[发明专利]可提高Z轴方向磁感应强度的磁传感装置及其制备方法

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，尤其涉及一种可提高Z轴方向磁感应强度的磁传感装置；同时，本发明还涉及一种磁传感装置的制备方法。

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或半电桥检测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ΔR而R3/R4减少ΔR。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。

本申请人于2012年12月申请了名称为《一种磁传感装置及其磁感应方法、制备工艺》的中国专利，专利号CN201210563667.3。该方案中，电极102’铺设于磁性材料层上，电极的高度与对应磁性材料单元(磁性材料层包括若干磁性材料单元)的宽度接近(超过90％)。此时，如图6A所示，磁传感器感应单元101’中的电流密度主要集中在中间区域，而对提升Z轴灵敏度非常重要的底部区域(由于这里需要感应沟槽内的导磁单元输出的信号，从而产生Z轴的感应)的电流密度却很小，从而影响磁传感装置的性能。此外，图6B显示了电极对中间电流角度偏转的模拟结果。在AMR传感器的应用中，如图4所示，在45度前后的dR/R数值变化比较线性，因此较为适合传感器的应用，故，在AMR传感器的应用中，电极对与磁材料的相交角度设定在45度左右，为了阐述方便，本案中即以45度作为说明，然而此角度可以根据实际的需求进行设定，并不能限定本案的范围。图6B显示的是AMR应用中，电流在电极对中偏转角度的分步，很显然，产生45度左右偏转的电流是有效电流，而与45度设定角度偏差较大的电流密度对于传感器没有太大的作用。前面已经阐述，靠近导磁单元一侧的电流密度对于Z轴的传感器具有举足轻重的作用，而根据图6B，靠近导磁单元一侧的电流有相当大一部分偏转远离45度的设定角度，因此有相当一部分电流属于无效的电流，对于传感器灵敏度没有帮助，如果能够充分利用此部分电流，对于提升传感器的性能很有帮助。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的磁传感装置，以便克服现有结构的上述缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种可提高Z轴方向磁感应强度的磁传感装置，可增加设定区域的电流密度，从而提高磁传感器的性能。

此外，本发明还提供一种上述磁传感装置的制备方法，可增加磁传感装置设定区域的电流密度，从而提高磁传感器的性能。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：