磁传感装置及其制备方法

磁传感装置及其制备方法
【专利摘要】本发明揭示了一种磁传感装置及其制备方法，所述磁传感装置包括基底、导磁单元、感应单元、隔离单元；基底表面开有沟槽；导磁单元的主体部分设置于沟槽内，并有部分露出沟槽，用以感应第三方向的磁信号，并将该磁信号输出到感应单元进行测量；感应单元用以测量第一方向或/和第二方向的磁场，结合导磁单元输出的磁信号后能测量被导磁单元引导到第一方向或/和第二方向测量的第三方向磁场；感应单元包括第一磁材料层、电极层，导磁单元的磁材料与第一磁材料层部分断开（由隔离单元分隔），部分连接在一起。本发明可降低从感应单元流向导磁单元电流的比例，降低OFF-SET，同时导磁单元采集的Z轴磁信号能高效地送入感应单元进行测试，综合性能具有竞争力。
【专利说明】磁传感装置及其制备方法

【技术领域】
[0001] 本发明属于磁传感【技术领域】，涉及一种传感器，尤其涉及一种三轴磁传感装置；同 时，本发明还涉及一种三轴磁传感装置的制备方法。

【背景技术】
[0002] 电子罗盘是磁传感器的重要应用领域之一，随着近年来消费电子的迅猛发展，除 了导航系统之外，还有越来越多的智能手机和平板电脑也开始标配电子罗盘，给用户带来 很大的应用便利，近年来，磁传感器的需求也开始从两轴向三轴发展。两轴的磁传感器，即 平面磁传感器，可以用来测量平面上的磁场强度和方向，可以用X和Y轴两个方向来表示。
[0003] AMR磁传感器采用各向异性磁致电阻（AnisotropicMagnet〇-Resistance)材料来 检测空间中磁感应强度的大小。
[0004] 为了使测量结果以线性的方式变化，AMR阵列上的金属导线呈45°角倾斜排列， 电流从AMR材料上流过经金属导线后电流的流向与AMR线的角度旋转45°，如图1所示即 在没有外加磁场的情况下AMR线自极化方向与电流呈现45 °的夹角。
[0005] 当存在外界磁场Ha时，AMR单元上的极化方向就会发生变化而不再是初始的方 向，那么磁场方向M和电流I的夹角0也会发生变化，如图2所示，从而引起AMR自身阻 值的变化。
[0006] 通过对AMR单元电阻变化的测量，可以得到外界磁场的强度和方向。在实际的应 用中，为了提高器件的灵敏度等，磁传感器可利用惠斯通电桥或半电桥检测AMR阻值的变 化，如图3所示。R1/R2/R3/R4是初始状态相同的AMR电阻R0,当检测到外界磁场的时候， R1/R2阻值增加AR而R3/R4减少AR(或相反）。这样在没有外界磁场的情况下，电桥的 输出为零；而在有外界磁场时，电桥的输出为一个微小的电压AV。
[0007]目前的三轴传感器是将一个平面（X、Y两轴）传感部件与Z方向的磁传感部件 (将X/Y方向坚在基板上)进行系统级封装组合在一起，以实现三轴传感的功能；也就是说需 要将平面传感部件及Z方向磁传感部件分别设置于两个圆晶或芯片上，最后通过封装与外 围电路连接在一起，一个传感器器件里面可能包含三个分立的芯片。这样的方法的优点是 具有较好Z轴性能(与X、Y轴的性能基本一样)，技术门槛较低，但是对封装要求很高，引入 较高封装成本(封装的成本占据整个芯片成本的很大部分)，另一方面，这种方法得到的器 件的可靠性较差，器件的尺寸也难以进一步缩小。
[0008] 因此，实现同一芯片上的三轴磁传感器芯片的制造是未来发展的方向，为了实现 这个目标，本 申请人:于2012年12月24日申请了一件发明专利，名称为《一种磁传感装置的 制备工艺》，专利号为201210563952. 5 ;该器件结构和工艺中，将导磁单元设置于沟槽中，导 磁单元用于感应Z轴方向的磁场送入感应单元进行测量；感应单元则靠近沟槽设置，能接 收导磁单元的信号，并根据该信号测量出Z轴方向的磁场。如此，实现了单芯片的三轴磁传 感器。
[0009] 基于Z轴方向的磁场获取方式，有些方案导磁单元(沟槽部分）与感应单元之间不 设缝隙，有些则设置缝隙，如图4、图6所示。这两者的差别在于导磁单元与感应单元完全隔 开或者是完全连接。
[0010] 此外，如上所述，在磁传感器采用的惠斯通电桥中，在理想的情况下，R1/R2/R3/R4 是初始状态相同的AMR电阻R0,因为电桥出于平衡的状态，在输出端的输出电压为0 ;但是 在实际的应用中，因为各种原因，R1/R2/R3/R4的电阻并不严格相等(例如等于R0)，因此电 桥的平衡就会被打破，一旦平衡打破，在输出端就有电压输出，这种在没有外界磁场状态下 因为电桥不平衡而有电压的输出就称为零点偏移（0FF-SET)，这个参数与灵敏度成为磁传 感器最重要的两个参数。较大的0FF-SET，代表着电桥严重的不平衡，如图8所示，正向和反 向扫描的两条曲线相交不在原点，即在没有任何外场的情况下电桥也是有数值的输出，如 果该OFF-SET值太大，给ASIC外围电路的信号处理带来挑战，ASIC其中一个重要的功能就 是进行OFF-SET的补偿，OFF-SET值太大补偿则会失败。
[0011] 回到上述的Z轴磁传感器的方案中，没有缝隙的方案，磁感应灵敏度较好是其 特点，但缺点是具有较大的OFF-SET，对磁传感器的影响显而易见。之所以产生较大的 0FF-SET，是因为没有缝隙的时候，磁材料上方的金属电极对之间的电流会通过沟槽侧壁的 磁导电材料进行分流，加上侧壁的磁材料的厚度因为工艺的原因往往有较大差异(沟槽一 侧的磁材料厚度往往与另一侧不同，来源于磁控溉射存在一定的方向性)，电桥的四个桥臂 的电阻可能有差异，即会导致较大的OFF-SET值（四个桥臂之间的电阻相差1%是很容易的， 但是1%的差值导致的OFF-SET是完全不能接受的)。同时，在沟槽侧壁磁导电材料上的分 流也会影响器件的灵敏度和其他性能。
