CN110345938B - 一种晶圆级的磁传感器及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明一种晶圆级的磁传感器及电子设备，包括承载部以及设置在承载部上的至少一个第一磁阻、至少一个第二磁阻；其中，第二磁阻的阻值被配置为在工作磁场的感应下发生变化；在第一磁阻的上方还设置有金属导线；金属导线被配置为通入电流产生作用在第一磁阻上的补偿磁场，第一磁阻在补偿磁场和工作磁场中处于其检测饱和区。根据本公开的一个实施例，这种结构不但制作工艺简单，成本低廉，而且可以在晶圆级的制造中批量化生产。

Description

一种晶圆级的磁传感器及电子设备
技术领域
本发明涉及测量领域，更具体地，涉及一种基于晶圆级制造的磁传感器；本发明涉及一种应用上述磁传感器的电子设备。
背景技术
在通过晶圆级的工艺制造磁传感器时，只能在膜片上形成方向单一的磁阻，这使得这些所有的磁阻的电阻均会在磁场的作用下同时增大或者同时减小。
通常，由四个电阻构成的惠斯通检测电桥通常由两个对外部磁场敏感的变化磁阻以及两个对外部磁场不敏感的固定磁阻。这些固定磁阻可以采用与变化磁阻不同的材质、结构；也可以采用与变化磁阻相同的材质、结构，后续通过额外的工艺形成磁通集中器使其变为固定磁阻。不但增加了工艺和成本，还会造成四个电阻不匹配的情况；而且在测量范围内，给电阻和电阻温控系数的匹配带来了很大的难度。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种晶圆级的磁传感器的新技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种晶圆级的磁传感器，包括承载部以及设置在承载部上的至少一个第一磁阻、至少一个第二磁阻；其中，
所述第二磁阻的阻值被配置为在工作磁场的感应下发生变化；
在所述第一磁阻的上方还设置有金属导线；所述金属导线被配置为通入电流产生作用在第一磁阻上的补偿磁场，所述第一磁阻在补偿磁场和工作磁场中处于其检测饱和区。
可选地，所述承载部为敏感膜或者衬底，所述第一磁阻、第二磁阻均设置在所述敏感膜上，或者均设置在所述衬底上，还包括至少覆盖所述第一磁阻的保护层，所述金属导线设置在保护层上对应第一磁阻的位置。
可选地，所述磁传感器为地磁传感器，所述工作磁场为地磁；所述承载部为硅衬底，在所述硅衬底的表面还设置有电介质层，所述第一磁阻、第二磁阻设置在电介质层上。
可选地，还包括至少覆盖所述第一磁阻的保护层，所述金属导线设置在保护层上对应第一磁阻的位置。
可选地，所述第一磁阻设置有至少两个；所述金属导线设置有至少两条，分别对应第一磁阻的位置；所述金属导线中通入电流的方向相同。
可选地，所述金属导线通过连接导线导通在一起。
可选地，所述第一磁阻、第二磁阻通过相同的工艺形成在承载部的同一表面，且所述第一磁阻、第二磁阻具有相同的初始阻值。
可选地，所述工作磁场由磁体提供，或者由通电导线提供。
可选地，所述磁传感器为麦克风、气体传感器、温度传感器、湿度传感器、位移传感器或者角度传感器。
根据本发明的另一方面，还提供了一种电子设备，包括至少一个上述的晶圆级的磁传感器。
根据本公开的一个实施例，采用通电的金属导线使某些磁阻处于饱和区内，以形成固定的磁阻。这种结构不但制作工艺简单，成本低廉，而且可以在晶圆级的制造中批量化生产。
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是本发明地磁传感器的剖面图。
图2是磁阻的电阻R与磁感应强度Bx的变化曲线图。
图3是惠斯通电桥其中一个实施方式的电路原理图。
图4是图3中金属导线与磁阻的配合示意图。
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。
本发明提供了一种晶圆级的磁传感器，其包括承载部以及设置在承载部上的至少一个第一磁阻、至少一个第二磁阻。本发明的磁传感器是基于晶圆级的制造工艺得到的，例如通过MEMS工艺在硅晶片上沉积、刻蚀、图案化等工艺。
本发明的磁传感器可以是麦克风、气体传感器、温度传感器、湿度传感器、位移传感器或者角度传感器等，还可以是地磁传感器等本领域技术人员所熟知的其它传感器。
