磁傳感裝置及其制備方法

磁傳感裝置及其制備方法
【專利摘要】本發明揭示了一種磁傳感裝置及其制備方法，所述磁傳感裝置包括基底、導磁單元、感應單元、隔離單元；基底表面開有溝槽；導磁單元的主體部分設置于溝槽內，并有部分露出溝槽，用以感應第三方向的磁信號，并將該磁信號輸出到感應單元進行測量；感應單元用以測量第一方向或/和第二方向的磁場，結合導磁單元輸出的磁信號后能測量被導磁單元引導到第一方向或/和第二方向測量的第三方向磁場；感應單元包括第一磁材料層、電極層，導磁單元的磁材料與第一磁材料層部分斷開（由隔離單元分隔），部分連接在一起。本發明可降低從感應單元流向導磁單元電流的比例，降低OFF-SET，同時導磁單元采集的Z軸磁信號能高效地送入感應單元進行測試，綜合性能具有競爭力。
【專利說明】磁傳感裝置及其制備方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬于磁傳感【技術領域】，涉及一種傳感器，尤其涉及一種三軸磁傳感裝置；同 時，本發明還涉及一種三軸磁傳感裝置的制備方法。

【背景技術】
[0002] 電子羅盤是磁傳感器的重要應用領域之一，隨著近年來消費電子的迅猛發展，除 了導航系統之外，還有越來越多的智能手機和平板電腦也開始標配電子羅盤，給用戶帶來 很大的應用便利，近年來，磁傳感器的需求也開始從兩軸向三軸發展。兩軸的磁傳感器，即 平面磁傳感器，可以用來測量平面上的磁場強度和方向，可以用X和Y軸兩個方向來表示。
[0003] AMR磁傳感器采用各向異性磁致電阻（AnisotropicMagnet〇-Resistance)材料來 檢測空間中磁感應強度的大小。
[0004] 為了使測量結果以線性的方式變化，AMR陣列上的金屬導線呈45°角傾斜排列， 電流從AMR材料上流過經金屬導線后電流的流向與AMR線的角度旋轉45°，如圖1所示即 在沒有外加磁場的情況下AMR線自極化方向與電流呈現45 °的夾角。
[0005] 當存在外界磁場Ha時，AMR單元上的極化方向就會發生變化而不再是初始的方 向，那么磁場方向M和電流I的夾角0也會發生變化，如圖2所示，從而引起AMR自身阻 值的變化。
[0006] 通過對AMR單元電阻變化的測量，可以得到外界磁場的強度和方向。在實際的應 用中，為了提高器件的靈敏度等，磁傳感器可利用惠斯通電橋或半電橋檢測AMR阻值的變 化，如圖3所示。R1/R2/R3/R4是初始狀態相同的AMR電阻R0,當檢測到外界磁場的時候， R1/R2阻值增加AR而R3/R4減少AR(或相反）。這樣在沒有外界磁場的情況下，電橋的 輸出為零；而在有外界磁場時，電橋的輸出為一個微小的電壓AV。
[0007]目前的三軸傳感器是將一個平面（X、Y兩軸）傳感部件與Z方向的磁傳感部件 (將X/Y方向堅在基板上)進行系統級封裝組合在一起，以實現三軸傳感的功能；也就是說需 要將平面傳感部件及Z方向磁傳感部件分別設置于兩個圓晶或芯片上，最后通過封裝與外 圍電路連接在一起，一個傳感器器件里面可能包含三個分立的芯片。這樣的方法的優點是 具有較好Z軸性能(與X、Y軸的性能基本一樣)，技術門檻較低，但是對封裝要求很高，引入 較高封裝成本(封裝的成本占據整個芯片成本的很大部分)，另一方面，這種方法得到的器 件的可靠性較差，器件的尺寸也難以進一步縮小。
[0008] 因此，實現同一芯片上的三軸磁傳感器芯片的制造是未來發展的方向，為了實現 這個目標，本 申請人:于2012年12月24日申請了一件發明專利，名稱為《一種磁傳感裝置的 制備工藝》，專利號為201210563952. 5 ;該器件結構和工藝中，將導磁單元設置于溝槽中，導 磁單元用于感應Z軸方向的磁場送入感應單元進行測量；感應單元則靠近溝槽設置，能接 收導磁單元的信號，并根據該信號測量出Z軸方向的磁場。如此，實現了單芯片的三軸磁傳 感器。
[0009] 基于Z軸方向的磁場獲取方式，有些方案導磁單元(溝槽部分）與感應單元之間不 設縫隙，有些則設置縫隙，如圖4、圖6所示。這兩者的差別在于導磁單元與感應單元完全隔 開或者是完全連接。
[0010] 此外，如上所述，在磁傳感器采用的惠斯通電橋中，在理想的情況下，R1/R2/R3/R4 是初始狀態相同的AMR電阻R0,因為電橋出于平衡的狀態，在輸出端的輸出電壓為0 ;但是 在實際的應用中，因為各種原因，R1/R2/R3/R4的電阻并不嚴格相等(例如等于R0)，因此電 橋的平衡就會被打破，一旦平衡打破，在輸出端就有電壓輸出，這種在沒有外界磁場狀態下 因為電橋不平衡而有電壓的輸出就稱為零點偏移（0FF-SET)，這個參數與靈敏度成為磁傳 感器最重要的兩個參數。較大的0FF-SET，代表著電橋嚴重的不平衡，如圖8所示，正向和反 向掃描的兩條曲線相交不在原點，即在沒有任何外場的情況下電橋也是有數值的輸出，如 果該OFF-SET值太大，給ASIC外圍電路的信號處理帶來挑戰，ASIC其中一個重要的功能就 是進行OFF-SET的補償，OFF-SET值太大補償則會失敗。
