一种三轴磁场传感器及其制备方法与流程

本发明属于磁传感器工艺领域，尤其涉及一种三轴磁场传感器及其制备方法。

背景技术：

1、三轴磁场传感器能够同时测量空间内三个方向的磁场，其具有比单轴、双轴传感器更高的抗干扰能力和测量准度；相较于分别采用三个单轴磁场传感器的方案，三轴磁场传感器具有更高的集成度和性能兼容性，避免三个传感器空间位置不同造成的测试误差，因此，广泛应用于电子罗盘，空间磁场探测、、工业制造等诸多领域。目前国内外厂商已推出了一些三轴集成型磁场传感器，其价格要明显高于单轴磁场传感器。目前的三轴磁场传感器设计方案往往是将多个单轴传感器芯片进行组合集成，这样不仅需要在至少2~3个晶圆上分别生长二到三种不同的磁敏感薄膜，分别进行刻蚀，良率和工艺复杂度较高，而且每个传感器芯片进行独立测量往往不好排除非敏感轴磁场对其干扰作用。

技术实现思路

1、针对现有技术传统三轴磁场传感器采用不同晶圆上生长的磁敏感薄膜的单轴拼接技术，工艺复杂度较高，成本和良率有待升级的现状，本发明提供一种基于单一晶圆生长的相同薄膜单次刻蚀简单工艺实现的三轴磁场传感器及其制备方法。

2、根据本发明实施例的一方面，提供了一种三轴磁场传感器，包括两组结构相同、位置相互正交的磁传感模块，每组所述磁场传感器模块包括两组及以上的衬底层、磁隧道结阵列、定值电阻和磁通量衰减器，

3、所述磁隧道结阵列设置在所述衬底的上方，对磁隧道结短轴方向具有单轴敏感特性；

4、所述定值电阻与磁隧道结阵列连接形成半桥；

5、所述磁通量衰减器设置在所述磁隧道结阵列的上方。

6、可选地，每块磁通量衰减器下方的左右两侧磁隧道结阵列分别与定值电阻模块组成半桥结构，每个半桥结构的电压输入端相互并联，输出端互相独立。

7、可选地，所述磁隧道结阵列包括多个敏感结构单元形成阵列，所述敏感结构单元的平面形状为长方形或椭圆形。

8、可选地，所述磁通量衰减器的的投影为长方形，每块磁通量衰减器下方设有两组磁隧道结阵列，两组磁隧道结阵列与磁通量衰减器的投影面的长边相平行，每块磁通量衰减器下方的左右两组磁隧道结阵列分别与最接近的磁通量衰减器的投影长边的距离不同。

9、可选地，所述磁通量衰减器的的投影为长方形，每块磁通量衰减器下方设有两组磁隧道结阵列，两组磁隧道结阵列与磁通量衰减器的投影面的长边相平行，两组磁隧道结阵列中的其中一组磁隧道结阵列的敏感结构单元与最接近的磁通量衰减器的投影长边存在10~80°的固定夹角，二者夹角不同，从而使得两组磁隧道结阵列下方感应磁场的三轴分量不同。

10、可选地，每路半桥输出的电压信号u1,u2,u3,..,un，表达式为un=nnx×hx+ nnz×hz；其中，nnx和nnz是磁隧道结单元分别对对应的敏感轴磁场hx和z轴磁场hz的灵敏系数，通过分别单独施加x方向磁场hx和z轴方向磁场hz，测量对应的电压信号un，并通过nnx=un/hx，nnz=un/ hz计算得到。

11、可选地，所述磁隧道结单元对敏感轴磁场hx和z轴磁场的灵敏系数取决于磁隧道结单元与磁通量衰减器的相对位置；三轴磁场传感器中位置相互正交的磁传感模块分别具有对x、z轴和y、z轴的敏感特性，测量此时每路半桥的输出电压u1,u2,u3，..，un，对每路半桥的输出电压的方程组分别求解得到两组磁传感模块中的磁场大小，分别求解两组磁传感模块中的磁场大小，从而得到三轴磁场的大小。

12、可选地，每组磁隧道结阵列对三轴磁场的灵敏系数不同，且灵敏系数在设计前通过仿真计算以及实际实验得到。

13、可选地，所述磁通量衰减器的厚度在1~50μm，所述磁隧道结阵列的厚度在0.5~2μm。

14、根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种三轴磁场传感器的制备方法，包括：

15、在衬底上生长磁敏感薄膜；

16、通过光刻工艺磁隧道结阵列结构；

17、通过晶圆取die工艺将磁隧道结阵列取出并按照固定的相对位置进行排列，分为两组相互正交的磁传感模块，每个模块具有至少两组与所设计的磁通量聚集器相对位置不同的磁隧道结阵列；

18、通过镀电极工艺连接好各半桥结构；

19、在薄膜阵列上方制备绝缘保护层和电镀磁通量聚集器前的种子层；

20、在种子层上电镀磁通量衰减器层，从而得到上述任一项所述的三轴磁场传感器。

21、可选地，所有磁隧道结阵列取自同一晶圆。

22、与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

23、1、本发明所提供的三轴磁场传感器包括两组结构相同、位置相互正交的磁传感模块，每组所述磁场传感器模块包括两组及以上的衬底层、磁隧道结阵列、定值电阻和磁通量衰减器，磁隧道结阵列设置在所述衬底的上方，对磁隧道结短轴方向具有单轴敏感特性；定值电阻与磁隧道结阵列连接形成半桥；磁通量衰减器设置在所述磁隧道结阵列的上方。可见，本发明的三轴磁场传感器结构简单，方便生产。

