一種單晶片三軸線性磁傳感器及其製備方法
2023-12-09 17:14:56 1
一種單晶片三軸線性磁傳感器及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種單晶片三軸線性磁傳感器及其製備方法，其中傳感器包括一X軸傳感器、Y軸傳感器和Z軸傳感器。其中X軸傳感器包含有一參考電橋和至少兩個X-磁通量控制器，Y軸傳感器包含有一推挽電橋和至少兩個Y-磁通量控制器，Z軸傳感器包含有一推挽電橋和至少一個Z-磁通量控制器。參考電橋、推挽電橋的橋臂均由一個或多個磁電阻傳感元件電連接構成，磁電阻傳感元件的敏感軸方向和釘扎層的磁化方向均沿X軸方向。本發明公開的製備方法，即先在晶片上沉積一層磁電阻薄膜，然後通過使用磁退火、光刻、刻蝕、鍍膜等技術便得到最終的傳感器。該單晶片三軸線性磁傳感器具有成本低、製作簡單、線性度好、靈敏度高等優點。
【專利說明】一種單晶片三軸線性磁傳感器及其製備方法【技術領域】
[0001]本發明涉及一種線性磁傳感器，尤其涉及一種單晶片三軸線性磁傳感器及其製備方法。
【背景技術】
[0002]隨著磁傳感器技術的發展，其從初期的單軸磁傳感器到後來的雙軸磁傳感器，再到如今的三軸磁傳感器，使得其可全面檢測空間X、Y、Z軸三個方向上的磁場信號。
[0003]對於AMR、GMR和TMR等磁傳感器，由於磁場敏感方向在薄膜平面內，可以通過將兩個傳感器正交來實現平面內X、Y軸磁場分量的測量，從而實現XY 二軸磁場測試系統，但對於Z軸磁場分量，其中一種解決方案是將一個分立單軸平面磁傳感器豎立安裝在二軸平面傳感器上，如申請號為201110251902.9，名稱為「三軸磁場傳感器」的專利中所公開的三軸磁場傳感器。這種方式存在以下不足之處:
1)X、Y 二軸磁傳感器和Z單軸磁傳感器在安裝之前為各自為分立元件，無法實現三軸磁傳感器的集成製造，從而增加了製造工藝的複雜程度；
2)相對於集成製造系統，採用組裝方法製造的三軸磁傳感器系統內各元件的位置精度降低，影響傳感器的測量精度；
3)由於Z單軸磁傳感器的敏感軸垂直於X，Y二軸磁傳感器，因此三軸磁傳感器Z向尺寸增加，從而增加了器件尺寸和封裝難度。
[0004]另一種解決方案是專利CN202548308U 「三軸磁傳感器」中公開的採用斜坡設置磁傳感器單元的方式來探測Z方向上的磁信號，這種結構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程中還容易造成遮蔽效應(shadowing effects),從而降低了磁傳感器元件的性能，並且還需要算法來計算才能得到Z軸方向的磁信號。
[0005]還有一種方案是專利申請201310202801.1 「一種三軸數字指南針」中所公開的解決方案，其利用通量集中器對磁場的扭曲作用，將垂直於平面的Z軸磁場分量轉變成XY平面內的磁場分量，從而實現Z軸方向上磁信號的測量。但這種結構的磁傳感器需要一個ASIC晶片或者通過算法來計算才能得到X、Y和Z軸三個方向的磁信號。
[0006]目前，主要是通過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，雙次沉積等方法來製備三軸磁傳感器，例如專利CN202548308U 「三軸磁傳感器」中所公開的傳感器的製備過程大致是先在晶圓的襯底層上刻蝕出兩個斜坡，然後分別在兩個斜坡上通過雙次沉積磁電阻材料薄膜、雙次退火來製作測量XZ方向和YZ方向的傳感器單元。歐洲專利申請EP 2267470 BI也公開了一種製備三軸傳感器的方法，其也是通過在基片上刻蝕形成斜坡，然後在斜坡上製作測量Z軸方向磁場分量的傳感器單元。