[0011] 回到上述的Z軸磁傳感器的方案中，沒有縫隙的方案，磁感應靈敏度較好是其 特點，但缺點是具有較大的OFF-SET，對磁傳感器的影響顯而易見。之所以產生較大的 0FF-SET，是因為沒有縫隙的時候，磁材料上方的金屬電極對之間的電流會通過溝槽側壁的 磁導電材料進行分流，加上側壁的磁材料的厚度因為工藝的原因往往有較大差異(溝槽一 側的磁材料厚度往往與另一側不同，來源于磁控溉射存在一定的方向性)，電橋的四個橋臂 的電阻可能有差異，即會導致較大的OFF-SET值（四個橋臂之間的電阻相差1%是很容易的， 但是1%的差值導致的OFF-SET是完全不能接受的)。同時，在溝槽側壁磁導電材料上的分 流也會影響器件的靈敏度和其他性能。
[0012] 而上述本 申請人:之前申請的《一種磁傳感裝置的制備工藝》的方案中，將導磁單元 (溝槽部分)與感應單元之間設置縫隙。設置縫隙的方案中，因為縫隙的存在，感應單元與導 磁單元之間電學絕緣，感應單元上的電流不會流到溝槽的導磁單元里去，因此，OFF-SET就 得到很好的控制，但是因為縫隙的存在，有可能降低器件的信號，磁信號通過導磁單元與感 應單元中間設置的介質材料的時候會有損耗，感應單元最后接受到的磁信號相對較弱，從 而影響靈敏度，我們的研究發現Z軸傳感器器件的靈敏度與縫隙的尺寸相關。
[0013] 有鑒于此，如今迫切需要設計一種新的磁傳感裝置，以便克服現有磁傳感器的上 述缺陷，實現綜合能力更強的器件結構，并降低對配對ASIC電路的要求。


【發明內容】

[0014] 本發明所要解決的技術問題是：本發明提供一種磁傳感裝置，可有效地降低從感 應單元流向導磁單元電流的比例，降低0FF-SET，同時導磁單元獲得的Z軸磁信號能夠在較 少損耗的前提下送入感應單元進行檢測，綜合性能具有競爭力。
[0015] 此外，本發明還提供一種磁傳感裝置的制備方法，制得的磁傳感裝置可有效地降 低從感應單元流向導磁單元電流的比例，同時抱著導磁單元獲得的Z軸磁信號能夠在較少 損耗的前提下送入感應單元進行測試，綜合性能具有競爭力。
[0016] 為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：
[0017] -種磁傳感裝置，所述裝置包括第三方向磁傳感部件，該第三方向磁傳感部件包 括：
[0018] -基底，其表面開有溝槽；
[0019]-導磁單元，其主體部分設置于溝槽內，并有部分露出溝槽至基底表面，用以感應 第三方向的磁信號，并將該磁信號輸出到感應單元進行測量；
[0020] -感應單元，用以測量第一方向或/和第二方向的磁場，結合導磁單元輸出的磁信 號，能測量被導磁單元引導到第一方向或/和第二方向測量的第三方向磁場；第一方向、第 二方向、第三方向兩兩相互垂直；
[0021] 所述感應單元包括第一磁材料層、電極層，所述導磁單元、第一磁材料層部分由隔 離單元斷開，部分連接在一起；所述電極層包括平行設置的若干電極，所述導磁單元靠近各 電極的一側設有若干隔離通孔，隔離通孔貼近對應的電極設置，隔離通孔恰好將電極與導 磁單元部分或者全部分隔開；
[0022] 所述磁傳感裝置還包括第一磁傳感器、第二磁傳感器，分別用以感應與基底表面 平行的第一方向、第二方向的磁信號；第一方向、第二方向相互垂直。
[0023] 優選地，感應單元的第一磁材料層、電極層之間有絕緣介質材料層。
[0024] 一種磁傳感裝置，所述裝置包括第三方向磁傳感部件，該第三方向磁傳感部件包 括：
[0025]基底，其表面開有溝槽；
[0026] 導磁單元，其主體部分設置于溝槽內，并有部分露出溝槽至基底表面，用以感應第 三方向的磁信號，并將該磁信號輸出到感應單元進行測量；
[0027] 感應單兀，用以測量第一方向或/和第二方向的磁場，結合導磁單兀輸出的磁信 號，能測量被導磁單元引導到第一方向或/和第二方向測量的第三方向磁場；第一方向、第 二方向、第三方向兩兩相互垂直；所述感應單元包括第一磁材料層、電極層，所述導磁單元、 第一磁材料層部分由隔離單元斷開，部分連接在一起。
[0028] 作為本發明的一種優選方案，所述磁傳感裝置還包括第一磁傳感器、第二磁傳感 器，分別用以感應與基底表面平行的第一方向、第二方向的磁信號；第一方向、第二方向相 互垂直。
[0029] 作為本發明的一種優選方案，所述導磁單元包括四個導磁子單元，分別為第一導 磁子單元、第二導磁子單元、第三導磁子單元、第四導磁子單元；
[0030] 所述感應單元包括四個感應子單元，分別為第一感應子單元、第二感應子單元、第 三感應子單元、第四感應子單元；
[0031] 所述第一導磁子單元與第一感應子單元配合，作為第三方向磁傳感部件的第一感 應豐吳塊；
[0032] 所述第二導磁子單元與第二感應子單元配合，作為第三方向磁傳感部件的第二感 應豐吳塊；
[0033] 所述第三導磁子單元與第三感應子單元配合，作為第三方向磁傳感部件的第三感 應豐吳塊；
[0034]所述第四導磁子單元與第四感應子單元配合；作為第三方向磁傳感部件的第四感 應豐吳塊；
[0035] 上述各感應子單元包括磁材料層，該磁材料的電阻隨著磁場強度的方向變化；
[0036] 所述基底設有一列或若干列溝槽，一列溝槽由一個長溝槽構成，或者一列溝槽包 括若干子溝槽；
[0037] 各導磁子單元包括若干磁性構件，各磁性構件的主體部分設置于對應的溝槽內， 并有部分露出于溝槽外。
