CN104459576B - 磁传感装置及其磁感应方法、磁传感装置的制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种磁传感装置及其磁感应方法、磁传感装置的制备工艺，所述装置包括第三方向磁传感部件，该第三方向磁传感部件包括基底、介质材料层、第一导磁单元、第二导磁单元、感应单元。基底的第一表面开有第一沟槽；第一导磁单元的主体部分设置于第一沟槽内；第二导磁单元设置于介质材料层内；感应单元设置于基底的第一表面、介质材料层第二表面之间，位于第一导磁单元、第二导磁单元之间，接收第一导磁单元、第二导磁单元输出的第三方向的磁信号，并以此测量出第三方向对应的磁场强度及磁场方向。本发明在单一的圆晶/芯片上同时具有Ｘ、Ｙ和Ｚ三轴方向的传感单元，同时可以有效提高感应精度。

Description

磁传感装置及其磁感应方法、磁传感装置的制备工艺

技术领域

本发明属于磁传感技术领域，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。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的磁传感装置，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。

本发明还提供上述磁传感装置的磁感应设计方法，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。

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。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种磁传感装置，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，其上表面开有第一沟槽；沟槽深0.5-5微米；

-介质材料层，设置于所述基底上方；

-第一导磁单元，含有磁材料层，其主体部分设置于第一沟槽内，并有部分露出第一沟槽至基底的上表面，用以收集垂直方向的磁场信号，并将该磁场信号输出；

-第二导磁单元，含有磁材料层，设置于介质材料层形成的第二沟槽内，沟槽深0.5-5微米，并有部分第二导磁单元露出第二沟槽至设置于介质材料层的下表面，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，所述感应单元是感应与基底表面平行方向的磁传感器，设置于所述基底的上表面、介质材料层下表面之间，含有磁材料层，用以接收所述第一导磁单元、第二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二传感器,第三磁传感器，用以感应与基底表面平行的第一方向、第二方向的磁信号，第一方向、第二方向相互垂直。

作为本发明的一种优选方案，所述第一导磁单元与感应单元以及第二导磁单元与感应单元之间有缝隙，缝隙尺寸在1纳米到5微米之间。

一种磁传感装置，所述装置包括第三方向磁传感部件，该第三方向磁传感部件包括：

-基底；

-介质材料层，设置于所述基底上方；

-第一导磁单元，其主体部分设置于开设于基底的第一沟槽内、并有部分露出第一沟槽至基底的第一表面，或者，第一导磁单元设置于介质材料层内，并有部分露出至基底的第一表面；所述第一导磁单元用以收集第三方向的磁场信号，并将该磁场信号输出；

-第二导磁单元，设置于介质材料层内，并有部分露出至基底的第一表面，或者第二导磁单元的主体部分设置于开设于基底的第二沟槽内、并有部分露出第二沟槽至基底的第一表面；所述第二导磁单元用以收集第三方向的磁场信号，并将该磁场信号输出；

-感应单元，设置于所述基底及介质材料层之间，位于第一导磁单元、第二导磁单元之间，用以接收所述第一导磁单元、第二导磁单元输出的第三方向的磁信号，并根据该磁信号测量出第三方向对应的磁场强度及磁场方向。

作为本发明的一种优选方案，所述第一导磁单元与感应单元以及第二导磁单元与感应单元之间分别设有缝隙，缝隙尺寸在1纳米到5微米之间。

作为本发明的一种优选方案，所述基底上具有CMOS电路。

作为本发明的一种优选方案，所述第三方向磁传感部件包括外围电路，量度磁场强度及磁场方向，并进行输出。

作为本发明的一种优选方案，所述感应单元是与基底表面平行的磁传感器，和基底表面平行的第一方向、第二方向对应的磁传感器一起，组成三维磁传感器的一部分。

作为本发明的一种优选方案，所述第一方向为X轴方向，第二方向为Y轴方向，第三方向为Z轴方向。

作为本发明的一种优选方案，所述第一导磁单元的主体部分与基底的上表面的夹角为±45°～±90°；所述感应单元贴紧基底表面设置，与基底表面平行；所述第二导磁单元的主体部分与介质材料层的下表面的夹角为±45°～±90°。

