专利名称：一种采用磁变轨结构的z向磁场传感器的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及微弱信号传感技术领域，特指一种采用磁变轨结构的Z向磁场传感器。
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、成本低廉、制作方便、具有高分辨力的采用磁变轨结构的Z向磁场传感器。为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案:—种米用磁变轨结构的Z向磁场传感器,包括基底、两对输入输出电极、两对GMR敏感元件和GMR参考元件、以及呈对称布置的磁力线聚集器，所述两对输入输出电极镀于基底的表面，每对GMR敏感兀件和GMR参考兀件与一对输入输出电极构成惠斯通电桥；所述基底上设有两个对称的第一凹坑和第二凹坑，所述惠斯通电桥位于第一凹坑和第二凹坑之间，所述第一凹坑和第一凹坑内部平面、斜面以及凹坑边沿上均镀有软磁薄膜以形成依次布置的凹坑内聚集器、斜面聚集器、凹坑边沿聚集器，所述第一凹坑和第二凹坑之间的中间区域设有中心聚集器，进而形成磁力线聚集器。作为本发明的进一步改进:所述中心聚集器和凹坑边沿聚集器中间的气隙比GMR敏感元件宽，所述GMR磁敏感元件放置于中心聚集器和凹坑边沿聚集器之间；所述GMR参考元件位于中心聚集器的下方。所述GMR敏感元件和GMR参考元件均呈细条形。所述GMR敏感元件和GMR参考元件采用自旋阀结构或采用多层膜结构。所述基底米用本征娃，通过光刻之后在本征娃平面用腐蚀液蚀刻出对称的第一凹坑和第二凹坑，所述第一凹坑和第一凹坑的斜面为本征硅的(111)平面，与本征硅的(100)平面的夹角为54.74°。所述本征硅的表面通过采用气相化学反应沉积一层绝缘层。所述一对输入输出电极包括惠斯通电桥偏置电极和惠斯通电桥信号输出电极。与现有技术相比，本发明的优点在于:本发明的采用磁变轨结构的Z向磁场传感器，结构简单紧凑、成本低廉，通过在硅面上蚀刻出(111)斜面，把软磁膜镀在(111)斜面和
(100)平面上形成变轨结构，这种变轨结构的对称性和性能的一致性可以得到充分保证，可用于实现Z向磁场的变向和放大。本发明中测量Z向磁场的GMR敏感元件可以和平面内测量X、Y向磁场的GMR敏感元件采用同样的工艺流程制作，一致性比较好。测量三个方向磁场的磁传感器一起形成三轴磁传感器，采用微加工技术保证三轴测量的正交性，又具有高分辨力、体积小等优点。
图1是本发明的俯视结构示意图。图2是本发明的A-A处的截面示意图。图3是本发明中聚集器和GMR元件的安装示意图。图4是本发明中基底的结构示意图。图例说明:101、第一 GMR敏感元件；102、第二 GMR敏感元件；201、第一 GMR参考元件；202、第
二GMR参考元件；301、第一惠斯通电桥偏置电极；302、第二惠斯通电桥偏置电极；401、第一惠斯通电桥信号输出电极；402、第二惠斯通电桥信号输出电极；5、基底；601、第一凹坑边沿聚集器；602、第二凹坑边沿聚集器；701、第一斜面聚集器；702、第二斜面聚集器；801、第一凹坑内聚集器；802、第二凹坑内聚集器；9、中心聚集器；1001、第一凹坑；1002、第二凹坑。
