一种单芯片三轴磁场传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种单芯片三轴磁场传感器，该传感器包括在同一基片上集成设置的X轴传感器、Y轴传感器和Z轴传感器，其中，X轴传感器和Y轴传感器的结构相同，均为参考桥式结构，参考臂上的磁电阻传感元件位于相应磁通量控制器的下方，感应臂上的磁电阻传感元件位于相应磁通量控制器之间的间隙处，但这两个传感器上所有元件的排布方向均相互垂直，并且磁电阻传感元件的钉扎层的磁化方向也相互垂直，Z轴传感器为推挽桥式结构，其推臂和挽臂上的磁电阻传感元件分别成列排布于其磁通量控制器的上方或下方的两侧。该单芯片三轴磁场传感器具有制作简单、动态范围宽的优点。
【专利说明】一种单芯片三轴磁场传感器【技术领域】
[0001]本实用新型涉及磁传感器领域，尤其涉及一种单芯片三轴磁场传感器。
【背景技术】
[0002]随着磁传感器技术的发展，其从初期的单轴磁传感器到后来的双轴磁传感器，再到如今的三轴磁传感器，使得其可全面检测空间X、Y、Z轴三个方向上的磁场信号。
[0003]对于AMR、GMR和TMR等磁传感器，由于磁场敏感方向在薄膜平面内，可以通过将两个传感器正交来实现平面内X、Y轴磁场分量的测量，从而实现XY 二轴磁场测试系统，但对于Z轴磁场分量，其中一种解决方案是将一个分立单轴平面磁传感器竖立安装在二轴平面传感器上，如申请号为201110251902.9，名称为“三轴磁场传感器”的专利中所公开的三轴磁场传感器。这种方式存在以下不足之处:
[0004]I) X、Y 二轴磁传感器和Z单轴磁传感器在安装之前为各自为分立元件，无法实现三轴磁传感器的集成制造，从而增加了制造工艺的复杂程度；
[0005]2)相对于集成制造系统，采用组装方法制造的三轴磁传感器系统内各元件的位置精度降低，影响传感器的测量精度。
[0006]3)由于Z单轴磁传感器的敏感轴垂直于X，Y 二轴磁传感器，因此三轴磁传感器Z向尺寸增加，从而增加了器件尺寸和封装难度。 [0007]另一种解决方案是专利CN202548308U “三轴磁传感器”中公开的采用斜坡设置磁传感器单元的方式来探测Z方向上的磁信号，这种结构的传感器中形成斜坡的角度不容易控制，在斜坡上沉积磁电阻薄膜的过程中还容易造成遮蔽效应(shadowing effects),从而降低了磁传感器元件的性能，并且还需要算法来计算才能得到Z轴方向的磁信号。
[0008]还有一种方案是专利申请201310202801.1 “一种三轴数字指南针”中所公开的解决方案，其利用通量集中器对磁场的扭曲作用，将垂直于平面的Z轴磁场分量转变成XY平面内的磁场分量，从而实现Z轴方向上磁信号的测量。但这种结构的磁传感器需要一个ASIC芯片或者通过算法来计算才能得到X、Y和Z轴三个方向的磁信号。
[0009]目前，主要是通过在基片的衬底层上刻蚀形成斜坡，在斜坡上沉积磁电阻材料薄膜，双次沉积等方法来制备三轴磁传感器，例如专利CN202548308U “三轴磁传感器”中所公开的传感器的制备过程大致是先在晶圆的衬底层上刻蚀出两个斜坡，然后分别在两个斜坡上通过双次沉积磁电阻材料薄膜、双次退火来制作测量XZ方向和YZ方向的传感器单元。欧洲专利申请EP 2267470 BI也公开了一种制备三轴传感器的方法，其也是通过在基片上刻蚀形成斜坡，然后在斜坡上制作测量Z轴方向磁场分量的传感器单元。这两个专利申请中所刻蚀的斜坡的坡度不易控制，在斜坡上沉积磁电阻材料薄膜也有一定难度，不利于实际实施。
【发明内容】
[0010]为了解决以上问题，本实用新型提出了一种单芯片三轴磁场传感器及其制备方法。该单芯片三轴磁场传感器能直接输出x、Y、z三个方向的磁信号，无需使用算法来进行计算。此外，其制备无需刻槽形成斜坡，直接通过双次沉积便能得到该三轴磁传感器，其含有的X轴传感器和Y轴传感器相互垂直，它们含有的磁电阻传感兀件的钉扎层的磁化方向也相互垂直。