[0038] 作為本發明的一種優選方案，所述導磁單元包括分別設置于溝槽的兩側的第一導 磁部分、第二導磁部分；第一導磁部分、第二導磁部分的主體部分設置于溝槽內，并有部分 露出溝槽至基底表面；第一導磁部分及第二導磁部分用以收集垂直方向的磁場信號，并將 該磁場信號輸出至感應單元；
[0039] 所述感應單元設置于溝槽的兩側、所述基底表面上，與所述溝槽中的第一導磁部 分及第二導磁部分相互配合；所述感應單元是感應與基底表面平行方向的磁傳感器，用以 接收所述導磁單元輸出的來自垂直方向的磁信號，并根據該磁信號測量出垂直方向對應的 磁場強度及磁場方向；所述垂直方向為基底表面的垂直方向。
[0040] 作為本發明的一種優選方案，所述電極層包括平行設置的若干電極，所述導磁單 元靠近各電極的一側設有若干隔離通孔，隔離通孔貼近對應的電極設置，隔離通孔恰好將 電極與導磁單元部分或者全部分隔開；
[0041] 作為本發明的一種優選方案，所述電極層包括平行設置的若干電極，所述導磁單 元靠近各電極的一側設有若干隔離通孔；
[0042] 所述隔離通孔的一端靠近電極設置，或者隔離通孔的一端位于兩個電極之間；
[0043] 一個電極對應一個隔離通孔，或者一個電極對應多個隔離通孔；一個隔離通孔對 應一個電極，或者一個隔離通孔對應多個電極；每個電極均設有對應的隔離通孔，或者部分 電極周邊不設置隔離通孔。
[0044] 作為本發明的一種優選方案，感應單元的第一磁材料層、電極層之間有絕緣介質 材料層。
[0045] 作為本發明的一種優選方案，所述的基底具有外圍電路。
[0046] 作為本發明的一種優選方案，所述的磁材料層包括一層或者多層的保護層材料。
[0047] 作為本發明的一種優選方案，所述隔離通孔沿基底平面的截面為矩形或梯形或三 角形或多邊形。
[0048] -種磁傳感裝置的制備方法，所述制備方法包括第三方向磁傳感部件的制備步 驟，具體包括：
[0049] 步驟Sl、在基底表面上形成溝槽；
[0050] 步驟S2、在所述設有溝槽的基底上沉積磁材料，形成磁材料層，磁材料層的一部分 位于基底上表面，另一部分位于溝槽內；
[0051] 步驟S3、圖形化，生成磁傳感器的圖形，形成感應單元的第一磁材料層；同時形成 隔離通孔，并通過溝槽的應用形成導磁單元；所述導磁單元、第一磁材料層因隔離通孔存在 部分斷開，部分連接在一起；
[0052] 所述導磁單元的主體部分設置于溝槽內，用以感應第三方向的磁信號，并將該磁 信號輸出到感應單元進行測量；感應單元靠近溝槽設置，與導磁單元之間部分連接、部分斷 開，用以測量第一方向或/和第二方向的磁場，結合導磁單兀輸出的磁信號，能測量被導磁 單兀引導到第一方向或/和第二方向的第三方向磁場；第一方向、第二方向、第三方向兩兩 相互垂直；
[0053] 步驟S5、金屬電極的沉積和圖形化,形成感應單元的電極層；
[0054] 步驟S6、沉積絕緣介質材料，制造通孔和電極，即在單芯片上形成三軸傳感器。
[0055] 作為本發明的一種優選方案，所述步驟S2中，采用的基底是具有電路的基底。
[0056] 作為本發明的一種優選方案，所述步驟S2中，在所述磁材料層上沉積一層或多層 保護材料，形成一層或多層保護材料層。
[0057] 作為本發明的一種優選方案，所述步驟S3中，一次性形成感應單元的第一磁材料 層、導磁單元，以及第一磁材料層與導磁單元之間的隔離通孔；或者分多次，分別形成感應 單元的第一磁材料層、導磁單元，以及第一磁材料層與導磁單元之間的隔離通孔。
[0058] 作為本發明的一種優選方案，所述步驟S3與步驟S5之間還包括步驟S4:填充絕 緣介質材料，開通孔。
[0059] 本發明的有益效果在于：本發明提出的磁傳感裝置及其制備方法，感應單元與導 磁單元之間存在規律排列的隔離單元，隔離單元能夠有效地降低從感應單元流向導磁單元 電流的比例，對于降低電橋的OFF-SET具有顯著的效果，同時導磁單元采集的Z軸磁信號能 夠高效地送入感應單元進行測試，綜合性能具有競爭力，并且制造工藝簡單，成本較低。
[0060] 本發明的方案中，導磁部分與感應單元（sensor部分）之間有部分的連接，但是又 被一些隔離單元隔開，這樣的好處在于：導磁部分與感應單元之間沒有縫隙的靈敏度比較 好，但是OFF-SET很差(偏移的厲害)，代表著電橋的很不平衡。而有縫隙的信號較弱，但偏 移OFF-SET比較好(偏移較少）；有縫隙在感應單元上的電流不會流到溝槽里去，是OFF-SET 的主要來源之一。本發明結合了上述兩種的特點和優點，在靈敏度和OFF-SET之間做很好 的平衡。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0061] 圖1為現有磁傳感裝置的磁性材料及導線的結構示意圖。
[0062] 圖2為有無外場情況下磁場方向和電流方向的夾角示意圖。
[0063] 圖3為惠斯通電橋的連接圖。
[0064] 圖4-1為導磁單元與感應單元之間沒有縫隙的磁傳感器的結構示意圖。
[0065] 圖4-2為圖4-1的截面圖。
[0066] 圖5為導磁單元與感應單元之間沒有縫隙的磁傳感器將溝槽側壁磁材料展開后 的俯視等效圖。
[0067] 圖6-1為導磁單元與感應單元之間有縫隙的磁傳感器的結構示意圖。
[0068] 圖6-2為圖6-1的截面圖。
[0069] 圖7為導磁單元與感應單元之間有縫隙的磁傳感器將溝槽側壁磁材料展開后的 俯視等效圖。。
