CN117075007A - Z轴磁场传感器及其加工制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种Z轴磁场传感器及其加工方法，涉及磁场测量技术领域。传感器包括：基底、磁通转换模块、磁感应模块、输出模块；构成磁通转换模块的高磁导率的金属软磁材料位于基底上刻蚀的沟槽内部或位于基底上方，磁通转换模块包括第一磁通转换单元第二磁通转换单元；第一磁通转换单元和第二磁通转换单元中包含呈间隔分布的金属软磁材料，将Z轴方向上待测磁场聚集放大后进行磁场方向的转换，产生X轴磁场分量。磁感应模块感应磁通转换模块的磁场，产生差分电压信号并通过输出模块形成待测磁场的输出信号；本申请提供的Z轴磁场传感器和加工方法，具有磁场转换效率高、磁场分布均匀、灵敏度高、稳定性好、噪声低、可单芯片小体积制备的特点。

Description

Z轴磁场传感器及其加工制备方法

技术领域

本发明涉及磁场测量技术领域，具体而言，涉及一种Z轴磁场传感器及其加工制备方法。

背景技术

磁传感器广泛用于现代工业和电子产品中，可以通过感应磁场强度变化来测量电流、位置、运动、以及方向等物理参数；在此过程中通常涉及到Z轴磁场的测量，即测量磁传感器所在平面法线方向磁场。

目前Z轴磁场的测量主要是通过检波线圈、霍尔元件或磁阻元件等方式实现。检波线圈空间分辨率低，灵敏度有限，频率特性有限；霍尔元件灵敏度低，功耗高，温度特性差；磁阻元件的敏感方向一般处于平面内方向，使其在垂直磁场以及三轴矢量磁场检测等场合的应用受到限制。

发明内容

为了实现更好的垂直磁场检测，本发明提供了一种Z轴磁场传感器及其加工方法，以解决现有Z轴磁场传感器灵敏度低、精度差、噪声高等问题。

本申请第一方面提供一种Z轴磁场传感器，包括：基底、磁通转换模块、磁感应模块、输出模块。磁通转换模块设置于基底的沟槽内部或位于基底的上方；所述磁通转换模块用于将待测磁场调制，在X轴方向上产生磁场分量，以形成目标磁通路径；其中，所述待测磁场的方向为Z轴方向。磁感应模块包括至少两个磁感应单元，所述磁感应单元沿Z轴方向设置于所述磁通转换模块之间，所述磁感应单元用于在所述目标磁通路径的作用下，产生差分电压信号；其中，所述磁感应单元由至少一个磁电阻敏感元件构成，且所述磁感应单元的灵敏度方向相同；磁感应模块采用差分全桥、差分半桥、推挽全桥、推挽半桥中的至少一种结构感应磁通转换模块的磁场，产生差分电压信号并通过输出模块形成待测磁场的输出信号。其中，所述基底所在的平面为X轴和Y轴构成的平面，所述磁通转换单元沿X轴方向设置，垂直于所述基底所在的平面为Z轴所在平面。

可选地，磁通转换模块包括至少一个第一磁通转换单元和至少一个第二磁通转换单元；第一磁通转换单元和第二磁通转换单元沿Z轴方向设置于磁感应单元两侧；第一磁通转换单元和第二磁通转换单元用于将待测磁场聚磁放大，以形成目标磁通路径，并在第一磁通转换单元和第二磁通转换单元的间隔位置处产生X轴方向上的磁场分量；其中，第一磁通转换单元和第二磁通转换单元在X轴上的投影不重叠或重叠部分小于重叠阈值；重叠阈值与磁场传感器的测量范围相关。

可选地，基底包括第一基底和第二基底。第一磁通转换单元、第二磁通转换单元的金属软磁材料分别位于第一基底、第二基底的沟槽内部；磁感应单元位于第一基底、第二基底之间。

进一步的，磁感应单元在Z轴方向上位于不同X轴和Y轴构成的平面情况下，第一平面包含至少一个磁感应单元、第二平面包含至少一个磁感应单元；第一平面磁感应单元集成于第一基底上，第二平面磁感应单元集成于第二基底上；第一平面磁感应单元和第二平面磁感应单元的灵敏度方向相同或不同。

可选地，磁通转换模块还包括采用高磁导率的金属软磁材料构成的磁通连接单元。磁通连接单元位于第一磁通转换单元X轴和Y轴构成的平面、第二磁通转换单元X轴和Y轴构成的平面之间；磁通连接单元的金属软磁材料沿X轴方向分布，将第一磁通转换单元、第二磁通转换单元的磁通路径连接并沿平行X轴方向进行引导。磁感应单元位于磁通连接单元金属软磁材料内部或与磁通转换模块的金属软磁材料之间的空隙处。

可选地，磁通转换模块除第一磁通转换单元、第二磁通转换单元外，还包含高磁导率金属软磁材料构成的增强磁通转换单元。增强磁通转换单元在Z轴方向上叠加于第一磁通转换单元和/或第二磁通转换单元上，对待测磁场实现进一步的聚集放大。

可选地，磁感应单元分别由一个或一个以上磁电阻敏感元件串并联构成。磁电阻敏感元件为各向异性磁电阻AMR、巨磁电阻GMR、隧道磁电阻TMR中的任意一种。可选地，输出模块包括开环信号调理电路，或闭环信号调理电路和磁场反馈线圈。开环信号调理电路对差分电压信号进行调理放大、温度补偿和线性度修正后形成Z轴磁场传感器的输出信号。闭环信号调理电路、磁场反馈线圈和磁感应单元构成闭环磁场反馈结构。差分电压信号经闭环信号调理电路放大后，通过磁场反馈线圈产生反馈磁场达到磁场动态平衡；磁场反馈线圈的反馈电流进行取样后形成Z轴磁场传感器的输出信号。

可选地，Z轴磁场传感器还包括引线焊盘和机械支架外壳；Z轴磁场传感器采用的制备工艺为单芯片集成。

本申请第二方面提供一种Z轴磁场传感器加工方法，加工方法用于加工包括基底、磁通转换模块和磁感应模块的Z轴磁场传感器；磁感应模块包括至少两个磁感应单元；磁通转换模块包括至少一个第一磁通转换单元和至少一个第二磁通转换单元；Z轴磁场传感器加工方法包括：将MR磁阻薄膜沉积于所述基底的表面，并加工形成所述磁感应单元；在沉积了所述磁感应单元的基底的表面沉积钝化层；其中，所述钝化层用于保护所述磁感应单元；在所述基底上沿X轴方向形成一个或一个以上间隔分布的沟槽，并在所述沟槽中沉积高磁导率金属软磁材料构成所述磁通转换模块中的第一磁通转换单元；在所述基底钝化层上方通过沉积和半导体微加工形成一个或一个以上间隔分布的金属软磁材料，构成磁通转换模块中的第二磁通转换单元；将所述第一磁通转换单元和第二磁通转换单元均匀设置于所述磁感应单元两侧；其中，所述第一磁通转换单元和所述第二磁通转换单元在X轴上的投影不重叠或重叠部分小于重叠阈值；重叠阈值与磁场传感器的测量范围相关；其中，所述磁通转换模块用于将待测磁场调制，在X轴方向上产生磁场分量，以形成目标磁通路径；所述磁感应单元用于在所述目标磁通路径的作用下，产生差分电压信号；所述基底所在的平面为X轴和Y轴构成的平面，所述磁通转换单元沿X轴方向设置，垂直于所述基底所在的平面为Z轴所在平面。

