CN103885005B - 磁传感装置及其磁感应方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种磁传感装置及其磁感应方法，所述装置包括第三方向磁传感部件，该第三方向磁传感部件包括基底、至少一对相配合的磁传感模块，基底表面开有沟槽。磁传感模块包括导磁单元、感应单元；导磁单元用以收集第三方向的磁信号，并将该磁信号输出；感应单元设置于基底表面上，用以接收所述导磁单元输出的第三方向的磁信号，并根据该磁信号测量出第三方向对应的磁场强度。每对相配合的两个磁传感模块设置完成后，能够直接抵消每对磁传感模块在第一方向、第二方向上的磁场信号输出。本发明提出的磁传感装置可将X轴、Y轴、Z轴的感应器件设置在同一个圆晶或芯片上，且能够独立测量出X轴方向、Y轴方向和Z轴方向上的磁场信号。
Description
技术领域
本发明属于电子通讯技术领域，涉及一种磁传感装置，尤其涉及一种单芯片三轴磁传感装置，本发明还涉及上述磁传感装置的磁传感方法。
背景技术
磁传感器按照其原理，可以分为以下几类：霍尔元件，磁敏二极管，各项异性磁阻元件（AMR），隧道结磁阻(TMR)元件及巨磁阻(GMR)元件、感应线圈、超导量子干涉磁强计等。
电子罗盘是磁传感器的重要应用领域之一，随着近年来消费电子的迅猛发展，除了导航系统之外，还有越来越多的智能手机和平板电脑也开始标配电子罗盘，给用户带来很大的应用便利，近年来，磁传感器的需求也开始从两轴向三轴发展。两轴的磁传感器，即平面磁传感器，可以用来测量平面上的磁场强度和方向，可以用X和Y轴两个方向来表示。
以下介绍现有磁传感器的工作原理。磁传感器采用各向异性磁致电阻（Anisotropic Magneto-Resistance）材料来检测空间中磁感应强度的大小。这种具有晶体结构的合金材料对外界的磁场很敏感，磁场的强弱变化会导致AMR自身电阻值发生变化。
在制造、应用过程中，将一个强磁场加在AMR单元上使其在某一方向上磁化，建立起一个主磁域，与主磁域垂直的轴被称为该AMR的敏感轴，如图1所示。为了使测量结果以线性的方式变化，AMR材料上的金属导线呈45°角倾斜排列，电流从这些导线和AMR材料上流过，如图2所示；由初始的强磁场在AMR材料上建立起来的主磁域和电流的方向有45°的夹角。
当存在外界磁场Ha时，AMR单元上主磁域方向就会发生变化而不再是初始的方向，那么磁场方向M和电流I的夹角θ也会发生变化，如图3所示。对于AMR材料来说，θ角的变化会引起AMR自身阻值的变化，如图4所示。
通过对AMR单元电阻变化的测量，可以得到外界磁场。在实际的应用中，为了提高器件的灵敏度等，磁传感器可利用惠斯通电桥检测AMR阻值的变化，如图5所示。R1/R2/R3/R4是初始状态相同的AMR电阻，当检测到外界磁场的时候，R1/R2阻值增加ΔR而R3/R4减少ΔR。这样在没有外界磁场的情况下，电桥的输出为零；而在有外界磁场时，电桥的输出为一个微小的电压ΔV。
目前的三轴传感器是将一个平面（Ｘ、Ｙ两轴）传感部件与Ｚ方向的磁传感部件进行系统级封装组合在一起，以实现三轴传感的功能；也就是说需要将平面传感部件及Ｚ方向磁传感部件分别设置于两个圆晶或芯片上，最后通过封装连接在一起。目前，在单圆晶/芯片上无法同时实现三轴传感器的制造。
有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的磁传感装置，以使实现在单圆晶/芯片上进行三轴传感器的制造。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种磁传感装置，可将X轴、Y轴、Z轴的感应器件设置在同一个圆晶或芯片上，可靠性高。
此外，本发明还提供上述磁传感装置的磁感应方法，可根据同一个圆晶或芯片上设置的感应器件感应X轴、Y轴、Z轴的磁场数据。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种磁传感装置，其特征在于，所述装置包括垂直方向磁传感部件，该垂直方向磁传感部件包括基底、至少一对相配合的磁传感模块，基底表面开有沟槽；
所述磁传感模块包括：
-导磁单元，其主体部分设置于沟槽内，并有部分露出沟槽至基底表面，用以收集垂直方向的磁信号，并将该磁信号输出；导磁单元包含磁材料层；
-感应单元，所述感应单元是感应与基底表面平行方向的磁传感器，设置于所述基底表面上，用以接收所述导磁单元输出的垂直方向的磁信号，并根据该磁信号测量出垂直方向对应的磁场强度；所述感应单元包括磁材料层，该磁材料层的磁材料的电阻随磁场强度及方向的变化而变化；
所述磁传感装置还包括第一磁传感器、第二磁传感器，分别用以感应与基底表面平行的第一方向、第二方向的磁信号；第一方向、第二方向相互垂直；
每对相配合的两个磁传感模块设置完成后，能够直接抵消每对磁传感模块在第一方向或/和第二方向上的磁场信号输出。
一种磁传感装置，所述装置包括第三方向磁传感部件，该第三方向磁传感部件包括基底、至少一对相配合的磁传感模块，基底表面开有沟槽；
所述磁传感模块包括：
-导磁单元，其主体部分设置于沟槽内，并有部分露出沟槽至基底表面，用以收集第三方向的磁信号，并将该磁信号输出；导磁单元包含磁材料层；
-感应单元，设置于所述基底表面上，用以接收所述导磁单元输出的第三方向的磁信号，并根据该磁信号测量出第三方向对应的磁场强度；所述感应单元包括磁材料层，该磁材料层的磁材料的电阻随磁场强度及方向的变化而变化；
