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一種單芯片三軸線性磁傳感器及其制備方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201410155003.2

申請日:

2014.04.17

公開號:

CN103954920A

公開日:

2014.07.30

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G01R 33/09申請日:20140417|||公開
IPC分類號: G01R33/09; G01R33/04 主分類號: G01R33/09
申請人: 江蘇多維科技有限公司
發明人: 詹姆斯·G·迪克
地址: 215600 江蘇省蘇州市張家港市保稅區廣東路7號
優先權:
專利代理機構: 蘇州創元專利商標事務所有限公司 32103 代理人: 李艷;孫仿衛
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201410155003.2

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2016.09.14|||2014.08.27|||2014.07.30

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種單芯片三軸線性磁傳感器及其制備方法,其中傳感器包括一X軸傳感器、Y軸傳感器和Z軸傳感器。其中X軸傳感器包含有一參考電橋和至少兩個X-磁通量控制器,Y軸傳感器包含有一推挽電橋和至少兩個Y-磁通量控制器,Z軸傳感器包含有一推挽電橋和至少一個Z-磁通量控制器。參考電橋、推挽電橋的橋臂均由一個或多個磁電阻傳感元件電連接構成,磁電阻傳感元件的敏感軸方向和釘扎層的磁化方向均沿X軸方向。本發明公開的制備方法,即先在晶片上沉積一層磁電阻薄膜,然后通過使用磁退火、光刻、刻蝕、鍍膜等技術便得到最終的傳感器。該單芯片三軸線性磁傳感器具有成本低、制作簡單、線性度好、靈敏度高等優點。

權利要求書

權利要求書
1.  一種單芯片三軸線性磁傳感器,其特征在于,該傳感器包括:
一位于XY平面內的基片,所述基片上集成設置有一X軸傳感器、一Y軸傳感器和一Z軸傳感器,各自均包括一個或多個相同的相互電連接的磁電阻傳感元件,分別用于檢測磁場在X軸方向、Y軸方向、Z軸方向上的分量;
所述X軸傳感器包含有一參考電橋和至少兩個X-磁通量控制器,所述參考電橋的參考臂和感應臂交替排列,并且各自均包括所述一個或多個相同的相互電連接的磁電阻傳感元件;所述參考臂上的磁電阻傳感元件位于所述X-磁通量控制器的上方或下方,并沿著所述X-磁通量控制器的長度方向排列形成參考元件串;所述感應臂上的磁電阻傳感元件位于相鄰兩個所述X-磁通量控制器之間的間隙處,并沿著所述X-磁通量控制器的長度方向排列形成感應元件串;
所述Y軸傳感器包含有一推挽電橋,所述推挽電橋的推臂和挽臂上各自對應設置有至少兩個Y-磁通量控制器,所述推臂和所述挽臂交替排列,各自均包括所述一個或多個相同的相互電連接的磁電阻傳感元件,所述磁電阻傳感元件分別位于對應的兩個相鄰所述Y-磁通量控制器之間的間隙處;
所述Z軸傳感器包含有一推挽電橋和至少一個Z-磁通量控制器,所述推挽電橋的推臂和挽臂交替排列,各自均包括所述一個或多個相同的相互電連接的磁電阻傳感元件;所述推臂和所述挽臂上的磁電阻傳感元件分別位于所述Z-磁通量控制器的下方兩側或上方兩側,并均沿著所述Z-磁通量控制器的長度方向排列;
所述X軸傳感器、Y 軸傳感器和Z軸傳感器中的所有所述磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向均相同,在沒有磁通量控制器時,所有所述磁電阻傳感元件的感應方向為X軸方向;
其中,X軸、Y軸和Z軸兩兩正交。

2.  根據權利要求1所述的單芯片三軸線性磁傳感器,其特征在于,所述磁電阻傳感元件為GMR自旋閥元件或者TMR傳感元件。

3.  根據權利要求1所述的單芯片三軸線性磁傳感器,其特征在于,所述X-磁通量控制器、Y-磁通量控制器和Z-磁通量控制器均為矩形長條陣列,其組成材料均為軟鐵磁合金。

