CN110207586B - 一种磁传感器芯片中磁阻的布置结构及磁传感器芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁传感器芯片中磁阻的布置结构及磁传感器芯片，具有空腔的衬底，以及设置在衬底上的第一悬臂、第二悬臂；第一悬臂、第二悬臂自由端部的延伸方向相反，且悬置在空腔上；在第一悬臂、第二悬臂上分别设有第一磁阻、第二磁阻，所述第一磁阻、第二磁阻在相同的工序中同时制作得到；所述第一悬臂、第二悬臂的自由端部朝远离衬底的方向弯曲，直至第一磁阻、第二磁阻的感应方向相反。本发明的布置结构，可在同一芯片上同时制作出磁感应方向相反的磁阻，以构成真正的惠斯通电桥进行检测，提高了检测的灵敏度。

Description

一种磁传感器芯片中磁阻的布置结构及磁传感器芯片
技术领域
本发明涉及传感器领域，更具体地，涉及一种磁感应传感器芯片，还涉及一种磁感应传感器芯片中磁阻的布置结构。
背景技术
现有的利用磁阻感应原理进行检测的传感器中，例如角度传感器中。由于制造工艺的限制，在同一层制作磁阻的时候，该同一层磁阻的感应方向是一致的。这就导致了这些磁阻对磁场感应是相同的，例如这些磁阻同时增大或者同时减小，而无法构成真正的惠斯通电桥。这使得这些磁阻构成的惠斯通电桥，比传统惠斯通电桥的灵敏度降低了一半，SNR损耗约为6dB。
为了使这些磁阻可以构成真正的惠斯通电桥，可以将磁阻分布在不同的层上，不同层上的磁阻独立制作，后期通过键合等工艺将这些不同的层结合在一起，以得到不同感应方向的磁阻。采用这种结构的弊端在于：工艺复杂，而且键合工艺存在对准等问题；另外大大增大了传感器的厚度，不利于某些传感器的小型化发展。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种磁传感器芯片中磁阻的布置结构的新技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种磁传感器芯片中磁阻的布置结构，包括具有空腔的衬底，以及设置在衬底上的第一悬臂、第二悬臂；所述第一悬臂、第二悬臂自由端部的延伸方向相反，且悬置在空腔上；在所述第一悬臂、第二悬臂上分别设有第一磁阻、第二磁阻，所述第一悬臂、第二悬臂通过对同一膜层的图形化处理得到，所述第一磁阻、第二磁阻在相同的工序中同时制作得到；
所述第一悬臂、第二悬臂的自由端部朝远离衬底的方向弯曲，直至第一磁阻、第二磁阻的感应方向相反。
可选地，所述第一磁阻、第二磁阻分别设置在第一悬臂、第二悬臂靠近各自自由端部的位置。
可选地，所述第一悬臂上设置有第一凸缘，所述第二悬臂上设置有第二凸缘；所述第一悬臂、第二悬臂的自由端部朝远离衬底的方向弯曲，直至第一悬臂的第一凸缘与第二悬臂的第二凸缘接触并止挡在一起。
可选地，所述第一悬臂与第二悬臂在相同的工序中同时制作得到。
可选地，所述第一悬臂设置有至少两条，所述第二悬臂设置有至少两条；所述至少两条第一悬臂上的磁阻与至少两条第二悬臂上的磁阻构成了惠斯通全桥电路。
可选地，至少两条第一悬臂与至少两条第二悬臂依次间隔设置。
可选地，在所述衬底上还设置有第三磁阻，所述第一磁阻、第二磁阻、第三磁阻在相同的工序中同时制作得到；且所述第三磁阻的感应方向与弯曲后第一悬臂、第二悬臂上的第一磁阻、第二磁阻的感应方向垂直。
可选地，弯曲后，所述第一磁阻、第二磁阻的磁感应方向之间的夹角在预定的角度范围内。
可选地，所述第一悬臂、第二悬臂通过静电力的吸引实现自身的弯曲。
可选地，所述第一悬臂、第二悬臂为具有压应力或者拉应力的薄膜；或者为压应力薄膜与拉应力薄膜的复合薄膜；
所述第一悬臂、第二悬臂通过MEMS制造中的释放工艺进行释放，并在自身应力的作用下弯曲。
可选地，所述第一悬臂、第二悬臂从其与衬底的连接端至其自由端部具有应力梯度，以使所述第一悬臂、第二悬臂自由端部的形变大于其它位置。
可选地，所述第一悬臂、第二悬臂通过对同一膜层图案化处理得到。
