CN114858051A - 一种角度传感器及其制作工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种角度传感器及其制作工艺，所述角度传感器包括嵌套设置的转子(1)和定子底座(2)，在所述转子(1)的上表面设置有传感器防护板(3)，在所述定子底座(2)的中心设置有磁敏感单元，所述转子(1)以磁敏感单元为中心绕定子底座，实现360°的转动。所述第一磁敏感单元以多层膜巨磁电阻作为主要磁敏感元件，第二磁敏感单元为霍尔元件。本发明公开的角度传感器制作工艺，通过微电子工艺和磁控溅射方法相结合，并结合3D打印技术实现了传感器的封装，操作简单，可实现传感器的小型化，易于批量生产，在汽车转向系统、风速测量、流速测量等方面皆有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及磁场传感器技术领域，具体涉及一种角度传感器及其制作工艺。
背景技术
角度传感器是一种可安装在机器设备上、用于获得机器实时旋转角度的传感器，在船舶、车辆、隧道、机械、医疗设备、物探仪器等现代工业和电子产品之中有着十分广泛的应用。
目前，随着行业的发展及技术的进步，角度传感器不断趋向于小型化、集成化。角度传感器分为接触式和非接触式，其中，接触式角度传感器在测量时，因存在机械接触，不但容易磨损，还易产生误差，已逐渐被非接触式角度传感器取代。常见的非接触式角度传感器有光电学角度传感器、旋转编码角度传感器、光纤机械角度传感器等，其中，电学测角方法的能量消耗低、几何体积尺寸小、结构简单，是较为常用的一种测量方法。
但是，现有的电学角度传感器，较难达到0～360°范围的角度测量，即使可以达到这一范围，也存在体积较大、精度和灵敏度较低等缺点，应用领域的局限性较大。
因此，有必要提供一种角度传感器，使其既能精确地进行360°角度范围的测量，同时制作方式简单、易实现，可满足于日常生活、生产所需。
发明内容
为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种测量范围为360°的角度传感器，该传感器以两个磁敏感单元作为角度测量的主体部分，具体采用微电子技术和多层膜制作工艺在传感器的第一磁敏感单元设置了四个巨磁电阻(GMR-1、GMR-2、GMR-3、GMR-4)和四个扩散硅电阻(R1、R2、R3、R4)，分别构成了两组惠斯通电桥结构，可分别实现沿x轴、y轴方向磁场分量的测量，且两组惠斯通电桥结构成45°放置，将传感器的角度测量范围从90°扩展到180°；第二磁敏感单元为霍尔元件，实现防护板小磁铁所施加的z轴方向磁场分量的测量，将角度传感器的角度测量范围从180°扩展到360°，且测量时磁敏感元件无需与外界直接接触，体积小、灵敏度高，从而完成了本发明。
具体来说，本发明的目的在于提供以下方面：
第一方面，提供一种角度传感器，所述角度传感器包括嵌套设置的转子1和定子底座2，
在所述转子1的上表面设置有传感器防护板3，
在所述定子底座2的中心设置有磁敏感单元，所述转子1以磁敏感单元为中心绕定子底座，实现360°的转动。
第二方面，提供一种角度传感器的制作工艺，优选用于制作第一方面所述的角度传感器，所述制作工艺包括以下步骤：
步骤1，零次光刻，干法刻蚀硅晶圆对版标记；
步骤2，清洗硅片11，第一次氧化，在硅片上表面单面生长薄氧层；
步骤3，第一次光刻，形成离子注入窗口，在硅片上表面注入磷离子，形成霍尔元件的磁敏感区和四个扩散电阻；