作为本发明的一种优选方案，所述装置进一步包括第二磁传感部件，用以感应第一方向或/和第二方向的磁信号，并以此测量出第一方向或/和第二方向对应的磁场强度。

作为本发明的一种优选方案，所述第二磁传感部件包括至少一个感应子单元；

上述各感应子单元包括磁材料层，磁材料层为磁阻材料，该磁材料的电阻随着磁场的变 化而变化。

作为本发明的一种优选方案，所述基底表面设有第一沟槽、第二沟槽，第一导磁单元的主体部分设置于第一沟槽内，第二导磁单元的主体部分设置于第二沟槽内；

或者，基底表面设有第一沟槽，第一导磁单元的主体部分设置于第一沟槽内，第二导磁单元设置于介质材料层内；

或者，基底表面设有第二沟槽，第一导磁单元设置于介质材料层内，第二导磁单元的主体部分设置于第二沟槽内；

或者，第一导磁单元及第二导磁单元均设置于介质材料层内。

作为本发明的一种优选方案，所述第一导磁单元与感应单元以及第二导磁单元与感应单元之间有缝隙，缝隙尺寸在1纳米到5微米之间。

作为本发明的一种优选方案，所述第一导磁单元、第二导磁单元及感应单元均含有磁材料层；

感应单元的磁材料为各项异性磁阻AMR材料，或为巨磁阻GMR材料，或为隧道磁阻TMR材料；

所述磁传感器装置的原理是各项异性磁阻AMR，或为巨磁阻GMR，或为隧道磁阻TMR；

所述第一导磁单元、第二导磁单元的磁材料为高磁导率的软磁材料。

作为本发明的一种优选方案，所述第一导磁单元及感应单元的磁材料层使用同一磁性材料，为同一次沉积得到；

或者，所述第一导磁单元及感应单元的磁材料层使用不同磁性材料，通过多次沉积得到。

一种上述磁传感装置的磁感应方法，所述方法包括第三方向磁场感应步骤，具体包括：

第一导磁单元、第二导磁单元收集第三方向的磁信号，并将该磁信号输出；

感应单元接收所述第一导磁单元、第二导磁单元输出的第三方向的磁信号，并根据该磁信号测量出第三方向对应的磁场强度及磁场方向。

作为本发明的一种优选方案，所述方法还包括第一方向、第二方向磁场感应步骤，感应第一方向、第二方向的磁信号，并以此测量出第一方向、第二方向对应的磁场强度。

一种上述磁传感装置的制备工艺，所述制备工艺包括如下步骤：

步骤S1、设置基底；

步骤S2、在基底的表面设置第一沟槽；

步骤S3、在基底表面沉积感应单元，同时沉积、制备第一导磁单元，使得第一导磁单元及感应单元使用同一磁性材料，为同一次沉积得到，或两次沉积制备磁性薄膜；第一导磁单 元的主体部分沉积于第一沟槽内，并有部分露出第一沟槽至基底表面；

步骤S4、在感应单元上设置电极层；

步骤S5，在电极层上沉积介质材料层，并进行平坦化工艺；

步骤S6，在介质材料层表面设置第二沟槽；

步骤S7，在介质材料层表面及第二沟槽壁上沉积磁性薄膜，沟槽直达基底表面的磁性薄膜；作为第二导磁单元，第二导磁单元为软磁材料具有高磁导率。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S7中的第二导磁单元与步骤S3的第一导磁单元及感应单元为同一磁性材料，或不同的磁性材料。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S3中，在基底表面沉积感应单元、第一导磁单元的同时，沉积第二磁传感部件所需的磁材料层，第二磁传感部件用以感应第一方向、第二方向的磁信号，并以此测量出第一方向、第二方向对应的磁场强度；即第二磁传感部件所需的磁材料层与垂直方向磁传感部件所需的感应单元、导磁单元同时制备得到。

作为本发明的一种优选方案，步骤S3中，在基底表面同时沉积感应单元和第一导磁单元；或者分为二步进行，先沉积感应单元，刻蚀后再沉积第一导磁单元，使得感应单元、第一导磁单元有不同的厚度。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S7中，，第二导磁单元为软磁材料具有高磁导率；第二导磁单元在第二沟槽的侧壁上，部分保留在底部，靠近感应单元的一端设置。

