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一種單芯片三軸磁場(chǎng)傳感器及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種單芯片三軸磁場(chǎng)傳感器及其制備方法，該傳感器包括在同一基片上集成設(shè)置的X軸傳感器、Y軸傳感器和Z軸傳感器，其中，X軸傳感器和Y軸傳感器的結(jié)構(gòu)相同，均為參考橋式結(jié)構(gòu)，參考臂上的磁電阻傳感元件位于相應(yīng)磁通量控制器的下方，感應(yīng)臂上的磁電阻傳感元件位于相應(yīng)磁通量控制器之間的間隙處，但這兩個(gè)傳感器上所有元件的排布方向均相互垂直，并且磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向也相互垂直，Z軸傳感器為推挽橋式結(jié)構(gòu)，其推臂和挽臂上的磁電阻傳感元件分別成列排布于其磁通量控制器的上方或下方的兩側(cè)。本發(fā)明還公開(kāi)了一種該單芯片三軸磁場(chǎng)傳感器的制備方法，該單芯片三軸磁場(chǎng)傳感器具有制作簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)范圍寬的優(yōu)點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種單芯片三軸磁場(chǎng)傳感器及其制備方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及磁場(chǎng)傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種單芯片三軸磁場(chǎng)傳感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著磁場(chǎng)傳感器技術(shù)的發(fā)展，其從初期的單軸磁場(chǎng)傳感器到后來(lái)的雙軸磁場(chǎng)傳感器，再到如今的三軸磁場(chǎng)傳感器，使得其可全面檢測(cè)空間X、Y、Z軸三個(gè)方向上的磁場(chǎng)信號(hào)。
[0003]對(duì)于AMR、GMR和TMR等磁場(chǎng)傳感器，由于磁場(chǎng)敏感方向在薄膜平面內(nèi)，可以通過(guò)將兩個(gè)傳感器正交來(lái)實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)X、Y軸磁場(chǎng)分量的測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)XY 二軸磁場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，但對(duì)于Z軸磁場(chǎng)分量，其中一種解決方案是將一個(gè)分立單軸平面磁場(chǎng)傳感器豎立安裝在二軸平面?zhèn)鞲衅魃?，如申?qǐng)?zhí)枮?01110251902.9，名稱(chēng)為“三軸磁場(chǎng)傳感器”的專(zhuān)利中所公開(kāi)的三軸磁場(chǎng)傳感器。這種方式存在以下不足之處:
1)X、Y 二軸磁場(chǎng)傳感器和Z單軸磁場(chǎng)傳感器在安裝之前為各自為分立元件，無(wú)法實(shí)現(xiàn)三軸磁場(chǎng)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(duì)于集成制造系統(tǒng)，采用組裝方法制造的三軸磁場(chǎng)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(cè)量精度。
[0004]3)由于Z單軸磁場(chǎng)傳感器的敏感軸垂直于X，Y 二軸磁場(chǎng)傳感器，因此三軸磁場(chǎng)傳感器Z向尺寸增加，從而增加了器件尺寸和封裝難度。
[0005]另一種解決方案是專(zhuān)利CN202548308U “三軸磁場(chǎng)傳感器”中公開(kāi)的采用斜坡設(shè)置磁場(chǎng)傳感器單元的方式來(lái)探測(cè)Z方向上的磁信號(hào)，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(guò)程中還容易造成遮蔽效應(yīng)(shadowing effects),從而降低了磁場(chǎng)傳感器元件的性能，并且還需要算法來(lái)計(jì)算才能得到Z軸方向的磁信號(hào)。
[0006]還有一種方案是專(zhuān)利申請(qǐng)201310202801.1 “一種三軸數(shù)字指南針”中所公開(kāi)的解決方案，其利用通量集中器對(duì)磁場(chǎng)的扭曲作用，將垂直于平面的Z軸磁場(chǎng)分量轉(zhuǎn)變成XY平面內(nèi)的磁場(chǎng)分量，從而實(shí)現(xiàn)Z軸方向上磁信號(hào)的測(cè)量。但這種結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)傳感器需要一個(gè)ASIC芯片或者通過(guò)算法來(lái)計(jì)算才能得到X、Y和Z軸三個(gè)方向的磁信號(hào)。
