CN117192446A - 三轴磁传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三轴磁传感器，其包括：各向异性磁电阻传感器，其用于感测相互正交的X轴方向和Y轴方向的外磁场以产生X轴感测电压和Y轴感测电压；水平霍尔传感器，其用于感测Z轴方向的外磁场以产生Z轴感测电压，Z轴感测电压表示感测到的外磁场Z轴方向的磁场分量，Z轴与X轴和Y轴相互正交；信号处理电路，其与各向异性磁电阻传感器和水平霍尔传感器电性连接，信号处理电路用于将X轴感测电压转换为X轴方向的磁场分量，将Y轴感测电压转换为Y轴方向的磁场分量，将Z轴感测电压转换Z轴方向的磁场分量。与现有技术相比，本发明将磁阻技术与霍尔技术相结合，采用完全的平面工艺制造三轴磁传感器，从而降低了工艺制造的难度。

Description

三轴磁传感器

【技术领域】

本发明涉及磁场传感器领域，尤其涉及一种三轴磁传感器。

【背景技术】

目前常用的三轴磁传感使用霍尔(Hall)，各向异性磁电阻(AMR)，巨磁电阻(GMR)，隧穿磁电阻(TMR)等技术实现。其传感器一般只体现三轴的探测功能，三轴磁传感器为一颗芯片，磁开关为另一颗芯片。且在加工工艺中，目前的三轴磁传感器需配合额外的设计及工艺方能实现三轴。如Hall传感器，一般采用水平霍尔技术，其初始磁场探测方向垂直于芯片表面，需配合磁通聚集器等磁场转向结构来实现三轴。磁阻传感器，其初始磁场探测方向平行于芯片表面，也需引入磁通聚集器等磁场转向结构或斜坡构造方能实现三轴探测，增加了工艺制造难度。

若用磁阻技术(AMR，GMR，TMR)制作Z轴磁开关，则在磁场增加到一定值的时候，将会饱和，其输出将可能降为零，从而无法区分零磁场和饱和磁场的状态。

因此，有必要提出一种新的技术方案来解决上述问题。

【发明内容】

本发明的目的之一在于提供一种三轴磁传感器，其将磁阻技术与霍尔技术相结合，采用完全的平面工艺制造三轴磁传感器，从而降低了工艺制造的难度。

根据本发明的一个方面，本发明提供一种三轴磁传感器，其包括：两轴各向异性磁电阻传感器，其用于感测相互正交的X轴方向和Y轴方向的外磁场以产生X轴感测电压和Y轴感测电压，所述X轴感测电压表示感测到的外磁场X轴方向的磁场分量，所述Y轴感测电压表示感测到的外磁场Y轴方向的磁场分量；水平霍尔传感器，其用于感测Z轴方向的外磁场以产生Z轴感测电压，所述Z轴感测电压表示感测到的外磁场Z轴方向的磁场分量，所述Z轴与X轴和Y轴相互正交；信号处理电路，其与所述两轴各向异性磁电阻传感器和水平霍尔传感器电性连接，所述信号处理电路用于将所述X轴感测电压转换为所述外磁场X轴方向的磁场分量，将所述Y轴感测电压转换为所述外磁场Y轴方向的磁场分量，将所述Z轴感测电压转换为所述外磁场Z轴方向的磁场分量。

进一步的，所述水平霍尔传感器作为Z轴磁开关；所述信号处理电路还用于将所述Z轴感测电压与预先设定的开合阈值电压进行比较，以判断所述Z轴磁开关的开关状态。

进一步的，所述两轴各向异性磁电阻传感器、水平霍尔传感器和信号处理电路集成于单芯片中；所述X轴和Y轴确定的平面与所述单芯片平面相平行。

进一步的，所述单芯片包括衬底，以及层叠于所述衬底上的第一结构层和第二结构层，所述水平霍尔传感器和信号处理电路设置于所述第一结构层中；所述两轴各向异性磁电阻传感器设置于所述第二结构层中；所述第一结构层位于所述衬底上；所述第二结构层位于所述第一结构层上方。

进一步的，所述单芯片还包括隔离层和第三结构层，所述隔离层位于第一结构层和第二结构层之间，过孔金属穿过所述隔离层将所述两轴各向异性磁电阻传感器和信号处理电路电连接；所述第三结构层位于所述第二结构层上方，第三结构层包括所述两轴各向异性磁电阻传感器保护层及其上的电极，所述电极通过过孔金属与所述信号处理电路连接。

