CN208999552U - 一种磁场矢量传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种磁场矢量传感器，所述传感器包括作为器件层的第一硅片(1)和作为衬底的第二硅片(2)，其中，在所述第一硅片(1)上设置有多个同种磁敏感元器件，所述多个磁敏感元器件构成三个磁敏感单元，以实现对不同方向磁场分量的测量。同时在芯片内嵌入聚/导磁微结构，能够转换磁场分量的方向，实现空间磁场的测量。本实用新型所述磁场矢量传感器结构简单，实现了芯片的小型化和集成化；所述制作工艺，操作简单，易于实现，适合规模化工业应用。

Description

一种磁场矢量传感器

技术领域

本实用新型涉及空间磁矢量传感器技术领域，尤其涉及低交叉干扰领域，具体涉及一种由同种磁敏感元件组成的磁场矢量传感器。

背景技术

随着磁场传感器技术的迅速发展，具有优良静态特性的空间磁矢量传感器在导航定位、汽车工业、深海探测等领域应用广泛。

目前，空间磁矢量传感器主要存在各方向交叉干扰大和灵敏度一致性差等问题。为优化传感器特性指标，应选择同种磁敏感元器件进行结构设计，但同种磁敏感元器件仅对同一方向的磁场敏感，无法实现空间各方向磁矢量测量。若将同种分立磁敏感元器件按照不同磁场分量方向进行封装，则不利于集成化。

因此，亟需解决的问题是提供一种能够调制被测磁场方向、交叉干扰性低、灵敏度一致性高的磁场矢量传感器。

实用新型内容

为了克服上述问题，本实用新型人进行了锐意研究，结果发现：在单晶硅上设计、制作五个霍尔磁场传感器，构成三个磁敏感单元，能够实现对不同方向磁场分量的低交叉干扰性测量；同时在芯片内嵌入聚/导磁微结构，能够转换磁场分量的方向，实现空间磁场的测量，从而完成了本实用新型。

具体来说，本实用新型的目的在于提供以下方面：

第一方面，提供一种磁场矢量传感器，其中，所述传感器包括作为器件层的第一硅片1和作为衬底的第二硅片2，其中，在所述第一硅片1上设置有多个同种磁敏感元器件，所述多个磁敏感元器件构成三个磁敏感单元，以实现对不同方向磁场分量的测量。

