CN104422908A - 一种磁传感装置的制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种磁传感装置的制备工艺，所述装置包括第三方向磁传感部件，第三方向磁传感部件包括基底、导磁单元、感应单元；基底表面开有沟槽；导磁单元的主体部分设置于沟槽内，用以收集第三方向的磁场信号，并将该磁信号输出到感应单元进行测量；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及磁场方向；感应单元包括磁性材料层及设置于磁性材料层上的金属电极层；一个感应单元包括两个相邻的梳齿状电极，位于一个沟槽中的导磁单元与多个感应单元相配合。本发明通过一根磁导单元给两对以上感应单元的梳齿状电极提供磁信号，得到的器件具有更强的灵敏度。

Description

一种磁传感装置的制备工艺

技术领域

本发明属于半导体工艺技术领域，涉及一种传感装置，尤其涉及一种磁传感装置；同时，本发明还涉及一种磁传感装置的制备工艺。

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或半电桥检测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。

此外，通常的Z轴磁传感器实现Z轴方向的自检测具有较大难度，如何实现真正Z轴方向的磁信号输出是一个难题。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的磁传感装置的制备工艺，以克服现有工艺的上述缺陷。

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，可提高感应的灵敏度。

此外，本发明还提供一种磁传感装置的制备工艺，制得的磁传感装置具有更强的灵敏度。

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，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，其表面开有沟槽，沟槽的长度是宽度的五倍以上；

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，用以感应第三方向的磁信号，并将该磁信号输出到感应单元进行测量；

感应单元，设置于所述基底表面上，所述感应单元能直接测量第一方向或/和第二方向的磁场，结合导磁单元输出的磁信号，能测量被导磁单元引导到第一方向或/和第二方向的第三方向磁场；第一方向、第二方向、第三方向两两相互垂直；所述感应单元包括磁性材料层及设置于磁性材料层上的金属电极层；一个感应单元包括两个相邻的梳齿状电极，位于一个沟槽中的导磁单元与多个感应单元相配合；在感应层上方形成的梳齿状电极的间距小于一根导磁单元的长度，即一根导磁单元至少为两对梳齿状电极提供感应的磁信号；感应单元与导磁单元之间有缝隙；

绝缘层单元，设置于在磁性材料层上的部分区域、导磁单元上及沟槽内；

金属层单元，设置于沟槽内的绝缘层单元上，金属层单元是由刻蚀感应单元的金属电极时自然地在沟槽内的绝缘层上，从而形成；金属层单元用以实现自检测作用，即通过在自检测的金属上施加电流，产生垂直于基底平面的磁场，从而实现自检测。在自检测的过程中，在沟槽内的金属层单元两端施加电流，即能在沟槽侧壁上产生平行于沟槽侧壁的磁场，金属层单元两端指分别设置于沟槽的两个侧壁；而这个磁场被导磁单元送入感应单元，进而在感应单元的输出端口输出磁场信号，通过比较该磁场信号与施加电流的关系，起到对Z轴磁传感器评价、自检测的效果。

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，其表面开有沟槽；

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场信号，并将该磁信号输出到感应单元进行测量；

感应单元，设置于所述基底表面上，所述感应单元能直接测量第一方向或/和第二方向的磁场，结合导磁单元输出的磁信号，能测量被导磁单元引导到第一方向或/和第二方向的第三方向磁场；第一方向、第二方向、第三方向两两相互垂直；所述感应单元包括磁性材料层及设置于磁性材料层上的金属电极层；一个感应单元包括两个相邻的梳齿状电极，位于一个沟槽中的导磁单元与多个感应单元相配合；感应单元与导磁单元之间有缝隙；

绝缘层单元，通过在导磁单元及沟槽上沉积绝缘材料实现。

作为本发明的一种优选方案，所述感应单元与导磁单元之间的缝隙在0到1微米之间；优选地，所述感应单元与导磁单元之间的缝隙在1纳米到300纳米之间。

作为本发明的一种优选方案，所述装置还包括金属层单元，设置于沟槽内的绝缘层单元上，用以实现自检测作用，即通过在自检测的金属上施加电流，产生垂直于基底平面的磁场，从而实现自检测，即通过在自检测的金属上施加电流，产生垂直于基底平面的磁场，从而实现自检测。

作为本发明的一种优选方案，在自检测的过程中，在沟槽内的金属层单元两端施加电流，即能在沟槽侧壁上产生平行于沟槽侧壁的磁场，金属层单元两端指分别设置于沟槽的两个侧壁；而这个磁场被导磁单元收集、送入感应单元，进而在感应单元的输出端口输出磁场信号，通过比较该磁场信号与施加电流的关系，起到对Z轴磁传感器评价、自检测的效果。