第三方向每对相配合的两个磁传感模块设置完成后，能够直接抵消每对磁传感模块在第一方向或/和第二方向上的磁场信号输出。
作为本发明的一种优选方案，所述磁传感装置还包括第一磁传感器、第二磁传感器，分别用以感应与基底表面平行的第一方向、第二方向的磁信号；第一方向、第二方向、第三方向两两相互垂直；
作为本发明的一种优选方案，第三方向每对相配合的两个磁传感模块的设置包括三个要素：
（1）沟槽与感应单元的相对位置；沟槽设置在对应感应单元的一侧，或者另一侧；导磁单元位于感应单元左侧，其将第三方向磁场引导到基底表面的一个方向，导磁单元位于感应单元右侧，其将第三方向磁场引导到基底表面的另一个方向（2）感应单元在外激发磁场下获得的初始磁化方向；设置两个磁传感模块的初始磁化方向相同或相反；
（3）磁传感模块中的电流方向；两个磁传感模块的电流方向设置成相同或正交；
每对相配合的两个磁传感模块的三要素中，第一个要素设置为相反，其余两个要素设置为相同；或均设置为相反；
上述对于两个磁传感模块的比对，针对的是两个磁传感模块平行设置的情况；平行设置，即两个磁传感模块中感应单元的磁材料层的磁化方向相同或相反，且两个磁传感模块沟槽的走向平行或重合；
作为本发明的一种优选方案，每对相配合的两个磁传感模块均相互平行设置，即两个磁传感模块中感应单元的磁材料层的初始磁化方向相同或相反。
作为本发明的一种优选方案，各磁传感模块均相互平行设置，相连接的两个磁传感模块的三要素中，第一个要素设置为相反，同时另外两个要素设置为相同；或者均设置为相反。
作为本发明的一种优选方案，所述第三方向磁传感部件包括第一磁传感模块、第二磁传感模块、第三磁传感模块、第四磁传感模块；
各磁传感模块平行设置，；即各磁传感模块中感应单元的磁材料层的初始磁化方向相同或相反，且各磁传感模块沟槽的走向平行或重合；
所述第一磁传感模块的第一端、第二磁传感模块的第一端接地，第一磁传感模块的第二端连接第四磁传感模块的第一端，第二磁传感模块的第二端连接第三磁传感模块的第一端，第三磁传感模块的第二端、第四磁传感模块的第二端连接电源；第一磁传感模块的第二端、第二磁传感模块的第二端之间是电信号输出；
所述第一磁传感模块中，感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该配合部分的第一侧；感应单元的磁材料层初始磁化方向为第A方向；电流方向为第B方向；
所述第二磁传感模块中，感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该配合部分的第二侧；感应单元的磁材料层初始磁化方向为与第A方向相反的方向；电流方向为与第B方向垂直的方向；
所述第三磁传感模块中，感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该配合部分的第一侧；感应单元的磁材料层初始磁化方向为与第A方向相同的方向；电流方向为与第B方向平行的方向；
所述第四磁传感模块中，感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该配合部分的第二侧；感应单元的磁材料层初始磁化方向为与第A方向相反的方向；电流方向为与第B方向垂直的方向。
作为本发明的一种优选方案，所述第三方向磁传感部件包括第一磁传感模块、第二磁传感模块、第三磁传感模块、第四磁传感模块；
各磁传感模块平行设置，；即各磁传感模块中感应单元的磁材料层的初始磁化方向相同或相反，且各磁传感模块沟槽的走向平行或重合；
所述第一磁传感模块的第一端、第二磁传感模块的第一端接地，第一磁传感模块的第二端连接第四磁传感模块的第一端，第二磁传感模块的第二端连接第三磁传感模块的第一端，第三磁传感模块的第二端、第四磁传感模块的第二端连接电源；第一磁传感模块的第二端、第二磁传感模块的第二端之间是电信号输出；
所述第一磁传感模块中，感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该配合部分的第一侧；感应单元的磁材料层初始磁化方向为第A方向；电流方向为第B方向；
所述第二磁传感模块中，感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该配合部分的第二侧；感应单元的磁材料层初始磁化方向为与第A方向相同的方向；电流方向为与第B方向平行的方向；
所述第三磁传感模块中，感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该配合部分的第一侧；感应单元的磁材料层初始磁化方向为与第A方向相同的方向；电流方向为与第B方向平行的方向；
所述第四磁传感模块中，感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该配合部分的第二侧；感应单元的磁材料层初始磁化方向为与第A方向相同的方向；电流方向为与第B方向平行的方向。
作为本发明的一种优选方案，所述第三方向磁传感部件包括第一磁传感模块、第二磁传感模块、第三磁传感模块、第四磁传感模块；
所述第一磁传感模块、第二磁传感模块中心在同一直线上；即第一磁传感模块、第二磁传感模块中感应单元的磁材料层的磁化方向相同或相反，且各磁传感模块沟槽的走向平行或重合；