步骤4，第二次光刻，注入磷离子，形成霍尔输出端和控制电流端；
步骤5，清洗，进行高温退火，去除薄氧层；
步骤6，清洗，第二次氧化，在硅片上生长二氧化硅绝缘层；
步骤7，第三次光刻，形成多层膜巨磁电阻窗口；
步骤8，清洗，生长多层膜，采用剥离工艺进行图形化；
步骤9，清洗，第三次氧化，在巨磁电阻上表面生长二氧化硅层；
步骤10，第四次光刻，刻蚀绝缘层形成巨磁电阻与扩散电阻的引线孔；
步骤11，清洗，真空蒸发生长金属铝；
步骤12，第五次光刻，刻蚀金属铝形成金属铝互连线以及铝电极14；
步骤13，清洗，在硅片上生长钝化层；
步骤14，第六次光刻，刻蚀钝化层，形成压焊点；
步骤15，清洗，进行合金化处理；
步骤16，划片，进行无磁化封装。
第三方面，提供一种第二方面所述的制作工艺制备的角度传感器。
本发明所具有的有益效果包括：
(1)本发明提供的角度传感器，通过第一磁敏感单元(以巨磁电阻作为磁敏感元件)和第二磁敏感单元(以霍尔元件作为磁敏感元件)相结合，实现了测量范围为360°的角度测量；
(2)本发明提供的角度传感器，将磁敏感单元和产生磁场的小磁铁分别置于定子底座与转子中，在测量角度时，可实现角度传感器与外界的无接触测量，避免了引线的缠绕问题；
(3)本发明提供的角度传感器，将防护板小磁铁按照相同磁敏感方向设置，在转子旋转过程中，使第二磁敏感单元在0～180°、180～360°角度范围内分别输出正、负电压信号，从而将角度传感器的角度测量范围从180°扩展到360°；
(4)本发明提供的角度传感器，通过设置巨磁电阻与扩散电阻电路结构，能够对巨磁电阻的温度漂移进行补偿；
(5)本发明提供的角度传感器的制作工艺，通过微电子工艺和磁控溅射方法实现了磁敏感单元的制作，并结合3D打印技术实现了传感器的封装，操作简单，可实现传感器的小型化，易于批量生产。
附图说明
图1示出本发明一种优选实施方式的角度传感器的整体结构示意图；
图2示出本发明一种优选实施方式的角度传感器磁敏感单元的整体结构示意图；
图3示出本发明一种优选实施方式的角度传感器磁敏感单元的俯视结构示意图；
图4示出本发明一种优选实施方式的角度传感器磁敏感单元沿图3中A-A截面的剖视图；
图5示出本发明一种优选实施方式的角度传感器磁敏感单元沿图3中B-B截面的剖视图；
图6示出本发明一种优选实施方式的角度传感器磁敏感单元的等效电路图；
图7-1～7-10示出本发明一种优选实施方式的角度传感器磁敏感单元的制作工艺流程示意图(沿图3中A-A截面)；
图8-1～8-11示出本发明一种优选实施方式的角度传感器磁敏感单元的制作工艺流程示意图(沿图3中B-B截面)；
图9-1示出本发明实施例1制备的角度传感器磁敏感单元的旋转特性曲线图(外加磁场为10.0mT)，其中，Voutx表示同一磁场下沿x轴方向的输出电压曲线，Vouty表示同一磁场下沿y轴方向的输出电压曲线，Voutz表示同一磁场下沿z轴方向的输出电压曲线；
图9-2示出了测量角度(θ0)与实际角度(θ)的对应关系图。
附图标号说明：
1-转子；
2-定子底座；
3-传感器防护板；
4-转子小磁铁；
5-限位孔；
6-角度刻度线；
7-防护板小磁铁；
8-凹槽；
9-引线过孔；
10-备用引线过孔；
11-硅片；
12-薄氧层；
13-霍尔元件；
14-铝电极；
GMR-1-第一巨磁电阻；
GMR-2-第二巨磁电阻；
GMR-3-第三巨磁电阻；
GMR-4-第四巨磁电阻；
R1-第一扩散电阻；
R2-第二扩散电阻；