作为本发明的一种优选方案，所述制备工艺具体包括如下步骤：

步骤一：在基底上开沟槽阵列，形成沟槽；

步骤二：沉积磁性材料，通过半导体工艺形成感应单元及第一导磁单元；在感应单元及第一导磁单元之间具有缝隙，缝隙的尺寸在1纳米到5微米之间；

步骤三：在感应单元上制造金属层；步骤三在步骤二完成后进行，或者，步骤三在步骤七第二导磁单元制造完成之后进行；

步骤四：填充绝缘介质材料，并进行化学机械抛光平坦化；

步骤五：通过半导体工艺制造凸起的绝缘块阵列，在沟槽中还保留有部分的绝缘介质材料；

步骤六：可选择地沉积介质材料，介质材料与步骤四中填充的绝缘介质材料相同或者不同；

步骤七：再次沉积磁性材料，制造第二导磁单元，采用的磁性材料与步骤二中所述磁性材料相同或者不同，与步骤二中所述磁性材料的厚度相同或者不同；第二导磁单元与感应单 元之间同样具有缝隙，缝隙的尺寸在1纳米到5微米之间；填充介质材料，采用的介质材料与步骤四中填充的绝缘材料相同或者不同，采用化学机械抛光进行平坦化；

步骤八：进行后续的导电通孔打开、金属层沉积和刻蚀、介质层填充等，形成完整的磁传感器制造工艺。

一种上述磁传感装置的制备工艺，所述制备工艺包括如下步骤：

步骤1、设置基底；

步骤2、在基底的表面设置第一沟槽、第二沟槽；

步骤S3、在基底表面沉积感应单元，沉积制备第一导磁单元及第二导磁单元；第一导磁单元的主体部分沉积于第一沟槽内，并有部分露出第一沟槽至基底表面；第二导磁单元的主体部分沉积于第二沟槽内，并有部分露出第二沟槽至基底表面；

步骤S4、在感应单元上设置电极层；

步骤S5，在电极层上沉积介质材料层，并进行平坦化工艺。

作为本发明的一种优选方案，步骤3中，在沉积感应单元的同时沉积第一导磁单元及第二导磁单元，第一导磁单元、第二导磁单元及感应单元使用同一磁性材料，为同一次沉积得到。

本发明的有益效果在于：本发明提出的磁传感装置及其制备工艺，在单一的圆晶/芯片上同时具有Ｘ、Ｙ和Ｚ三轴方向的传感单元，单芯片上可选择性集成ASIC外围电路，其制造工艺与标准的CMOS工艺完全兼容；具有良好的可制造性、优异的性能和明显的价格竞争力。

此外，由于在感应单元两侧分别设置第一导磁单元、第二导磁单元，可以有效提高感应精度。

附图说明

图1为现有磁传感装置的磁性材料的示意图。

图2为现有磁传感装置的磁性材料及导线的结构示意图。

图3为磁场方向和电流方向的夹角示意图。

图4为磁性材料的θ-R特性曲线示意图。

图5为惠斯通电桥的连接图。

图6为本发明磁传感装置一部分的俯视图。

图7为图6的AA向剖视图。

图8为本发明磁传感装置的组成示意图。

图9为实施例二中磁传感装置一部分的俯视图。

图10为实施例七步骤一后的示意图。

图11为实施例七步骤二后的示意图。

图12为实施例七步骤三后的示意图。

图13为实施例七步骤四后的示意图。

图14为实施例七步骤五后的示意图。

图15为实施例七步骤六后的示意图。

图16为实施例七步骤七后的示意图。

图17为实施例八中另一种磁传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

请参阅图6、图7，其中，图7是图6中沿A-A方向的投影；本发明揭示了一种磁传感装置，所述装置包括Z轴磁传感部件，该Z轴磁传感部件包括：基底10、第一导磁单元20、感应单元、介质材料层50、第二导磁单元60；基底10可以包括CMOS外围电路。

基底10的表面具有介质层，并且在介质层里（上表面，即靠近介质材料层50的表面）开有第一沟槽11，如图7所示，第一沟槽11的开口向上，第一沟槽11深0.5-5微米。所述基底10可以设有一列或若干列第一沟槽，本实施例中，一列沟槽可以包括若干子第一沟槽11。

第一导磁单元20的主体部分设置于第一沟槽11内，并有部分露出第一沟槽11至基底10的上表面，用以收集Z轴方向的磁信号，并将该磁信号输出给感应单元。

介质材料层50设置于所述基底10的上方。

第二导磁单元60的主体部分设置于介质材料层50内（可以认为在介质材料层50内设有第二沟槽），其一端设置于介质材料层50的下表面，用以收集垂直方向的磁场信号，并将该磁场信号输出。