可选地，所述第一磁阻、第二磁阻为巨磁阻、隧道磁阻或者各向异性磁阻。
根据本发明的另一方面，还提供了一种磁传感器芯片，包括上述的磁传感器芯片中磁阻的布置结构。
可选地，所述磁传感器芯片为角度传感器。
根据本公开的一个实施例，可在同一芯片上同时制作出磁感应方向相反的磁阻，以构成真正的惠斯通电桥进行检测，提高了检测的灵敏度；同时还避免了多层键合工艺，简化了制作的工艺及结构，降低了成本。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明传感器芯片中磁阻布置结构的示意图。
图2是图1中两条悬臂为弯曲前是示意图。
图3是图1中两条悬臂的局部放大图。
图4是图1中两条悬臂另一视角的局部放大图。
图5是本发明磁阻布置结构中悬臂未弯曲时另一实施方式的示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
本发明提供了一种磁传感器芯片中磁阻的布置结构，以及应用该磁阻布置结构的磁传感器芯片。本发明的磁传感器芯片可以是角度传感器，还可以是位移传感器等领域技术人员所熟知的传感器，在此不再一一列举。现以角度传感器芯片为例，对其内部磁阻的布置结构进行详细的描述。
本发明磁阻的布置结构，包括具有空腔10的衬底1，以及设置在衬底1上的第一悬臂2、第二悬臂3。衬底1可以采用芯片领域所熟知的硅衬底，空腔10可通过本领域技术人员所熟知的刻蚀、腐蚀等工艺形成。其中，空腔10可以是形成在衬底1上的凹槽，也可以是贯穿衬底1的两端，这根据传感器的类型及构造而定，在此不作限制。
第一悬臂2、第二悬臂3相对设置在衬底1上，例如参考图1、图2，第一悬臂2的一端连接在衬底1上位于空腔10的一侧，第二悬臂3的一端连接在衬底1上位于空腔10的另一侧，两个悬臂自由端部的延伸方向相反，且均悬置在空腔10的上方。
在第一悬臂2、第二悬臂3上分别设有第一磁阻4、第二磁阻5，第一磁阻4、第二磁阻5优选设置在第一悬臂2、第二悬臂3邻近自由端部的位置。本发明的第一磁阻4、第二磁阻5可以采用巨磁阻(GMR)、隧道磁阻(TMR)或者各向异性磁阻(AMR)等。通过采用高灵敏度的磁阻来获得检测的电信号，可以保证检测机构的电学性能。
图2示出了本发明第一悬臂2、第二悬臂3在未弯曲变形之前的示意图。可通过沉积、刻蚀等MEMS工艺制作上述的第一悬臂2、第二悬臂3以及第一磁阻4、第二磁阻5。例如可在衬底1上沉积整个膜层，通过对膜层的图形化处理同时得到相互分离的第一悬臂2、第二悬臂3。
第一磁阻4、第二磁阻5也可通过逐层沉积、图案化的工艺在相同的工序中同时制作得到。这些在相同工序中制作出来的第一磁阻4、第二磁阻5的磁感应方向均是相同的。参考图2的视图方向，假设第一磁阻4、第二磁阻5的磁感应方向与第一悬臂2自由端部的延伸方向一致，均朝向图示的右方。
当受到外力或者自身作用力的时候，第一悬臂2、第二悬臂3的自由端部朝远离衬底1的方向弯曲，直至第一磁阻4、第二磁阻5的磁感应方向相反。
参考图1、图3，当第一悬臂2、第二悬臂3朝远离衬底1的方向弯曲时，参考图示的方向，即向上弯曲时，第一悬臂2、第二悬臂3上第一磁阻4、第二磁阻5的磁感应方向也随着发生改变。第一磁阻4的磁感应方向顺着第一悬臂2自由端部的向上翘起而逐渐向上偏转(逆时针偏转)；第二磁阻5的磁感应方向顺着第二悬臂3自由端部的向上翘起而逐渐向下偏转(顺时针偏转)。当第一悬臂2、第二悬臂3偏转至某个位置时，第一磁阻4、第二磁阻5的磁感应方向相反。
参考图4，当第一悬臂2的自由端部位置(第一磁阻4的位置)偏转至近似垂直时，第一磁阻4的磁感应方向近似向上(例如Z轴正向)。由于第一悬臂2、第二悬臂3相对设置，因此第二悬臂3的弯曲变形方向与第一悬臂2相反。当第二悬臂3的自由端部位置(第二磁阻5的位置)偏转至近似垂直时，第二磁阻5的磁感应方向近似向下(例如Z轴负向)。
