CN104297705A - 一种新型的集成单体芯片三轴磁敏传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型的单体芯片集成的三轴磁敏传感器。由于目前已有技术仅可做到磁敏传感器的三维封装集成，然而，真正意义上的在工艺中实现的单体芯片集成方法尚在探索之中。本发明将具有几何增强效应的硅基磁敏单元与磁电子敏感单元与信号处理电路集成在同一张硅片上，实现了三轴磁敏传感器的单体芯片集成，其中几何增强效应的硅基磁敏单元具有垂直方向磁敏感特性，两对面内正交排列的磁电子敏感单元具有面内磁敏感特性。本发明可避免生长垂直薄膜或者垂直封装集成的技术难题，且与微电子工艺具有很好的兼容性，器件体积小、灵敏度高。
Description
技术领域
本发明属于磁敏传感器技术领域，涉及一种新型三轴单体集成磁敏传感器。
背景技术
磁敏传感器是对磁信号或者可以转化为磁信号的信号进行检测的传感器件，广泛应用在智能交通、工业控制、汽车电子、信息存储、移动通讯及医疗等领域。基于巨磁电阻材料和磁隧道结材料等制成的磁电子传感器是一类新兴的高性能磁敏传感器，具有灵敏度高、体积小、抗辐射等诸多优点，在导弹导航、航天和国防军事等特殊领域也有重要应用。由于地磁场是一个空间矢量场，在磁导航及电子罗盘的应用中，需要测量磁场的三轴方向与大小，因而能够检测磁场的三轴方向与大小的磁敏传感器具有重要应用价值，市场前景巨大。
目前已有的可以实现三轴磁场检测的磁敏传感器如霍尔传感器、各向异性磁阻传感器（AMR）都是通过组合封装的方法实现的，即将三个单轴敏感的磁敏传感器通过组合并，封装在一起，每一个单轴磁敏传感器检测一个方向上的磁场，从而实现对三轴方向上的磁场的检测。如Melexis公司的三轴霍尔传感器、Honeywell公司的三轴AMR传感器（用于三轴磁性传感器的单个封装集成CN200580048146.2）以及MR与霍尔传感器组装在一起的三轴磁敏传感器（US20120299587A1）都是通过组合封装的方式实现的。在巨磁电阻传感器与磁隧道结传感器的三轴磁场检测方面，也有通过组合封装的方法将三个单轴敏感的磁敏传感芯片集成在同一个基片上（三轴磁场传感器，CN201110251902.9）。然而上述组合封装的集成方法，通常需要将其中一个磁敏传感芯片垂直于基片进行封装，封装难度与封装成本增加，且封装后芯片的体积也比较大，尤其是封装高度增加较多，因而难以适应集成度越来越高、体积越来越小的电子系统应用需求。另一方面，三轴磁敏传感芯片与信号处理电路不能集成在同一个单体芯片上，即不能将传感芯片与信号处理电路通过工艺集成在同一个芯片上，只能通过封装集成在一起。
由于目前已有技术仅可做到磁敏传感器的三维封装集成（有时被称作单芯集成），然而，真正意义上的在工艺中实现的单体芯片集成方法尚在探索之中。目前的三维封装集成方法存在很多问题：一方面在Z轴方向的磁敏芯片很难与水平面完全垂直、敏感轴方向偏离Z轴；另一方面相关的封装方法与工艺技术难度高，封装成本增加且芯片尺寸必然会变大。如果仅仅采用磁电子敏感单元实现单体芯片集成，除了需要制备在面内的两组正交的磁电子敏感单元之外，还需要实现垂直生长的薄膜，这在工艺上几乎是无法实现的。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明提供了一种新型的三轴单体集成磁敏传感器，即通过制备工艺将磁敏传感单元与信号处理电路等集成在同一个单体芯片上，该发明技术避免了三维封装的技术难题，且芯片尺寸减小、能耗降低、成本减低，在高集成的电子系统中具有重要应用前景。
本发明解决技术问题所采取的技术方案为：
本发明由磁电子敏感电阻单元、具有几何增强效应的硅基磁敏电阻单元以及信号处理集成电路三部分组成，且通过制备工艺集成在同一硅基衬底上形成单体芯片，其中磁电子敏感单元有两个，一个具有水平X轴方向的磁敏感特性，另一个具有水平Y轴方向的磁敏感特性，具有几何增强效应的硅基磁敏电阻单元具有Z轴垂直方向的磁敏感特性，磁电子敏感电阻单元以及具有几何增强效应的硅基磁敏电阻单元结合信号处理电路实现对三轴方向上的磁场的检测。