這兩個專利申請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，不利於實際實施。此外，美國艾沃思賓技術公司的專利申請CN102918413A 「單晶片三軸磁場傳感器的工藝集成」中也公開了一種集成三軸磁場的方法，該方法包括:在第一電介質層中蝕刻第一和第二多個槽，第一和第二多個槽中的每個槽具有底部和側面；在至少該第一多個槽中的每個的側面上沉積第一高磁導率材料，在第一多個槽中沉積第二材料且在第二多個槽中沉積第三導電材料；在該第一電介質層以及該第一和第二多個槽上沉積第二電介質層；在第二槽的第一部分中形成穿過第二電介質層到第三材料的第一多個導電通路；在第二電介質層上形成鄰近第一多個槽的側面定位的第一多個薄膜磁致電阻磁場傳感器元件，第一多個薄膜磁致電阻磁場傳感器元件中的每一個電耦接到第一多個通路之一以及在第二電介質層以及第一多個薄膜磁致電阻磁場傳感器元件上沉積第三電介質層。這個方法比較複雜，操作過程還不易於控制。現有技術中還有通過使用通量集中器來形成三軸磁傳感器的，但其磁電阻元件的釘扎層的磁化方向並不相同，實施起來也比較困難。
【發明內容】
[0007]為了解決以上問題，本發明提出了一種單晶片三軸線性磁傳感器及其製備方法。該單晶片三軸線性磁傳感器能直接輸出X、Y、Z三個方向的磁信號，因此無需使用算法來進行計算。此外，其製備無需刻槽形成斜坡，也不需進行雙次沉積，其含有的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的釘扎層方向相同，均沿X軸方向。
[0008]本發明提供的一種單晶片三軸線性磁傳感器，其包括:
一位於XY平面內的基片，所述基片上集成設置有一 X軸傳感器、一 Y軸傳感器和一 Z軸傳感器，各自均包括一個或多個相同的相互電連接的磁電阻傳感元件，分別用於檢測磁場在X軸方向、Y軸方向、Z軸方向上的分量；
所述X軸傳感器包含有一參考電橋和至少兩個X-磁通量控制器，所述參考電橋的參考臂和感應臂交替排列，並且各自均包括所述一個或多個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於所述X-磁通量控制器的上方或下方，並沿著所述X-磁通量控制器的長度方向排列形成參考元件串；所述感應臂上的磁電阻傳感元件位於相鄰兩個所述X-磁通量控制器之間的間隙處，並沿著所述X-磁通量控制器的長度方向排列形成感應元件串；
所述Y軸傳感器包含有一推挽電橋，所述推挽電橋的推臂和挽臂上各自對應設置有至少兩個Y-磁通量控制器，所述推臂和所述挽臂交替排列，各自均包括所述一個或多個相同的相互電連接的磁電阻傳感元件，所述磁電阻傳感元件分別位於對應的兩個相鄰所述Y-磁通量控制器之間的間隙處；
所述Z軸傳感器包含有一推挽電橋和至少一個Z-磁通量控制器，所述推挽電橋的推臂和挽臂交替排列，各自均包括所述一個或多個相同的相互電連接的磁電阻傳感元件；所述推臂和所述挽臂上的磁電阻傳感元件分別位於所述Z-磁通量控制器的下方兩側或上方兩偵牝並均沿著所述Z-磁通量控制器的長度方向排列；
所述X軸傳感器、Y軸傳感器和Z軸傳感器中的所有所述磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向均相同，在沒有磁通量控制器時，所有所述磁電阻傳感元件的感應方向為X軸方向；其中，X軸、Y軸和Z軸兩兩正交。
[0009]優選的，所述磁電阻傳感元件為GMR自旋閥元件或者TMR傳感元件。
[0010]優選的，X-磁通量控制器、Y-磁通量控制器和Z-磁通量控制器均為矩形長條陣列，其組成材料均為軟鐵磁合金。