4.  根據權利要求1所述的單芯片三軸線性磁傳感器,其特征在于,每個所述參考元件串與相鄰的所述感應元件串之間的間距均為L;當所述X-磁通量控制器的個數為偶數時,在所述X軸傳感器的正中間有兩個所述參考元件串相鄰,其間距為2L ;當所述X-磁通量控制器的個數為奇數時,在所述X軸傳感器的正中間有兩個所述感應元件串相鄰,其間距為2L,其中L為自然數。

5.  根據權利要求1所述的單芯片三軸線性磁傳感器,其特征在于,所述X-磁通量控制器之間的間隙處的磁場的增益系數為1 <Asns <100,所述X-磁通量控制器上方或者下方處的磁場的衰減系數為0 <Aref <1。

6.  根據權利要求1所述的單芯片三軸線性磁傳感器,其特征在于,對于所述Y軸傳感器,所述推臂和所述挽臂上的Y-磁通量控制器的數量相同;所述推臂上Y-磁通量控制器與X軸正向的夾角α為0°~90°,所述挽臂上Y-磁通量控制器與X軸正向的夾角β為-90°~0°;或;所述推臂上Y-磁通量控制器與X軸正向的夾角α為-90°~0°,所述挽臂上Y-磁通量控制器與X軸正向的夾角為β為0°~90°,其中,|α|=|β|。

7.  根據權利要求6所述的單芯片三軸線性磁傳感器,其特征在于,對于所述Y軸傳感器,所述推臂和所述挽臂上的磁電阻傳感元件的數量相同并且相對位置上的磁電阻傳感元件之間相互平行;所述推臂和所述挽臂上的磁電阻傳感元件彼此的旋轉角度的幅度相同,但方向不同。

8.  根據權利要求1所述的單芯片三軸線性磁傳感器,其特征在于,對于所述Z軸傳感器,所述推挽電橋的推臂和挽臂上的磁電阻傳感元件的數量相同。

9.  根據權利要求1所述的單芯片三軸線性磁傳感器,其特征在于,所述Z軸傳感器的磁電阻傳感元件的長度與寬度之間的比值大于1。

10.  根據權利要求1所述的單芯片三軸線性磁傳感器,其特征在于,相鄰兩個所述Z-磁通量控制器之間的間距S不小于所述Z-磁通量控制器的寬度Lx。

11.  根據權利要求10所述的單芯片三軸線性磁傳感器,其特征在于,相鄰兩個所述Z-磁通量控制器之間的間距S> 2Lx。

12.  根據權利要求1所述的單芯片三軸線性磁傳感器,其特征在于,所述Z軸傳感器中的磁電阻傳感元件位于所述Z-磁通量控制器上方或下方兩側邊緣的外側。

13.  根據權利要求1所述的單芯片三軸線性磁傳感器,其特征在于,減小所述Z軸傳感器中的磁電阻傳感元件與所述Z-磁通量控制器的下方邊緣的間距,或者增大所述Z-磁通量控制器的厚度Lz,或者減小所述Z-磁通量控制器的寬度Lx均能增加所述Z軸傳感器的靈敏度。

14.  根據權利要求1所述的單芯片三軸線性磁傳感器,其特征在于,在沒有外加磁場時,所述磁電阻傳感元件通過永磁偏置、雙交換作用、形狀各向異性或者它們的任意結合來使磁性自由層的磁化方向與釘扎層的磁化方向垂直。

15.  根據權利要求1所述的單芯片三軸線性磁傳感器,其特征在于,所述參考電橋、所述推挽電橋均為半橋、全橋或者準橋結構。

16.  根據權利要求1所述的單芯片三軸線性磁傳感器,其特征在于,所述基片上集成有一ASIC芯片,或者所述基片與一獨立的ASIC芯片相電連接。

17.  根據權利要求1所述的單芯片三軸線性磁傳感器,其特征在于,所述單芯片三軸線性磁傳感器的半導體封裝方法包括焊盤引線鍵合、倒裝芯片、球柵陣列封裝(BGA)、晶圓級封裝(WLP)或板上芯片封裝(COB)。