[0011]本实用新型提供的一种单芯片三轴磁场传感器，其包括:
[0012]一位于XY平面内的基片，所述基片上集成设置有一 X轴传感器、一 Y轴传感器和一 Z轴传感器,分别用于检测磁场在X轴方向、Y轴方向、Z轴方向上的分量；
[0013]所述X轴传感器和所述Y轴传感器各自均包含有一参考电桥和至少两个磁通量控制器，所述参考电桥的参考臂和感应臂均包含有一个或多个相同的相互电连接的磁电阻传感元件，所述参考臂上的磁电阻传感元件位于所述磁通量控制器的上方或下方，并沿着所述磁通量控制器的长度方向排列形成参考元件串，所述感应臂上的磁电阻传感元件位于相邻两个对应的所述磁通量控制器之间的间隙处，并沿着所述磁通量控制器的长度方向排列形成感应元件串；所述参考元件串和所述感应元件串相互交错排放，每个所述参考元件串至少与一个所述感应元件串相邻，每个所述感应元件串也至少与一个所述参考元件串相邻;
[0014]所述Y轴传感器中的各元件和所述X轴传感器中对应的元件排布方向相互垂直；
[0015]所述X轴传感器和所述Y轴传感器中各自两个相邻所述磁通量控制器之间的间隙处的磁场的增益系数均为I <Asns〈100，所述X轴传感器和所述Y轴传感器的磁通量控制器的上方或者下方处的磁场的衰减系数均为O <Aref〈I ；
[0016]所述Z轴传感器为包含有一推挽电桥和至少一个磁通量控制器,所述推挽电桥的推臂和挽臂交替排列，各自均包含有所述一个或多个相同的相互电连接的磁电阻传感兀件，所述推臂和所述挽臂上的磁电阻传感元件均沿着所述Z轴传感器中磁通量控制器的长度方向排列，分别位于所述Z轴传感器中磁通量控制器的下方两侧或上方的两侧；
[0017]所述X轴传感器和所述Y轴传感器上的磁电阻传感元件的钉扎层的材料不同，并且钉扎层的磁化方向垂直；所述Z轴传感器和所述X轴传感器的钉扎层的磁化方向相同；在没有外加磁场时，所有所述磁电阻传感元件的磁性自由层的磁化方向与钉扎层的磁化方向均垂直；
[0018]其中，X轴、Y轴和Z轴两两相互正交。
[0019]优选的，所述磁电阻传感元件为GMR自旋阀元件或者TMR传感元件。
[0020]优选的，所述磁通量控制器为矩形长条阵列，其在垂直于磁电阻传感元件钉扎层磁化方向上的长度大于沿着磁电阻传感元件钉扎层磁化方向的长度，并且其组成材料为软铁磁合金。
[0021]优选的，所述X轴传感器和所述Y轴传感器各自的所述感应臂和所述参考臂上的磁电阻传感元件的数量相同；所述Z轴传感器的所述推挽电桥上的推臂和挽臂上的磁电阻传感元件的数量相同。
[0022]优选的，所述磁电阻传感元件在垂直于钉扎层磁化方向上的长度大于沿着钉扎层磁化方向的长度。
[0023]优选的，所述Z轴传感器的相邻两个所述磁通量控制器之间的间距S不小于所述Z轴传感器的所述磁通量控制器的三维尺寸中最小的一个。[0024]优选的，在没有外加磁场时，所述磁电阻传感元件通过永磁偏置、双交换作用、形状各向异性或者它们的任意结合来实现磁性自由层的磁化方向与钉扎层的磁化方向垂直。
[0025]优选的，所述参考电桥和所述推挽电桥均为半桥、全桥或者准桥结构。
[0026]优选的，所述基片上集成有一 ASIC芯片，或所述基片与一独立的ASIC芯片相电连接。优选的，所述单芯片三轴磁场传感器还包含有至少3个焊盘或所述X轴传感器、所述Y轴传感器和所述Z轴传感器上各自至少有3个硅通孔。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]为了更清楚地说明本实用新型实施例技术中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，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获得其他的附图。
