CN106249181A - 单芯片三轴磁传感器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种单芯片三轴磁传感器，所述三轴磁传感器包括：X轴磁传感器、Y轴磁传感器、Z轴磁传感器；所述X轴磁传感器、Y轴磁传感器位于平面内，Z轴磁传感器通过布置在斜坡两侧以及与斜坡相连的基体平面的Z轴磁阻感测单元和导体单元，同时调整Z轴磁阻感测单元的初始磁化方向、导体单元的取向以及磁阻感测单元和导体单元在斜坡上的位置，达到只感测垂直方向磁场而不感测水平方向磁场的Z轴磁传感器。本发明提出的单芯片三轴磁传感器，可提高测量的精确度，降低生产成本。

Description

单芯片三轴磁传感器

技术领域

本发明属于磁传感技术领域，涉及一种三轴磁传感器，尤其涉及一种单芯片三轴磁传感器。

背景技术

随着消费电子的快速发展和用户体验需求的不断提升，越来越多的智能手机和平板电脑开始标配电子罗盘，这带动了对磁传感器尤其是三轴磁传感器的大量需求。

目前电子罗盘使用的磁传感器，基于原理主要分为如下几类：霍尔型、磁阻型和感应线圈等。其中，磁阻型磁传感器包括各向异性磁阻磁传感器(AMR)、巨磁阻磁传感器(GMR)和隧道结磁阻磁传感器(TMR)，它们都是基于磁阻原理的，即空间环境内的磁场强弱及方向变化会引起磁阻元件的自身电阻值发生变化，进而可依据电阻值的变化量来测量空间环境内的磁场强度及方向。但是基于磁阻原理的磁传感器一般只能测量其所在平面内的磁场分量，而对与其所在平面相垂直的方向上的磁场不敏感。为了实现三轴磁传感器的功能，就需要额外的设计来实现，目前有如下几类设计。

请参考图1，其为目前一类三轴磁传感器的结构示意图，X、Y轴磁传感器位于平面内，Z轴磁传感器是分立的，Z轴磁传感器垂直于平面。但此时三轴磁传感器就需要两颗芯片，给封装带来一定的困难，同时不可避免地增加生产成本。

请参考图2，其为目前一类三轴磁传感器的结构示意图，X、Y轴磁传感器位于平面内，Z轴磁传感器通过沟槽侧壁的导磁单元将Z方向的磁场转变为水平方向的磁场，然后使水平面内磁阻感测元件的电阻产生变化，进而测量Z方向的磁场。由于仅仅利用了水平面内磁阻感测元件的电阻变化，而沟槽侧壁的导磁单元的磁阻变化不产生有用的信号，所以这种结构的Z轴磁传感器灵敏度偏低，最终信号的噪声偏大，不利于准确测量Z方向的磁场。

请参考图3，其为目前一类三轴磁传感器的结构示意图，X轴磁传感器位于平面内，Y、Z轴磁阻感测元件分别位于梯形或者三角形凸起的两腰上，此时Y、Z轴测量的并不是单纯的Y、Z磁场分量，需要经过运算最终得到Y、Z磁场数值。但是由于工艺的偏差，梯形或者三角形凸起的两腰并不完全对称，导致最终计算的Y、Z轴并不是正交的，而是彼此之间有一定的交叉灵敏度，这对准确测量三维磁场也是不利的。

为了克服当前几种三轴磁传感器的缺点，需要提出一种新型单芯片三轴磁传感器的设计方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种单芯片三轴磁传感器，可提高测量的精确度，降低生产成本。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种单芯片三轴磁传感器，所述三轴磁传感器包括：X轴磁传感器、Y轴磁传感器、Z轴磁传感器；