第二方面，提供一种第一方面所述的传感器的制作工艺，其中，所述工艺包括以下步骤：

步骤1，清洗第一硅片1和第二硅片2，然后在第二硅片2的上表面生长二氧化硅层3；

步骤2，采用键合工艺将第一硅片1与第二硅片2进行键合，使得第一硅片1的下表面与第二硅片2的上表面之间键合为一体；

步骤3，在键合后，对第一硅片1进行工艺减薄、抛光、清洗处理，然后在第一硅片1的上表面生长薄氧化层；

步骤4，在第一硅片1的上表面进行一次光刻，并注入离子进行n^-型轻掺杂，形成五个霍尔磁场传感器的磁敏感区；

步骤5，在第一硅片1的上表面进行二次光刻，并注入离子进行n⁺型重掺杂，分别形成五个霍尔磁场传感器的控制电流极和霍尔电压输出端；

步骤6，清洗，然后高温退火，激活杂质，然后去除步骤4中生长的薄氧化层；

步骤7，清洗，在第一硅片1的上表面生长二氧化硅层，然后进行三次光刻，刻蚀形成引线孔；

步骤8，在第一硅片1的上表面进行真空蒸镀金属铝，然后进行四次光刻，形成铝电极、金属铝互连线；

步骤9，在第一硅片1的上表面生长钝化层，然后进行五次光刻，形成铝电极窗口；

步骤10，进行合金化处理形成欧姆接触，得到磁场矢量传感器；

步骤11，在第二硅片2的下表面刻蚀深槽结构，形成四个深槽结构4；

步骤12，制备聚/导磁微结构，包裹磁屏蔽层，然后将其固定至对应的深槽结构中。

步骤13，对上述嵌入聚/导磁微结构的磁场矢量传感器进行无磁化封装

第三方面，提供一种磁场矢量传感器，优选采用第二方面所述的制作工艺得到。

本实用新型所具有的有益效果包括：

(1)本实用新型所述的磁场矢量传感器，通过将五个霍尔磁场传感器构成的三个磁敏感单元与聚/导磁微结构相结合，实现了同一种磁敏感元器件对空间磁场的检测；

(2)本实用新型所述的磁场矢量传感器，将x轴方向两个霍尔磁场传感器按照相反磁敏感方向对称放置，将y轴方向两个霍尔磁场传感器按照相反磁敏感方向对称放置，消除了在测试x和y方向磁场分量过程中z轴方向磁场分量引起的交叉干扰，并提高了磁灵敏度一致性；

(3)本实用新型所述的磁场矢量传感器，沿x轴和y轴方向对称设置的聚/导磁微结构，可以将收集到的磁场转换至z轴方向进行测量，且磁场导入面的面积是磁场导出面面积的3～5倍，能够有效聚集磁力线、增强磁场以及提高磁灵敏度；

(4)本实用新型所述的磁场矢量传感器，在聚/导磁微结构的外部包裹有磁屏蔽层，能够有效降低漏磁，提高对待检测磁场的传导效率；

(5)本实用新型所述的磁场矢量传感器，结构简单，实现了芯片的小型化和集成化；

(6)本实用新型所述的制作工艺，操作简单，易于实现，适合规模化工业应用。

附图说明

图1示出本实用新型所述磁场矢量传感器的结构图；

图2示出本实用新型所述磁场矢量传感器的磁场检测原理图，其中，a为无外加磁场时的检测原理图，b为外加沿x轴正方向磁场分量B_x的检测原理图，c为外加沿x轴负方向磁场分量-B_x的检测原理图，d为外加沿y轴正方向磁场分量B_y的检测原理图，e为外加沿y轴负方向磁场分量-B_y的检测原理图，f为外加沿z轴负方向磁场分量-B_z的检测原理图，g为外加沿z轴正方向磁场分量B_z的检测原理图；

图3示出本实用新型所述聚/导磁微结构的结构示意图；

图4-1～图4-7示出本实用新型所述传感器制作工艺的过程图；

图5示出本实用新型实验例中的磁场输入输出特性曲线，其中，a为外加磁场为x轴方向的测试结果，b为外加磁场为y轴方向的测试结果，c为外加磁场为z轴方向的测试结果。

附图标号说明：

1-第一硅片；

2-第二硅片；

3-二氧化硅层；

4-深槽结构；

5-类梯形台；

6-柱体；

H1～H5-霍尔磁场传感器一～霍尔磁场传感器五；

CCMS1～CCMS4-聚/导磁微结构一～聚/导磁微结构四；

Al1～Al21-铝电极一～铝电极二十一；

B_x-x轴正向磁场；-B_x-x轴负向磁场；

B_y-y轴正向磁场；-B_y-y轴负向磁场；

B_z1-聚/导磁微结构一CCMS1转换的z轴方向磁场；

B_z2-聚/导磁微结构二CCMS2转换的z轴方向磁场；

B_z3-聚/导磁微结构三CCMS3转换的z轴方向磁场；

B_z4-聚/导磁微结构四CCMS4转换的z轴方向磁场；

V_x1-H1第二霍尔输出端和H2第一霍尔输出端串联后，H1第一霍尔输出端电势；

V_x2-H1第二霍尔输出端和H2第一霍尔输出端串联后，H2第二霍尔输出端电势；

V_y1-H3第二霍尔输出端和H4第一霍尔输出端串联后，H3第一霍尔输出端电势；

V_y2-H3第二霍尔输出端和H4第一霍尔输出端串联后，H4第二霍尔输出端电势；

V_z1-H5第一霍尔输出端电势；

V_z2-H5第二霍尔输出端电势。

具体实施方式

下面通过附图和实施方式对本实用新型进一步详细说明。通过这些说明，本实用新型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方式的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

第一方面，本实用新型提供了一种磁场矢量传感器，如图1所示，所述传感器包括作为器件层的第一硅片1和作为衬底的第二硅片2，其中，在所述第一硅片1上设置有多个同种磁敏感元器件，所述多个磁敏感元器件构成三个磁敏感单元，以实现对不同方向磁场分量的测量。