所述第三磁传感模块、第四磁传感模块分别与第一磁传感模块、第二磁传感模块垂直；即第三磁传感模块、第四磁传感模块中感应单元的磁材料层的初始磁化方向分别与第一磁传感模块、第二磁传感模块对应的初始磁化方向相垂直，且第三磁传感模块、第四磁传感模块中沟槽的走向分别与第一磁传感模块、第二磁传感模块对应的沟槽走向相垂直；
所述第一磁传感模块的第一端、第二磁传感模块的第一端接地，第一磁传感模块的第二端连接第四磁传感模块的第一端，第二磁传感模块的第二端连接第三磁传感模块的第一端，第三磁传感模块的第二端、第四磁传感模块的第二端连接电源；第一磁传感模块的第二端、第二磁传感模块的第二端之间是电信号输出；
所述第一磁传感模块、第二磁传感模块作为一对相互配合的磁传感模块，三要素中，沟槽与感应单元的相对位置设置为相反，初始磁化方向、电流方向设置为相同；或者，沟槽与感应单元的相对位置设置为相反，初始磁化方向设置相反，电流方向垂直；
所述第三磁传感模块、第四磁传感模块作为一对相互配合的磁传感模块，三要素中，沟槽与感应单元的相对位置设置为相反，初始磁化方向、电流方向设置为相同；或者，沟槽与感应单元的相对位置设置为相反，初始磁化方向设置相反，电流方向垂直。
作为本发明的一种优选方案，所述第三方向磁传感部件包括外围电路，用于计算磁场强度及磁场方向，并进行输出；
所述导磁单元的主体部分与基底表面的夹角为45°~90°；所述感应单元贴紧基底表面设置，与基底表面平行；
所述第一方向为X轴方向，第二方向为Y轴方向，第三方向为Z轴方向。
作为本发明的一种优选方案，所述装置进一步包括第二磁传感部件，用以感应第一方向或/和第二方向的磁信号，并以此测量出第一方向或/和第二方向对应的磁场强度及磁场方向。
作为本发明的一种优选方案，所述第二磁传感部件包括四个感应子单元，分别为第五感应子单元、第六感应子单元、第七感应子单元、第八感应子单元；
上述各感应子单元包括磁材料层，该磁材料层的磁材料的电阻随磁场强度及方向的变化而变化；该磁材料层上设有若干平行设置的电极；电极的设置方向与磁材料层的磁化方向的夹角为10°~80°。
作为本发明的一种优选方案，所述导磁单元包括四个导磁子单元，分别为第一导磁子单元、第二导磁子单元、第三导磁子单元、第四导磁子单元；
所述感应单元包括四个感应子单元，分别为第一感应子单元、第二感应子单元、第三感应子单元、第四感应子单元；
所述第一导磁子单元与第一感应子单元配合，作为第三方向磁传感部件的第一磁传感模块；
所述第二导磁子单元与第二感应子单元配合，作为第三方向磁传感部件的第二磁传感模块；
所述第三导磁子单元与第三感应子单元配合，作为第三方向磁传感部件的第三磁传感模块；
所述第四导磁子单元与第四感应子单元配合；作为第三方向磁传感部件的第四磁传感模块；
上述各感应子单元包括磁材料层，该磁材料层的磁材料的电阻随磁场强度及方向的变化而变化；该磁材料层上设有若干平行设置的电极；电极的设置方向与磁材料层的磁化方向的夹角为10°~80°；
所述导磁单元及感应单元均包括磁材料层；所述磁材料层的材料为磁阻材料，为各项异性磁阻（AMR）材料，或为巨磁阻（GMR）材料，或为隧道磁阻TMR材料；特征是随着磁场的变换，材料的电阻率发生变换。
所述磁传感器装置的原理是各项异性磁阻（AMR），或为巨磁阻（GMR），或为隧道磁阻TMR。
所述基底设有一列或若干列沟槽，一列沟槽由一个长沟槽构成，或者一列沟槽包括若干子沟槽；
各导磁子单元包括若干磁性构件，各磁性构件的主体部分设置于对应的沟槽内，并有部分露出于沟槽外；露出部分靠近对应感应子单元的磁材料层装置；
各磁性构件有部分露出于沟槽外，露出部分与对应感应子单元的磁材料层的距离为0-20微米。
作为本发明的一种优选方案，所述导磁单元及感应单元的磁材料层使用同一磁性材料，层数一致，为同一次沉积得到；所述导磁单元及感应单元的磁材料层使用不同磁性材料，通过多次沉积得到。
一种上述磁传感装置的磁感应方法，所述方法包括第三方向磁场感应步骤，具体包括：
导磁单元收集第三方向的磁信号，并将该磁信号输出；
感应单元接收所述导磁单元输出的第三方向的磁信号，并根据该磁信号测量出第三方向对应的磁场强度及磁场方向；
所述磁传感装置的每对磁传感模块设置完成后，每对磁传感模块能够直接抵消每对磁传感模块在第一方向或/和第二方向上的磁场信号输出。
作为本发明的一种优选方案，所述方法还包括第一方向、第二方向磁场感应步骤，感应第一方向、第二方向的磁信号，并以此测量出第一方向、第二方向对应的磁场强度及磁场方向。
本发明的有益效果在于：本发明提出的磁传感装置及其磁感应方法，在单一的圆晶/芯片上同时具有Ｘ、Ｙ和Ｚ三轴方向的传感单元，单芯片上可选择性集成ASIC外围电路，其制造工艺与标准的CMOS工艺完全兼容；具有良好的可制造性、优异的性能和明显的价格竞争力。在本发明中，每对相配合的两个磁传感模块设置完成后，且能够独立测量出X轴方向、Y轴方向和Z轴方向上的磁场信号。
附图说明
图1为现有磁传感装置的磁性材料的示意图。
图2为现有磁传感装置的磁性材料及导线的结构示意图。
图3为磁场方向和电流方向的夹角示意图。
图4为磁性材料的θ-R特性曲线示意图。
图5为惠斯通电桥的连接图。
图6为本发明磁传感装置一部分的俯视图。
图7为图1的AA向剖视图。
图8为本发明磁传感装置的组成示意图。
图9为实施例六中磁传感装置一部分的俯视图。
图10为实施例二中本发明磁传感装置的组成示意图。
图11为实施例三中本发明磁传感装置的组成示意图。
图12为实施例四中本发明磁传感装置的组成示意图。
图13为实施例五中本发明磁传感装置的组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例一