图1示出了地磁传感器的结构示意图。参考图1，承载部为硅衬底1，在硅衬底1上设置有电介质层2，该电介质层2可以是二氧化硅等本领域技术人员所熟知的材料。在制造的时候，电介质层2可以通过沉积或者热生长的方式形成在硅衬底1上。
第一磁阻3、第二磁阻4形成在电介质层2上。本发明的磁阻可以选用例如巨磁阻传感器(GMR)、隧道磁阻传感器(TMR)、各向异性磁阻传感器(AMR)或者本领域技术人员所熟知的其它磁阻等。通过采用高灵敏度的巨磁阻传感器(GMR)、隧道磁阻传感器(TMR)或各向异性磁阻传感器(AMR)来获得检测的电信号，可以保证检测机构的电学性能。
第一磁阻3、第二磁阻4可以通过本领域技术人员所熟知的方式形成在电介质层2上，例如通过沉积、图案化等工艺，同时形成在电介质层2的同一表面上，最终制得的第一磁阻3、第二磁阻4具有相同的初始阻值，且对外界变化的响应是一致的，例如受到磁场变化的响应是一致的，还可以是，对应力变化的响应也是一致的。其中，第一磁阻3、第二磁阻4的钉扎方向相同，这是由于通过MEMS工艺在同一表面上制作磁阻时，无法选择不同钉扎方向的磁阻，或者说工艺难度大。
为了保护第一磁阻3、第二磁阻4，可以在第一磁阻3、第二磁阻4的上面形成一保护层5，该保护层5可以是氮化硅等本领域技术人员所熟知的材质，保护层5通过沉积的方式形成在电介质层2、磁阻的表面，最后可通过刻蚀等工艺进行图案化处理，得到将第一磁阻3、第二磁阻4覆盖在电介质层2上的保护层5。
此时，第一磁阻3、第二磁阻4均为变化的磁阻，也就是说，第一磁阻3、第二磁阻4的阻值会在工作磁场的感应下发生变化。地磁传感器的工作磁场为地磁(地磁又称“地球磁场”或“地磁场”，是指地球周围空间分布的磁场。)，这属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。
也就是说，此时的地磁传感器，如果角度发生变化后，第一磁阻3、第二磁阻4均会受到地磁的影响，从而输出变化的电阻。
为了屏蔽第一磁阻3，图1示意出的地磁传感器中，在保护层层5的上面对应第一磁阻3的位置设置有金属导线6，该金属导线6被配置为通入电流。当金属导线6通入电流后，会在金属导线6周围的空间产生圆形磁场。导线中流过的电流越大，产生的磁场越强，这是本领域技术人员所熟知的电生磁现象。
金属导线6设置在第一磁阻3对应的位置，使得金属导线6产生的补偿磁场可以作用到第一磁阻3中，而不会对第二磁阻4产生影响。第一磁阻3在补偿磁场和地磁中处于其检测饱和区。由于第一磁阻3处于饱和区，这就使得第一磁阻3不会再感应周围的磁场变化而输出变化的电阻值，而第二磁阻4依然会随着位置的变化，受到不同的磁场感应强度而输出变化的电阻值，从而使得第一磁阻3、第二磁阻4可以构成惠斯通电桥，提高地磁传感器的检测精度。
图2是磁阻的电阻R与磁感应强度Bx的变化曲线图。参考图2，磁阻具有线性感应最大区域FS，在该线性感应最大区域FS范围内，磁阻可以正常工作。地磁的磁感应强度B地磁在磁阻的线性感应最大区域FS范围内。超出线性感应最大区域FS后，会存在非线性感应区域，直至达到磁阻的检测饱和区。
磁阻是在补偿磁场和地磁的共同磁场作用下达到其检测饱和区。也可以是，补偿磁场本身已经使处于其中的磁阻达到了检测饱和区。地磁传感器中磁阻的典型磁场感应区域Bx小于1oe，远远小于磁阻的线性感应最大区域FS(≥10oe)。对于磁阻10-100Oe的线性感应最大区域FS：如果I＝10mA，d＝100nm，则B的偏移量μ0I/2πd＝200Oe；其中，μ0为常数，d是金属导线至磁阻的距离，I是金属导线中通入的电流。这通常足以将磁阻固定在其恒定电阻。如果I是脉冲式的，则允许动态或AC检测角度变化，以节省更多的功耗。
由于金属导线为第一磁阻提供了补偿磁场，使得磁传感器在工作时，第一磁阻始终处于其饱和区，也就是说，第一磁阻的阻值是不变化的；而第二磁阻依然会受到地磁的影响而发生变化，这就使得第一磁阻、第二磁阻可以构成惠斯通电桥。
惠斯通电桥的类型可以根据具体设计要求而变化，各种惠斯通电桥的具体连接方式均属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。例如在本发明一个具体的实施方式中，第一磁阻和第二磁阻均设置有两个，四个电阻构成了惠斯通电桥。