其中，所述同种磁敏感元器件优选为霍尔磁场传感器，所述霍尔磁场传感器为5个。

其中，如图1所示，所述五个霍尔磁场传感器分别为霍尔磁场传感器一H1、霍尔磁场传感器二H2、霍尔磁场传感器三H3、霍尔磁场传感器四H4、霍尔磁场传感器五H5，其中，

所述霍尔磁场传感器一H1和霍尔磁场传感器二H2构成第一磁敏感单元；所述霍尔磁场传感器三H3和霍尔磁场传感器四H4构成第二磁敏感单元；所述霍尔磁场传感器五H5构成第三磁敏感单元。

根据本实用新型一种优选的实施方式，在所述第一硅片1和第二硅片2之间设置有二氧化硅层3。

在进一步优选的实施方式中，所述第一硅片的厚度为5～15μm，所述第二硅片2的厚度为400～600μm，所述二氧化硅层3的厚度为500～800nm。

在更进一步优选的实施方式中，所述第一硅片1的厚度为10μm，所述第二硅片2的厚度为450～550μm，所述二氧化硅层3的厚度为600～700nm。

优选地，所述第一硅片1和第二硅片2均为<100>晶向p型单晶硅片。

根据本实用新型一种优选的实施方式，在所述第一硅片1的上表面制作有霍尔磁场传感器的磁敏感区、控制电流极和霍尔电压输出端。

其中，所述霍尔磁场传感器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。

根据本实用新型一种优选的实施方式，如图1所示，所述霍尔磁场传感器一H1和霍尔磁场传感器二H2沿x轴相反磁敏感方向对称设置，构成第一磁敏感单元，用于x轴磁场分量的检测。

在进一步优选的实施方式中，所述霍尔磁场传感器一H1的磁敏感区和霍尔磁场传感器二H2的磁敏感区沿x轴方向共线。

在更进一步优选的实施方式中，所述霍尔磁场传感器一H1和霍尔磁场传感器二H2的霍尔电压输出端串联连接。

根据本实用新型一种优选的实施方式，如图1所示，所述霍尔磁场传感器三H3和霍尔磁场传感器四H4沿y轴相反磁敏感方向对称设置，构成第二磁敏感单元，用于y轴磁场分量的检测。

在进一步优选的实施方式中，所述霍尔磁场传感器三H3的磁敏感区和霍尔磁场传感器四H4的磁敏感区沿y轴方向共线。

在更进一步优选的实施方式中，所述霍尔磁场传感器三H3和霍尔磁场传感器四H4的霍尔输出端串联连接。

根据本实用新型一种优选的实施方式，如图1所示，所述霍尔磁场传感器五H5设置在第一磁敏感单元和第二磁敏感单元的中心，构成第三磁敏感单元，用于z轴磁场分量的检测。

根据本实用新型一种优选的实施方式，如图1所示，在所述第一硅片1的下表面制作有深槽结构4，

在所述深槽结构中设置有聚/导磁微结构，用于改变外加磁场的方向。

其中，在每个深槽结构中设置1个聚/导磁微结构。

在进一步优选的实施方式中，所述深槽结构采用深槽刻蚀技术制作，其深度为400～600μm，所述深槽结构内壁为斜面，斜面的倾角为20～40°。

在更进一步优选的实施方式中，所述深槽结构的深度为500μm，所述深槽结构内壁斜面的倾角为30°。

根据本实用新型一种优选的实施方式，如图3所示，所述聚/导磁微结构呈L型，其包括平行于第一硅片1的类梯形台5和垂直于第一硅片1的柱体6。

其中，所述类梯形台5用于实现x轴或y轴方向磁场分量的聚集，所述柱体6用于将聚集的x轴或y轴方向的磁场分量转换为z轴方向磁场。

在进一步优选的实施方式中，所述类梯形台5的自由端的端面为磁场导入面，其与第一硅片1垂直，和/或

所述柱体6的自由端的端面为磁场导出面，其与第一硅片1平行。

在更进一步优选的实施方式中，由类梯形台5的自由端至类梯形台5的固定端，其截面积逐渐减小；

由柱体6的固定端的至柱体6的自由端，其截面积逐渐减小。

在本实用新型中，所述类梯形台5和柱体6相连接的一端为固定端，另外一端为自由端。

优选地，所述类梯形台5的自由端磁场导入面的面积为柱体6的磁场导出面面积的3～5倍，优选为4倍。

本实用新型人发现，将磁场导入面的面积设置为磁场导出面面积的3～5倍，使得磁场由大面积进入、由小面积导出，进而实现聚集磁力线、增强磁场以及增大磁灵敏度，可以对磁场实现保磁，减小磁力损失，且能够对磁信号较弱的磁场进行有效的聚集。

