一種單芯片三軸線性磁傳感器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單芯片三軸線性磁傳感器及其制備方法，其中傳感器包括一X軸傳感器、Y軸傳感器和Z軸傳感器。其中X軸傳感器包含有一參考電橋和至少兩個X-磁通量控制器，Y軸傳感器包含有一推挽電橋和至少兩個Y-磁通量控制器，Z軸傳感器包含有一推挽電橋和至少一個Z-磁通量控制器。參考電橋、推挽電橋的橋臂均由一個或多個磁電阻傳感元件電連接構(gòu)成，磁電阻傳感元件的敏感軸方向和釘扎層的磁化方向均沿X軸方向。本發(fā)明公開的制備方法，即先在晶片上沉積一層磁電阻薄膜，然后通過使用磁退火、光刻、刻蝕、鍍膜等技術(shù)便得到最終的傳感器。該單芯片三軸線性磁傳感器具有成本低、制作簡單、線性度好、靈敏度高等優(yōu)點。
【專利說明】一種單芯片三軸線性磁傳感器及其制備方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種線性磁傳感器，尤其涉及一種單芯片三軸線性磁傳感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著磁傳感器技術(shù)的發(fā)展，其從初期的單軸磁傳感器到后來的雙軸磁傳感器，再到如今的三軸磁傳感器，使得其可全面檢測空間X、Y、Z軸三個方向上的磁場信號。
[0003]對于AMR、GMR和TMR等磁傳感器，由于磁場敏感方向在薄膜平面內(nèi)，可以通過將兩個傳感器正交來實現(xiàn)平面內(nèi)X、Y軸磁場分量的測量，從而實現(xiàn)XY 二軸磁場測試系統(tǒng)，但對于Z軸磁場分量，其中一種解決方案是將一個分立單軸平面磁傳感器豎立安裝在二軸平面?zhèn)鞲衅魃希缟暾執(zhí)枮?01110251902.9，名稱為“三軸磁場傳感器”的專利中所公開的三軸磁場傳感器。這種方式存在以下不足之處:
1)X、Y 二軸磁傳感器和Z單軸磁傳感器在安裝之前為各自為分立元件，無法實現(xiàn)三軸磁傳感器的集成制造，從而增加了制造工藝的復(fù)雜程度；
2)相對于集成制造系統(tǒng)，采用組裝方法制造的三軸磁傳感器系統(tǒng)內(nèi)各元件的位置精度降低，影響傳感器的測量精度；
3)由于Z單軸磁傳感器的敏感軸垂直于X，Y二軸磁傳感器，因此三軸磁傳感器Z向尺寸增加，從而增加了器件尺寸和封裝難度。
[0004]另一種解決方案是專利CN202548308U “三軸磁傳感器”中公開的采用斜坡設(shè)置磁傳感器單元的方式來探測Z方向上的磁信號，這種結(jié)構(gòu)的傳感器中形成斜坡的角度不容易控制，在斜坡上沉積磁電阻薄膜的過程中還容易造成遮蔽效應(yīng)(shadowing effects),從而降低了磁傳感器元件的性能，并且還需要算法來計算才能得到Z軸方向的磁信號。
[0005]還有一種方案是專利申請201310202801.1 “一種三軸數(shù)字指南針”中所公開的解決方案，其利用通量集中器對磁場的扭曲作用，將垂直于平面的Z軸磁場分量轉(zhuǎn)變成XY平面內(nèi)的磁場分量，從而實現(xiàn)Z軸方向上磁信號的測量。但這種結(jié)構(gòu)的磁傳感器需要一個ASIC芯片或者通過算法來計算才能得到X、Y和Z軸三個方向的磁信號。
[0006]目前，主要是通過在基片的襯底層上刻蝕形成斜坡，在斜坡上沉積磁電阻材料薄膜，雙次沉積等方法來制備三軸磁傳感器，例如專利CN202548308U “三軸磁傳感器”中所公開的傳感器的制備過程大致是先在晶圓的襯底層上刻蝕出兩個斜坡，然后分別在兩個斜坡上通過雙次沉積磁電阻材料薄膜、雙次退火來制作測量XZ方向和YZ方向的傳感器單元。歐洲專利申請EP 2267470 BI也公開了一種制備三軸傳感器的方法，其也是通過在基片上刻蝕形成斜坡，然后在斜坡上制作測量Z軸方向磁場分量的傳感器單元。這兩個專利申請中所刻蝕的斜坡的坡度不易控制，在斜坡上沉積磁電阻材料薄膜也有一定難度，不利于實際實施。