可选地，在基底上采用反面DRIE深反应离子刻蚀工艺形成沟槽，沟槽开口位于基底远离MR磁阻薄膜一面；沉积金属软磁材料后，采用CMP化学机械抛光工艺进行抛光。

可选地，在MR磁阻薄膜所在面和/或临近MR磁阻薄膜的基底表面，沉积有一个或一个以上的沿X轴方向间隔分布的金属软磁材料，形成磁通连接单元。

可选地，在所述基底远离MR磁阻薄膜所在面上和/或所述基底MR磁阻薄膜所在面沉积金属软磁材料形成的所述第二磁通转换单元上，沿Z轴方向叠加增强磁通转换单元。

可选地，所述MR磁阻薄膜包括各向异性磁电阻AMR、巨磁电阻GMR或隧道磁电阻TMR。

可选地，所述Z轴磁场传感器采用单一芯片封装，通过WLP晶圆级封装以及TSV硅通孔工艺，附加引线焊盘和电路，封装成单一芯片。

本申请第三方面提供一种Z轴磁场传感器加工方法，所述加工方法用于加工包括基底、磁通转换模块和磁感应模块的Z轴磁场传感器；所述磁感应模块包括至少两个磁感应单元；所述磁通转换模块包括至少一个第一磁通转换单元和至少一个第二磁通转换单元；所述Z轴磁场传感器加工方法包括：在基底上方通过沉积和半导体微加工形成一个或一个以上间隔分布的金属软磁材料构成第一磁通转换单元，采用CMP化学机械抛光工艺进行抛光并沉积钝化层。将MR磁阻薄膜沉积于钝化层的表面，通过半导体图形化微加工形成磁感应模块中的磁感应单元；在磁感应单元上方再次沉积钝化层后，在该钝化层上方通过沉积和半导体微加工形成一个或一个以上间隔分布的金属软磁材料，构成磁通转换模块中的第二磁通转换单元。将所述第一磁通转换单元和第二磁通转换单元均匀设置于所述磁感应单元两侧；其中，所述第一磁通转换单元和所述第二磁通转换单元在X轴上的投影不重叠或重叠部分小于重叠阈值；重叠阈值与磁场传感器的测量范围相关；其中，所述磁通转换模块用于将待测磁场调制，在X轴方向上产生磁场分量，以形成目标磁通路径；所述磁感应单元用于在所述目标磁通路径的作用下，产生差分电压信号；所述基底所在的平面为X轴和Y轴构成的平面，所述磁通转换单元沿X轴方向设置，垂直于所述基底所在的平面为Z轴所在平面。

可选地，在基底上采用反面DRIE深反应离子刻蚀工艺形成沟槽，沟槽开口位于基底远离MR磁阻薄膜一面；沉积金属软磁材料后，采用CMP化学机械抛光工艺进行抛光。

可选地，在MR磁阻薄膜所在面和/或临近MR磁阻薄膜的基底表面，沉积有一个或一个以上的沿X轴方向间隔分布的金属软磁材料，形成磁通连接单元。

可选地，在所述基底远离MR磁阻薄膜所在面上和/或所述基底MR磁阻薄膜所在面沉积金属软磁材料形成的所述第二磁通转换单元上，沿Z轴方向叠加增强磁通转换单元。

可选地，所述MR磁阻薄膜包括各向异性磁电阻AMR、巨磁电阻GMR或隧道磁电阻TMR。可选地，所述Z轴磁场传感器采用单一芯片封装，通过WLP晶圆级封装以及TSV硅通孔工艺，附加引线焊盘和电路，封装成单一芯片。

本申请第四方面提供一种Z轴磁场传感器加工方法，所述加工方法用于加工包括基底、磁通转换模块和磁感应模块的Z轴磁场传感器；所述磁感应模块包括至少两个磁感应单元；所述磁通转换模块包括至少一个第一磁通转换单元和至少一个第二磁通转换单元；所述基底包括第一基底和第二基底；所述Z轴磁场传感器加工方法包括：将MR磁阻薄膜沉积于第一基底表面，通过半导体图形化微加工后，形成磁感应模块中的磁感应单元，之后在基底上沉积不导电的钝化层对磁感应单元进行保护。在第一基底上采用反面DRIE深反应离子刻蚀工艺，在第一基底远离MR磁阻薄膜一面形成一个或一个以上间隔分布的沟槽；在沟槽内沉积金属软磁材料并采用CMP化学机械抛光工艺进行抛光，构成磁通转换模块中的第一磁通转换单元。第二基底采用和第一基底相同的工艺流程构成磁感应单元和第二磁通转换单元，或不沉积MR磁阻薄膜，后续工艺流程与第一基底类似，采用反面DRIE工艺形成一个或一个以上间隔分布的沟槽，沉积金属软磁材料后采用CMP工艺构成第二磁通转换单元。

采用WLP晶圆级封装工艺，将第一基底和第二基底沿Z轴方向相对设置，将所述第一磁通转换单元和第二磁通转换单元均匀设置于所述磁感应单元两侧；其中，所述第一磁通转换单元和所述第二磁通转换单元在X轴上的投影不重叠或重叠部分小于重叠阈值；重叠阈值与磁场传感器的测量范围相关。MR磁阻薄膜在X轴方向上位于相邻第一磁通转换单元、第二磁通转换单元金属软磁材料间隔位置处。同一基底的MR磁阻薄膜的灵敏度方向相同；第二基底含有磁感应单元情况下，第一基底、第二基底沿Z轴方向相对设置封装后，第一基底磁感应单元和第二基底磁感应单元的灵敏度方向均平行于X轴和Y轴构成的平面。

可选地，在MR磁阻薄膜所在面和/或临近MR磁阻薄膜的基底表面还沉积有一个或一个以上的沿X轴方向间隔分布的金属软磁材料，形成磁通连接单元。

可选地，在基底远离MR磁阻薄膜所在面上和/或基底MR磁阻薄膜所在面沉积金属软磁材料形成的第二磁通转换单元上，沿Z轴方向还叠加有包含高磁导率金属软磁材料的增强磁通转换单元。

可选地，MR磁阻薄膜包括各向异性磁电阻AMR、巨磁电阻GMR、隧道磁电阻TMR。

可选地，Z轴磁场传感器采用单一芯片封装，通过WLP晶圆级封装以及TSV硅通孔工艺，附加引线焊盘和电路，封装成单一芯片。

本申请实施例提供的Z轴磁场传感器通过将第一磁感应单元沿Z轴方向设置于磁通转换模块之间；其中，待测磁场在磁通转换模块的作用下在X轴方向上发生扭曲，在第一磁感应单元所在位置处产生X轴磁场分量，以形成目标磁通路径；第一磁感应单元在所述目标磁通路径的作用下，产生差分电压信号；进一步地，可基于该差分电压信号测量出Z轴磁场的大小。由此可知，本申请实施例提供的Z轴磁场传感器实现了对Z轴方向磁路进行X轴方向的引导，增强了聚磁效应和磁场均匀性，磁场转换效率更高，提高了灵敏度，解决了现有Z轴磁场传感器灵敏度低、精度差、噪声高的问题。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种Z轴磁场传感器及其加工方法的示意图；

