CN114720923A - 镂空立方体封装的三维磁传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及磁传感器领域，提供一种镂空立方体封装的三维磁传感器及其制作方法。所述镂空立方体封装的三维磁传感器，包括：镂空立方体构件和三个磁阻单元，三个所述磁阻单元分别粘接于所述镂空立方体构件的三个相邻的表面，三个所述磁阻单元在所述镂空立方体构件的内部电气互联。本申请充分利用垂直空间实现高密度的三维磁传感器集成，体积小，功耗低。本申请借助镂空立方体构件的固定作用，其相邻平面的磁阻单元的角度相互垂直，形状稳定性好，灵敏度高，可实现优良的三维磁传感能力。

Description

镂空立方体封装的三维磁传感器及其制作方法

技术领域

本申请涉及磁传感器领域，具体地涉及一种镂空立方体封装的三维磁传感器以及一种镂空立方体封装的三维磁传感器的制作方法。

背景技术

磁阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在变化的现象。AMR各向异性磁电阻效应是指铁磁材料的电阻率随自身磁化强度和电流方向夹角改变而变化的现象。在AMR磁传感器中，器件的磁阻率正比于磁性材料磁化方向与电流方向夹角余弦的平方，磁电阻极值与外磁场之间具有对应关系，因此AMR磁传感器可用于测量外磁场的大小。

传统的AMR磁传感器受限于其结构和材料特性，薄膜材料的磁化方向通常平行于衬底平面（X-Y），因此只能对平面内（X-Y）的磁场敏感，而对垂直于薄膜平面的磁场不敏感，因此如何实现三维磁场探测成为关键。为实现Z轴传感，通常采用在倾斜的基片上制备磁阻材料、利用垂直各向异性材料的方法，或采用磁通集中器的方法。在倾斜平面的基片上沉积磁阻材料并制备磁阻单元十分困难，当磁阻材料沉积在斜面时，缺陷增多，材料性能下降。此外，磁传感器输出通常需要一个复杂的算法来计算X、Y、Z三个分量上的磁场大小，增加设备的成本，影响传感器的精度和响应速度。磁阻传感器中采用垂直各向异性材料代替软磁薄膜材料也可以实现Z轴磁测量，但这种结构的磁传感器灵敏度低、滞回曲线大、稳定性差。

发明内容

为了解决上述技术缺陷之一，本申请实施例中提供了一种镂空立方体封装的三维磁传感器及其制作方法。

根据本申请实施例的第一个方面，提供了一种镂空立方体封装的三维磁传感器，包括：镂空立方体构件和三个磁阻单元，三个所述磁阻单元分别粘接于所述镂空立方体构件的三个相邻的表面，三个所述磁阻单元在所述镂空立方体构件的内部电气互联。