所述X轴磁传感器、Y轴磁传感器位于平面内，Z轴磁传感器通过惠斯登电桥设计，Z轴磁传感器包括四组Z轴磁阻感测元件形成惠斯登电桥；

所述Z轴磁阻感测元件包括Z轴磁阻感测单元和导体单元；将Z轴磁阻感测元件分别布置在设定倾斜角的斜坡两侧，同时变化Z轴磁阻感测元件的导体单元的取向角度，最终达到Z轴磁阻感测元件只测量Z方向的磁场分量，而不感应X方向、Y方向的磁场分量，无需进行额外的运算；

通过半导体工艺制备出所需的斜坡构型，将Z轴与X轴、Y轴集成在一颗芯片上，构成单芯片的三轴磁传感器；

所述斜坡分为左右两侧，斜坡左右两侧的倾斜角相同，为20°～85°；在斜坡的两侧分布着Z轴磁感测元件的Z轴磁阻感测单元和导体单元；

每组磁感测元件是一个电桥的桥臂，由若干个相同的磁阻感测单元串联而成；导体单元与磁阻感测单元成45°角；通过额外设计的设置/重置线圈电路，使Z轴磁传感器上半部分的两个桥臂的Z轴磁阻感测单元的初始磁化方向沿着X轴正方向，而下半部分的两个桥臂的Z轴磁阻感测单元的初始磁化方向沿着X轴负方向；通过调节导体单元的取向、Z轴磁阻感测单元的初始磁化方向和Z轴磁阻感测元件在斜坡的位置来得到一个只感测垂直方向磁场而不感测水平方向磁场的Z轴磁传感器；

在斜坡的两侧以及斜坡相连的基体平面分布着磁感测元件的磁阻感测单元和导体单元；在与斜坡相连的基体平面上也分布着磁感测元件的磁阻感测单元和导体单元，Z轴磁阻感测单元和导体单元的夹角也是45°；斜坡上的Z轴磁阻感测单元将Z方向的磁场部分转换到基体平面内，通过位于基体平面内的磁阻感测单元测量这部分转换后的信号，以增加Z轴磁传感器的灵敏度；

通过组合变化磁阻感测单元和导体单元的夹角以及磁阻感测单元和导体单元在斜坡上的位置，构成只感测垂直方向磁场而不感测水平方向磁场的Z轴磁传感器；抵消工艺不均匀性的影响，提升三轴磁传感器的性能和良率。

一种单芯片三轴磁传感器，所述三轴磁传感器包括：X轴磁传感器、Y轴磁传感器、Z轴磁传感器；

所述X轴磁传感器、Y轴磁传感器位于平面内，Z轴磁传感器通过布置在斜坡两侧以及与斜坡相连的基体平面的Z轴磁阻感测单元和导体单元，同时调整Z轴磁阻感测单元的初始磁化方向、导体单元的取向以及磁阻感测单元和导体单元在斜坡上的位置，达到只感测垂直方向磁场而不感测水平方向磁场的Z轴磁传感器。

作为本发明的一种优选方案，Z轴通过惠斯登电桥设计，将Z轴磁阻感测元件分别布置在设定倾斜角的斜坡两侧，同时变化Z轴磁阻感测元件的导体单元的取向角度，最终达到Z轴磁传感器元件只测量Z方向的磁场分量，而不感应X、Y方向的磁场分量，无需进行额外的运算；

通过半导体工艺制备出所需的斜坡构型，将Z轴与X、Y轴集成在一颗芯片上，构成单芯片的三轴磁传感器。

作为本发明的一种优选方案，所述Z轴磁传感器通过惠斯登电桥设计，Z轴磁传感器包括四组Z轴磁阻感测元件形成惠斯登电桥；

所述Z轴磁阻感测元件包括Z轴磁阻感测单元和导体单元；将Z轴磁阻感测元件分别布置在设定倾斜角的斜坡两侧，同时变化Z轴磁阻感测元件的导体单元的取向角度，最终达到Z轴磁阻感测元件只测量Z方向的磁场分量，而不感应X方向、Y方向的磁场分量，无需进行额外的运算。