图2为本申请实施例提供的一种Z轴磁场传感器的磁通路径的仿真图；

图3为现有技术X轴方向磁场分量的仿真结果；

图4为本申请的提供的X轴方向磁场分量的仿真结果；

图5为本申请实施例提供的另一种Z轴磁场传感器及其加工方法的示意图；

图6为本申请实施例提供的Z轴磁场传感器叠加增强磁通转换单元的示意图；

图7为本申请实施例提供的另一种Z轴磁场传感器及其加工方法的示意图；

图8为本申请实施例提供的又一种Z轴磁场传感器及其加工方法的示意图；

图9为本发明实施例提供的又一种Z轴磁场传感器及其加工方法的示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

磁传感器可通过感应磁场强度变化来测量电流、位置、运动、以及方向等物理参数；例如，在电流测量中，可以使用磁传感器来测量通过导线的电流。通过将导线穿过磁传感器，当电流通过导线时，会在附近产生磁场变化，磁传感器可以检测到这种变化并转换为电信号。在位置和运动测量中，磁传感器可以用于检测物体的位置和运动，通过在物体和参考磁体之间放置磁传感器，可以测量磁场的变化并确定物体的位置和运动状态。磁传感器还可以用于确定方向。例如，电子罗盘使用磁传感器来检测地球的磁场，并根据磁场的方向确定导航设备的方向。

申请人在研究过程中发现，在此过程中通常涉及到Z轴磁场的测量，即测量磁传感器所在平面法线方向磁场。目前Z轴磁场的测量主要是通过检波线圈、霍尔元件或磁阻元件等方式实现。检波线圈空间分辨率低，灵敏度有限，频率特性有限；霍尔元件灵敏度低，功耗高，温度特性差；与霍尔传感器不同，通常的磁阻传感器，包括各向异性磁阻(AMR)、巨磁电阻(GMR)、以及隧道磁电阻(TMR)传感器的敏感方向处于平面内方向，这使得磁阻传感器在垂直磁场以及三轴矢量磁场检测等场合的应用受到限制。而在电子罗盘、微型三轴磁强计的应用当中，由于磁阻传感器的面内感应特性，需要将面内X/Y轴敏感方向的芯片竖装使用，以感应垂直磁场，使得封装后的电子罗盘的体积明显增大，影响芯片的小型化和综合性能。

为了适应垂直磁场检测的应用场合，目前磁阻传感器主要有以下几种方法：

(1)将面内敏感方向的磁场传感器竖直安装，虽然能够实现对垂直磁场的检测，但通常会增大体积，在应用上带来不便，并影响使用性能。

(2)具有垂直敏感方向的TMR传感器。然而，垂直敏感方向的磁电阻变化率相对较低，通常只能达到20-40％，远低于面内敏感方向的室温250％水平。同时，垂直敏感传感器的饱和磁场较高，通常在1000Oe左右。由于这些限制，制造的垂直敏感传感器的灵敏度只能在0.1mV/V/Oe左右。因此，现有的垂直敏感传感器的信号噪比变差，无法充分发挥磁阻传感器的性能优势。

(3)可以通过采用软磁片将垂直Z轴方向的磁场弯曲转换为面内X轴和Y轴方向的磁场来进行测量。然而，目前使用的磁通聚集结构通常是一层长条形软磁合金阵列，它们沉积在衬底上，这导致在测量方向上磁场分布不均匀，难以达到高精度。此外，转换效率较低也会导致灵敏度损失和高噪声水平。以TMR磁阻传感器为例，转换后的芯片灵敏度约为0.1mV/V/Oe，并且相应的本底噪声比面内感应方向的TMR高出两个数量级。

基于此，本申请提供一种Z轴磁场传感器、制备方法及电子设备；其中，该Z轴磁场传感器通过设置磁通转换模块和磁感应单元的特殊结构，实现对Z轴方向磁路进行X轴方向的引导，增强了聚磁效应和磁场均匀性，磁场转换效率更高，提高了灵敏度，解决了现有Z轴磁场传感器灵敏度低、精度差、噪声高的问题。

实施例一

参考图1所示，图1为本申请实施例提供的一种Z轴磁场传感器及其加工方法的示意图；本实施例提供的Z轴磁场传感器包括：基底1、磁通转换模块2、磁感应模块3、输出模块。

图1所示截面位于XZ平面，磁通转换模块2包含高磁导率金属软磁材料构成的第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22，磁感应模块3内的磁感应单元31采用沉积于基底1上的隧道磁电阻TMR。

第一磁通转换单元21位于基底1的沟槽内，第二磁通转换单元22位于基底1上方；如图1所示，第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22金属软磁材料在X轴方向上呈间隔分布且在Z轴方向上的投影不重叠，磁感应单元31分布于间隔位置处且灵敏度方向都为X轴正方向。

在本申请实施例中，第一磁通转换单元和第二磁通转换单元在X轴上的投影不重叠或重叠部分小于重叠阈值，重叠阈值与磁场传感器的测量范围相关。

请在图1的基础上参看图2，图2为本申请实施例提供的一种Z轴磁场传感器的磁通路径的仿真图；当进行Z轴磁场检测时，磁通转换模块2根据实际应用情况选取不同的第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22软磁合金结构数量；示例性地，以磁通转换模块包括三个第一磁通转换单元21、包括两个第二磁通转换单元22为例进行说明。待测磁场被第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22的金属软磁材料聚集放大形成磁路，且由于金属软磁材料呈间隔分布，磁路在第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22间进行转换时会如图2所示在X轴方向上发生扭曲，在磁感应单元31所在位置处产生X轴磁场分量。

请参看图3，图3为现有技术X轴方向磁场分量的仿真结果；现有技术采用的为单层阵列排布的长条形软磁合金结构，相当于仅含有本发明的第一磁通转换单元或第二磁通转换单元。以现有技术的单层阵列排布的长条形软磁合金结构位于第一磁通转换单元21所在平面进行仿真，图3所示为对现有技术的单层阵列排布的长条形软磁合金结构加0.1mT的Z轴磁场进行仿真后，在磁感应单元31所在水平线的X轴方向磁场分量结果。通过图3可以看出，虽然现有技术能够将Z轴磁场转换为可以被差分测量的X轴磁场分量，但其磁场分布并不均匀，容易产生零点漂移，难以达到高精度；且现有技术的沉积方式存在金属软磁材料厚度限制，Z轴磁场通过聚集和转换后产生的X轴磁场分量较小，存在严重的灵敏度损失，造成器件噪声高。

请参看图4，图4为本申请的提供的X轴方向磁场分量的仿真结果；本申请采用第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22交错排布进行磁通转换，且能够结合反面DRIE深反应离子刻蚀工艺或叠加增强磁通转换单元来增加金属软磁材料厚度增强聚磁效果。图4所示为对本发明的一种两层间隔分布的金属软磁材料结构(同时含有第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22)加0.1mT的Z轴磁场进行仿真后，在磁感应单元31所在水平线的X轴方向磁场分量结果。通过图4可以看出，由于本申请实施例中的磁通转换模块2结构的磁路引导作用，图4所示曲线比图3更为平滑、峰值较为均匀，且灵敏度更高，噪声更小。

