CN111044951A - 三轴磁场传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本说明书公开了三轴磁场传感器及其制造方法。该三轴磁场传感器包括：平行于XY平面的衬底；衬底沿Z轴方向设有凹槽；第一敏感单元和第二敏感单元，分别设置在相对的两个所述侧壁上；第一敏感单元的两个磁敏电阻和第二敏感单元的两个磁敏电阻的钉扎方向朝向所述凹槽的底部、平行于其所在的侧壁并且垂直于Y轴方向；第三敏感单元和第四敏感单元，分别设置在相对的另外两个所述侧壁上；第三敏感单元的两个磁敏电阻和第四敏感单元的两个磁敏电阻的钉扎方向朝向所述凹槽的底部、平行于其所在的侧壁并且垂直于X轴方向；以及设置衬底上的第一固定电阻和第二固定电阻。

Description

三轴磁场传感器及其制造方法
技术领域
本说明书涉及磁场传感器，更具体地，涉及一种三轴磁场传感器及其制造方法。
背景技术
随着磁场传感器技术的发展，其从初期的单轴磁场传感器到现在的双轴、三轴传感器，器件的集成化一直是技术人员追求的目标。
目前主要的三轴传感器通常是由一个单轴磁场传感器和一个双轴磁场传感器拼接而成，这种三轴传感器的制造成本高，稳定性和一致性差，不利于测试设备向小型化，集约化的方向发展。因此，有必要提出一种单芯片集成的三轴磁场传感器。
发明内容
本说明书公开的实施例提供新的三轴磁场传感器及其制造方法。
根据本发明公开的第一方面，提供了一种三轴磁场传感器，包括：
平行于XY平面的衬底；
所述衬底沿Z轴方向设有凹槽；所述凹槽由四个侧壁和平行于XY平面的底壁围成，四个所述侧壁与所述底壁的夹角相同；
第一敏感单元和第二敏感单元，分别设置在相对的两个所述侧壁上；第一敏感单元的两个磁敏电阻和第二敏感单元的两个磁敏电阻的钉扎方向朝向所述凹槽的底部、平行于其所在的侧壁并且垂直于Y轴方向；
第三敏感单元和第四敏感单元，分别设置在相对的另外两个所述侧壁上；第三敏感单元的两个磁敏电阻和第四敏感单元的两个磁敏电阻的钉扎方向朝向所述凹槽的底部、平行于其所在的侧壁并且垂直于X轴方向；
设置衬底上的第一固定电阻和第二固定电阻；
第一敏感单元的两个磁敏电阻和第二敏感单元的两个磁敏电阻用于连接构成第一惠斯通电桥；
第三敏感单元的两个磁敏电阻和第四敏感单元的两个磁敏电阻用于连接构成第二惠斯通电桥；
第一固定电阻、第二固定电阻和任一侧壁上的两个磁敏电阻用于连接构成第三惠斯通电桥；
其中，X轴、Y轴、Z轴两两正交，XY平面是由X轴和Y轴共同限定的平面。
可选地，所述第一、第二、第三、第四敏感单元的磁敏电阻由GMR膜、或TMR膜、或AMR膜形成。
可选地，所述第一、第二固定电阻由GMR膜、或TMR膜、或AMR膜形成。
可选地，所述凹槽的侧壁与底壁的夹角为135度。
可选地，在第一惠斯通电桥中，第一敏感单元的两个磁敏电阻分别位于一对相对桥臂上，第二敏感单元的两个磁敏电阻分别位于另一对相对桥臂上；
在第二惠斯通电桥中，第三敏感单元的两个磁敏电阻分别位于一对相对桥臂上，第四敏感单元的两个磁敏电阻分别位于另一对相对桥臂上；
在第三惠斯通电桥中，两个磁敏电阻分别位于一对相对桥臂上，两个固定电阻分别位于另一对相对桥臂上。
根据本发明公开的第二方面，提供了一种制造方法，用于制造前述任一项所述的三轴磁场传感器，包括以下步骤：
在衬底上形成磁阻膜层；
利用所述磁阻膜层形成分别包括两个磁阻模块的第一至第五磁阻模块组；其中，第五磁阻模块组位于衬底的预计开槽区域外，第一至第四磁阻模块组位于衬底的预计开槽区域内并且环绕一中心分布，第一磁阻模块组和第二磁阻模块组相对，第三磁阻模块组和第四磁阻模块组相对；
通过刻蚀在衬底的预计开槽区域形成所述凹槽，使得第一至第四磁阻模块组悬于所述凹槽的开口之上并且分别对应于所述凹槽的四个侧壁；
通过下压使得第一至第四磁阻模块组贴合于其对应的侧壁；
从所述衬底的上方朝向所述凹槽的底壁进行退火，使得第一至第四磁阻模块组分别成为第一至第四敏感单元，第五磁阻模块组的两个磁阻模块分为成为第一固定电阻和第二固定电阻。