[0070] 圖8為具有較大OFF-SET的器件電橋測試示意圖。
[0071] 圖9為實施例一中本發明磁傳感裝置的俯視圖。
[0072] 圖10為圖9的A-A向剖視圖。
[0073] 圖11為圖9的B-B向剖視圖。
[0074] 圖12為實施例二中磁傳感裝置的俯視圖。
[0075] 圖13為制備方法中步驟Sl后的示意圖。
[0076] 圖14為制備方法中步驟S3后的示意圖。
[0077] 圖15為圖14的剖視圖(剖面穿過隔離通孔)。
[0078] 圖16為圖14的剖視圖(剖面不穿過隔離通孔)。
[0079] 圖17為制備方法中步驟S4后的示意圖（剖面不穿過隔離通孔)。
[0080] 圖18為制備方法中步驟S4后的另一示意圖（剖面穿過隔離通孔)。
[0081] 圖19為實施例三中磁傳感裝置的示意圖（隔離通孔的一端位于兩個電極之間）。
[0082] 圖20為實施例三中磁傳感裝置的示意圖（一個電極對應多個隔離通孔)。
[0083] 圖21為磁傳感裝置一個組成單元的組成示意圖。
[0084] 圖22為實施例四中磁傳感裝置一個組成單元的組成示意圖。
[0085] 圖23為圖9對應的磁傳感裝置的立體圖（隔離通孔的截面為矩形)。
[0086] 圖24為圖12對應的磁傳感裝置的立體圖（隔離通孔的截面為梯形)。
[0087] 圖25為實施例二中的隔離通孔的截面為橢圓形的磁傳感裝置的立體圖。
[0088] 圖26為實施例六中磁傳感裝置沿沒有隔離通孔方向的投影圖。
[0089] 圖27為實施例六中磁傳感裝置沿有隔離通孔方向的投影圖。
[0090] 圖28為實施例六中本發明磁傳感裝置的俯視圖。

【具體實施方式】
[0091] 下面結合附圖詳細說明本發明的優選實施例。
[0092] 實施例一
[0093] Z軸磁傳感器包括導磁單元與感應單元，溝槽內的導磁部分與感應單元之間沒有 縫隙時候的磁傳感器如圖4-1所示，其截面圖如圖4-2所示，圖5是將溝槽側壁磁材料展 開后的俯視等效圖，可以看到該結構導磁單元30與感應單元的磁材料層21直接連接。這 種結構的特點是：沒有縫隙的靈敏度比較好，但是因為磁性材料也是導電材料，因此在磁性 材料上方的電極22對之間流通的電流會分流到溝槽的側壁，因此器件電橋測試時得到的 OFF-SET很差，代表著電橋很不平衡，從圖8中可以看到，兩線相交不在原點，這樣ASIC外圍 電路很難處理這樣的信號。
[0094] 溝槽部分與感應單元之有狹縫的磁傳感器如圖6-1所示、圖7所示，其截面圖如圖 6-2所示。其特點是：溝槽部分與感應單元之間是有縫的，有縫隙的信號較弱但OFF-SET比 較好(有縫隙的結構在傳感單元電極對之間流的電流不會流到溝槽里去，而這部分電流是 OFF-SET的主要來源之一，原因前面已經解釋過)。
[0095] 通過我們的研究表明，在導磁單元與感應單元之間設置絕緣的隔離單元，從感應 單元上流向溝槽的電流將下降20%以上，對于OFF-SET的降低很有幫助。因此，本發明提出 一種新的器件結構，在導磁部分與感應單元之間設置有隔離單元，但是兩者之間又有部分 相連接；隔離單元能夠降低流向溝槽的電流比例，降低0FF-SET，同時又不至于明顯降低器 件的靈敏度；因此，本發明結合了上述兩種方案的特點和優點，在靈敏度和OFF-SET之間做 很好的平衡，具有良好的綜合性能。
[0096] 本發明揭不了一種三軸磁傳感裝置，包括Z軸磁傳感器、X軸磁傳感器、Y軸磁傳 感器，X軸磁傳感器、Y軸磁傳感器分別用以感應與基底表面平行的X軸、Y軸方向的磁信 號。當然，三軸磁傳感裝置也可以包括三個磁傳感器，分別感應第一方向、第二方向、第三方 向的磁信號，第一方向、第二方向、第三方向兩兩相互垂直。
[0097] 請參閱圖9,所述Z軸磁傳感器的結構如圖9所示（圖23為其對應的立體圖)，圖中 沿A-A方向和B-B方向的投影分別如圖10和圖11所示（A-A方向的投影上感應單元與導 磁單元連接，在B-B方向的投影上感應單元與導磁單元不連接)。所述Z軸磁傳感器主要包 括基底10、導磁單元30、感應單元20。
[0098] 基底10的表面開有溝槽。具體地，所述基底10可以設有一列或若干列溝槽，一列 溝槽由一個長溝槽構成，或者一列溝槽包括若干子溝槽。基底10上可以含有集成電路，例 如外圍控制電路。
[0099] 導磁單元30的主體部分設置于溝槽內，并有部分露出溝槽至基底10表面，用以感 應Z軸方向的磁信號，并將該磁信號輸出到感應單元20進行測量。
[0100] 感應單元20除了測量X軸或/和Y軸方向的磁場，還能測量被導磁單元30引導 到X軸或/和Y軸方向測量的Z軸方向磁場。所述感應單兀30包括第一磁材料層21、電 極層22,所述導磁單元30、第一磁材料層21由隔離通孔40部分斷開，部分連接在一起。第 一磁材料層21、電極層22之間可以有絕緣材料層，并在電極與第一材料層相交的位置開有 通孔。導磁單元包括設置于基底的磁材料層，為了與第一磁材料層區分，可以稱其為第二磁 材料層；第二磁材料層與第一磁材料層是同一層磁材料。所述的磁材料層除了一層或者多 層的磁性材料層外(如可以是單層的AMR材料，或者多層的GMR或者TMR材料)，磁材料層還 可包括保護層材料；電極層22包括若干電極(優選是平行設置的)，所述導磁單元30靠近各 電極的一側設有若干絕緣隔離通孔40,絕緣隔離通孔40貼近對應的電極設置，隔離通孔40 恰好將電極與導磁單元30分隔開，在后續的實施例中還有部分分隔開的案例。
