[发明专利]磁传感装置及其制备方法有效

专利信息
申请号: 201310451501.7 申请日: 2013-09-27
公开(公告)号: CN104515957B 公开(公告)日: 2017-05-31
发明(设计)人: 张挺;张开明;万虹;王宇翔 申请(专利权)人: 上海矽睿科技有限公司
主分类号: G01R33/02 分类号: G01R33/02;G01R5/00
代理公司: 上海金盛协力知识产权代理有限公司31242 代理人: 王松
地址: 201815 上海市嘉*** 国省代码: 上海;31
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摘要:
搜索关键词: 传感 装置 及其 制备 方法
【说明书】:

技术领域

本发明属于磁传感技术领域,涉及一种传感器,尤其涉及一种三轴磁传感装置;同时,本发明还涉及一种三轴磁传感装置的制备方法。

背景技术

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。

AMR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。

为了使测量结果以线性的方式变化,AMR阵列上的金属导线呈45°角倾斜排列,电流从AMR材料上流过经金属导线后电流的流向与AMR线的角度旋转45°,如图1所示即在没有外加磁场的情况下AMR线自极化方向与电流呈现45°的夹角。

当存在外界磁场Ha时,AMR单元上的极化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2所示,从而引起AMR自身阻值的变化。

通过对AMR单元电阻变化的测量,可以得到外界磁场的强度和方向。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或半电桥检测AMR阻值的变化,如图3所示。R1/R2/R3/R4是初始状态相同的AMR电阻R0,当检测到外界磁场的时候,R1/R2阻值增加ΔR而R3/R4减少ΔR(或相反)。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ΔV。

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(将X/Y方向竖在基板上)进行系统级封装组合在一起,以实现三轴传感的功能;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,最后通过封装与外围电路连接在一起,一个传感器器件里面可能包含三个分立的芯片。这样的方法的优点是具有较好Z轴性能(与X、Y轴的性能基本一样),技术门槛较低,但是对封装要求很高,引入较高封装成本(封装的成本占据整个芯片成本的很大部分),另一方面,这种方法得到的器件的可靠性较差,器件的尺寸也难以进一步缩小。

因此,实现同一芯片上的三轴磁传感器芯片的制造是未来发展的方向,为了实现这个目标,本申请人于2012年12月24日申请了一件发明专利,名称为《一种磁传感装置的制备工艺》,专利号为201210563952.5;该器件结构和工艺中,将导磁单元设置于沟槽中,导磁单元用于感应Z轴方向的磁场送入感应单元进行测量;感应单元则靠近沟槽设置,能接收导磁单元的信号,并根据该信号测量出Z轴方向的磁场。如此,实现了单芯片的三轴磁传感器。

基于Z轴方向的磁场获取方式,有些方案导磁单元(沟槽部分)与感应单元之间不设缝隙,有些则设置缝隙,如图4、图6所示。这两者的差别在于导磁单元与感应单元完全隔开或者是完全连接。

此外,如上所述,在磁传感器采用的惠斯通电桥中,在理想的情况下,R1/R2/R3/R4是初始状态相同的AMR电阻R0,因为电桥出于平衡的状态,在输出端的输出电压为0;但是在实际的应用中,因为各种原因,R1/R2/R3/R4的电阻并不严格相等(例如等于R0),因此电桥的平衡就会被打破,一旦平衡打破,在输出端就有电压输出,这种在没有外界磁场状态下因为电桥不平衡而有电压的输出就称为零点偏移(OFF-SET),这个参数与灵敏度成为磁传感器最重要的两个参数。较大的OFF-SET,代表着电桥严重的不平衡,如图8所示,正向和反向扫描的两条曲线相交不在原点,即在没有任何外场的情况下电桥也是有数值的输出,如果该OFF-SET值太大,给ASIC外围电路的信号处理带来挑战,ASIC其中一个重要的功能就是进行OFF-SET的补偿,OFF-SET值太大补偿则会失败。

回到上述的Z轴磁传感器的方案中,没有缝隙的方案,磁感应灵敏度较好是其特点,但缺点是具有较大的OFF-SET,对磁传感器的影响显而易见。之所以产生较大的OFF-SET,是因为没有缝隙的时候,磁材料上方的金属电极对之间的电流会通过沟槽侧壁的磁导电材料进行分流,加上侧壁的磁材料的厚度因为工艺的原因往往有较大差异(沟槽一侧的磁材料厚度往往与另一侧不同,来源于磁控溅射存在一定的方向性),电桥的四个桥臂的电阻可能有差异,即会导致较大的OFF-SET值(四个桥臂之间的电阻相差1%是很容易的,但是1%的差值导致的OFF-SET是完全不能接受的)。同时,在沟槽侧壁磁导电材料上的分流也会影响器件的灵敏度和其他性能。

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