[0007] 目前，主要是通過(guò)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(lái)制備三軸磁場(chǎng)傳感器，例如專(zhuān)利CN202548308U “三軸磁場(chǎng)傳感器”中所公開(kāi)的傳感器的制備過(guò)程大致是先在晶圓的襯底層上刻蝕出兩個(gè)斜坡，然后分別在兩個(gè)斜坡上通過(guò)雙次沉積磁電阻材料薄膜、雙次退火來(lái)制作測(cè)量XZ方向和YZ方向的傳感器單元。歐洲專(zhuān)利申請(qǐng)EP 2267470 BI也公開(kāi)了一種制備三軸傳感器的方法，其也是通過(guò)在基片上刻蝕形成斜坡，然后在斜坡上制作測(cè)量Z軸方向磁場(chǎng)分量的傳感器單元。這兩個(gè)專(zhuān)利申請(qǐng)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(shí)際實(shí)施。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]為了解決以上問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種單芯片三軸磁場(chǎng)傳感器及其制備方法。該單芯片三軸磁場(chǎng)傳感器能直接輸出X、Y、Z三個(gè)方向的磁信號(hào)，無(wú)需使用算法來(lái)進(jìn)行計(jì)算。此外，其制備無(wú)需刻槽形成斜坡，直接通過(guò)雙次沉積便能得到該三軸磁場(chǎng)傳感器，其含有的X軸傳感器和Y軸傳感器相互垂直，它們含有的磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向也相
互垂直。
[0009]本發(fā)明提供的一種單芯片三軸磁場(chǎng)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，分別用于檢測(cè)磁場(chǎng)在X軸方向、Y軸方向、Z軸方向上的分量；
所述X軸傳感器和所述Y軸傳感器各自均包含有一參考電橋和至少兩個(gè)磁通量控制器，所述參考電橋的參考臂和感應(yīng)臂均包含有一個(gè)或多個(gè)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磁通量控制器的上方或下方，并沿著所述磁通量控制器的長(zhǎng)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(gè)對(duì)應(yīng)的所述磁通量控制器之間的間隙處，并沿著所述磁通量控制器的長(zhǎng)度方向排列形成感應(yīng)元件串；所述參考元件串和所述感應(yīng)元件串相互交錯(cuò)排放，每個(gè)所述參考元件串至少與一個(gè)所述感應(yīng)元件串相鄰，每個(gè)所述感應(yīng)元件串也至少與一個(gè)所述參考元件串相鄰；所述Y軸傳感器中的各兀件和所述X軸傳感器中對(duì)應(yīng)的兀件排布方向相互垂直；
所述X軸傳感器和所述Y軸傳感器中各自?xún)蓚€(gè)相鄰所述磁通量控制器之間的間隙處的磁場(chǎng)的增益系數(shù)均為I <Asns〈100，所述X軸傳感器和所述Y軸傳感器的磁通量控制器的上方或者下方處的磁場(chǎng)的衰減系數(shù)均為O <Aref〈I ；
所述Z軸傳感器為包含有一推挽電橋和至少一個(gè)磁通量控制器,所述推挽電橋的推臂和挽臂交替排列，各自均包含有所述一個(gè)或多個(gè)相同的相互電連接的磁電阻傳感兀件，所述推臂和所述挽臂上的磁電阻傳感元件均沿著所述Z軸傳感器中磁通量控制器的長(zhǎng)度方向排列，分別位于所述Z軸傳感器中磁通量控制器的下方兩側(cè)或上方的兩側(cè)；
所述X軸傳感器和所述Y軸傳感器上的磁電阻傳感元件的釘扎層的材料不同，并且釘扎層的磁化方向垂直；所述Z軸傳感器和所述X軸傳感器的釘扎層的磁化方向相同；在沒(méi)有外加磁場(chǎng)時(shí)，所有所述磁電阻傳感元件的磁性自由層的磁化方向與釘扎層的磁化方向均垂直；
其中，X軸、Y軸和Z軸兩兩相互正交。
[0010]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。
[0011]優(yōu)選的，所述磁通量控制器為矩形長(zhǎng)條陣列，其在垂直于磁電阻傳感元件釘扎層磁化方向上的長(zhǎng)度大于沿著磁電阻傳感元件釘扎層磁化方向的長(zhǎng)度，并且其組成材料為軟鐵磁合金。
[0012]優(yōu)選的，所述X軸傳感器和所述Y軸傳感器各自的所述感應(yīng)臂和所述參考臂上的磁電阻傳感元件的數(shù)量相同；所述Z軸傳感器的所述推挽電橋上的推臂和挽臂上的磁電阻傳感元件的數(shù)量相同。
