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一种单芯片三轴线性磁传感器及其制备方法.pdf

摘要
申请专利号:

太阳城集团CN201410155003.2

申请日:

2014.04.17

公开号:

太阳城集团CN103954920A

公开日:

2014.07.30

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01R 33/09申请日:20140417|||公开
IPC分类号: G01R33/09; G01R33/04 主分类号: G01R33/09
申请人: 江苏多维科技有限公司
发明人: 詹姆斯·G·迪克
地址: 215600 江苏省苏州市张家港市保税区广东路7号
优先权:
专利代理机构: 苏州创元专利商标事务所有限公司 32103 代理人: 李艳;孙仿卫
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法律状态
申请(专利)号:

CN201410155003.2

授权太阳城集团号:

||||||

法律状态太阳城集团日:

2016.09.14|||2014.08.27|||2014.07.30

法律状态类型:

太阳城集团授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明公开了一种单芯片三轴线性磁传感器及其制备方法,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。本发明公开的制备方法,即先在晶片上沉积一层磁电阻薄膜,然后通过使用磁退火、光刻、刻蚀、镀膜等技术便得到最终的传感器。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。

权利要求书

权利要求书
1.  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。

2.  根据权利要求1所述的单芯片三轴线性磁传感器,其特征在于,所述磁电阻传感元件为GMR自旋阀元件或者TMR传感元件。

3.  根据权利要求1所述的单芯片三轴线性磁传感器,其特征在于,所述X-磁通量控制器、Y-磁通量控制器和Z-磁通量控制器均为矩形长条阵列,其组成材料均为软铁磁合金。

4.  根据权利要求1所述的单芯片三轴线性磁传感器,其特征在于,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。

5.  根据权利要求1所述的单芯片三轴线性磁传感器,其特征在于,所述X-磁通量控制器之间的间隙处的磁场的增益系数为1 <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0 <Aref <1。

6.  根据权利要求1所述的单芯片三轴线性磁传感器,其特征在于,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°~90°,所述挽臂上Y-磁通量控制器与X轴正向的夹角β为-90°~0°;或;所述推臂上Y-磁通量控制器与X轴正向的夹角α为-90°~0°,所述挽臂上Y-磁通量控制器与X轴正向的夹角为β为0°~90°,其中,|α|=|β|。

7.  根据权利要求6所述的单芯片三轴线性磁传感器,其特征在于,对于所述Y轴传感器,所述推臂和所述挽臂上的磁电阻传感元件的数量相同并且相对位置上的磁电阻传感元件之间相互平行;所述推臂和所述挽臂上的磁电阻传感元件彼此的旋转角度的幅度相同,但方向不同。

8.  根据权利要求1所述的单芯片三轴线性磁传感器,其特征在于,对于所述Z轴传感器,所述推挽电桥的推臂和挽臂上的磁电阻传感元件的数量相同。

9.  根据权利要求1所述的单芯片三轴线性磁传感器,其特征在于,所述Z轴传感器的磁电阻传感元件的长度与宽度之间的比值大于1。

10.  根据权利要求1所述的单芯片三轴线性磁传感器,其特征在于,相邻两个所述Z-磁通量控制器之间的间距S不小于所述Z-磁通量控制器的宽度Lx。

11.  根据权利要求10所述的单芯片三轴线性磁传感器,其特征在于,相邻两个所述Z-磁通量控制器之间的间距S> 2Lx。

12.  根据权利要求1所述的单芯片三轴线性磁传感器,其特征在于,所述Z轴传感器中的磁电阻传感元件位于所述Z-磁通量控制器上方或下方两侧边缘的外侧。

13.  根据权利要求1所述的单芯片三轴线性磁传感器,其特征在于,减小所述Z轴传感器中的磁电阻传感元件与所述Z-磁通量控制器的下方边缘的间距,或者增大所述Z-磁通量控制器的厚度Lz,或者减小所述Z-磁通量控制器的宽度Lx均能增加所述Z轴传感器的灵敏度。