[0012] 而上述本 申请人:之前申请的《一种磁传感装置的制备工艺》的方案中，将导磁单元 (沟槽部分)与感应单元之间设置缝隙。设置缝隙的方案中，因为缝隙的存在，感应单元与导 磁单元之间电学绝缘，感应单元上的电流不会流到沟槽的导磁单元里去，因此，OFF-SET就 得到很好的控制，但是因为缝隙的存在，有可能降低器件的信号，磁信号通过导磁单元与感 应单元中间设置的介质材料的时候会有损耗，感应单元最后接受到的磁信号相对较弱，从 而影响灵敏度，我们的研究发现Z轴传感器器件的灵敏度与缝隙的尺寸相关。
[0013] 有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的磁传感装置，以便克服现有磁传感器的上 述缺陷，实现综合能力更强的器件结构，并降低对配对ASIC电路的要求。


【发明内容】

[0014] 本发明所要解决的技术问题是：本发明提供一种磁传感装置，可有效地降低从感 应单元流向导磁单元电流的比例，降低0FF-SET，同时导磁单元获得的Z轴磁信号能够在较 少损耗的前提下送入感应单元进行检测，综合性能具有竞争力。
[0015] 此外，本发明还提供一种磁传感装置的制备方法，制得的磁传感装置可有效地降 低从感应单元流向导磁单元电流的比例，同时抱着导磁单元获得的Z轴磁信号能够在较少 损耗的前提下送入感应单元进行测试，综合性能具有竞争力。
[0016] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
[0017] -种磁传感装置，所述装置包括第三方向磁传感部件，该第三方向磁传感部件包 括：
[0018] -基底，其表面开有沟槽；
[0019]-导磁单元，其主体部分设置于沟槽内，并有部分露出沟槽至基底表面，用以感应 第三方向的磁信号，并将该磁信号输出到感应单元进行测量；
[0020] -感应单元，用以测量第一方向或/和第二方向的磁场，结合导磁单元输出的磁信 号，能测量被导磁单元引导到第一方向或/和第二方向测量的第三方向磁场；第一方向、第 二方向、第三方向两两相互垂直；
[0021] 所述感应单元包括第一磁材料层、电极层，所述导磁单元、第一磁材料层部分由隔 离单元断开，部分连接在一起；所述电极层包括平行设置的若干电极，所述导磁单元靠近各 电极的一侧设有若干隔离通孔，隔离通孔贴近对应的电极设置，隔离通孔恰好将电极与导 磁单元部分或者全部分隔开；
[0022] 所述磁传感装置还包括第一磁传感器、第二磁传感器，分别用以感应与基底表面 平行的第一方向、第二方向的磁信号；第一方向、第二方向相互垂直。
[0023] 优选地，感应单元的第一磁材料层、电极层之间有绝缘介质材料层。
[0024] 一种磁传感装置，所述装置包括第三方向磁传感部件，该第三方向磁传感部件包 括：
[0025]基底，其表面开有沟槽；
[0026] 导磁单元，其主体部分设置于沟槽内，并有部分露出沟槽至基底表面，用以感应第 三方向的磁信号，并将该磁信号输出到感应单元进行测量；
[0027] 感应单兀，用以测量第一方向或/和第二方向的磁场，结合导磁单兀输出的磁信 号，能测量被导磁单元引导到第一方向或/和第二方向测量的第三方向磁场；第一方向、第 二方向、第三方向两两相互垂直；所述感应单元包括第一磁材料层、电极层，所述导磁单元、 第一磁材料层部分由隔离单元断开，部分连接在一起。
[0028] 作为本发明的一种优选方案，所述磁传感装置还包括第一磁传感器、第二磁传感 器，分别用以感应与基底表面平行的第一方向、第二方向的磁信号；第一方向、第二方向相 互垂直。
[0029] 作为本发明的一种优选方案，所述导磁单元包括四个导磁子单元，分别为第一导 磁子单元、第二导磁子单元、第三导磁子单元、第四导磁子单元；
[0030] 所述感应单元包括四个感应子单元，分别为第一感应子单元、第二感应子单元、第 三感应子单元、第四感应子单元；
[0031] 所述第一导磁子单元与第一感应子单元配合，作为第三方向磁传感部件的第一感 应丰吴块；
[0032] 所述第二导磁子单元与第二感应子单元配合，作为第三方向磁传感部件的第二感 应丰吴块；
[0033] 所述第三导磁子单元与第三感应子单元配合，作为第三方向磁传感部件的第三感 应丰吴块；
[0034]所述第四导磁子单元与第四感应子单元配合；作为第三方向磁传感部件的第四感 应丰吴块；
[0035] 上述各感应子单元包括磁材料层，该磁材料的电阻随着磁场强度的方向变化；
[0036] 所述基底设有一列或若干列沟槽，一列沟槽由一个长沟槽构成，或者一列沟槽包 括若干子沟槽；
[0037] 各导磁子单元包括若干磁性构件，各磁性构件的主体部分设置于对应的沟槽内， 并有部分露出于沟槽外。
[0038] 作为本发明的一种优选方案，所述导磁单元包括分别设置于沟槽的两侧的第一导 磁部分、第二导磁部分；第一导磁部分、第二导磁部分的主体部分设置于沟槽内，并有部分 露出沟槽至基底表面；第一导磁部分及第二导磁部分用以收集垂直方向的磁场信号，并将 该磁场信号输出至感应单元；