作为本发明的一种优选方案，所述沟槽的长度是宽度的五倍以上。

作为本发明的一种优选方案，在感应层上方形成的梳齿状电极的间距小于一根导磁单元的长度，即一根导磁单元至少为两对梳齿状电极提供感应的磁信号。

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；

步骤S2、在基底的表面设置沟槽，沟槽的长度是宽度的五倍以上；

步骤S3、在基底表面沉积感应单元的磁性材料层，磁性材料层可包括保护层，制备导磁单元；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；

步骤S4、沉积绝缘材料，得到绝缘层，并打开通孔；

步骤S5、设置电极层；

步骤S6、刻蚀，形成电极层；在沟槽内，金属电极刻蚀的时候自然地在沟槽内的绝缘层上形成金属层，即作为自检测金属层；在感应层上方形成的梳齿状电极的距离小于导磁单元的长度，即一根导磁单元至少为两对梳齿状电极提供感应的磁信号。

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；

步骤S2、在基底的表面设置沟槽；

步骤S3、在基底表面沉积感应单元的磁性材料层，磁性材料层可包括保护层，制备导磁单元；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；

步骤S4、沉积绝缘材料，得到绝缘层，并打开通孔；

步骤S5、设置电极层；

步骤S6、刻蚀，形成电极层；一个感应单元包括两个相邻的梳齿状电极，位于一个沟槽中的导磁单元与多个感应单元相配合。

作为本发明的一种优选方案，所述沟槽的长度是宽度的五倍以上。

作为本发明的一种优选方案，在沟槽内，金属电极刻蚀的时候自然地在沟槽内的绝缘层上形成金属层，即作为自检测金属层；在感应层上方形成的梳齿状电极的距离小于导磁单元的长度，即一根导磁单元至少为两对梳齿状电极提供感应的磁信号。

作为本发明的一种优选方案，步骤S6中，沟槽内刻蚀时有光刻胶残留、保护。

本发明的有益效果在于：本发明提出的磁传感装置及其制备工艺，通过一根磁导单元给两对以上感应单元的梳齿状电极提供电信号，得到的器件具有更强的灵敏度。此外，本发明在制造感应单元上方梳齿状电极对的同时，保留了沟槽里的金属层，此金属层紧贴着沟槽，在沟槽方向施加电信号，即能够在平行于沟槽侧壁的方向得到磁信号（即Z轴方向信号），如此实现Z轴的自检测。

附图说明

图1为现有磁传感器的磁性材料的示意图。

图2为现有磁传感器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为磁传感装置的部分结构示意图。

图7为图6的AA向剖视图。

图8为实施例二中磁传感装置的部分结构示意图。

图9为图7的BB向剖视图。

图10为实施例三中磁传感装置一种实时方式的部分结构示意图。

图11为实施例三中磁传感装置另一种实时方式的部分结构示意图。

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，本发明揭示了一种磁传感装置，所述装置包括第三方向（如Z轴）磁传感部件，用以感应第三方向的磁场信号；该第三方向磁传感部件包括基底1，基底的表面开有沟槽2，沟槽2的长度是宽度的五倍以上。

沟槽2内设有导磁单元3，导磁单元的主体部分设置于沟槽2内，并有部分露出沟槽2至基底1的表面，用以收集第三方向的磁场信号，并将该磁信号输出到感应单元进行测量。

感应单元（包括磁性材料层4、金属电极层5）设置于所述基底1表面上，所述感应单元能直接测量第一方向或/和第二方向的磁场，结合导磁单元3输出的磁信号，能测量被导磁单元3引导到第一方向或/和第二方向的第三方向磁场；第一方向、第二方向、第三方向两两相互垂直。所述感应单元包括磁性材料层4及设置于磁性材料层上的金属电极层5；一个感应单元包括两个相邻的梳齿状电极，位于一个沟槽2中的导磁单元3与多个感应单元相配合；在感应层上方形成的梳齿状电极的间距小于一根导磁单元的长度，即一根导磁单元至少为两对梳齿状电极提供感应的磁信号。

所述感应单元与导磁单元3之间有缝隙；感应单元与导磁单元3之间的缝隙在0到1微米之间；优选地，所述感应单元与导磁单元之间的缝隙在1纳米到300纳米之间。感应单元的磁性材料层4也可以与导磁单元连在一起，在此不再赘述。