请继续参看图1，对于图1所示实施例，磁感应模块3包含四个在Z轴方向上位于第一磁通转换单元21的X轴和Y轴构成的平面和第二磁通转换单元22的X轴和Y轴构成的平面之间，且在X轴方向上位于相邻第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22金属软磁材料间隔位置处的磁感应单元31，即磁感应单元31a、31b、31c、31d。所有磁感应单元31在Z轴方向上位于相同X轴和Y轴构成的平面且灵敏度方向相同，均为X轴正方向。当待测磁场为Z轴正方向时，图1中经过转换的X轴磁场分量在磁感应单元31a、31c位置处向右(X正方向)，在磁感应单元31b、31d位置处向左(X负方向)；由于磁感应单元31灵敏度方向都为X正方向，磁感应单元31a、31c电阻值减小，磁感应单元31b、31d电阻值增大。

因此，磁感应模块3可以采用推挽全桥结构感应磁通转换模块2的磁场，产生差分电压信号。本实施例中的输出模块采用开环信号调理电路，对差分电压信号进行调理放大、温度补偿和线性度修正后形成Z轴磁场传感器的输出信号。由于本实施例磁感应单元31灵敏度方向均相同，可以结合引线焊盘和机械支架外壳并采用单芯片集成制备工艺。

以下为本实施例提供的Z轴磁场传感器对应的加工方法。参考图1所示，提供基底1，在基底1表面沉积TMR磁阻薄膜并通过半导体图形化微加工构成磁感应单元31a、31b、31c、31d，并连接成推挽全桥结构。之后在基底1上沉积不导电的钝化层对磁感应单元31进行保护。在基底1上刻蚀间隔分布的沟槽，在沟槽中沉积高磁导率金属软磁材料构成第一磁通转换单元21。在基底1的钝化层上方进一步沉积金属软磁材料，通过半导体微加工形成与第一磁通转换单元21金属软磁材料间隔分布的另一层金属软磁结构，构成第二磁通转换单元22。第二磁通转换单元22金属软磁材料在X轴方向上与第一磁通转换单元21金属软磁材料存在呈间隔分布的区域，且该间隔分布区域中相邻第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22金属软磁材料在Z轴方向上的投影不重叠。TMR磁阻薄膜在X轴方向上位于相邻第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22金属软磁材料间隔位置处。本实施例可以结合引线焊盘和机械支架外壳构成单芯片。

由此可知，此实施例中提供的Z轴磁场传感器及其加工方法在基底1表面和沟槽内部两层都沉积金属软磁材料，形成第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22两层间隔分布且在Z轴方向上的投影不重叠的金属软磁材料结构，实现对Z轴方向磁路进行X轴方向的引导，增强了聚磁效应和磁场均匀性，磁场转换效率更高；提高了灵敏度，解决了现有Z轴磁场传感器灵敏度低、精度差、噪声高的问题。同时由于本申请能够同时产生X轴正、负方向的磁场分量，磁感应单元仅采用同一个灵敏度方向即可实现推挽全桥测量；与采用多个灵敏度方向磁感应单元的现有技术相比，简化了制备步骤，灵敏度一致性更好，温度漂移更小，稳定性好，且可实现单芯片制备工艺。

实施例二

请参看图5，图5为本申请实施例提供的另一种Z轴磁场传感器及其加工方法的示意图；本实施例提供的Z轴磁场传感器包括：基底1、磁通转换模块2、磁感应模块3、输出模块。

如图5所示，该Z轴磁场传感器的截面位于XZ平面，磁通转换模块2包含高磁导率金属软磁材料构成的第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22。磁感应模块3内的磁感应单元31采用沉积于基底1上的巨磁电阻GMR。第一磁通转换单元21位于基底1的沟槽内，第二磁通转换单元22位于基底1上方。如图5所示，基底1的沟槽开口位于基底1远离磁感应单元31磁阻薄膜一面，且采用DRIE深反应离子刻蚀工艺加工，使沟槽内金属软磁材料沉积厚度能够明显大于直接沉积于基底1表面的工艺厚度。第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22金属软磁材料在X轴方向上呈间隔分布且在Z轴方向上的投影不重叠。磁感应模块3包含四个在Z轴方向上位于第一磁通转换单元21的X轴和Y轴构成的平面和第二磁通转换单元22的X轴和Y轴构成的平面之间，且在X轴方向上位于相邻第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22金属软磁材料间隔位置处的磁感应单元31，磁感应单元31a、31b、31c、31d灵敏度方向均为X轴正方向。

类似地，以待测磁场为Z轴正方向为例，第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22的金属软磁材料对待测磁场进行聚集放大，磁路在第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22间进行转换时在X轴方向上发生扭曲，经过转换的X轴磁场分量在磁感应单元31a、31c位置处向右，在磁感应单元31b、31d位置处向左；磁感应单元31a、31c电阻值减小，磁感应单元31b、31d电阻值增大。因此，通过串并联磁感应单元31a、31b、31c、31d和参考电阻，磁感应模块3可以采用差分全桥结构感应磁通转换模块2的磁场，产生差分电压信号。此实施例中的输出模块采用开环信号调理电路，对差分电压信号进行调理放大、温度补偿和线性度修正后形成Z轴磁场传感器的输出信号。

以下为本实施例提供的Z轴磁场传感器对应的加工方法。参考图5所示，提供基底1，在基底1表面沉积GMR磁阻薄膜并通过半导体图形化微加工构成磁感应单元31a、31b、31c、31d以及参考电阻，并连接成差分全桥结构。在基底1上沉积不导电的钝化层对磁感应单元31进行保护。在基底1远离GMR磁阻薄膜一面采用反面DRIE深反应离子刻蚀工艺形成间隔分布的沟槽；在沟槽内通过电镀、化学镀等工艺沉积金属软磁材料并采用CMP化学机械抛光工艺进行抛光，构成磁通转换模块2中的第一磁通转换单元21。在基底1的GMR磁阻薄膜所在面的钝化层上方进一步沉积金属软磁材料，通过半导体微加工形成与第一磁通转换单元21金属软磁材料间隔分布的另一层金属软磁结构，构成第二磁通转换单元22。第二磁通转换单元22金属软磁材料在X轴方向上与第一磁通转换单元21金属软磁材料存在呈间隔分布的区域，且该间隔分布区域中相邻第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22金属软磁材料在Z轴方向上的投影不重叠。GMR磁阻薄膜在X轴方向上位于相邻第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22金属软磁材料间隔位置处。

由此可知，此实施例引入反面DRIE深反应离子刻蚀工艺，增加了沟槽深度，实现了第一磁通转换单元21金属软磁材料厚度的显著增加，因而在实施例一的基础上进一步增强了磁通聚磁效应和转化，进一步提高了灵敏度，有利于降低传感器噪声。

此外，为了进一步增强聚磁效应和提高灵敏度，本申请还提出了增强磁通转换单元23。增强磁通转换单元23包含高磁导率金属软磁材料，可以在实施例一、实施例二基础上，沿Z轴方向叠加于现有的Z轴磁场传感器上层表面或下层表面，对待测磁场实现进一步放大。其加工方法为在基底1远离MR磁阻薄膜所在面或者基底MR磁阻薄膜所在面沉积金属软磁材料形成的第二磁通转换单元上，沿Z轴方向叠加有包含高磁导率金属软磁材料的增强磁通转换单元。例如，请参看图6，图6为本申请实施例提供的Z轴磁场传感器叠加增强磁通转换单元的示意图；在图5所示实施例上层表面可以如图6所示进行叠加，在通过沉积金属软磁材料形成的第二磁通转换单元22上方叠加增强磁通转换单元23。增强磁通转换单元23可以采用外部粘连等方式与Z轴磁场传感器连接，主要起到增强聚磁的效果；也可以进一步对磁场分布进行调控，解决金属软磁材料由于工艺限制导致的厚度限制问题，增强转换后的X磁场分量，使Z轴方向上的磁场分布更均匀。

