[发明专利]单芯片三轴磁场传感器及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及传感器领域，特别是涉及一种单芯片三轴磁场传感器及制备方法。

背景技术

磁场传感器是指对磁信号或者能转换为磁信号的信号敏感的一类传感器。磁场传感器广泛应用于磁导航、智能交通、智能电网、汽车电子、铁磁性物质检测等各种应用场合。磁场本身是一个矢量场，根据磁传感器的检测特性，磁场传感器可以分为标量磁传感器和矢量磁传感器两大类。标量磁传感器仅检测磁场的大小，不检测磁场的方向，如光泵磁强计，仅适用于特殊的应用。矢量磁传感器不仅能检测磁场的大小，还能检测磁场的方向。若需测量完整的磁场矢量信息，需要三轴矢量磁场传感器。对于磁导航、电子罗盘等多数的磁传感器应用场合，需要测量任意的空间磁场矢量，因此能够对空间磁场大小和方向同时测量的三轴矢量磁传感器具有广泛的需求，市场前景广阔、潜力巨大。

三轴矢量磁传感器通常是采用相互垂直的三个单轴矢量磁传感器组合封装而成，其中单轴矢量磁传感器是只能对磁矢量一个方向的分量进行测量的传感器。目前商用或正在研究的矢量磁传感器，如霍尔磁传感器、各向异性磁阻传感器(AMR)、磁通门和微机电（MEMS）磁传感器，均采用多芯片组合封装方法来形成三轴矢量磁传感器。

目前，矢量磁传感器的技术发展现状如下：

1）霍尔磁传感器是利用半导体材料的霍尔效应制作的一种磁场传感器。在半导体薄片两端通以激励电流I，当半导体薄片的垂直方向存在磁感应强度为B的匀强磁场时，则在垂直于电流和磁场的方向上，产生电势差为UH的霍尔电压，霍尔电压大小与磁场成正比。霍尔磁传感器只对与电流方向垂直的磁场或磁场分量敏感，是一种矢量磁传感器。由于霍尔磁传感器的测量需要提供电流激励，故其功耗较高，磁场分辨率也较低；此外，由于单芯片上直接制作三个相互垂直的霍尔传感器技术上很困难，利用霍尔磁传感器制作三轴磁传感器通常采用多芯片的封装集成方法，这会增加三轴霍尔磁传感器的尺寸、功耗和封装成本。例如，现有Melexis公司研制的三轴霍尔磁传感器，可测量20-70mT的磁场，磁场分辨率为1μT量级。

2）各向异性磁阻传感器(AMR)是根据铁磁材料的各向异性磁阻效应制成的磁传感器。铁磁材料(如坡莫合金)具有各向异性磁电阻，当给带状坡莫合金材料通过电流I时，其磁电阻取决于电流的方向与磁化方向的夹角。AMR磁阻传感器的基本原理是：各向异性磁性材料在外磁场B中，其磁化方向发生转动，当磁化方向转向垂直于电流的方向时，材料的磁电阻将减小；当磁化方向转向平行于电流的方向时，材料的磁电阻将增大。AMR磁阻传感器一般采用四个磁电阻构成检测电桥，在被测磁场B作用下，其中两个电阻阻值增大，另外两个电阻阻值减小，在其线性范围内，电桥的输出电压与被测磁场成正比，实现对外磁场的检测。然而，AMR磁阻传感器的电桥检测电路的功耗较高，而且需要在传感器芯片中制作复位线圈，复位时需要很大的激励电流，其制造工艺也与CMOS工艺不兼容；此外，三轴磁传感器也是由三个单轴的AMR传感器或一个单轴与一个双轴AMR传感器通过组合封装而成，同样也会增加器件的体积和封装成本。例如，Honeywell公司研制的AMR磁阻磁传感器最小可以检测8.5nT的磁场。

3）巨磁阻(GMR)磁传感器是AMR技术的提升，其检测灵敏度有大幅的提高，但在制造三轴磁传感器方面也存在技术困难，通常也是采用由三个单轴的GMR传感器或一个单轴与一个双轴GMR传感器通过组合封装而成。

4）磁通门传感器由磁芯外绕激磁线圈、感应线圈组成，其磁场分辨率可以达到0.1nT量级。磁通门传感器的磁芯采用磁导率高、矫顽力小的软磁材料,工作时激磁线圈中的激磁电流将磁芯激励到饱和，其激励功耗很高。为提高测量精度，磁通门传感器采用双磁芯或跑道形磁芯结构实现差分信号输出。三轴磁通门传感器也是通过单轴传感器的组合封装而成，得到的三轴磁通门传感器体积大、封装精度要求高、成本高昂，仅限于高端的应用场合。磁通门的高分辨率一般仅能在传统的磁通门磁传感器上得到，而对于微型化的磁通门传感器，随着尺寸的缩小，测量精度、输出的信噪比、温度特性和稳定性也会随之降低。磁通门传感器的微型化需要制作低电阻的微型立体线圈和高磁导率的微型磁芯，技术上难度很高。