作为本发明的一种优选方案，通过半导体工艺制备出所需的斜坡构型，将Z轴与X轴、Y轴集成在一颗芯片上，构成单芯片的三轴磁传感器。

作为本发明的一种优选方案，所述斜坡分为左右两侧，斜坡左右两侧的倾斜角相同，为20°～85°；在斜坡的两侧分布着Z轴磁感测元件的Z轴磁阻感测单元和导体单元。

作为本发明的一种优选方案，每组磁感测元件是一个电桥的桥臂，由若干个相同的磁阻感测单元串联而成；导体单元与磁阻感测单元成45°角；通过额外设计的设置/重置线圈电路，使Z轴磁传感器上半部分的两个桥臂的Z轴磁阻感测单元的初始磁化方向沿着X轴正方向，而下半部分的两个桥臂的Z轴磁阻感测单元的初始磁化方向沿着X轴负方向；通过调节导体单元的取向、Z轴磁阻感测单元的初始磁化方向和Z轴磁阻感测元件在斜坡的位置来得到一个只感测垂直方向磁场而不感测水平方向磁场的Z轴磁传感器。

作为本发明的一种优选方案，在斜坡的两侧以及斜坡相连的基体平面分布着磁感测元件的磁阻感测单元和导体单元；在与斜坡相连的基体平面上也分布着磁感测元件的磁阻感测单元和导体单元，Z轴磁阻感测单元和导体单元的夹角也是45°；斜坡上的Z轴磁阻感测单元将Z方向的磁场部分转换到基体平面内，通过位于基体平面内的磁阻感测单元测量这部分转换后的信号，以增加Z轴磁传感器的灵敏度。

作为本发明的一种优选方案，通过组合变化磁阻感测单元和导体单元的夹角以及磁阻感测单元和导体单元在斜坡上的位置，构成只感测垂直方向磁场而不感测水平方向磁场的Z轴磁传感器；抵消工艺不均匀性的影响，提升三轴磁传感器的性能和良率。

本发明的有益效果在于：本发明提出的单芯片三轴磁传感器，可提高测量的精确度，降低生产成本。

本发明介绍的单芯片三轴磁传感器，X、Y轴磁传感器位于基体平面以内，Z轴磁传感器通过布置在斜坡两侧以及与斜坡相连的基体平面的磁阻感测单元和导体单元，同时调整磁阻感测单元的初始磁化方向、导体单元的取向以及磁阻感测单元和导体单元在斜坡上的位置，可以达到只感测垂直方向磁场而不感测水平方向磁场的Z轴磁传感器。

在本发明中，斜坡倾斜角是可以根据需要进行调整的。将Z轴的磁阻感测单元和导体单元布置在斜坡两侧以及与斜坡相连的基体平面，使得斜坡和基体平面部分都能感测Z方向的磁场，都能产生有用的磁信号，同时不感测水平方向磁场。这种Z轴构型及功能是在本发明的权利要求范围内。

任何通过改变磁阻感测单元的初始磁化方向、导体单元的取向以及磁阻感测单元和导体单元在斜坡上的位置以达到同样功能的各种组合都在本发明的权利要求范围内。

附图说明

图1为现有三轴磁传感器的结构示意图。

图2为另一现有三轴磁传感器的结构示意图。

图3为第三种现有三轴磁传感器的结构示意图。

图4为本发明单芯片三轴磁传感器的示意图。

图5为本发明单芯片三轴磁传感器Z轴结构的主视图。

图6为本发明单芯片三轴磁传感器Z轴结构的俯视图。

图7为本发明三轴磁传感器Z轴结构第一种优选方案的主视图。

图8为本发明三轴磁传感器Z轴结构第一种优选方案的俯视图。

图9为本发明三轴磁传感器Z轴结构第二种优选方案的俯视图。

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4、图5，本发明揭示了一种单芯片三轴磁传感器，所述三轴磁传感器包括：X轴磁传感器10、Y轴磁传感器20、Z轴磁传感器30。