感应单元设置于所述基底10的上表面与介质材料层50的下表面之间（同时位于第一导磁单元20、第二导磁单元60之间），用以接收所述第一导磁单元20、第二导磁单元60输出的Z轴方向的磁信号，并根据该磁信号测量出Z轴方向对应的磁场强度及磁场方向。感应单元包括磁材料层30，以及该磁材料层30上设置的若干平行设置的电极40。同时，所述感应单元还用以感应X轴、Y轴方向的磁信号，并以此测量出X轴、Y轴方向对应的磁场强度及磁场方向。通过第一导磁单元20、第二导磁单元60的设置，感应单元将Z轴方向的磁场引导到水平方向进行测量。所述第一导磁单元20、第二导磁单元60及感应单元的磁材料层30使用同一磁性材料，层数一致，且第一导磁单元20及感应单元的磁材料层30可以通过同一次沉积得到；如感应单元的磁材料层30可以是各向异性磁传感器AMR、也可以是TMR和GMR，以下不再赘述；所述第一导磁单元20、第二导磁单元60的磁材料可以为高磁导率的软磁材料。当然，所述第一导磁单元20、第二导磁单元60及感应单元的磁材料层30也可以使用不同的磁性材料，或者采用不同的层数，即可以通过多次沉积和光刻得到。

如图7所示，所述第一导磁单元20、第二导磁单元60的主体部分与基底表面所在平面的夹角可在45°～90°之间，越大越好。所述感应单元的磁材料层30贴紧基底表面设置，与基底10表面平行。

请参阅图8，所述第一导磁单元20包括四个导磁子单元，分别为第一导磁子单元、第二导磁子单元、第三导磁子单元、第四导磁子单元；第二导磁单元60包括四个导磁子单元，分别为第五导磁子单元、第六导磁子单元、第七导磁子单元、第八导磁子单元。各导磁子单元包括若干磁性构件，各磁性构件的主体部分设置于对应的第一沟槽11/第二沟槽51内，并有部分露出于第一沟槽11/第二沟槽51外；露出部分靠近对应感应子单元的磁材料层设置，距离c优选为0-20um，典型值为0um，0.1um，0.3um，0.5um，0.8um，1um,5um。此外，如图7所示，a的范围为0-2um（如0.5um,1um）；b的范围为0-1um（如0um,0.1um,0.2um）；d的范围为0.5-10um（如3um,2um）；Theta的角度范围为0-45°（如5°）。

所述感应单元包括四个感应子单元，分别为第一感应子单元、第二感应子单元、第三感应子单元、第四感应子单元。上述各感应子单元包括磁材料层30，该磁材料层上设有若干平行设置的电极40；电极40的设置方向与磁材料层30的磁化方向的夹角为10°～80°，优选为45°。

所述第一导磁子单元与第一感应子单元配合，作为Z轴磁传感部件的第一感应模块；所述第二导磁子单元与第二感应子单元配合，作为Z轴磁传感部件的第二感应模块；所述第三导磁子单元与第三感应子单元配合，作为Z轴磁传感部件的第三感应模块；所述第四导磁子单元与第四感应子单元配合；作为Z轴磁传感部件的第四感应模块。

图8所示的磁传感装置采用惠斯通电桥结构，可以更加灵敏地测量外界磁场。在实际的应用中，也可以采用一对导磁子单元和一个感应子单元，即可以测量磁场，在此不再赘述。

在本发明的一个实施例中，所述装置进一步包括X轴Y轴磁传感部件，用以感应X轴或 /和Y轴方向的磁信号，并以此测量出X轴或/和Y轴方向对应的磁场强度及磁场方向。X轴Y轴磁传感部件并非Z轴磁传感部件的感应单元；Z轴磁传感部件的感应单元是为了感应Z轴的方向，而X轴Y轴磁传感部件的感应单元是为了感应X轴或/和Y轴的方向。

所述X轴或Y轴磁传感部件包括四个感应子单元，分别为第五感应子单元、第六感应子单元、第七感应子单元、第八感应子单元；上述各感应子单元包括磁材料层，该磁材料层上设有若干平行设置的电极；电极的设置方向与磁材料层的磁化方向的夹角为10°～80°，优选为45°。同理，所述X轴Y轴磁传感部件可以只包括一个感应单元，即可以不采用惠斯通电桥方式。