进一步的，所述两轴各向异性磁电阻传感器包括呈正交排布的第一惠斯通电桥和第二惠斯通电桥，所述第一惠斯通电桥用于感测X轴方向的外磁场以产生X轴感测电压；所述第二惠斯通电桥用于感测Y轴方向的外磁场以产生Y轴感测电压。

进一步的，所述水平霍尔传感器包括：P型硅；自所述P型硅的上表面延伸入所述P型硅内的N型硅构成的N型势阱。

进一步的，所述势阱为十字结构，其称为霍尔十字结构，所述霍尔十字结构的四端依次为电源端VDD，第一输出端V+，第二输端负V-与接地端GND。

进一步的，所述水平霍尔传感器包括一个所述霍尔十字结构；或所述水平霍尔传感器包括四个所述霍尔十字结构，四个所述霍尔十字结构在平行于所述单芯片表面的平面内呈依次旋转90度分布；四个所述霍尔十字结构的四个电源端VDD连接在一起，四个第一输出端V+连接在一起，四个第二输出端V-连接在一起，四个接地端GND连接在一起。

进一步的，所述开合阈值电压根据Z轴磁开关的开合的磁场值来设定；所述开合阈值电压可编程；和/或所述水平霍尔传感器作为单极触发开关、双极触发开关或锁存开关。

与现有技术相比，本发明将磁阻(AMR)技术与霍尔(Hall)技术相结合，采用完全的平面工艺制造三轴磁传感器，利用AMR技术与Hall技术各自初始的磁场探测方向实现三轴探测功能，无需引入磁通聚集器(或其他导磁结构)或者斜坡结构，从而降低了工艺制造的难度。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明在一个实施例中的单芯片具有开关功能的三轴磁传感器的纵向剖面示意图；

图2为本发明在一个实施例中如图1所示的两轴AMR传感器的等效电桥示意图；

图3为本发明在一个实施例中如图2所示的磁电阻传感器单元在另一个实施例中的结构示意图；

图4为本发明在一个实施例中如图1所示的水平霍尔传感器的结构示意图；

图5为本发明在一个实施例中如图1所示的水平霍尔传感器作为Hall磁开关的输出示意图；

图6为本发明在一个实施例中如图1所示的单芯片具有开关功能的三轴磁传感器的输出流程示意图。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。

请参考图1所示，其为本发明在一个实施例中的单芯片具有开关功能的三轴磁传感器的纵向剖面示意图。图1所示的单芯片具有开关功能的三轴磁传感器包括基于同一硅衬底(或半导体衬底)110形成的水平霍尔(Hall)传感器、两轴AMR(各向异性磁电阻)传感器和信号处理电路。为了便于描述，在图1中定义笛卡尔坐标系，其中，X轴从左向右延伸，Z轴从下向上延伸，Y轴远离观察者向页面内延伸，Z轴与X轴和Y轴满足右手定则，X轴和Y轴确定的平面与单芯片平面相平行。

两轴AMR传感器用于感测相互正交的X轴方向和Y轴方向的外磁场(或磁场)以产生X轴感测电压(或X轴线性信号)和Y轴感测电压(或Y轴线性信号)。其中，X轴感测电压表示感测到的外磁场X轴方向的磁场分量(或X轴方向的磁感应强度)，Y轴感测电压表示感测到的外磁场Y轴方向的磁场分量(或Y轴方向的磁感应强度)。

水平霍尔传感器用于感测Z轴方向的外磁场以产生Z轴感测电压(或Z轴线性信号)，Z轴感测电压表示感测到的外磁场Z轴方向的磁场分量(或Z轴方向的磁感应强度)。

信号处理电路与两轴各向异性磁电阻传感器和水平霍尔传感器电性连接，信号处理电路用于将X轴感测电压转换为外磁场X轴方向的磁场分量，将Y轴感测电压转换为外磁场Y轴方向的磁场分量，将Z轴感测电压转换为外磁场Z轴方向的磁场分量。

若用磁阻技术(AMR，GMR，TMR)制作Z轴磁开关，则在磁场增加到一定值的时候，将会饱和，其输出将可能降为零，从而无法区分零磁场和饱和磁场的状态，而霍尔传感器不会出现这种情况，因此适合作为磁开关传感器。故本发明图1所示的水平霍尔传感器可以作为Z轴磁开关使用，对应的，信号处理电路还用于将水平霍尔传感器产生的Z轴感测电压与预先设定的开合阈值电压(或开合阈值信号)进行比较，以判定该Z轴磁开关的开关状态。在一个实施例中，可以根据Z轴磁开关的开合的磁场值来设定开合阈值电压，并且开合阈值电压可编程。