具体实施例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和图2所不,本发明的米用磁变轨结构的Z向磁场传感器,包括基底5、两对输入输出电极、两对GMR敏感元件和GMR参考元件、以及呈对称布置的磁力线聚集器。两对输入输出电极镀于基底5的表面，即:每对包含一组惠斯通电桥偏置电极和惠斯通电桥信号输出电极，第一惠斯通电桥偏置电极301和第一惠斯通电桥信号输出电极401为一对,第二惠斯通电桥偏置电极302和第二惠斯通电桥信号输出电极402为一对。第一 GMR敏感兀件101和第一 GMR参考元件201为一对，第二 GMR敏感元件102和第二 GMR参考元件202为一对，GMR敏感元件和GMR参考元件均呈细条状,GMR敏感元件、GMR参考元件通过惠斯通电桥偏置电极和惠斯通电桥信号输出电极构成惠斯通电桥。基底5中刻蚀出两个对称的第一凹坑1001和第二凹坑1002，第一凹坑1001和第二凹坑1002内部平面、斜面以及凹坑边沿上均镀有软磁薄膜以形成依次布置的凹坑内聚集器、斜面聚集器、凹坑边沿聚集器，第一凹坑1001和第二凹坑1002之间的中间区域设有中心聚集器9，进而形成磁力线聚集器。磁力线聚集器的作用包括磁力线变轨和磁场放大两个方面，磁力线变轨就是把垂直基底5平面的Z向磁场转到平面内测量，磁场放大则是可以提高GMR敏感元件的灵敏度。惠斯通电桥位于第一凹坑1001和第二凹坑1002之间，中心聚集器9和凹坑边沿聚集器中间的气隙比GMR敏感元件略宽，用来放置测量用GMR磁敏感元件。GMR参考元件位于中心聚集器9的下方，受到中心聚集器9的屏蔽作用所以其电阻基本不受外磁场影响。如图3所示，本实施例中，GMR敏感元件、GMR参考元件均呈细条形，可采用自旋阀结构，也可以采用多层膜结构。GMR敏感元件放置在三块分离聚集器(第一凹坑边沿聚集器601、中心聚集器9、第二凹坑边沿聚集器602)形成的两个气隙中，GMR参考元件放置在平面内中心聚集器9的下面，GMR参考元件受到中心聚集器9的屏蔽作用，不会对外磁场变化做出反应，但是所有敏感元件的温度特性是一致的。因此，这种电桥组合可以削弱温度对测量结果的影响。磁力线聚集器中的凹坑边沿聚集器、斜面聚集器、凹坑内聚集器以及中心聚集器均由高磁导率软磁材料(如NiFe、CoZrNb等)在基底5表面溅射制成，其形状可以为长方形聚集器(或梯形、或其他形状)，只需要满足对称性要求即可。从整体上说GMR敏感元件、GMR参考元件与凹坑边沿聚集器、斜面聚集器、凹坑内聚集器以及中心聚集器沿中轴线成一直线，以保证其对称性。即，参见图1在基底5上从左至右依次排列的是:第一凹坑内聚集器801、第一斜面聚集器701、第一凹坑边沿聚集器601、第一 GMR敏感元件101、第一 GMR参考元件201、中心聚集器9、第二 GMR参考元件202、第二 GMR敏感元件102、第二凹坑边沿聚集器602、第二斜面聚集器702、第二凹坑内聚集器802。在本实施例中，如图4所示，基底5采用本征硅，光刻之后在硅(100)平面用腐蚀液蚀刻出两个对称的凹坑(即:第一凹坑1001和第二凹坑1002)，凹坑的斜面为本征硅的
(111)平面,与(100)平面的夹角为54.74° ,其确定的夹角可以保证两个凹坑的对称性。然后，采用气相化学反应在表面沉积一层绝缘层，如Si3N4,以提高基底5的绝缘性能。凹坑的外形可以根据实际需要选择，并不局限于本实例中所示的长方形，只要能够形成中心对称的斜面即可满足要求。凹坑的腐蚀深度根据所需Z向转换效率来确定。平面内两电极对的形状和具体位置也不局限于图4所示，只要满足GMR敏感元件、GMR参考元件安装后的引线要求即可。基底5上所有电极对均可采用先溅射(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。采用本发明的结构，首先可以将垂直平面的磁力线转向到平面内，实现Z向磁场分量的平面化测量。本征硅基底上的(111)斜面和(100)平面间存在精确的夹角，为54.74度，这个夹角取决于本征硅自身的晶体结构。腐蚀出的凹坑各斜面角度一致，可以保证聚集器的良好对称性，实现Z向磁场的高精度测量。其次，本发明的结构可以放大被测微弱磁场，进一步提高GMR元件的灵敏度；聚集器是一层高磁导率软磁膜，对磁力线有聚集放大的作用，可以增强GMR敏感元件处的磁通密度。