[0011]優選的，每個所述參考元件串與相鄰的所述感應元件串之間的間距均為L ;當所述X-磁通量控制器的個數為偶數時，在所述X軸傳感器的正中間有兩個所述參考元件串相鄰，其間距為2L ;當所述X-磁通量控制器的個數為奇數時，在所述X軸傳感器的正中間有兩個所述感應元件串相鄰，其間距為2L，其中L為自然數。
[0012]優選的，所述X-磁通量控制器之間的間隙處的磁場的增益係數為I〈Asns〈100，所述X-磁通量控制器上方或者下方處的磁場的衰減係數為O〈Aref〈I。
[0013]優選的，對於所述Y軸傳感器，所述推臂和所述挽臂上的Y-磁通量控制器的數量相同；所述推臂上Y-磁通量控制器與X軸正向的夾角α為0°、0°，所述挽臂上Y-磁通量控制器與X軸正向的夾角β為-90°?0° ;或；所述推臂上Y-磁通量控制器與X軸正向的夾角α為-90°?0°，所述挽臂上Y-磁通量控制器與X軸正向的夾角為β為0°、0°，其中，I α H β I。
[0014]優選的，對於所述Y軸傳感器，所述推臂和所述挽臂上的磁電阻傳感元件的數量相同並且相對位置上的磁電阻傳感元件之間相互平行；所述推臂和所述挽臂上的磁電阻傳感元件彼此的旋轉角度的幅度相同，但方向不同。
[0015]優選的，對於所述Z軸傳感器，所述推挽電橋的推臂和挽臂上的磁電阻傳感元件的數量相同。
[0016]優選的，所述Z軸傳感器的磁電阻傳感元件的長度與寬度之間的比值大於I。
[0017]優選的，相鄰兩個所述Z-磁通量控制器之間的間距S不小於所述Z-磁通量控制器的寬度Lx。
[0018]優選的，相鄰兩個所述Z-磁通量控制器之間的間距S〉2Lx。
[0019]優選的，所述Z軸傳感器中的磁電阻傳感元件位於所述Z-磁通量控制器上方或下方兩側邊緣的外側。
[0020]優選的，減小所述Z軸傳感器中的磁電阻傳感元件與所述Z-磁通量控制器的下方邊緣的間距，或者增大所述Z-磁通量控制器的厚度Lz，或者減小所述Z-磁通量控制器的寬度Lx均能增加所述Z軸傳感器的靈敏度。
[0021]優選的，在沒有外加磁場時，所述磁電阻傳感元件通過永磁偏置、雙交換作用、形狀各向異性或者它們的任意結合來使磁性自由層的磁化方向與釘扎層的磁化方向垂直。
[0022]優選的，所述參考電橋、所述推挽電橋均為半橋、全橋或者準橋結構。
[0023]優選的，所述基片上集成有一 ASIC晶片，或者所述基片與一獨立的ASIC晶片相電連接。
[0024]優選的，所述單晶片三軸線性磁傳感器的半導體封裝方法包括焊盤引線鍵合、倒裝晶片、球柵陣列封裝(BGA)、晶圓級封裝(WLP)或板上晶片封裝(C0B)。
[0025]優選的，所述X軸傳感器、所述Y軸傳感器和所述Z軸傳感器具有相同的靈敏度。
[0026]本發明還提供了一種單晶片三軸線性磁傳感器的製備方法，該方法包括以下步驟:
(O將磁電阻材料薄膜堆疊沉積在一晶圓上，並通過在磁場中進行熱退火來設置所述磁電阻材料薄膜堆疊中釘扎層的磁化方向、釘扎層的磁學特性、自由層的磁學特性以及隧道結的電學特性；
(2)構建底部電極，並在所述磁電阻材料薄膜堆疊上同時構建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；(3)在所述磁電阻傳感元件上方沉積一絕緣層I，並在所述絕緣層I上形成為磁電阻傳感元件提供電連接通道的通孔；
(4)在所述通孔上方沉積一頂部金屬層，將所述頂部金屬層構建成頂部電極，並在各元件之間進行布線；
(5)在所述頂部金屬層上方沉積一絕緣層II，再在所述絕緣層II上方沉積一軟鐵磁合金材料層，在所述軟鐵磁合金材料層上同時構建出X-磁通量控制器、Y-磁通量控制器和Z-磁通量控制器；