水平霍尔传感器和信号处理电路设置于第一结构层120，两轴AMR传感器设置于第二结构层140，且第一结构层120和第二结构层140在硅衬底110上层叠设置。其中，设置有水平霍尔传感器和信号处理电路的第一结构层120位于衬底110上；设置有两轴AMR传感器的第二结构层140位于第一结构层110的上方，信号处理电路和两轴AMR传感器通过过孔金属(未图示)电性连接。结构层120、140为实现某一功能的多个半导体制程层次组成，为一个完整的功能结构层，非单一的一层。在一个实施例中，第一结构层中120中的水平霍尔传感器与信号处理电路采用标准的CMOS工艺制，该部分包含多层结构。

在图1所示的实施例中，单芯片具有开关功能的三轴磁传感器还包括隔离层130和第三结构层150。其中，隔离层130位于第一结构层120和第二结构层140之间；第三结构层150位于第二结构层140上方。隔离层130设置有贯穿其厚度的通孔(未图示)，过孔金属(未图示)穿过通孔(或过孔金属穿过隔离层)将两轴AMR传感器和信号处理电路电连接。隔离层130可由氮化硅、二氧化硅等材料组成，过孔金属可以采用Al，Cu等材料。隔离层130的上表面的粗糙度足够小，可以采用化学机械抛光等方法进行平坦化降低粗糙度。第三结构层150包括两轴AMR传感器保护层及其上的电极，电极通过过孔金属与信号处理电路连接，信号处理电路的输出信号经过孔金属传送至第三结构层150的电极处。

图1所示的单芯片具有开关功能的三轴磁传感器完全由单芯片集成，最终的封装体采用晶圆级封装，也可采用塑封。

请参考图2所示，其为本发明在一个实施例中如图1所示的两轴AMR传感器的等效电桥示意图。图2中定义直角坐标系，其中，x轴从左向右延伸，y轴从底向上延伸。图2所示的两轴AMR传感器包括第一惠斯通电桥200a和第二惠斯通电桥200b，其中，第一惠斯通电桥200a用于感测X轴方向的外磁场以产生X轴感测电压；第二惠斯通电桥200b用于感测Y轴方向的外磁场以产生Y轴感测电压。

第一惠斯通电桥200a包括磁电阻传感器单元(或桥臂)210a、210b、210c和210d，磁电阻传感器单元(或桥臂)210a、210b、210c和210d互连形成惠斯通电桥，其中，磁电阻传感器单元210a连接于电源端VDD和信号正端V+之间；磁电阻传感器单元210b连接于信号正端V+和接地端GND之间；磁电阻传感器单元210c连接于信号负端V-和接地端GND之间；磁电阻传感器单元210d连接于电源端VDD和信号负端V-之间；第一惠斯通电桥200a的输出端为信号正端V+和信号负端V-，即第一惠斯通电桥200a的信号正端V+和信号负端V-用于产生X轴感测电压。例如，当施加X正方向的磁场时，磁电阻传感器单元(或桥臂)210a与210c的电阻减小，磁电阻传感器单元(或桥臂)210b与210d的电阻增大。

在第一惠斯通电桥200a中，每个磁电阻传感器单元210a、210b、210c、210d均包括磁电阻条230和相互平行的若干个导电条220，磁电阻条230的长边方向平行于磁电阻传感器单元的磁易轴，相互平行的若干个导电条220形成于磁电阻条230上并与该磁电阻条230成预定角度。导电条220为高电导率的金属，导电条220的部分结构在磁电阻条230之上作为短路条来引导电流流动的方向。

第二惠斯通电桥200b的结构与第一惠斯通电桥200a的结构相同，与第一惠斯通电桥200a相比，第二惠斯通电桥200b旋转了90度，在示意图220b中为逆时针旋转90度，也可顺时针旋转90度。也可以说，第一惠斯通电桥200a和第二惠斯通电桥200b呈正交排布。

请参考图3所示，其为本发明在一个实施例中如图2所示的磁电阻传感器单元在另一个实施例中的结构示意图。图3所示的磁电阻传感器单元(或桥臂)包括平行排布的多个磁电阻条230，其中，每个磁电阻条230上形成有相互平行的若干个导电条220，通过多个磁电阻条230首尾相连，来匹配预设的磁电阻传感器单元(或桥臂)的电阻值。