请参阅图6、图7，其中，图7是图6中沿A-A方向的投影；本发明揭示了一种磁传感装置，所述装置包括Z轴磁传感部件，该Z轴磁传感部件包括：基底10、至少一对相配合的磁传感模块；磁传感模块包括导磁单元20、感应单元。基底10可以包括CMOS外围电路。每对相配合的两个磁传感模块设置完成后，能够直接抵消每对磁传感模块在X轴方向或/和Y轴方向上的磁场信号输出。
基底10的表面具有介质层，并且在介质层里开有沟槽11。所述基底设有一列或若干列沟槽，本实施例中，一列沟槽包括若干子沟槽11。
导磁单元20的主体部分设置于沟槽11内，并有部分露出沟槽11至基底表面，用以收集Z轴方向的磁信号，并将该磁信号输出给感应单元。
感应单元设置于所述基底表面上，用以接收所述导磁单元20输出的Z轴方向的磁信号，并根据该磁信号测量出Z轴方向对应的磁场强度。感应单元包括磁材料层30，以及该磁材料层30上设置的若干平行设置的电极40。所述磁材料层30的磁材料的电阻与磁场强度的方向相关。通过导磁单元20的设置，感应单元将Z轴方向的磁场引导到水平方向（X轴方向或/和Y轴方向）进行测量。
同时，所述磁传感装置还包括A轴磁传感器、B轴磁传感器，分别用以感应与基底表面平行的X轴方向、Y轴方向的磁信号（如磁场强度及磁场方向）；X轴方向、Y轴方向、Z轴方向两两相互垂直。
所述导磁单元20及感应单元的磁材料层30使用同一磁性材料，层数一致，且同一次沉积得到；如导磁单元20及感应单元的磁材料层30可以是各向异性磁传感器AMR、也可以是TMR和GMR。当然，所述导磁单元20及感应单元的磁材料层30也可以使用不同的磁性材料，或者采用不同的层数，即可以通过多次沉积和光刻得到。
如图7所示，所述导磁单元20的主体部分与基底表面所在平面的夹角为45°~90°（如夹角可以为85°）；所述感应单元的磁材料层30贴紧基底表面设置，与基底表面平行。
请参阅图8，所述导磁单元20包括四个导磁子单元，分别为第一导磁子单元、第二导磁子单元、第三导磁子单元、第四导磁子单元。各导磁子单元包括若干磁性构件，参阅图7，各磁性构件的主体部分设置于对应的沟槽11内，并有部分露出于沟槽11外；露出部分靠近对应感应子单元的磁材料层设置，距离c优选为0-,20um，典型值为0um，0.5um，1.0um，1.5um，5um，10um。此外，如图7所示，a的范围为0-2um（如0.5um,1um）；b的范围为0-1um（如0um,0.1um,0.2um）；d的范围为0.5-10um（如3um,6um）；Theta的角度范围为0-45°（如5°）。
所述感应单元包括四个感应子单元，分别为第一感应子单元、第二感应子单元、第三感应子单元、第四感应子单元。上述各感应子单元包括磁材料层30，该磁材料层30的磁材料的电阻与磁场强度的方向相关，磁材料的电阻随磁场强度及方向的变化而变化
所述第一导磁子单元与第一感应子单元配合，作为Z轴磁传感部件的第一磁传感模块；所述第二导磁子单元与第二感应子单元配合，作为Z轴磁传感部件的第二磁传感模块；所述第三导磁子单元与第三感应子单元配合，作为Z轴磁传感部件的第三磁传感模块；所述第四导磁子单元与第四感应子单元配合；作为Z轴磁传感部件的第四磁传感模块。
图8所示的磁传感装置采用惠斯通电桥结构，可以更加灵敏地测量外界磁场。在实际的应用中，也可以采用一个导磁子单元和一个感应子单元，即可以测量磁场，在此不再赘述。
需要指出的是，为了能够直接抵消每对磁传感模块在X轴方向或/和Y轴方向上的磁场信号输出，需要将两个磁传感模块的三个要素做设定设置。
每对相配合的两个磁传感模块的三个要素包括如下：
（1）沟槽与感应单元的相对位置；沟槽设置在对应感应单元的一侧，或者另一侧；导磁单元位于感应单元左侧，其将第三方向磁场引导到基底表面的一个方向，导磁单元位于感应单元右侧，其将第三方向磁场引导到基底表面的另一个方向（2）感应单元在外激发磁场下获得的初始磁化方向；可设置两个磁传感模块的初始磁化方向相同或相反；
（3）磁传感模块中的电流方向；两个磁传感模块的电流方向设置成相同或正交；
每对相配合的两个磁传感模块的三要素中，第一个要素设置为相反，其余两个要素设置为相同；或均设置为相反。当然，本发明有很多种变形，本实施例及后续实施例仅揭示其中几个典型的方案。
优选地，每对相配合的两个磁传感模块均相互平行设置，即两个相配合的磁传感模块中感应单元的磁材料层的初始磁化方向相同或相反，且两个磁传感模块沟槽的走向平行或重合。若两个磁传感模块并非平行设置，则在比对前，先将两个磁传感模块旋转至平行，而后再进行比对。
进一步地，各磁传感模块均相互平行设置，相连接的两个磁传感模块的三要素中，第一个要素设置为相反，同时另外两个要素设置为相同；或者均设置为相反。
在本发明的一个实施例中，所述装置进一步包括X轴Y轴磁传感部件，用以感应X轴、Y轴方向的磁信号，并以此测量出X轴、Y轴方向对应的磁场强度及磁场方向。X轴Y轴磁传感部件并非Z轴磁传感部件的感应单元；Z轴磁传感部件的感应单元是为了感应Z轴的方向，而X轴Y轴磁传感部件的感应单元是为了感应X轴或/和Y轴的方向。
所述X轴Y轴磁传感部件包括四个感应子单元，分别为第五感应子单元、第六感应子单元、第七感应子单元、第八感应子单元；上述各感应子单元包括磁材料层，该磁材料层的磁材料的电阻随磁场强度及方向的变化而变化；该磁材料层上设有若干平行设置的电极；电极的设置方向与磁材料层的磁化方向的夹角为10°~80°，优选为45°。同理，所述X轴Y轴磁传感部件可以只包括一个感应单元，即可以不采用惠斯通电桥方式。