14.  根据权利要求1所述的单芯片三轴线性磁传感器,其特征在于,在没有外加磁场时,所述磁电阻传感元件通过永磁偏置、双交换作用、形状各向异性或者它们的任意结合来使磁性自由层的磁化方向与钉扎层的磁化方向垂直。

15.  根据权利要求1所述的单芯片三轴线性磁传感器,其特征在于,所述参考电桥、所述推挽电桥均为半桥、全桥或者准桥结构。

16.  根据权利要求1所述的单芯片三轴线性磁传感器,其特征在于,所述基片上集成有一ASIC芯片,或者所述基片与一独立的ASIC芯片相电连接。

17.  根据权利要求1所述的单芯片三轴线性磁传感器,其特征在于,所述单芯片三轴线性磁传感器的半导体封装方法包括焊盘引线键合、倒装芯片、球栅阵列封装(BGA)、晶圆级封装(WLP)或板上芯片封装(COB)。

18.  根据权利要求1或13所述的单芯片三轴线性磁传感器,所述X轴传感器、所述Y轴传感器和所述Z轴传感器具有相同的灵敏度。

19.  一种单芯片三轴线性磁传感器的制备方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
(1)将磁电阻材料薄膜堆叠沉积在一晶圆上,并通过在磁场中进行热退火来设置所述磁电阻材料薄膜堆叠中钉扎层的磁化方向、钉扎层的磁学特性、自由层的磁学特性以及隧道结的电学特性;
(2)构建底部电极,并在所述磁电阻材料薄膜堆叠上同时构建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;
(3)在所述磁电阻传感元件上方沉积一绝缘层I,并在所述绝缘层I上形成为磁电阻传感元件提供电连接通道的通孔;
(4)在所述通孔上方沉积一顶部金属层,将所述顶部金属层构建成顶部电极,并在各元件之间进行布线; 
(5)在所述顶部金属层上方沉积一绝缘层II,再在所述绝缘层II   
上方沉积一软铁磁合金材料层,在所述软铁磁合金材料层上同时构建出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时沉积一钝化层,再在对应所述底部电极和所述顶部电极的位置上对所述钝化层进行刻蚀、通孔,形成对外连接的焊盘。

20.  根据权利要求19所述的制备方法,其特征在于,所述磁电阻材料薄膜堆叠中钉扎层用阻挡温度为TB1的反铁磁材料来进行钉扎,自由层用阻挡温度为TB2的第二反铁磁材料来进行偏置,其中TB1>TB2;在磁场中进行热退火为双步骤热磁退火,其包括以下步骤:首先是在温度为T1的磁场中将所述晶圆进行退火,其中T1>TB1;接着是在温度为T2的磁场中进行冷却,其中TB1>T2>TB2;在所述晶圆温度冷却到T2之后,将所述晶圆或者外加磁场的方向旋转90度;再接着将所述晶圆冷却至温度T3,撤去外加磁场,其中TB2>T3;最后将晶圆冷却至室温。

21.  根据权利要求19所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中通过光刻、离子刻蚀、反应离子刻蚀、湿式蚀刻、剥离或者硬掩膜在所述磁电阻材料薄膜堆叠上同时构建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。

22.  根据权利要求19所述的制备方法,其特征在于,在步骤(3)中通过光刻、离子刻蚀、反应离子刻蚀或者湿式蚀刻来形成所述通孔。

23.  根据权利要求19所述的制备方法,其特征在于,步骤(3)中的所述通孔为自对准接触孔,所述自对准接触孔通过剥离(lift off)工艺或硬掩膜工艺形成。

24.  根据权利要求19所述的制备方法,其特征在于,在所述顶部金属层上方沉积一绝缘层II包括:在所述顶部金属层上方沉积一第一子绝缘层;在所述第一子绝缘层上沉积一用于构建电磁线圈的导体;再在所述电磁线圈上沉积一第二子绝缘层,所述第一子绝缘层、第二子绝缘层和所述导体构成所述绝缘层II;所述在所述绝缘层II上方沉积一软铁磁合金材料层包括:在所述第二子绝缘层上沉积有所述软铁磁合金材料层。