在磁性材料层4上的部分区域、导磁单元3上及沟槽2内还设置绝缘层单元6；沟槽2内的绝缘层单元6上设有金属层单元7，金属层单元是由刻蚀感应单元的金属电极时自然地在沟槽内的绝缘层上，从而形成。金属层单元7用以实现自检测作用，即通过在自检测的金属上施加电流，产生垂直于基底平面的磁场，从而实现自检测。

本实施例在制造金属层的过程中，保留了沟槽内的金属层，如图6和7所示，在沟槽内的金属层可以作为自检测的部件。在自检测的过程中，图7中在沟槽内的金属左右端施加电流，即能够在图6所示的沟槽侧壁上产生平行于侧壁的磁场，而这个磁场被导磁单元送入感应单元，进而在感应单元的输出端口输出磁场信号，通过比较该磁场信号与施加电流的关系，起到对Z轴磁传感器评价、自检测的效果。

此外，磁传感装置还可以包括水平方向磁传感部件，用以感应第一方向（如X轴）、第二方向（如Y轴）的磁场属性。

以上介绍了本发明磁传感装置的结构，本发明在揭示磁传感装置结构的同时，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；

【步骤S2】在基底的表面设置沟槽，沟槽的长度是宽度的五倍以上；

【步骤S3】在基底表面沉积感应单元的磁性材料层，磁性材料层可包括保护层，制备导磁单元；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；

【步骤S4】沉积绝缘材料，得到绝缘层，并打开通孔；

【步骤S5】设置电极层；

【步骤S6】刻蚀，形成电极层；在沟槽内，金属电极刻蚀的时候自然地在沟槽内的绝缘层上形成金属层单元7，即作为自检测金属层；在感应层上方形成的梳齿状电极的距离小于导磁单元的长度，即一根导磁单元至少为两对梳齿状电极提供感应的磁信号。其中，沟槽内刻蚀时有光刻胶残留、保护。

实施例二

请参阅图8、图9，本实施例中，在导磁单元和感应单元上方可以不设置绝缘材料层。

在感应单元的磁性材料上方布置有梳齿状的电极阵列，现有的布置方式是：一对梳齿状电极对应着一个导磁单元（一个沟槽）；在不同于以往的结构，本发明中，一个导磁单元（沟槽）对应着两对以上的梳齿状电极，即一个导磁单元能够为两组以上的感应单元输出磁信号，从而实现Z轴磁信号的检测，相比传统的结构，具有更好的灵敏度。感应单元与导磁单元之间的缝隙在10纳米到1微米之间，例如100纳米，200纳米，300纳米。

图8所示为Z轴传感器的俯视图，沟槽是长条形，在沟槽中形成长条的导磁单元，对应着数对梳齿状电极间的感应单元。剖面图如图9所示。

实施例三

本实施例与以上实施例的区别在于，本实施例中，Z轴传感器也可以是如图10和图11所示的结构。

图10中，一个长沟槽内设有多个导磁单元，每个导磁单元对应多个感应单元。

图11中，一个沟槽内设有一个导磁单元，多个沟槽排成一条直线，每个导磁单元对应多个感应单元。

综上所述，本发明提出的磁传感装置及其制备工艺，通过一根磁导单元给两对以上感应单元的梳齿状电极提供电信号，得到的器件具有更强的灵敏度。此外，本发明在制造感应单元上方梳齿状电极对的同时，保留了沟槽里的金属层，此金属层紧贴着沟槽，在沟槽方向施加电信号，即能够在平行于沟槽侧壁的方向得到磁信号（即Z轴方向信号），如此实现Z轴的自检测。

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 (12)

1.一种磁传感装置，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，其表面开有沟槽，沟槽的长度是宽度的五倍以上；

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，用以感应第三方向的磁信号，并将该磁信号输出到感应单元进行测量；

感应单元，设置于所述基底表面上，所述感应单元能直接测量第一方向或/和第二方向的磁场，结合导磁单元输出的磁信号，能测量被导磁单元引导到第一方向或/和第二方向的第三方向磁场；第一方向、第二方向、第三方向两两相互垂直；所述感应单元包括磁性材料层及设置于磁性材料层上的金属电极层；一个感应单元包括两个相邻的梳齿状电极，位于一个沟槽中的导磁单元与多个感应单元相配合；在感应层上方形成的梳齿状电极的间距小于一根导磁单元的长度，即一根导磁单元至少为两对梳齿状电极提供感应的磁信号；感应单元与导磁单元之间有缝隙；