[0039] 所述感应单元设置于沟槽的两侧、所述基底表面上，与所述沟槽中的第一导磁部 分及第二导磁部分相互配合；所述感应单元是感应与基底表面平行方向的磁传感器，用以 接收所述导磁单元输出的来自垂直方向的磁信号，并根据该磁信号测量出垂直方向对应的 磁场强度及磁场方向；所述垂直方向为基底表面的垂直方向。
[0040] 作为本发明的一种优选方案，所述电极层包括平行设置的若干电极，所述导磁单 元靠近各电极的一侧设有若干隔离通孔，隔离通孔贴近对应的电极设置，隔离通孔恰好将 电极与导磁单元部分或者全部分隔开；
[0041] 作为本发明的一种优选方案，所述电极层包括平行设置的若干电极，所述导磁单 元靠近各电极的一侧设有若干隔离通孔；
[0042] 所述隔离通孔的一端靠近电极设置，或者隔离通孔的一端位于两个电极之间；
[0043] 一个电极对应一个隔离通孔，或者一个电极对应多个隔离通孔；一个隔离通孔对 应一个电极，或者一个隔离通孔对应多个电极；每个电极均设有对应的隔离通孔，或者部分 电极周边不设置隔离通孔。
[0044] 作为本发明的一种优选方案，感应单元的第一磁材料层、电极层之间有绝缘介质 材料层。
[0045] 作为本发明的一种优选方案，所述的基底具有外围电路。
[0046] 作为本发明的一种优选方案，所述的磁材料层包括一层或者多层的保护层材料。
[0047] 作为本发明的一种优选方案，所述隔离通孔沿基底平面的截面为矩形或梯形或三 角形或多边形。
[0048] -种磁传感装置的制备方法，所述制备方法包括第三方向磁传感部件的制备步 骤，具体包括：
[0049] 步骤Sl、在基底表面上形成沟槽；
[0050] 步骤S2、在所述设有沟槽的基底上沉积磁材料，形成磁材料层，磁材料层的一部分 位于基底上表面，另一部分位于沟槽内；
[0051] 步骤S3、图形化，生成磁传感器的图形，形成感应单元的第一磁材料层；同时形成 隔离通孔，并通过沟槽的应用形成导磁单元；所述导磁单元、第一磁材料层因隔离通孔存在 部分断开，部分连接在一起；
[0052] 所述导磁单元的主体部分设置于沟槽内，用以感应第三方向的磁信号，并将该磁 信号输出到感应单元进行测量；感应单元靠近沟槽设置，与导磁单元之间部分连接、部分断 开，用以测量第一方向或/和第二方向的磁场，结合导磁单兀输出的磁信号，能测量被导磁 单兀引导到第一方向或/和第二方向的第三方向磁场；第一方向、第二方向、第三方向两两 相互垂直；
[0053] 步骤S5、金属电极的沉积和图形化,形成感应单元的电极层；
[0054] 步骤S6、沉积绝缘介质材料，制造通孔和电极，即在单芯片上形成三轴传感器。
[0055] 作为本发明的一种优选方案，所述步骤S2中，采用的基底是具有电路的基底。
[0056] 作为本发明的一种优选方案，所述步骤S2中，在所述磁材料层上沉积一层或多层 保护材料，形成一层或多层保护材料层。
[0057] 作为本发明的一种优选方案，所述步骤S3中，一次性形成感应单元的第一磁材料 层、导磁单元，以及第一磁材料层与导磁单元之间的隔离通孔；或者分多次，分别形成感应 单元的第一磁材料层、导磁单元，以及第一磁材料层与导磁单元之间的隔离通孔。
[0058] 作为本发明的一种优选方案，所述步骤S3与步骤S5之间还包括步骤S4:填充绝 缘介质材料，开通孔。
[0059] 本发明的有益效果在于：本发明提出的磁传感装置及其制备方法，感应单元与导 磁单元之间存在规律排列的隔离单元，隔离单元能够有效地降低从感应单元流向导磁单元 电流的比例，对于降低电桥的OFF-SET具有显著的效果，同时导磁单元采集的Z轴磁信号能 够高效地送入感应单元进行测试，综合性能具有竞争力，并且制造工艺简单，成本较低。
[0060] 本发明的方案中，导磁部分与感应单元（sensor部分）之间有部分的连接，但是又 被一些隔离单元隔开，这样的好处在于：导磁部分与感应单元之间没有缝隙的灵敏度比较 好，但是OFF-SET很差(偏移的厉害)，代表着电桥的很不平衡。而有缝隙的信号较弱，但偏 移OFF-SET比较好(偏移较少）；有缝隙在感应单元上的电流不会流到沟槽里去，是OFF-SET 的主要来源之一。本发明结合了上述两种的特点和优点，在灵敏度和OFF-SET之间做很好 的平衡。

【专利附图】

【附图说明】
[0061] 图1为现有磁传感装置的磁性材料及导线的结构示意图。
[0062] 图2为有无外场情况下磁场方向和电流方向的夹角示意图。
[0063] 图3为惠斯通电桥的连接图。
[0064] 图4-1为导磁单元与感应单元之间没有缝隙的磁传感器的结构示意图。
[0065] 图4-2为图4-1的截面图。
[0066] 图5为导磁单元与感应单元之间没有缝隙的磁传感器将沟槽侧壁磁材料展开后 的俯视等效图。
[0067] 图6-1为导磁单元与感应单元之间有缝隙的磁传感器的结构示意图。
[0068] 图6-2为图6-1的截面图。
[0069] 图7为导磁单元与感应单元之间有缝隙的磁传感器将沟槽侧壁磁材料展开后的 俯视等效图。。
[0070] 图8为具有较大OFF-SET的器件电桥测试示意图。
[0071] 图9为实施例一中本发明磁传感装置的俯视图。
[0072] 图10为图9的A-A向剖视图。
[0073] 图11为图9的B-B向剖视图。
[0074] 图12为实施例二中磁传感装置的俯视图。
[0075] 图13为制备方法中步骤Sl后的示意图。
[0076] 图14为制备方法中步骤S3后的示意图。