(6)在所有的所述X-磁通量控制器、Y-磁通量控制器和Z-磁通量控制器的上方同時沉積一鈍化層，再在對應所述底部電極和所述頂部電極的位置上對所述鈍化層進行刻蝕、通孔，形成對外連接的焊盤。
[0027]優選的，所述磁電阻材料薄膜堆疊中釘扎層用阻擋溫度為TBl的反鐵磁材料來進行釘扎，自由層用阻擋溫度為TB2的第二反鐵磁材料來進行偏置，其中ΤΒ1ΧTΒ2;在磁場中進行熱退火為雙步驟熱磁退火，其包括以下步驟:首先是在溫度為Tl的磁場中將所述晶圓進行退火，其中TDTBl ;接著是在溫度為T2的磁場中進行冷卻，其中ΤΒ1ΧT2ΧTΒ2 ;在所述晶圓溫度冷卻到T2之後，將所述晶圓或者外加磁場的方向旋轉90度；再接著將所述晶圓冷卻至溫度T3，撤去外加磁場，其中ΤΒ2Χ T3;最後將晶圓冷卻至室溫。
[0028]優選的，步驟(2)中通過光刻、離子刻蝕、反應離子刻蝕、溼式蝕刻、剝離或者硬掩膜在所述磁電阻材料薄膜堆 疊上同時構建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。
[0029]優選的，在步驟(3)中通過光刻、離子刻蝕、反應離子刻蝕或者溼式蝕刻來形成所述通孔。
[0030]優選的，步驟(3)中的所述通孔為自對準接觸孔，所述自對準接觸孔通過剝離(lift off)工藝或硬掩膜工藝形成。
[0031]優選的，在所述頂部金屬層上方沉積一絕緣層II包括:在所述頂部金屬層上方沉積一第一子絕緣層；在所述第一子絕緣層上沉積一用於構建電磁線圈的導體；再在所述電磁線圈上沉積一第二子絕緣層，所述第一子絕緣層、第二子絕緣層和所述導體構成所述絕緣層II;所述在所述絕緣層II上方沉積一軟鐵磁合金材料層包括:在所述第二子絕緣層上沉積有所述軟鐵磁合金材料層。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0032]為了更清楚地說明本發明實施例技術中的技術方案，下面將對實施例技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0033]圖1為本發明中的單晶片三軸線性磁傳感器的結構示意圖。
[0034]圖2為本發明中的單晶片三軸線性磁傳感器的數位訊號處理電路原理圖。
[0035]圖3為X軸傳感器的結構示意圖。
[0036]圖4為X軸傳感器中磁電阻元件周圍的磁場分布圖。
[0037]圖5為X軸傳感器中MTJ元件所在位置與所感應磁場強度的關係曲線。[0038]圖6為X軸傳感器的響應曲線。
[0039]圖7為X軸傳感器的電路示意圖。
[0040]圖8為Y軸傳感器的結構示意圖。
[0041]圖9為Y軸傳感器的另一種結構示意圖。
[0042]圖10為Y軸傳感器在Y軸方向磁場中的磁場分布圖。
[0043]圖11為Y軸傳感器在X軸方向磁場中的磁場分布圖。
[0044]圖12為Y軸傳感器的響應曲線。
[0045]圖13為Y軸傳感器的電路原理示意圖。
[0046]圖14為Z軸傳感器的結構示意圖。
[0047]圖15為Z軸傳感器在Z方向磁場中的磁通量控制器周圍的磁場分布圖。
[0048]圖16為Z軸傳感器的電路原理示意圖。
[0049]圖17為Z軸傳感器在X方向磁場中的磁通量控制器周圍的磁場分布圖。
[0050]圖18為Z軸傳感器在Y方向磁場中的磁通量控制器周圍的磁場分布圖。
[0051]圖19為Z軸傳感器的響應曲線。
[0052]圖20為本發明中單晶片三軸線性磁傳感器的製備方法流程示意圖。
[0053]圖21為製備的單晶片三軸線性磁傳感器的剖面示意圖。
【具體實施方式】