以上介绍了本发明磁传感装置的结构，本发明在揭示上述磁传感装置的同时，还揭示上述磁传感装置的磁感应方法。所述方法包括Z轴方向磁场感应步骤，具体包括：第一导磁单元、第二导磁单元收集第三方向的磁信号，并将该磁信号输出；感应单元接收所述第一导磁单元、第二导磁单元输出的第三方向的磁信号，并根据该磁信号测量出第三方向对应的磁场强度及磁场方向。

此外，所述方法还包括X轴、Y轴方向磁场感应步骤，包括：感应X轴、Y轴方向的磁信号，并以此测量出X轴、Y轴方向对应的磁场强度及磁场方向。

与此同时，本发明还揭示一种上述磁传感装置的制备工艺，所述制备工艺包括如下步骤：

【步骤S1】设置基底，基底可以包含CMOS外围电路。

【步骤S2】在基底的表面具有介质层，隔离传感装置与基底，在介质层上采用制造工艺设置沟槽。

【步骤S3】在基底表面沉积磁性材料和保护层材料，磁性材料和保护层材料分别为单层或者是多层材料，随后通过制造工艺同时形成感应单元和导磁单元，因此，导磁单元及感应单元使用同一磁性材料，为同一次沉积得到，或两次沉积制备磁性薄膜。导磁单元的主体部分沉积于沟槽内，并有部分露出沟槽至基底表面。

优选地，本发明磁传感装置还包括X轴Y轴感应部件；步骤S3中，在基底表面沉积感应单元、导磁单元的同时，沉积X轴Y轴磁传感部件所需的磁材料层；即Ｘ轴、Ｙ轴所需的磁材料层与Ｚ轴所需的感应单元、导磁单元同时制备得到。

可选择地，在本步骤中，可以在基底表面同时沉积感应单元和第一导磁单元；也分为二步进行，先沉积感应单元，刻蚀后再沉积第一导磁单元，使得感应单元、第一导磁单元有不同的厚度，满足不同的要求。

【步骤S4】在感应单元及X轴Y轴感应部件的磁材料层上分别设置电极层，随后通过介 质填充和引线等工艺实现完整传感装置的制造。

【步骤S5】在电极层上沉积介质材料层，并进行平坦化工艺。

【步骤S6】在介质材料层表面设置第二沟槽。

【步骤S7】在介质材料层表面及第二沟槽壁上沉积磁性薄膜，第二沟槽直达基底表面的磁性薄膜；作为第二导磁单元，第二导磁单元为软磁材料具有高磁导率。其中，第二导磁单元与步骤S3的第一导磁单元及感应单元为同一磁性材料，或不同的磁性材料。

优选地，第二导磁单元在第二沟槽的侧壁上，部分保留在底部，靠近感应单元的一端设置。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，多个导磁结构可以共享同一沟槽；请参阅图9，基底10/介质材料层上的第一沟槽11/第二沟槽51（第二沟槽51为介质材料层上设置的沟槽）可以设置一列或多列，一列第一沟槽11/第二沟槽51可以设置一个狭长的沟槽，供多个磁性构件共享使用。第一沟槽11极第二沟槽51深0.5-5微米，如均为0.5微米、1微米、2微米、5微米等。

第一导磁单元、第二导磁单元与传感单元之间有缝隙，缝隙的尺寸在1纳米到5微米之间，典型的比如是20纳米，65纳米，100纳米，0.18微米，0.5微米，1微米等。作为一个选择，此结构中第一导磁单元、第二导磁单元也可与传感单元相连，即距离为0um。

实施例三

本实施例中，本发明磁传感装置还包括CMOS芯片，实施例一中所述的基底设置于CMOS芯片上。即磁传感装置具有现有CMOS芯片的功能。即在单一的芯片上同时具有CMOS芯片和传感装置，具有高度的集成度。

实施例四

本实施例中，磁传感装置的导磁单元、传感单元、X轴Y轴磁传感部件所需的磁材料层为磁阻材料，如NiFe合金材料。其中，磁阻材料层可以是多层材料，如GMR和TMR材料，即磁阻材料包括各向异性磁阻材料，巨磁阻材料，隧道结磁阻；可以是多层，或者是单层；多层材料的厚度和层数根据实际需要可调。