说明书

说明书一种单芯片三轴线性磁传感器及其制备方法
技术领域
本发明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及其制备方法。
背景技术
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:
1)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 B1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。
发明内容
为了解决以上问题,本发明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。
本发明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1 <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0 <Aref <1。
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°~90°,所述挽臂上Y-磁通量控制器与X轴正向的夹角β为-90°~0°;或;所述推臂上Y-磁通量控制器与X轴正向的夹角α为-90°~0°,所述挽臂上Y-磁通量控制器与X轴正向的夹角为β为0°~90°,其中,|α|=|β|。
优选的,对于所述Y轴传感器,所述推臂和所述挽臂上的磁电阻传感元件的数量相同并且相对位置上的磁电阻传感元件之间相互平行;所述推臂和所述挽臂上的磁电阻传感元件彼此的旋转角度的幅度相同,但方向不同。
优选的,对于所述Z轴传感器,所述推挽电桥的推臂和挽臂上的磁电阻传感元件的数量相同。
优选的,所述Z轴传感器的磁电阻传感元件的长度与宽度之间的比值大于1。
优选的,相邻两个所述Z-磁通量控制器之间的间距S不小于所述Z-磁通量控制器的宽度Lx。
优选的,相邻两个所述Z-磁通量控制器之间的间距S> 2Lx。
优选的,所述Z轴传感器中的磁电阻传感元件位于所述Z-磁通量控制器上方或下方两侧边缘的外侧。
优选的,减小所述Z轴传感器中的磁电阻传感元件与所述Z-磁通量控制器的下方边缘的间距,或者增大所述Z-磁通量控制器的厚度Lz,或者减小所述Z-磁通量控制器的宽度Lx均能增加所述Z轴传感器的灵敏度。
优选的,在没有外加磁场时,所述磁电阻传感元件通过永磁偏置、双交换作用、形状各向异性或者它们的任意结合来使磁性自由层的磁化方向与钉扎层的磁化方向垂直。
优选的,所述参考电桥、所述推挽电桥均为半桥、全桥或者准桥结构。
优选的,所述基片上集成有一ASIC芯片,或者所述基片与一独立的ASIC芯片相电连接。
优选的,所述单芯片三轴线性磁传感器的半导体封装方法包括焊盘引线键合、倒装芯片、球栅阵列封装(BGA)、晶圆级封装(WLP)或板上芯片封装(COB)。
优选的,所述X轴传感器、所述Y轴传感器和所述Z轴传感器具有相同的灵敏度。
本发明还提供了一种单芯片三轴线性磁传感器的制备方法,该方法包括以下步骤:
(1) 将磁电阻材料薄膜堆叠沉积在一晶圆上,并通过在磁场中进行热退火来设置所述磁电阻材料薄膜堆叠中钉扎层的磁化方向、钉扎层的磁学特性、自由层的磁学特性以及隧道结的电学特性;
(2) 构建底部电极,并在所述磁电阻材料薄膜堆叠上同时构建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;
(3) 在所述磁电阻传感元件上方沉积一绝缘层I,并在所述绝缘层I上形成为磁电阻传感元件提供电连接通道的通孔;
(4) 在所述通孔上方沉积一顶部金属层,将所述顶部金属层构建成顶部电极,并在各元件之间进行布线; 
(5) 在所述顶部金属层上方沉积一绝缘层II,再在所述绝缘层II 上方沉积一软铁磁合金材料层,在所述软铁磁合金材料层上同时构建出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时沉积一钝化层,再在对应所述底部电极和所述顶部电极的位置上对所述钝化层进行刻蚀、通孔,形成对外连接的焊盘。