此外，美國艾沃思賓技術(shù)公司的專利申請CN102918413A “單芯片三軸磁場傳感器的工藝集成”中也公開了一種集成三軸磁場的方法，該方法包括:在第一電介質(zhì)層中蝕刻第一和第二多個槽，第一和第二多個槽中的每個槽具有底部和側(cè)面；在至少該第一多個槽中的每個的側(cè)面上沉積第一高磁導(dǎo)率材料，在第一多個槽中沉積第二材料且在第二多個槽中沉積第三導(dǎo)電材料；在該第一電介質(zhì)層以及該第一和第二多個槽上沉積第二電介質(zhì)層；在第二槽的第一部分中形成穿過第二電介質(zhì)層到第三材料的第一多個導(dǎo)電通路；在第二電介質(zhì)層上形成鄰近第一多個槽的側(cè)面定位的第一多個薄膜磁致電阻磁場傳感器元件，第一多個薄膜磁致電阻磁場傳感器元件中的每一個電耦接到第一多個通路之一以及在第二電介質(zhì)層以及第一多個薄膜磁致電阻磁場傳感器元件上沉積第三電介質(zhì)層。這個方法比較復(fù)雜，操作過程還不易于控制?，F(xiàn)有技術(shù)中還有通過使用通量集中器來形成三軸磁傳感器的，但其磁電阻元件的釘扎層的磁化方向并不相同，實施起來也比較困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決以上問題，本發(fā)明提出了一種單芯片三軸線性磁傳感器及其制備方法。該單芯片三軸線性磁傳感器能直接輸出X、Y、Z三個方向的磁信號，因此無需使用算法來進行計算。此外，其制備無需刻槽形成斜坡，也不需進行雙次沉積，其含有的X軸傳感器、Y軸傳感器和Z軸傳感器中的磁電阻傳感元件的釘扎層方向相同，均沿X軸方向。
[0008]本發(fā)明提供的一種單芯片三軸線性磁傳感器，其包括:
一位于XY平面內(nèi)的基片，所述基片上集成設(shè)置有一 X軸傳感器、一 Y軸傳感器和一 Z軸傳感器，各自均包括一個或多個相同的相互電連接的磁電阻傳感元件，分別用于檢測磁場在X軸方向、Y軸方向、Z軸方向上的分量；
所述X軸傳感器包含有一參考電橋和至少兩個X-磁通量控制器，所述參考電橋的參考臂和感應(yīng)臂交替排列，并且各自均包括所述一個或多個相同的相互電連接的磁電阻傳感元件；所述參考臂上的磁電阻傳感元件位于所述X-磁通量控制器的上方或下方，并沿著所述X-磁通量控制器的長度方向排列形成參考元件串；所述感應(yīng)臂上的磁電阻傳感元件位于相鄰兩個所述X-磁通量控制器之間的間隙處，并沿著所述X-磁通量控制器的長度方向排列形成感應(yīng)元件串；
所述Y軸傳感器包含有一推挽電橋，所述推挽電橋的推臂和挽臂上各自對應(yīng)設(shè)置有至少兩個Y-磁通量控制器，所述推臂和所述挽臂交替排列，各自均包括所述一個或多個相同的相互電連接的磁電阻傳感元件，所述磁電阻傳感元件分別位于對應(yīng)的兩個相鄰所述Y-磁通量控制器之間的間隙處；
所述Z軸傳感器包含有一推挽電橋和至少一個Z-磁通量控制器，所述推挽電橋的推臂和挽臂交替排列，各自均包括所述一個或多個相同的相互電連接的磁電阻傳感元件；所述推臂和所述挽臂上的磁電阻傳感元件分別位于所述Z-磁通量控制器的下方兩側(cè)或上方兩偵牝并均沿著所述Z-磁通量控制器的長度方向排列；
所述X軸傳感器、Y軸傳感器和Z軸傳感器中的所有所述磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向均相同，在沒有磁通量控制器時，所有所述磁電阻傳感元件的感應(yīng)方向為X軸方向；其中，X軸、Y軸和Z軸兩兩正交。
[0009]優(yōu)選的，所述磁電阻傳感元件為GMR自旋閥元件或者TMR傳感元件。
[0010]優(yōu)選的，X-磁通量控制器、Y-磁通量控制器和Z-磁通量控制器均為矩形長條陣列，其組成材料均為軟鐵磁合金。
[0011]優(yōu)選的，每個所述參考元件串與相鄰的所述感應(yīng)元件串之間的間距均為L ;當(dāng)所述X-磁通量控制器的個數(shù)為偶數(shù)時，在所述X軸傳感器的正中間有兩個所述參考元件串相鄰，其間距為2L ;當(dāng)所述X-磁通量控制器的個數(shù)為奇數(shù)時，在所述X軸傳感器的正中間有兩個所述感應(yīng)元件串相鄰，其間距為2L，其中L為自然數(shù)。
[0012]優(yōu)選的，所述X-磁通量控制器之間的間隙處的磁場的增益系數(shù)為I〈Asns〈100，所述X-磁通量控制器上方或者下方處的磁場的衰減系數(shù)為O〈Aref〈I。