进一步地，所述磁阻单元包括基于各向异性磁电阻效应的磁敏感薄膜层。

进一步地，所述磁敏感薄膜层内设置有惠斯通电桥。

进一步地，所述磁敏感薄膜层上设置有四个电极，所述四个电极分别与所述惠斯通电桥的四个桥臂相连。

进一步地，所述磁阻单元还包括硅基底以及所述硅基底上的氧化层，所述磁敏感薄膜层生长于所述氧化层上。

进一步地，所述磁敏感薄膜层上设置有电极；

所述硅基底的内部和所述氧化层的内部形成有与所述电极相连的硅通孔导线。

进一步地，所述磁阻单元的硅基底通过粘接层粘接于所述镂空立方体构件的表面。

进一步地，所述硅基底内部的硅通孔导线连接键合引线，三个所述磁阻单元的磁敏感薄膜层通过键合引线相互连通。

进一步地，所述磁阻单元的形状为正方形，三个所述磁阻单元所在的平面相互垂直。

进一步地，三个所述磁阻单元均设置为靠近所述镂空立方体构件的所述三个相邻的表面的公共顶点。

根据本申请实施例的第二个方面，提供了一种镂空立方体封装的三维磁传感器的制作方法，所述方法包括：

提供镂空立方体构件，以及提供三个磁阻单元；

将三个所述磁阻单元分别粘接于所述镂空立方体构件的三个相邻的表面；

对三个所述磁阻单元在所述镂空立方体构件的内部进行电气互联。

进一步地，所述提供镂空立方体构件，包括：

分别在实心立方体构件的三个相邻面上沿距正方形的四条边相应距离的位置垂直向下切割，形成镂空立方体构件；或者，采用3D打印方式制作所需尺寸的镂空立方体构件。

进一步地，所述磁阻单元包括硅基底和磁敏感薄膜层，所述磁敏感薄膜层上设置有电极。

进一步地，所述方法还包括：

在将三个所述磁阻单元分别粘接于所述镂空立方体构件的三个相邻的表面之前，在所述磁阻单元内形成与所述磁敏感薄膜层电气连接的硅通孔导线。

进一步地，所述在所述磁阻单元内形成与所述磁敏感薄膜层电气连接的硅通孔导线，包括：

采用硅通孔工艺在所述磁阻单元的电极位置对所述硅基底进行打孔，形成硅通孔；

在所述硅通孔内填充导电金属形成硅通孔导线；

在所述硅通孔导线靠近所述电极的端口周围电镀导电金属，使所述硅通孔导线与所述磁敏感薄膜层电气连接。

进一步地，所述将三个所述磁阻单元分别粘接于所述镂空立方体构件的三个相邻的表面，包括：将三个所述磁阻单元按预定朝向分别粘贴于所述镂空立方体构件的三个相邻的表面，且三个所述磁阻单元均设置为靠近所述三个相邻的表面的公共顶点。

进一步地，所述对三个所述磁阻单元在所述镂空立方体构件的内部进行电气互联，包括：在所述镂空立方体构件的内部将三个所述磁阻单元的硅通孔导线通过键合引线相互连接。

本申请实施例中提供的镂空立方体封装的三维磁传感器及其制作方法，通过在镂空立方体构件的三个相邻面贴合三个磁阻单元，在镂空立方体构件的内部实现三个磁阻单元的电气互联，通过相互连接的三个磁阻单元实现对X、Y、Z三维磁场的探测。本申请充分利用垂直空间实现高密度的三维磁传感器集成，体积小，功耗低。本申请借助镂空立方体构件的固定作用，其相邻平面的磁阻单元的角度相互垂直，形状稳定性好，灵敏度高，可实现优良的三维磁传感能力。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的镂空立方体封装的三维磁传感器的示意图；

图2为本申请实施例提供的镂空立方体构件的示意图；

图3是本申请实施例提供的镂空立方体封装的三维磁传感器的剖视图；

图4是本申请实施例提供的镂空立方体封装的三维磁传感器的制作方法的流程图。

附图标记说明

10-镂空立方体构件，20-磁阻单元，21-硅基底，22-氧化层，

23-磁敏感薄膜层，24-电极，25-硅通孔导线，30-粘接层，40-键合引线。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

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定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

现有技术通常采用在倾斜的基片上制备磁阻材料或利用垂直各向异性材料的方法，实现X、Y、Z三轴传感。其中，在倾斜平面的基片上沉积磁阻材料并制备磁阻单元十分困难，当磁阻材料沉积在斜面时，缺陷增多，材料性能下降。此外，磁传感器输出通常需要一个复杂的算法来计算X、Y、Z三个分量上的磁场大小，影响传感器的精度和响应速度。另外，采用垂直各向异性材料代替软磁薄膜材料也可以实现Z轴磁测量，但这种结构的磁传感器灵敏度低、滞回曲线大、稳定性差。