R3-第三扩散电阻；
R4-第四扩散电阻；
VDD-电源；
GND-连接地线；
Vout1-第一输出端；
Vout2-第二输出端；
Vout3-第三输出端；
Vout4-第四输出端；
Vz1-霍尔第一输出端；
Vz2-霍尔第二输出端。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。其中，尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明的第一方面，提供了一种角度传感器，所述角度传感器包括嵌套设置的转子1和定子底座2，
其中，在所述转子1的上表面设置有传感器防护板3，
在所述定子底座2的中心设置有磁敏感单元，所述转子1以磁敏感单元为中心绕定子底座转动，实现360°的转动，如图1所示。
根据本发明一种优选的实施方式，所述转子1为圆盘结构，在其中心开设有圆形通槽，以与定子底座嵌套连接，
所述转子1的边缘为齿状结构。
在进一步优选的实施方式中，在所述转子1中设置有转子小磁铁4，所述转子小磁铁具有两个，二者沿转子1的直径分布，且相对于转子1的中心对称分布。
其中，所述转子小磁铁设置在转子1的圆盘板面中。
优选地，所述两个转子小磁铁按照相同磁敏感方向设置。
在本发明中，所述两个转子小磁铁产生水平方向的匀强磁场，施加给第一磁敏感单元。
更优选地，所述转子采用耐磨损的树脂材料制成，优选由光敏树脂材料制成，更优选经3D打印技术制成；所述转子小磁铁可以采用现有技术中常用的强力磁铁，例如：由钕铁硼材料制成，表面电镀有镍铜镍的强力磁铁。
在更进一步优选的实施方式中，在所述转子1中还设置有限位孔5，以与传感器防护板3固定连接；
其中，所述限位孔5具有两个，沿转子直径对称分布，以转子中心为对称中心。
根据本发明一种优选的实施方式，所述传感器防护板3为圆盘结构，在其中心设置有圆形通孔，以与转子1的圆形通槽配合；
所述传感器防护板3的下表面设置有限位件，其配合设置在限位孔5中，实现传感器防护板与转子的固定连接；
其中，所述限位件的个数与限位孔5的个数相同。
优选地，所述限位件为榫柱，其与转子中的限位孔相连接，将传感器防护板与转子固定为一体。
在进一步优选的实施方式中，在所述传感器防护板3的上表面设置有角度刻度线6。
在更进一步优选的实施方式中，在所述传感器防护板3中设置有防护板小磁铁7，所述防护板小磁铁具有两个，二者沿传感器防护板3的直径分布，且相对于传感器防护板的中心对称分布。
在本发明中，所述两个防护板小磁铁设置在磁敏感单元的上方，产生垂直磁场，施加给第二磁敏感单元。
优选地，所述两个防护板小磁铁7设置在传感器防护板板面中，所述两个防护板小磁铁按照相同磁敏感方向设置。
在本发明中，所述防护板小磁铁可以采用现有技术中常用的磁铁，例如由钕铁硼材料制成，表面电镀有镍铜镍的强力磁铁。
更优选地，所述传感器防护板由无磁性材料制成，以防止对磁敏感单元产生干扰，例如可以由橡胶制成。
根据本发明一种优选的实施方式，所述定子底座2包括底座和设置在底座中心的圆台，所述转子1嵌套在圆台外壁，
在所述圆台中心开设有凹槽8，所述磁敏感单元设置在凹槽8中。
在本发明中，优选向转子和定子底座的嵌套处添加润滑油，以减少定子与转子之间的摩擦力，确保角度传感器的旋转过程中扭矩的一致性。
在进一步优选的实施方式中，在所述凹槽8的四周开均匀设置有多个引线过孔9，使得磁敏感单元通过引线过孔与外部电路连接。
优选地，在所述圆台上还设置有备用引线过孔10。