优选的,所述磁电阻材料薄膜堆叠中钉扎层用阻挡温度为TB1的反铁磁材料来进行钉扎,自由层用阻挡温度为TB2的第二反铁磁材料来进行偏置,其中TB1>TB2;在磁场中进行热退火为双步骤热磁退火,其包括以下步骤:首先是在温度为T1的磁场中将所述晶圆进行退火,其中T1>TB1;接着是在温度为T2的磁场中进行冷却,其中TB1>T2>TB2;在所述晶圆温度冷却到T2之后,将所述晶圆或者外加磁场的方向旋转90度;再接着将所述晶圆冷却至温度T3,撤去外加磁场,其中TB2>T3;最后将晶圆冷却至室温。
优选的,步骤(2)中通过光刻、离子刻蚀、反应离子刻蚀、湿式蚀刻、剥离或者硬掩膜在所述磁电阻材料薄膜堆叠上同时构建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。
优选的,在步骤(3)中通过光刻、离子刻蚀、反应离子刻蚀或者湿式蚀刻来形成所述通孔。
优选的,步骤(3)中的所述通孔为自对准接触孔,所述自对准接触孔通过剥离(lift off)工艺或硬掩膜工艺形成。
优选的,在所述顶部金属层上方沉积一绝缘层II包括:在所述顶部金属层上方沉积一第一子绝缘层;在所述第一子绝缘层上沉积一用于构建电磁线圈的导体;再在所述电磁线圈上沉积一第二子绝缘层,所述第一子绝缘层、第二子绝缘层和所述导体构成所述绝缘层II;所述在所述绝缘层II上方沉积一软铁磁合金材料层包括:在所述第二子绝缘层上沉积有所述软铁磁合金材料层。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案,下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图 1 为本发明中的单芯片三轴线性磁传感器的结构示意图。
图2为本发明中的单芯片三轴线性磁传感器的数字信号处理电路原理图。
图3为X轴传感器的结构示意图。
图4为X轴传感器中磁电阻元件周围的磁场分布图。
图5为X轴传感器中MTJ元件所在位置与所感应磁场强度的关系曲线。
图6为X轴传感器的响应曲线。
图7为X轴传感器的电路示意图。
图8为Y轴传感器的结构示意图。
图9为Y轴传感器的另一种结构示意图。
图10为Y轴传感器在Y轴方向磁场中的磁场分布图。
图11为Y轴传感器在X轴方向磁场中的磁场分布图。
图12为Y轴传感器的响应曲线。
图13为Y轴传感器的电路原理示意图。
图14为Z轴传感器的结构示意图。
图15为Z轴传感器在Z方向磁场中的磁通量控制器周围的磁场分布图。
图16为Z轴传感器的电路原理示意图。
图17为Z轴传感器在X方向磁场中的磁通量控制器周围的磁场分布图。
图18为Z轴传感器在Y方向磁场中的磁通量控制器周围的磁场分布图。
图19为Z轴传感器的响应曲线。
图20为本发明中单芯片三轴线性磁传感器的制备方法流程示意图。
图21为制备的单芯片三轴线性磁传感器的剖面示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例,来详细说明本发明。
实施例1
图1为本发明中的单芯片三轴线性磁传感器在XY平面内的结构示意图。该传感器包括基片1,在基片1上集成设置有X轴传感器3、Y轴传感器4、Z轴传感器5以及多个用于输入输出的焊盘2。X轴传感器3包括感应元件串11、参考元件串12以及X-磁通量控制器8,其中参考元件串12位于X-磁通量控制器8的下方,感应元件串11位于相邻两个X-磁通量控制器8之间的间隙处。感应元件串11和参考元件串12均由一个或多个相同的磁电阻传感元件电连接构成。Y轴传感器4包括磁Y-通量控制器23,24,磁电阻传感元件13,14,其中磁电阻传感元件13 成列排布于相邻两个Y-磁通量控制器23的间隙处,磁电阻传感元件14 成列排布于相邻两个Y-磁通量控制器24的间隙处,其中磁电阻传感元件13与磁电阻传感元件14的数量相同,Y-磁通量控制器23与Y-磁通量控制器24的数量也相同,Y-磁通量控制器23与X轴正向成正夹角,Y-磁通量控制器24与X轴正向成负夹角,优选的,这两个夹角的绝对值相同。此外,Y-磁通量控制器23也可以与X轴正向成负夹角,而Y-磁通量控制器24与X轴正向成正夹角。Z轴传感器包括Z-磁通量控制器10、磁电阻传感元件15,16,其中磁电阻传感元件15,16分别电连接成列,排布于Z-磁通量控制器10下方的两侧。此外,构成X轴传感器中参考元件串12的磁电阻传感元件也可以位于X-磁通量控制器8的上方,此时,Z轴传感器中的磁电阻传感元件15,16位于Z-磁通量控制器10上方的两侧。