针对上述问题，本申请实施例中提供了一种镂空立方体封装的三维磁传感器，包括镂空立方体构件和三个磁阻单元，三个磁阻单元分别粘接于镂空立方体构件的三个相邻的表面，三个磁阻单元在镂空立方体构件的内部电气互联。本申请通过在镂空立方体构件的三个相邻面贴合三个磁阻单元（单个磁阻单元作为一维磁传感单元），在镂空立方体构件的内部实现三个磁阻单元的电气互联，通过相互连接的三个磁阻单元实现对X、Y、Z三维磁场的探测。本申请充分利用垂直空间实现高密度的三维磁传感器集成，体积小，功耗低。本申请借助镂空立方体构件的固定作用，其相邻平面的磁阻单元的角度相互垂直，形状稳定性好，灵敏度高，可实现优良的三维磁传感能力。

下面对上述方案进行详细阐述。

图1为本申请实施例提供的镂空立方体封装的三维磁传感器的示意图。如图1所示，本实施例提供一种镂空立方体封装的三维磁传感器，包括镂空立方体构件10和三个磁阻单元20，三个磁阻单元20分别粘接于镂空立方体构件10的三个相邻的表面，三个磁阻单元20在镂空立方体构件10的内部电气互联。每个磁阻单元20作为一维磁传感单元，即镂空立方体构件10的三个相邻面上粘贴有三个一维磁传感单元，构成三维磁传感器。

本实施例中，磁阻单元20的形状为正方形，三个磁阻单元20所在的平面相互垂直，三个磁阻单元20均靠近镂空立方体构件10的三个相邻的表面的公共顶点。借助镂空立方体构件的固定作用，镂空立方体构件的相邻平面的磁阻单元的角度严格地相互垂直，形成对X、Y、Z轴方向磁场敏感的三维磁传感器，该三维磁传感器的形状稳定性好，灵敏度高，能够实现优良的三维磁传感能力。

所述镂空立方体构件10由硬质材料构成，使其具有稳定的支撑性。图2为本申请实施例提供的镂空立方体构件的示意图。如图2所示，镂空立方体构件10为镂空的正方体框架结构，其框架用于粘接磁阻单元。可以在实心立方体构件的三个相邻面，在沿正方形的四条边相应距离的位置垂直向下切割，形成镂空立方体构件；还可以采用3D打印方式制作所需尺寸的镂空立方体构件。例如，镂空立方体构件的尺寸设定为500μm×500μm×500μm。

图3是本申请实施例提供的镂空立方体封装的三维磁传感器的剖视图。图3为沿图1所示的三维磁传感器的X轴负方向观察的视图，图3仅示出X-Y面和Z-X面的剖面结构。

如图3所示，磁阻单元20包括硅基底21、硅基底上的氧化层22、及生长于氧化层22上的磁敏感薄膜层23。磁敏感薄膜层23基于AMR各向异性磁电阻效应，在平行于磁敏感薄膜平面的磁场作用下，磁敏感薄膜层中至少有一个磁膜的磁化方向随磁场的大小而改变。一种实施例中，在磁敏感薄膜层23内形成惠斯通电桥（附图未示出）。惠斯通电桥是由四个电阻组成的电桥电路，四个电阻分别作为电桥的桥臂。惠斯通电桥利用电阻的变化来测量物理量的变化，具有很高的测量精度。

如图1和图3所示，磁阻单元20的磁敏感薄膜层23上设置有四个电极24，四个电极24分别与磁敏感薄膜层23内的惠斯通电桥的四个桥臂相连。磁阻单元20的硅基底21的内部和氧化层22的内部形成与电极24相连的硅通孔导线25。磁阻单元20的硅基底21通过粘接层30粘接于镂空立方体构件10的表面。采用引线键合技术，将硅基底21内部的硅通孔导线25连接到键合引线40，通过键合引线40将三个磁阻单元20的磁敏感薄膜层23相互连通。可以在引线键合过程中留出接口，方便对接外围信号处理电路。需要说明的是，图3所示的键合引线连接仅为示意，在生产制造中需根据实际电路连接情况进行设计。