实施例三

请参看图7，图7为本申请实施例提供的另一种Z轴磁场传感器及其加工方法的示意图；本实施例提供的Z轴磁场传感器包括：基底1、磁通转换模块2、磁感应模块3、输出模块。

如图7所示，该Z轴磁场传感器的截面位于XZ平面，磁通转换模块2包含高磁导率金属软磁材料构成的第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22。第一磁通转换单元21位于基底1上方，磁感应模块3内的磁感应单元31采用沉积于第一磁通转换单元21上方的各向异性磁电阻AMR；第二磁通转换单元22位于磁感应单元31上方。如图7所示，第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22的金属软磁材料位于基底1同一侧并在X轴方向上呈间隔分布；第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22间隔处边缘的金属软磁材料在Z轴方向上的投影有部分重叠。磁感应模块3包含四个在Z轴方向上位于第一磁通转换单元21的X轴和Y轴构成的平面和第二磁通转换单元22的X轴和Y轴构成的平面之间，且在X轴方向上位于相邻第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22金属软磁材料间隔位置处的磁感应单元31，磁感应单元31a、31b、31c、31d灵敏度方向均为X轴正方向。

同样以待测磁场为Z轴正方向为例，经过转换后的X轴磁场分量在磁感应单元31a、31c位置处向右，在磁感应单元31b、31d位置处向左；磁感应单元31a、31c电阻值减小，磁感应单元31b、31d电阻值增大。因此，可以选取部分磁感应单元31和参考电阻构成差分半桥结构感应磁通转换模块2的磁场，产生差分电压信号。

此实施例中的输出模块采用闭环信号调理电路和磁场反馈线圈。闭环信号调理电路、磁场反馈线圈和磁感应单元31构成闭环磁场反馈结构；差分电压信号经闭环信号调理电路放大后，通过磁场反馈线圈产生反馈磁场达到磁场动态平衡；磁场反馈线圈的反馈电流进行取样后形成所述Z轴磁场传感器的输出信号。磁场反馈线圈的位置根据实际情况，可以为在基底1上表面或下表面沿X轴和Y轴构成的平面内环绕的线圈，也可以为在基底1侧面四面围绕Z轴方向环绕的线圈。此外，沿X轴和Y轴构成的平面内环绕的线圈设置位置还可以选取第一磁通转换单元21、磁感应单元31、第二磁通转换单元22的任一上下表面，由于磁场反馈线圈为现有基础技术，不做详细叙述。本实施例磁场反馈线圈位置选取磁感应单元31上表面(第二磁通转换单元22下表面)。

以下为本实施例提供的Z轴磁场传感器对应的加工方法。请参看图7，图7为本申请实施例提供的另一种Z轴磁场传感器及其加工方法的示意图。该加工方法包括:提供基底1，在基底1上方通过沉积和半导体微加工形成间隔分布的金属软磁材料构成第一磁通转换单元21。对第一磁通转换单元21表面采用CMP化学机械抛光工艺进行抛光并沉积钝化层，在钝化层表面沉积AMR磁阻薄膜并通过半导体图形化微加工构成磁感应单元31a、31b、31c、31d以及参考电阻，并连接成差分半桥结构。在磁感应单元31上方再次沉积钝化层对磁阻薄膜进行保护后制备磁场反馈线圈，之后通过沉积和半导体微加工形成与第一磁通转换单元21金属软磁材料间隔分布的另一层金属软磁结构，构成第二磁通转换单元22。第二磁通转换单元22金属软磁材料在X轴方向上与第一磁通转换单元21金属软磁材料存在呈间隔分布的区域，且该间隔分布区域中相邻第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22金属软磁材料在Z轴方向上的投影部分重叠，重叠长度小于相邻第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22金属软磁材料长度的1/2。AMR磁阻薄膜在X轴方向上位于相邻第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22金属软磁材料间隔位置处。

综上，此实施例直接在基底1的同一面上方沉积了两层金属软磁材料，而非采用沟槽工艺，形成第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22两层间隔分布且在Z轴方向上的投影部分重叠的金属软磁材料结构；与需要在基底1上刻蚀的其他实施例相比，减少了操作步骤的复杂程度，便于生产。此外，本实施例还采用了闭环负反馈，因而具有精度高、线性度好的特点。

实施例四

请参看图8，图8为本申请本发明实施例提供的又一种Z轴磁场传感器及其加工方法的示意图；本实施例提供的Z轴磁场传感器包括：基底1、磁通转换模块2、磁感应模块3、输出模块。

如图8所示，该Z轴磁场传感器的截面位于XZ平面，本实施例的基底1采用第一基底1a、第二基底1b，磁通转换模块2包含高磁导率金属软磁材料构成的第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22，磁感应模块3内的磁感应单元31采用沉积于第一基底1a和第二基底1b上的隧道磁电阻TMR。第一磁通转换单元21位于第一基底1a的沟槽内，第二磁通转换单元22位于第二基底1b的沟槽内。如图8所示，第一基底1a、第二基底1b的沟槽开口位于第一基底1a、第二基底1b各自远离其磁阻薄膜一面，且采用DRIE深反应离子刻蚀增加沟槽深度及沟槽内的金属软磁材料沉积厚度。第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22金属软磁材料在X轴方向上呈间隔分布且在Z轴方向上的投影不重叠。磁感应单元31a、31b位于第一基底1a上，磁感应单元31c、31d位于第二基底1b上。

采用单一芯片封装工艺，通过WLP晶圆级先进封装以及TSV硅通孔工艺附加引线焊盘和电路，将第一基底1a、第二基底1b以隧道磁电阻TMR所在面相对设置进行封装，构成单一芯片，且磁感应单元31a、31b、31c、31d都位于金属软磁材料间隔位置处。封装后磁感应单元31a、31b、31c、31d在Z轴方向上位于第一磁通转换单元21的X轴和Y轴构成的平面和第二磁通转换单元22的X轴和Y轴构成的平面之间，也位于第一基底1a、第二基底1b之间。根据第一基底1a、第二基底1b沿Z轴相对设置封装时在X轴和Y轴构成的平面内选取的不同方向，封装后磁感应单元31a、31b与磁感应单元31c、31d的灵敏度方向相应的呈现不同方向，本实施例中，进行封装后的第一平面磁感应单元31a、31b灵敏度方向为X正方向，第二平面磁感应单元31c、31d灵敏度方向为X负方向；磁感应单元31a、31d位于同一间隔位置处，磁感应单元31b、31c位于同一间隔位置处。

以待测磁场为Z轴正方向为例，第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22的金属软磁材料对待测磁场进行聚集放大，磁路在第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22间进行转换时在X轴方向上发生扭曲，经过转换的X轴磁场分量在磁感应单元31a、31d位置处向右，在磁感应单元31b、31c位置处向左；由于封装后的第一平面磁感应单元31a、31b灵敏度方向向右(X正方向)，第二平面磁感应单元31c、31d灵敏度方向向左(X负方向)，磁感应单元31a、31c电阻值减小，磁感应单元31b、31d电阻值增大。因此，可以选取相同间隔位置处的磁感应单元31a、31d或磁感应单元31b、31c构成推挽半桥结构感应磁通转换模块2的磁场，产生差分电压信号。此实施例中的输出模块采用开环信号调理电路，对差分电压信号进行调理放大、温度补偿和线性度修正后形成Z轴磁场传感器的输出信号。