所有磁电阻传感元件为GMR自旋阀或者TMR传感元件,其形状可以为方形、菱形或者椭圆形,但并不限于以上形状,所有磁电阻传感元件的钉扎层的磁化方向6均相同,均沿X轴方向。在没有外加磁场时,所述磁电阻传感元件通过永磁偏置、双交换作用、形状各向异性或者它们的任意结合来使磁性自由层的磁化方向与钉扎层的磁化方向垂直。所有磁通量控制器均为矩形长条阵列,并且其组成材料均为软铁磁合金,该合金可包括Ni、Fe、Co、Si、B、Ni、Zr和Al中的一种元素或几种元素,但并不限于以上元素。焊盘2里包括了X轴传感器、Y轴传感器和Z轴传感器中的输入输出连接焊盘。基片1上可含有ASIC,或者与另外的ASIC芯片相电连接,图中未示出ASIC。可用焊盘引线键合、倒装芯片、球栅阵列封装(BGA)、晶圆级封装(WLP)以及板上芯片封装(COB)等方法对该单芯片三轴线性磁传感器进行封装。
X轴、Y轴和Z轴两两正交 。X轴传感器3、Y轴传感器4、Z轴传感器5 有相同的灵敏度。
图2为单芯片三轴线性磁传感器的数字信号处理电路原理图。X轴传感器3、Y轴传感器4和Z轴传感器5感测到的磁场信号通过数字信号处理电路50中的ADC 41进行模拟数字信号转换,并将转换后的数字信号输送给数据处理器42,处理后的信号通过I/O 43输出,从而实现对外磁场的测量。该数字信号处理电路50可能位于基片1上,也有可能位于另外一个ASIC芯片上,该ASIC芯片与基片1相互电连接。
图3为图1中X轴传感器的结构示意图。该X轴传感器为参考全桥结构,包括参考臂和感应臂,其中参考臂上包括多个位于X-磁通量控制器下方的参考元件串12,感应臂上包括多个对于X-磁通量控制器间隙9处的感应元件串11,感应元件串11和参考元件串相互交错排放,沿着X-磁通量控制器的长度方向排布,每个感应元件串11与相邻的参考元件串12之间均相隔间距L。但对于如图2所示的偶数个(8个)X-磁通量控制器,正中间有两个参考元件串12相邻,其之间间距为2L。如果X-磁通量控制器为奇数个,则正中间会有两个感应元件串11相邻,相邻间距也为2L,图中没显示此种情形。间距L很小,优选地为20~100微米。感应臂、参考臂和焊盘17-20之间可以用电连接导体21连接。焊盘17-20分别作为输入端Vbias、接地端GND以及输出端V1,V2,对应于图1中最左边的四个焊盘。
图4为图3中的感应元件串11和参考元件串12周围的磁场分布。从图中可以看出,位于X-磁通量控制器8间隙处的感应元件串11所感应到的磁场幅度增强,而位于X-磁通量控制器8下方的参考元件串12所感应到的磁场幅度降低,由此可见,X-磁通量控制器8能起到衰减磁场的作用。
图5为图3中的感应元件串11与参考元件串12的所在位置与所感应磁场强度的关系曲线,其中,Bsns34为感应元件串11所感应的磁场强度,Bref35为参考元件串12所感应的磁场强度,外加磁场的强度Bext=100G。从图中可以得到:Bsns=160G,Bref=25G。根据下面的公式(1)与(2),便可得知相应的增益系数Asns和衰减系数Aref的大小。
Bsns=Asns*Bext                            (1)
Bref=Aref*Bext                             (2)
将Bext=100G, Bsns=160G, Bref=25G代入上面两式中,便可算出:
1 <Asns=1.6 <100, 0 <Aref =0.25<1。Asns/Aref的比值越大,则意味着传感器的灵敏度越高,一般理想的是Asns/Aref>5,此时传感器就有高灵敏度。本设计中Asns/Aref=1.6/0.25=6.4>5,由此可见本申请中的X轴传感器具有高灵敏度。
图6为图3中X轴传感器的输出电压和外加磁场的关系曲线。从图中可以看出,X轴传感器只能感测到X轴方向的磁场分量,输出电压Vx36,对Y轴和Z轴方向的磁场分量没有响应,电压Vy 37 和Vz 38均为零,并且Vx36太阳城集团原点0对称。
图7为图3中X轴传感器的电路示意图。图中,两个感应臂52,52’和两个参考臂53, 53’相间隔连接构成一全桥,该全桥的输出电压为 
  