[0013]優(yōu)選的，所述磁電阻傳感元件在垂直于釘扎層磁化方向上的長(zhǎng)度大于沿著釘扎層磁化方向的長(zhǎng)度。
[0014]優(yōu)選的，所述Z軸傳感器的相鄰兩個(gè)所述磁通量控制器之間的間距S不小于所述Z軸傳感器的所述磁通量控制器的三維尺寸中最小的一個(gè)。[0015]優(yōu)選的，在沒(méi)有外加磁場(chǎng)時(shí)，所述磁電阻傳感元件通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)磁性自由層的磁化方向與釘扎層的磁化方向垂直。
[0016]優(yōu)選的，所述參考電橋和所述推挽電橋均為半橋、全橋或者準(zhǔn)橋結(jié)構(gòu)。
[0017]優(yōu)選的，所述基片上集成有一 ASIC芯片，或所述基片與一獨(dú)立的ASIC芯片相電連接。優(yōu)選的，所述單芯片三軸磁場(chǎng)傳感器還包含有至少3個(gè)焊盤(pán)或所述X軸傳感器、所述Y軸傳感器和所述Z軸傳感器上各自至少有3個(gè)硅通孔。
[0018]本發(fā)明還提供了一種單芯片三軸線性磁場(chǎng)傳感器的制備方法，該方法包括以下步驟:
(1)將一第一磁電阻材料薄膜堆疊沉積在一半導(dǎo)體晶圓上，然后設(shè)置所述第一磁電阻材料薄膜堆疊的釘扎層的磁化方向；
或.將一第一磁電阻材料薄膜堆疊沉積在一半導(dǎo)體晶圓上，然后通過(guò)退火來(lái)設(shè)置所述第一磁電阻材料薄膜堆疊的釘扎層的磁化方向；
所述第一磁電阻材料薄膜堆疊使用阻擋溫度為T(mén)Bl的反鐵磁層作為其釘扎層，所述第一磁電阻材料薄膜堆疊用于構(gòu)建X軸傳感器和Z軸傳感器；
(2)在所述半導(dǎo)體晶圓上挑選一些區(qū)域，然后清除所選區(qū)域里的所述第一磁電阻材料薄膜堆疊；
(3)在所述半導(dǎo)體晶圓上沉積一第二磁電阻材料薄膜堆疊，所述第二磁電阻材料薄膜堆疊使用阻擋溫度為ΤΒ2的反鐵磁層作為其釘扎層，所述第二磁電阻材料薄膜堆疊用于構(gòu)建Y軸傳感器，其中ΤΒ1ΧΒ2 ;在溫度高于TBl、磁場(chǎng)方向平行于所述X軸傳感器和Z軸傳感器的釘扎層磁化方向的外加磁場(chǎng)中進(jìn)行第一次高溫退火，然后將溫度降至TBl和ΤΒ2之間的某一值，旋轉(zhuǎn)外加磁場(chǎng)使其方向與所述Y軸傳感器的釘扎層磁化方向相同，接著將溫度降至室溫，并將外加磁場(chǎng)減小至零磁場(chǎng)。
[0019](4)對(duì)所述第一磁電阻材料薄膜堆疊和所述第二磁電阻材料薄膜堆疊進(jìn)行掩膜，并清除掉與所述第一磁電阻材料薄膜堆疊重合部分的所述第二磁電阻材料薄膜堆疊；
(5)構(gòu)建底部電極，并在同一結(jié)構(gòu)成型步驟中構(gòu)建出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，其中構(gòu)建底部電極在構(gòu)建X軸傳感器、Y軸傳感器和Z軸傳感器中磁電阻傳感元件之前或之后；
(6)在所述磁電阻傳感元件上沉積一絕緣層I，并通過(guò)所述絕緣層I在所述磁電阻傳感元件的頂端制作出接觸孔；所述接觸孔通過(guò)一自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)包括剝離(lift off)工藝；或使用光刻和刻蝕工藝通過(guò)所述絕緣層I在所述磁電阻傳感元件的頂端向下開(kāi)孔來(lái)實(shí)現(xiàn)；
(7)沉積一頂部導(dǎo)電層，所述頂部導(dǎo)電層與所述磁電阻傳感元件的頂層相電連接，使用成型工藝(patterning processes)來(lái)形成頂部電極,并在各元件之間進(jìn)行布線；(8)沉積一絕緣層II ；
或.沉積一絕緣層III，再在所述沉積一絕緣層III上沉積一導(dǎo)電層，并將其構(gòu)建成一電磁線
圈層
在所述電磁線圈層的頂部沉積一絕緣層IV ；(9)在所述絕緣層II或所述絕緣層IV的上方使用相同的軟鐵磁材料同步形成多個(gè)磁通量控制器；
(10)在所有所述磁通量控制器的上方，沉積一鈍化層，對(duì)所述鈍化層進(jìn)行刻蝕，并在對(duì)應(yīng)所述頂部導(dǎo)體和底部電極的位置上進(jìn)行通孔；
Bf.在所有所述磁通量控制器的上方，沉積一鈍化層，對(duì)所述鈍化層進(jìn)行刻蝕，并在對(duì)應(yīng)所述頂部電極和底部電極的位置上進(jìn)行通孔，形成跟傳感器芯片連接的焊盤(pán)，在所述焊盤(pán)的頂端進(jìn)行濺射或電鍍一導(dǎo)電金屬。
[0020]優(yōu)選的，所述半導(dǎo)體晶圓為摻雜有集成電路的硅片、已經(jīng)進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的硅片或者是含有鈍化光滑表面的空白硅片。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0022]圖1為本發(fā)明中的單芯片三軸磁場(chǎng)傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖2為本發(fā)明中的單芯片三軸磁場(chǎng)傳感器的數(shù)字信號(hào)處理電路原理圖。