以上介绍了本发明磁传感装置的结构，本发明在揭示上述磁传感装置的同时，还揭示上述磁传感装置的磁感应方法。所述方法包括Z轴方向磁场感应步骤，具体包括：导磁单元感应Z轴方向的磁信号，并将该磁信号输出；感应单元接收所述导磁单元输出的Z轴方向的磁信号，并根据该磁信号测量出Z轴方向对应的磁场强度及磁场方向。所述磁传感装置的每对磁传感模块设置完成后，每对磁传感模块能够直接抵消每对磁传感模块在第一方向或/和第二方向上的磁场信号输出。
此外，所述方法还包括X轴、Y轴方向磁场感应步骤，包括：感应X轴、Y轴方向的磁信号，并以此测量出X轴、Y轴方向对应的磁场强度及磁场方向。
与此同时，本发明还揭示一种上述磁传感装置的制备工艺，所述制备工艺包括如下步骤：
【步骤S1】设置基底，基底可以包含CMOS外围电路。
【步骤S2】在基底的表面具有介质层，隔离传感装置与基底，在介质层上采用制造工艺设置沟槽。
【步骤S3】在基底表面沉积磁性材料和阻挡材料，磁性材料和阻挡材料分别为单层或者是多层材料，随后通过制造工艺同时形成感应单元和导磁单元，因此，导磁单元及感应单元使用同一磁性材料，为同一次沉积得到。导磁单元的主体部分沉积于沟槽内，并有部分露出沟槽至基底表面。
优选地，本发明磁传感装置还包括X轴Y轴感应部件；步骤S3中，在基底表面沉积感应单元、导磁单元的同时，沉积X轴Y轴磁传感部件所需的磁材料层；即Ｘ轴、Ｙ轴所需的磁材料层与Ｚ轴所需的感应单元、导磁单元同时制备得到。
可选择地，在本步骤中，可以通过多次的材料沉积和制造工艺，分别形成感应单元与导磁单元，即两者采用不同的材料层。
【步骤S4】在感应单元及X轴Y轴感应部件的磁材料层上分别设置电极层，随后通过介质填充和引线等工艺实现完整传感装置的制造。
实施例二
请参阅图10，本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，所述第三方向磁传感部件包括第一磁传感模块101、第二磁传感模块102、第三磁传感模块103、第四磁传感模块104。各磁传感模块平行设置，或中心在同一直线上；即各磁传感模块中感应单元的磁材料层的初始磁化方向相同或相反，且各磁传感模块沟槽的走向平行或重合。
所述第一磁传感模块101的第一端、第二磁传感模块102的第一端接地，第一磁传感模块101的第二端连接第四磁传感模块104的第一端，第二磁传感模块102的第二端连接第三磁传感模块103的第一端，第三磁传感模块103的第二端、第四磁传感模块104的第二端连接电源；第一磁传感模块101的第二端、第二磁传感模块102的第二端之间连接有电压表（即是电信号输出）。电源、电压表及接地的位置可以为其他（如接地与电源的位置可互换，电源与电压表的位置可互换等等），这里仅做举例。
所述第一磁传感模块101中，感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该配合部分的第一侧；感应单元的磁材料层初始磁化方向为第A方向；电流方向为第B方向；
所述第二磁传感模块102中，感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该配合部分的第二侧；感应单元的磁材料层初始磁化方向为与第A方向相反的方向；电流方向为与第B方向垂直的方向；
所述第三磁传感模块103中，感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该配合部分的第一侧；感应单元的磁材料层初始磁化方向为与第A方向相同的方向；电流方向为与第B方向平行的方向；
所述第四磁传感模块104中，感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该配合部分的第二侧；感应单元的磁材料层初始磁化方向为与第A方向相反的方向；电流方向为与第B方向垂直的方向。
从图10中可以看到，各磁传感模块均相互平行设置，相连接的两个磁传感模块（如磁传感模块101与磁传感模块102之间，磁传感模块101与磁传感模块104之间）的三要素中，有一个要素设置为相反，同时两个要素设置为相同；或者三个要素均设置为相反。
所述导磁单元及感应单元均包括磁材料层；所述磁材料层的材料为磁阻材料，为各项异性磁阻（AMR）材料，或为巨磁阻（GMR）材料，或为隧道磁阻TMR材料；特征是随着磁场的变换，材料的电阻率发生变换。磁传感器的原理是各向异性磁传感器AMR、也可以是TMR和GMR。
实施例三
请参阅图11，本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，所述第三方向磁传感部件包括第一磁传感模块101、第二磁传感模块102、第三磁传感模块103、第四磁传感模块104。各磁传感模块平行设置，或中心在同一直线上；即各磁传感模块中感应单元的磁材料层的初始磁化方向相同或相反，且各磁传感模块沟槽的走向平行或重合。
所述第一磁传感模块101的第一端、第二磁传感模块102的第一端接地，第一磁传感模块101的第二端连接第四磁传感模块104的第一端，第二磁传感模块102的第二端连接第三磁传感模块103的第一端，第三磁传感模块103的第二端、第四磁传感模块104的第二端连接电源；第一磁传感模块101的第二端、第二磁传感模块102的第二端之间为是电信号输出。