18.  根據權利要求1或13所述的單芯片三軸線性磁傳感器,所述X軸傳感器、所述Y軸傳感器和所述Z軸傳感器具有相同的靈敏度。

19.  一種單芯片三軸線性磁傳感器的制備方法,其特征在于,該方法包括以下步驟:
(1)將磁電阻材料薄膜堆疊沉積在一晶圓上,并通過在磁場中進行熱退火來設置所述磁電阻材料薄膜堆疊中釘扎層的磁化方向、釘扎層的磁學特性、自由層的磁學特性以及隧道結的電學特性;
(2)構建底部電極,并在所述磁電阻材料薄膜堆疊上同時構建X軸傳感器、Y軸傳感器和Z軸傳感器中的磁電阻傳感元件;
(3)在所述磁電阻傳感元件上方沉積一絕緣層I,并在所述絕緣層I上形成為磁電阻傳感元件提供電連接通道的通孔;
(4)在所述通孔上方沉積一頂部金屬層,將所述頂部金屬層構建成頂部電極,并在各元件之間進行布線; 
(5)在所述頂部金屬層上方沉積一絕緣層II,再在所述絕緣層II   
上方沉積一軟鐵磁合金材料層,在所述軟鐵磁合金材料層上同時構建出X-磁通量控制器、Y-磁通量控制器和Z-磁通量控制器;
(6)在所有的所述X-磁通量控制器、Y-磁通量控制器和Z-磁通量控制器的上方同時沉積一鈍化層,再在對應所述底部電極和所述頂部電極的位置上對所述鈍化層進行刻蝕、通孔,形成對外連接的焊盤。

20.  根據權利要求19所述的制備方法,其特征在于,所述磁電阻材料薄膜堆疊中釘扎層用阻擋溫度為TB1的反鐵磁材料來進行釘扎,自由層用阻擋溫度為TB2的第二反鐵磁材料來進行偏置,其中TB1>TB2;在磁場中進行熱退火為雙步驟熱磁退火,其包括以下步驟:首先是在溫度為T1的磁場中將所述晶圓進行退火,其中T1>TB1;接著是在溫度為T2的磁場中進行冷卻,其中TB1>T2>TB2;在所述晶圓溫度冷卻到T2之后,將所述晶圓或者外加磁場的方向旋轉90度;再接著將所述晶圓冷卻至溫度T3,撤去外加磁場,其中TB2>T3;最后將晶圓冷卻至室溫。

21.  根據權利要求19所述的制備方法,其特征在于,步驟(2)中通過光刻、離子刻蝕、反應離子刻蝕、濕式蝕刻、剝離或者硬掩膜在所述磁電阻材料薄膜堆疊上同時構建X軸傳感器、Y軸傳感器和Z軸傳感器中的磁電阻傳感元件。

22.  根據權利要求19所述的制備方法,其特征在于,在步驟(3)中通過光刻、離子刻蝕、反應離子刻蝕或者濕式蝕刻來形成所述通孔。

23.  根據權利要求19所述的制備方法,其特征在于,步驟(3)中的所述通孔為自對準接觸孔,所述自對準接觸孔通過剝離(lift off)工藝或硬掩膜工藝形成。

24.  根據權利要求19所述的制備方法,其特征在于,在所述頂部金屬層上方沉積一絕緣層II包括:在所述頂部金屬層上方沉積一第一子絕緣層;在所述第一子絕緣層上沉積一用于構建電磁線圈的導體;再在所述電磁線圈上沉積一第二子絕緣層,所述第一子絕緣層、第二子絕緣層和所述導體構成所述絕緣層II;所述在所述絕緣層II上方沉積一軟鐵磁合金材料層包括:在所述第二子絕緣層上沉積有所述軟鐵磁合金材料層。

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一種 芯片 軸線 傳感器 及其 制備 方法
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