绝缘层单元，设置于在磁性材料层上的部分区域、导磁单元上及沟槽内；

金属层单元，设置于沟槽内的绝缘层单元上，金属层单元是由刻蚀感应单元的金属电极时自然地在沟槽内的绝缘层上，从而形成；金属层单元用以实现自检测作用，即通过在自检测的金属上施加电流，产生垂直于基底平面的磁场，从而实现自检测；在自检测的过程中，在沟槽内的金属层单元两端施加电流，即能在沟槽侧壁上产生平行于沟槽侧壁的磁场，金属层单元两端指分别设置于沟槽的两个侧壁；而这个磁场被导磁单元送入感应单元，进而在感应单元的输出端口输出磁场信号，通过比较该磁场信号与施加电流的关系，起到对Z轴磁传感器评价、自检测的效果。

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，其表面开有沟槽；

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场信号，并将该磁信号输出到感应单元进行测量；

感应单元，设置于所述基底表面上，所述感应单元能直接测量第一方向或/和第二方向的磁场，结合导磁单元输出的磁信号，能测量被导磁单元引导到第一方向或/和第二方向的第三方向磁场；第一方向、第二方向、第三方向两两相互垂直；所述感应单元包括磁性材料层及设置于磁性材料层上的金属电极层；一个感应单元包括两个相邻的梳齿状电极，位于一个沟槽中的导磁单元与多个感应单元相配合；感应单元与导磁单元之间有缝隙；

绝缘层单元，通过在导磁单元及沟槽上沉积绝缘材料实现。

3.根据权利要求2所述的磁传感装置，其特征在于：

所述感应单元与导磁单元之间的缝隙在0到1微米之间。

4.根据权利要求2所述的磁传感装置，其特征在于：

所述感应单元与导磁单元之间的缝隙在1纳米到300纳米之间。

5.根据权利要求2所述的磁传感装置，其特征在于：

所述装置还包括金属层单元，设置于沟槽内的绝缘层单元上，用以实现自检测作用，即通过在自检测的金属上施加电流，产生垂直于基底平面的磁场，从而实现自检测，即通过在自检测的金属上施加电流，产生垂直于基底平面的磁场，从而实现自检测。

6.根据权利要求5所述的磁传感装置，其特征在于：

在自检测的过程中，在沟槽内的金属层单元两端施加电流，即能在沟槽侧壁上产生平行于沟槽侧壁的磁场，金属层单元两端指分别设置于沟槽的两个侧壁；而这个磁场被导磁单元收集、送入感应单元，进而在感应单元的输出端口输出磁场信号，通过比较该磁场信号与施加电流的关系，起到对Z轴磁传感器评价、自检测的效果。

7.根据权利要求2所述的磁传感装置，其特征在于：

所述沟槽的长度是宽度的五倍以上。

8.根据权利要求2所述的磁传感装置，其特征在于：

在感应层上方形成的梳齿状电极的间距小于一根导磁单元的长度，即一根导磁单元至少为两对梳齿状电极提供感应的磁信号。

9.一种权利要求1所述磁传感装置的制备工艺，其特征在于，所述制备工艺包括如下步骤：

步骤S1、设置基底；

步骤S2、在基底的表面设置沟槽，沟槽的长度是宽度的五倍以上；

步骤S3、在基底表面沉积感应单元的磁性材料层，磁性材料层可包括保护层，制备导磁单元；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；

步骤S4、沉积绝缘材料，得到绝缘层，并打开通孔；

步骤S5、设置电极层；

步骤S6、刻蚀，形成电极层；在沟槽内，金属电极刻蚀的时候自然地在沟槽内的绝缘层上形成金属层，即作为自检测金属层；在感应层上方形成的梳齿状电极的距离小于导磁单元的长度，即一根导磁单元至少为两对梳齿状电极提供感应的磁信号。

10.一种权利要求2所述磁传感装置的制备工艺，其特征在于，所述制备工艺包括如下步骤：

步骤S1、设置基底；

步骤S2、在基底的表面设置沟槽；

步骤S3、在基底表面沉积感应单元的磁性材料层，磁性材料层可包括保护层，制备导磁单元；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；

步骤S4、沉积绝缘材料，得到绝缘层，并打开通孔；

步骤S5、设置电极层；

步骤S6、刻蚀，形成电极层；一个感应单元包括两个相邻的梳齿状电极，位于一个沟槽中的导磁单元与多个感应单元相配合。

11.根据权利要求10所述的制备工艺，其特征在于：

所述沟槽的长度是宽度的五倍以上；步骤S6中，沟槽内刻蚀时有光刻胶残留、保护。

12.根据权利要求10所述的制备工艺，其特征在于：

在沟槽内，金属电极刻蚀的时候自然地在沟槽内的绝缘层上形成金属层，即作为自检测金属层；在感应层上方形成的梳齿状电极的距离小于导磁单元的长度，即一根导磁单元至少为两对梳齿状电极提供感应的磁信号。