所述第一磁传感模块101中，感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该配合部分的第一侧；感应单元的磁材料层初始磁化方向为第A方向；电流方向为第B方向；
所述第二磁传感模块102中，感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该配合部分的第二侧；感应单元的磁材料层初始磁化方向为与第A方向相同的方向；电流方向为与第B方向平行的方向；
所述第三磁传感模块103中，感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该配合部分的第二侧；感应单元的磁材料层初始磁化方向为与第A方向相反的方向；电流方向为与第B方向平行的方向；
所述第四磁传感模块104中，感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该配合部分的第一侧；感应单元的磁材料层初始磁化方向为与第A方向相反的方向；电流方向为与第B方向平行的方向。
磁传感器的原理是各向异性磁传感器AMR、也可以是TMR和GMR。
实施例四
请参阅图12，本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，所述第三方向磁传感部件包括第一磁传感模块101、第二磁传感模块102、第三磁传感模块103、第四磁传感模块104。
所述第一磁传感模块101、第二磁传感模块102中心在同一直线上；即第一磁传感模块101、第二磁传感模块102中感应单元的磁材料层的初始磁化方向相同或相反，且各磁传感模块沟槽的走向平行或重合。
所述第三磁传感模块103、第四磁传感模块104分别与第一磁传感模块101垂直；即第三磁传感模块103、第四磁传感模块104中感应单元的磁材料层的磁化方向分别与第一磁传感模块101对应的磁化方向相垂直，且第三磁传感模块103、第四磁传感模块104中沟槽的走向分别与第一磁传感模块101对应的沟槽走向相垂直。
所述第一磁传感模块101的第一端、第二磁传感模块102的第一端接地，第一磁传感模块101的第二端连接第四磁传感模块104的第一端，第二磁传感模块120的第二端连接第三磁传感模块103的第一端，第三磁传感模块103的第二端、第四磁传感模块104的第二端连接电源；第一磁传感模块101的第二端、第二磁传感模块102的第二端之间是电信号输出。
所述第一磁传感模块101、第二磁传感模块102作为一对相互配合的磁传感模块，三要素中，沟槽与感应单元的相对位置设置为相反，磁化方向、电流方向设置为相同。
所述第三磁传感模块103、第四磁传感模块104作为一对相互配合的磁传感模块，三要素中，沟槽与感应单元的相对位置设置为相反，磁化方向、电流方向设置为相同。
实施例五
请参阅图13，本实施例与实施例四的区别在于，本实施例中，所述第一磁传感模块101、第二磁传感模块102作为一对相互配合的磁传感模块，三要素中，三个要素均设置为相反。
所述第三磁传感模块103、第四磁传感模块104作为一对相互配合的磁传感模块，三要素中，三个要素均设置为相反。
实施例六
本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，多个导磁结构可以共享同一沟槽；请参阅图9，基底10上的沟槽11可以设置一列或多列，一列沟槽11可以设置一个狭长的沟槽，供多个磁性构件共享使用。此外，此结构中导磁单元与可与传感单元相连，即距离为0um。
实施例七
本实施例中，本发明磁传感装置还包括CMOS芯片，实施例一中所述的基底设置于CMOS芯片上。即磁传感装置具有现有CMOS芯片的功能。即在单一的芯片上同时具有CMOS芯片和传感装置，具有高度的集成度。
实施例八
本实施例中，磁传感装置的导磁单元、传感单元、X轴Y轴磁传感部件所需的磁材料层含有磁敏材料，如NiFe合金材料；还可以包括过渡层，如TaN等。其中，磁敏材料层与过渡层材料可以是多层材料。
磁敏材料包括各向异性磁阻材料，巨磁阻材料，隧道结磁阻；可以是多层，或者是单层；多层材料的厚度和层数根据实际需要可调。
此外，一组导磁单元可配合多个导磁结构，使测量更加灵敏。
实施例九
本实施例中，磁传感装置可以感应的三维方向可以为并非X轴、Y轴、Z轴的第一方向、第二方向、第三方向，只需要使第一方向、第二方向、第三方向两两相互垂直即可。
综上所述，本发明提出的磁传感装置及其磁感应方法，可将X轴、Y轴、Z轴的感应器件设置在同一个圆晶或芯片上，具有良好的可制造性、优异的性能和明显的价格竞争力。在本发明中，每对相配合的两个磁传感模块设置完成后，且能够独立测量出X轴方向、Y轴方向和Z轴方向上的磁场信号。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。
Claims (13)
1.一种磁传感装置，其特征在于，所述装置包括垂直方向磁传感部件，该垂直方向磁传感部件包括基底、成对配合的磁传感模块，基底表面开有沟槽；
所述磁传感模块包括：
-导磁单元，其主体部分设置于沟槽内，并有部分露出沟槽至基底表面，用以收集垂直方向的磁信号，并将该磁信号输出；
-感应单元，所述感应单元是感应与基底表面平行方向的磁传感器，设置于所述基底表面上，用以接收所述导磁单元输出的垂直方向的磁信号，并根据该磁信号测量出垂直方向对应的磁场强度；所述感应单元包括磁材料层，该磁材料层的磁材料的电阻随磁场强度及方向的变化而变化；
