[发明专利]高密度磁传感装置及其磁感应方法、制备工艺

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及一种磁传感装置，尤其涉及一种单芯片三轴磁传感装置，本发明还涉及上述高密度磁传感装置的磁传感设计方法；同时，本发明进一步涉及上述高密度磁传感装置的制备工艺。

背景技术

磁传感器按照其原理，可以分为以下几类：霍尔元件，磁敏二极管，各项异性磁阻元件（AMR），隧道结磁阻(TMR)元件及巨磁阻(GMR)元件、感应线圈、超导量子干涉磁强计等。

电子罗盘是磁传感器的重要应用领域之一，随着近年来消费电子的迅猛发展，除了导航系统之外，还有越来越多的智能手机和平板电脑也开始标配电子罗盘，给用户带来很大的应用便利，近年来，磁传感器的需求也开始从两轴向三轴发展。两轴的磁传感器，即平面磁传感器，可以用来测量平面上的磁场强度和方向，可以用X和Y轴两个方向来表示。

以下介绍现有磁传感器的工作原理。磁传感器采用各向异性磁致电阻（Anisotropic Magneto-Resistance）材料来检测空间中磁感应强度的大小。这种具有晶体结构的合金材料对外界的磁场很敏感，磁场的强弱变化会导致AMR自身电阻值发生变化。

在制造、应用过程中，将一个强磁场加在AMR单元上使其在某一方向上磁化，建立起一个主磁域，与主磁域垂直的轴被称为该AMR的敏感轴，如图1所示。为了使测量结果以线性的方式变化，AMR材料上的金属导线呈45°角倾斜排列，电流从这些导线和AMR材料上流过，如图2所示；由初始的强磁场在AMR材料上建立起来的主磁域和电流的方向有45°的夹角。

当存在外界磁场Ha时，AMR单元上主磁域方向就会发生变化而不再是初始的方向，那么磁场方向M和电流I的夹角θ也会发生变化，如图3所示。对于AMR材料来说，θ角的变化会引起AMR自身阻值的变化，如图4所示。

通过对AMR单元电阻变化的测量，可以得到外界磁场。在实际的应用中，为了提高器件的灵敏度等，磁传感器可利用惠斯通电桥检测AMR阻值的变化，如图5所示。R1/R2/R3/R4是初始状态相同的AMR电阻，当检测到外界磁场的时候，R1/R2阻值增加△R而R3/R4减少△R。这样在没有外界磁场的情况下，电桥的输出为零；而在有外界磁场时，电桥的输出为一个微小的电压△V。

目前的三轴传感器是将一个平面（Ｘ、Ｙ两轴）传感部件与Ｚ方向的磁传感部件进行系统级封装组合在一起，以实现三轴传感的功能（可参考美国专利US5247278、US5952825、US6529114、US7126330、US7358722）；也就是说需要将平面传感部件及Ｚ方向磁传感部件分别设置于两个圆晶或芯片上，最后通过封装连接在一起。目前，在单圆晶/芯片上无法同时实现三轴传感器的制造。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的磁传感装置及其制备方法，以使实现在单圆晶/芯片上进行三轴传感器的制造。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种磁传感装置，可将X轴、Y轴、Z轴的感应器件设置在同一个圆晶或芯片上，具有良好的可制造性、优异的性能和明显的价格竞争力；并可提高芯片单位密度的磁传感元件密度，减小了元件体积。

本发明还提供上述磁传感装置的磁感应方法，可根据同一个圆晶或芯片上设置的感应器件感应X轴、Y轴、Z轴的磁场数据；并可提高芯片单位密度的磁传感元件密度，减小元件体积。

此外，本发明进一步提供上述磁传感装置的制备方法，可制得X轴、Y轴、Z轴的感应器件设置在同一个圆晶或芯片上的磁传感装置，并有利于简化磁传感装置的制备工艺。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种高密度磁传感装置，所述装置包括垂直方向磁传感部件，该垂直方向磁传感部件包括：

-基底，其表面开有沟槽；

-导磁单元，含有磁材料层，导磁单元包括分别设置于沟槽的两侧的第一导磁部分、第二导磁部分；第一导磁部分、第二导磁部分的主体部分设置于沟槽内，并有部分露出沟槽至基底表面；第一导磁部分及第二导磁部分用以收集垂直方向的磁场信号，并将该磁场信号输出；

-感应单元，设置于沟槽的两侧、所述基底表面上，与所述沟槽中的第一导磁部分及第二导磁部分相互配合；所述感应单元是感应与基底表面平行方向的磁传感器，含有磁材料层，用以接收所述导磁单元输出的垂直方向的磁信号，并根据该磁信号测量出垂直方向对应的磁场强度及磁场方向；所述垂直方向为基底表面的垂直方向；

所述磁传感装置还包括第一磁传感器、第二磁传感器，分别用以感应与基底表面平行的第一方向、第二方向，第一方向、第二方向相互垂直。