在本发明中，所述定子底座采用耐磨损的树脂材料制成，优选由光敏树脂材料制成，更优选经3D打印技术制成。
根据本发明一种优选的实施方式，所述磁敏感单元包括第一磁敏感单元和第二磁敏感单元，
其中，所述第一磁敏感单元的磁敏感元件为多层膜巨磁电阻，所述第二磁敏感单元的磁敏感元件为霍尔元件。
在本发明中，所述转子小磁铁作为第一磁场产生源，产生水平方向的匀强磁场，作用于第一磁敏感单元；所述防护板小磁铁作为第二磁场产生源，产生垂直方向的磁场分量，作用于第二磁敏感单元。
在进一步优选的实施方式中，所述第一磁敏感单元包括作为衬底的硅片11和设置在其上表面的第一巨磁电阻GMR-1、第二巨磁电阻GMR-2、第三巨磁电阻GMR-3和第四巨磁电阻GMR-4，如图2～5所示。
在更进一步优选的实施方式中，所述硅片11为单晶硅片，优选为<100>晶向p型单晶硅片；
其中，4英寸晶圆厚度为475～525μm，优选为500μm。
优选地，所述硅片11的电阻率≤0.5Ω·cm，优选为0.1Ω·cm。
根据本发明一种优选的实施方式，在所述硅片11的上表面设置有薄氧层12，所述薄氧层为二氧化硅，
优选地，所述薄氧层的厚度为30～50nm，优选为30nm。
根据本发明一种优选的实施方式，所述第一巨磁电阻、第二巨磁电阻、第三巨磁电阻和第四巨磁电阻均为多层膜结构，优选为二十次循环设置的多层膜；
所述多层膜结构包括依次循环设置的磁性材料层、非磁性材料层和磁性材料层。
其中，所述磁性材料层为钴、铁等材料，非磁性材料为铜、铬等材料。
优选地，在硅片11的上表面还制作有四个扩散电阻，分别为第一扩散电阻R1、第二扩散电阻R2、第三扩散电阻R3和第四扩散电阻R4，
其中，如图6所示，所述第一巨磁电阻GMR-1一端连接第一扩散电阻R1，另一端连接电源VDD；所述第一扩散电阻R1一端连接第一巨磁电阻GMR-1，另一端连接地线GND；
所述第二巨磁电阻GMR-2一端连接第二扩散电阻R2，另一端连接地线GND；所述第二扩散电阻R2一端连接第二巨磁电阻GMR-2，另一端连接电源VDD。
所述第三巨磁电阻GMR-3一端连接第三扩散电阻R3，另一端连接电源VDD；所述第三扩散电阻R3一端连接第三巨磁电阻GMR-3，另一端连接地线GND。
所述第四巨磁电阻GMR-4一端连接第四扩散电阻R4，另一端连接地线GND；所述第四扩散电阻R4一端连接第四巨磁电阻GMR-4，另一端连接电源VDD。
优选地，在所述扩散电阻的上方设置有二氧化硅层，其厚度为400～600nm，优选为500nm。
在本发明中，所述四个巨磁电阻与四个扩散电阻构成了两组惠斯通电桥结构，可分别实现沿x轴、y轴方向磁场分量的测量，其中由巨磁电阻(GMR-1、GMR-2)和硅扩散电阻(R1、R2)所组成的惠斯通电桥结构用于x轴方向磁场分量的测量，由巨磁电阻(GMR-3、GMR-4)和硅扩散电阻(R3、R4)所组成的惠斯通电桥结构用于y轴方向磁场分量的测量。
其中，第一巨磁电阻和第一扩散电阻的连接处作为第一输出端Vout1，第二巨磁电阻和第二扩散电阻的连接处作为第二输出端Vout2，第三巨磁电阻和第三扩散电阻的连接处作为第三输出端Vout3，第四巨磁电阻和第四扩散电阻的连接处作为第四输出端Vout4。
其中，沿x轴方向输出电压Voutx为Vout2-Vout1，沿y轴方向输出电压Vouty为Vout4-Vout3。
在进一步优选的实施方式中，如图2和3所示，所述第一巨磁电阻与第三巨磁电阻的设置方向角度偏差45°，