由于第一磁阻4、第二磁阻5的磁感应方向相反，当其处于共同变化的磁场中，其中一个磁阻的阻值会变大，另一个磁阻的阻值会变小，且二者的变化量相同。这就使得第一磁阻4、第二磁阻5可以构成真正的惠斯通电桥，提高了传感器检测的灵敏度。
可选地是，第一悬臂2、第二悬臂3弯曲偏转至使第一磁阻4、第二磁阻5的磁感应方向完全相反。即第一磁阻4的磁感应方向朝Z轴正向，第二磁阻5的磁感应方向朝Z轴负向，这就要求第一悬臂2、第二悬臂3的自由端部需要由水平状态偏转至竖直状态。
这就要求在制造的时候，需要控制两个悬臂的自由端部偏转90°。当然，对于本领域的技术人员而言，在可接受的误差范围内，两个悬臂2偏转至使第一磁阻4、第二磁阻5磁感应方向之间的夹角(也可以近似看成两个悬臂自由端部之间的夹角)可在预定的角度范围内，例如在20°以内的可接受范围内。
在制造第一悬臂2、第二悬臂3的时候，由于是在同一工序中形成，因此两个悬臂处于同一平面内，为了使第一悬臂2、第二悬臂3可以弯曲翘起，可以采用外力或者自身的作用力。
例如在本发明一个具体的实施方式中，可以采用静电力吸引的方式使第一悬臂2、第二悬臂3发生弯曲。例如在第一悬臂2与一固定膜片之间施加电压，以在静电力的作用下使第一悬臂2往固定膜片的方向弯曲偏转。在第二悬臂3与另一固定膜片之间施加电压，以在静电力的作用下使第二悬臂3往固定膜片的方向弯曲偏转。
例如在本发明另一个具体的实施方式中，可以通过自身的应力实现第一悬臂2、第二悬臂3的弯曲翘起。选择第一悬臂2、第二悬臂3为具有压应力或者拉应力的薄膜；或者为压应力薄膜与拉应力薄膜的复合薄膜。在制造的时候，在衬底1上沉积具有压应力或者拉应力的薄膜，或者上述的复合薄膜，进行图案化处理得到位于同一平面内且相互分离的第一悬臂2、第二悬臂3。在将第一悬臂2、第二悬臂3通过MEMS制造中的释放工艺进行释放时(例如腐蚀掉空腔10中的牺牲层)，第一悬臂2、第二悬臂3在自身应力的作用下发生弯曲。
悬臂发生弯曲变形的能力与悬臂的长度以及自身应力的大小、方向有关，在此不再具体说明。
本发明磁阻的布置结构，可在同一芯片上同时制作出磁感应方向相反的磁阻，以构成真正的惠斯通电桥进行检测，提高了检测的灵敏度；同时还避免了多层键合工艺，简化了制作的工艺及结构，降低了成本。
本发明可选地，为了使悬臂的自由端部发生较大的变形，在制作第一悬臂2、第二悬臂3的时候，通过工艺控制第一悬臂2、第二悬臂3从其与衬底1的连接端至其自由端部具有应力梯度。也就是说，沿着悬臂的延伸方向，其应力分布是不同的。选择使悬臂自由端部的应力大。在悬臂释放的时候，第一悬臂2、第二悬臂3自由端部的形变可以大于其它位置，以便于悬臂自由端部可以具有较大的偏转，以使磁阻的磁感应方向由初始的水平方向偏转至竖直方向。
在本发明一个可选的实施方式中，为了防止悬臂过渡弯曲变形，参考图2，在第一悬臂2两侧的侧壁上分别设置有第一凸缘20，在第二悬臂3两侧的侧壁上分别设置有第二凸缘30。这些凸缘均可以在对膜层进行图形化的时候与悬臂同时形成。由于两个悬臂距离较近，在第一悬臂2上形成第一凸缘20的时候，可在第二悬臂3上形成第一凹槽31，以避让第一凸缘20。基于同样的道理，在第二悬臂3上形成第二凸缘30的时候，可在第一悬臂2上形成第二凹槽21，以避让第二凸缘30。
通过设置的第一凸缘20、第二凸缘30，当第一悬臂2、第二悬臂3的自由端部朝远离衬底1的方向弯曲至一定程度时，第一悬臂2的第一凸缘20与第二悬臂3的第二凸缘30接触并止挡在一起，以阻止两个悬臂的继续弯曲、偏转，参考图3。
图5示出了本发明磁阻布置结构的另一实施方式，在该实施例中，第一悬臂可设置有至少两条，第二悬臂可设置有至少两条。参考图5，第一悬臂设置有两条，分别记为第一悬臂a 2a、第一悬臂b 2b；第二悬臂设置有两条，分别记为第二悬臂a 3a、第二悬臂b 3b。两条第一悬臂与两条第二悬臂可依次间隔设置。两条第一悬臂上的磁阻、两条第二悬臂上的磁阻可构成惠斯通全桥检测电路。
