三轴磁场传感器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种三轴磁场传感器，它包括一基片，该基片上集成设置有双轴磁场传感器、敏感方向为Z轴的Z轴磁场传感器和ASIC元件，双轴磁场传感器包括X轴桥式磁场传感器、Y轴桥式磁场传感器，双轴磁场传感器和Z轴磁场传感器连接设置在ASIC元件上。一种单一芯片三轴磁场传感器，它包括一基片，该基片上集成设置有三轴磁场传感器和ASIC元件，三轴磁场传感器包括X轴的X轴桥式磁场传感器、Y轴桥式磁场传感器和Z轴磁场传感器，本实用新型专利技术采用以上结构，集成度高，灵敏度更高，功耗更低，线性更好，动态范围更宽，温度特性更好，抗干扰能力更强。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及桥式磁场传感器的设计，特别的是一种三轴磁场传感器。技术背景 隧道结磁电阻传感器(MTJ, Magnetic Tunnel Junction)是近年来开始工业应用的新型磁电阻效应传感器，它利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应(TMR，TunnelMagnetoresistance),主要表现在磁性多层膜材料中随着外磁场大小和方向的变化，磁性多层膜的电阻发生明显变化，它比之前所发现并实际应用的AMR (各向异性磁电阻)具有更大的电阻变化率，同时相对于霍尔效应材料具有更好的温度稳定性。MTJ磁场传感器具有电阻变化率大，输出信号幅值大，电阻率高，功耗低，温度稳定性高的优点。用MTJ制成的磁场传感器比AMR、GMR、霍尔器件具有灵敏度更高，功耗更低，线性更好，动态范围更宽，温度特性更好，抗干扰能力更强的优点。此外MTJ还能方便的集成到现有的芯片微加工工艺当中，便于制成体积很小的集成磁场传感器。通常多轴磁场传感器具有比单轴传感器更高的集成度，更好的正交性，可以非常方便的应用于多轴或是矢量传感器场合。而磁场本身就是一个矢量场，因而多轴磁场测量传感器具有非常广泛的应用，特别是电子罗盘，地磁测量等都采用双轴或三轴磁场测量，因此，生产，集成度高的，单一芯片多轴磁场传感器是一种非常现实的需求。通常沉积在同一娃片上的GMR或MTJ兀件，由于其磁矩翻转所需要的磁场强度大小相同，因而在同一个硅片上的磁电阻元件，在进行退火之后，钉扎层磁化方向通常都相同，这使得制作推挽桥式传感器存在很大困难。目前主流的GMR三轴传感器是将三个芯片的X、Y、Z轴的GMR磁场传感器封装在一起实现的，体积大，封装成本高，较之MTJ磁场传感器具有灵敏度低，功耗高等缺点。从以上方法可以看出，现有的采用AMR、霍尔、GMR元件的三轴磁场传感器具有体积大，功耗高，灵敏度低等缺点，且MTJ三轴磁场传感器，特别是单一芯片的MTJ三轴磁场传感器在设计上难以实现。
技术实现思路
针对上述问题，本技术提供一种三轴磁场传感器，使三轴传感器缩小体积，提高灵敏度和减少功耗。为解决上述技术问题，本技术采用的技术方案为一种三轴磁场传感器，它包括一基片，该基片上集成设置有双轴磁场传感器、敏感方向为Z轴的Z轴磁场传感器和ASIC兀件，所述双轴磁场传感器包括敏感方向为X轴的X轴桥式磁场传感器、敏感方向为Y轴的Y轴桥式磁场传感器，所述双轴磁场传感器和Z轴磁场传感器连接设置在ASIC元件上，其中X轴、Y轴和Z轴两两相交。优选地，所述X轴桥式磁场传感器和所述Y轴桥式磁场传感器为MTJ桥式磁场传感器优选地，X轴桥式磁场传感器为参考桥式磁场传感器，Y轴桥式磁场传感器为推挽桥式磁场传感器。优选地，所述双轴磁场传感器可设置在单一芯片上，也可以设置在不同芯片上。优选地，所述双轴磁场传感器通过金线与ASIC元件相电连。优选地，所述双轴磁场传感器通过焊锡球与ASIC元件相电连。优选地，所述Z轴磁场传感器为MTJ磁场传感器，该MTJ传感器通过焊锡球水平设置在基片上，并且其敏感方向垂直于膜面。优选地，所述Z轴磁场传感器为MTJ磁场传感器，该MTJ传感器通过焊锡球垂直设置在基片上，并且其敏感方向平行于膜面。优选地，所述Z轴磁场传感器为MTJ磁场传感器，该MTJ传感器通过焊锡球倾斜设置在基片上。