[0101] 本實施例中，電極與溝槽形成45°夾角(此夾角可以根據實際的要求進行調整，一 般來講，選擇45°的輸出具有較好的線性度)，隔離通孔40的長度(沿溝槽延伸方向）為電 極寬度的1舊倍到利&倍,優選為^^倍,且貼近電極設置,可以將電極與導磁單元30電學隔 離開；寬度在1納米到1〇〇微米之間，例如10或50納米或200納米或500納米，采用較小 的寬度對于進一步提高器件的靈敏度還略有幫助，然而，顯然會對器件的制造工藝提出很 高的要求，較難實現。當然，隔離通孔40的寬度可以大于電極寬度的巧?倍，優選位置是貼 近電極的一端設置，將電極與導磁單元30隔離開。本實施例中，所述隔離通孔40沿基底10 平面的截面為矩形，不過顯然這種絕緣的隔離通孔形狀可以是任何的形狀。
[0102] 請參閱圖21，所述導磁單元30包括四個導磁子單元，分別為第一導磁子單元、第 二導磁子單元、第三導磁子單元、第四導磁子單元。各導磁子單元包括若干磁性構件，各磁 性構件的主體部分設置于對應的溝槽內，并有部分露出于溝槽外；露出部分靠近對應感應 子單元的磁材料層設置。
[0103] 所述感應單元包括四個感應子單元，分別為第一感應子單元、第二感應子單元、第 三感應子單元、第四感應子單元。上述各感應子單元包括磁材料層21，該磁材料層21的磁 材料的電阻與磁場強度的方向相關，磁材料的電阻隨磁場強度及方向的變化而變化。
[0104] 所述第一導磁子單元與第一感應子單元配合，作為Z軸磁傳感部件的第一磁傳感 模塊；所述第二導磁子單元與第二感應子單元配合，作為Z軸磁傳感部件的第二磁傳感模 塊；所述第三導磁子單元與第三感應子單元配合，作為Z軸磁傳感部件的第三磁傳感模塊； 所述第四導磁子單元與第四感應子單元配合；作為Z軸磁傳感部件的第四磁傳感模塊。
[0105] 圖21所示的磁傳感裝置采用惠斯通電橋結構，可以更加靈敏地測量外界磁場。在 實際的應用中，也可以采用一個導磁子單元和一個感應子單元，即可以測量磁場，在此不再 贅述。
[0106] 需要指出的是，本實施例中，為了能夠直接抵消每對磁傳感模塊在X軸方向或/和 Y軸方向上的磁場信號輸出，需要將兩個磁傳感模塊的三個要素做設定設置。
[0107] 每對相配合的兩個磁傳感模塊的三個要素包括如下：
[0108] (1)溝槽與感應單元的相對位置；溝槽設置在對應感應單元的一側，或者另一側； 導磁單元位于感應單元左側，其將第三方向磁場引導到基底表面的一個方向，導磁單元位 于感應單元右側，其將第三方向磁場引導到基底表面的另一個方向；
[0109] (2)感應單元在外激發磁場下獲得的初始磁化方向；可設置兩個磁傳感模塊的初 始磁化方向相同或相反；
[0110] (3)磁傳感模塊中的電流方向；兩個磁傳感模塊的電流方向設置成相同或正交。
[0111] 每對相配合的兩個磁傳感模塊的三要素中，第一個要素設置為相反，其余兩個要 素設置為相同；或均設置為相反。當然，本發明有很多種變形，本實施例及后續實施例僅揭 示其中幾個典型的方案。
[0112] 優選地，每對相配合的兩個磁傳感模塊均相互平行設置，即兩個相配合的磁傳感 模塊中感應單元的磁材料層的初始磁化方向相同或相反，且兩個磁傳感模塊溝槽的走向平 行或重合。若兩個磁傳感模塊并非平行設置，則在比對前，先將兩個磁傳感模塊旋轉至平 行，而后再進行比對。
[0113] 進一步地，各磁傳感模塊均相互平行設置，相連接的兩個磁傳感模塊的三要素中， 第一個要素設置為相反，同時另外兩個要素設置為相同；或者均設置為相反。
[0114] 以上介紹了本發明磁傳感裝置的組成，本發明在揭示上述磁傳感裝置的同時，還 揭示一種磁傳感裝置的制備方法，所述制備方法包括第三方向磁傳感部件的制備步驟，具 體包括：
[0115] 【步驟Sl】如圖13所示，在可具有CMOS電路的基底表面上形成溝槽，溝槽是絕緣 的，如有必要可以在溝槽形成后在溝槽和基底的表面沉積一層或者多層的介質層材料；
[0116] 【步驟S2】在所述設有溝槽的基底上沉積一層或者多層磁材料，形成磁材料層，例 如是AMR材料，GMR或者TMR材料。磁材料層的一部分位于基底上表面，另一部分位于溝槽 內。其中，通常會繼續在所述磁材料層上繼續沉積一層或多層保護材料，形成一層或多層保 護材料層。
[0117] 【步驟S3】圖形化，生成磁傳感器的圖形，形成感應單元的第一磁材料層；同時通過 溝槽的應用形成導磁單元，即在單芯片上形成三軸傳感器的磁材料陣列（另外兩軸XY傳感 器在圖形化的過程中同時形成）；俯視圖如圖14所示，與此同時，在導磁單元與感應單元之 間形成了隔離通孔，將所述導磁單元、第一磁材料層部分斷開，部分連接在一起。形成的隔 離通孔的器件結構，如圖14至圖16所示；圖15、圖16為圖14中在有無隔離通孔位置的不 同剖面剖視圖。隔離通孔40設置于所述導磁單元30靠近各電極的一側，隔離通孔40貼近 對應的電極設置，隔離通孔40恰好將電極與導磁單元30分隔開。