根据本实用新型一种优选的实施方式，如图3所示，所述聚/导磁微结构中与磁场导入面和磁场导出面相交的四个侧面均为曲面。

在进一步优选的实施方式中，所述曲面的曲率半径为5～8mm。

根据本实用新型一种优选的实施方式，所述聚/导磁微结构由高磁导率材料制成，所述高磁导率材料包括元素磁性材料和合金磁性材料。

在进一步优选的实施方式中，所述元素磁性材料为Fe、Co或Mn中的一种或多种，和/或

所述合金磁性材料为Mn-Zn铁氧体、仙台斯特合金(Fe-Si-Al)、钼铁合金(MoFe)、钒铁合金(VFe)、钨铁合金(WFe)或镍铁合金(NiFe)中的一种或多种。

在更进一步优选的实施方式中，所述聚/导磁微结构由低矫顽力的材料制成，优选为镍铁合金(NiFe)。

其中，所述矫顽力是指磁性材料在饱和磁化后，当外磁场退回到零时其磁感应强度B并不退到零，只有在原磁化场相反方向加上一定大小的磁场才能使磁感应强度退回到零，该磁场称为矫顽磁场，又称矫顽力。

在本实用新型中，采用低矫顽力的材料制备聚/导磁微结构，有利于聚集磁场，且磁损耗较低。

根据本实用新型一种优选的实施方式，在聚/导磁微结构的侧面外部包裹有磁屏蔽层，以保证磁力线在聚/导磁微结构中高效传输。

其中，所述聚/导磁微结构的侧面指的是除磁场导入面和磁场导出面以外的平面。

本实用新型人发现，为防止聚/导磁微结构聚集的磁场流失，在其侧面采用电子束工艺制备磁屏蔽层，能进一步提高聚/导磁微结构的导磁效率。

在进一步优选的实施方式中，所述磁屏蔽层的厚度为80～180nm，优选为90～160nm，更优选为100-150nm。

在更进一步优选的实施方式中，所述磁屏蔽层由非磁性材料制成，所述非磁性材料为金(Au)、铝(Al)或铜(Cu)中的一种或多种，优选为铜。

根据本实用新型一种优选的实施方式，所述聚/导磁微结构外表面的粗糙度为小于5微米，优选小于3微米，更优选小于1微米，以减少磁场流失、增强与磁屏蔽层的结合度。

在本实用新型中，由于聚/导磁微结构为不规则形状，在其外部包裹磁屏蔽层时，需要将聚/导磁微结构外部的粗糙度降低至小于5微米，优选小于3微米，更优选小于1微米，以减少内部聚集磁场的流失，同时能够保证外部包裹磁屏蔽层的均一性，使传导的磁场均匀稳定。

其中，所述制备磁屏蔽层的非磁性材料在其生长方向上与制备聚/导磁微结构的高磁导率材料的晶格常数相匹配，以确保非磁性材料在不规则高磁导率材料上能够均匀成膜。

根据本实用新型一种优选的实施方式，如图1所示，所述聚/导磁微结构具有4个，分别为聚/导磁微结构一CCMS1、聚/导磁微结构二CCMS2、聚/导磁微结构三CCMS3和聚/导磁微结构四CCMS4，其中，