[0024]圖3為X軸傳感器和Y軸傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖4為X軸傳感器中磁電阻元件周?chē)拇艌?chǎng)分布圖。
[0026]圖5為X軸傳感器中MTJ元件所在位置與所感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線。
[0027]圖6為X軸傳感器的響應(yīng)曲線。
[0028]圖7為X軸傳感器的電路示意圖。
[0029]圖8為Z軸傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖9為Z軸傳感器在Z方向磁場(chǎng)中的磁通量控制器周?chē)拇艌?chǎng)分布圖。
[0031]圖10為Z軸傳感器的電路原理示意圖。
[0032]圖11為Z軸傳感器在X方向磁場(chǎng)中的磁通量控制器周?chē)拇艌?chǎng)分布圖。
[0033]圖12為Z軸傳感器在Y方向磁場(chǎng)中的磁通量控制器周?chē)拇艌?chǎng)分布圖。
[0034]圖13為Z軸傳感器的響應(yīng)曲線。
[0035]圖14為本發(fā)明中單芯片三軸磁場(chǎng)傳感器的制備方法流程示意圖。
[0036]圖15為晶圓雙次沉積后X軸傳感器、Y軸傳感器和Z軸傳感器上釘扎層的磁化方向示意圖。
[0037]圖16為制作的單芯片三軸磁場(chǎng)傳感器的剖面示意圖。
[0038]圖17為晶圓完成切割工序之前，其上三軸磁場(chǎng)傳感器的結(jié)構(gòu)排列示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039]下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例，來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。
[0040]實(shí)施例1
圖1為本發(fā)明中的單芯片三軸磁場(chǎng)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(gè)用于輸入輸出的焊盤(pán)2，其中，X軸傳感器3和Y軸傳感器4的結(jié)構(gòu)相同，只是排布方向不同，二者相互垂直。在圖1中，X軸傳感器3中的元件縱向排布，而Y軸傳感器4中的元件橫向排布，但X軸傳感器3中的元件也可以橫向排布，此時(shí)Y軸傳感器4中元件縱向排布即可。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, Y軸傳感器4包括感應(yīng)元件串13、參考元件串14以及Y-磁通量控制器9,其中參考元件串12，14分別位于X-磁通量控制器8、Y-磁通量控制器9的下方，感應(yīng)元件串11，13分別位于相鄰兩個(gè)X-磁通量控制器8之間的間隙處和相鄰兩個(gè)Y-磁通量控制器的間隙處，感應(yīng)元件串11，13和參考元件串12，14均由一個(gè)或多個(gè)相同的磁電阻傳感元件電連接構(gòu)成。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)成參考元件串12，14的磁電阻傳感元件也可以分別位于X-磁通量控制器8和Y-磁通量控制器9的上方，此時(shí)，Z軸傳感器中的磁電阻傳感兀件15，16位于Z-磁通量控制器10上方的兩側(cè)。[0041]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。X軸傳感器3和Z軸傳感器5中磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向6相同，均沿X軸方向，但X軸傳感器3和Y軸傳感器4中磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向6和7相互垂直。在沒(méi)有外加磁場(chǎng)時(shí),所述磁電阻傳感兀件通過(guò)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(lái)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(zhǎng)條陣列，它們?cè)诖怪庇诖烹娮鑲鞲性斣鷮哟呕较蛏系拈L(zhǎng)度大于沿著磁電阻傳感元件釘扎層磁化方向的長(zhǎng)度，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(pán)2里包括了 X軸傳感器3、Y軸傳感器4和Z軸傳感器5中的輸入輸出連接焊盤(pán)?；琁上可含有ASIC，或者與另外的獨(dú)立的ASIC芯片相電連接，圖中未示出ASIC。在本實(shí)施例中，采用的是焊盤(pán)引線鍵合來(lái)進(jìn)行封裝，也可采用硅通孔、倒裝芯片、球柵陣列封裝(BGA)、晶圓級(jí)封裝(WLP)以及板上芯片封裝(COB)等技術(shù)對(duì)該單芯片三軸線性磁場(chǎng)傳感器進(jìn)行封裝。