[0077] 图15为图14的剖视图(剖面穿过隔离通孔)。
[0078] 图16为图14的剖视图(剖面不穿过隔离通孔)。
[0079] 图17为制备方法中步骤S4后的示意图（剖面不穿过隔离通孔)。
[0080] 图18为制备方法中步骤S4后的另一示意图（剖面穿过隔离通孔)。
[0081] 图19为实施例三中磁传感装置的示意图（隔离通孔的一端位于两个电极之间）。
[0082] 图20为实施例三中磁传感装置的示意图（一个电极对应多个隔离通孔)。
[0083] 图21为磁传感装置一个组成单元的组成示意图。
[0084] 图22为实施例四中磁传感装置一个组成单元的组成示意图。
[0085] 图23为图9对应的磁传感装置的立体图（隔离通孔的截面为矩形)。
[0086] 图24为图12对应的磁传感装置的立体图（隔离通孔的截面为梯形)。
[0087] 图25为实施例二中的隔离通孔的截面为椭圆形的磁传感装置的立体图。
[0088] 图26为实施例六中磁传感装置沿没有隔离通孔方向的投影图。
[0089] 图27为实施例六中磁传感装置沿有隔离通孔方向的投影图。
[0090] 图28为实施例六中本发明磁传感装置的俯视图。

【具体实施方式】
[0091] 下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
[0092] 实施例一
[0093] Z轴磁传感器包括导磁单元与感应单元，沟槽内的导磁部分与感应单元之间没有 缝隙时候的磁传感器如图4-1所示，其截面图如图4-2所示，图5是将沟槽侧壁磁材料展 开后的俯视等效图，可以看到该结构导磁单元30与感应单元的磁材料层21直接连接。这 种结构的特点是：没有缝隙的灵敏度比较好，但是因为磁性材料也是导电材料，因此在磁性 材料上方的电极22对之间流通的电流会分流到沟槽的侧壁，因此器件电桥测试时得到的 OFF-SET很差，代表着电桥很不平衡，从图8中可以看到，两线相交不在原点，这样ASIC外围 电路很难处理这样的信号。
[0094] 沟槽部分与感应单元之有狭缝的磁传感器如图6-1所示、图7所示，其截面图如图 6-2所示。其特点是：沟槽部分与感应单元之间是有缝的，有缝隙的信号较弱但OFF-SET比 较好(有缝隙的结构在传感单元电极对之间流的电流不会流到沟槽里去，而这部分电流是 OFF-SET的主要来源之一，原因前面已经解释过)。
[0095] 通过我们的研究表明，在导磁单元与感应单元之间设置绝缘的隔离单元，从感应 单元上流向沟槽的电流将下降20%以上，对于OFF-SET的降低很有帮助。因此，本发明提出 一种新的器件结构，在导磁部分与感应单元之间设置有隔离单元，但是两者之间又有部分 相连接；隔离单元能够降低流向沟槽的电流比例，降低0FF-SET，同时又不至于明显降低器 件的灵敏度；因此，本发明结合了上述两种方案的特点和优点，在灵敏度和OFF-SET之间做 很好的平衡，具有良好的综合性能。
[0096] 本发明揭不了一种三轴磁传感装置，包括Z轴磁传感器、X轴磁传感器、Y轴磁传 感器，X轴磁传感器、Y轴磁传感器分别用以感应与基底表面平行的X轴、Y轴方向的磁信 号。当然，三轴磁传感装置也可以包括三个磁传感器，分别感应第一方向、第二方向、第三方 向的磁信号，第一方向、第二方向、第三方向两两相互垂直。
[0097] 请参阅图9,所述Z轴磁传感器的结构如图9所示（图23为其对应的立体图)，图中 沿A-A方向和B-B方向的投影分别如图10和图11所示（A-A方向的投影上感应单元与导 磁单元连接，在B-B方向的投影上感应单元与导磁单元不连接)。所述Z轴磁传感器主要包 括基底10、导磁单元30、感应单元20。
[0098] 基底10的表面开有沟槽。具体地，所述基底10可以设有一列或若干列沟槽，一列 沟槽由一个长沟槽构成，或者一列沟槽包括若干子沟槽。基底10上可以含有集成电路，例 如外围控制电路。
[0099] 导磁单元30的主体部分设置于沟槽内，并有部分露出沟槽至基底10表面，用以感 应Z轴方向的磁信号，并将该磁信号输出到感应单元20进行测量。
[0100] 感应单元20除了测量X轴或/和Y轴方向的磁场，还能测量被导磁单元30引导 到X轴或/和Y轴方向测量的Z轴方向磁场。所述感应单兀30包括第一磁材料层21、电 极层22,所述导磁单元30、第一磁材料层21由隔离通孔40部分断开，部分连接在一起。第 一磁材料层21、电极层22之间可以有绝缘材料层，并在电极与第一材料层相交的位置开有 通孔。导磁单元包括设置于基底的磁材料层，为了与第一磁材料层区分，可以称其为第二磁 材料层；第二磁材料层与第一磁材料层是同一层磁材料。所述的磁材料层除了一层或者多 层的磁性材料层外(如可以是单层的AMR材料，或者多层的GMR或者TMR材料)，磁材料层还 可包括保护层材料；电极层22包括若干电极(优选是平行设置的)，所述导磁单元30靠近各 电极的一侧设有若干绝缘隔离通孔40,绝缘隔离通孔40贴近对应的电极设置，隔离通孔40 恰好将电极与导磁单元30分隔开，在后续的实施例中还有部分分隔开的案例。
