CN102636762A - 单芯片三轴amr传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单芯片三轴AMR传感器，其包括有基板、设置在基板上的第一水平向传感器、第二水平向传感器、第三水平向传感器以及设置在所述第三水平向传感器上的通量集中器，其中通量集中器和第三水平向传感器配合实现Z轴传感器的功能。本发明利用通量集中器和第三水平向传感器之间的配合，有效地实现了Z轴方向的测量，从而使得三轴AMR传感器的集成成为可能，极大地发展了AMR传感器集成技术。且，集成后的三轴AMR传感器，成本较低，可靠性强。

Description

单芯片三轴AMR传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种单芯片三轴传感器及其制造方法，尤其是，一种单芯片三轴AMR传感器及其制造方法。
背景技术
随着传感器技术的发展，其越来越多的进入到各种应用中。且，其也发展出越来越多的类型。例如，其中一种就是以各向异性磁阻(AMR)为基础的磁场传感器(以下简称AMR传感器)。
如美国专利第5,247,278号所示，其就揭示了一种AMR传感器。这种针对低成本消费应用的AMR传感器，通常是通过半导体制造技术制造在硅或其它基板上。其关键之处在于随外部磁场变化而电阻值变化的磁性材料。
应用可靠的半导体沉积技术，磁性薄膜可均匀地沉积在基板上。而为了保持稳定运行，磁性薄膜必须在磁场环境下进行沉积。如此，磁场方向确定出磁传感器的易磁化轴。通常情况下，传感器的感应方向垂直于易磁化轴，即平行于硬磁化轴。之后是利用光刻技术使磁传感器在薄膜上成形。磁传感器通常呈长条纹形状，其长边沿着易磁化轴延伸。这也就使得在同一个基板上实现多轴集成，成为其制造过程中的一个挑战。AMR传感器的感应方向平行于基板表面，因此，Z轴或垂直轴通常可在同一硅片上制造。此外，由于在AMR薄膜沉积的过程中必须施加一个稳定的均匀磁场，所以一次只有一个易磁化轴可以制造在硅片上。
目前，磁传感器被大量应用于手机和其他用作电子罗盘的移动设备。而此类产品的市场对成本非常敏感，而且还要求较小的封装尺寸。对于AMR传感器，多轴集成一直是个挑战。此前，模块级集成已被用来将多个传感器芯片沿着三个垂直的方向封装到同一个设备中，例如，美国专利第7,536,909号和7,271,586号所揭示的内容。那些方法已被不同的公司在生产中应用过，但却被证明在过程控制、可靠性提高和成本降低方面难以改善。
另外，美国专利第6,529,114号揭示了一种在同一个晶圆的同一个公共平面上制备两轴AMR传感器的方法。这种方法其实是在两个轴上分别应用单个AMR沉积工序。从本质上讲，两个轴将具有同一个方向的内在各向异性，这不利于精确测量。理想的情况是两个轴的内在各向异性应当相互垂直。
因此，确有必要为业界提供一种单芯片三轴AMR传感器，来满足业界的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，现有AMR传感器不能实现三轴集成的缺陷；本发明旨在提供一种单芯片三轴AMR传感器，其可靠性高，且成本较低。
为了解决上述技术问题，本发明所提出的技术方案是：一种单芯片三轴AMR传感器，其包括有基板、设置在基板上的第一水平向传感器、第二水平向传感器、第三水平向传感器以及设置在所述第三水平向传感器上的通量集中器，其中通量集中器和第三水平向传感器配合实现Z轴传感器的功能。
进一步的，在不同实施方式中，其中第一水平向传感器为X轴传感器，第二水平向传感器为Y轴传感器。
进一步的，在不同实施方式中，其中第一、第二和第三水平向传感器和通量集中器之间设置有绝缘层。
进一步的，在不同实施方式中，其中通量集中器是由软磁材料构成。
进一步的，在不同实施方式中，其中第三水平向传感器包括两组传感器，即第一传感器组和第二传感器组，所述第一传感器组包括第一AMR磁阻条和与第一AMR磁阻条成夹角的若干条第一电流偏置导体条，所述第二传感器组包括第二AMR磁阻条和与第二AMR磁阻条成夹角的若干条第二电流偏置导体条。
进一步的，在不同实施方式中，其中第一、第二或第三水平向传感器分别包括至少两组传感器。
进一步的，在不同实施方式中，其中至少两组传感器具有相同的结构。