[0028]图1为本实用新型中的单芯片三轴磁场传感器的结构示意图。
[0029]图2为本实用新型中的单芯片三轴磁场传感器的数字信号处理电路原理图。
[0030]图3为X轴传感器和Y轴传感器的结构示意图。
[0031]图4为X轴传感器中磁电阻元件周围的磁场分布图。
[0032]图5为X轴传感器中MTJ元件所在位置与所感应磁场强度的关系曲线。
[0033]图6为X轴传感器的响应曲线。
[0034]图7为X轴传感器的电路示意图。
[0035]图8为Z轴传感器的结构示意图。
[0036]图9为Z轴传感器在Z方向磁场中的磁通量控制器周围的磁场分布图。
[0037]图10为Z轴传感器的电路原理示意图。
[0038]图11为Z轴传感器在X方向磁场中的磁通量控制器周围的磁场分布图。
[0039]图12为Z轴传感器在Y方向磁场中的磁通量控制器周围的磁场分布图。
[0040]图13为Z轴传感器的响应曲线。
[0041]图14为本实用新型中单芯片三轴磁场传感器的制备方法流程示意图。
[0042]图15为晶圆双次沉积后X轴传感器、Y轴传感器和Z轴传感器上钉扎层的磁化方向示意图。
[0043]图16为制作的单芯片三轴磁场传感器的剖面示意图。
[0044]图17为晶圆完成切割工序之前，其上三轴磁场传感器的结构排列示意图。
【具体实施方式】
[0045]下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本实用新型。
[0046]实施例1
[0047]图1为本实用新型中的单芯片三轴磁场传感器在XY平面内的结构示意图。该传感器包括基片1，在基片I上集成设置有X轴传感器3、Y轴传感器4、Z轴传感器5以及多个用于输入输出的焊盘2，其中，X轴传感器3和Y轴传感器4的结构相同，只是排布方向不同，二者相互垂直。在图1中，X轴传感器3中的元件纵向排布，而Y轴传感器4中的元件横向排布，但X轴传感器3中的元件也可以横向排布，此时Y轴传感器4中元件纵向排布即可。X轴传感器3包括感应元件串11、参考元件串12以及X-磁通量控制器8，Y轴传感器4包括感应元件串13、参考元件串14以及Y-磁通量控制器9,其中参考元件串12，14分别位于X-磁通量控制器8、Y-磁通量控制器9的下方，感应元件串11，13分别位于相邻两个X-磁通量控制器8之间的间隙处和相邻两个Y-磁通量控制器的间隙处，感应元件串11，13和参考元件串12，14均由一个或多个相同的磁电阻传感元件电连接构成。Z轴传感器包括Z-磁通量控制器10、磁电阻传感兀件15，16,其中磁电阻传感兀件15，16分别电连接成列，排布于Z-磁通量控制器10下方的两侧。此外,构成参考元件串12，14的磁电阻传感元件也可以分别位于X-磁通量控制器8和Y-磁通量控制器9的上方，此时，Z轴传感器中的磁电阻传感元件15，16位于Z-磁通量控制器10上方的两侧。
[0048]所有磁电阻传感元件为GMR自旋阀或者TMR传感元件，其形状可以为方形、菱形或者椭圆形，但并不限于以上形状。X轴传感器3和Z轴传感器5中磁电阻传感元件的钉扎层的磁化方向6相同，均沿X轴方向，但X轴传感器3和Y轴传感器4中磁电阻传感元件的钉扎层的磁化方向6和7相互垂直。在没有外加磁场时,所述磁电阻传感兀件通过永磁偏置、双交换作用、形状各向异性或者它们的任意结合来使磁性自由层的磁化方向与钉扎层的磁化方向垂直。所有磁通量控制器均为矩形长条阵列，它们在垂直于磁电阻传感元件钉扎层磁化方向上的长度大于沿着磁电阻传感元件钉扎层磁化方向的长度，并且其组成材料均为软铁磁合金，该合金可包括N1、Fe、Co、S1、B、N1、Zr和Al中的一种元素或几种元素,但并不限于以上元素。焊盘2里包括了 X轴传感器3、Y轴传感器4和Z轴传感器5中的输入输出连接焊盘。基片I上可含有ASIC，或者与另外的独立的ASIC芯片相电连接，图中未示出ASIC。在本实施例中，采用的是焊盘引线键合来进行封装，也可采用硅通孔、倒装芯片、球栅阵列封装(BGA)、晶圆级封装(WLP)以及板上芯片封装(COB)等技术对该单芯片三轴线性磁传感器进行封装。