可选地，所述方法还包括以下步骤：在衬底上为磁阻模块设置对应的电连接单元，所述电连接单元至少部分位于衬底的预计开槽区域外。
可选地，通过在衬底的对应于第一至第四磁阻模块组的区域制备绝缘材料，对第一至第四磁阻模块组进行所述下压。
可选地，所述方法还包括：退火之后，在所述凹槽处制备绝缘材料形成顶盖。
可选地，所述磁阻模层为GMR膜、或TMR膜、或AMR膜。
根据本发明公开的第三方面，提供了一种制造方法，用于制造前述任一项所述的三轴磁场传感器，包括以下步骤：
在衬底上形成磁阻膜层；
利用所述磁阻膜层形成分别包括两个磁阻模块的第一至第四磁阻模块组；其中，第一至第四磁阻模块组位于衬底的预计开槽区域内并且环绕一中心分布，第一磁阻模块组和第二磁阻模块组相对，第三磁阻模块组和第四磁阻模块组相对；
在衬底的预计开槽区域外设置第一固定电阻和第二固定电阻；
通过刻蚀在衬底的预计开槽区域形成所述凹槽，使得第一至第四磁阻模块组悬于所述凹槽的开口之上并且分别对应于所述凹槽的四个侧壁；
通过下压使得第一至第四磁阻模块组贴合于其对应的侧壁；
从所述衬底的上方朝向所述凹槽的底壁进行退火，使得第一至第四磁阻模块组分别成为第一至第四敏感单元。
可选地，所述方法还包括以下步骤：
为磁阻模块设置对应的电连接单元；
为第一固定电阻和第二固定电阻设置对应的电连接单元；
所述电连接单元至少部分位于衬底的预计开槽区域外。
可选地，通过在衬底的对应于第一至第四磁阻模块组的区域制备绝缘材料，对第一至第四磁阻模块组进行所述下压。
可选地，所述方法还包括：退火之后，在所述凹槽处制备绝缘材料形成顶盖。
可选地，所述磁阻模层为GMR膜、或TMR膜、或AMR膜。
本发明实施例提供的三轴磁场传感器，实现了在单芯片上集成三轴磁场传感器。本发明实施例提供的制造方法，实现了在单芯片上集成三轴磁场传感器的制造工艺。
通过以下参照附图对本说明书的示例性实施例的详细描述，本说明书的实施例的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说明书的实施例，并且连同其说明一起用于解释本说明书实施例的原理。
图1是本说明书实施例提供的三轴磁场传感器的俯视图；
图2是本说明书实施例提供的三轴磁场传感器的X轴方向检测原理示意图；
图3是本说明书实施例提供的三轴磁场传感器的Z轴方向检测原理示意图；
图4是本说明书实施例提供的三轴磁场传感器的第一惠斯通电桥的连接示意图；
图5是本说明书实施例提供的三轴磁场传感器的第二惠斯通电桥的连接示意图；
图6是本说明书实施例提供的三轴磁场传感器的第三惠斯通电桥的连接示意图；
图7是本说明书另一实施例提供的三轴磁场传感器的第三惠斯通电桥的连接示意图；
图8-10是本说明书一个实施例提供的三轴传感器的制造过程的示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本说明书的各种示例性实施例。
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，决不作为对本说明书实施例及其应用或使用的任何限制。
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。
<三轴磁场传感器>
下面参照图1-图7所示，说明本发明实施例提供的三轴磁场传感器。图4-图7中分别示出了惠斯通电桥，在这些电路中，用E表示惠斯通电桥的输入电压，用Vout表示惠斯通的输出电压。
参照图1所示，三轴磁场传感器包括：
平行于XY平面的衬底100。
衬底100沿Z轴方向设有凹槽103。凹槽103由侧壁102-1、侧壁102-3、侧壁102-2、侧壁102-4和平行于XY平面的底壁围成。侧壁102-1和侧壁102-2相对，侧壁102-3和侧壁102-4相对。凹槽103的四个侧壁与底壁的夹角相同，也就是说，凹槽103的四个侧壁的倾斜角度相同。参考图2所示，在一个具体的例子中，凹槽103的四个侧壁与底壁的夹角大于90度并且小于180度。在一个具体的例子中，凹槽103的四个侧壁与底壁的夹角大于95度并且小于170度。在一个具体的例子中，凹槽103的四个侧壁与底壁的夹角为135度。