所述X轴磁传感器10、Y轴磁传感器20位于平面1内，Z轴磁传感器30通过惠斯登电桥设计，Z轴磁传感器30包括四组Z轴磁阻感测元件形成惠斯登电桥。

所述Z轴磁阻感测元件包括Z轴磁阻感测单元4和导体单元5；将Z轴磁阻感测元件分别布置在设定倾斜角的斜坡两侧，同时变化Z轴磁阻感测元件的导体单元的取向角度，最终达到Z轴磁阻感测元件只测量Z方向的磁场分量，而不感应X方向、Y方向的磁场分量，无需进行额外的运算。

通过半导体工艺制备出所需的斜坡构型，将Z轴与X轴、Y轴集成在一颗芯片上，构成单芯片的三轴磁传感器。

所述斜坡分为左右两侧(包括左侧斜坡2、右侧斜坡3)，斜坡左右两侧的倾斜角相同，为20°～85°；在斜坡的两侧分布着Z轴磁感测元件的Z轴磁阻感测单元4和导体单元5；导体单元5可设置于Z轴磁阻感测单元4的上方或者下方。

图6所示，为Z轴磁传感器结构的俯视示意图。四组磁感测元件通过形成惠斯登电桥(Wheatstone bridge)构成了Z轴磁传感器。每组磁感测元件是一个电桥的桥臂，由若干个相同的磁阻感测单元串联而成。导体单元5与Z轴磁阻感测单元4成45°角。通过额外设计的设置/重置线圈电路(Set/Reset Coil)，可以使Z轴磁传感器上半部分的两个桥臂的磁阻感测单元的初始磁化方向沿着X轴正方向，而下半部分的两个桥臂的磁阻感测单元的初始磁化方向沿着X轴负方向。通过调节导体单元的取向、磁阻感测单元的初始磁化方向和磁阻感测元件在斜坡的位置来得到一个只感测垂直方向磁场而不感测水平方向磁场的Z轴磁传感器。

除了上述的Z轴构型，本发明还有如下两个优选方案：

请参阅图7、图8，图7为优选方案1的Z轴结构的正视示意图。在斜坡的两侧以及斜坡相连的基体平面分布着磁感测元件的磁阻感测单元和导体单元。

图8为优选方案1的Z轴结构的俯视示意图。在与斜坡相连的基体平面上也分布着磁感测元件的磁阻感测单元和导体单元，磁阻感测单元和导体单元的夹角也是45°(当然也可以是其他角度)。斜坡上的磁阻感测单元可以将Z方向的磁场部分转换到基体平面内，通过位于基体平面内的磁阻感测单元测量这部分转换后的信号。这种结构安排可以增加Z轴磁传感器的灵敏度。

请参阅图9，图9为优选方案2的Z轴结构的俯视示意图。通过组合变化Z轴磁阻感测单元4和导体单元(包括导体单元5、-45°导体单元6，导体单元5为+45°导体单元)的夹角(+45°或者-45°)以及Z轴磁阻感测单元和导体单元在斜坡上的位置，可以构成只感测垂直方向磁场而不感测水平方向磁场的Z轴磁传感器。这种方案可以更好地抵消工艺不均匀性的影响，提升三轴磁传感器的性能和良率。

此外，优选方案1和优选方案2可以结合起来，可以进一步提升三轴磁传感器的性能。

本发明介绍的单芯片三轴磁传感器，X、Y轴磁传感器位于基体平面以内，Z轴磁传感器通过布置在斜坡两侧以及与斜坡相连的基体平面的磁阻感测单元和导体单元，同时调整磁阻感测单元的初始磁化方向、导体单元的取向以及磁阻感测单元和导体单元在斜坡上的位置，可以达到只感测垂直方向磁场而不感测水平方向磁场的Z轴磁传感器。