[0054]下面將參考附圖並結合實施例，來詳細說明本發明。
[0055]實施例1
圖1為本發明中的單晶片三軸線性磁傳感器在XY平面內的結構示意圖。該傳感器包括基片1，在基片I上集成設置有X軸傳感器3、Y軸傳感器4、Z軸傳感器5以及多個用於輸入輸出的焊盤2。X軸傳感器3包括感應元件串11、參考元件串12以及X-磁通量控制器8，其中參考元件串12位於X-磁通量控制器8的下方，感應元件串11位於相鄰兩個X-磁通量控制器8之間的間隙處。感應元件串11和參考元件串12均由一個或多個相同的磁電阻傳感元件電連接構成。Y軸傳感器4包括磁Y-通量控制器23，24，磁電阻傳感元件13，14，其中磁電阻傳感元件13成列排布於相鄰兩個Y-磁通量控制器23的間隙處，磁電阻傳感元件14成列排布於相鄰兩個Y-磁通量控制器24的間隙處，其中磁電阻傳感元件13與磁電阻傳感元件14的數量相同，Y-磁通量控制器23與Y-磁通量控制器24的數量也相同，Y-磁通量控制器23與X軸正向成正夾角，Y-磁通量控制器24與X軸正向成負夾角，優選的，這兩個夾角的絕對值相同。此外，Y-磁通量控制器23也可以與X軸正向成負夾角，而Y-磁通量控制器24與X軸正向成正夾角。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,排布於Z-磁通量控制器10下方的兩側。此外，構成X軸傳感器中參考元件串12的磁電阻傳感元件也可以位於X-磁通量控制器8的上方，此時，Z軸傳感器中的磁電阻傳感元件15，16位於Z-磁通量控制器10上方的兩側。
[0056]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，但並不限於以上形狀，所有磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向6均相同，均沿X軸方向。在沒有外加磁場時，所述磁電阻傳感元件通過永磁偏置、雙交換作用、形狀各向異性或者它們的任意結合來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條陣列，並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，但並不限於以上元素。焊盤2裡包括了 X軸傳感器、Y軸傳感器和Z軸傳感器中的輸入輸出連接焊盤。基片I上可含有ASIC，或者與另外的ASIC晶片相電連接，圖中未示出ASIC。可用焊盤引線鍵合、倒裝晶片、球柵陣列封裝(BGA)、晶圓級封裝(WLP)以及板上晶片封裝(COB)等方法對該單晶片三軸線性磁傳感器進行封裝。
[0057]X軸、Y軸和Z軸兩兩正交。X軸傳感器3、Y軸傳感器4、Z軸傳感器5有相同的靈敏度。
[0058]圖2為單晶片三軸線性磁傳感器的數位訊號處理電路原理圖。X軸傳感器3、Y軸傳感器4和Z軸傳感器5感測到的磁場信號通過數位訊號處理電路50中的ADC 41進行模擬數位訊號轉換，並將轉換後的數位訊號輸送給數據處理器42，處理後的信號通過I/O 43輸出，從而實現對外磁場的測量。該數位訊號處理電路50可能位於基片I上，也有可能位於另外一個ASIC晶片上，該ASIC晶片與基片I相互電連接。