第一敏感单元设置在侧壁102-1上，第二敏感单元设置在与侧壁102-1相对的侧壁102-2上。第一敏感单元包括磁敏电阻RX1和磁敏电阻RX2，第一敏感单元包括磁敏电阻RX3和磁敏电阻RX4。第一敏感单元的磁敏电阻RX1和磁敏电阻RX2的钉扎方向朝向凹槽103的底部、平行于其所在的侧壁102-1并且垂直于Y轴方向。第二敏感单元的磁敏电阻RX3和磁敏电阻RX4的钉扎方向朝向凹槽103的底部、平行于其所在的侧壁102-2并且垂直于Y轴方向。
第三敏感单元设置在侧壁102-3上，第四敏感单元设置在与侧壁102-3相对的侧壁102-4上。第三敏感单元包括磁敏电阻Ry1和磁敏电阻Ry2，第四敏感单元包括磁敏电阻Ry3和磁敏电阻Ry4。第三敏感单元的磁敏电阻Ry1和磁敏电阻Ry2的钉扎方向朝向凹槽103的底部、平行于其所在的侧壁102-3并且垂直于X轴方向。第二敏感单元的磁敏电阻Ry3和磁敏电阻Ry4的钉扎方向朝向凹槽103的底部、平行于其所在的侧壁102-4并且垂直于X轴方向。
衬底100上还设置有第一固定电阻RZ1和第二固定电阻RZ2。在一个具体的例子中，第一固定电阻RZ1和第二固定电阻RZ2可以设置在衬底100的上表面101上。在另一个具体的例子中，第一固定电阻RZ1和第二固定电阻RZ2可以设置在凹槽103的底壁上。
磁敏电阻RX1、磁敏电阻RX2，磁敏电阻RX3、磁敏电阻RX4用于连接构成第一惠斯通电桥，第一惠斯通电桥用于检测磁场在X轴方向的分量。
磁敏电阻Ry1、磁敏电阻Ry2，磁敏电阻Ry3、磁敏电阻Ry4用于连接构成第二惠斯通电桥，第二惠斯通电桥用于检测磁场在Y轴方向的分量。
第一固定电阻RZ1、第二固定电阻RZ2和任一侧壁上的两个磁敏电阻用于连接构成第三惠斯通电桥，第三惠斯通电桥用于检测磁场在Z轴方向的分量。也就是说，第三惠斯通电桥中的两个磁敏电阻是同一个侧壁上的两个磁敏电阻。
参见图1-图3所示，X轴、Y轴、Z轴两两正交，XY平面是由X轴和Y轴共同限定的平面。在图1中，Z轴方向为垂直于纸面的方向。
在一个具体的例子中，第一、第二、第三、第四敏感单元的磁敏电阻可以由GMR(Giant Magnetoresistance，巨磁阻)膜、TMR(Tunnel Magnetoresistance，隧穿磁阻)膜、AMR(Anisotropic Magnetoresistive，各向异性磁阻)膜形成。优选使用GMR膜或TMR膜，这两种磁阻膜具有高灵敏度，可以非常精确地检测到磁场的细小变化，有利于小型化和高集成性，并且具有低成本、低功耗的优点。
在一个具体的例子中，第一固定电阻RZ1和第二固定电阻RZ2可以由GMR膜、TMR膜、AMR膜形成。在另一个具体的例子中，第一固定电阻RZ1和第二固定电阻RZ2可以由金属形成，例如由Cr形成。在一个具体的例子中，如果第一、第二、第三、第四敏感单元的磁敏电阻由磁阻膜形成，第一固定电阻RZ1和第二固定电阻RZ2尽量选择电阻率和磁阻膜材料相当的金属。
在一个具体的例子中，第一、第二、第三、第四敏感单元的磁敏电阻分别可以是由多条平行的磁敏电阻条首尾相接串联而成。例如，磁敏电阻RX1、磁敏电阻RX2，磁敏电阻RX3、磁敏电阻RX4分别由多条平行于Y轴的磁敏电阻条串联而成。磁敏电阻Ry1、磁敏电阻Ry2，磁敏电阻Ry3、磁敏电阻Ry4分别由多条平行于X轴的磁敏电阻条串联而成。
在一个具体的例子中，三轴磁场传感器还包括相关的连接电路。在一个具体的例子中，三轴磁场传感器还包括运算单元，该运算单元用于根据三个惠斯通电桥的输出电压确定X轴、Y轴、Z轴方向的磁场分量。该运算单元可以以软件、硬件、或者软硬件结合的方式实现。该运算单元可以包括处理模块和存储模块，存储模块中存储有指令，处理模块通过运行该指令确定X轴、Y轴、Z轴方向的磁场分量。
假设磁场在X轴方向的分量为Hx，Y轴方向的磁场分量为Hy，在Z轴方向的分量为Hz。
<X轴方向磁场检测>
下面参照图2-图4所示，说明图1所示的三轴磁场传感器检测X轴方向的磁场分量Hx的原理。
