一种单芯片三轴线性磁传感器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种单芯片三轴线性磁传感器，其中传感器包括一X轴传感器、Y轴传感器和Z轴传感器。其中X轴传感器包含有一参考电桥和至少两个X-磁通量控制器，Y轴传感器包含有一推挽电桥和至少两个Y-磁通量控制器，Z轴传感器包含有一推挽电桥和至少一个Z-磁通量控制器。参考电桥、推挽电桥的桥臂均由一个或多个磁电阻传感元件电连接构成，磁电阻传感元件的敏感轴方向和钉扎层的磁化方向均沿X轴方向。该单芯片三轴线性磁传感器具有成本低、制作简单、线性度好、灵敏度高等优点。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本技术公开了一种单芯片三轴线性磁传感器，其中传感器包括一X轴传感器、Y轴传感器和Z轴传感器。其中X轴传感器包含有一参考电桥和至少两个X-磁通量控制器，Y轴传感器包含有一推挽电桥和至少两个Y-磁通量控制器，Z轴传感器包含有一推挽电桥和至少一个Z-磁通量控制器。参考电桥、推挽电桥的桥臂均由一个或多个磁电阻传感元件电连接构成，磁电阻传感元件的敏感轴方向和钉扎层的磁化方向均沿X轴方向。该单芯片三轴线性磁传感器具有成本低、制作简单、线性度好、灵敏度高等优点。【专利说明】一种单芯片三轴线性磁传感器
本技术涉及一种线性磁传感器，尤其涉及一种单芯片三轴线性磁传感器。
技术介绍
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。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: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；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。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。 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。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。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。此外，美国艾沃思宾技术公司的专利申请CN102918413A “单芯片三轴磁场传感器的工艺集成”中也公开了一种集成三轴磁场的方法，该方法包括:在第一电介质层中蚀刻第一和第二多个槽，第一和第二多个槽中的每个槽具有底部和侧面；在至少该第一多个槽中的每个的侧面上沉积第一高磁导率材料，在第一多个槽中沉积第二材料且在第二多个槽中沉积第三导电材料；在该第一电介质层以及该第一和第二多个槽上沉积第二电介质层；在第二槽的第一部分中形成穿过第二电介质层到第三材料的第一多个导电通路；在第二电介质层上形成邻近第一多个槽的侧面定位的第一多个薄膜磁致电阻磁场传感器元件，第一多个薄膜磁致电阻磁场传感器元件中的每一个电耦接到第一多个通路之一以及在第二电介质层以及第一多个薄膜磁致电阻磁场传感器元件上沉积第三电介质层。这个方法比较复杂，操作过程还不易于控制。现有技术中还有通过使用通量集中器来形成三轴磁传感器的，但其磁电阻元件的钉扎层的磁化方向并不相同，实施起来也比较困难。
技术实现思路
为了解决以上问题，本技术提出了一种单芯片三轴线性磁传感器及其制备方法。该单芯片三轴线性磁传感器能直接输出x、Y、z三个方向的磁信号，因此无需使用算法来进行计算。此外，其制备无需刻槽形成斜坡，也不需进行双次沉积，其含有的X轴传感器、Y轴传感器和Z轴传感器中的磁电阻传感元件的钉扎层方向相同，均沿X轴方向。本技术提供的一种单芯片三轴线性磁传感器，其包括: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，各自均包括一个或多个相同的相互电连接的磁电阻传感元件，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轴传感器包含有一参考电桥和至少两个X-磁通量控制器，所述参考电桥的参考臂和感应臂交替排列，并且各自均包括所述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X-磁通量控制器的上方或下方，并沿着所述X-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X-磁通量控制器之间的间隙处，并沿着所述X-磁通量控制器的长度方向排列形成感应元件串；所述Y轴传感器包含有一推挽电桥，所述推挽电桥的推臂和挽臂上各自对应设置有至少两个Y-磁通量控制器，所述推臂和所述挽臂交替排列，各自均包括所述一个或多个相同的相互电连接的磁电阻传感元件，所述磁电阻传感元件分别位于对应的两个相邻所述Y-磁通量控制器之间的间隙处；所述Z轴传感器包含有一推挽电桥和至少一个Z-磁通量控制器,所述推挽电桥的推臂和挽臂交替排列，各自均包括所述一个或多个相同的相互电连接的磁电阻传感元件；所述推臂和所述挽臂上的磁电阻传感元件分别位于所述Z-磁通量控制器的下方两侧或上方两侧，并均沿着所述Z-磁通量控制器的长度方向排列；所述X轴传感器、Y轴传感器和Z轴传感器中的所有所述磁电阻传感元件的钉扎层的磁化方向均相同，在没有磁通量控制器时，所有所述磁电阻传感元件的感应方向为X轴方向；其中，X轴、Y轴和Z轴两两正交。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。优选的，X-磁通量控制器、Y-磁通量控制器和Z-磁通量控制器均为矩形长条阵列，其组成材料均为软铁磁合金。优选的，每个所述参考元件串与相邻的所述感应元件串之间的间距均为L ;当所述X-磁通量控制器的个数为偶数时，在所述X轴传感器的正中间有两个所述参考元件串相邻，其间距为2L ;当所述X-磁通量控制器的个数为奇数时，在所述X轴传感器的正中间有两个所述感应元件串相邻，其间距为2L，其中L为自然数。优选的，所述X-磁通量控制器之间的间隙处的磁场的增益系数为I〈Asns〈100，所述X-磁通量控制器上方或者下方处的磁场的衰减系数为O〈Aref〈I。优选的，对于所述Y轴传感器，所述推臂和所述挽臂上的Y-磁通量控制器的数量相同；所述推臂上Y-磁通量控制器与X轴正向的夹角α为0°、0°，所述挽本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单芯片三轴线性磁传感器，其特征在于，该传感器包括：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，各自均包括一个或多个相同的相互电连接的磁电阻传感元件，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轴传感器包含有一参考电桥和至少两个X‑磁通量控制器，所述参考电桥的参考臂和感应臂交替排列，并且各自均包括所述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X‑磁通量控制器的上方或下方，并沿着所述X‑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X‑磁通量控制器之间的间隙处，并沿着所述X‑磁通量控制器的长度方向排列形成感应元件串；所述Y轴传感器包含有一推挽电桥，所述推挽电桥的推臂和挽臂上各自对应设置有至少两个Y‑磁通量控制器，所述推臂和所述挽臂交替排列，各自均包括所述一个或多个相同的相互电连接的磁电阻传感元件，所述磁电阻传感元件分别位于对应的两个相邻所述Y‑磁通量控制器之间的间隙处；所述Z轴传感器包含有一推挽电桥和至少一个Z‑磁通量控制器，所述推挽电桥的推臂和挽臂交替排列，各自均包括所述一个或多个相同的相互电连接的磁电阻传感元件；所述推臂和所述挽臂上的磁电阻传感元件分别位于所述Z‑磁通量控制器的下方两侧或上方两侧，并均沿着所述Z‑磁通量控制器的长度方向排列；所述X轴传感器、Y 轴传感器和Z轴传感器中的所有所述磁电阻传感元件的钉扎层的磁化方向均相同，在没有磁通量控制器时，所有所述磁电阻传感元件的感应方向为X轴方向；其中，X轴、Y轴和Z轴两两正交。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯·G·迪克，
申请(专利权)人：江苏多维科技有限公司，
类型：新型
国别省市：江苏;32