在本发明中，斜坡倾斜角是可以根据需要进行调整的。

将Z轴的磁阻感测单元和导体单元布置在斜坡两侧以及与斜坡相连的基体平面，使得斜坡和基体平面部分都能感测Z方向的磁场，都能产生有用的磁信号，同时不感测水平方向磁场。这种Z轴构型及功能是在本发明的权利要求范围内。

任何通过改变磁阻感测单元的初始磁化方向、导体单元的取向以及磁阻感测单元和导体单元在斜坡上的位置以达到同样功能的各种组合都在本发明的权利要求范围内。

实施例二

一种单芯片三轴磁传感器，所述三轴磁传感器包括：X轴磁传感器、Y轴磁传感器、Z轴磁传感器。

所述X轴磁传感器、Y轴磁传感器位于平面内，Z轴磁传感器通过布置在斜坡两侧以及与斜坡相连的基体平面的Z轴磁阻感测单元和导体单元，同时调整Z轴磁阻感测单元的初始磁化方向、导体单元的取向以及磁阻感测单元和导体单元在斜坡上的位置，达到只感测垂直方向磁场而不感测水平方向磁场的Z轴磁传感器。

综上所述，本发明提出的单芯片三轴磁传感器，可提高测量的精确度，降低生产成本。

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 (9)

1.一种单芯片三轴磁传感器，其特征在于，所述三轴磁传感器包括：X轴磁传感器、Y轴磁传感器、Z轴磁传感器；

所述X轴磁传感器、Y轴磁传感器位于平面内，Z轴磁传感器通过惠斯登电桥设计，Z轴磁传感器包括四组Z轴磁阻感测元件形成惠斯登电桥；

所述Z轴磁阻感测元件包括Z轴磁阻感测单元和导体单元；将Z轴磁阻感测元件分别布置在设定倾斜角的斜坡两侧，同时变化Z轴磁阻感测元件的导体单元的取向角度，最终达到Z轴磁阻感测元件只测量Z方向的磁场分量，而不感应X方向、Y方向的磁场分量，无需进行额外的运算；

通过半导体工艺制备出所需的斜坡构型，将Z轴与X轴、Y轴集成在一颗芯片上，构成单芯片的三轴磁传感器；

所述斜坡分为左右两侧，斜坡左右两侧的倾斜角相同，为20°～85°；在斜坡的两侧分布着Z轴磁感测元件的Z轴磁阻感测单元和导体单元；

每组磁感测元件是一个电桥的桥臂，由若干个相同的磁阻感测单元串联而成；导体单元与磁阻感测单元成45°角；通过额外设计的设置/重置线圈电路，使Z轴磁传感器上半部分的两个桥臂的Z轴磁阻感测单元的初始磁化方向沿着X轴正方向，而下半部分的两个桥臂的Z轴磁阻感测单元的初始磁化方向沿着X轴负方向；通过调节导体单元的取向、Z轴磁阻感测单元的初始磁化方向和Z轴磁阻感测元件在斜坡的位置来得到一个只感测垂直方向磁场而不感测水平方向磁场的Z轴磁传感器；

在斜坡的两侧以及斜坡相连的基体平面分布着磁感测元件的磁阻感测单元和导体单元；在与斜坡相连的基体平面上也分布着磁感测元件的磁阻感测单元和导体单元，Z轴磁阻感测单元和导体单元的夹角也是45°；斜坡上的Z轴磁阻感测单元将Z方向的磁场部分转换到基体平面内，通过位于基体平面内的磁阻感测单元测量这部分转换后的信号；以增加Z轴磁传感器的灵敏度；

通过组合变化磁阻感测单元和导体单元的夹角以及磁阻感测单元和导体单元在斜坡上的位置，构成只感测垂直方向磁场而不感测水平方向磁场的Z轴磁传感器；抵消工艺不均匀性的影响，提升三轴磁传感器的性能和良率。