所述磁传感装置还包括第一磁传感器、第二磁传感器，分别用以感应与基底表面平行的第一方向、第二方向的磁信号；第一方向、第二方向相互垂直；
每对相配合的两个磁传感模块设置完成后，能够直接抵消每对磁传感模块在第一方向或/和第二方向上的磁场信号输出；
所述垂直方向磁传感部件包括第一磁传感模块、第二磁传感模块、第三磁传感模块、第四磁传感模块；
各磁传感模块平行设置，即各磁传感模块中感应单元的磁材料层的初始磁化方向相同或相反，且各磁传感模块沟槽的走向平行或重合；
所述第一磁传感模块的第一端、第二磁传感模块的第一端接地，第一磁传感模块的第二端连接第四磁传感模块的第一端，第二磁传感模块的第二端连接第三磁传感模块的第一端，第三磁传感模块的第二端、第四磁传感模块的第二端连接电源；第一磁传感模块的第二端、第二磁传感模块的第二端之间是电信号输出；
所述第一磁传感模块中，感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该配合部分的第一侧；感应单元的磁材料层初始磁化方向为第A方向；电流方向为第B方向；
所述第二磁传感模块中，感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该配合部分的第二侧；感应单元的磁材料层初始磁化方向为与第A方向相反的方向；电流方向为与第B方向垂直的方向；
所述第三磁传感模块中，感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该配合部分的第一侧；感应单元的磁材料层初始磁化方向为与第A方向相同的方向；电流方向为与第B方向平行的方向；
所述第四磁传感模块中，感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该配合部分的第二侧；感应单元的磁材料层初始磁化方向为与第A方向相反的方向；电流方向为与第B方向垂直的方向。
2.一种磁传感装置，其特征在于，所述装置包括第三方向磁传感部件，该第三方向磁传感部件包括基底、成对配合的磁传感模块，基底表面开有沟槽；
所述磁传感模块包括：
-导磁单元，其主体部分设置于沟槽内，并有部分露出沟槽至基底表面，用以收集第三方向的磁信号，并将该磁信号输出；
-感应单元，设置于所述基底表面上，用以接收所述导磁单元输出的第三方向的磁信号，并根据该磁信号测量出第三方向对应的磁场强度；所述感应单元包括磁材料层，该磁材料层的磁材料的电阻随磁场强度及方向的变化而变化；
每对相配合的两个磁传感模块设置完成后，能够直接抵消每对磁传感模块在第一方向或/和第二方向上的磁场信号输出；
所述第三方向磁传感部件包括第一磁传感模块、第二磁传感模块、第三磁传感模块、第四磁传感模块；
各磁传感模块平行设置，或中心在同一直线上；即各磁传感模块中感应单元的磁材料层的初始磁化方向相同或相反，且各磁传感模块沟槽的走向平行或重合；
所述第一磁传感模块的第一端、第二磁传感模块的第一端接地，第一磁传感模块的第二端连接第四磁传感模块的第一端，第二磁传感模块的第二端连接第三磁传感模块的第一端，第三磁传感模块的第二端、第四磁传感模块的第二端连接电源；第一磁传感模块的第二端、第二磁传感模块的第二端之间是电信号输出；
所述第一磁传感模块中，感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该配合部分的第一侧；感应单元的磁材料层初始磁化方向为第A方向；电流方向为第B方向；
所述第二磁传感模块中，感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该配合部分的第二侧；感应单元的磁材料层初始磁化方向为与第A方向相同的方向；电流方向为与第B方向平行的方向；
所述第三磁传感模块中，感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该配合部分的第一侧；感应单元的磁材料层初始磁化方向为与第A方向相同的方向；电流方向为与第B方向平行的方向；
所述第四磁传感模块中，感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该配合部分的第二侧；感应单元的磁材料层初始磁化方向为与第A方向相同的方向；电流方向为与第B方向平行的方向。
3.根据权利要求2所述的磁传感装置，其特征在于：
所述磁传感装置还包括第一磁传感器、第二磁传感器，分别用以感应与基底表面平行的第一方向、第二方向的磁信号；第一方向、第二方向、第三方向两两相互垂直。
4.根据权利要求2所述的磁传感装置，其特征在于：
每对相配合的两个磁传感模块的设置包括三个要素：
(1)沟槽与感应单元的相对位置；沟槽设置在对应感应单元的一侧，或者另一侧；导磁单元位于感应单元左侧，其将第三方向磁场引导到基底表面的一个方向，导磁单元位于感应单元右侧，其将第三方向磁场引导到基底表面的另一个方向；(2)感应单元在外激发磁场下获得的初始磁化方向；设置两个磁传感模块的初始磁化方向相同或相反；
(3)磁传感模块中的电流方向；两个磁传感模块的电流方向设置成相同或正交；
每对相配合的两个磁传感模块的三要素中，第一个要素设置为不同侧，其余两个要素设置为相同；或第一个要素设置为不同侧，第二个要素设置为相反，第三个要素设置为正交；
上述对于两个磁传感模块的比对，针对的是两个磁传感模块平行设置的情况。