[0101] 本实施例中，电极与沟槽形成45°夹角(此夹角可以根据实际的要求进行调整，一 般来讲，选择45°的输出具有较好的线性度)，隔离通孔40的长度(沿沟槽延伸方向）为电 极宽度的1旧倍到利&倍,优选为^^倍,且贴近电极设置,可以将电极与导磁单元30电学隔 离开；宽度在1纳米到1〇〇微米之间，例如10或50纳米或200纳米或500纳米，采用较小 的宽度对于进一步提高器件的灵敏度还略有帮助，然而，显然会对器件的制造工艺提出很 高的要求，较难实现。当然，隔离通孔40的宽度可以大于电极宽度的巧?倍，优选位置是贴 近电极的一端设置，将电极与导磁单元30隔离开。本实施例中，所述隔离通孔40沿基底10 平面的截面为矩形，不过显然这种绝缘的隔离通孔形状可以是任何的形状。
[0102] 请参阅图21，所述导磁单元30包括四个导磁子单元，分别为第一导磁子单元、第 二导磁子单元、第三导磁子单元、第四导磁子单元。各导磁子单元包括若干磁性构件，各磁 性构件的主体部分设置于对应的沟槽内，并有部分露出于沟槽外；露出部分靠近对应感应 子单元的磁材料层设置。
[0103] 所述感应单元包括四个感应子单元，分别为第一感应子单元、第二感应子单元、第 三感应子单元、第四感应子单元。上述各感应子单元包括磁材料层21，该磁材料层21的磁 材料的电阻与磁场强度的方向相关，磁材料的电阻随磁场强度及方向的变化而变化。
[0104] 所述第一导磁子单元与第一感应子单元配合，作为Z轴磁传感部件的第一磁传感 模块；所述第二导磁子单元与第二感应子单元配合，作为Z轴磁传感部件的第二磁传感模 块；所述第三导磁子单元与第三感应子单元配合，作为Z轴磁传感部件的第三磁传感模块； 所述第四导磁子单元与第四感应子单元配合；作为Z轴磁传感部件的第四磁传感模块。
[0105] 图21所示的磁传感装置采用惠斯通电桥结构，可以更加灵敏地测量外界磁场。在 实际的应用中，也可以采用一个导磁子单元和一个感应子单元，即可以测量磁场，在此不再 赘述。
[0106] 需要指出的是，本实施例中，为了能够直接抵消每对磁传感模块在X轴方向或/和 Y轴方向上的磁场信号输出，需要将两个磁传感模块的三个要素做设定设置。
[0107] 每对相配合的两个磁传感模块的三个要素包括如下：
[0108] (1)沟槽与感应单元的相对位置；沟槽设置在对应感应单元的一侧，或者另一侧； 导磁单元位于感应单元左侧，其将第三方向磁场引导到基底表面的一个方向，导磁单元位 于感应单元右侧，其将第三方向磁场引导到基底表面的另一个方向；
[0109] (2)感应单元在外激发磁场下获得的初始磁化方向；可设置两个磁传感模块的初 始磁化方向相同或相反；
[0110] (3)磁传感模块中的电流方向；两个磁传感模块的电流方向设置成相同或正交。
[0111] 每对相配合的两个磁传感模块的三要素中，第一个要素设置为相反，其余两个要 素设置为相同；或均设置为相反。当然，本发明有很多种变形，本实施例及后续实施例仅揭 示其中几个典型的方案。
[0112] 优选地，每对相配合的两个磁传感模块均相互平行设置，即两个相配合的磁传感 模块中感应单元的磁材料层的初始磁化方向相同或相反，且两个磁传感模块沟槽的走向平 行或重合。若两个磁传感模块并非平行设置，则在比对前，先将两个磁传感模块旋转至平 行，而后再进行比对。
[0113] 进一步地，各磁传感模块均相互平行设置，相连接的两个磁传感模块的三要素中， 第一个要素设置为相反，同时另外两个要素设置为相同；或者均设置为相反。
[0114] 以上介绍了本发明磁传感装置的组成，本发明在揭示上述磁传感装置的同时，还 揭示一种磁传感装置的制备方法，所述制备方法包括第三方向磁传感部件的制备步骤，具 体包括：
[0115] 【步骤Sl】如图13所示，在可具有CMOS电路的基底表面上形成沟槽，沟槽是绝缘 的，如有必要可以在沟槽形成后在沟槽和基底的表面沉积一层或者多层的介质层材料；
[0116] 【步骤S2】在所述设有沟槽的基底上沉积一层或者多层磁材料，形成磁材料层，例 如是AMR材料，GMR或者TMR材料。磁材料层的一部分位于基底上表面，另一部分位于沟槽 内。其中，通常会继续在所述磁材料层上继续沉积一层或多层保护材料，形成一层或多层保 护材料层。
[0117] 【步骤S3】图形化，生成磁传感器的图形，形成感应单元的第一磁材料层；同时通过 沟槽的应用形成导磁单元，即在单芯片上形成三轴传感器的磁材料阵列（另外两轴XY传感 器在图形化的过程中同时形成）；俯视图如图14所示，与此同时，在导磁单元与感应单元之 间形成了隔离通孔，将所述导磁单元、第一磁材料层部分断开，部分连接在一起。形成的隔 离通孔的器件结构，如图14至图16所示；图15、图16为图14中在有无隔离通孔位置的不 同剖面剖视图。隔离通孔40设置于所述导磁单元30靠近各电极的一侧，隔离通孔40贴近 对应的电极设置，隔离通孔40恰好将电极与导磁单元30分隔开。
[0118] 所述导磁单元的主体部分设置于沟槽内，用以感应第三方向的磁信号，并将该磁 信号输出到感应单元进行测量；感应单元靠近沟槽设置，与导磁单元之间部分连接、部分断 开，用以测量第一方向或/和第二方向的磁场，结合导磁单兀输出的磁信号，能测量被导磁 单兀引导到第一方向或/和第二方向的第三方向磁场；第一方向、第二方向、第三方向两两 相互垂直。
[0119] 其中，可以一次性形成感应单元的第一磁材料层、导磁单元，以及第一磁材料层与 导磁单元之间的隔离通孔；也可以分多次，分别形成感应单元的第一磁材料层、导磁单元， 以及第一磁材料层与导磁单元之间的隔离通孔。
[0120] 【步骤S4】可以直接在上述磁材料层上沉积金属层，并进行图形化。也可以先沉积 绝缘材料，如图17、图18所示，填充绝缘介质材料；在隔离通孔的位置因为填充了绝缘介质 材料成为了绝缘的隔离通孔，如图18所示。