[0049]图2为单芯片三轴线性磁传感器的数字信号处理电路原理图。X轴传感器3、Y轴传感器4和Z轴传感器5感测到的磁场信号通过数字信号处理电路50中的ADC 41进行模拟数字信号转换，并将转换后的数字信号输送给数据处理器42，处理后的信号通过I/O输出，从而实现对外磁场的测量。该数字信号处理电路50可能位于基片I上，也有可能位于另外一个ASIC芯片上，该ASIC芯片与基片I相互电连接。
[0050]图3为图1中X轴传感器的结构示意图。该X轴传感器为参考全桥结构，包括参考臂和感应臂，其中参考臂上包括多个位于X-磁通量控制器下方的参考元件串12，感应臂上包括多个对于X-磁通量控制器间隙9处的感应元件串11,感应元件串11和参考元件串相互交错排放，沿着X-磁通量控制器的长度方向排布，每个参考元件串12至少与一个感应元件串11相邻，每个感应元件串11也至少与一个参考元件串12相邻。每个感应元件串11与相邻的参考元件串12之间均相隔间距L，间距L很小，优选地为20-100微米。感应臂、参考臂和焊盘17-20之间可以用电连接导体21连接。焊盘17-20分别作为输入端Vbias、接地端GND以及输出端VI，V2，对应于图1中最左边的四个焊盘。
[0051]图4为图3中的感应兀件串11和参考兀件串12周围的磁场分布。从图中可以看出，位于X-磁通量控制器8间隙处的感应元件串11所感应到的磁场幅度增强，而位于X-磁通量控制器8下方的参考元件串12所感应到的磁场幅度降低，由此可见，X-磁通量控制器8能起到衰减磁场的作用。[0052]图5为图3中的感应元件串11与参考元件串12的所在位置与所感应磁场强度的关系曲线，其中，Bsns34为感应元件串11所感应的磁场强度，BMf35为参考元件串12所感应的磁场强度，外加磁场的强度Bext=100G。从图中可以得到:Bsns=160G，Bref=25G。根据下面的公式(I)与(2)，便可得知相应的增益系数Asns和衰减系数AMf的大小。
[0053]Bsns=Asns^Bext(I)
[0054]Bref=Aref^Bext(2)
[0055]将Bext=10G, Bsns=160G, Bref=25G代入上面两式中，便可算出:
[0056]I <Asns=l.6 <100, O〈Aref =0.25〈1。Asns/Are;f 的比值越大，则意味着传感器的灵敏度越高，一般理想的是Asns/AMf>5，此时传感器就有高灵敏度。本设计中Asns/Aref=L 6/0.25=6.4>5，由此可见本申请中的X轴传感器具有高灵敏度。
[0057]图6为图3中X轴传感器的输出电压和外加磁场的关系曲线。从图中可以看出，X轴传感器只能感测到X轴方向的磁场分量，输出电压Vx36，对Y轴和Z轴方向的磁场分量没有响应，电压Vy 37和Vz 38均为零，并且Vx36关于原点O对称。
[0058]图7为图3中X轴传感器的电路示意图。图中，两个感应臂52，52’和两个参考臂53，53’相间隔连接构成一全桥,该全桥的输出电压为
[0059]
【权利要求】