[0118] 所述導磁單元的主體部分設置于溝槽內，用以感應第三方向的磁信號，并將該磁 信號輸出到感應單元進行測量；感應單元靠近溝槽設置，與導磁單元之間部分連接、部分斷 開，用以測量第一方向或/和第二方向的磁場，結合導磁單兀輸出的磁信號，能測量被導磁 單兀引導到第一方向或/和第二方向的第三方向磁場；第一方向、第二方向、第三方向兩兩 相互垂直。
[0119] 其中，可以一次性形成感應單元的第一磁材料層、導磁單元，以及第一磁材料層與 導磁單元之間的隔離通孔；也可以分多次，分別形成感應單元的第一磁材料層、導磁單元， 以及第一磁材料層與導磁單元之間的隔離通孔。
[0120] 【步驟S4】可以直接在上述磁材料層上沉積金屬層，并進行圖形化。也可以先沉積 絕緣材料，如圖17、圖18所示，填充絕緣介質材料；在隔離通孔的位置因為填充了絕緣介質 材料成為了絕緣的隔離通孔，如圖18所示。
[0121]【步驟S5】打開絕緣介質材料層窗口，直到露出磁材料層（或保護層)，隨后進行金 屬電極的沉積和圖形化，形成感應單元的電極層；
[0122] 【步驟S6】沉積介質材料層、化學機械拋光、制造通孔和電極。
[0123]【步驟S7】外圍電路的制造，采用的基底為具有ASIC的基底。
[0124] 實施例二
[0125] 本實施例與實施例一的區別在于，本實施例中，隔離通孔的截面可以是梯形、橢圓 形等其他形狀(如任意多邊形，還可以包含不規則圖形)，其尺寸和形狀根據實際的需求可 以調節。
[0126] 其中，隔離通孔的截面為梯形的結構如圖12所示(立體圖見圖24所示);隔離通孔 的截面為橢圓形的結構如圖25所示。例如三角形的圖形在此就不再贅述。
[0127] 實施例三
[0128] 本實施例與實施例一的區別在于，本實施例中，所述隔離通孔的一端可以位于兩 個電極之間，而不是電極下方，如圖19所示。
[0129] 一個電極對應一個隔離通孔(如圖9、圖12、圖19所示)，或者一個電極對應多個隔 離通孔(如圖20所示)。一個隔離通孔對應一個電極(如圖9、圖12、圖19所示)，或者一個 隔離通孔對應多個電極。每個電極均設有對應的隔離通孔，或者部分電極周邊不設置隔離 通孔。
[0130] 或者是結合圖19和圖20所示的隔離通孔的設置，起到更好的電流隔離效果。
[0131] 實施例四
[0132] 請參閱圖22,本實施例與實施例一的區別在于，本實施例中，所述第三方向磁傳感 部件包括第一磁傳感模塊101、第二磁傳感模塊102、第三磁傳感模塊103、第四磁傳感模塊 104。各磁傳感模塊平行設置，或中心在同一直線上；即各磁傳感模塊中感應單元的磁材料 層的初始磁化方向相同或相反，且各磁傳感模塊溝槽的走向平行或重合。
[0133] 所述第一磁傳感模塊101的第一端、第二磁傳感模塊102的第一端接地，第一磁傳 感模塊101的第二端連接第四磁傳感模塊104的第一端，第二磁傳感模塊102的第二端連 接第三磁傳感模塊103的第一端，第三磁傳感模塊103的第二端、第四磁傳感模塊104的第 二端連接電源；第一磁傳感模塊101的第二端、第二磁傳感模塊102的第二端之間連接有電 壓表（即是電信號輸出）。電源、電壓表及接地的位置可以為其他(如接地與電源的位置可互 換，電源與電壓表的位置可互換等等)，這里僅做舉例。
[0134] 所述第一磁傳感模塊101中，感應單元的各個部分配合的溝槽設置在感應單元該 配合部分的第一側；感應單元的磁材料層初始磁化方向為第A方向；電流方向為第B方向；
[0135] 所述第二磁傳感模塊102中，感應單元的各個部分配合的溝槽設置在感應單元該 配合部分的第二側；感應單元的磁材料層初始磁化方向為與第A方向相反的方向；電流方 向為與第B方向垂直的方向；
[0136] 所述第三磁傳感模塊103中，感應單元的各個部分配合的溝槽設置在感應單元該 配合部分的第一側；感應單元的磁材料層初始磁化方向為與第A方向相同的方向；電流方 向為與第B方向平行的方向；
[0137] 所述第四磁傳感模塊104中，感應單元的各個部分配合的溝槽設置在感應單元該 配合部分的第二側；感應單元的磁材料層初始磁化方向為與第A方向相反的方向；電流方 向為與第B方向垂直的方向。
[0138] 從圖22中可以看到，各磁傳感模塊均相互平行設置，相連接的兩個磁傳感模塊 (如磁傳感模塊101與磁傳感模塊102之間，磁傳感模塊101與磁傳感模塊104之間）的三 要素中，有一個要素設置為相反，同時兩個要素設置為相同；或者三個要素均設置為相反。
[0139] 所述導磁單元及感應單元均包括磁材料層；所述磁材料層的材料為磁阻材料，為 各項異性磁阻（AMR)材料，或為巨磁阻（GMR)材料，或為隧道磁阻TMR材料；特征是隨著磁場 的變換，材料的電阻率發生變換。磁傳感器的原理是各向異性磁傳感器AMR、也可以是TMR 和GMR。
[0140] 實施例五
[0141] 優選地，所述導磁單元包括分別設置于溝槽的兩側的第一導磁部分、第二導磁部 分；第一導磁部分、第二導磁部分的主體部分設置于溝槽內，并有部分露出溝槽至基底表 面；第一導磁部分及第二導磁部分用以收集垂直方向的磁場信號，并將該磁場信號輸出至 感應單元；
[0142] 所述感應單元設置于溝槽的兩側、所述基底表面上，與所述溝槽中的第一導磁部 分及第二導磁部分相互配合；所述感應單元是感應與基底表面平行方向的磁傳感器，用以 接收所述導磁單元輸出的來自垂直方向的磁信號，并根據該磁信號測量出垂直方向對應的 磁場強度及磁場方向；所述垂直方向為基底表面的垂直方向。