2.一种单芯片三轴磁传感器，其特征在于，所述三轴磁传感器包括：X轴磁传感器、Y轴磁传感器、Z轴磁传感器；

所述X轴磁传感器、Y轴磁传感器位于平面内，Z轴磁传感器通过布置在斜坡两侧以及与斜坡相连的基体平面的Z轴磁阻感测单元和导体单元，同时调整Z轴磁阻感测单元的初始磁化方向、导体单元的取向以及磁阻感测单元和导体单元在斜坡上的位置，达到只感测垂直方向磁场而不感测水平方向磁场的Z轴磁传感器。

3.根据权利要求2所述的单芯片三轴磁传感器，其特征在于：

Z轴通过惠斯登电桥设计，将Z轴磁阻感测元件分别布置在设定倾斜角的斜坡两侧，同时变化Z轴磁阻感测元件的导体单元的取向角度，最终达到Z轴磁传感器元件只测量Z方向的磁场分量，而不感应X、Y方向的磁场分量，无需进行额外的运算；

通过半导体工艺制备出所需的斜坡构型，将Z轴与X、Y轴集成在一颗芯片上，构成单芯片的三轴磁传感器。

4.根据权利要求2所述的单芯片三轴磁传感器，其特征在于：

所述Z轴磁传感器通过惠斯登电桥设计，Z轴磁传感器包括四组Z轴磁阻感测元件形成惠斯登电桥；

所述Z轴磁阻感测元件包括Z轴磁阻感测单元和导体单元；将Z轴磁阻感测元件分别布置在设定倾斜角的斜坡两侧，同时变化Z轴磁阻感测元件的导体单元的取向角度，最终达到Z轴磁阻感测元件只测量Z方向的磁场分量，而不感应X方向、Y方向的磁场分量，无需进行额外的运算。

5.根据权利要求2所述的单芯片三轴磁传感器，其特征在于：

通过半导体工艺制备出所需的斜坡构型，将Z轴与X轴、Y轴集成在一颗芯片上，构成单芯片的三轴磁传感器。

6.根据权利要求2所述的单芯片三轴磁传感器，其特征在于：

所述斜坡分为左右两侧，斜坡左右两侧的倾斜角相同，为20°～85°；在斜坡的两侧分布着Z轴磁感测元件的Z轴磁阻感测单元和导体单元。

7.根据权利要求2所述的单芯片三轴磁传感器，其特征在于：

每组磁感测元件是一个电桥的桥臂，由若干个相同的磁阻感测单元串联而成；导体单元与磁阻感测单元成45°角；通过额外设计的设置/重置线圈电路，使Z轴磁传感器上半部分的两个桥臂的Z轴磁阻感测单元的初始磁化方向沿着X轴正方向，而下半部分的两个桥臂的Z轴磁阻感测单元的初始磁化方向沿着X轴负方向；通过调节导体单元的取向、Z轴磁阻感测单元的初始磁化方向和Z轴磁阻感测元件在斜坡的位置来得到一个只感测垂直方向磁场而不感测水平方向磁场的Z轴磁传感器。

8.根据权利要求2所述的单芯片三轴磁传感器，其特征在于：

在斜坡的两侧以及斜坡相连的基体平面分布着磁感测元件的磁阻感测单元和导体单元；在与斜坡相连的基体平面上也分布着磁感测元件的磁阻感测单元和导体单元，Z轴磁阻感测单元和导体单元的夹角也是45°；斜坡上的Z轴磁阻感测单元将Z方向的磁场部分转换到基体平面内，通过位于基体平面内的磁阻感测单元测量这部分转换后的信号，以增加Z轴磁传感器的灵敏度。

9.根据权利要求2所述的单芯片三轴磁传感器，其特征在于：

通过组合变化磁阻感测单元和导体单元的夹角以及磁阻感测单元和导体单元在斜坡上的位置，构成只感测垂直方向磁场而不感测水平方向磁场的Z轴磁传感器；抵消工艺不均匀性的影响，提升三轴磁传感器的性能和良率。