所述第二巨磁电阻与第四巨磁电阻的设置方向角度偏差45°。
在本发明中，将四个巨磁电阻设置为上述的不同方向，主要是为了在磁场的作用下，使第一磁敏感单元的两组惠斯通电桥的输出电压差值的变化趋势相差一个相位，以将角度传感器的角度测量范围从90°扩展到180°。
其中，当角度传感器中转子的角度发生变化时，第一磁敏感单元沿x轴、y轴方向的磁场分量会发生变化，使得具有多层膜结构的巨磁电阻的阻值发生变化，致使两组惠斯通电桥输出端电压发生改变，两组惠斯通电桥输出电压比值的反正切函数的一半即为转子旋转角度。
本发明提供的巨磁电阻与扩散电阻电路结构，能够对巨磁电阻的温度漂移进行补偿。
根据本发明一种优选的实施方式，所述第二磁敏感单元为霍尔元件13，实现沿z轴方向磁场分量的测量；
所述霍尔元件13包括设置在硅片11上表面的磁敏感区、控制电流极和霍尔电压输出端。
所述霍尔电压输出端包括霍尔第一输出端Vz1和霍尔第二输出端Vz2。
其中，所述霍尔元件是四端半导体磁敏感元件，包括磁敏感区、控制电流极和霍尔电压输出端。
在进一步优选的实施方式中，所述磁敏感区为n-型轻掺杂；
所述控制电流极和霍尔电压输出端均为n+型重掺杂。
在本发明中，所述霍尔元件能够感知传感器防护板中防护小磁铁产生的磁场。
本发明提供的第二磁敏感单元，与第一磁敏感单元通过单片集成，设置定子底座圆台的凹槽中，实现沿z轴方向磁场分量的测量。由于两个防护板小磁铁按照相同磁敏感方向设置，因此，在转子旋转过程中，能够使第二磁敏感单元在0～180°、180～360°角度范围内分别输出正、负电压信号，以将角度传感器的角度测量范围从180°扩展到360°。
本发明提供的角度传感器，通过第一磁敏感单元和第二磁敏感单元相结合，实现了测量范围为360°的角度测量；同时，将磁敏感单元和产生磁场的小磁铁分别置于定子底座与转子中，在测量角度时，可实现角度传感器与外界的无接触测量，避免了引线的缠绕问题。
本发明的第二方面，提供了一种角度传感器的制作工艺，优选用于制作第一方面所述的角度传感器，如图7-1～7-10及图8-1～8-11所示，所述制作工艺包括以下步骤：
步骤1，零次光刻，干法刻蚀硅晶圆对版标记。
步骤2，清洗硅片11，第一次氧化，在硅片上表面单面生长薄氧层，如图7-1和8-1所示。
根据本发明一种优选的实施方式，所述硅片为<100>晶向p型单晶硅片，4英寸晶圆厚度为475～525μm，优选为500μm，
所述电阻率≤0.5Ω·cm，优选为0.1Ω·cm。
在进一步优选的实施方式中，所述薄氧层的厚度为30～50nm，优选为30nm。
其中，所述硅片的清洗优选采用RCA标准清洗法，所述薄氧层优选通过热氧化法进行生长，生长的薄氧层作为离子注入缓冲层。
步骤3，第一次光刻，形成离子注入窗口，在硅片上表面注入磷离子，形成霍尔元件的磁敏感区和四个扩散电阻，如图7-2和8-2所示。
根据本发明一种优选的实施方式，所述霍尔元件的磁敏感区和四个扩散电阻均为n-型掺杂，掺杂浓度均为1×1016～1×1017cm-3。
步骤4，第二次光刻，注入磷离子，形成霍尔输出端和控制电流端。
根据本发明一种优选的实施方式，所述霍尔元件的控制电流极和霍尔电压输出端均为n+型重掺杂，掺杂浓度均为1×1018cm-3。
步骤5，清洗，进行高温退火，去除薄氧层，如图7-3和8-3所示。
优选地，采用缓冲氧化物刻蚀液(BOE)去除薄氧层。
步骤6，清洗，第二次氧化，在硅片上生长二氧化硅绝缘层，如图7-4和8-4所示。
优选地，采用热生长法生长二氧化硅绝缘层，其厚度为300nm～500nm。