则此X轴传感器的灵敏度可表示为
                         (4)   
对于很小的外加磁场,即磁场强度B很小,则上式(4)可近似化为
                             (5)               
图8为图1中的Y轴传感器的结构示意图。该传感器为推挽全桥结构,其包括多个倾斜设置的Y-磁通量控制器23,24以及电连接构成推臂和挽臂的磁电阻传感元件13,14。其中,磁电阻传感元件13位于相邻两个Y-磁通量控制器23的间隙处,磁电阻传感元件14位于相邻两个Y-磁通量控制器24的间隙处,Y-磁通量控制器23和24与X轴的夹角分别为α25和β26,优选的,|α|=|β|,α、β的取值范围分别为0°~90°、-90°~-0°,在本实施例中为α=45°,β=-45°。磁电阻传感元件13和14的数量相同并且相对位置上的磁电阻传感元件13和14相互平行,它们也还可以旋转,二者彼此的旋转角度的幅度相同,但方向不同。该Y轴传感器的输入输出焊盘在图中未显示,对应于图1中的焊盘2中最中间的四个焊盘。
图9为Y轴传感器的另一种结构示意图。图8中的磁电阻元件13,14分别旋转±45°便得到了本图所示的结构,该图与图8的区别在于,磁电阻元件13,14分别与Y-磁通量控制器23,24平行。
图10为Y轴传感器在Y轴方向磁场中的磁场分布图。图中外加磁场的方向101与Y轴平行,测量方向100与X轴平行。从图中可以看出,进入到传感器里面的外加磁场被Y-磁通量控制器23,24进行了偏置,其中,在Y-磁通量控制器23间隙处的磁场方向为102,在Y-磁通量控制器24间隙处的磁场方向为103。磁场方向102与103太阳城集团Y轴对称。在本实施例中,外加磁场By=100 G,所测得的X轴磁场大小BX+=90G, BX-=-90G,则增益系数Axy=Bx/By=( BX+- BX-)/By=180/100=1.8。
图11为Y轴传感器在X轴方向磁场中的分布图。图中外加磁场的方向以及测量方向均为与X轴平行的方向100。在Y-磁通量控制器23间隙处的磁场方向为104,在Y-磁通量控制器24间隙处的磁场方向为105。磁场方向104与105太阳城集团X轴对称。在本实施例中,外加磁场Bx=100 G,所测得的X轴磁场大小BX+=101G,BX-=-101G,则增益系数Axx=( BX+- BX-)/Bx=(101-101)/100=0,由此可见两个桥臂上的磁场在X轴分量相互抵消,将不能检测到X轴磁场信号。
图12为Y轴传感器的输出电压和外加磁场的关系曲线。从图中可以看出,Y轴传感器只能感测到Y轴方向的磁场分量,输出电压Vy 37,对X轴和Z轴方向的磁场分量没有响应,其电压Vx 36和Vz 38均为零,并且Vy 37太阳城集团原点0对称。
图13为Y轴传感器的电路示意图。若干个磁电阻传感元件13电连接构成等效磁电阻R39和R39’, 若干个磁电阻传感元件14电连接构成等效磁电阻R40和R40’,这四个磁电阻连接构成全桥。它们的磁性钉扎层的磁化方向相同,相对位置的磁电阻(R39和R39’, R40和R40’)的磁性自由层的磁化方向相同,相邻位置的磁电阻(R39和R40,R39和R40’, R39’和R40,R39’和R40’)的磁性自由层的磁化方向不同。当沿着磁电阻传感元件13和14的敏感方向施加外磁场时,磁电阻R39和R39’的阻值变化情况会与磁电阻R40和R40’的阻值变化相反,从而构成推挽输出。该全桥的输出电压为