最后，测量Z向磁场的GMR敏感元件制作在本征硅基底5的(100)平面上，比放置在斜面上的方案容易实现，而且可以与测量X向和Y向磁场的GMR敏感元件同批次制作，使三轴磁传感器的GMR敏感元件磁性能具有较好的一致性。总之，这种采用微加工技术的对称磁力线变轨结构能够在平面内对Z向磁场放大测量，可以与测量平面内磁场分量的GMR敏感元件制作成一体式三轴磁传感器，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。以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种米用磁变轨结构的Z向磁场传感器,其特征在于,包括基底(5)、两对输入输出电极、两对GMR敏感元件和GMR参考元件、以及呈对称布置的磁力线聚集器,所述两对输入输出电极镀于基底(5)的表面，每对GMR敏感兀件和GMR参考兀件与一对输入输出电极构成惠斯通电桥；所述基底(5)上设有两个对称的第一凹坑(1001)和第二凹坑(1002)，所述惠斯通电桥位于第一凹坑(1001)和第二凹坑(1002)之间，所述第一凹坑(1001)和第二凹坑(1002)内部平面、斜面以及凹坑边沿上均镀有软磁薄膜以形成依次布置的凹坑内聚集器、斜面聚集器、凹坑边沿聚集器，所述第一凹坑(1001)和第二凹坑(1002)之间的中间区域设有中心聚集器(9)，进而形成磁力线聚集器。
2.根据权利要求1所述的采用磁变轨结构的Z向磁场传感器，其特征在于，所述中心聚集器(9)和凹坑边沿聚集器中间的气隙比GMR敏感元件宽，所述GMR磁敏感元件放置于中心聚集器(9)和凹坑边沿聚集器之间；所述GMR参考元件位于中心聚集器(9)的下方。
3.根据权利要求2所述的采用磁变轨结构的Z向磁场传感器，其特征在于，所述GMR敏感元件和GMR参考元件均呈细条形。
4.根据权利要求2所述的采用磁变轨结构的Z向磁场传感器，其特征在于，所述GMR敏感元件和GMR参考元件采用自旋阀结构或采用多层膜结构。
5.根据权利要求1 4中任意一项所述的采用磁变轨结构的Z向磁场传感器，其特征在于，所述基底(5)采用本征硅，通过光刻之后在本征硅100平面用腐蚀液蚀刻出对称的第一凹坑(1001)和第二凹坑(1002)，所述第一凹坑(1001)和第二凹坑(1002)的斜面为本征硅的111平面，与本征硅的100平面的夹角为54.74°。
6.根据权利要求5所述的采用磁变轨结构的Z向磁场传感器，其特征在于，所述本征硅的表面通过采用气相化学反应沉积一层绝缘层。
7.根据权利要求1 4中任意一项所述的采用磁变轨结构的Z向磁场传感器，其特征在于，所述一对输入输出电极包括惠斯通电桥偏置电极和惠斯通电桥信号输出电极。
全文摘要
一种采用磁变轨结构的Z向磁场传感器，包括基底、两对输入输出电极、两对GMR敏感元件和GMR参考元件、以及呈对称布置的磁力线聚集器，两对输入输出电极镀于基底的表面，每对GMR敏感元件和GMR参考元件与一对输入输出电极构成惠斯通电桥；基底上设有两个对称的第一凹坑和第二凹坑，惠斯通电桥位于第一凹坑和第二凹坑之间，第一凹坑和第二凹坑内部平面、斜面以及凹坑边沿上均镀有软磁薄膜以形成依次布置的凹坑内聚集器、斜面聚集器、凹坑边沿聚集器，第一凹坑和第二凹坑之间的中间区域设有中心聚集器，进而形成磁力线聚集器。本发明具有结构简单紧凑、体积小、成本低廉、制作方便、具有高分辨力等优点。
文档编号G01R33/09GK103116144SQ20131002365
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
发明者胡佳飞, 田武刚, 赵建强, 张琦, 潘孟春, 李季, 胡靖华 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学