所述聚/导磁微结构一CCMS1和聚/导磁微结构二CCMS2设置在位于第一磁敏感单元下方的深槽结构中，和/或

所述聚/导磁微结构三CCMS3和聚/导磁微结构四CCMS4设置在位于第二磁敏感单元下方的深槽结构中。

在进一步优选的实施方式中，所述聚/导磁微结构一CCMS 1和聚/导磁微结构二CCMS2对称设置，以y轴为对称轴，和/或

所述聚/导磁微结构三CCMS3和聚/导磁微结构四CCMS4对称设置，以x轴为对称轴。

优选地，所述聚/导磁微结构一CCMS1～聚/导磁微结构四CCMS4分别设置在霍尔磁场传感器H1～H4下方的深槽结构中，使得聚/导磁微结构靠近霍尔磁场传感器的磁敏感区，以高效的聚集和传导磁场。

在更进一步优选的实施方式中，所述聚/导磁微结构一CCMS1的导入面磁场为x轴负向(-B_x)，所述聚/导磁微结构二CCMS2的导入面磁场为x轴正向(B_x)，和/或

所述聚/导磁微结构三CCMS3的导入面磁场为y轴负向(-B_y)，所述聚/导磁微结构四CCMS4的导入面磁场为y轴正向(B_y)。

在本实用新型中，先通过聚/导磁微结构一CCMS1和聚/导磁微结构二CCMS2的类梯形台分别将x轴负向和正向的磁场分量进行聚集，然后在类梯形台与柱体的连接处进行磁场方向转变，使其转换为z轴方向的磁场分量(B_z1和B_z2)，同时利用第一磁敏感单元中霍尔电压输出端串联的霍尔磁场传感器H1和H2，可以消除z轴方向磁场分量引起的信号交叉干扰，进而能够实现对x轴方向磁场分量的检测。

同样，通过聚/导磁微结构三CCMS3和聚/导磁微结构四CCMS4的类梯形台分别将y轴负向和正向的磁场分量进行聚集，然后在类梯形台与柱体的连接处进行磁场方向转变，使其转换为z轴方向的磁场分量(B_z3和B_z4)，同时利用第二磁敏感单元中霍尔电压输出端串联的霍尔磁场传感器H3和H4，可以消除z轴方向磁场分量引起的信号交叉干扰，进而能够实现对y轴方向磁场分量的检测。

根据本实用新型一种优选的实施方式，如图1所示，在所述第一硅片1的上表面制作有多个铝电极和铝引线，使得铝电极通过铝引线与霍尔磁场传感器的控制电流极和霍尔电压输出端连接。

在进一步优选的实施方式中，每个霍尔磁场传感器的控制电流极和霍尔电压输出端都与相应的铝电极相连。

其中，所述铝电极一Al1和铝电极二Al2与霍尔磁场传感器一H1的控制电流极连接，所述铝电极三Al3和铝电极四Al4与霍尔磁场传感器一H1的霍尔电压输出端连接；

所述铝电极五Al5和铝电极六Al6与霍尔磁场传感器二H2的控制电流极连接，所述铝电极七Al7和铝电极八Al8与霍尔磁场传感器二H2的霍尔电压输出端连接；

所述铝电极九Al9和铝电极十Al10与霍尔磁场传感器三H3的控制电流极连接，所述铝电极十一Al11和铝电极十二Al12与霍尔磁场传感器三H3的霍尔电压输出端连接；

所述铝电极十三Al13和铝电极十四Al14与霍尔磁场传感器四H4的控制电流极连接，所述铝电极十五Al15和铝电极十六Al16与霍尔磁场传感器四H4的霍尔电压输出端连接；

所述铝电极十七Al17和铝电极十八Al18与霍尔磁场传感器五H5的控制电流极连接，所述铝电极十九Al19和铝电极二十Al20与霍尔磁场传感器五H5的霍尔电压输出端连接。

在本实用新型中，为方便对各只霍尔磁场传感器进行辨别，优选设置空置铝电极Al21。

根据本实用新型一种优选的实施方式，如图2中的a～g所示，在检测空间磁场时，所述霍尔磁场传感器控制电流极一端接电源，另一端接地；

所述霍尔磁场传感器的霍尔电压输出端与万用表连接进行输出电压的检测。

在本实用新型中，所述霍尔电压输出端包括第一霍尔电压输出端和第二霍尔电压输出端。

其中，第一磁敏感单元的霍尔磁场传感器一H1的第二霍尔输出端与霍尔磁场传感器二H2的第一霍尔电压输出端串联后，H1第一霍尔输出端电势为V_x1，H2第二霍尔输出端电势为V_x2；