以下为本实施例提供的Z轴磁场传感器对应的加工方法。请继续参看图8所示，提供第一基底1a、第二基底1b，在第一基底1a、第二基底1b表面分别沉积TMR磁阻薄膜并通过半导体图形化微加工构成磁感应单元31a、31b、31c、31d。磁感应单元31a、31b位于第一基底1a上，磁感应单元31c、31d位于第二基底1b上。在第一基底1a、第二基底1b上沉积不导电的钝化层对磁感应单元31进行保护。在第一基底1a、第二基底1b各自远离TMR磁阻薄膜一面采用反面DRIE深反应离子刻蚀工艺形成沟槽，在沟槽内沉积填充金属软磁材料并采用CMP化学机械抛光工艺进行抛光，分别构成磁通转换模块2中的第一磁通转换单元21和第二磁通转换单元22。采用单一芯片封装工艺，通过WLP晶圆级先进封装以及TSV硅通孔工艺将第一基底1a、第二基底1b以TMR磁阻薄膜所在面相对设置进行封装，并采用铜导线4穿过硅通孔进行电路连接形成推挽半桥结构，附加引线焊盘和电路封装成单一芯片。封装后的第二磁通转换单元22金属软磁材料在X轴方向上与第一磁通转换单元21金属软磁材料存在呈间隔分布的区域，且该间隔分布区域中相邻第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22金属软磁材料在Z轴方向上的投影不重叠。封装后的TMR磁阻薄膜在X轴方向上位于相邻第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22金属软磁材料间隔位置处。

综上，此实施例将两块包含磁感应单元的基底相对设置，使位于第一平面和第二平面的磁感应单元的灵敏度方向相反，并采用单一芯片封装，结合反面DRIE深反应离子刻蚀工艺，实现了小体积基础上灵敏度放大倍数的显著增加，具有结构稳定、精度高、噪声低的优点。

实施例五

请参看图9，图9为本发明实施例提供的又一种Z轴磁场传感器及其加工方法的示意图。本实施例提供的Z轴磁场传感器包括：基底1、磁通转换模块2、磁感应模块3、输出模块。

如图9所示，该Z轴磁场传感器的截面位于XZ平面，本实施例的基底1采用第一基底1a、第二基底1b，磁通转换模块2包含高磁导率金属软磁材料构成的第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22以及磁通连接单元24，磁感应模块3内的磁感应单元31采用沉积于第一基底1a上的隧道磁电阻TMR。第一磁通转换单元21位于第一基底1a的沟槽内，第二磁通转换单元22位于第二基底1b的沟槽内。如图9所示，第一基底1a的沟槽开口位于远离其磁阻薄膜一面，第一基底1a、第二基底1b采用DRIE深反应离子刻蚀增加沟槽内的金属软磁材料沉积厚度。第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22金属软磁材料在X轴方向上呈间隔分布且在Z轴方向上的投影不重叠。磁感应单元31a、31b位于第一基底1a上且灵敏度方向都为X轴方向。

此外，本实施例在磁感应单元31上方所在平面沉积有磁通连接单元24，磁通连接单元24采用高磁导率的金属软磁材料，在X轴方向上呈间隔分布且磁感应单元31a、31b在Z轴方向上的投影位于磁通连接单元24的金属软磁材料内部(间隔处)。

采用单一芯片封装工艺，通过WLP晶圆级先进封装以及TSV硅通孔工艺将第一基底1a的隧道磁电阻TMR所在面与第二基底1b的非沟槽开口面相对设置进行封装，且磁感应单元31a、31b在Z轴方向上的投影位于第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22金属软磁材料间隔位置处。如图9所示，封装后本实施例的磁感应单元31a、31b在Z轴方向上位于第一磁通转换单元21的X轴和Y轴构成的平面和第二磁通转换单元22的X轴和Y轴构成的平面之间，也位于第一基底1a、第二基底1b之间，且在Z轴方向上的投影不仅位于磁通连接单元24的金属软磁材料内部(间隔处)，也位于磁通连接单元24与第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22的金属软磁材料之间的空隙处。

需要说明的是，磁通连接单元24可以沉积于第一基底1a上，也可以沉积于第二基底1b上，磁通连接单元24所在平面位于第一磁通转换单元21的X轴和Y轴构成的平面、第二磁通转换单元22的X轴和Y轴构成的平面之间；且磁通连接单元24的金属软磁材料在Z轴方向上的投影与第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22金属软磁材料可以部分重叠也可以不重叠。本实施例如图9所示，采用部分重叠结构。以待测磁场为Z轴正方向为例，第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22的金属软磁材料对待测磁场进行聚集放大；当对磁路进行扭曲生成X轴磁场分量时，沿X轴方向分布的磁通连接单元24将第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22的磁通路径连接并沿平行X轴方向进行聚磁和引导，使磁场分布更为均匀可控，输出结果更稳定。而在第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22间隔距离较大情况下，磁通连接单元24可以采用与第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22不重叠的金属软磁材料结构，同样可以达到引导磁场提高精度的作用。经过转换的X轴磁场分量在磁感应单元31a位置处向右，在磁感应单元31b位置处向左，磁感应单元31a电阻值减小，磁感应单元31b电阻值增大。因此，磁感应单元31a、31b可以构成推挽半桥结构感应磁通转换模块2的磁场，产生差分电压信号。

此实施例中的输出模块采用闭环信号调理电路和磁场反馈线圈。闭环信号调理电路、磁场反馈线圈和磁感应单元31构成闭环磁场反馈结构；差分电压信号经闭环信号调理电路放大后，通过磁场反馈线圈产生反馈磁场达到磁场动态平衡；磁场反馈线圈的反馈电流进行取样后形成所述Z轴磁场传感器的输出信号。磁场反馈线圈的位置根据实际情况，可以为第一基底1a、第一磁通转换单元21、磁感应单元31、磁通连接单元24、第二磁通转换单元22、第二基底1b的任一上下表面沿X轴和Y轴构成的平面内环绕的线圈，也可以为在第一基底1a、第二基底1b侧面四面围绕Z轴方向环绕的线圈，由于磁场反馈线圈为现有基础技术，不做详细叙述。本实施例磁场反馈线圈位置选取在第一基底1a和第二基底1b侧面四面围绕Z轴方向环绕的线圈。

以下为本实施例的加工方法。参考图9所示，提供第一基底1a、第二基底1b，在第一基底1a表面沉积TMR磁阻薄膜并通过半导体图形化微加工构成磁感应单元31a、31b。在第一基底1a上沉积不导电的钝化层对磁感应单元31进行保护，之后在磁感应单元31钝化层上方沉积金属软磁材料，通过半导体微加工形成沿X轴方向间隔分布的金属软磁材料，构成磁通连接单元24。在第二基底1b，以及第一基底1a远离TMR磁阻薄膜一面采用反面DRIE深反应离子刻蚀工艺形成沟槽，在沟槽内沉积金属软磁材料并采用CMP化学机械抛光工艺进行抛光，分别构成磁通转换模块2中的第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22。采用单一芯片封装工艺，通过WLP晶圆级先进封装工艺以及TSV硅通孔工艺将第一基底1a的隧道磁电阻TMR所在面与第二基底1b的非沟槽开口面相对设置进行封装，并采用铜导线4穿过硅通孔进行电路连接形成推挽半桥结构，附加引线焊盘和电路封装成单一芯片。封装后的第二磁通转换单元22金属软磁材料在X轴方向上与第一磁通转换单元21金属软磁材料存在呈间隔分布的区域，且该间隔分布区域中相邻第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22金属软磁材料在Z轴方向上的投影不重叠；磁通连接单元24的金属软磁材料在Z轴方向上的投影与第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22金属软磁材料部分重叠。封装后的TMR磁阻薄膜在Z轴方向上位于第一磁通转换单元21的X轴和Y轴构成的平面和第二磁通转换单元22的X轴和Y轴构成的平面之间，也位于第一基底1a、第二基底1b之间，且在Z轴方向上的投影不仅位于磁通连接单元24的金属软磁材料内部(间隔处)，也位于磁通连接单元24与第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22的金属软磁材料之间的空隙处。

