聚集器，所述坑底聚集器、斜面聚集器、边沿聚集器依次连接为一个整体。所述GMR参考元件、GMR敏感元件均采用自旋阀结构或多层膜结构。所述基底采用本征硅，光刻之后在本征硅的(100)平面用腐蚀液蚀刻出四个对称的凹坑，所述凹坑的斜面为本征硅的(111)平面，与(100)平面的夹角为54.74°。所述基底的表面沉积一层绝缘层。与现有技术相比，本发明的优点在于:本发明的一体式高精度三轴磁传感器，基于MEMS工艺，采用了垂直磁场平面化测量技术，整个三轴磁传感器灵敏度高、体积小、功耗低，GMR单元一致性好，三轴间具有很好的正交性，并且传感器整体结构简单，制造方便，可有效降低传感器的制作成本。
图1是本发明的俯视结构示意图。图2是本发明中磁测量单元的结构示意图。图3是本发明中聚集器的结构示意图。图4是本发明中基底和引线的不意图。图5是本发明中磁变轨聚集器的截面示意图。图例说明:1、磁测量单元；2、平面聚集器；3、磁变轨聚集器；4、凹坑；7、GMR参考元件；8、GMR敏感元件；901、边沿聚集器；902、斜面聚集器；903、坑底聚集器；10、基底；101、第一磁测量单元；102、第二磁测量单元；103、第三磁测量单元；104、第四磁测量单元；301、第一磁变轨聚集器；302、第二磁变轨聚集器；303、第三磁变轨聚集器；304、第四磁变轨聚集器；401、第一凹坑；402、第二凹坑；403、第三凹坑；404、第四凹坑；701、第一参考元件；702、第二参考元件;801、第一敏感元件;802、第二敏感元件;1101、1102、1103、1104、四组电极。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。如图1所示，本发明的一体式高精度三轴磁传感器，包括四个磁测量单元1、信号输出和偏置电极、平面聚集器2、四个磁变轨聚集器3、四个凹坑4、基底10以及四组电极，平面聚集器2采用自身对称式结构，并位于基底10的中间位置处，四个磁变轨聚集器3在平面聚集器2的四面呈对称状分布，共同组成磁力线变轨和聚集放大的作用，每个磁变轨聚集器3均位于一个凹坑4中。四个磁测量单元I分别为第一磁测量单元101、第二磁测量单元102、第三磁测量单元103、第四磁测量单元104 ;四个磁变轨聚集器3分别为第一磁变轨聚集器301、第二磁变轨聚集器302、第三磁变轨聚集器303、第四磁变轨聚集器304 ;四个凹坑4分别为第一凹坑401、第二凹坑402、第三凹坑403、第四凹坑404。四组电极分别为:1101、1102、1103、1104。如图2和图5所示,每个磁测量单元I均包括用两个GMR敏感元件8和两个GMR参考元件7构成的惠斯通电桥,如图中GMR敏感元件8的第一敏感元件801、第二敏感元件802，GMR参考元件7中的第一参考元件701、第二参考元件702。其中，GMR参考元件7、GMR敏感元件8均呈细条状，在具体实例中可采用自旋阀结构，也可以采用多层膜结构。GMR敏感元件8位于平面聚集器2和磁变轨聚集器3的气隙之间，当GMR敏感元件8敏感方向的磁场变化时，GMR敏感元件8的电阻值也会发生相应变化。两个GMR参考元件7分别位于气隙两侧的磁变轨聚集器3下方，磁变轨聚集器3在聚集磁力线的同时，会对GMR参考元件7所处位置起到磁屏蔽作用，当外磁场变化时，GMR参考元件7不会受到磁场作用，其电阻值也不会发生变化。GMR敏感元件8的第一敏感元件801、第二敏感元件802的电阻值随外磁场的改变变化，则惠斯通电桥的输出信号Vsi和Vs2的差分反映了被测磁场的大小，所以可用磁测量单元I测量其敏感方向的磁场值。如图3所示，本实施例中，聚集器由平面聚集器2和磁变轨聚集器3构成。聚集器是采用高磁导率软磁材料(如NiFeXoZrNb等)在基底10表面溅射制成的软磁薄膜，其形状并不限于图中所示，可以为长方形或梯形等，只要满足对称性要求即可。聚集器可以对磁力线产生聚集作用，增加GMR敏感元件8位置的磁场值。本发明中平面聚集器2位于中心、磁变轨聚集器3位于四周，呈对称分布。平面聚集器2和磁变轨聚集器3之间的气隙比GMR敏感元件略宽，用来放置测量用GMR敏感元件8。磁变轨聚集器3由位于不同位置的三个部分组成，坑底聚集器903位于凹坑4的底部，斜面聚集器902位于凹坑4的斜面上，边沿聚集器901位于凹坑4的边沿，三部分聚集器依次连接为一个整体，磁变轨聚集器3的垂直高度为凹坑4的深度。平面聚集器2和磁变轨聚集器3具有两方面的作用:一方面可以把垂直磁传感器平面的磁场分量聚集并扭转到磁传感器平面内，然后可以用磁测量单元I进行测量，即实现垂直磁场的平面化测量；另一方面可以把磁测量单元I敏感方向的磁场分量聚集放大，然后用磁测量单元I进行测量，可以提高磁测量单元I的灵敏度。