在本发明另一个可选的实施方式中，参考图1。在衬底1上还设置有第三磁阻6，第一磁阻4、第二磁阻5、第三磁阻6在相同的工序中同时制作得到。因此在制作完成后，这三个磁阻的磁感应方向是相同的，例如均朝向图示的右方。当两个悬臂释放后，第一磁阻4、第二磁阻5的磁感应方向位于竖直方向上，这两个磁阻构成作为Z轴检测的惠斯通电桥。而第三磁阻6设置在衬底上，其位置没有发生变化，磁感应方向依然朝向图示的右方，与第一磁阻4、第二磁阻5的磁感应方向垂直，使其可以作为例如X轴方向的检测。这样就可以在同一芯片上制作出两轴的检测结构。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (15)

1.一种磁传感器芯片中磁阻的布置结构，其特征在于：包括具有空腔的衬底，以及设置在衬底上的第一悬臂、第二悬臂；所述第一悬臂、第二悬臂自由端部的延伸方向相反，且悬置在空腔上；在所述第一悬臂、第二悬臂上分别设有第一磁阻、第二磁阻，所述第一悬臂、第二悬臂通过对同一膜层的图形化处理得到，所述第一磁阻、第二磁阻在相同的工序中同时制作得到；
所述第一悬臂、第二悬臂的自由端部朝远离衬底的方向弯曲，直至第一磁阻、第二磁阻的感应方向相反。
2.根据权利要求1所述的一种磁传感器芯片中磁阻的布置结构，其特征在于：所述第一磁阻、第二磁阻分别设置在第一悬臂、第二悬臂靠近各自自由端部的位置。
3.根据权利要求1所述的一种磁传感器芯片中磁阻的布置结构，其特征在于：所述第一悬臂上设置有第一凸缘，所述第二悬臂上设置有第二凸缘；所述第一悬臂、第二悬臂的自由端部朝远离衬底的方向弯曲，直至第一悬臂的第一凸缘与第二悬臂的第二凸缘接触并止挡在一起。
4.根据权利要求1所述的一种磁传感器芯片中磁阻的布置结构，其特征在于：所述第一悬臂与第二悬臂在相同的工序中同时制作得到。
5.根据权利要求1所述的一种磁传感器芯片中磁阻的布置结构，其特征在于：所述第一悬臂设置有至少两条，所述第二悬臂设置有至少两条；所述至少两条第一悬臂上的磁阻与至少两条第二悬臂上的磁阻构成了惠斯通全桥电路。
6.根据权利要求5所述的一种磁传感器芯片中磁阻的布置结构，其特征在于：至少两条第一悬臂与至少两条第二悬臂依次间隔设置。
7.根据权利要求1所述的一种磁传感器芯片中磁阻的布置结构，其特征在于：在所述衬底上还设置有第三磁阻，所述第一磁阻、第二磁阻、第三磁阻在相同的工序中同时制作得到；且所述第三磁阻的感应方向与弯曲后第一悬臂、第二悬臂上的第一磁阻、第二磁阻的感应方向垂直。
8.根据权利要求1所述的一种磁传感器芯片中磁阻的布置结构，其特征在于：弯曲后，所述第一磁阻、第二磁阻的磁感应方向之间的夹角在预定的角度范围内。
9.根据权利要求1至8任一项所述的一种磁传感器芯片中磁阻的布置结构，其特征在于：所述第一悬臂、第二悬臂通过静电力的吸引实现自身的弯曲。
10.根据权利要求1至8任一项所述的一种磁传感器芯片中磁阻的布置结构，其特征在于：所述第一悬臂、第二悬臂为具有压应力或者拉应力的薄膜；或者为压应力薄膜与拉应力薄膜的复合薄膜；
所述第一悬臂、第二悬臂通过MEMS制造中的释放工艺进行释放，并在自身应力的作用下弯曲。
11.根据权利要求10所述的一种磁传感器芯片中磁阻的布置结构，其特征在于：所述第一悬臂、第二悬臂从其与衬底的连接端至其自由端部具有应力梯度，以使所述第一悬臂、第二悬臂自由端部的形变大于其它位置。
12.根据权利要求1至8任一项所述的一种磁传感器芯片中磁阻的布置结构，其特征在于：所述第一悬臂、第二悬臂通过对同一膜层图案化处理得到。
13.根据权利要求1至8任一项所述的一种磁传感器芯片中磁阻的布置结构，其特征在于：所述第一磁阻、第二磁阻为巨磁阻、隧道磁阻或者各向异性磁阻。
14.磁传感器芯片，其特征在于，包括根据权利要求1至13任一项所述的磁传感器芯片中磁阻的布置结构。
15.根据权利要求14所述的磁传感器芯片，其特征在于，所述磁传感器芯片为角度传感器。
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