综上可知，本发明中的两轴AMR传感器可采用完全平面化的工艺制造，无需其他结构，降低了工艺难度。

请参考图4所示，其为本发明在一个实施例中如图1所示的水平霍尔传感器的结构示意图，该结构采用标准的CMOS工艺在P型半导体衬底上注入N阱实现，水平霍尔探测方向为Z轴，无需其他结构。图4所示的水平霍尔传感器包括：P型硅；自该P型硅的上表面延伸入该P型硅内的N型硅构成的N型势阱。

图4a所示的水平霍尔传感器包括一个N型势阱，该N型势阱为十字结构，其称为霍尔十字结构，该霍尔十字结构的四端依次为电源端VDD，第一输出端V+，第二输出端负V-与接地端GND。当施加Z轴方向的磁场时，输出端V+与V-的差值输出(即Z轴感测电压)与磁场成正比，310a为水平霍尔十字结构中电流的方向。

图4b所示的水平霍尔传感器包括四个如图4a所示的霍尔十字结构，这四个霍尔十字结构在平行于单芯片表面的平面内呈依次旋转90度分布，(即四个霍尔十字结构的端口依次旋转90度，形成相邻两个霍尔十字结构的电流夹角为90度的结构)；四个霍尔十字结构的四个电源端VDD连接在一起，四个第一输出端V+连接在一起，四个第二输出端V-连接在一起，四个接地端GND连接在一起。其中，310b、310c、310d、310e分别为四个霍尔十字结构中各自电流的方向。

请参考图5所示，其为本发明在一个实施例中如图1所示的水平霍尔传感器作为Hall磁开关的输出示意图。在图5所示的实施例中，Hall磁开关的输出方式可有400a、400b、400c三种方式，即图1所示的水平霍尔传感器可以作为单极触发开关、全极触发开关或锁存开关。其中，400a为N极触发与释放，为单极Hall输出，当磁场大于N极触发磁场BopN时，信号处理电路输出低电平(L)；当磁场小于N极释放磁场BrpN时，信号处理电路输出高电平(H)，这里单极输出也可为S极触发。400b为全极Hall输出，当磁场大于触发磁场(BopN或BopS)时，信号处理电路输出低电平(L)；当磁场小于释放磁场(BrpN或BrpS)时，信号处理电路输出高电平(H)，这里N极与S极均可实现触发与释放。400c为Hall锁存开关输出，当N极磁场大于触发磁场BopN时，信号处理电路输出低电平(L)，当S极磁场大于释放磁场BrpS时，信号处理电路输出高电平(H)，当然，Hall锁存开关也可配置为S极触发，N极释放。

请参考图6所示，其为本发明在一个实施例中如图1所示的单芯片具有开关功能的三轴磁传感器的输出流程示意图，其包括如下步骤。

步骤610、输入，即施加待测磁场(或外磁场)B，其在x轴、y轴和z轴上的磁场分量分别为Bx、By和Bz。

步骤620、两轴AMR传感器用于探测X轴和Y轴的磁场，并输出成比例的电压信号Vx和Vy(或感测电压Vx和Vy)。

步骤630、水平霍尔传感器用于探测Z轴的磁场，并输出成比例的电压信号Vz(或感测电压Vz)。

步骤640、信号处理电路将电压信号Vx、Vy和Vz经过放大、数字化处理后输出磁场值Bx、By和Bz。

步骤650、信号处理电路将电压信号Vz与电路内部的开合阈值电压比较，从而输出低电平或者高电平信号，

步骤660，信号处理电路基于该低电平或者高电平信号来判断磁开关的开关状态(或开合状态)。

综上所述，本发明提供的单芯片具有开关功能的三轴磁传感器具有如下优点：

1.将三轴磁传感器的探测功能和磁开关功能集成在一起，利用一颗芯片同时实现三轴探测与磁开关开合探测。

2.X，Y轴采用AMR技术，通过制备AMR全桥来实现X，Y轴磁场的探测；Z轴采用水平霍尔技术，采用标准CMOS工艺制备，其在实现Z轴磁场线性输出的同时，在垂直于芯片表面方向具有磁开关的功能。本发明可应用于电子消费类如手机、平板等领域