步骤7，第三次光刻，形成多层膜巨磁电阻窗口。
步骤8，清洗，生长多层膜，采用剥离工艺进行图形化，如图7-5和8-5所示。
在本发明中，所述多层膜通过高真空磁控溅射系统生长形成，工艺参数采用现有技术中常用的参数。
根据本发明一种优选的实施方式，所述巨磁电阻为多层膜结构，优选为二十次循环设置的多层膜；
所述多层膜结构包括依次循环设置的磁性材料层、非磁性材料层和磁性材料层。
其中，所述磁性材料层为钴、铁等材料，非磁性材料为铜、铬等材料。
在本发明中，所述剥离工艺是指：在单晶硅基片上涂覆光致抗蚀剂，通过曝光、显影后，采用具有一定图形的光致抗蚀剂膜作为掩模，带胶膜沉积所需要金属层，通过去除光致抗蚀剂，把胶膜上的金属一起剥离干净，在单晶硅基片上只剩下原刻出图形的金属层。
优选地，制备的巨磁电阻的电阻值为5～10KΩ，例如9.5KΩ。
在进一步优选的实施方式中，所述第一巨磁电阻与第三巨磁电阻的设置方向角度偏差45°，
所述第二巨磁电阻与第四巨磁电阻的设置方向角度偏差45°。
步骤9，清洗，第三次氧化，在巨磁电阻上表面生长二氧化硅层，如图7-6和8-6所示。
其中，所述生长的二氧化硅层的厚度为10nm～30nm，优选为12～25nm，更优选为15nm。
步骤10，第四次光刻，刻蚀绝缘层形成巨磁电阻与扩散电阻的引线孔，如图8-7所示。
步骤11，清洗，真空蒸发生长金属铝，如图7-7和8-8所示。
步骤12，第五次光刻，刻蚀金属铝形成金属铝互连线以及铝电极14，如图7-8、8-9和图2中所示。
步骤13，清洗，在硅片上生长钝化层，如图7-9和8-10所示。
优选地，所述钝化层为Si3N4，采用PECVD法(等离子体增强化学的气相沉积法)生长得到，所述钝化层的厚度为100nm～200nm。
步骤14，第六次光刻，刻蚀钝化层，形成压焊点，如图7-10和8-11所示。
步骤15，清洗，进行合金化处理。
根据本发明一种优选的实施方式，所述合金化处理在真空条件下进行；
优选地，所述合金化处理的温度为350～550℃，处理时间为10～50min；
更优选地，所述合金化处理的温度为400～450℃，处理时间为20～40min；
例如，所述合金化处理的温度为420℃，处理时间为30min。
步骤16，划片，进行无磁化封装。
在本发明中，按照包括上述步骤的制作工艺制备得到磁敏感单元，再将磁敏感单元与定子底座、转子和传感器防护板进行安装。
优选地，所述角度传感器的转子、定子底座采用耐磨损的树脂材料，经3D打印技术制作而成。
所述传感器防护板由无磁性材料制成，以防止对磁敏感单元产生干扰，例如可以由橡胶制成。
本发明提供的角度传感器的制作工艺，通过微电子工艺和磁控溅射方法实现了磁敏感单元的制作，并结合3D打印技术实现了传感器的封装，操作简单，可实现传感器的小型化，易于批量生产。
本发明的第三方面，提供了一种第二方面所述制作工艺制备的角度传感器，所述角度传感器实现了角度传感器的小型化和集成化，测量精度高，结构简单，可实现360°范围内的角度测量。
实施例
以下通过具体实例进一步描述本发明，不过这些实例仅仅是范例性的，并不对本发明的保护范围构成任何限制。
实施例1
(一)按照下述步骤制作角度传感器的磁敏感单元：
步骤1，零次光刻，干法刻蚀硅晶圆对版标记。
步骤2，清洗硅片，采用热氧化法进行第一次氧化，在硅片上表面单面生长薄氧层，厚度为30nm。
其中，所述硅片为<100>晶向p型单晶硅片，4英寸晶圆厚度为500μm，电阻率为0.1Ω·cm。