可见，磁测量单元I的测量结果包括两部分，一部分为垂直于传感器平面的磁场分量，另一部分为平面内的磁场分量。如图4所不,为本发明具体实例中基底10和引线的不意图。其中，基底10米用本征硅，光刻之后在本征硅的(100)平面用腐蚀液蚀刻出四个对称的凹坑4，凹坑4的斜面为本征硅的(111)平面，与(100)平面的夹角为54.74°，确定的夹角可以保证凹坑4结构的对称性，也保证了各个磁变轨结构对于磁场有一致的作用效果。然后，采用气相化学反应在基底10的表面沉积一层绝缘层，如Si3N4,以提高基底10的绝缘性能。凹坑4的外形并不限于图4所示的长方形，只要能够形成中心对称的斜面即满足要求；凹坑4的腐蚀深度根据所需垂直方向磁场转换效率来确定。平面内的四组电极1101、1102、1103、1104的形状和具体位置皆不限图4所示，只要满足磁场测量元件的电压偏置和信号输出要求即可。在基底10上所有电极对采用先溅射(或真空蒸发、电镀等)导电膜层(铝或金等)再光刻腐蚀的工艺制备成型。如图5所示，为本实例中一个磁变轨聚集器3和基底10的部分剖面示意图。GMR敏感元件8位于平面聚集器2和磁变轨聚集器3之间，测量其敏感方向的磁场值。GMR参考元件7的第一参考元件701、第一参考元件702分别位于气隙两侧的磁变轨聚集器3下方，受到磁变轨聚集器3的屏蔽作用，所以其电阻值不随外磁场变化，即对磁场无响应；但是，温度变化会对所有的GMR敏感元件8的电阻值产生相同的作用，所以GMR敏感元件8和GMR参考元件7组成的惠斯通电桥形式的磁测量单元I对温度的不利影响有一定的抑制作用。具体操作过程中，设GMR元件的灵敏度为
权利要求
1.一种一体式高精度三轴磁传感器,其特征在于:包括四个磁测量单兀(I)、信号输出和偏置电极、平面聚集器(2)、四个磁变轨聚集器(3)、四个凹坑(4)以及基底(10)，所述平面聚集器(2)采用自身对称式结构并位于基底(10)的中间位置处，所述四个磁变轨聚集器(3)在平面聚集器(2)的四面呈对称状分布，每个所述磁变轨聚集器(3)均位于一个凹坑(4)中；每个磁测量单元(I)均包括用两个GMR敏感元件(8)和两个GMR参考元件(7)构成的惠斯通电桥。
2.根据权利要求1所述的一体式高精度三轴磁传感器，其特征在于:所述平面聚集器(2)和磁变轨聚集器(3)之间的气隙比GMR敏感元件(8)宽，所述GMR敏感元件(8)放置于所述气隙处，所述两个GMR参考元件(7)分别位于所述气隙两侧的磁变轨聚集器(3)下方。
3.根据权利要求2所述的一体式高精度三轴磁传感器，其特征在于:所述磁变轨聚集器(3)包括位于凹坑(4)底部的坑底聚集器(903)、位于凹坑(4)斜面上的斜面聚集器(902)、位于凹坑(4)边沿的边沿聚集器(901)，所述坑底聚集器(903)、斜面聚集器(902)、边沿聚集器(901)依次连接为一个整体。
4.根据权利要求2所述的一体式高精度三轴磁传感器，其特征在于:所述GMR参考元件(7)、GMR敏感元件(8)均采用自旋阀结构或多层膜结构。
5.根据权利要求1 4中任意一项所述的一体式高精度三轴磁传感器,其特征在于:所述基底(10)米用本征娃,光刻之后在本征娃的100平面用腐蚀液蚀刻出四个对称的凹坑(4)，所述凹坑(4)的斜面为本征硅的111平面，与100平面的夹角为54.74°。
6.根据权利要求5所述的一体式高精度三轴磁传感器,其特征在于:所述本征娃的表面沉积一层绝缘层。
全文摘要
一种一体式高精度三轴磁传感器，包括四个磁测量单元、信号输出和偏置电极、平面内聚集器、四个磁变轨聚集器、四个凹坑以及基底，所述平面聚集器采用自身对称式结构并位于基底的中间位置处，所述四个磁变轨聚集器在平面聚集器的四面呈对称状分布，每个所述磁变轨聚集器均位于一个凹坑中；每个磁测量单元均包括用两个GMR敏感元件和两个GMR参考元件构成的惠斯通电桥。本发明具有结构简单紧凑、体积小、制造方便、制作成本低廉、灵敏度高等优点。
文档编号G01R33/09GK103116143SQ20131002361
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月22日 优先权日2013年1月22日
发明者田武刚, 赵建强, 胡佳飞, 张琦, 陈棣湘, 罗诗途, 潘孟春, 李文印 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学