图2为图1沿X轴方向的剖面图，以设置在侧壁102-1的磁敏电阻RX1和设置在侧壁102-2的磁敏电阻RX3为例做说明。磁敏电阻RX1的钉扎方向Pin-RX1平行于侧壁102-1并且垂直于Y轴方向，磁敏电阻RX3的钉扎方向Pin-RX3平行于侧壁102-2并且垂直于Y轴方向。在图2中，Y轴方向为垂直于纸面的方向。
参照图2所示，对于磁敏电阻RX1来说，磁场分量Hx1为磁场分量Hx在侧壁102-1所在平面上的投影，磁场分量Hx2为磁场分量Hx在垂直于侧壁102-1的平面上的投影。磁场分量Hx1的方向和磁敏电阻RX1的钉扎方向Pin-RX1相同，受磁场分量Hx1的作用，磁敏电阻RX1的自由层转向其钉扎方向，磁敏电阻RX1的阻值变小。磁敏电阻RX2和磁敏电阻RX1的情况相同，这里不再重复说明。
对于磁敏电阻RX3来说，磁场分量Hx3为磁场分量Hx在侧壁102-2所在平面上的投影，磁场分量Hx4为磁场分量Hx在垂直于侧壁102-2的平面上的投影。磁场分量Hx3的方向和磁敏电阻RX3的钉扎方向Pin-RX3相反，，受磁场分量Hx3的作用，磁敏电阻RX3的自由层远离其钉扎方向，磁敏电阻RX3的阻值变大。磁敏电阻RX4和磁敏电阻RX3的情况相同，这里不再重复说明。
也就是说，第一敏感单元的磁敏电阻RX1、磁敏电阻RX2和第二敏感单元的磁敏电阻RX3、磁敏电阻RX4受X轴方向的磁场分量Hx的影响是相反的。
参照图2所示，由于磁敏电阻RX1、磁敏电阻RX2，磁敏电阻RX3、磁敏电阻RX4的钉扎方向垂直于Y轴方向，因此磁敏电阻RX1、磁敏电阻RX2，磁敏电阻RX3、磁敏电阻RX4不受Y轴方向的磁场分量Hy的作用。
参照图3所示，对于磁敏电阻RX1来说，磁场分量Hz1为磁场分量Hz在侧壁102-1所在平面上的投影，磁场分量Hz2为磁场分量Hz在垂直于侧壁102-1的平面上的投影。磁场分量Hz1的方向和磁敏电阻RX1的钉扎方向Pin-RX1相反，受磁场分量Hz1的作用，磁敏电阻RX1的自由层远离其钉扎方向，磁敏电阻RX1的阻值变大。磁敏电阻RX2和磁敏电阻RX1的情况相同，这里不再重复说明。
对于磁敏电阻RX3来说，磁场分量Hz3为磁场分量Hz在侧壁102-2所在平面上的投影，磁场分量Hz4为磁场分量Hz在垂直于侧壁102-2的平面上的投影。磁场分量Hz3的方向和磁敏电阻RX3的钉扎方向Pin-RX3相反，受磁场分量Hz3的作用，磁敏电阻RX3的自由层远离其钉扎方向，磁敏电阻RX3的阻值变大。磁敏电阻RX4和磁敏电阻RX3的情况相同，这里不再重复说明。
也就是说，磁敏电阻RX1、磁敏电阻RX2，磁敏电阻RX3、磁敏电阻RX4受Z轴方向的磁场分量Hz的影响相同。
参照图4所示，磁敏电阻RX1、磁敏电阻RX2，磁敏电阻RX3、磁敏电阻RX4连接构成第一惠斯通电桥。第一惠斯通电桥为全桥。在第一惠斯通电桥中，同一侧壁上的磁敏电阻相对设置，即，第一敏感单元的磁敏电阻RX1和磁敏电阻RX2分别位于一对相对桥臂上，第二敏感单元的磁敏电阻RX3和磁敏电阻RX4分别位于另一对相对桥臂上。
第一惠斯通电桥中的敏感电阻不受Y轴方向的磁场分量Hy的作用，对Y轴方向的磁场分量Hy不敏感。第一惠斯通电桥中的敏感电阻受X轴方向的磁场分量Hx的作用，并且第一惠斯通电桥对于X轴方向的磁场分量Hx敏感。第一惠斯通电桥中的敏感电阻受Z轴方向的磁场分量Hz的作用，但是第一惠斯通电桥对于Z轴方向的磁场分量Hz不敏感。因此，第一惠斯通电桥可用于检测X轴方向的磁场分量。
<Y轴方向磁场检测>
Y轴方向磁场检测的检测原理和X轴方向磁场检测的检测原理类似，这里不再重复说明。
参照图5所示，磁敏电阻Ry1、磁敏电阻Ry2，磁敏电阻Ry3、磁敏电阻Ry4用于连接构成第二惠斯通电桥。第二惠斯通电桥为全桥。在第二惠斯通电桥中，同一侧壁上的磁敏电阻相对设置，即，第三敏感单元的磁敏电阻Ry1和磁敏电阻Ry2分别位于一对相对桥臂上，第四敏感单元的磁敏电阻Ry3和磁敏电阻Ry4分别位于另一对相对桥臂上。