[0059]圖3為圖1中X軸傳感器的結構示意圖。該X軸傳感器為參考全橋結構，包括參考臂和感應臂，其中參考臂上包括多個位於X-磁通量控制器下方的參考元件串12，感應臂上包括多個對於 X-磁通量控制器間隙9處的感應元件串11,感應元件串11和參考元件串相互交錯排放，沿著X-磁通量控制器的長度方向排布，每個感應元件串11與相鄰的參考元件串12之間均相隔間距L。但對於如圖2所示的偶數個(8個)Χ-磁通量控制器，正中間有兩個參考元件串12相鄰，其之間間距為2L。如果X-磁通量控制器為奇數個，則正中間會有兩個感應元件串11相鄰，相鄰間距也為2L，圖中沒顯示此種情形。間距L很小，優選地為2(T100微米。感應臂、參考臂和焊盤17-20之間可以用電連接導體21連接。焊盤17-20分別作為輸入端Vbias、接地端GND以及輸出端VI，V2，對應於圖1中最左邊的四個焊盤。
[0060]圖4為圖3中的感應兀件串11和參考兀件串12周圍的磁場分布。從圖中可以看出，位於X-磁通量控制器8間隙處的感應元件串11所感應到的磁場幅度增強，而位於X-磁通量控制器8下方的參考元件串12所感應到的磁場幅度降低，由此可見，X-磁通量控制器8能起到衰減磁場的作用。
[0061]圖5為圖3中的感應元件串11與參考元件串12的所在位置與所感應磁場強度的關係曲線，其中，Bsns34為感應元件串11所感應的磁場強度，BMf35為參考元件串12所感應的磁場強度，外加磁場的強度Bext=100G。從圖中可以得到:Bsns=160G，Bref=25G。根據下面的公式(I)與(2)，便可得知相應的增益係數Asns和衰減係數AMf的大小。
[0062]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 5，此時傳感器就有高靈敏度。本設計中Asns/Aref=L 6/0.25=6.4>5，由此可見本申請中的X軸傳感器具有高靈敏度。
[0063]圖6為圖3中X軸傳感器的輸出電壓和外加磁場的關係曲線。從圖中可以看出，X軸傳感器只能感測到X軸方向的磁場分量，輸出電壓Vx36，對Y軸和Z軸方向的磁場分量沒有響應，電壓Vy 37和Vz 38均為零，並且Vx36關於原點O對稱。
[0064]圖7為圖3中X軸傳感器的電路示意圖。圖中，兩個感應臂52，52』和兩個參考臂53，53』相間隔連接構成一全橋,該全橋的輸出電壓為
【權利要求】
1.一種單晶片三軸線性磁傳感器，其特徵在於，該傳感器包括: 一位於XY平面內的基片，所述基片上集成設置有一 X軸傳感器、一 Y軸傳感器和一 Z軸傳感器，各自均包括一個或多個相同的相互電連接的磁電阻傳感元件，分別用於檢測磁場在X軸方向、Y軸方向、Z軸方向上的分量； 所述X軸傳感器包含有一參考電橋和至少兩個X-磁通量控制器，所述參考電橋的參考臂和感應臂交替排列，並且各自均包括所述一個或多個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於所述X-磁通量控制器的上方或下方，並沿著所述X-磁通量控制器的長度方向排列形成參考元件串；所述感應臂上的磁電阻傳感元件位於相鄰兩個所述X-磁通量控制器之間的間隙處，並沿著所述X-磁通量控制器的長度方向排列形成感應元件串； 所述Y軸傳感器包含有一推挽電橋，所述推挽電橋的推臂和挽臂上各自對應設置有至少兩個Y-磁通量控制器，所述推臂和所述挽臂交替排列，各自均包括所述一個或多個相同的相互電連接的磁電阻傳 感元件，所述磁電阻傳感元件分別位於對應的兩個相鄰所述Y-磁通量控制器之間的間隙處； 所述Z軸傳感器包含有一推挽電橋和至少一個Z-磁通量控制器，所述推挽電橋的推臂和挽臂交替排列，各自均包括所述一個或多個相同的相互電連接的磁電阻傳感元件；所述推臂和所述挽臂上的磁電阻傳感元件分別位於所述Z-磁通量控制器的下方兩側或上方兩偵牝並均沿著所述Z-磁通量控制器的長度方向排列； 所述X軸傳感器、Y軸傳感器和Z軸傳感器中的所有所述磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向均相同，在沒有磁通量控制器時，所有所述磁電阻傳感元件的感應方向為X軸方向； 其中，X軸、Y軸和Z軸兩兩正交。