5.根据权利要求2所述的磁传感装置，其特征在于：
所述第三方向磁传感部件包括外围电路，用于计算磁场强度及磁场方向，并进行输出；
所述导磁单元的主体部分与基底表面的夹角为45°～90°；所述感应单元贴紧基底表面设置，与基底表面平行；
所述第一方向为X轴方向，第二方向为Y轴方向，第三方向为Z轴方向。
6.根据权利要求2所述的磁传感装置，其特征在于：
所述装置进一步包括第二磁传感部件，用以感应第一方向或/和第二方向的磁信号，并以此测量出第一方向或/和第二方向对应的磁场强度及磁场方向。
7.根据权利要求6所述的磁传感装置，其特征在于：
所述第二磁传感部件包括四个感应子单元，分别为第五感应子单元、第六感应子单元、第七感应子单元、第八感应子单元；
上述各感应子单元包括磁材料层，该磁材料层的磁材料的电阻随磁场强度及方向的变化而变化。
8.根据权利要求2所述的磁传感装置，其特征在于：
所述导磁单元包括四个导磁子单元，分别为第一导磁子单元、第二导磁子单元、第三导磁子单元、第四导磁子单元；
所述感应单元包括四个感应子单元，分别为第一感应子单元、第二感应子单元、第三感应子单元、第四感应子单元；
所述第一导磁子单元与第一感应子单元配合，作为第三方向磁传感部件的第一磁传感模块；
所述第二导磁子单元与第二感应子单元配合，作为第三方向磁传感部件的第二磁传感模块；
所述第三导磁子单元与第三感应子单元配合，作为第三方向磁传感部件的第三磁传感模块；
所述第四导磁子单元与第四感应子单元配合；作为第三方向磁传感部件的第四磁传感模块；
上述各感应子单元包括磁材料层，该磁材料层的磁材料的电阻随磁场强度及方向的变化而变化；
所述基底设有一列或若干列沟槽，一列沟槽由一个长沟槽构成，或者一列沟槽包括若干子沟槽；
各导磁子单元包括若干磁性构件，各磁性构件的主体部分设置于对应的沟槽内，并有部分露出于沟槽外；露出部分靠近对应感应子单元的磁材料层装置；
各磁性构件有部分露出于沟槽外，露出部分与对应感应子单元的磁材料层的距离为0-20微米。
9.根据权利要求2至5之一所述的磁传感装置，其特征在于：
导磁单元及感应单元均包括磁材料层；
所述磁材料层的材料为磁阻材料。
10.根据权利要求9所述的磁传感装置，其特征在于：
所述磁材料层的材料为各项异性磁阻AMR材料，或为巨磁阻GMR材料，或为隧道磁阻TMR材料。
11.根据权利要求2至5之一所述的磁传感装置，其特征在于：
所述导磁单元及感应单元的磁材料层使用同一磁性材料，层数一致，为同一次沉积得到；或者，所述导磁单元及感应单元的磁材料层使用不同磁性材料，通过多次沉积得到。
12.一种磁传感装置，其特征在于，所述装置包括第三方向磁传感部件，该第三方向磁传感部件包括基底、成对配合的磁传感模块，基底表面开有沟槽；
所述磁传感模块包括：
-导磁单元，其主体部分设置于沟槽内，并有部分露出沟槽至基底表面，用以收集第三方向的磁信号，并将该磁信号输出；
-感应单元，设置于所述基底表面上，用以接收所述导磁单元输出的第三方向的磁信号，并根据该磁信号测量出第三方向对应的磁场强度；所述感应单元包括磁材料层，该磁材料层的磁材料的电阻随磁场强度及方向的变化而变化；
每对相配合的两个磁传感模块设置完成后，能够直接抵消每对磁传感模块在第一方向或/和第二方向上的磁场信号输出；
所述第三方向磁传感部件包括第一磁传感模块、第二磁传感模块、第三磁传感模块、第四磁传感模块；
所述第一磁传感模块、第二磁传感模块中感应单元的磁材料层的磁化方向相同或相反，且各磁传感模块沟槽的走向平行或重合；
所述第三磁传感模块、第四磁传感模块分别与第一磁传感模块、第二磁传感模块垂直；即第三磁传感模块、第四磁传感模块中感应单元的磁材料层的初始磁化方向分别与第一磁传感模块、第二磁传感模块对应的初始磁化方向相垂直，且第三磁传感模块、第四磁传感模块中沟槽的走向分别与第一磁传感模块、第二磁传感模块对应的沟槽走向相垂直；
所述第一磁传感模块的第一端、第二磁传感模块的第一端接地，第一磁传感模块的第二端连接第四磁传感模块的第一端，第二磁传感模块的第二端连接第三磁传感模块的第一端，第三磁传感模块的第二端、第四磁传感模块的第二端连接电源；第一磁传感模块的第二端、第二磁传感模块的第二端之间是电信号输出；
所述第一磁传感模块、第二磁传感模块作为一对相互配合的磁传感模块，三要素中，沟槽与感应单元的相对位置设置为不同侧，初始磁化方向、电流方向设置为相同；或者，沟槽与感应单元的相对位置设置为不同侧，初始磁化方向设置相反，电流方向正交；
所述第三磁传感模块、第四磁传感模块作为一对相互配合的磁传感模块，三要素中，沟槽与感应单元的相对位置设置为不同侧，初始磁化方向、电流方向设置为相同；或者，沟槽与感应单元的相对位置设置为不同侧，初始磁化方向设置相反，电流方向正交。
13.一种权利要求2至8之一所述磁传感装置的磁感应方法，其特征在于，所述方法包括第三方向磁场感应步骤，具体包括：
导磁单元收集第三方向的磁信号，并将该磁信号输出；
感应单元接收所述导磁单元输出的第三方向的磁信号，并根据该磁信号测量出第三方向对应的磁场强度及磁场方向；
所述磁传感装置的每对磁传感模块设置完成后，每对磁传感模块能够直接抵消每对磁传感模块在第一方向或/和第二方向上的磁场信号输出；
所述方法还包括第一方向、第二方向磁场感应步骤，感应第一方向、第二方向的磁信号，并以此测量出第一方向、第二方向对应的磁场强度及磁场方向。
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