第二惠斯通电桥中的敏感电阻不受X轴方向的磁场分量Hx的作用，对X轴方向的磁场分量Hx不敏感。第二惠斯通电桥中的敏感电阻受Y轴方向的磁场分量Hy的作用，并且第二惠斯通电桥对于Y轴方向的磁场分量Hy敏感。第二惠斯通电桥中的敏感电阻受Z轴方向的磁场分量Hz的作用，但是第二惠斯通电桥对于Z轴方向的磁场分量Hz不敏感。因此，第二惠斯通电桥可用于检测X轴方向的磁场分量。
<Z轴方向磁场检测>
第一固定电阻RZ1、第二固定电阻RZ2和任一侧壁上的两个磁敏电阻用于连接构成第三惠斯通电桥。第三惠斯通电桥为半桥。在第三惠斯通电桥中，两个磁敏电阻相对设置，两个固定电阻相对设置，即，两个磁敏电阻分别位于一对相对桥臂上，两个固定电阻分别位于另一对相对桥臂上。
在一个实施例中，参见图6所示，第一固定电阻RZ1、第二固定电阻RZ2、以及侧壁102-1上的磁敏电阻RX1和磁敏电阻RX2连接构成第三惠斯通电桥，利用第一惠斯通电桥和第三惠斯通电桥可以检测出Z轴方向的磁场分量。
参照图2和图3所示，磁敏电阻RX1的钉扎方向Pin-RX1和X轴正向的夹角为a。磁场分量Hx1为磁场分量Hx在侧壁102-1所在平面上的投影，Hx1＝Hx*cos(a)。磁场分量Hz1为磁场分量Hz在侧壁102-1所在平面上的投影，Hz1＝Hz*sin(a)。磁敏电阻RX1受磁场分量Hx1和磁场分量Hz1的作用。磁敏电阻RX2和磁敏电阻RX1的情况相同，这里不再重复说明。
利用第一惠斯通电桥可以检测出磁场分量Hx1，利用第三惠斯通电桥可以检测出磁场分量Hx1和磁场分量Hz1的叠加，因此，通过后端算法可以将磁场分量Hz1分离出来。进一步地，可以根据磁场分量Hz1确定Z轴方向的磁场分量Hz。
在另一实施例中，参见图7所示，第一固定电阻RZ1、第二固定电阻RZ2、以及侧壁102-3上的磁敏电阻Ry1和磁敏电阻Ry2连接构成第三惠斯通电桥，利用第二惠斯通电桥和第三惠斯通电桥可以检测出Z轴方向的磁场分量。
<三维磁场传感器的制造方法>
下面参照图8-图10所示，结合图1说明本发明实施例提供的三轴磁场传感器的制造方法。首先，需要说明的是，在本发明实施例中，“上”、“下”只表示相对位置关系，并不表示两者是否为直接相邻的关系。
<第一实施例>
结合图1、图8-图10所示，本发明第一实施例提供的三轴磁场传感器的制造方法，包括以下步骤：
S11、在衬底100上形成磁阻膜层202。
衬底100包括SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘体上硅)衬底1001、形成在SOI衬底1001之上的牺牲层1002、形成在牺牲层1002之上的支撑层1003。牺牲层1002的材料可以是Si、SiO2、SiNx等。支撑层1003的材料可以是Si、SiO2、SiNx等。
在支撑层1003上形成磁阻膜层，例如可以通过生长的方式形成磁阻膜层。磁阻模层可以为GMR膜、或TMR膜、或AMR膜。
S12、利用磁阻膜层形成分别第一至第五磁阻模块组，每个磁阻模块组都包括两个磁阻模块。其中，第五磁阻模块组位于衬底100的预计开槽区域外，第一至第四磁阻模块组位于衬底100的预计开槽区域内并且环绕一中心分布，第一磁阻模块组和第二磁阻模块组相对，第三磁阻模块组和第四磁阻模块组相对。第五磁阻模块组中的两个磁阻模块用于对应形成第一固定电阻和第二固定电阻。第一至第四磁阻模块组用于对应形成第一至第四敏感单元。
S13、为磁阻模块设置对应的电连接单元，电连接单元至少部分位于衬底的预计开槽区域外。
S14、为电连接单元设置对应的焊盘。从衬底100的上方覆盖保护层，以对磁阻模块和电连接单元进行保护，覆盖保护层时要露出焊盘。(图8-图10中没有示出保护层)。
S15、通过刻蚀在衬底100的预计开槽区域形成凹槽103，使得第一至第四磁阻模块组悬于凹槽103的开口之上并且分别对应于凹槽103的四个侧壁。
在一个例子中，可以通过湿法刻蚀形成凹槽103。
在一个例子中，可以通过使用KOH，TMAH(Tetramethylammonium Hydroxide，四甲基氢氧化铵)刻蚀剂进行各向异性刻蚀，该刻蚀会自动停止在SOI衬底1001的<111>晶面上。