进一步的，本发明的又一个方面提供了一种制造本发明涉及的单芯片三轴AMR传感器的方法，其包括有以下步骤：
沉积第一水平向传感器层于基板上，其外部磁场的方向为第一磁场方向；
沉积第二水平向传感器层和第三水平向传感器层于基板上第一水平向传感器之外的区域，其外部磁场所在的第二方向垂直于第一磁场方向；
沉积绝缘层覆盖第一、第二以及第三水平向传感器；和
沉积通量集中器于第三水平向传感器上。
进一步的，在不同实施方式中，其中沉积第一水平向传感器层于基板上之后，刻蚀去除一部分的第一水平向传感器层，留下第二水平向传感器的空间；然后沉积保护涂层来覆盖第一水平向传感器层的剩余部分；再在整个基板上沉积第二和第三水平向传感器；其中，由于保护涂层的存在，在保护区域第二和第三水平向传感器层不会与第一水平向传感器层之间接触。
进一步的，在不同实施方式中，其中沉积绝缘层的步骤之前还需要去除保护涂层以及第二、第三水平向传感器之外的多余传感器层。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果在于，本发明利用通量集中器和第三水平向传感器之间的配合，有效地实现了Z轴方向的测量，从而使得三轴AMR传感器的集成成为可能，极大地发展了AMR传感器集成技术。且，集成后的三轴AMR传感器，成本较低，可靠性强。
另外，使用本发明涉及的制造本发明涉及的单芯片三轴AMR传感器，在过程控制、可靠性提高和成本降低方面具有优势，从而有利于本发明涉及的单芯片三轴AMR传感器，进行大规模制造，进而使得本发明涉及的单芯片三轴AMR传感器具有更为广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明单芯片三轴AMR传感器中通量集中器和第三水平向传感器配合的示意图；
图2为图1的剖视图；和
图3为图2所示部分的工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
请参阅图1所示，本发明的一个实施例揭示了一种单芯片三轴AMR传感器，其包括有基板(未显示)、设置在基板上的第一水平向传感器(未显示)、第二水平向传感器(未显示)、第三水平向传感器以及设置在第三水平向传感器上的通量集中器40，其中第一、第二和第三水平向传感器和通量集中器40之间设置有绝缘层50(参见图2)。第一、第二和第三水平向传感器分别包括至少两组传感器。在本实施例中，第三水平向传感器包括两组传感器，即第一传感器组10和第二传感器组11，并且第一传感器组10和第二传感器组11的结构相同。第一传感器组10包括第一AMR磁阻条20和与第一AMR磁阻条20成一定夹角的若干条等间隔的第一电流偏置导体条30，同样的，第二传感器组11包括第二AMR磁阻条21和与第二AMR磁阻条21成一定夹角的若干条等间隔的第二电流偏置导体条31。
第一水平向传感器实现X轴传感器的功能，第二水平向传感器实现Y轴传感器的功能，而通量集中器40和由第一传感器组10和第二传感器组11组成的第三水平向传感器相互配合实现Z轴传感器的功能。其中，Z轴传感器功能的具体实现方式，请参阅下述内容。
请参阅图2，其显示了通量集中器40和第三水平向传感器两者间的侧面剖视示意情况。通量集中器40是一种制造于基板上的软磁材料条，当出现垂直于基板表面的外部垂直磁场，通量集中器40会集中外部磁场并改变集中器周围的磁场方向。
如图3所示，其显示了通量集中器在磁场通量进入和离开其表面时(其方向如图中箭头所示)而产生的弯曲磁场通量的方向。如图所示，垂直磁场通过离开时，一个水平方向的磁场分量将在通量集中器40的边缘周围产生。这时，如果一个AMR传感器置于通量集中器40的下方，它将能够检测到水平方向的磁场。因此，本发明设置了第三水平向传感器，从而通量集中器40和第三水平向传感器配合实现了垂直向(即Z轴向)的检测。
在不同实施方式中，第一、第二和第三水平向传感器分别包括两组以上的传感器。且每组传感器组结构相同。每组传感器组包括AMR磁阻条和与AMR磁阻条成一定夹角的若干条电流偏置导体条。由此建造一个或以上数量的桥结构，以便通过传感器组检测到差分信号。在不同实施方式中，电流偏置导体条可以是等间隔的。