第二磁敏感单元的霍尔磁场传感器三H3的第二霍尔电压输出端与霍尔磁场传感器四H4的第一霍尔电压输出端串联后，H3第一霍尔输出端电势为V_y1，H4第二霍尔输出端电势为V_y2；

V_z1为H5第一霍尔输出端电势，V_z2为H5第二霍尔输出端电势。

第二方面，本实用新型提供了一种本实用新型第一方面所述磁场矢量传感器的制作工艺，如图4所示，所述工艺包括以下步骤：

步骤1，清洗第一硅片1和第二硅片2，然后在第二硅片2的上表面生长二氧化硅层3。

其中，所述第一硅片1的厚度为5～15μm，所述第二硅片2的厚度为400～600μm，优选为450～550μm。

在本实用新型中，采用热氧化法生长二氧化硅层，所述二氧化硅层3的厚度为500～800nm，优选为600～700nm，如650nm。

其中，所述第一硅片1和第二硅片2均为<100>晶向p型单晶硅片。

步骤2，采用键合工艺将第一硅片1与第二硅片2进行键合，使得第一硅片1的下表面与第二硅片2的上表面之间键合为一体(如图4-1所示)。

步骤3，在键合后，对第一硅片1进行工艺减薄、抛光、清洗处理，然后在第一硅片1的上表面生长薄氧化层(如图4-2所示)。

其中，第一硅片减薄后的厚度优选为10μm。

在本实用新型中，优选采用热氧化法生长薄氧化层，所述薄氧化层的厚度为40～60nm，优选为50nm。

步骤4，在第一硅片1的上表面进行一次光刻，并注入离子进行n^-型轻掺杂，形成五个霍尔磁场传感器的磁敏感区(如图4-3所示)。

步骤5，在第一硅片1的上表面进行二次光刻，并注入离子进行n⁺型重掺杂，分别形成五个霍尔磁场传感器的控制电流极和霍尔电压输出端(如图4-4所示)。

步骤6，清洗，然后高温退火，激活杂质，然后去除步骤4中生长的薄氧化层。

在本实用新型中，所述高温退火处理如下进行：于800-1000℃下真空环境处理30～40min。

其中，采用BOE(Buffered Oxide Etch，缓冲氧化物刻蚀液)法洗掉步骤4中生长的薄氧化层。

步骤7，清洗，在第一硅片1的上表面生长二氧化硅层，然后进行三次光刻，刻蚀形成引线孔。

其中，优选采用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)方法生长二氧化硅层。

步骤8，在第一硅片1的上表面进行真空蒸镀金属铝，然后进行四次光刻，形成铝电极、金属铝互连线。

步骤9，在第一硅片1的上表面生长钝化层，然后进行五次光刻，形成铝电极窗口(如图4-5所示)。

步骤10，进行合金化处理形成欧姆接触，得到磁场矢量传感器。

其中，所述合金化处理为在350～500℃下处理10～50min，优选为在400～450℃下处理20～40min，更优选为在420℃下处理30min。

步骤11，在第二硅片2的下表面刻蚀深槽结构，形成四个深槽结构4(如图4-6所示)。

其中，采用深槽刻蚀(ICP)技术刻蚀形成深槽结构4，优选在刻蚀过程中采用光刻胶作为保护层。

在本实用新型中，所述深槽结构的深度为400～600μm，优选为500μm；所述深槽结构内壁斜面的倾角为20～40°，优选为30°。

步骤12，制备聚/导磁微结构，包裹磁屏蔽层，然后将其固定至对应的深槽结构中(如图4-7所示)。

其中，步骤12包括以下子步骤：

步骤12-1，采用激光切割及MEMS技术加工高磁导率材料制备得到聚/导磁微结构；

步骤12-2，采用电子束工艺在聚/导磁微结构的外部真空蒸镀磁屏蔽层；

步骤12-3，在显微镜下通过微夹钳将聚/导磁微结构镶嵌至深槽结构中。

在本实用新型中，如图4-7所示，将制备得到的四个聚/导磁微结构一～四(CCMS1～CCMS4)分别镶嵌至对应位置的深槽结构中，使得聚/导磁微结构的磁场导出面与第一硅片1平行，所述聚/导磁微结构一CCMS1的导入面磁场为x轴负向，聚/导磁微结构二CCMS2的导入面磁场为x轴正向，聚/导磁微结构三CCMS3的导入面磁场为y轴负向，聚/导磁微结构四CCMS4的导入面磁场为y轴正向。