[0042]圖2為單芯片三軸線性磁場(chǎng)傳感器的數(shù)字信號(hào)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(cè)到的磁場(chǎng)信號(hào)通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理電路50中的ADC 41進(jìn)行模擬數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)輸送給數(shù)據(jù)處理器42，處理后的信號(hào)通過(guò)I/O輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外磁場(chǎng)的測(cè)量。該數(shù)字信號(hào)處理電路50可能位于基片I上，也有可能位于另外一個(gè)ASIC芯片上，該ASIC芯片與基片I相互電連接。
[0043]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(gè)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(gè)對(duì)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(cuò)排放，沿著X-磁通量控制器的長(zhǎng)度方向排布，每個(gè)參考元件串12至少與一個(gè)感應(yīng)元件串11相鄰，每個(gè)感應(yīng)元件串11也至少與一個(gè)參考元件串12相鄰。每個(gè)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，間距L很小，優(yōu)選地為20-100微米。感應(yīng)臂、參考臂和焊盤(pán)17-20之間可以用電連接導(dǎo)體21連接。焊盤(pán)17-20分別作為輸入端Vbias、接地端GND以及輸出端VI，V2，對(duì)應(yīng)于圖1中最左邊的四個(gè)焊盤(pán)。[0044]圖4為圖3中的感應(yīng)兀件串11和參考兀件串12周?chē)拇艌?chǎng)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(chǎng)幅度增強(qiáng)，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(chǎng)幅度降低，由此可見(jiàn)，X-磁通量控制器8能起到衰減磁場(chǎng)的作用。
[0045]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(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度，BMf35為參考元件串12所感應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，外加磁場(chǎng)的強(qiáng)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。
[0046]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(shí)傳感器就有高靈敏度。本設(shè)計(jì)中Asns/Aref=L 6/0.25=6.4>5，由此可見(jiàn)本申請(qǐng)中的X軸傳感器具有高靈敏度。
[0047]圖6為圖3中X軸傳感器的輸出電壓和外加磁場(chǎng)的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，X軸傳感器只能感測(cè)到X軸方向的磁場(chǎng)分量，輸出電壓Vx36，對(duì)Y軸和Z軸方向的磁場(chǎng)分量沒(méi)有響應(yīng)，電壓Vy 37和Vz 38均為零，并且Vx36關(guān)于原點(diǎn)O對(duì)稱(chēng)。
[0048]圖7為圖3中X軸傳感器的電路示意圖。圖中，兩個(gè)感應(yīng)臂52，52’和兩個(gè)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】