通过刻蚀在衬底100的预计开槽区域形成凹槽103，可以进一步包括：对牺牲层1002进行刻蚀，形成第一开口；从第一开口进行各向异性刻蚀，形成第二开口。其中，第一开口的开口面积大于第二开口的开口面积。
S16、通过下压使得第一至第四磁阻模块组贴合于其对应的侧壁。
在一个具体的例子中，通过在衬底的对应于第一至第四磁阻模块组的区域制备绝缘材料，对第一至第四磁阻模块组进行下压。例如，形成凹槽后，在衬底之上制备掩膜层，该掩膜层将第一至第四磁阻模块组所在的区域露出，将其他区域覆盖；在掩膜层露出的区域旋涂绝缘材料，然后对这部分区域进行纳米压印，实现对第一至第四磁阻模块组的下压，使得第一至第四磁阻模块组贴合于其对应的侧壁。
例如，绝缘材料可以是有机硅化物，例如PDMS(聚二甲基硅氧烷)。
例如，在衬底的对应于第一至第四磁阻模块组的区域制备绝缘材料301将第一至第四磁阻模块组下压，然后在绝缘材料301的上方继续制备绝缘材料302，使得第一至第四磁阻模块组进一步被压紧，紧密贴合于其对应的侧壁。绝缘材料301可以是PDMS(聚二甲基硅氧烷)，PDMS是一种有机硅化物，可以通过加热粘在凹槽103内。绝缘材料302可以是BCB聚合物(Benzocyclobutene，苯并环丁烯)。
S17、从衬底100的上方朝向凹槽103的底壁进行退火，使得第一至
第四磁阻模块组分别成为第一至第四敏感单元，第五磁阻模块组的两个磁阻模块分为成为第一固定电阻和第二固定电阻。
从衬底100的上方朝向凹槽103的底壁进行退火，也就是沿Z轴方向进行退火。退火的温度可以是270℃，退火持续的时间可以是1小时。
退火完成之后，第一磁阻模块组的两个磁阻模块和第二磁阻模块组的两个磁阻模块的钉扎方向朝向凹槽103的底部、平行于其所在的侧壁并且垂直于Y轴方向。第三磁阻模块组的两个磁阻模块和第四磁阻模块组的两个磁阻模块的钉扎方向朝向凹槽103的底部、平行于其所在的侧壁并且垂直于X轴方向。第一至第四磁阻模块组分别成为第一至第四敏感单元。
第五磁阻模块组的两个磁阻模块不产生钉扎作用，分为成为第一固定电阻和第二固定电阻。
S18、退火之后，在凹槽103处制备绝缘材料303形成顶盖。顶盖303可以充分固定步骤S6形成的下压形态，保护磁敏电阻。
在另一个实施例中，也可以在下压步骤S6中，形成顶盖303。
在一个具体的例子中，绝缘材料303可以是BCB聚合物(Benzocyclobutene，苯并环丁烯)。
S19、通过焊盘进行电路连接，以形成前述实施例中的第一、第二、第三惠斯通电桥的结构。在另一个实施例中，也可以在衬底上进行布线，以形成前述实施例中的第一、第二、第三惠斯通电桥的结构。
<第二实施例>
结合图1、图8-图10所示，本发明第二实施例提供的三轴磁场传感器的制造方法，包括以下步骤：
S21、在衬底100上形成磁阻膜层202。利用磁阻膜层形成分别第一至第四磁阻模块组，每个磁阻模块组都包括两个磁阻模块。其中，第一至第四磁阻模块组位于衬底100的预计开槽区域内并且环绕一中心分布，第一磁阻模块组和第二磁阻模块组相对，第三磁阻模块组和第四磁阻模块组相对。第一至第四磁阻模块组用于对应形成第一至第四敏感单元。
S22、在衬底的预计开槽区域外设置第一固定电阻和第二固定电阻。
S23、为第一固定电阻和第二固定电阻设置对应的电连接单元，为磁阻模块设置对应的电连接单元。电连接单元至少部分位于衬底的预计开槽区域外。
S24、为电连接单元设置对应的焊盘。从衬底100的上方覆盖保护层，以对磁阻模块、第一固定电阻、第二固定电阻和电连接单元进行保护，覆盖保护层时要露出焊盘。(图8-图10中没有示出保护层)。
S25、通过刻蚀在衬底100的预计开槽区域形成凹槽103，使得第一至第四磁阻模块组悬于凹槽103的开口之上并且分别对应于凹槽103的四个侧壁。
在一个例子中，可以通过湿法刻蚀形成凹槽103。
S26、通过下压使得第一至第四磁阻模块组贴合于其对应的侧壁。