步骤13，对上述嵌入聚/导磁微结构的磁场矢量传感器进行无磁化封装。

第三方面，本实用新型提供了一种第二方面所述制作工艺制备得到的磁场矢量传感器。

实施例

实施例1

采用下述步骤制作磁场矢量传感器:

步骤1，清洗第一硅片和第二硅片(均为<100>晶向p型单晶硅片)，然后在第二硅片的上表面生长650nm厚的二氧化硅层；

步骤2，采用键合工艺将第一硅片与第二硅片进行键合，使得第一硅片的下表面与第二硅片的上表面之间键合为一体；

步骤3，在键合后，对第一硅片工艺减薄至10μm，进行抛光、清洗处理，然后在第一硅片的上表面生长50nm厚的薄氧化层；

步骤4，在第一硅片的上表面进行一次光刻，并注入离子进行n^-型轻掺杂，形成五个霍尔磁场传感器的磁敏感区；

步骤5，在第一硅片的上表面进行二次光刻，并注入离子进行n⁺型重掺杂，分别形成五个霍尔磁场传感器的控制电流极和霍尔电压输出端；

步骤6，清洗，然后高温退火(1000℃下真空环境处理30min)，激活杂质，然后洗去除步骤4中生长的薄氧化层；

步骤7，清洗，在第一硅片的上表面生长二氧化硅层，然后进行三次光刻，刻蚀形成引线孔；

步骤8，在第一硅片的上表面进行真空蒸镀金属铝，然后进行四次光刻，形成铝电极、金属铝互连线；

步骤9，在第一硅片的上表面生长钝化层，然后进行五次光刻，形成铝电极窗口；

步骤10，进行合金化处理(在420℃下处理30min)形成欧姆接触，得到磁场矢量传感器。

步骤11，采用深槽刻蚀技术在第二硅片的下表面刻蚀深槽结构，形成四个深槽结构，深度为500μm，内壁斜面的倾角为30°；

步骤12，采用激光切割及MEMS技术加工镍铁合金制备得到聚/导磁微结构，采用电子束工艺在聚/导磁微结构的外部真空蒸镀铜屏蔽层，然后在显微镜下通过微夹钳将聚/导磁微结构镶嵌至深槽结构中。

步骤13，对上述嵌入聚/导磁微结构的磁场矢量传感器进行无磁化封装。

实验例

采用北京翠海佳诚磁电科技有限责任公司的全自动霍尔效应高精度磁场发生系统(CH-100)等仪器搭建磁场传感器特性测试系统，该系统能够产生磁感应强度范围为-0.8T～0.8T，精度为0.03mT。利用上述高精度磁场发生系统，对实施例1制备得到的磁场矢量传感器进行测试，分析传感器检测的磁灵敏度。

经过检测可知，实施例1制备得到的磁场矢量传感器可以成功检测空间内-60mT～60mT的磁感应强度。

此外，测定电源电压为5V，外加磁场大小为B＝-60～60mT，步长为10mT，磁场方向分别沿x轴、y轴和z轴时，本实用新型实施例1制备的磁场矢量传感器的输入输出特性曲线，结果如图5中的a～c所示。

测定得出，当电源电压为5V时，实施例1制备得到的磁场矢量传感器的x轴、y轴和z轴的三个方向磁灵敏度分别为22.6mV/T，20.3mV/T，43.7mV/T；

由图可以看出，在外加磁场方向分别沿x轴、y轴和z轴，大小为-60～60mT的情况下，实施例1中制备的磁场矢量传感器能够分别对三个方向的磁场敏感，且外加磁场方向的输入输出特性曲线为一条倾斜直线，而非外加磁场方向的两条输入输出特性曲线近似为一条水平直线(例如：图5的a中，y轴和z轴方向的输入输出特性曲线近似为一条水平直线，且近似重合；图5的b中，x轴和z轴方向的输入输出特性曲线近似为一条水平直线，且近似重合；图5的c中，x轴和y轴方向的输入输出特性曲线近似为一条水平直线，且近似重合)，且霍尔输出电压数值上近似等于零点漂移电压，说明了实施例1制备的传感器可以实现对空间三维磁场的检测，且检测时具有各方向低交叉干扰的特点。