1.一種單芯片三軸磁場(chǎng)傳感器,其特征在于,所述傳感器包括: 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，分別用于檢測(cè)磁場(chǎng)在X軸方向、Y軸方向、Z軸方向上的分量； 所述X軸傳感器和所述Y軸傳感器各自均包含有一參考電橋和至少兩個(gè)磁通量控制器，所述參考電橋的參考臂和感應(yīng)臂均包含有一個(gè)或多個(gè)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磁通量控制器的上方或下方，并沿著所述磁通量控制器的長(zhǎng)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(gè)所述磁通量控制器之間的間隙處，并沿著所述磁通量控制器的長(zhǎng)度方向排列形成感應(yīng)元件串；所述參考元件串和所述感應(yīng)元件串相互交錯(cuò)排放，每個(gè)所述參考元件串至少與一個(gè)所述感應(yīng)元件串相鄰，每個(gè)所述感應(yīng)元件串也至少與一個(gè)所述參考元件串相鄰； 所述Y軸傳感器中的各兀件和所述X軸傳感器中對(duì)應(yīng)的兀件排布方向相互垂直； 所述X軸傳感器和所述Y軸傳感器中各自?xún)蓚€(gè)相鄰所述磁通量控制器之間的間隙處的磁場(chǎng)的增益系數(shù)均為I <Asns〈100，所述X軸傳感器和所述Y軸傳感器的磁通量控制器的上方或者下方處的磁場(chǎng)的衰減系數(shù)均為O <Aref〈I ； 所述Z軸傳感器包含有一推挽電橋和至少一個(gè)磁通量控制器，所述推挽電橋的推臂和挽臂交替排列，各自均包含有所述一個(gè)或多個(gè)相同的相互電連接的磁電阻傳感兀件，所述推臂和所述挽臂上的磁電阻傳感元件均沿著所述Z軸傳感器中磁通量控制器的長(zhǎng)度方向排列，分別位于所述Z軸傳感器中磁通量控制器的下方兩側(cè)或上方兩側(cè)； 所述X軸傳感器和所述Y軸傳感器上的磁電阻傳感元件的釘扎層的材料不同，并且釘扎層的磁化方向垂直；所述Z軸傳感器和所述X軸傳感器的釘扎層的磁化方向相同；在沒(méi)有外加磁場(chǎng)時(shí)，所有所述磁電阻傳感元件的磁性自由層的磁化方向與釘扎層的磁化方向均垂直； 其中，X軸、Y軸和Z軸兩兩相互正交。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單芯片三軸磁場(chǎng)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所述的單芯片三軸磁場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述磁通量控制器為矩形長(zhǎng)條陣列，其在垂直于所述磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向上的長(zhǎng)度大于沿著所述磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向的長(zhǎng)度，并且其組成材料為軟鐵磁合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任一項(xiàng)所述的單芯片三軸磁場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述X軸傳感器和所述Y軸傳感器各自的所述感應(yīng)臂和所述參考臂上的磁電阻傳感元件的數(shù)量相同；所述Z軸傳感器的所述推臂和所述挽臂上的磁電阻傳感元件的數(shù)量相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任一項(xiàng)所述的單芯片三軸磁場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述磁電阻傳感兀件在垂直于釘扎層磁化方向上的長(zhǎng)度大于沿著釘扎層磁化方向的長(zhǎng)度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任一項(xiàng)所述的單芯片三軸磁場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述Z軸傳感器的相鄰兩個(gè)所述磁通量控制器之間的間距S不小于所述Z軸傳感器的所述磁通量控制器的三維尺寸中最小的一個(gè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任一項(xiàng)所述的單芯片三軸磁場(chǎng)傳感器，其特征在于，在沒(méi)有外加磁場(chǎng)時(shí)，所述磁電阻傳感元件通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)磁性自由層的磁化方向與釘扎層的磁化方向垂直。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任一項(xiàng)所述的單芯片三軸磁場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述參考電橋和所述推挽電橋均為半橋、全橋或者準(zhǔn)橋結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任一項(xiàng)所述的單芯片三軸磁場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述基片上集成有一 ASIC芯片，或所述基片與一獨(dú)立的ASIC芯片相電連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任一項(xiàng)所述的單芯片三軸磁場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述單芯片三軸磁場(chǎng)傳感器還包含有至少3個(gè)焊盤(pán)或所述X軸傳感器、所述Y軸傳感器和所述Z軸傳感器上各自至少有3個(gè)硅通孔。