在一个具体的例子中，通过在衬底的对应于第一至第四磁阻模块组的区域制备绝缘材料，对第一至第四磁阻模块组进行下压。例如，形成凹槽后，在衬底之上制备掩膜层，该掩膜层将第一至第四磁阻模块组所在的区域露出，将其他区域覆盖；在掩膜层露出的区域旋涂绝缘材料，然后对这部分区域进行纳米压印，实现对第一至第四磁阻模块组的下压，使得第一至第四磁阻模块组贴合于其对应的侧壁。
例如，绝缘材料可以是有机硅化物，例如PDMS(聚二甲基硅氧烷)。
例如，在衬底的对应于第一至第四磁阻模块组的区域制备绝缘材料301将第一至第四磁阻模块组下压，然后在绝缘材料301的上方继续制备绝缘材料302，使得第一至第四磁阻模块组进一步被压紧，紧密贴合于其对应的侧壁。绝缘材料301可以是PDMS(聚二甲基硅氧烷)，PDMS是一种有机硅化物，可以通过加热粘在凹槽103内。绝缘材料302可以是BCB聚合物(Benzocyclobutene，苯并环丁烯)。
S27、从衬底100的上方朝向凹槽103的底壁进行退火，使得第一至第四磁阻模块组分别成为第一至第四敏感单元。
退火完成之后，第一磁阻模块组的两个磁阻模块和第二磁阻模块组的两个磁阻模块的钉扎方向朝向凹槽103的底部、平行于其所在的侧壁并且垂直于Y轴方向。第三磁阻模块组的两个磁阻模块和第四磁阻模块组的两个磁阻模块的钉扎方向朝向凹槽103的底部、平行于其所在的侧壁并且垂直于X轴方向。第一至第四磁阻模块组分别成为第一至第四敏感单元。
S28、退火之后，在凹槽103处制备绝缘材料303形成顶盖。顶盖303可以充分固定步骤S6形成的下压形态，保护磁敏电阻。
在另一个实施例中，也可以在下压步骤S6中，形成顶盖303。
S29、通过焊盘进行电路连接，以形成前述实施例中的第一、第二、第三惠斯通电桥的结构。在另一个实施例中，也可以在衬底上进行布线，以形成前述实施例中的第一、第二、第三惠斯通电桥的结构。
第二实施例中的部分步骤的具体内容可以参见第一实施例对应的部分，这里不再重复说明。
上述两个实施例提供了三轴磁场传感器的制造方法的各个步骤，可以根据实际情况调整各步骤的执行顺序。例如，在另一个实施例中，可以在退火之后再形成固定电阻。例如，在另一个实施例中，可以先在衬底的下表面形成外围电路，也就是先形成电路片，再在衬底的上表面形成传感器部分。
本发明实施例提供的三轴磁场传感器，实现了在单芯片上集成三轴磁场传感器。本发明实施例提供的三轴磁场传感器，结构简单、芯片面积占用小。本发明实施例提供的三轴磁场传感器，可以先形成电路片，再在电路片上直接制备传感器，有利于减小传感器尺寸，兼容性强。本发明实施例提供的三轴磁场传感器，有利于设备的小型化。本发明实施例提供的三轴磁场传感器，可以利用GMR膜、TMR膜实现关键器件，灵敏度高。本发明实施例提供的三轴磁场传感器，制作工艺简单，制造成本低。本发明实施例提供的三轴磁场传感器，不需要复杂的磁场退火工艺，进一步降低了制造成本。
本发明实施例提供的制造方法，实现了在单芯片上集成三轴磁场传感器的制造工艺。本发明实施例提供的制造方法，提供了成角度去固定磁阻膜式传感单元的方法。本发明实施例提供的制造方法，提供了在单芯片上同时形成不同钉扎方向的方法。本发明实施例提供的制造方法，关键器件可以为相同材料的薄膜结构，只需要沉积一次磁阻薄膜，制造成本低。本发明实施例提供的制造方法，可以利用一次退火工艺，定义出三轴传感器的传感单元，工艺简单，进一步降低了制造成本。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
以上已经描述了本说明书的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (13)

1.一种三轴磁场传感器，包括：
平行于XY平面的衬底；
所述衬底沿Z轴方向设有凹槽；所述凹槽由四个侧壁和平行于XY平面的底壁围成，四个所述侧壁与所述底壁的夹角相同；
第一敏感单元和第二敏感单元，分别设置在相对的两个所述侧壁上；第一敏感单元的两个磁敏电阻和第二敏感单元的两个磁敏电阻的钉扎方向朝向所述凹槽的底部、平行于其所在的侧壁并且垂直于Y轴方向；
第三敏感单元和第四敏感单元，分别设置在相对的另外两个所述侧壁上；第三敏感单元的两个磁敏电阻和第四敏感单元的两个磁敏电阻的钉扎方向朝向所述凹槽的底部、平行于其所在的侧壁并且垂直于X轴方向；