[0143] 實施例六
[0144] 本實施例揭示一種磁傳感器的制造方法，具體包括如下步驟：
[0145] 【步驟S1】如圖13所示，在可具有CMOS電路的基底表面上形成溝槽，溝槽是絕緣 的，如有必要可以在溝槽形成后在溝槽和基底的表面沉積一層或者多層的介質層材料；
[0146] 【步驟S2】在所述設有溝槽的基底上沉積一層或者多層磁材料，形成磁材料層，例 如是NiFe合金材料。NiFe材料的上方繼續沉積TaN保護層。
[0147] 【步驟S3】圖形化，生成磁傳感器的圖形，形成感應單元的第一磁材料層；同時通過 溝槽的應用形成導磁單元，即在單芯片上形成三軸傳感器的磁材料陣列（另外兩軸XY傳感 器在圖形化的過程中同時形成）；俯視圖如圖28所示，與此同時，在導磁單元與感應單元之 間形成了隔離通孔，將所述導磁單元、第一磁材料層部分斷開，部分連接在一起。與前述實 施例的區別在于，在本實施例中，在針對磁材料層進行刻蝕之后，在溝槽的底部和側壁還有 磁材料或保護材料存在，俯視圖如圖28所示。圖28中，在沿沒有隔離通孔方向的投影如圖 26所示，在沿有隔離通孔方向的投影則如圖27所示，可見，在溝槽的側壁和底部都保留有 磁材料層。
[0148] 上述圖形化后，另一種情況是：在溝槽的兩個(或四個）側壁還有磁材料或保護材 料存在，但是溝槽的底部可以去除該磁材料和保護材料(在刻蝕的時候，基底表面和溝槽底 部的材料容易去除)，所以可能只保留側壁的材料。
[0149] 所述導磁單元的主體部分設置于溝槽內，用以感應第三方向的磁信號，并將該磁 信號輸出到感應單元進行測量；感應單元靠近溝槽設置，與導磁單元之間部分連接、部分斷 開，用以測量第一方向或/和第二方向的磁場，結合導磁單兀輸出的磁信號，能測量被導磁 單兀引導到第一方向或/和第二方向的第三方向磁場；第一方向、第二方向、第三方向兩兩 相互垂直。
[0150] 其中，可以一次性形成感應單元的第一磁材料層、導磁單元，以及第一磁材料層與 導磁單元之間的隔離通孔；也可以分多次，分別形成感應單元的第一磁材料層、導磁單元， 以及第一磁材料層與導磁單元之間的隔離通孔。
[0151] 【步驟S4】沉積絕緣介質層。
[0152] 【步驟S5】采用光刻工藝，打開絕緣介質材料層窗口，直到露出磁材料層(或保護 層)，隨后進行金屬電極的沉積和圖形化，形成感應單元的電極層；
[0153] 【步驟S6】沉積介質材料層、化學機械拋光、制造通孔和電極。
[0154] 綜上所述，本發明提出的磁傳感裝置及其制備方法，感應單元與導磁單元之間存 在規律排列的隔離單元，隔離單元能夠有效地降低從感應單元流向導磁單元電流的比例， 對于降低電橋的OFF-SET具有顯著的效果，同時導磁單元采集的Z軸磁信號能夠高效地送 入感應單元進行測試，綜合性能具有競爭力，并且制造工藝簡單，成本較低。
[0155] 這里本發明的描述和應用是說明性的，并非想將本發明的范圍限制在上述實施例 中。這里所披露的實施例的變形和改變是可能的，對于那些本領域的普通技術人員來說實 施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領域技術人員應該清楚的是，在不脫離本發明 的精神或本質特征的情況下，本發明可以以其它形式、結構、布置、比例，以及用其它組件、 材料和部件來實現。在不脫離本發明范圍和精神的情況下，可以對這里所披露的實施例進 行其它變形和改變。
【權利要求】
1. 一種磁傳感裝置，其特征在于，所述裝置包括第三方向磁傳感部件，該第三方向磁傳 感部件包括： -基底，其表面開有溝槽； -導磁單元，其主體部分設置于溝槽內，并有部分露出溝槽至基底表面，用以感應第三 方向的磁信號，并將該磁信號輸出到感應單元進行測量； -感應單兀，用以測量第一方向或/和第二方向的磁場，結合導磁單兀輸出的磁信號， 能測量被導磁單兀引導到第一方向或/和第二方向測量的第三方向磁場；第一方向、第二 方向、第三方向兩兩相互垂直； 所述感應單元包括第一磁材料層、電極層，所述導磁單元、第一磁材料層部分由隔離單 元斷開，部分連接在一起；所述電極層包括平行設置的若干電極，所述導磁單元靠近各電極 的一側設有若干隔離通孔，隔離通孔貼近對應的電極設置，隔離通孔恰好將電極與導磁單 元部分或者完全分隔開； 所述磁傳感裝置還包括第一磁傳感器、第二磁傳感器，分別用以感應與基底表面平行 的第一方向、第二方向的磁信號；第一方向、第二方向相互垂直。
2. 根據權利要求1所述的磁傳感裝置，其特征在于：感應單元的第一磁材料層、電極層 之間有絕緣介質材料層。
3. -種磁傳感裝置，其特征在于，所述裝置包括第三方向磁傳感部件，該第三方向磁傳 感部件包括： 基底，其表面開有溝槽； 導磁單元，其主體部分設置于溝槽內，并有部分露出溝槽至基底表面，用以感應第三方 向的磁信號，并將該磁信號輸出到感應單元進行測量； 感應單兀，用以測量第一方向或/和第二方向的磁場，結合導磁單兀輸出的磁信號，能 測量被導磁單兀引導到第一方向或/和第二方向測量的第三方向磁場；第一方向、第二方 向、第三方向兩兩相互垂直；所述感應單元包括第一磁材料層、電極層，所述導磁單元、第一 磁材料層部分由隔離單元斷開，部分連接在一起。