[0121]【步骤S5】打开绝缘介质材料层窗口，直到露出磁材料层（或保护层)，随后进行金 属电极的沉积和图形化，形成感应单元的电极层；
[0122] 【步骤S6】沉积介质材料层、化学机械抛光、制造通孔和电极。
[0123]【步骤S7】外围电路的制造，采用的基底为具有ASIC的基底。
[0124] 实施例二
[0125] 本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，隔离通孔的截面可以是梯形、椭圆 形等其他形状(如任意多边形，还可以包含不规则图形)，其尺寸和形状根据实际的需求可 以调节。
[0126] 其中，隔离通孔的截面为梯形的结构如图12所示(立体图见图24所示);隔离通孔 的截面为椭圆形的结构如图25所示。例如三角形的图形在此就不再赘述。
[0127] 实施例三
[0128] 本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，所述隔离通孔的一端可以位于两 个电极之间，而不是电极下方，如图19所示。
[0129] 一个电极对应一个隔离通孔(如图9、图12、图19所示)，或者一个电极对应多个隔 离通孔(如图20所示)。一个隔离通孔对应一个电极(如图9、图12、图19所示)，或者一个 隔离通孔对应多个电极。每个电极均设有对应的隔离通孔，或者部分电极周边不设置隔离 通孔。
[0130] 或者是结合图19和图20所示的隔离通孔的设置，起到更好的电流隔离效果。
[0131] 实施例四
[0132] 请参阅图22,本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，所述第三方向磁传感 部件包括第一磁传感模块101、第二磁传感模块102、第三磁传感模块103、第四磁传感模块 104。各磁传感模块平行设置，或中心在同一直线上；即各磁传感模块中感应单元的磁材料 层的初始磁化方向相同或相反，且各磁传感模块沟槽的走向平行或重合。
[0133] 所述第一磁传感模块101的第一端、第二磁传感模块102的第一端接地，第一磁传 感模块101的第二端连接第四磁传感模块104的第一端，第二磁传感模块102的第二端连 接第三磁传感模块103的第一端，第三磁传感模块103的第二端、第四磁传感模块104的第 二端连接电源；第一磁传感模块101的第二端、第二磁传感模块102的第二端之间连接有电 压表（即是电信号输出）。电源、电压表及接地的位置可以为其他(如接地与电源的位置可互 换，电源与电压表的位置可互换等等)，这里仅做举例。
[0134] 所述第一磁传感模块101中，感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该 配合部分的第一侧；感应单元的磁材料层初始磁化方向为第A方向；电流方向为第B方向；
[0135] 所述第二磁传感模块102中，感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该 配合部分的第二侧；感应单元的磁材料层初始磁化方向为与第A方向相反的方向；电流方 向为与第B方向垂直的方向；
[0136] 所述第三磁传感模块103中，感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该 配合部分的第一侧；感应单元的磁材料层初始磁化方向为与第A方向相同的方向；电流方 向为与第B方向平行的方向；
[0137] 所述第四磁传感模块104中，感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该 配合部分的第二侧；感应单元的磁材料层初始磁化方向为与第A方向相反的方向；电流方 向为与第B方向垂直的方向。
[0138] 从图22中可以看到，各磁传感模块均相互平行设置，相连接的两个磁传感模块 (如磁传感模块101与磁传感模块102之间，磁传感模块101与磁传感模块104之间）的三 要素中，有一个要素设置为相反，同时两个要素设置为相同；或者三个要素均设置为相反。
[0139] 所述导磁单元及感应单元均包括磁材料层；所述磁材料层的材料为磁阻材料，为 各项异性磁阻（AMR)材料，或为巨磁阻（GMR)材料，或为隧道磁阻TMR材料；特征是随着磁场 的变换，材料的电阻率发生变换。磁传感器的原理是各向异性磁传感器AMR、也可以是TMR 和GMR。
[0140] 实施例五
[0141] 优选地，所述导磁单元包括分别设置于沟槽的两侧的第一导磁部分、第二导磁部 分；第一导磁部分、第二导磁部分的主体部分设置于沟槽内，并有部分露出沟槽至基底表 面；第一导磁部分及第二导磁部分用以收集垂直方向的磁场信号，并将该磁场信号输出至 感应单元；
[0142] 所述感应单元设置于沟槽的两侧、所述基底表面上，与所述沟槽中的第一导磁部 分及第二导磁部分相互配合；所述感应单元是感应与基底表面平行方向的磁传感器，用以 接收所述导磁单元输出的来自垂直方向的磁信号，并根据该磁信号测量出垂直方向对应的 磁场强度及磁场方向；所述垂直方向为基底表面的垂直方向。
[0143] 实施例六
[0144] 本实施例揭示一种磁传感器的制造方法，具体包括如下步骤：