由此可知，此实施例采用两块基底相对设置的单一芯片封装以及DRIE深反应离子刻蚀工艺，并引入了磁通连接单元24。在原有第一磁通转换单元21、第二磁通转换单元22增强聚磁和灵敏度的基础上，实现了对磁路X轴方向上的聚磁和引导，使磁场分布更为均匀可控，磁场增益更大，输出结果更稳定，能够进一步提高精度和灵敏度，降低噪声。

另外，对于本发明的电桥结构，除了采用现有实施例中提到的位于金属软磁材料间隔位置处的磁感应单元31和电阻值为定值的参考电阻，还可以结合沿Z轴方向上投影位于金属软磁材料覆盖范围、或者远离磁通转换模块2等其他位置的磁感应单元32(图中未示出)构成差分电桥，此类情况均为基本现有技术不做详细叙述。

Claims (25)

1.一种Z轴磁场传感器，其特征在于，所述Z轴磁场传感器包括：基底、磁通转换模块、磁感应模块和输出模块；

所述磁通转换模块设置于所述基底的沟槽内部或位于所述基底的上方；所述磁通转换模块用于将待测磁场调制，在X轴方向上产生磁场分量，以形成目标磁通路径；其中，所述待测磁场的方向为Z轴方向；

所述磁感应模块包括至少两个磁感应单元；所述磁感应单元沿Z轴方向设置于所述磁通转换模块之间，所述磁感应单元用于在所述目标磁通路径的作用下，产生差分电压信号；其中，所述磁感应单元由至少一个磁电阻敏感元件构成，且所述磁感应单元的灵敏度方向相同；

所述磁感应模块采用差分全桥、差分半桥、推挽全桥、推挽半桥中的至少一种结构感应所述磁通转换模块的磁场，产生差分电压信号并通过所述输出模块形成所述待测磁场的输出信号；

其中，所述基底所在的平面为X轴和Y轴构成的平面，所述磁通转换单元沿X轴方向设置，垂直于所述基底所在的平面为Z轴所在平面。

2.根据权利要求1所述的Z轴磁场传感器，其特征在于，所述磁通转换模块包括至少一个第一磁通转换单元和至少一个第二磁通转换单元；

所述第一磁通转换单元和所述第二磁通转换单元沿Z轴方向设置于所述磁感应单元两侧；所述第一磁通转换单元和第二磁通转换单元用于将所述待测磁场聚磁放大，以形成所述目标磁通路径，并在所述第一磁通转换单元和所述第二磁通转换单元的间隔位置处产生X轴方向上的磁场分量；

其中，所述第一磁通转换单元和所述第二磁通转换单元在所述X轴上的投影不重叠或重叠部分小于重叠阈值。

3.根据权利要求2所述的Z轴磁场传感器，其特征在于，所述基底包括第一基底和第二基底；

所述第一磁通转换单元设置于所述第一基底的沟槽内，所述第二磁通转换单元设置于所述第二基底的沟槽内。

4.根据权利要求3所述的Z轴磁场传感器，其特征在于，所述磁感应单元包括至少一个第一磁感应单元和至少一个第二磁感应单元；

所述第一磁感应单元和所述第二磁感应单元沿Z轴方向设置，使所述第一磁感应单元和所述第二磁感应单元分别位于不同的两个X轴和Y轴构成的平面中；

所述第一磁感应单元集成于所述第一基底上，所述第二磁感应单元集成于所述第二基底上；所述第一磁感应单元和第二磁感应单元的灵敏度方向相同或不同。

5.根据权利要求2所述的Z轴磁场传感器，其特征在于，所述磁通转换模块还包括磁通连接单元；

所述磁通连接单元设置于第一磁通转换单元和第二磁通转换单元之间；其中，所述磁通连接单元的材料为金属软磁材料；

所述磁通连接单元的金属软磁材料沿X轴方向分布，将第一磁通转换单元、第二磁通转换单元的磁通路径连接并沿平行X轴方向进行引导；

所述磁感应单元设置于所述磁通连接单元的金属软磁材料内部或设置于所述磁通转换模块的金属软磁材料之间的空隙处。

6.根据权利要求2所述的一种Z轴磁场传感器，其特征在于，所述磁通转换模块还包括增强磁通转换单元；

所述增强磁通转换单元在Z轴方向上叠加于所述第一磁通转换单元，和/或，第二磁通转换单元上，对所述待测磁场实现进一步的聚集放大。

7.根据权利要求1所述的Z轴磁场传感器，其特征在于，所述磁感应单元分别由至少一个磁电阻敏感元件串并联构成；其中，所述磁电阻敏感元件为各向异性磁电阻AMR、巨磁电阻GMR、隧道磁电阻TMR中的任意一种。

8.根据权利要求1所述的Z轴磁场传感器，其特征在于，所述输出模块包括开环信号调理电路，或闭环信号调理电路和磁场反馈线圈；

所述开环信号调理电路对所述差分电压信号进行调理放大、温度补偿和线性度修正后形成所述Z轴磁场传感器的输出信号；

所述闭环信号调理电路、磁场反馈线圈和磁感应单元构成闭环磁场反馈结构；所述差分电压信号经所述闭环信号调理电路放大后，通过所述磁场反馈线圈产生反馈磁场达到磁场动态平衡；所述磁场反馈线圈的反馈电流进行取样后形成所述Z轴磁场传感器的输出信号。

9.根据权利要求1所述的Z轴磁场传感器，其特征在于，所述Z轴磁场传感器还包括引线焊盘和机械支架外壳；所述Z轴磁场传感器采用的制备工艺为单芯片集成。

10.一种Z轴磁场传感器的加工方法，其特征在于，所述加工方法用于加工包括基底、磁通转换模块和磁感应模块的Z轴磁场传感器；所述磁感应模块包括至少两个磁感应单元；所述磁通转换模块包括至少一个第一磁通转换单元和至少一个第二磁通转换单元；所述加工方法包括：

将MR磁阻薄膜沉积于所述基底的表面，并加工形成所述磁感应单元；

在沉积了所述磁感应单元的基底的表面沉积钝化层；其中，所述钝化层用于保护所述磁感应单元；

在所述基底上沿X轴方向形成一个或一个以上间隔分布的沟槽，并在所述沟槽中沉积高磁导率金属软磁材料构成所述磁通转换模块中的第一磁通转换单元；

在所述基底钝化层上方通过沉积和半导体微加工形成一个或一个以上间隔分布的金属软磁材料，构成磁通转换模块中的第二磁通转换单元；

将所述第一磁通转换单元和第二磁通转换单元均匀设置于所述磁感应单元两侧；其中，所述第一磁通转换单元和所述第二磁通转换单元在X轴上的投影不重叠或重叠部分小于重叠阈值；