[0013]優(yōu)選的，對于所述Y軸傳感器，所述推臂和所述挽臂上的Y-磁通量控制器的數(shù)量相同；所述推臂上Y-磁通量控制器與X軸正向的夾角α為0°、0°，所述挽臂上Y-磁通量控制器與X軸正向的夾角β為-90°?0° ;或；所述推臂上Y-磁通量控制器與X軸正向的夾角α為-90°?0°，所述挽臂上Y-磁通量控制器與X軸正向的夾角為β為0°、0°，其中，I α H β I。
[0014]優(yōu)選的，對于所述Y軸傳感器，所述推臂和所述挽臂上的磁電阻傳感元件的數(shù)量相同并且相對位置上的磁電阻傳感元件之間相互平行；所述推臂和所述挽臂上的磁電阻傳感元件彼此的旋轉(zhuǎn)角度的幅度相同，但方向不同。
[0015]優(yōu)選的，對于所述Z軸傳感器，所述推挽電橋的推臂和挽臂上的磁電阻傳感元件的數(shù)量相同。
[0016]優(yōu)選的，所述Z軸傳感器的磁電阻傳感元件的長度與寬度之間的比值大于I。
[0017]優(yōu)選的，相鄰兩個所述Z-磁通量控制器之間的間距S不小于所述Z-磁通量控制器的寬度Lx。
[0018]優(yōu)選的，相鄰兩個所述Z-磁通量控制器之間的間距S〉2Lx。
[0019]優(yōu)選的，所述Z軸傳感器中的磁電阻傳感元件位于所述Z-磁通量控制器上方或下方兩側(cè)邊緣的外側(cè)。
[0020]優(yōu)選的，減小所述Z軸傳感器中的磁電阻傳感元件與所述Z-磁通量控制器的下方邊緣的間距，或者增大所述Z-磁通量控制器的厚度Lz，或者減小所述Z-磁通量控制器的寬度Lx均能增加所述Z軸傳感器的靈敏度。
[0021]優(yōu)選的，在沒有外加磁場時，所述磁電阻傳感元件通過永磁偏置、雙交換作用、形狀各向異性或者它們的任意結(jié)合來使磁性自由層的磁化方向與釘扎層的磁化方向垂直。
[0022]優(yōu)選的，所述參考電橋、所述推挽電橋均為半橋、全橋或者準(zhǔn)橋結(jié)構(gòu)。
[0023]優(yōu)選的，所述基片上集成有一 ASIC芯片，或者所述基片與一獨立的ASIC芯片相電連接。
[0024]優(yōu)選的，所述單芯片三軸線性磁傳感器的半導(dǎo)體封裝方法包括焊盤引線鍵合、倒裝芯片、球柵陣列封裝(BGA)、晶圓級封裝(WLP)或板上芯片封裝(C0B)。
[0025]優(yōu)選的，所述X軸傳感器、所述Y軸傳感器和所述Z軸傳感器具有相同的靈敏度。
[0026]本發(fā)明還提供了一種單芯片三軸線性磁傳感器的制備方法，該方法包括以下步驟:
(O將磁電阻材料薄膜堆疊沉積在一晶圓上，并通過在磁場中進行熱退火來設(shè)置所述磁電阻材料薄膜堆疊中釘扎層的磁化方向、釘扎層的磁學(xué)特性、自由層的磁學(xué)特性以及隧道結(jié)的電學(xué)特性；
(2)構(gòu)建底部電極，并在所述磁電阻材料薄膜堆疊上同時構(gòu)建X軸傳感器、Y軸傳感器和Z軸傳感器中的磁電阻傳感元件；(3)在所述磁電阻傳感元件上方沉積一絕緣層I，并在所述絕緣層I上形成為磁電阻傳感元件提供電連接通道的通孔；
(4)在所述通孔上方沉積一頂部金屬層，將所述頂部金屬層構(gòu)建成頂部電極，并在各元件之間進行布線；
(5)在所述頂部金屬層上方沉積一絕緣層II，再在所述絕緣層II上方沉積一軟鐵磁合金材料層，在所述軟鐵磁合金材料層上同時構(gòu)建出X-磁通量控制器、Y-磁通量控制器和Z-磁通量控制器；
(6)在所有的所述X-磁通量控制器、Y-磁通量控制器和Z-磁通量控制器的上方同時沉積一鈍化層，再在對應(yīng)所述底部電極和所述頂部電極的位置上對所述鈍化層進行刻蝕、通孔，形成對外連接的焊盤。
[0027]優(yōu)選的，所述磁電阻材料薄膜堆疊中釘扎層用阻擋溫度為TBl的反鐵磁材料來進行釘扎，自由層用阻擋溫度為TB2的第二反鐵磁材料來進行偏置，其中ΤΒ1ΧTΒ2;在磁場中進行熱退火為雙步驟熱磁退火，其包括以下步驟:首先是在溫度為Tl的磁場中將所述晶圓進行退火，其中TDTBl ;接著是在溫度為T2的磁場中進行冷卻，其中ΤΒ1ΧT2ΧTΒ2 ;在所述晶圓溫度冷卻到T2之后，將所述晶圓或者外加磁場的方向旋轉(zhuǎn)90度；再接著將所述晶圓冷卻至溫度T3，撤去外加磁場，其中ΤΒ2Χ T3;最后將晶圓冷卻至室溫。