[0145] 【步骤S1】如图13所示，在可具有CMOS电路的基底表面上形成沟槽，沟槽是绝缘 的，如有必要可以在沟槽形成后在沟槽和基底的表面沉积一层或者多层的介质层材料；
[0146] 【步骤S2】在所述设有沟槽的基底上沉积一层或者多层磁材料，形成磁材料层，例 如是NiFe合金材料。NiFe材料的上方继续沉积TaN保护层。
[0147] 【步骤S3】图形化，生成磁传感器的图形，形成感应单元的第一磁材料层；同时通过 沟槽的应用形成导磁单元，即在单芯片上形成三轴传感器的磁材料阵列（另外两轴XY传感 器在图形化的过程中同时形成）；俯视图如图28所示，与此同时，在导磁单元与感应单元之 间形成了隔离通孔，将所述导磁单元、第一磁材料层部分断开，部分连接在一起。与前述实 施例的区别在于，在本实施例中，在针对磁材料层进行刻蚀之后，在沟槽的底部和侧壁还有 磁材料或保护材料存在，俯视图如图28所示。图28中，在沿没有隔离通孔方向的投影如图 26所示，在沿有隔离通孔方向的投影则如图27所示，可见，在沟槽的侧壁和底部都保留有 磁材料层。
[0148] 上述图形化后，另一种情况是：在沟槽的两个(或四个）侧壁还有磁材料或保护材 料存在，但是沟槽的底部可以去除该磁材料和保护材料(在刻蚀的时候，基底表面和沟槽底 部的材料容易去除)，所以可能只保留侧壁的材料。
[0149] 所述导磁单元的主体部分设置于沟槽内，用以感应第三方向的磁信号，并将该磁 信号输出到感应单元进行测量；感应单元靠近沟槽设置，与导磁单元之间部分连接、部分断 开，用以测量第一方向或/和第二方向的磁场，结合导磁单兀输出的磁信号，能测量被导磁 单兀引导到第一方向或/和第二方向的第三方向磁场；第一方向、第二方向、第三方向两两 相互垂直。
[0150] 其中，可以一次性形成感应单元的第一磁材料层、导磁单元，以及第一磁材料层与 导磁单元之间的隔离通孔；也可以分多次，分别形成感应单元的第一磁材料层、导磁单元， 以及第一磁材料层与导磁单元之间的隔离通孔。
[0151] 【步骤S4】沉积绝缘介质层。
[0152] 【步骤S5】采用光刻工艺，打开绝缘介质材料层窗口，直到露出磁材料层(或保护 层)，随后进行金属电极的沉积和图形化，形成感应单元的电极层；
[0153] 【步骤S6】沉积介质材料层、化学机械抛光、制造通孔和电极。
[0154] 综上所述，本发明提出的磁传感装置及其制备方法，感应单元与导磁单元之间存 在规律排列的隔离单元，隔离单元能够有效地降低从感应单元流向导磁单元电流的比例， 对于降低电桥的OFF-SET具有显著的效果，同时导磁单元采集的Z轴磁信号能够高效地送 入感应单元进行测试，综合性能具有竞争力，并且制造工艺简单，成本较低。
[0155] 这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例 中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实 施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明 的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、 材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进 行其它变形和改变。
【权利要求】
1. 一种磁传感装置，其特征在于，所述装置包括第三方向磁传感部件，该第三方向磁传 感部件包括： -基底，其表面开有沟槽； -导磁单元，其主体部分设置于沟槽内，并有部分露出沟槽至基底表面，用以感应第三 方向的磁信号，并将该磁信号输出到感应单元进行测量； -感应单兀，用以测量第一方向或/和第二方向的磁场，结合导磁单兀输出的磁信号， 能测量被导磁单兀引导到第一方向或/和第二方向测量的第三方向磁场；第一方向、第二 方向、第三方向两两相互垂直； 所述感应单元包括第一磁材料层、电极层，所述导磁单元、第一磁材料层部分由隔离单 元断开，部分连接在一起；所述电极层包括平行设置的若干电极，所述导磁单元靠近各电极 的一侧设有若干隔离通孔，隔离通孔贴近对应的电极设置，隔离通孔恰好将电极与导磁单 元部分或者完全分隔开； 所述磁传感装置还包括第一磁传感器、第二磁传感器，分别用以感应与基底表面平行 的第一方向、第二方向的磁信号；第一方向、第二方向相互垂直。
2. 根据权利要求1所述的磁传感装置，其特征在于：感应单元的第一磁材料层、电极层 之间有绝缘介质材料层。
3. -种磁传感装置，其特征在于，所述装置包括第三方向磁传感部件，该第三方向磁传 感部件包括： 基底，其表面开有沟槽； 导磁单元，其主体部分设置于沟槽内，并有部分露出沟槽至基底表面，用以感应第三方 向的磁信号，并将该磁信号输出到感应单元进行测量； 感应单兀，用以测量第一方向或/和第二方向的磁场，结合导磁单兀输出的磁信号，能 测量被导磁单兀引导到第一方向或/和第二方向测量的第三方向磁场；第一方向、第二方 向、第三方向两两相互垂直；所述感应单元包括第一磁材料层、电极层，所述导磁单元、第一 磁材料层部分由隔离单元断开，部分连接在一起。
4. 根据权利要求3所述的磁传感装置，其特征在于： 所述磁传感装置还包括第一磁传感器、第二磁传感器，分别用以感应与基底表面平行 的第一方向、第二方向的磁信号；第一方向、第二方向相互垂直。