其中，所述磁通转换模块用于将磁场方向为Z轴方向的待测磁场调制，在X轴方向上产生磁场分量，以形成目标磁通路径；所述磁感应单元用于在所述目标磁通路径的作用下，产生差分电压信号；所述基底所在的平面为X轴和Y轴构成的平面，所述磁通转换单元沿X轴方向设置，垂直于所述基底所在的平面为Z轴所在平面。

11.根据权利要求10所述的加工方法，其特征在于，在所述基底上采用反面DRIE深反应离子刻蚀工艺形成所述沟槽，所述沟槽开口位于所述基底远离MR磁阻薄膜的一面；

沉积金属软磁材料后，采用CMP化学机械抛光工艺进行抛光。

12.根据权利要求10-11中任一项所述的加工方法，其特征在于，在MR磁阻薄膜所在面和/或临近MR磁阻薄膜的基底表面，沉积有一个或一个以上的沿X轴方向间隔分布的金属软磁材料，形成磁通连接单元。

13.根据权利要求10-11中任一项所述的加工方法，其特征在于，在所述基底远离MR磁阻薄膜所在面上和/或所述基底MR磁阻薄膜所在面沉积金属软磁材料形成的所述第二磁通转换单元上，沿Z轴方向叠加增强磁通转换单元。

14.根据权利要求10-11中任一项所述的加工方法，其特征在于，所述MR磁阻薄膜包括各向异性磁电阻AMR、巨磁电阻GMR或隧道磁电阻TMR。

15.根据权利要求10-11中任一项所述的加工方法，其特征在于，所述Z轴磁场传感器采用单一芯片封装，通过WLP晶圆级封装以及TSV硅通孔工艺，附加引线焊盘和电路，封装成单一芯片。

16.一种Z轴磁场传感器加工方法，其特征在于，所述加工方法用于加工包括基底、磁通转换模块和磁感应模块的Z轴磁场传感器；所述磁感应模块包括至少两个磁感应单元；所述磁通转换模块包括至少一个第一磁通转换单元和至少一个第二磁通转换单元；所述Z轴磁场传感器加工方法包括：

在所述基底上方通过沉积和半导体微加工形成一个或一个以上间隔分布的金属软磁材料构成所述第一磁通转换单元，采用CMP化学机械抛光工艺进行抛光并沉积钝化层；

将MR磁阻薄膜沉积于所述钝化层的表面，通过加工形成所述磁感应单元；

在所述磁感应单元上方再次沉积钝化层后，通过沉积和半导体微加工形成一个或一个以上间隔分布的金属软磁材料，以形成所述第二磁通转换单元；

将所述第一磁通转换单元和第二磁通转换单元均匀设置于所述磁感应单元两侧；其中，所述第一磁通转换单元和所述第二磁通转换单元在X轴上的投影不重叠或重叠部分小于重叠阈值；

其中，所述磁通转换模块用于将待测磁场调制，在X轴方向上产生磁场分量，以形成目标磁通路径；所述磁感应单元用于在所述目标磁通路径的作用下，产生差分电压信号；所述基底所在的平面为X轴和Y轴构成的平面，所述磁通转换单元沿X轴方向设置，垂直于所述基底所在的平面为Z轴所在平面。

17.根据权利要求16所述的加工方法，其特征在于，在MR磁阻薄膜所在面和/或临近MR磁阻薄膜的基底表面，沉积有一个或一个以上的沿X轴方向间隔分布的金属软磁材料，形成磁通连接单元。

18.根据权利要求16所述的加工方法，其特征在于，在所述基底远离MR磁阻薄膜所在面上和/或所述基底MR磁阻薄膜所在面沉积金属软磁材料形成的所述第二磁通转换单元上，沿Z轴方向叠加增强磁通转换单元。

19.根据权利要求16所述的加工方法，其特征在于，所述MR磁阻薄膜包括各向异性磁电阻AMR、巨磁电阻GMR或隧道磁电阻TMR。

20.根据权利要求16所述的加工方法，其特征在于，其特征在于，所述Z轴磁场传感器采用单一芯片封装，通过WLP晶圆级封装以及TSV硅通孔工艺，附加引线焊盘和电路，封装成单一芯片。

21.一种Z轴磁场传感器加工方法，其特征在于，所述加工方法用于加工包括基底、磁通转换模块和磁感应模块的Z轴磁场传感器；所述磁感应模块包括至少两个磁感应单元；所述磁通转换模块包括至少一个第一磁通转换单元和至少一个第二磁通转换单元；所述基底包括第一基底和第二基底；所述Z轴磁场传感器加工方法包括：

将MR磁阻薄膜沉积于所述第一基底表面，并加工形成所述磁感应单元，在沉积了所述磁感应单元的第一基底面沉积钝化层；

在所述第一基底上采用反面DRIE深反应离子刻蚀工艺，在第一基底远离MR磁阻薄膜一面形成一个或一个以上间隔分布的沟槽；

在所述沟槽内沉积金属软磁材料，并采用CMP化学机械抛光工艺进行抛光，构成磁通转换模块中的第一磁通转换单元；

所述第二基底采用和所述第一基底相同的工艺流程构成所述磁感应单元和所述第二磁通转换单元，或不沉积MR磁阻薄膜，后续工艺流程与所述第一基底一致，采用反面DRIE工艺形成一个或一个以上间隔分布的沟槽，沉积金属软磁材料后采用CMP工艺构成所述第二磁通转换单元；

采用WLP晶圆级封装工艺，将所述第一基底和第二基底沿Z轴方向相对设置，将所述第一磁通转换单元和第二磁通转换单元均匀设置于所述磁感应单元两侧；其中，所述第一磁通转换单元和所述第二磁通转换单元在X轴上的投影不重叠或重叠部分小于重叠阈值；

所述MR磁阻薄膜在X轴方向上位于相邻所述第一磁通转换单元、第二磁通转换单元的间隔位置处；其中，位于第一基底上的MR磁阻薄膜的灵敏度方向相同，位于第二基底上的MR磁阻薄膜的灵敏度方向相同；

在所述第二基底含有磁感应单元情况下，所述第一基底、第二基底沿Z轴方向相对设置封装后，所述第一磁感应单元和第二磁感应单元的灵敏度方向均平行于X轴和Y轴构成的平面。

22.根据权利要求21所述的加工方法，其特征在于，在MR磁阻薄膜所在面和/或临近MR磁阻薄膜的基底表面，沉积有一个或一个以上的沿X轴方向间隔分布的金属软磁材料，形成磁通连接单元。

23.根据权利要求21所述的加工方法，其特征在于，在所述基底远离MR磁阻薄膜所在面上和/或所述基底MR磁阻薄膜所在面沉积金属软磁材料形成的所述第二磁通转换单元上，沿Z轴方向叠加增强磁通转换单元。

24.根据权利要求21所述的加工方法，其特征在于，所述MR磁阻薄膜包括各向异性磁电阻AMR、巨磁电阻GMR或隧道磁电阻TMR。

25.根据权利要求21所述的加工方法，其特征在于，其特征在于，所述Z轴磁场传感器采用单一芯片封装，通过WLP晶圆级封装以及TSV硅通孔工艺，附加引线焊盘和电路，封装成单一芯片。