[0028]優(yōu)選的，步驟(2)中通過光刻、離子刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕、濕式蝕刻、剝離或者硬掩膜在所述磁電阻材料薄膜堆 疊上同時構(gòu)建X軸傳感器、Y軸傳感器和Z軸傳感器中的磁電阻傳感元件。
[0029]優(yōu)選的，在步驟(3)中通過光刻、離子刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕或者濕式蝕刻來形成所述通孔。
[0030]優(yōu)選的，步驟(3)中的所述通孔為自對準(zhǔn)接觸孔，所述自對準(zhǔn)接觸孔通過剝離(lift off)工藝或硬掩膜工藝形成。
[0031]優(yōu)選的，在所述頂部金屬層上方沉積一絕緣層II包括:在所述頂部金屬層上方沉積一第一子絕緣層；在所述第一子絕緣層上沉積一用于構(gòu)建電磁線圈的導(dǎo)體；再在所述電磁線圈上沉積一第二子絕緣層，所述第一子絕緣層、第二子絕緣層和所述導(dǎo)體構(gòu)成所述絕緣層II;所述在所述絕緣層II上方沉積一軟鐵磁合金材料層包括:在所述第二子絕緣層上沉積有所述軟鐵磁合金材料層。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0033]圖1為本發(fā)明中的單芯片三軸線性磁傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]圖2為本發(fā)明中的單芯片三軸線性磁傳感器的數(shù)字信號處理電路原理圖。
[0035]圖3為X軸傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036]圖4為X軸傳感器中磁電阻元件周圍的磁場分布圖。
[0037]圖5為X軸傳感器中MTJ元件所在位置與所感應(yīng)磁場強度的關(guān)系曲線。[0038]圖6為X軸傳感器的響應(yīng)曲線。
[0039]圖7為X軸傳感器的電路示意圖。
[0040]圖8為Y軸傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041]圖9為Y軸傳感器的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。
[0042]圖10為Y軸傳感器在Y軸方向磁場中的磁場分布圖。
[0043]圖11為Y軸傳感器在X軸方向磁場中的磁場分布圖。
[0044]圖12為Y軸傳感器的響應(yīng)曲線。
[0045]圖13為Y軸傳感器的電路原理示意圖。
[0046]圖14為Z軸傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0047]圖15為Z軸傳感器在Z方向磁場中的磁通量控制器周圍的磁場分布圖。
[0048]圖16為Z軸傳感器的電路原理示意圖。
[0049]圖17為Z軸傳感器在X方向磁場中的磁通量控制器周圍的磁場分布圖。
[0050]圖18為Z軸傳感器在Y方向磁場中的磁通量控制器周圍的磁場分布圖。
[0051]圖19為Z軸傳感器的響應(yīng)曲線。
[0052]圖20為本發(fā)明中單芯片三軸線性磁傳感器的制備方法流程示意圖。
[0053]圖21為制備的單芯片三軸線性磁傳感器的剖面示意圖。
【具體實施方式】
[0054]下面將參考附圖并結(jié)合實施例，來詳細說明本發(fā)明。
[0055]實施例1
圖1為本發(fā)明中的單芯片三軸線性磁傳感器在XY平面內(nèi)的結(jié)構(gòu)示意圖。該傳感器包括基片1，在基片I上集成設(shè)置有X軸傳感器3、Y軸傳感器4、Z軸傳感器5以及多個用于輸入輸出的焊盤2。X軸傳感器3包括感應(yīng)元件串11、參考元件串12以及X-磁通量控制器8，其中參考元件串12位于X-磁通量控制器8的下方，感應(yīng)元件串11位于相鄰兩個X-磁通量控制器8之間的間隙處。感應(yīng)元件串11和參考元件串12均由一個或多個相同的磁電阻傳感元件電連接構(gòu)成。