                           (6)
一般情况下,R39=R39’,R40=R40’,则上式可简化为:
                      (7)
则此Y轴传感器的灵敏度可表示为:
                                (8)
图14为Z轴传感器的结构示意图。该Z轴传感器为推挽全桥结构,该Z轴传感器包括多个磁电阻传感元件15和16,多个Z-磁通量控制器10,电连接导体27以及焊盘28-30,焊盘28-31分别作为电源供应端VBias,接地端GND,电压输出端V+,V-,对应于图1中的焊盘2中最右边的四个焊盘。所有磁电阻传感元件15相互电连接构成了全桥的推臂,所有磁电阻传感元件16相互电连接构成了全桥的挽臂,推臂与挽臂相间隔排列,推臂、挽臂以及焊盘28-30之间通过电连接导体27连接形成推挽全桥。磁电阻传感元件15,16沿着Z-磁通量控制器10的长轴方向排列。在图14中,磁电阻传感元件15,16分别成行排布于Z-磁通量控制器10下方的两侧,被Z-磁通量控制器10覆盖。除了上下两端和最中间的这三个Z-磁通量控制器10,每一Z-磁通量控制器10下方两侧均排布有一行推臂磁电阻传感元件15和一行挽臂磁电阻传感元件16,如果有必要,这三个Z-磁通量控制器10下方也可以排布有磁电阻传感元件15,16。图15为Z轴传感器在Z轴方向的外加磁场106中的磁场分布图。从图中磁力线的分布情况可以看出,外加磁场在Z-磁通量控制器10附近产生扭曲,从而产生了X轴方向的磁场分量,位于Z-磁通量控制器10下方的磁电阻传感元件15和16正好能检测到此分量,但二者所检测到的磁场分量的方向相反,分别为107和108。通过所检测到的X轴磁场分量,便能得知所施加的外加磁场的大小。
图16为Z轴传感器的电路示意图。若干个磁电阻传感元件15电连接构成等效磁电阻R2和R2’,若干个磁电阻传感元件16电连接构成两个等效磁电阻R3和R3’,这四个磁电阻连接构成全桥。当施加Z轴方向的外磁场时,磁电阻R2、R2’和R3、R3’的阻值变化情况会相反,从而构成推挽输出。一般来说,R2’=R2, R3’=R3。从图15中可以得到,该电路的输出电压:
              (9)
则其灵敏度为
                                (10)
图17为Z轴传感器在X轴方向的外加磁场100中的磁场分布图。从图中可以看出,磁电阻传感元件15和16所检测到的磁场相同,这样就会导致磁电阻R2、R2’和R3、R3’的阻值变化情况相同,从而不能形成推挽输出,这样传感器就不会产生响应。
图18为Z轴传感器在Y轴方向的外加磁场101中的磁场分布图。从图中可以看出,Z-磁通量控制器10将Y轴方向的外加磁场完全屏蔽,并且磁电阻传感元件15,16对Y轴方向的磁场不敏感,所以磁电阻传感元件15,16没有检测到任何磁场分量,从而Z轴传感器也不会产生任何响应。
图19为Z轴传感器的输出电压与外加磁场的关系曲线。从图中可以看出,Z轴传感器只能感测到Z轴方向的磁场分量,输出电压Vz38,对X轴和Y轴方向的磁场分量不产生响应,电压Vx36 和Vy37均为0,并且Vz38太阳城集团原点0对称。