所述硅片的清洗采用RCA标准清洗法。
步骤3，第一次光刻，形成离子注入窗口，在硅片上表面注入磷离子，形成霍尔元件的磁敏感区和四个扩散电阻。
其中，所述霍尔元件的磁敏感区和四个扩散电阻均为n-型掺杂，掺杂浓度为1×1016cm-3。
步骤4，第二次光刻，注入磷离子，形成霍尔输出端和控制电流端。
其中，所述霍尔元件的控制电流端和霍尔电压输出端均为n+型重掺杂，掺杂浓度为1×1018cm-3。
步骤5，清洗，进行高温退火，采用缓冲氧化物刻蚀液(BOE)去除薄氧层。
步骤6，清洗，第二次氧化，在硅片上热生长法生长二氧化硅绝缘层，其厚度为500nm。
步骤7，第三次光刻，形成多层膜巨磁电阻窗口。
步骤8，清洗，生长多层膜，采用剥离工艺进行图形化。
其中，所述巨磁电阻为二十次循环设置的多层膜；所述多层膜结构包括依次循环设置的磁性材料层、非磁性材料层和磁性材料层；所述磁性材料层为钴材料，非磁性材料为铜材料。
制备的巨磁电阻的电阻值为9.5KΩ。
所述第一巨磁电阻与第三巨磁电阻的设置方向角度偏差45°，第二巨磁电阻与第四巨磁电阻的设置方向角度偏差45°。
步骤9，清洗，第三次氧化，在巨磁电阻上表面生长二氧化硅层，厚度为15nm。
步骤10，第四次光刻，刻蚀绝缘层形成巨磁电阻与扩散电阻的引线孔。
步骤11，清洗，真空蒸发生长金属铝。
步骤12，第五次光刻，刻蚀金属铝形成金属铝互连线以及铝电极。
步骤13，清洗，在硅片上PECVD生长Si3N4钝化层，厚度为200nm。
步骤14，第六次光刻，刻蚀钝化层，形成压焊点。
步骤15，清洗晶圆，进行合金化处理，温度为420℃，处理时间为30min。
步骤16，划片，进行无磁化封装。
(二)按照下述步骤制作角度传感器：
采用光敏树脂材料，经3D打印技术制作转子和定子底座，采用硅胶制作传感器防护板，将磁敏感单元通过730胶水固定在定子底座的凹槽中。
实验例
实验例1
采用磁场发生器(北京翠海佳诚磁电科技有限责任公司推荐型号：CH Hall-300，其能够产生1Gs～1T的磁场)、步进电机驱动控制器(CH-400B)、程控功率电流源(CH-HallModel F2030)、全数字高分辨率特斯拉计(CH-1600)、苏州普源精电科技有限公司的可编程线性直流电源(RIGOLDP832A)和安捷伦科技有限公司的数据采集器(Agilent 34410A)等仪器搭建而成的磁场测试系统，对实施例1中制备的角度传感器磁敏感单元的磁特性进行测试。
具体地，在室温(300K)条件下，将角度传感器磁敏感单元放入测试系统的磁场环境下，电源电压VDD＝5.0V，旋转角度范围为0°～360°，旋转步长为1°(调整磁场大小分别为5.0mT、10.0mT、15.0mT)，对传感器进行特性测试，其中，传感器在磁场大小为10mT时测试结果如图9-1所示。
由图9-1可知，在一个周期内(180°)，x方向传感器输出电压以类似正弦函数曲线变化，y方向传感器输出电压以类似余弦函数曲线变化。
图9-2示出了测量角度(θ0)与实际角度(θ)的对应关系，由于正切函数的多值性，在0～360°测量范围内有四个周期。
将两个惠斯通电桥结构成45°放置，可以将角度传感器的角度测量范围从90°扩展到180°，在这两个电桥中，每个电桥的输出的信号都与sin2θ成正比。
通过对霍尔元件输出电压信号正、负的判断，使角度传感器的角度测量范围从180°扩展到360°。