Y軸傳感器4包括磁Y-通量控制器23，24，磁電阻傳感元件13，14，其中磁電阻傳感元件13成列排布于相鄰兩個Y-磁通量控制器23的間隙處，磁電阻傳感元件14成列排布于相鄰兩個Y-磁通量控制器24的間隙處，其中磁電阻傳感元件13與磁電阻傳感元件14的數(shù)量相同，Y-磁通量控制器23與Y-磁通量控制器24的數(shù)量也相同，Y-磁通量控制器23與X軸正向成正夾角，Y-磁通量控制器24與X軸正向成負(fù)夾角，優(yōu)選的，這兩個夾角的絕對值相同。此外，Y-磁通量控制器23也可以與X軸正向成負(fù)夾角，而Y-磁通量控制器24與X軸正向成正夾角。Z軸傳感器包括Z-磁通量控制器10、磁電阻傳感兀件15，16,其中磁電阻傳感兀件15，16分別電連接成列,排布于Z-磁通量控制器10下方的兩側(cè)。此外，構(gòu)成X軸傳感器中參考元件串12的磁電阻傳感元件也可以位于X-磁通量控制器8的上方，此時，Z軸傳感器中的磁電阻傳感元件15，16位于Z-磁通量控制器10上方的兩側(cè)。
[0056]所有磁電阻傳感元件為GMR自旋閥或者TMR傳感元件，其形狀可以為方形、菱形或者橢圓形，但并不限于以上形狀，所有磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向6均相同，均沿X軸方向。在沒有外加磁場時，所述磁電阻傳感元件通過永磁偏置、雙交換作用、形狀各向異性或者它們的任意結(jié)合來使磁性自由層的磁化方向與釘扎層的磁化方向垂直。所有磁通量控制器均為矩形長條陣列，并且其組成材料均為軟鐵磁合金，該合金可包括N1、Fe、Co、S1、B、N1、Zr和Al中的一種元素或幾種元素，但并不限于以上元素。焊盤2里包括了 X軸傳感器、Y軸傳感器和Z軸傳感器中的輸入輸出連接焊盤。基片I上可含有ASIC，或者與另外的ASIC芯片相電連接，圖中未示出ASIC?？捎煤副P引線鍵合、倒裝芯片、球柵陣列封裝(BGA)、晶圓級封裝(WLP)以及板上芯片封裝(COB)等方法對該單芯片三軸線性磁傳感器進行封裝。
[0057]X軸、Y軸和Z軸兩兩正交。X軸傳感器3、Y軸傳感器4、Z軸傳感器5有相同的靈敏度。
[0058]圖2為單芯片三軸線性磁傳感器的數(shù)字信號處理電路原理圖。X軸傳感器3、Y軸傳感器4和Z軸傳感器5感測到的磁場信號通過數(shù)字信號處理電路50中的ADC 41進行模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號輸送給數(shù)據(jù)處理器42，處理后的信號通過I/O 43輸出，從而實現(xiàn)對外磁場的測量。該數(shù)字信號處理電路50可能位于基片I上，也有可能位于另外一個ASIC芯片上，該ASIC芯片與基片I相互電連接。
[0059]圖3為圖1中X軸傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。該X軸傳感器為參考全橋結(jié)構(gòu)，包括參考臂和感應(yīng)臂，其中參考臂上包括多個位于X-磁通量控制器下方的參考元件串12，感應(yīng)臂上包括多個對于 X-磁通量控制器間隙9處的感應(yīng)元件串11,感應(yīng)元件串11和參考元件串相互交錯排放，沿著X-磁通量控制器的長度方向排布，每個感應(yīng)元件串11與相鄰的參考元件串12之間均相隔間距L。但對于如圖2所示的偶數(shù)個(8個)Χ-磁通量控制器，正中間有兩個參考元件串12相鄰，其之間間距為2L。如果X-磁通量控制器為奇數(shù)個，則正中間會有兩個感應(yīng)元件串11相鄰，相鄰間距也為2L，圖中沒顯示此種情形。間距L很小，優(yōu)選地為2(T100微米。感應(yīng)臂、參考臂和焊盤17-20之間可以用電連接導(dǎo)體21連接。焊盤17-20分別作為輸入端Vbias、接地端GND以及輸出端VI，V2，對應(yīng)于圖1中最左邊的四個焊盤。
[0060]圖4為圖3中的感應(yīng)兀件串11和參考兀件串12周圍的磁場分布。從圖中可以看出，位于X-磁通量控制器8間隙處的感應(yīng)元件串11所感應(yīng)到的磁場幅度增強，而位于X-磁通量控制器8下方的參考元件串12所感應(yīng)到的磁場幅度降低，由此可見，X-磁通量控制器8能起到衰減磁場的作用。