在本实用新型的描述中，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实用新型工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

以上结合了优选的实施方式对本实用新型进行了说明，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，可以对本实用新型进行多种替换和改进，这些均落入本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种磁场矢量传感器，其特征在于，所述传感器包括作为器件层的第一硅片(1)和作为衬底的第二硅片(2)，其中，在所述第一硅片(1)上设置有多个同种磁敏感元器件，所述多个磁敏感元器件构成三个磁敏感单元，以实现对不同方向磁场分量的测量。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述磁敏感元器件为霍尔磁场传感器，

在所述第一硅片(1)上设置有五个霍尔磁场传感器，分别为霍尔磁场传感器一(H1)、霍尔磁场传感器二(H2)、霍尔磁场传感器三(H3)、霍尔磁场传感器四(H4)、霍尔磁场传感器五(H5)，其中，

所述霍尔磁场传感器一(H1)和霍尔磁场传感器二(H2)构成第一磁敏感单元；所述霍尔磁场传感器三(H3)和霍尔磁场传感器四(H4)构成第二磁敏感单元；所述霍尔磁场传感器五(H5)构成第三磁敏感单元。

3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述霍尔磁场传感器一(H1)和霍尔磁场传感器二(H2)沿x轴相反磁敏感方向对称设置，构成第一磁敏感单元，用于x轴磁场分量的检测；

所述霍尔磁场传感器三(H3)和霍尔磁场传感器四(H4)沿y轴相反磁敏感方向对称设置，构成第二磁敏感单元，用于y轴磁场分量的检测；和/或

所述霍尔磁场传感器五(H5)设置在第一磁敏感单元和第二磁敏感单元的中心，构成第三磁敏感单元，用于z轴磁场分量的检测。

4.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，在所述第一硅片(1)的下表面制作有深槽结构(4)，

在所述深槽结构中设置有聚/导磁微结构，用于改变外加磁场的方向；

所述深槽结构的深度为400～600μm。

5.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述聚/导磁微结构呈L型，其包括平行于第一硅片(1)的类梯形台(5)和垂直于第一硅片(1)的柱体(6)，

其中，所述类梯形台（5）用于实现x轴或y轴方向磁场分量的聚集，所述柱体(6)用于将聚集的x轴或y轴方向的磁场分量转换为z轴方向磁场。

6.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，所述类梯形台(5)的自由端的端面为磁场导入面，其与第一硅片(1)垂直，所述柱体(6)的自由端的端面为磁场导出面，其与第一硅片(1)平行；

由类梯形台(5)的自由端至类梯形台(5)的固定端，其截面积逐渐减小，由柱体(6)的固定端的至柱体(6)的自由端，其截面积逐渐减小。

7.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，在聚/导磁微结构的侧面外部包裹有磁屏蔽层，以保证磁力线在聚/导磁微结构中高效传输。

8.根据权利要求7所述的传感器，其特征在于，所述磁屏蔽层由非磁性材料制成。

9.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述聚/导磁微结构具有4个，分别为聚/导磁微结构一(CCMS1)、聚/导磁微结构二(CCMS2)、聚/导磁微结构三(CCMS3)和聚/导磁微结构四(CCMS4)，其中，

所述聚/导磁微结构一(CCMS1)和聚/导磁微结构二(CCMS2)设置在位于第一磁敏感单元下方的深槽结构中，和/或

所述聚/导磁微结构三(CCMS3)和聚/导磁微结构四(CCMS4)设置在位于第二磁敏感单元下方的深槽结构中。

10.根据权利要求9所述的传感器，其特征在于，所述聚/导磁微结构一(CCMS1)和聚/导磁微结构二(CCMS2)对称设置，以y轴为对称轴，和/或

所述聚/导磁微结构三(CCMS3)和聚/导磁微结构四(CCMS4)对称设置，以x轴为对称轴。