2.根據權利要求1所述的單晶片三軸線性磁傳感器，其特徵在於，所述磁電阻傳感元件為GMR自旋閥元件或者TMR傳感元件。
3.根據權利要求1所述的單晶片三軸線性磁傳感器，其特徵在於，所述X-磁通量控制器、Y-磁通量控制器和Z-磁通量控制器均為矩形長條陣列，其組成材料均為軟鐵磁合金。
4.根據權利要求1所述的單晶片三軸線性磁傳感器，其特徵在於，每個所述參考元件串與相鄰的所述感應元件串之間的間距均為L ;當所述X-磁通量控制器的個數為偶數時，在所述X軸傳感器的正中間有兩個所述參考元件串相鄰，其間距為2L ；當所述X-磁通量控制器的個數為奇數時，在所述X軸傳感器的正中間有兩個所述感應元件串相鄰，其間距為2L，其中L為自然數。
5.根據權利要求1所述的單晶片三軸線性磁傳感器，其特徵在於，所述X-磁通量控制器之間的間隙處的磁場的增益係數為I〈Asns〈100，所述X-磁通量控制器上方或者下方處的磁場的衰減係數為O〈Aref〈I。
6.根據權利要求1所述的單晶片三軸線性磁傳感器，其特徵在於，對於所述Y軸傳感器，所述推臂和所述挽臂上的Y-磁通量控制器的數量相同；所述推臂上Y-磁通量控制器與X軸正向的夾角α為0°、0°，所述挽臂上Y-磁通量控制器與X軸正向的夾角β為-90。~0° ;或；所述推臂上Y-磁通量控制器與X軸正向的夾角α為-90°~0°，所述挽臂上Y-磁通量控制器與X軸正向的夾角為β為0°、0°，其中，I a I = I β I。
7.根據權利要求6所述的單晶片三軸線性磁傳感器，其特徵在於，對於所述Y軸傳感器，所述推臂和所述挽臂上的磁電阻傳感元件的數量相同並且相對位置上的磁電阻傳感元件之間相互平行；所述推臂和所述挽臂上的磁電阻傳感元件彼此的旋轉角度的幅度相同，但方向不同。
8.根據權利要求1所述的單晶片三軸線性磁傳感器，其特徵在於，對於所述Z軸傳感器，所述推挽電橋的推臂和挽臂上的磁電阻傳感元件的數量相同。
9.根據權利要求1所述的單晶片三軸線性磁傳感器，其特徵在於，所述Z軸傳感器的磁電阻傳感元件的長度與寬度之間的比值大於I。
10.根據權利要求1所述的單晶片三軸線性磁傳感器，其特徵在於，相鄰兩個所述Z-磁通量控制器之間的間距S不小於所述Z-磁通量控制器的寬度Lx。
11.根據權利要求10所述的單晶片三軸線性磁傳感器，其特徵在於，相鄰兩個所述Z-磁通量控制器之間的間距S〉2Lx。
12.根據權利要求1所述的單晶片三軸線性磁傳感器，其特徵在於，所述Z軸傳感器中的磁電阻傳感元件位於所述Z-磁通量控制器上方或下方兩側邊緣的外側。
13.根據權利要求1所述的單晶片三軸線性磁傳感器，其特徵在於，減小所述Z軸傳感器中的磁電阻傳感元件與所述Z-磁通量控制器的下方邊緣的間距，或者增大所述Z-磁通量控制器的厚度Lz，或者減小所述Z-磁通量控制器的寬度Lx均能增加所述Z軸傳感器的靈敏度。
14.根據權利要求1所述的單晶片三軸線性磁傳感器，其特徵在於，在沒有外加磁場時，所述磁電阻傳感元件通過永磁偏置、雙交換作用、形狀各向異性或者它們的任意結合來使磁性自由層的磁化方向與釘扎層的磁化方向垂直。
15.根據權利要求1所述的單晶片三軸線性磁傳感器，其特徵在於，所述參考電橋、所述推挽電橋均為半橋、全橋或者準橋結構。
16.根據權利要求1所述的單晶片三軸線性磁傳感器，其特徵在於，所述基片上集成有一 ASIC晶片，或者所述基片與一獨立的ASIC晶片相電連接。