4. 根據權利要求3所述的磁傳感裝置，其特征在于： 所述磁傳感裝置還包括第一磁傳感器、第二磁傳感器，分別用以感應與基底表面平行 的第一方向、第二方向的磁信號；第一方向、第二方向相互垂直。
5. 根據權利要求3所述的磁傳感裝置，其特征在于： 所述導磁單元包括四個導磁子單元，分別為第一導磁子單元、第二導磁子單元、第三導 磁子單元、第四導磁子單元； 所述感應單元包括四個感應子單元，分別為第一感應子單元、第二感應子單元、第三感 應子單元、第四感應子單元； 所述第一導磁子單元與第一感應子單元配合，作為第三方向磁傳感部件的第一感應模 塊； 所述第二導磁子單元與第二感應子單元配合，作為第三方向磁傳感部件的第二感應模 塊； 所述第三導磁子單元與第三感應子單元配合，作為第三方向磁傳感部件的第三感應模 塊； 所述第四導磁子單元與第四感應子單元配合；作為第三方向磁傳感部件的第四感應模 塊； 上述各感應子單元包括磁材料層，該磁材料的電阻隨著磁場強度的方向變化； 所述基底設有一列或若干列溝槽，一列溝槽由一個長溝槽構成，或者一列溝槽包括若 干子溝槽； 各導磁子單元包括若干磁性構件，各磁性構件的主體部分設置于對應的溝槽內，并有 部分露出于溝槽外。
6. 根據權利要求3所述的磁傳感裝置，其特征在于： 所述導磁單元包括分別設置于溝槽的兩側的第一導磁部分、第二導磁部分；第一導磁 部分、第二導磁部分的主體部分設置于溝槽內，并有部分露出溝槽至基底表面；第一導磁部 分及第二導磁部分用以收集垂直方向的磁場信號，并將該磁場信號輸出至感應單元； 所述感應單元設置于溝槽的兩側、所述基底表面上，與所述溝槽中的第一導磁部分及 第二導磁部分相互配合；所述感應單元是感應與基底表面平行方向的磁傳感器，用以接收 所述導磁單兀輸出的來自垂直方向的磁信號，并根據該磁信號測量出垂直方向對應的磁場 強度及磁場方向；所述垂直方向為基底表面的垂直方向。
7. 根據權利要求3所述的磁傳感裝置，其特征在于： 所述電極層包括平行設置的若干電極，所述導磁單元靠近各電極的一側設有若干隔離 通孔，隔離通孔貼近對應的電極設置，隔離通孔恰好將電極與導磁單元部分或者完全分隔 開。
8. 根據權利要求3所述的磁傳感裝置，其特征在于： 所述電極層包括平行設置的若干電極，所述導磁單元靠近各電極的一側設有若干隔離 通孔； 所述隔離通孔的一端靠近電極設置，或者隔離通孔的一端位于兩個電極之間； 一個電極對應一個隔離通孔，或者一個電極對應多個隔離通孔；一個隔離通孔對應一 個電極，或者一個隔離通孔對應多個電極；每個電極均設有對應的隔離通孔，或者部分電極 周邊不設置隔離通孔。
9. 根據權利要求3所述的磁傳感裝置，其特征在于： 所述感應單元的第一磁材料層、電極層之間有絕緣介質材料層。
10. 根據權利要求3所述的磁傳感裝置，其特征在于： 所述的基底具有外圍電路。
11. 根據權利要求3所述的磁傳感裝置，其特征在于： 所述的磁材料層包括一層或者多層的保護層材料。
12. 根據權利要求7或8所述的磁傳感裝置，其特征在于： 所述隔離通孔沿基底平面的截面為矩形或梯形或三角形。
13. -種磁傳感裝置的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括第三方向磁傳感部件 的制備步驟，具體包括： 步驟S1、在基底表面上形成溝槽； 步驟S2、在所述設有溝槽的基底上沉積磁材料，形成磁材料層，磁材料層的一部分位于 基底上表面，另一部分位于溝槽內； 步驟S3、圖形化，生成磁傳感器的圖形，形成感應單元的第一磁材料層；同時形成隔離 通孔，并通過溝槽的應用形成導磁單元；所述導磁單元、第一磁材料層因隔離通孔存在部分 斷開，部分連接在一起； 所述導磁單元的主體部分設置于溝槽內，用以感應第三方向的磁信號，并將該磁信號 輸出到感應單元進行測量；感應單元靠近溝槽設置，與導磁單元之間部分連接、部分斷開， 用以測量第一方向或/和第二方向的磁場，結合導磁單兀輸出的磁信號，能測量被導磁單 兀引導到第一方向或/和第二方向的第三方向磁場；第一方向、第二方向、第三方向兩兩相 互垂直； 步驟S5、金屬電極的沉積和圖形化，形成感應單元的電極層； 步驟S6、沉積絕緣介質材料，制造通孔和電極，即在單芯片上形成三軸傳感器。
14. 根據權利要求13所述的制備方法，其特征在于： 所述步驟S2中，采用的基底是具有電路的基底。
15. 根據權利要求13所述的制備方法，其特征在于： 所述步驟S2中，在所述磁材料層上沉積一層或多層保護材料，形成一層或多層保護材 料層。
16. 根據權利要求13所述的制備方法，其特征在于： 所述步驟S3中，一次性形成感應單元的第一磁材料層、導磁單元，以及第一磁材料層 與導磁單元之間的隔離通孔；或者分多次，分別形成感應單元的第一磁材料層、導磁單元， 以及第一磁材料層與導磁單元之間的隔離通孔。
17. 根據權利要求13所述的制備方法，其特征在于： 所述步驟S3與步驟S5之間還包括步驟S4 :填充絕緣介質材料，開通孔。
【文檔編號】G01R33/02GK104515957SQ201310451501
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2013年9月27日 優先權日:2013年9月27日
【發明者】張挺, 張開明, 萬虹, 王宇翔 申請人:上海矽睿科技有限公司