以上讨论的是X轴传感器、Y轴传感器和Z轴传感器中的电桥为全桥的情形,由于半桥和准桥的工作原理与全桥相同,在此就不再赘述,上述所得到的结论也同样适用于半桥和准桥结构的单芯片三轴线性磁传感器。
实施例2
图20为本发明中的单芯片三轴线性磁传感器的制备方法,该方法包括以下步骤:(1)将一磁电阻材料薄膜的堆叠沉积在一晶圆上,然后通过相关工艺来设置该磁电阻材料薄膜堆叠上钉扎层的磁化方向,优选的,是在磁场中进行热退火来设置钉扎层的磁化方向沿相同方向,并设置其电学特性和磁性特性,包括阻抗、阈值电压、磁滞、各向异性及饱和磁场等,其中磁性特性是针对钉扎层和自由层,电学特性是针对隧道结的。该磁电阻材料薄膜堆叠中钉扎层用阻挡温度为TB1的反铁磁材料来进行钉扎,自由层用阻挡温度为TB2的第二反铁磁材料来进行偏置,其中TB1>TB2。在磁场中进行热退火也可以为双步骤热磁退火,其包括以下步骤:首先是在温度为T1的磁场中将所述晶圆进行退火,其中T1>TB1;接着是在温度为T2的磁场中进行冷却,其中TB1>T2>TB2;在所述晶圆温度冷却到T2之后,将所述晶圆或者外加磁场的方向旋转90度;再接着将所述晶圆冷却至温度T3,撤去外加磁场,其中TB2>T3;最后将晶圆冷却至室温。
该磁电阻材料薄膜上包括有种子层,在该种子层上可生成GMR或者TMR元件。
(2)在沉积有磁电阻材料薄膜的堆叠的晶圆上构建底部电极,并通过使用光刻、离子刻蚀、反应离子刻蚀、湿式蚀刻、剥离或者硬掩膜等工艺来在相同磁电阻材料薄膜上在同一工艺过程中同时构建出X轴传感器、Y轴传感器和Z轴传感器中磁电阻传感元件;
(3)在磁电阻传感元件上方沉积一绝缘层Ⅰ,并通过光刻、离子刻蚀、反应离子刻蚀或者湿式蚀刻等工艺来形成为磁电阻传感元件形成电连接的通孔,该通孔可为自对准接触孔,通过剥离工艺或者硬掩膜工艺来形成。
(4)  在通孔上沉积一顶部金属层,将该顶部金属层构建成顶部电极,并在各元件之间进行布线;
(5)在顶部金属层上沉积一绝缘层Ⅱ,再在绝缘层Ⅱ上沉积上一软铁磁合金材料层(例如NiFe),如有需要,也可在绝缘层Ⅱ上先沉积一用于构建电磁线圈的导体,再在电磁线圈上沉积绝缘层Ⅲ,接着在绝缘层Ⅲ上沉积一软铁磁合金材料层,再在软铁磁合金材料层上同时构建出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时沉积一钝化层,再在对应底部电极和顶部电极的位置上对钝化层进行刻蚀、通孔,形成对外连接的焊盘。
完成上述步骤后的单芯片三轴线性磁传感器的剖面示意图如图21所示。图21中从左往右依次对应的是X轴传感器、Y轴传感器和Z轴传感器。其中, 由于Y轴传感器中的左右桥臂对称,所以只显示了其中一个桥臂上的Y-磁通量控制器23以及其间隙处的磁电阻传感元件13。在本实施例中,上述步骤中的磁电阻元件为MTJ元件。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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一种 芯片 轴线 传感器 及其 制备 方法
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