[0061]圖5為圖3中的感應(yīng)元件串11與參考元件串12的所在位置與所感應(yīng)磁場強度的關(guān)系曲線，其中，Bsns34為感應(yīng)元件串11所感應(yīng)的磁場強度，BMf35為參考元件串12所感應(yīng)的磁場強度，外加磁場的強度Bext=100G。從圖中可以得到:Bsns=160G，Bref=25G。根據(jù)下面的公式(I)與(2)，便可得知相應(yīng)的增益系數(shù)Asns和衰減系數(shù)AMf的大小。
[0062]Bsns=Asns^Bext(I)
Bref=Aref^Bext(2)
將Bext=IOOG, Bsns= 160G, Bref=25G代入上面兩式中，便可算出:
I <Asns=l.6〈100，O〈Aref =0.25〈1。Asns/Aref 的比值越大，則意味著傳感器的靈敏度越高，一般理想的是Asns/AMf>5，此時傳感器就有高靈敏度。本設(shè)計中Asns/Aref=L 6/0.25=6.4>5，由此可見本申請中的X軸傳感器具有高靈敏度。
[0063]圖6為圖3中X軸傳感器的輸出電壓和外加磁場的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，X軸傳感器只能感測到X軸方向的磁場分量，輸出電壓Vx36，對Y軸和Z軸方向的磁場分量沒有響應(yīng)，電壓Vy 37和Vz 38均為零，并且Vx36關(guān)于原點O對稱。
[0064]圖7為圖3中X軸傳感器的電路示意圖。圖中，兩個感應(yīng)臂52，52’和兩個參考臂53，53’相間隔連接構(gòu)成一全橋,該全橋的輸出電壓為
【權(quán)利要求】
1.一種單芯片三軸線性磁傳感器，其特征在于，該傳感器包括: 一位于XY平面內(nèi)的基片，所述基片上集成設(shè)置有一 X軸傳感器、一 Y軸傳感器和一 Z軸傳感器，各自均包括一個或多個相同的相互電連接的磁電阻傳感元件，分別用于檢測磁場在X軸方向、Y軸方向、Z軸方向上的分量； 所述X軸傳感器包含有一參考電橋和至少兩個X-磁通量控制器，所述參考電橋的參考臂和感應(yīng)臂交替排列，并且各自均包括所述一個或多個相同的相互電連接的磁電阻傳感元件；所述參考臂上的磁電阻傳感元件位于所述X-磁通量控制器的上方或下方，并沿著所述X-磁通量控制器的長度方向排列形成參考元件串；所述感應(yīng)臂上的磁電阻傳感元件位于相鄰兩個所述X-磁通量控制器之間的間隙處，并沿著所述X-磁通量控制器的長度方向排列形成感應(yīng)元件串； 所述Y軸傳感器包含有一推挽電橋，所述推挽電橋的推臂和挽臂上各自對應(yīng)設(shè)置有至少兩個Y-磁通量控制器，所述推臂和所述挽臂交替排列，各自均包括所述一個或多個相同的相互電連接的磁電阻傳 感元件，所述磁電阻傳感元件分別位于對應(yīng)的兩個相鄰所述Y-磁通量控制器之間的間隙處； 所述Z軸傳感器包含有一推挽電橋和至少一個Z-磁通量控制器，所述推挽電橋的推臂和挽臂交替排列，各自均包括所述一個或多個相同的相互電連接的磁電阻傳感元件；所述推臂和所述挽臂上的磁電阻傳感元件分別位于所述Z-磁通量控制器的下方兩側(cè)或上方兩偵牝并均沿著所述Z-磁通量控制器的長度方向排列； 所述X軸傳感器、Y軸傳感器和Z軸傳感器中的所有所述磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向均相同，在沒有磁通量控制器時，所有所述磁電阻傳感元件的感應(yīng)方向為X軸方向； 其中，X軸、Y軸和Z軸兩兩正交。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單芯片三軸線性磁傳感器，其特征在于，所述磁電阻傳感元件為GMR自旋閥元件或者TMR傳感元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單芯片三軸線性磁傳感器，其特征在于，所述X-磁通量控制器、Y-磁通量控制器和Z-磁通量控制器均為矩形長條陣列，其組成材料均為軟鐵磁合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單芯片三軸線性磁傳感器，其特征在于，每個所述參考元件串與相鄰的所述感應(yīng)元件串之間的間距均為L ;當(dāng)所述X-磁通量控制器的個數(shù)為偶數(shù)時，在所述X軸傳感器的正中間有兩個所述參考元件串相鄰，其間距為2L ；當(dāng)所述X-磁通量控制器的個數(shù)為奇數(shù)時，在所述X軸傳感器的正中間有兩個所述感應(yīng)元件串相鄰，其間距為2L，其中L為自然數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單芯片三軸線性磁傳感器，其特征在于，所述X-磁通量控制器之間的間隙處的磁場的增益系數(shù)為I〈Asns〈100，所述X-磁通量控制器上方或者下方處的磁場的衰減系數(shù)為O〈Aref〈I。