进一步的，本发明的又一个方面提供了一种制造本发明涉及的单芯片三轴AMR传感器的方法，其包括有以下步骤：
首先，第一水平向传感器层沉积在基板上，并且外部磁场的方向为第一磁场方向；
其次，通过光刻和蚀刻的方法去除一部分的第一水平向传感器层，留下第二水平向传感器的空间。在蚀刻过程中，在开口部分将有一定厚度的基板被去除；然后，保护涂层会被用到基板上以覆盖第一水平向传感器层的剩余部分；
沉积第二水平向传感器层和第三水平向传感器层于基板上第一水平向传感器之外的区域，其外部磁场所在的第二方向垂直于第一磁场方向；其中，由于保护涂层的存在，在保护区域第二和第三水平向传感器层不会与第一水平向传感器层之间接触；
应用升离工艺去除保护涂层以及第二、第三水平向传感器之外的多余传感器层；
沉积绝缘层覆盖第一、第二以及第三水平向传感器；
沉积通量集中器于第三水平向传感器上。
利用本发明涉及的双AMR薄膜沉积的方法，第一和第二水平向传感器层通过两个不同的沉积步骤在同一个基板上制作出来。由于在第一水平向AMR传感器薄膜蚀刻的过程中，在开口部分的基板材料被去除，所以第二水平向AMR传感器层并不与第一水平向AMR传感器层在同一平面上。
相对于现有技术，本发明利用通量集中器和第三水平向传感器之间的配合，有效地实现了Z轴方向的测量，从而使得三轴AMR传感器的集成成为可能，极大地发展了AMR传感器集成技术。且，集成后的三轴AMR传感器，成本较低，可靠性强。
另外，使用本发明涉及的制造本发明涉及的单芯片三轴AMR传感器，在过程控制、可靠性提高和成本降低方面具有优势，从而有利于本发明涉及的单芯片三轴AMR传感器，进行大规模制造，进而使得本发明涉及的单芯片三轴AMR传感器具有更为广阔的应用前景。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种单芯片三轴AMR传感器，其特征在于：其包括有基板、设置在基板上的第一水平向传感器、第二水平向传感器、第三水平向传感器以及设置在所述第三水平向传感器上的通量集中器，其中通量集中器和第三水平向传感器配合实现Z轴传感器的功能。
2.如权利要求1所述的单芯片三轴AMR传感器，其特征在于：所述第一水平向传感器为X轴传感器，所述第二水平向传感器为Y轴传感器。
3.如权利要求1所述的单芯片三轴AMR传感器，其特征在于：所述第一、第二和第三水平向传感器和通量集中器之间设置有绝缘层。
4.如权利要求1所述的单芯片三轴AMR传感器，其特征在于：所述通量集中器是由软磁材料构成。
5.如权利要求1所述的单芯片三轴AMR传感器，其特征在于：所述第三水平向传感器包括两组传感器，即第一传感器组和第二传感器组，所述第一传感器组包括第一AMR磁阻条和与第一AMR磁阻条成夹角的若干条第一电流偏置导体条，所述第二传感器组包括第二AMR磁阻条和与第二AMR磁阻条成夹角的若干条第二电流偏置导体条。
6.如权利要求1所述的单芯片三轴AMR传感器，其特征在于：所述第一、第二或第三水平向传感器分别包括至少两组传感器。
7.如权利要求6所述的单芯片三轴AMR传感器，其特征在于：所述至少两组传感器具有相同的结构。
8.一种用于制造如权利要求1所述的单芯片三轴AMR传感器的方法，其包括有以下步骤：
沉积第一水平向传感器层于基板上，其外部磁场的方向为第一磁场方向；
沉积第二水平向传感器层和第三水平向传感器层于基板上第一水平向传感器之外的区域，其外部磁场所在的第二方向垂直于第一磁场方向；
沉积绝缘层覆盖第一、第二以及第三水平向传感器；和
沉积通量集中器于第三水平向传感器上。
9.如权利要求8所述的制造单芯片三轴AMR传感器的方法，其特征在于：所述沉积第一水平向传感器层于基板上之后，刻蚀去除一部分的第一水平向传感器层，留下第二水平向传感器的空间；然后沉积保护涂层来覆盖第一水平向传感器层的剩余部分；再在整个基板上沉积第二和第三水平向传感器；其中，由于保护涂层的存在，在保护区域第二和第三水平向传感器层不会与第一水平向传感器层之间接触。
10.如权利要求8所述的制造单芯片三轴AMR传感器的方法，其特征在于：所述沉积绝缘层的步骤之前还需要去除保护涂层以及第二、第三水平向传感器之外的多余传感器层。
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