进一步地，测量得到实施例1中制备的角度传感器分辨率为1°，适用于对方位角或俯仰角等多种动态角度进行精密测试的系统中。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接普通；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种角度传感器，其特征在于，所述角度传感器包括嵌套设置的转子(1)和定子底座(2)，
在所述转子(1)的上表面设置有传感器防护板(3)，
在所述定子底座(2)的中心设置有磁敏感单元，所述转子(1)以磁敏感单元为中心绕定子底座，实现360°的转动。
2.根据权利要求1所述的角度传感器，其特征在于，在所述转子(1)中设置有转子小磁铁(4)，
所述转子小磁铁具有两个，二者沿转子(1)的直径分布，且相对于转子(1)的中心对称分布。
3.根据权利要求1所述的角度传感器，其特征在于，在所述转子(1)中还设置有限位孔(5)，以与传感器防护板(3)固定连接；
其中，所述限位孔(5)具有两个，沿转子直径对称分布，以转子中心为对称中心。
4.根据权利要求1所述的角度传感器，其特征在于，在所述传感器防护板(3)中设置有防护板小磁铁(7)，
所述防护板小磁铁具有两个，二者沿传感器防护板(3)的直径分布，且相对于传感器防护板的中心对称分布。
5.根据权利要求1所述的角度传感器，其特征在于，所述定子底座(2)包括底座和设置在底座中心的圆台，所述转子(1)嵌套在圆台外壁，
在所述圆台中心开设有凹槽(8)，所述磁敏感单元设置在凹槽(8)中。
6.根据权利要求1所述的角度传感器，其特征在于，所述磁敏感单元包括第一磁敏感单元和第二磁敏感单元，
其中，所述第一磁敏感单元的磁敏感元件为多层膜巨磁电阻，所述第二磁敏感单元的磁敏感元件为霍尔元件。
7.根据权利要求6所述的角度传感器，其特征在于，所述第一磁敏感单元包括作为衬底的硅片(11)和设置在其上表面的第一巨磁电阻(GMR-1)、第二巨磁电阻(GMR-2)、第三巨磁电阻(GMR-3)和第四巨磁电阻(GMR-4)。
8.一种角度传感器的制作工艺，优选用于制作权利要求1至7之一所述的角度传感器，其特征在于，所述制作工艺包括以下步骤：
步骤1，零次光刻，干法刻蚀硅晶圆对版标记；
步骤2，清洗硅片(11)，第一次氧化，在硅片上表面单面生长薄氧层；
步骤3，第一次光刻，形成离子注入窗口，在硅片上表面注入磷离子，形成霍尔元件的磁敏感区和四个扩散电阻；
步骤4，第二次光刻，注入磷离子，形成霍尔输出端和控制电流端；
步骤5，清洗，进行高温退火，去除薄氧层；
步骤6，清洗，第二次氧化，在硅片上生长二氧化硅绝缘层；
步骤7，第三次光刻，形成多层膜巨磁电阻窗口；
步骤8，清洗，生长多层膜，采用剥离工艺进行图形化；
步骤9，清洗，第三次氧化，在巨磁电阻上表面生长二氧化硅层；
步骤10，第四次光刻，刻蚀绝缘层形成巨磁电阻与扩散电阻的引线孔；
步骤11，清洗，真空蒸发生长金属铝；
步骤12，第五次光刻，刻蚀金属铝形成金属铝互连线以及铝电极(14)；
步骤13，清洗，在硅片上生长钝化层；
步骤14，第六次光刻，刻蚀钝化层，形成压焊点；
步骤15，清洗，进行合金化处理；
步骤16，划片，进行无磁化封装。
9.根据权利要求1所述的制作工艺，其特征在于，步骤13中，所述钝化层为Si3N4，厚度为100nm～200nm。
10.一种权利要求8或9所述的制作工艺制备的角度传感器。
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