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單芯片三軸線性磁傳感器，其特征在于，對于所述Y軸傳感器，所述推臂和所述挽臂上的Y-磁通量控制器的數(shù)量相同；所述推臂上Y-磁通量控制器與X軸正向的夾角α為0°、0°，所述挽臂上Y-磁通量控制器與X軸正向的夾角β為-90。~0° ;或；所述推臂上Y-磁通量控制器與X軸正向的夾角α為-90°~0°，所述挽臂上Y-磁通量控制器與X軸正向的夾角為β為0°、0°，其中，I a I = I β I。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的單芯片三軸線性磁傳感器，其特征在于，對于所述Y軸傳感器，所述推臂和所述挽臂上的磁電阻傳感元件的數(shù)量相同并且相對位置上的磁電阻傳感元件之間相互平行；所述推臂和所述挽臂上的磁電阻傳感元件彼此的旋轉(zhuǎn)角度的幅度相同，但方向不同。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單芯片三軸線性磁傳感器，其特征在于，對于所述Z軸傳感器，所述推挽電橋的推臂和挽臂上的磁電阻傳感元件的數(shù)量相同。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單芯片三軸線性磁傳感器，其特征在于，所述Z軸傳感器的磁電阻傳感元件的長度與寬度之間的比值大于I。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單芯片三軸線性磁傳感器，其特征在于，相鄰兩個所述Z-磁通量控制器之間的間距S不小于所述Z-磁通量控制器的寬度Lx。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的單芯片三軸線性磁傳感器，其特征在于，相鄰兩個所述Z-磁通量控制器之間的間距S〉2Lx。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單芯片三軸線性磁傳感器，其特征在于，所述Z軸傳感器中的磁電阻傳感元件位于所述Z-磁通量控制器上方或下方兩側(cè)邊緣的外側(cè)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單芯片三軸線性磁傳感器，其特征在于，減小所述Z軸傳感器中的磁電阻傳感元件與所述Z-磁通量控制器的下方邊緣的間距，或者增大所述Z-磁通量控制器的厚度Lz，或者減小所述Z-磁通量控制器的寬度Lx均能增加所述Z軸傳感器的靈敏度。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單芯片三軸線性磁傳感器，其特征在于，在沒有外加磁場時，所述磁電阻傳感元件通過永磁偏置、雙交換作用、形狀各向異性或者它們的任意結(jié)合來使磁性自由層的磁化方向與釘扎層的磁化方向垂直。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單芯片三軸線性磁傳感器，其特征在于，所述參考電橋、所述推挽電橋均為半橋、全橋或者準(zhǔn)橋結(jié)構(gòu)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單芯片三軸線性磁傳感器，其特征在于，所述基片上集成有一 ASIC芯片，或者所述基片與一獨立的ASIC芯片相電連接。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單芯片三軸線性磁傳感器，其特征在于，所述單芯片三軸線性磁傳感器的半導(dǎo)體封裝方法包括焊盤引線鍵合、倒裝芯片、球柵陣列封裝(BGA)、晶圓級封裝(WLP)或板上芯片封裝(COB)。