24、2、本发明所提供的三轴磁场传感器磁通量衰减器的形状、设计完全相同，降低了工艺复杂度，仅采用一次电镀即可实现磁通量衰减器的结构。

25、3、本发明所提供的三轴磁场传感器，通过简单方程组的求解分别获得两组磁隧道结双轴磁场的大小，其中考虑到了各轴磁场的影响作用，避免了非敏感轴方向磁场对芯片测量的干扰；最后根据两组双轴磁场的测量结果得到三轴磁场的大小；公式简单，方便采用机器学习等数据融合的方法来获得更准确的检测数据。

26、4、本发明所提供的三轴磁场传感器的制备方法，采用同一块一片晶圆/衬底通取die切割拼接实现，这种完全同晶圆的薄膜工艺，有利于提升良率，避免不同晶圆上生长薄膜的差异带来的影响。

技术特征：

1.一种三轴磁场传感器，其特征在于，包括两组结构相同、位置相互正交的磁传感模块，每组所述磁场传感器模块包括两组及以上的衬底层、磁隧道结阵列、定值电阻和磁通量衰减器，

2.根据权利要求1所述的三轴磁场传感器，其特征在于，每块磁通量衰减器下方的左右两侧磁隧道结阵列分别与定值电阻模块组成半桥结构，每个半桥结构的电压输入端相互并联，输出端互相独立。

3.根据权利要求1所述的三轴磁场传感器，其特征在于，所述磁隧道结阵列包括多个敏感结构单元形成阵列，所述敏感结构单元的平面形状为长方形或椭圆形。

4.根据权利要求2所述的三轴磁场传感器，其特征在于，所述磁通量衰减器的的投影为长方形，每块磁通量衰减器下方设有两组磁隧道结阵列，两组磁隧道结阵列与磁通量衰减器的投影面的长边相平行，每块磁通量衰减器下方的左右两组磁隧道结阵列分别与最接近的磁通量衰减器的投影长边的距离不同。

5.根据权利要求2所述的三轴磁场传感器，其特征在于，所述磁通量衰减器的的投影为长方形，每块磁通量衰减器下方设有两组磁隧道结阵列，两组磁隧道结阵列与磁通量衰减器的投影面的长边相平行，两组磁隧道结阵列中的其中一组磁隧道结阵列的敏感结构单元与最接近的磁通量衰减器的投影长边存在10~80°的固定夹角，二者夹角不同，从而使得两组磁隧道结阵列下方感应磁场的三轴分量不同。

6.根据权利要求2所述的三轴磁场传感器，其特征在于，每路半桥输出的电压信号u1,u2,u3,..,un，表达式为un=nnx×hx+ nnz×hz；其中，nnx和nnz是磁隧道结单元分别对对应的敏感轴磁场hx和z轴磁场hz的灵敏系数，通过分别单独施加x方向磁场hx和z轴方向磁场hz，测量对应的电压信号un，并通过nnx=un/ hx，nnz=un/ hz计算得到。

7.根据权利要求5所述的三轴磁场传感器，其特征在于，所述磁隧道结单元对敏感轴磁场hx和z轴磁场的灵敏系数取决于磁隧道结单元与磁通量衰减器的相对位置；三轴磁场传感器中位置相互正交的磁传感模块分别具有对x、z轴和y、z轴的敏感特性，测量此时每路半桥的输出电压u1,u2,u3，..，un，对每路半桥的输出电压的方程组分别求解得到两组磁传感模块中的磁场大小，分别求解两组磁传感模块中的磁场大小，从而得到三轴磁场的大小。

8.根据权利要求1所述的三轴磁场传感器，其特征在于，所述磁通量衰减器的厚度在1~50μm，所述磁隧道结阵列的厚度在0.5~2μm。

9.一种三轴磁场传感器的制备方法，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的三轴磁场传感器的制备方法，其特征在于，所有磁隧道结阵列取自同一晶圆。

技术总结
一种本发明公开了一种三轴磁场传感器及其制备方法，三轴磁场传感器包括两组结构相同、位置相互正交的磁传感模块，每组磁场传感器模块包括两组及以上的衬底层、磁隧道结阵列、定值电阻和磁通量衰减器，磁隧道结阵列设置在衬底的上方；定值电阻与磁隧道结阵列连接形成半桥；磁通量衰减器设置在磁隧道结阵列上方。本发明的三轴磁场传感器结构简单，方便生产。制备方法采用同一块一片晶圆/衬底通取die切割拼接实现，有利于提升良率，避免不同晶圆上生长薄膜的差异带来的影响。磁通量衰减器的形状、设计完全相同，降低了工艺复杂度，仅采用一次电镀即可实现磁通量衰减器的结构，避免了非敏感轴方向磁场对芯片测量的干扰。

技术研发人员：周柯,金庆忍,奉斌,王晓明,莫枝阅,吴丽芳,卢柏桦
受保护的技术使用者：广西电网有限责任公司电力科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11