设置衬底上的第一固定电阻和第二固定电阻；
第一敏感单元的两个磁敏电阻和第二敏感单元的两个磁敏电阻用于连接构成第一惠斯通电桥；
第三敏感单元的两个磁敏电阻和第四敏感单元的两个磁敏电阻用于连接构成第二惠斯通电桥；
第一固定电阻、第二固定电阻和任一侧壁上的两个磁敏电阻用于连接构成第三惠斯通电桥；
其中，X轴、Y轴、Z轴两两正交，XY平面是由X轴和Y轴共同限定的平面。
2.根据权利要求1所述的三轴磁场传感器，所述第一、第二、第三、第四敏感单元的磁敏电阻由GMR膜、或TMR膜、或AMR膜形成。
3.根据权利要求1所述的三轴磁场传感器，所述第一、第二固定电阻由GMR膜、或TMR膜、或AMR膜形成。
4.根据权利要求1所述的三轴磁场传感器，所述凹槽的侧壁与底壁的夹角为135度。
5.根据权利要求1所述的三轴磁场传感器，在第一惠斯通电桥中，第一敏感单元的两个磁敏电阻分别位于一对相对桥臂上，第二敏感单元的两个磁敏电阻分别位于另一对相对桥臂上；
在第二惠斯通电桥中，第三敏感单元的两个磁敏电阻分别位于一对相对桥臂上，第四敏感单元的两个磁敏电阻分别位于另一对相对桥臂上；
在第三惠斯通电桥中，两个磁敏电阻分别位于一对相对桥臂上，两个固定电阻分别位于另一对相对桥臂上。
6.一种制造权利要求1-5任一项所述的三轴磁场传感器的方法，包括以下步骤：
在衬底上形成磁阻膜层；
利用所述磁阻膜层形成分别包括两个磁阻模块的第一至第五磁阻模块组；其中，第五磁阻模块组位于衬底的预计开槽区域外，第一至第四磁阻模块组位于衬底的预计开槽区域内并且环绕一中心分布，第一磁阻模块组和第二磁阻模块组相对，第三磁阻模块组和第四磁阻模块组相对；
通过刻蚀在衬底的预计开槽区域形成所述凹槽，使得第一至第四磁阻模块组悬于所述凹槽的开口之上并且分别对应于所述凹槽的四个侧壁；
通过下压使得第一至第四磁阻模块组贴合于其对应的侧壁；
从所述衬底的上方朝向所述凹槽的底壁进行退火，使得第一至第四磁阻模块组分别成为第一至第四敏感单元，第五磁阻模块组的两个磁阻模块分为成为第一固定电阻和第二固定电阻。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括以下步骤：
在衬底上为磁阻模块设置对应的电连接单元，所述电连接单元至少部分位于衬底的预计开槽区域外。
8.根据权利要求6所述的方法，通过在衬底的对应于第一至第四磁阻模块组的区域制备绝缘材料，对第一至第四磁阻模块组进行所述下压。
9.根据权利要求6所述的方法，还包括：退火之后，在所述凹槽处制备绝缘材料形成顶盖。
10.一种制造权利要求1-5任一项所述的三轴磁场传感器的方法，包括以下步骤：
在衬底上形成磁阻膜层；
利用所述磁阻膜层形成分别包括两个磁阻模块的第一至第四磁阻模块组；其中，第一至第四磁阻模块组位于衬底的预计开槽区域内并且环绕一中心分布，第一磁阻模块组和第二磁阻模块组相对，第三磁阻模块组和第四磁阻模块组相对；
在衬底的预计开槽区域外设置第一固定电阻和第二固定电阻；
通过刻蚀在衬底的预计开槽区域形成所述凹槽，使得第一至第四磁阻模块组悬于所述凹槽的开口之上并且分别对应于所述凹槽的四个侧壁；
通过下压使得第一至第四磁阻模块组贴合于其对应的侧壁；
从所述衬底的上方朝向所述凹槽的底壁进行退火，使得第一至第四磁阻模块组分别成为第一至第四敏感单元。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：
为磁阻模块设置对应的电连接单元；
为第一固定电阻和第二固定电阻设置对应的电连接单元；
所述电连接单元至少部分位于衬底的预计开槽区域外。
12.根据权利要求10所述的方法，通过在衬底的对应于第一至第四磁阻模块组的区域制备绝缘材料，对第一至第四磁阻模块组进行所述下压。
13.根据权利要求10所述的方法，还包括：退火之后，在所述凹槽处制备绝缘材料形成顶盖。
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