在图3、图4示出的实施例中，磁阻R1、磁阻R2、磁阻R3、磁阻R4构成了惠斯通电桥，其中，磁阻R1、磁阻R4是变化电阻，磁阻R2和磁阻R3是固定电阻。为了使磁阻R2和磁阻R3处于其饱和区，分别设置有对应磁阻R2的第一导线60，对应磁阻R3的第二导线61。第一导线60、第二导线61中的电流可以分别引出。也可以是通过连接导线62将第一导线60、第二导线61导通起来，使得第一导线60、第二导线61可以引入方向相同、大小相同的电流，以使磁阻R2、磁阻R3处于一致的饱和区中，即，使磁阻R2、磁阻R3同时输出其最大的阻值，或者同时输出其最小的阻值。
本发明的磁传感器，采用通电的金属导线使某些磁阻处于饱和区内，以形成固定的磁阻。这种结构不但制作工艺简单，成本低廉，而且可以在晶圆级的制造中批量化生产。
本发明的磁传感器还可以是麦克风、气体传感器、温度传感器、湿度传感器、位移传感器或者角度传感器等。例如当磁传感器为麦克风时，上述的承载部为敏感膜，该敏感膜对声音敏感。将第一磁阻、第二磁阻设置在敏感膜上，在声压的驱动下，第一磁阻、第二磁阻的位置随着敏感膜的形变而发生变化，从而使得第二磁阻可以感应工作磁场的变化，而第一磁阻始终处于其饱和区中，其阻值是不变的。
当然，对于本领域的技术人员而言，第一磁阻、第二磁阻也可以设置在麦克风的衬底上，在此不再具体说明。
麦克风的工作磁场可以由磁体提供。例如当两个磁阻设置在衬底上时，可以在其敏感膜上设置磁体。或者是，当两个磁阻设置在敏感膜上时，可以在其衬底上设置磁体。
麦克风的工作磁场也可以由通电导线提供，其工作原理与上述金属导线的工作原理类似，不同的是，该通电导线提供的磁场是为了让磁阻感应磁场的变化而输出不同的阻值；上述金属导线提供的磁场是为了让磁阻处于其饱和区，在此不再具体说明。
本发明的传感器可以应用到电子设备中，为此本发明还提供了一种电子设备，包括上述的传感器。该电子设备可以是智能手机、平板电脑、智能手表、智能手环、智能眼镜等本领域技术人员所熟知的电子设备终端，在此不再一一列举。
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 (9)

1.一种晶圆级的磁传感器，其特征在于：包括承载部以及设置在承载部上的至少一个第一磁阻、至少一个第二磁阻；其中，
所述第二磁阻的阻值被配置为在工作磁场的感应下发生变化；
在所述第一磁阻的上方还设置有金属导线；所述金属导线被配置为通入电流产生作用在第一磁阻上的补偿磁场，所述第一磁阻在补偿磁场和工作磁场中处于其检测饱和区；
所述第一磁阻设置有至少两个；所述金属导线设置有至少两条，分别对应第一磁阻的位置；所述金属导线中通入电流的方向相同；
第一磁阻和第二磁阻为巨磁阻传感器、隧道磁阻传感器或各向异性磁阻传感器。
2.根据权利要求1所述的一种晶圆级的磁传感器，其特征在于：所述承载部为敏感膜或者衬底，所述第一磁阻、第二磁阻均设置在所述敏感膜上，或者均设置在所述衬底上，还包括至少覆盖所述第一磁阻的保护层，所述金属导线设置在保护层上对应第一磁阻的位置。
3.根据权利要求1所述的一种晶圆级的磁传感器，其特征在于：所述磁传感器为地磁传感器，所述工作磁场为地磁；所述承载部为硅衬底，在所述硅衬底的表面还设置有电介质层，所述第一磁阻、第二磁阻设置在电介质层上。
4.根据权利要求3所述的一种晶圆级的磁传感器，其特征在于：还包括至少覆盖所述第一磁阻的保护层，所述金属导线设置在保护层上对应第一磁阻的位置。
5.根据权利要求1所述的一种晶圆级的磁传感器，其特征在于：所述金属导线通过连接导线导通在一起。
6.根据权利要求1所述的一种晶圆级的磁传感器，其特征在于：所述第一磁阻、第二磁阻通过相同的工艺形成在承载部的同一表面，且所述第一磁阻、第二磁阻具有相同的初始阻值。
7.根据权利要求1所述的一种晶圆级的磁传感器，其特征在于：所述工作磁场由磁体提供，或者由通电导线提供。
8.根据权利要求1所述的一种晶圆级的磁传感器，其特征在于：所述磁传感器为麦克风、气体传感器、温度传感器、湿度传感器、位移传感器或者角度传感器。
9.电子设备，其特征在于：包括至少一个根据权利要求1至8任一项所述的晶圆级的磁传感器。
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