18.根據(jù)權(quán)利要求1或13所述的單芯片三軸線性磁傳感器，所述X軸傳感器、所述Y軸傳感器和所述Z軸傳感器具有相同的靈敏度。
19.一種單芯片三軸線性磁傳感器的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: (1)將磁電阻材料薄膜堆疊沉積在一晶圓上，并通過在磁場中進行熱退火來設(shè)置所述磁電阻材料薄膜堆疊中釘扎層的磁化方向、釘扎層的磁學(xué)特性、自由層的磁學(xué)特性以及隧道結(jié)的電學(xué)特性； (2)構(gòu)建底部電極，并在所述磁電阻材料薄膜堆疊上同時構(gòu)建X軸傳感器、Y軸傳感器和Z軸傳感器中的磁電阻傳感元件； (3)在所述磁電阻傳感元件上方沉積一絕緣層I，并在所述絕緣層I上形成為磁電阻傳感元件提供電連接通道的通孔； (4)在所述通孔上方沉積一頂部金屬層，將所述頂部金屬層構(gòu)建成頂部電極，并在各元件之間進行布線； (5)在所述頂部金屬層上方沉積一絕緣層II，再在所述絕緣層II 上方沉積一軟鐵磁合金材料層，在所述軟鐵磁合金材料層上同時構(gòu)建出X-磁通量控制器、Y-磁通量控制器和Z-磁通量控制器； (6)在所有的所述X-磁通量控制器、Y-磁通量控制器和Z-磁通量控制器的上方同時沉積一鈍化層，再在對應(yīng)所述底部電極和所述頂部電極的位置上對所述鈍化層進行刻蝕、通孔，形成對外連接的焊盤。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的制備方法，其特征在于，所述磁電阻材料薄膜堆疊中釘扎層用阻擋溫度為TBl的反鐵磁材料來進行釘扎，自由層用阻擋溫度為TB2的第二反鐵磁材料來進行偏置，其中ΤΒ1ΧTΒ2;在磁場中進行熱退火為雙步驟熱磁退火，其包括以下步驟:首先是在溫度為Tl的磁場中將所述晶圓進行退火，其中TDTBl ;接著是在溫度為T2的磁場中進行冷卻，其中ΤΒ1ΧT2ΧTΒ2 ;在所述晶圓溫度冷卻到T2之后，將所述晶圓或者外加磁場的方向旋轉(zhuǎn)90度；再接著將所述晶圓冷卻至溫度T3，撤去外加磁場，其中ΤΒ2ΧT3;最后將晶圓冷卻至室溫。
21.根據(jù)權(quán)利 要求19所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中通過光刻、離子刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕、濕式蝕刻、剝離或者硬掩膜在所述磁電阻材料薄膜堆疊上同時構(gòu)建X軸傳感器、Y軸傳感器和Z軸傳感器中的磁電阻傳感元件。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的制備方法，其特征在于，在步驟(3)中通過光刻、離子刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕或者濕式蝕刻來形成所述通孔。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)中的所述通孔為自對準(zhǔn)接觸孔，所述自對準(zhǔn)接觸孔通過剝離(lift off)工藝或硬掩膜工藝形成。
24.根據(jù)權(quán)利要求19所述的制備方法，其特征在于，在所述頂部金屬層上方沉積一絕緣層II包括:在所述頂部金屬層上方沉積一第一子絕緣層；在所述第一子絕緣層上沉積一用于構(gòu)建電磁線圈的導(dǎo)體；再在所述電磁線圈上沉積一第二子絕緣層，所述第一子絕緣層、第二子絕緣層和所述導(dǎo)體構(gòu)成所述絕緣層II ;所述在所述絕緣層II上方沉積一軟鐵磁合金材料層包括:在所述第二子絕緣層上沉積有所述軟鐵磁合金材料層。
【文檔編號】G01R33/09GK103954920SQ201410155003
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月17日
【發(fā)明者】詹姆斯·G·迪克 申請人:江蘇多維科技有限公司