图4是本申请实施例提供的镂空立方体封装的三维磁传感器的制作方法的流程图。如图4所示，本实施例提供一种镂空立方体封装的三维磁传感器的制作方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S1、提供镂空立方体构件和三个磁阻单元。

分别在实心立方体构件的三个相邻面沿距正方形的四条边相应距离的位置垂直向下切割，形成镂空立方体构件；或者，采用3D打印方式制作所需尺寸的镂空立方体构件。

磁阻单元包括硅基底、硅基底上的氧化层、及生长于氧化层上的磁敏感薄膜层。磁敏感薄膜层基于AMR各向异性磁电阻效应，在平行于磁敏感薄膜平面的磁场作用下，磁敏感薄膜层中至少有一个磁膜的磁化方向随磁场的大小而改变。一种实施例中，在磁敏感薄膜层内形成惠斯通电桥。惠斯通电桥是由四个电阻组成的电桥电路，四个电阻分别作为电桥的桥臂。惠斯通电桥利用电阻的变化来测量物理量的变化，具有很高的测量精度。磁阻单元的磁敏感薄膜层上设置有四个电极，四个电极分别与磁敏感薄膜层内的惠斯通电桥的四个桥臂相连。在磁阻单元的制作过程中，通常在一个硅基底上形成包含多个磁敏感单元的膜层结构，然后连同硅基底沿各磁敏感单元的边缘切割成多个独立的小片，每一小片作为一个磁阻单元。

步骤S2、将三个磁阻单元分别粘接于镂空立方体构件的三个相邻的表面。

在步骤S2之前，在磁阻单元内形成与磁敏感薄膜层电气连接的硅通孔导线。具体为，采用硅通孔工艺在磁阻单元的电极位置对硅基底进行打孔，形成硅通孔；在硅通孔内填充导电金属形成硅通孔导线；在硅通孔导线靠近磁敏感薄膜层上的电极的端口周围电镀导电金属，使硅通孔导线与磁敏感薄膜层电气连接。

在步骤S2中，将三个磁阻单元按预定朝向分别粘贴于镂空立方体构件的三个相邻的表面，且三个磁阻单元均靠近所述三个相邻的表面的公共顶点。每个磁阻单元作为一维磁传感单元，镂空立方体构件的三个相邻面上粘贴三个一维磁传感单元，分别作为对X、Y、Z轴方向磁场敏感的传感单元。

步骤S3、对三个磁阻单元在镂空立方体构件的内部进行电气互联。

采用引线键合技术实现三个磁阻单元的电气互联，在镂空立方体构件的内部将三个磁阻单元的硅通孔导线通过键合引线相互连接。具体的，将硅基底的硅通孔导线连接到键合引线，通过键合引线将三个磁阻单元的磁敏感薄膜层相互连通。可以在引线键合过程中留出接口，方便对接外围信号处理电路。

本申请的镂空立方体封装的三维磁传感器的制作方法，通过在镂空立方体构件的三个相邻面贴合三个磁阻单元，通过硅通孔技术和引线键合技术在镂空立方体构件的内部实现三个磁阻单元的电气互联，实现三维磁传感器的封装。本申请充分利用垂直空间实现高密度的三维磁传感器集成，体积小，功耗低。本申请借助镂空立方体构件的固定作用，其相邻平面的磁阻单元的角度相互垂直，形状稳定性好，灵敏度高，可实现优良的三维磁传感能力。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (17)

1.一种镂空立方体封装的三维磁传感器，其特征在于，包括：镂空立方体构件和三个磁阻单元，三个所述磁阻单元分别粘接于所述镂空立方体构件的三个相邻的表面，三个所述磁阻单元在所述镂空立方体构件的内部电气互联。

