[发明专利]一种检测磁场和加速度的传感器芯片设计与制造技术

说明书

技术领域：

本发明涉及一种传感器芯片，尤其是一种微型磁阻传感器芯片，确切地说是一种能够对平行和垂直于芯片表面的磁场和加速度进行检测的传感器芯片的设计与制造技术。

背景技术：

磁传感器，是指把磁场、电流、应力应变、温度、光等引起传感元件磁性能改变的物理量转换成电信号，实现对相应物理量进行检测的器件。其突出特点是可以实现非接触测量，检测信号几乎不受被测物的影响，耐污染、抗噪声，即使在很恶劣的环境条件下也能够可靠地工作，坚固耐用，寿命长。正因为如此，磁传感器广泛应用于各种工业场合，例如军事安全、航天与航海导航、高密度磁性存储、目标探测与追踪、反盗窃监控、材料无损探伤、磁感应式传感、空间磁场探测、生物磁场探测等。

2007年，法国科学家Albert Fert和德国科学家Peter Grunberg因为发现巨磁电阻(GMR)效应被同时授予诺贝尔物理学奖。GMR传感器磁头的应用带动了计算机产业的迅速发展，打破了信息技术传递与存储的瓶颈，同时GMR传感器也在工业领域得到广泛应用。

GMR传感器虽然得到成功应用，但它本身也存在不足。首先是磁阻变化率较低，输出信号幅值较小，对微弱磁场不敏感，而通过设置后端信号放大电路又会增加系统的复杂性和成本；其次是需要高驱动磁场来获得磁阻变化和输出信号，对磁场的灵敏度限制在1％/Oe左右；第三是GMR传感器的加工精度要求苛刻，严格控制在纳米量级，即增加了技术难度和工艺设备成本，又难以保证成品率。

为了克服GMR传感器的上述缺点，科学家们又开始转向隧道磁电阻(TMR)传感器的研究。TMR传感器的磁阻变化率和磁场灵敏度均大于GMR传感器，但是在加工工艺方面，TMR传感器比GMR传感器更加复杂，加工精度更小于1个纳米，同时线性工作范围较窄。

霍尔(Hall)效应传感器是另一种磁性传感器，和GMR以及TMR相比，加工精度要求也较高，磁阻变化率和磁场敏感度更低，同时由于半导体效应的存在，Hall传感器更容易受到温度影响。

发明内容：

本发明的目的是克服现有磁传感器芯片技术存在的不足，提供一种工艺简单易行同时保证较高灵敏度的磁阻传感器设计与制造的技术方案。其加工精度要求较低、磁滞小、线性范围宽、线性度高、磁场灵敏度高、抗干扰能力强、制造成本低、易于实现批量化生产。同时通过不同的组合方式，能够实现单轴、双轴、三轴磁场测量、加速度检测以及磁场与加速度的同步测量。

本发明一方面提供一种磁阻传感器敏感单元，用来检测平行和垂直于敏感单元表面的磁场分量，该敏感单元包括晶圆基片、种子层、软磁材料层、被软磁材料层包裹的导电层以及由软磁层和导电层组合而成的N层结构，其中N为¨，1000]区间范围内的任一数值。每层结构的厚度可以在纳米级与微米级之间自由选择，软磁材料层的易磁化方向可以平行或垂直于敏感单元表面。软磁材料层和导电层的包裹式组合使得传感器在上电工作时，环形闭合结构的软磁材料层成为磁场的主要传输通道，避免漏磁现象，而导电层成为电流的主要传输通道。

同时，该敏感单元在平面内形成由N根长线条组成的弯曲状结构，其中N为[1，1000]区间范围内的任一数值。在传感器上电工作时，这种弯曲状结构的相邻线条之间由于自感效应和互感效应的相互作用，会显著增强传感器对外界磁场的敏感程度。特别的，当N＝1时敏感单元为单条状结构。

该敏感单元在其磁场-电压变化曲线的某一段范围内呈线性比例关系。特别地，在磁阻敏感单元的表面或旁边可以通过制作永磁薄膜或放置永磁体产生偏置磁场，也可以通过在磁阻敏感单元附近制作金属导线带，通过导线带的电流产生偏置磁场，使磁阻敏感单元磁场-电压变化曲线线性工作区间内的磁场零点与电压零点重合于坐标原点。

敏感单元的易磁化方向等于敏感单元在高温退火处理时外磁场的施加方向。通常的传感器敏感单元退火设备是对整个晶圆面积上的敏感单元整体加热，当施加外磁场进行退火后，晶圆上所有敏感单元的易磁化方向都保持一致。而为了在同一块晶圆上得到易磁化方向不同的磁阻敏感单元，可以利用激光加热局部退火方式，对单个敏感单元进行加热并施加特定方向的磁场，即可使单个敏感单元在特定方向上形成易磁化方向，从而使同一晶圆上的不同敏感单元具有不同的易磁化方向。

本发明另一方面提供三种由磁阻传感器敏感单元和IC电路集成封装的磁阻传感器芯片，分别为单轴磁场传感器芯片、双轴磁场传感器芯片和三轴磁场传感器芯片，描述如下。

单轴：沿X-Y平面内的X或Y轴方向放置的磁阻敏感单元；与磁阻敏感单元组合的IC电路单元。