优选地，所述Z轴磁场传感器为霍尔或巨霍尔磁场传感器。一种单一芯片三轴磁场传感器，它包括一基片，该基片上集成设置有三轴磁场传感器单元和ASIC元件，所述三轴磁场传感器单元包括敏感方向为X轴的X轴桥式磁场传感器、敏感方向为Y轴的Y轴桥式磁场传感器和敏感方向为Z轴的Z轴磁场传感器，其中X轴、Y轴和Z轴两两相互正交。优选地，所述X轴桥式磁场传感器和所述Y轴桥式磁场传感器为MTJ桥式磁场传感器。优选地，所述三轴磁场传感器单元、所述钝化层、所述ASIC元件和基片相层叠设置，所述钝化层上设置有铜导管以实现所述三轴磁场传感器单元与所述ASIC元件之间的电学互联。优选地，所述钝化层、所述ASIC元件、所述基片和所述三轴磁场传感器单元相层叠设置，所述基片上设置有铜导管以实现所述三轴磁场传感器单元与ASIC元件之间的电学互联。优选地，所述铜导管通过硅穿孔技术实现。优选地，所述Z轴磁场传感器为垂直各向异性MTJ磁场传感器，该传感器水平设置，并且其敏感方向垂直于膜面。优选地，所述Z轴磁场传感器为霍尔或巨霍尔磁场传感器。优选地，所述Z轴磁场传感器为MTJ磁场传感器，该MTJ传感器倾斜设置通过铜导管实现与ASIC元件的电学互联。本技术采用以上结构，集成度高，灵敏度更高，功耗更低，线性更好，动态范围更宽，温度特性更好，抗干扰能力更强。附图说明图I是一个隧道结磁电阻(MTJ)元件的示意图。图2是垂直磁各向异性MTJ元件的示意图。图3是MTJ元件的理想输出曲线图。图4是垂直各向异性MTJ元件的理想输出图。图5是MTJ元件串联而形成MTJ磁电阻的示意图。图6是霍尔或巨霍尔元件的原理示意图。图7是霍尔元件的理想输出曲线图。图8是MTJ推挽桥式传感器的示意图。图9是MTJ推挽桥式传感器的模拟输出结果。图10是MTJ参考桥式传感器的示意图。图11是MTJ参考桥式传感器的模拟输出结果。图12是一次性制备单一芯片MTJ双轴磁场传感器的示意图。图13是Z轴磁场传感器在斜面上固定MTJ传感器的示意图。图14是Z轴磁场传感器垂直竖装的MTJ桥式传感器的示意图。图15是通过芯片堆叠和引线键合工艺实现的三轴磁场传感器的示意图。图16是通过芯片堆叠和芯片倒装工艺实现的三轴磁场传感器的示意图。图17是一种单一芯片MTJ三轴磁场传感器的不意图。图18是另一种单一芯片MTJ三轴磁场传感器的不意图。附图中1、MTJ元件；2、磁性钉扎层；3、反铁磁层；4、铁磁层；5、隧道势垒层；6、磁性自由层；7、磁性自由层的磁化方向；8、磁性钉扎层的磁化方向；9、外加磁场；10、敏感方向；11、种子层；12、上电极层；13、测量电阻值；14、低阻态；15、高阻态；16、电流方向；17、永磁铁；18、基片；19、ASIC元件；20、MTJ桥式传感器；21、凸点；22、X轴桥式磁场传感器；23、Y轴桥式磁场传感器；24、Z轴磁场传感器；25、金线；26、锡焊球；27、钝化层；28、铜导管；29、双轴磁场传感器；30、三轴磁场传感器单兀；41、R1的磁性自由层的磁化方向；42、R2的磁性自由层的磁化方向；43、R3的磁性自由层的磁化方向；44、R4的磁性自由层的磁化方向。具体实施方式以下结合附图1-18之一对本技术的较佳实施例进行详细阐述，以使本技术的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解，从而对本技术的保护范围作出更为清楚明确的界定。隧道结磁电阻概述图I是一个隧道结磁电阻(MTJ)元件的示意图。一个标准的MTJ元件I包括磁性自由层6，磁性钉扎层2以及两个磁性层之间的隧道势垒层5。磁性自由层6由铁磁材料构成，磁性自由层的磁化方向7随外部磁场的改变而变化。磁性钉扎层2是一个磁化方向固定的磁性层，磁性钉扎层的磁化方向8被钉扎在一个方向，在一般条件不会发生改变。磁性钉扎层通常是在反铁磁层3的上方或下方沉积铁磁层4构成。MTJ结构通常是沉积在导电的种子层11的上方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：雷啸锋，张小军，黎伟，王建国，薛松生，
申请(专利权)人：江苏多维科技有限公司，
类型：实用新型
国别省市：