此外，一组第一导磁单元/第二导磁单元可配合多个导磁结构，使测量更加灵敏。

第一导磁单元和第二导磁单元采用相同的材料以及薄膜结构，或者采用不同的材料和薄膜结构；两者采用薄膜的厚度相同也可以不同。

实施例五

本实施例中，磁传感装置可以感应的三维方向可以为并非X轴、Y轴、Z轴的第一方向、第二方向、垂直方向，只需要使第一方向、第二方向、垂直方向两两相互垂直即可。

磁传感器装置的原理是巨磁阻(GMR)原理，磁材料采用GMR材料。

实施例六

在前面的实施例中，磁传感器利用惠斯通全电桥实现信号的检测和输出，惠斯通全电桥包括四个可变桥臂，即包括四个第一导磁子单元、四个第二导磁子单元和四个感应子单元，输出的信号较大，较为有效。

本发明显然也可以采用半电桥甚至四分之一桥检测TMR阻值（或者GMR和AMR阻值）的变化：如果采用半电桥进行检测，那么只需要包括两组导磁子单元和感应子单元。如果采用四分之一电桥，那么只需要包括一组磁子单元和感应子单元。在此需要特别指出，本发明的应用可以只包括一组或者两组导磁子单元和感应子单元的配合即可完成磁场的检测，在此不再赘述。

甚至也可以不采用电桥的方法，直接采用单组磁子单元和感应子单元，测量磁单元两端电阻变化，从而计算出磁场的变化。

实施例七

本实施例中，本发明三轴磁传感器的制备工艺包括如下步骤：

步骤一：在如图10所示的基底101上开沟槽阵列，形成沟槽102。本发明所述的基底同样可以是具有CMOS电路的基底。

步骤二：沉积磁性材料，通过半导体工艺形成磁传感器单元103及Z轴导磁单元103’，如图11所示。本发明的特征是在磁传感器单元103及Z轴导磁单元103’之间具有缝隙104，即两者不连通，其优点在于有较好的信噪比，同时因为缝隙104的存在，在磁传感器单元103中的电流不会到达Z轴导磁单元103’，对传感器的灵敏度有帮助。缝隙104的尺寸在1纳米到5微米之间。

步骤三：在磁传感器单元上制造金属层105，如图12所示，本金属层的制造也可以换到 第二Z轴导磁单元制造完成之后。

步骤四：填充绝缘介质材料106，并进行化学机械抛光平坦化，如图13所示。必要时，可以采用填充/回刻/再填充的工艺。

步骤五：通过半导体工艺制造凸起的绝缘块阵列107，如图14所示，在沟槽中还保留有部分的绝缘介质材料108。

步骤六：可选择地沉积介质材料109，材料可以与绝缘介质材料106相同或者不同，如图15所示。

步骤七：再次沉积磁性材料，制造第二Z轴导磁单元110，采用的磁性材料与上述磁性材料103相同或者不同，厚度也是可以相同或者不同。第二Z轴导磁单元110与磁传感器单元之间同样具有缝隙111，缝隙111的尺寸在1纳米到5微米之间。填充介质材料112，采用的材料与上述绝缘材料相同或者不同，采用化学机械抛光进行平坦化，如图16所示。

步骤八：进行后续的导电通孔打开、金属层沉积和刻蚀、介质层填充等，形成完整的磁传感器制造工艺。

实施例八

本实施例与以上实施例的区别在于，本实施例揭示另一种磁传感器的结构，如图17所示，在基底201上开有第一沟槽202及第二沟槽202’，同一磁传感单元204对应着一组沟槽202以及202’。第一沟槽202上制造有磁导单元203，第二沟槽202’上制造有磁导单元203’，传感单元上方有金属层材料205。本发明的特点是一组磁传感单元对于两对导磁单元，且此两对导磁单元的上端和沟槽的上端都在一个平面上。

实施例九

本实施例与以上实施例的区别在于，本实施例中，在基底上设置介质材料层，第一导磁单元及第二导磁单元均设置于介质材料层中（而非实施例八中所述，第一导磁单元及第二导磁单元设置于基底的沟槽中）。

综上所述，本发明提出的磁传感装置及其制备工艺，在单一的圆晶/芯片上同时具有Ｘ、Ｙ和Ｚ三轴方向的传感单元，单芯片上可选择性集成ASIC外围电路，其制造工艺与标准的CMOS工艺完全兼容；具有良好的可制造性、优异的性能和明显的价格竞争力。此外，由于在感应单元两侧分别设置第一导磁单元、第二导磁单元，可以有效提高感应精度。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (4)