5. 根据权利要求3所述的磁传感装置，其特征在于： 所述导磁单元包括四个导磁子单元，分别为第一导磁子单元、第二导磁子单元、第三导 磁子单元、第四导磁子单元； 所述感应单元包括四个感应子单元，分别为第一感应子单元、第二感应子单元、第三感 应子单元、第四感应子单元； 所述第一导磁子单元与第一感应子单元配合，作为第三方向磁传感部件的第一感应模 块； 所述第二导磁子单元与第二感应子单元配合，作为第三方向磁传感部件的第二感应模 块； 所述第三导磁子单元与第三感应子单元配合，作为第三方向磁传感部件的第三感应模 块； 所述第四导磁子单元与第四感应子单元配合；作为第三方向磁传感部件的第四感应模 块； 上述各感应子单元包括磁材料层，该磁材料的电阻随着磁场强度的方向变化； 所述基底设有一列或若干列沟槽，一列沟槽由一个长沟槽构成，或者一列沟槽包括若 干子沟槽； 各导磁子单元包括若干磁性构件，各磁性构件的主体部分设置于对应的沟槽内，并有 部分露出于沟槽外。
6. 根据权利要求3所述的磁传感装置，其特征在于： 所述导磁单元包括分别设置于沟槽的两侧的第一导磁部分、第二导磁部分；第一导磁 部分、第二导磁部分的主体部分设置于沟槽内，并有部分露出沟槽至基底表面；第一导磁部 分及第二导磁部分用以收集垂直方向的磁场信号，并将该磁场信号输出至感应单元； 所述感应单元设置于沟槽的两侧、所述基底表面上，与所述沟槽中的第一导磁部分及 第二导磁部分相互配合；所述感应单元是感应与基底表面平行方向的磁传感器，用以接收 所述导磁单兀输出的来自垂直方向的磁信号，并根据该磁信号测量出垂直方向对应的磁场 强度及磁场方向；所述垂直方向为基底表面的垂直方向。
7. 根据权利要求3所述的磁传感装置，其特征在于： 所述电极层包括平行设置的若干电极，所述导磁单元靠近各电极的一侧设有若干隔离 通孔，隔离通孔贴近对应的电极设置，隔离通孔恰好将电极与导磁单元部分或者完全分隔 开。
8. 根据权利要求3所述的磁传感装置，其特征在于： 所述电极层包括平行设置的若干电极，所述导磁单元靠近各电极的一侧设有若干隔离 通孔； 所述隔离通孔的一端靠近电极设置，或者隔离通孔的一端位于两个电极之间； 一个电极对应一个隔离通孔，或者一个电极对应多个隔离通孔；一个隔离通孔对应一 个电极，或者一个隔离通孔对应多个电极；每个电极均设有对应的隔离通孔，或者部分电极 周边不设置隔离通孔。
9. 根据权利要求3所述的磁传感装置，其特征在于： 所述感应单元的第一磁材料层、电极层之间有绝缘介质材料层。
10. 根据权利要求3所述的磁传感装置，其特征在于： 所述的基底具有外围电路。
11. 根据权利要求3所述的磁传感装置，其特征在于： 所述的磁材料层包括一层或者多层的保护层材料。
12. 根据权利要求7或8所述的磁传感装置，其特征在于： 所述隔离通孔沿基底平面的截面为矩形或梯形或三角形。
13. -种磁传感装置的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括第三方向磁传感部件 的制备步骤，具体包括： 步骤S1、在基底表面上形成沟槽； 步骤S2、在所述设有沟槽的基底上沉积磁材料，形成磁材料层，磁材料层的一部分位于 基底上表面，另一部分位于沟槽内； 步骤S3、图形化，生成磁传感器的图形，形成感应单元的第一磁材料层；同时形成隔离 通孔，并通过沟槽的应用形成导磁单元；所述导磁单元、第一磁材料层因隔离通孔存在部分 断开，部分连接在一起； 所述导磁单元的主体部分设置于沟槽内，用以感应第三方向的磁信号，并将该磁信号 输出到感应单元进行测量；感应单元靠近沟槽设置，与导磁单元之间部分连接、部分断开， 用以测量第一方向或/和第二方向的磁场，结合导磁单兀输出的磁信号，能测量被导磁单 兀引导到第一方向或/和第二方向的第三方向磁场；第一方向、第二方向、第三方向两两相 互垂直； 步骤S5、金属电极的沉积和图形化，形成感应单元的电极层； 步骤S6、沉积绝缘介质材料，制造通孔和电极，即在单芯片上形成三轴传感器。
14. 根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于： 所述步骤S2中，采用的基底是具有电路的基底。
15. 根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于： 所述步骤S2中，在所述磁材料层上沉积一层或多层保护材料，形成一层或多层保护材 料层。
16. 根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于： 所述步骤S3中，一次性形成感应单元的第一磁材料层、导磁单元，以及第一磁材料层 与导磁单元之间的隔离通孔；或者分多次，分别形成感应单元的第一磁材料层、导磁单元， 以及第一磁材料层与导磁单元之间的隔离通孔。
17. 根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于： 所述步骤S3与步骤S5之间还包括步骤S4 :填充绝缘介质材料，开通孔。
【文档编号】G01R33/02GK104515957SQ201310451501
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2013年9月27日 优先权日:2013年9月27日
【发明者】张挺, 张开明, 万虹, 王宇翔 申请人:上海矽睿科技有限公司