1.一种单芯片三轴磁场传感器,其特征在于,所述传感器包括: 一位于XY平面内的基片，所述基片上集成设置有一 X轴传感器、一 Y轴传感器和一 Z轴传感器，分别用于检测磁场在X轴方向、Y轴方向、Z轴方向上的分量； 所述X轴传感器和所述Y轴传感器各自均包含有一参考电桥和至少两个磁通量控制器，所述参考电桥的参考臂和感应臂均包含有一个或多个相同的相互电连接的磁电阻传感元件，所述参考臂上的磁电阻传感元件位于所述磁通量控制器的上方或下方，并沿着所述磁通量控制器的长度方向排列形成参考元件串，所述感应臂上的磁电阻传感元件位于相邻两个所述磁通量控制器之间的间隙处，并沿着所述磁通量控制器的长度方向排列形成感应元件串；所述参考元件串和所述感应元件串相互交错排放，每个所述参考元件串至少与一个所述感应元件串相邻，每个所述感应元件串也至少与一个所述参考元件串相邻； 所述Y轴传感器中的各兀件和所述X轴传感器中对应的兀件排布方向相互垂直； 所述X轴传感器和所述Y轴传感器中各自两个相邻所述磁通量控制器之间的间隙处的磁场的增益系数均为I <Asns〈100，所述X轴传感器和所述Y轴传感器的磁通量控制器的上方或者下方处的磁场的衰减系数均为O <Aref〈I ； 所述Z轴传感器包含有一推挽电桥和至少一个磁通量控制器，所述推挽电桥的推臂和挽臂交替排列，各自均包含有所述一个或多个相同的相互电连接的磁电阻传感兀件，所述推臂和所述挽臂上的磁电阻传感元件均沿着所述Z轴传感器中磁通量控制器的长度方向排列，分别位于所述Z轴传感器中磁通量控制器的下方两侧或上方两侧； 所述X轴传感器和所述Y轴传感器上的磁电阻传感元件的钉扎层的材料不同，并且钉扎层的磁化方向垂 直；所述Z轴传感器和所述X轴传感器的钉扎层的磁化方向相同；在没有外加磁场时，所有所述磁电阻传感元件的磁性自由层的磁化方向与钉扎层的磁化方向均垂直； 其中，X轴、Y轴和Z轴两两相互正交。
2.根据权利要求1所述的单芯片三轴磁场传感器，其特征在于，所述磁电阻传感元件为GMR自旋阀元件或者TMR传感元件。
3.根据权利要求1所述的单芯片三轴磁场传感器，其特征在于，所述磁通量控制器为矩形长条阵列，其在垂直于所述的磁电阻传感元件的钉扎层的磁化方向上的长度大于沿着所述磁电阻传感元件的钉扎层的磁化方向的长度，并且其组成材料为软铁磁合金。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的单芯片三轴磁场传感器，其特征在于，所述X轴传感器和所述Y轴传感器各自的所述感应臂和所述参考臂上的磁电阻传感元件的数量相同；所述Z轴传感器的所述推臂和所述挽臂上的磁电阻传感元件的数量相同。
5.根据权利要求1-3中的任一项所述的单芯片三轴磁场传感器，其特征在于，所述磁电阻传感兀件在垂直于钉扎层磁化方向上的长度大于沿着钉扎层磁化方向的长度。
6.根据权利要求1-3中的任一项所述的单芯片三轴磁场传感器，其特征在于，所述Z轴传感器的相邻两个所述磁通量控制器之间的间距S不小于所述Z轴传感器的所述磁通量控制器的三维尺寸中最小的一个。
7.根据权利要求1-3中的任一项所述的单芯片三轴磁场传感器，其特征在于，在没有外加磁场时，所述磁电阻传感元件通过永磁偏置、双交换作用、形状各向异性或者它们的任意结合来实现磁性自由层的磁化方向与钉扎层的磁化方向垂直。
8.根据权利要求1-3中的任一项所述的单芯片三轴磁场传感器，其特征在于，所述参考电桥和所述推挽电桥均为半桥、全桥或者准桥结构。
9.根据权利要求1-3中的任一项所述的单芯片三轴磁场传感器，其特征在于，所述基片上集成有一 ASIC芯片，或所述基片与一独立的ASIC芯片相电连接。
10.根据权利要求1-3中的任一项所述的单芯片三轴磁场传感器，其特征在于，所述单芯片三轴磁场传感器还包含有至少3个焊盘或所述X轴传感器、所述Y轴传感器和所述Z轴传感器上各自至少有3个硅通孔。
【文档编号】G01R3/00GK203811786SQ201420148934
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】詹姆斯·G·迪克, 李丹 申请人:江苏多维科技有限公司