1.一种磁传感装置的制备工艺，其特征在于，磁传感装置包括第三方向磁传感部件，该第三方向磁传感部件包括：

-基底；

-介质材料层，设置于所述基底上方；

-第一导磁单元，其主体部分设置于开设于基底的第一沟槽内、并有部分露出第一沟槽至基底的第一表面，或者，第一导磁单元设置于介质材料层内，并有部分露出至基底的第一表面；所述第一导磁单元用以收集第三方向的磁场信号，并将该磁场信号输出；

-第二导磁单元，设置于介质材料层内，并有部分露出至基底的第一表面，或者第二导磁单元的主体部分设置于开设于基底的第二沟槽内、并有部分露出第二沟槽至基底的第一表面；所述第二导磁单元用以收集第三方向的磁场信号，并将该磁场信号输出；

-感应单元，设置于所述基底及介质材料层之间，位于第一导磁单元、第二导磁单元之间，用以接收所述第一导磁单元、第二导磁单元输出的第三方向的磁信号，并根据该磁信号测量出第三方向对应的磁场强度及磁场方向；

所述制备工艺包括如下步骤：

步骤S1、设置基底；

步骤S2、在基底的表面设置第一沟槽；

步骤S3、在基底表面沉积感应单元，同时沉积、制备第一导磁单元，使得第一导磁单元及感应单元使用同一磁性材料，为同一次沉积得到，或两次沉积制备磁性薄膜；第一导磁单元的主体部分沉积于第一沟槽内，并有部分露出第一沟槽至基底表面；

步骤S4、在感应单元上设置电极层；

步骤S5，在电极层上沉积介质材料层，并进行平坦化工艺；

步骤S6，在介质材料层表面设置第二沟槽；

步骤S7，在介质材料层表面及第二沟槽壁上沉积磁性薄膜，第二沟槽直达基底表面的磁性薄膜；作为第二导磁单元，第二导磁单元为软磁材料具有高磁导率；

所述制备工艺具体包括如下步骤：

步骤一：在基底上开沟槽阵列，形成沟槽；

步骤二：沉积磁性材料，通过半导体工艺形成感应单元及第一导磁单元；在感应单元及第一导磁单元之间具有缝隙，缝隙的尺寸在1纳米到5微米之间；

步骤三：在感应单元上制造金属层；步骤三在步骤二完成后进行，或者，步骤三在步骤七第二导磁单元制造完成之后进行；

步骤四：填充绝缘介质材料，并进行化学机械抛光平坦化；

步骤五：通过半导体工艺制造凸起的绝缘块阵列，以便在绝缘块阵列上沉积磁性材料，制造第二导磁单元，在沟槽中还保留有部分的绝缘介质材料；

步骤六：沉积介质材料，介质材料与步骤四中填充的绝缘介质材料相同或者不同；

步骤七：再次沉积磁性材料，制造第二导磁单元，采用的磁性材料与步骤二中所述磁性材料相同或者不同，与步骤二中所述磁性材料的厚度相同或者不同；第二导磁单元与感应单元之间同样具有缝隙，缝隙的尺寸在1纳米到5微米之间；填充介质材料，采用的介质材料与步骤四中填充的绝缘材料相同或者不同，采用化学机械抛光进行平坦化；

步骤八：进行后续的导电通孔打开、金属层沉积和刻蚀、介质层填充，形成完整的磁传感器制造工艺。

2.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于：

所述步骤S3中，在基底表面沉积感应单元、第一导磁单元的同时，沉积第二磁传感部件所需的磁材料层，第二磁传感部件用以感应第一方向、第二方向的磁信号，并以此测量出第一方向、第二方向对应的磁场强度；即第二磁传感部件所需的磁材料层与垂直方向磁传感部件所需的感应单元、导磁单元同时制备得到。

3.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于：

步骤S3中，在基底表面同时沉积感应单元和第一导磁单元；或者分为二步进行，先沉积感应单元，刻蚀后再沉积第一导磁单元，使得感应单元、第一导磁单元有不同的厚度。

4.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于：

所述步骤S7中，第二导磁单元为软磁材料具有高磁导率；第二导磁单元在第二沟槽的侧壁上，部分保留在底部，靠近感应单元的一端设置。