2.根据权利要求1所述的镂空立方体封装的三维磁传感器，其特征在于，所述磁阻单元包括基于各向异性磁电阻效应的磁敏感薄膜层。

3.根据权利要求2所述的镂空立方体封装的三维磁传感器，其特征在于，所述磁敏感薄膜层内设置有惠斯通电桥。

4.根据权利要求3所述的镂空立方体封装的三维磁传感器，其特征在于，所述磁敏感薄膜层上设置有四个电极，所述四个电极分别与所述惠斯通电桥的四个桥臂相连。

5.根据权利要求2所述的镂空立方体封装的三维磁传感器，其特征在于，所述磁阻单元还包括硅基底以及所述硅基底上的氧化层，所述磁敏感薄膜层生长于所述氧化层上。

6.根据权利要求5所述的镂空立方体封装的三维磁传感器，其特征在于，所述磁敏感薄膜层上设置有电极；

所述硅基底的内部和所述氧化层的内部形成有与所述电极相连的硅通孔导线。

7.根据权利要求5所述的镂空立方体封装的三维磁传感器，其特征在于，所述磁阻单元的硅基底通过粘接层粘接于所述镂空立方体构件的表面。

8.根据权利要求6所述的镂空立方体封装的三维磁传感器，其特征在于，所述硅基底内部的硅通孔导线连接键合引线，三个所述磁阻单元的磁敏感薄膜层通过键合引线相互连通。

9.根据权利要求1所述的镂空立方体封装的三维磁传感器，其特征在于，所述磁阻单元的形状为正方形，三个所述磁阻单元所在的平面相互垂直。

10.根据权利要求9所述的镂空立方体封装的三维磁传感器，其特征在于，三个所述磁阻单元均设置为靠近所述镂空立方体构件的所述三个相邻的表面的公共顶点。

11.一种镂空立方体封装的三维磁传感器的制作方法，其特征在于，所述方法包括：

提供镂空立方体构件，以及提供三个磁阻单元；

将三个所述磁阻单元分别粘接于所述镂空立方体构件的三个相邻的表面；

对三个所述磁阻单元在所述镂空立方体构件的内部进行电气互联。

12.根据权利要求11所述的镂空立方体封装的三维磁传感器的制作方法，其特征在于，所述提供镂空立方体构件，包括：

分别在实心立方体构件的三个相邻面上沿距正方形的四条边相应距离的位置垂直向下切割，形成镂空立方体构件；或者，采用3D打印方式制作所需尺寸的镂空立方体构件。

13.根据权利要求11所述的镂空立方体封装的三维磁传感器的制作方法，其特征在于，所述磁阻单元包括硅基底和磁敏感薄膜层，所述磁敏感薄膜层上设置有电极。

14.根据权利要求13所述的镂空立方体封装的三维磁传感器的制作方法，其特征在于，所述方法还包括：

在将三个所述磁阻单元分别粘接于所述镂空立方体构件的三个相邻的表面之前，在所述磁阻单元内形成与所述磁敏感薄膜层电气连接的硅通孔导线。

15.根据权利要求14所述的镂空立方体封装的三维磁传感器的制作方法，其特征在于，所述在所述磁阻单元内形成与所述磁敏感薄膜层电气连接的硅通孔导线，包括：

采用硅通孔工艺在所述磁阻单元的电极位置对所述硅基底进行打孔，形成硅通孔；

在所述硅通孔内填充导电金属形成硅通孔导线；

在所述硅通孔导线靠近所述电极的端口周围电镀导电金属，使所述硅通孔导线与所述磁敏感薄膜层电气连接。

16.根据权利要求11所述的镂空立方体封装的三维磁传感器的制作方法，其特征在于，所述将三个所述磁阻单元分别粘接于所述镂空立方体构件的三个相邻的表面，包括：

将三个所述磁阻单元按预定朝向分别粘贴于所述镂空立方体构件的三个相邻的表面，且三个所述磁阻单元均设置为靠近所述三个相邻的表面的公共顶点。

17.根据权利要求14所述的镂空立方体封装的三维磁传感器的制作方法，其特征在于，所述对三个所述磁阻单元在所述镂空立方体构件的内部进行电气互联，包括：

在所述镂空立方体构件的内部将三个所述磁阻单元的硅通孔导线通过键合引线相互连接。

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