3.将磁阻技术制造与霍尔技术相结合，采用完全的平面工艺制造具有磁开关功能的三轴磁传感器，利用磁阻技术与Hall技术各自初始的磁场探测方向，无需引入磁通聚集器(或其他导磁结构)或者斜坡结构，降低了工艺制造的难度。

4.Z轴集成的磁开关可以是全极触发开关，也可以是单极触发开关或者Hall锁存开关。

在本发明中，“连接”、“相连”、“连”、“接”等表示电性连接的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种三轴磁传感器，其特征在于，其包括：

两轴各向异性磁电阻传感器，其用于感测相互正交的X轴方向和Y轴方向的外磁场以产生X轴感测电压和Y轴感测电压，所述X轴感测电压表示感测到的外磁场X轴方向的磁场分量，所述Y轴感测电压表示感测到的外磁场Y轴方向的磁场分量；

水平霍尔传感器，其用于感测Z轴方向的外磁场以产生Z轴感测电压，所述Z轴感测电压表示感测到的外磁场Z轴方向的磁场分量，所述Z轴与X轴和Y轴相互正交；

信号处理电路，其与所述两轴各向异性磁电阻传感器和水平霍尔传感器电性连接，所述信号处理电路用于将所述X轴感测电压转换为所述外磁场X轴方向的磁场分量，将所述Y轴感测电压转换为所述外磁场Y轴方向的磁场分量，将所述Z轴感测电压转换为所述外磁场Z轴方向的磁场分量。

2.根据权利要求1所述三轴磁传感器，其特征在于，

所述水平霍尔传感器作为Z轴磁开关；

所述信号处理电路还用于将所述Z轴感测电压与预先设定的开合阈值电压进行比较，以判断所述Z轴磁开关的开关状态。

3.根据权利要求1或2所述三轴磁传感器，其特征在于，

所述两轴各向异性磁电阻传感器、水平霍尔传感器和信号处理电路集成于单芯片中；

所述X轴和Y轴确定的平面与所述单芯片平面相平行。

4.根据权利要求3所述三轴磁传感器，其特征在于，

所述单芯片包括衬底，以及层叠于所述衬底上的第一结构层和第二结构层，

所述水平霍尔传感器和信号处理电路设置于所述第一结构层中；

所述两轴各向异性磁电阻传感器设置于所述第二结构层中；

所述第一结构层位于所述衬底上；

所述第二结构层位于所述第一结构层上方。

5.根据权利要求4所述三轴磁传感器，其特征在于，

所述单芯片还包括隔离层和第三结构层，

所述隔离层位于第一结构层和第二结构层之间，过孔金属穿过所述隔离层将所述两轴各向异性磁电阻传感器和信号处理电路电连接；

所述第三结构层位于所述第二结构层上方，第三结构层包括所述两轴各向异性磁电阻传感器保护层及其上的电极，所述电极通过过孔金属与所述信号处理电路连接。

6.根据权利要求3所述三轴磁传感器，其特征在于，

所述两轴各向异性磁电阻传感器包括呈正交排布的第一惠斯通电桥和第二惠斯通电桥，

所述第一惠斯通电桥用于感测X轴方向的外磁场以产生X轴感测电压；

所述第二惠斯通电桥用于感测Y轴方向的外磁场以产生Y轴感测电压。

7.根据权利要求6所述三轴磁传感器，其特征在于，

所述水平霍尔传感器包括：

P型硅；

自所述P型硅的上表面延伸入所述P型硅内的N型硅构成的N型势阱。

8.根据权利要求7所述三轴磁传感器，其特征在于，

所述势阱为十字结构，其称为霍尔十字结构，

所述霍尔十字结构的四端依次为电源端VDD，第一输出端V+，第二输端负V-与接地端GND。

9.根据权利要求8所述三轴磁传感器，其特征在于，

所述水平霍尔传感器包括一个所述霍尔十字结构；或

所述水平霍尔传感器包括四个所述霍尔十字结构，四个所述霍尔十字结构在平行于所述单芯片表面的平面内呈依次旋转90度分布；四个所述霍尔十字结构的四个电源端VDD连接在一起，四个第一输出端V+连接在一起，四个第二输出端V-连接在一起，四个接地端GND连接在一起。

10.根据权利要求2所述三轴磁传感器，其特征在于，

所述开合阈值电压根据Z轴磁开关的开合的磁场值来设定；

所述开合阈值电压可编程；和/或

所述水平霍尔传感器作为单极触发开关、双极触发开关或锁存开关。