17.根據權利要求1所述的單晶片三軸線性磁傳感器，其特徵在於，所述單晶片三軸線性磁傳感器的半導體封裝方法包括焊盤引線鍵合、倒裝晶片、球柵陣列封裝(BGA)、晶圓級封裝(WLP)或板上晶片封裝(COB)。
18.根據權利要求1或13所述的單晶片三軸線性磁傳感器，所述X軸傳感器、所述Y軸傳感器和所述Z軸傳感器具有相同的靈敏度。
19.一種單晶片三軸線性磁傳感器的製備方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟: (1)將磁電阻材料薄膜堆疊沉積在一晶圓上，並通過在磁場中進行熱退火來設置所述磁電阻材料薄膜堆疊中釘扎層的磁化方向、釘扎層的磁學特性、自由層的磁學特性以及隧道結的電學特性； (2)構建底部電極，並在所述磁電阻材料薄膜堆疊上同時構建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； (3)在所述磁電阻傳感元件上方沉積一絕緣層I，並在所述絕緣層I上形成為磁電阻傳感元件提供電連接通道的通孔； (4)在所述通孔上方沉積一頂部金屬層，將所述頂部金屬層構建成頂部電極，並在各元件之間進行布線； (5)在所述頂部金屬層上方沉積一絕緣層II，再在所述絕緣層II 上方沉積一軟鐵磁合金材料層，在所述軟鐵磁合金材料層上同時構建出X-磁通量控制器、Y-磁通量控制器和Z-磁通量控制器； (6)在所有的所述X-磁通量控制器、Y-磁通量控制器和Z-磁通量控制器的上方同時沉積一鈍化層，再在對應所述底部電極和所述頂部電極的位置上對所述鈍化層進行刻蝕、通孔，形成對外連接的焊盤。
20.根據權利要求19所述的製備方法，其特徵在於，所述磁電阻材料薄膜堆疊中釘扎層用阻擋溫度為TBl的反鐵磁材料來進行釘扎，自由層用阻擋溫度為TB2的第二反鐵磁材料來進行偏置，其中ΤΒ1ΧTΒ2;在磁場中進行熱退火為雙步驟熱磁退火，其包括以下步驟:首先是在溫度為Tl的磁場中將所述晶圓進行退火，其中TDTBl ;接著是在溫度為T2的磁場中進行冷卻，其中ΤΒ1ΧT2ΧTΒ2 ;在所述晶圓溫度冷卻到T2之後，將所述晶圓或者外加磁場的方向旋轉90度；再接著將所述晶圓冷卻至溫度T3，撤去外加磁場，其中ΤΒ2ΧT3;最後將晶圓冷卻至室溫。
21.根據權利 要求19所述的製備方法，其特徵在於，步驟(2)中通過光刻、離子刻蝕、反應離子刻蝕、溼式蝕刻、剝離或者硬掩膜在所述磁電阻材料薄膜堆疊上同時構建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。
22.根據權利要求19所述的製備方法，其特徵在於，在步驟(3)中通過光刻、離子刻蝕、反應離子刻蝕或者溼式蝕刻來形成所述通孔。
23.根據權利要求19所述的製備方法，其特徵在於，步驟(3)中的所述通孔為自對準接觸孔，所述自對準接觸孔通過剝離(lift off)工藝或硬掩膜工藝形成。
24.根據權利要求19所述的製備方法，其特徵在於，在所述頂部金屬層上方沉積一絕緣層II包括:在所述頂部金屬層上方沉積一第一子絕緣層；在所述第一子絕緣層上沉積一用於構建電磁線圈的導體；再在所述電磁線圈上沉積一第二子絕緣層，所述第一子絕緣層、第二子絕緣層和所述導體構成所述絕緣層II ;所述在所述絕緣層II上方沉積一軟鐵磁合金材料層包括:在所述第二子絕緣層上沉積有所述軟鐵磁合金材料層。
【文檔編號】G01R33/09GK103954920SQ201410155003
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月17日 優先權日:2014年4月17日
【發明者】詹姆斯·G·迪克 申請人:江蘇多維科技有限公司