进一步说，磁电子敏感电阻单元为基于巨磁电阻材料制成的电阻或由电阻组成的电桥。
进一步说，磁电子敏感电阻单元为基于磁隧道结材料制成的电阻或由电阻组成的电桥。
进一步说，具有几何增强效应的硅基磁敏电阻单元，在单晶硅上配置有四个或者两个电极。
本发明将具有几何增强效应的硅基半导体磁敏单元与磁电子敏感单元与信号处理电路集成在同一张硅片上，实现单体芯片集成，目前国际上没有相关研究报道。本发明引入垂直磁敏感的硅基磁敏单元结构作为Z轴敏感单元，配合面内敏感的两组磁电子单元结构，形成三轴磁敏传感器。所涉及的三轴磁敏单元均在面内生长，一方面避免了制备垂直磁敏薄膜的技术难题，另一方面由于采用了磁性半导体敏感单元，在与半导体信号电路的集成兼容性方面也会有所改善。
附图说明
图1为单体芯片集成的三轴磁敏传感器结构示意图；
图2为单体芯片集成的三轴磁敏传感器的敏感轴方向；
图3为单体芯片集成的三轴磁敏传感器的工艺剖面图；
图中：1.硅基衬底；2.信号处理电路；3.几何增强磁阻敏感单元（Z轴敏感）；4.磁电子敏感单元（X轴敏感）；5.磁电子敏感单元（Y轴敏感）；6.绝缘层；7.绝缘层；8.绝缘层；9.金属互连线；10.PAD。
附图说明
以下结合附图对本发明作进一步说明。
本发明所述的单体芯片集成的三轴磁敏传感器基本结构如图1所示，在硅基衬底1上制作信号处理电路2，基于硅基的具有几何增强效应的磁阻敏感单元3直接制作在硅基彻底上，两个正交配置的基于巨磁电阻效应的磁电子敏感单元4、5制作在上面，与几何增强效应的磁阻敏感单元及信号处理电路集成在同一张硅片上。该三轴磁敏传感器的敏感轴方向如图2所示，具有几何增强效应的硅基磁阻敏感单元Z轴敏感，两个正交配置的基于巨磁电阻效应的磁电子敏感单元分别对X轴和Y轴敏感。对于一个空间矢量场，将其分解为X轴、Y轴和Z轴分量，三个磁敏传感单元分别检测三个轴分量，并通过信号处理电路处理后获得该空间矢量场信息。该单体芯片集成的三轴磁敏传感器的制备工艺如图3所示，首先在硅片上制作信号处理电路2；然后在同一硅片上制作具有几何增强效应的磁阻敏感单元，电阻单元结构平行于水平面；然后制作绝缘隔离层6，可为SiO2或者Al2O3；绝缘层开孔，开信号处理电路与几何增强效应的硅基磁敏电阻单元连接孔；然后制作一对正交配置的磁电子敏感单元，磁电子敏感电阻单元膜层也平行于水平面；随后在制作绝缘层7并开孔；然后再制作金属层并刻蚀金属互连线9；接下来制作绝缘层8保护并开孔；最后制作PAD 10。整个制备过程不存在生长垂直膜的问题，因而敏感单元的工艺实现较为容易。三个磁阻敏感单元与信号处理电路之间通过金属互连线连接，形成一个单体集成芯片。
Claims (4)
1. 一种新型的集成单体芯片三轴磁敏传感器，其特征在于：由磁电子敏感电阻单元、具有几何增强效应的硅基磁敏电阻单元以及信号处理集成电路三部分组成，且通过制备工艺集成在同一硅基衬底上形成单体芯片，其中磁电子敏感单元有两个，一个具有水平X轴方向的磁敏感特性，另一个具有水平Y轴方向的磁敏感特性，具有几何增强效应的硅基磁敏电阻单元具有Z轴垂直方向的磁敏感特性，磁电子敏感电阻单元以及具有几何增强效应的硅基磁敏电阻单元结合信号处理电路实现对三轴方向上的磁场的检测。
2.根据权利要求1所述的集成单体芯片三轴磁敏传感器，其特征在于：磁电子敏感电阻单元为基于巨磁电阻材料制成的电阻或由电阻组成的电桥。
3.根据权利要求1所述的集成单体芯片三轴磁敏传感器，其特征在于：磁电子敏感电阻单元为基于磁隧道结材料制成的电阻或由电阻组成的电桥。
4.根据权利要求1所述的集成单体芯片三轴磁敏传感器，其特征在于：具有几何增强效应的硅基磁敏电阻单元，在单晶硅上配置有四个或者两个电极。
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