11.一種單芯片三軸線性磁場(chǎng)傳感器的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: (1)將一第一磁電阻材料薄膜堆疊沉積在一半導(dǎo)體晶圓上，然后設(shè)置所述第一磁電阻材料薄膜堆疊的釘扎層的磁化方向； 或.將一第一磁電阻材料薄膜堆疊沉積在一半導(dǎo)體晶圓上，然后通過(guò)退火來(lái)設(shè)置所述第一磁電阻材料薄膜堆疊的釘扎層的磁化方向； 所述第一磁電阻材料薄膜堆疊使用阻擋溫度為T(mén)Bl的反鐵磁層作為其釘扎層，所述第一磁電阻材料薄膜堆疊用于構(gòu)建X軸傳感器和Z軸傳感器； (2)在所述半導(dǎo)體晶圓上挑選一些區(qū)域，然后清除所選區(qū)域里的所述第一磁電阻材料薄膜堆疊； (3)在所述半導(dǎo)體 晶圓上沉積一第二磁電阻材料薄膜堆疊，所述第二磁電阻材料薄膜堆疊使用阻擋溫度為ΤΒ2的反鐵磁層作為其釘扎層，所述第二磁電阻材料薄膜堆疊用于構(gòu)建Y軸傳感器，其中ΤΒ1ΧTΒ2 ;在溫度高于TBl、磁場(chǎng)方向平行于所述X軸傳感器和Z軸傳感器的釘扎層磁化方向的外加磁場(chǎng)中進(jìn)行第一次高溫退火，然后將溫度降至TBl和ΤΒ2之間的某一值，旋轉(zhuǎn)外加磁場(chǎng)使其方向與所述Y軸傳感器的釘扎層磁化方向相同，接著將溫度降至室溫，并將外加磁場(chǎng)減小至零磁場(chǎng)； (4)對(duì)所述第一磁電阻材料薄膜堆疊和所述第二磁電阻材料薄膜堆疊進(jìn)行掩膜，并清除掉與所述第一磁電阻材料薄膜堆疊重合部分的所述第二磁電阻材料薄膜堆疊； (5)構(gòu)建底部電極，并在同一結(jié)構(gòu)成型步驟中構(gòu)建出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，其中構(gòu)建底部電極在構(gòu)建X軸傳感器、Y軸傳感器和Z軸傳感器中磁電阻傳感元件之前或之后； (6)在所述磁電阻傳感元件上沉積一絕緣層I，并通過(guò)所述絕緣層I在所述磁電阻傳感元件的頂端制作出接觸孔；所述接觸孔通過(guò)一自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)包括剝離(lift off)工藝；或使用光刻和刻蝕工藝通過(guò)所述絕緣層I在所述磁電阻傳感元件的頂端向下開(kāi)孔來(lái)實(shí)現(xiàn)； (7)沉積一頂部導(dǎo)電層，所述頂部導(dǎo)電層與所述磁電阻傳感元件的頂層相電連接，使用成型工藝(patterning processes)來(lái)形成頂部電極,并在各元件之間進(jìn)行布線；(8)沉積一絕緣層II ； 或.沉積一絕緣層III，再在所述沉積一絕緣層III上沉積一導(dǎo)電層，并將其構(gòu)建成一電磁線圈層
在所述電磁線圈層的頂部沉積一絕緣層IV ；(9)在所述絕緣層II或所述絕緣層IV的上方使用相同的軟鐵磁材料同步形成多個(gè)磁通量控制器； (10)在所有所述磁通量控制器的上方，沉積一鈍化層，對(duì)所述鈍化層進(jìn)行刻蝕，并在對(duì)應(yīng)所述頂部電極和底部電極的位置上進(jìn)行通孔，形成跟傳感器芯片連接的焊盤(pán)；
或； 在所有所述磁通量控制器的上方，沉積一鈍化層，對(duì)所述鈍化層進(jìn)行刻蝕，并在對(duì)應(yīng)所述頂部電極和底部電極的位置上進(jìn)行通孔，形成跟傳感器芯片連接的焊盤(pán)，在所述焊盤(pán)的頂端進(jìn)行濺射或電鍍一導(dǎo)電金屬。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的制備方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體晶圓為摻雜有集成電路的硅片、已經(jīng)進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的硅片或者是含有鈍化光滑表面的空白硅片。
【文檔編號(hào)】G01R33/09GK103913709SQ201410123285
【公開(kāi)日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】詹姆斯·G·迪克, 李丹 申請(qǐng)人:江蘇多維科技有限公司