專利名稱：一體式高精度三軸磁傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及到微弱信號(hào)傳感技術(shù)領(lǐng)域，特指一種一體式高精度三軸磁傳感器。
背景技術(shù)：
微弱磁場(chǎng)測(cè)量在地磁導(dǎo)航、目標(biāo)探測(cè)、地質(zhì)勘探、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。三軸磁傳感器可以同時(shí)測(cè)量磁場(chǎng)的三個(gè)分量，計(jì)算出傳感器的傾角和方位角，在導(dǎo)航、定姿定位等方面比單軸和雙軸傳感器有更廣闊的應(yīng)用前景，高分辨力、低功耗、小型化是三軸磁傳感器的主要發(fā)展方向?，F(xiàn)階段用于磁場(chǎng)測(cè)量的三軸磁傳感器類型較多，按實(shí)現(xiàn)方式可以分為組裝式和一體式，按其工作原理可以分為磁通門傳感器、霍爾傳感器、洛倫茲力磁傳感器、GMR (GiantMagnetoresistive,巨磁阻)磁傳感器等。其中，GMR磁傳感器是基于微電子工藝制成的，具有分辨力高、體積小、功耗低 、易批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，基于GMR效應(yīng)的三軸磁傳感器有希望實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，并且具有高分辨力、小型化和低功耗的特點(diǎn)。采用組裝方式的三軸磁傳感器主要有一個(gè)兩軸和一個(gè)單軸、三個(gè)單軸這兩種組合，主要有以下幾種結(jié)構(gòu)形式:1、組裝式三軸磁傳感器，其Χ、γ軸采用GMR單軸傳感器，Z軸采用霍爾傳感器，霍爾傳感器方便測(cè)量Z向磁場(chǎng)(專利號(hào):US20110234218A1) ;2、集成三個(gè)獨(dú)立磁傳感器到一個(gè)芯片上的三軸測(cè)量方案(專利號(hào):US7271586) ;3、將三個(gè)獨(dú)立的MI磁傳感器組裝在一起形成三軸(US7298140B2) ;4、將霍爾傳感器和搜索線圈傳感器組裝到一起，可以同時(shí)測(cè)量恒定磁場(chǎng)和交變磁場(chǎng)，分辨力高，其中測(cè)量恒定磁場(chǎng)可以達(dá)到ΙΟΟρΤ，但是由于采用三維線圈結(jié)構(gòu)，體積較大，無法實(shí)現(xiàn)三軸磁傳感器的小型化且不便批量生產(chǎn)；5、基于GMR敏感元件的環(huán)形磁力線聚集器結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行了有限元仿真分析，這種結(jié)構(gòu)可以提高GMR敏感元件的靈敏度，但三個(gè)分立的環(huán)形聚集器工藝難以實(shí)現(xiàn)，而且需要放在一起組裝形成三軸磁傳感器。一般而言，組裝式三軸磁傳感器的三軸正交性依賴于組裝精度，而采用MEMS工藝制作的一體式三軸磁傳感器具有更好的正交性。在采用MEMS工藝的一體式三軸磁傳感器方面，現(xiàn)有技術(shù)中也有不少方案提出:1、通過一定工藝在同一基底上制作不同釘扎方向的MR磁傳感器，并在測(cè)量Z向磁場(chǎng)的MR敏感元件旁邊制作軟磁材料的聚集器，一體化制作形成基于MR效應(yīng)的三軸磁傳感器。2、將測(cè)量垂直平面的Z向磁場(chǎng)的傳感器做到斜面上，與測(cè)量X、Y向磁場(chǎng)的平面內(nèi)傳感器一起實(shí)現(xiàn)三軸測(cè)量(專利號(hào):US7564237、US7126330)，實(shí)現(xiàn)了一體化制作，但是斜面上的MR磁傳感器制作難度相對(duì)較大，與平面內(nèi)磁傳感器的一致性難以保證。3、將MR敏感元件制作在基底的斜面上用來測(cè)量Z向磁場(chǎng)，和平面內(nèi)的MR敏感元件一體化制作，形成三軸磁傳感器(專利號(hào):US20120268113A1、US20090027048AU US20090027048)。4、另有人采用 CMOS 工藝在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)基于霍爾效應(yīng)的磁場(chǎng)三軸傳感器，保證了三軸之間的正交性，無磁滯效應(yīng)，也不需要特殊的磁性材料，可以同時(shí)測(cè)量三分量，但分辨力低，約21 μ T。5、采用微加工技術(shù)在GaAs基底上利用熱應(yīng)力使制作的霍爾傳感器與基底平面大體垂直，形成三軸霍爾傳感器，實(shí)現(xiàn)了三軸磁傳感器的小型化和一體化設(shè)計(jì)制造，工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)單，但其Z向傳感器與平面的夾角難以精確控制，所有三軸之間的正交性難以保證，而且最小可探測(cè)在2μ T左右。6、有人利用永磁體膜和外磁場(chǎng)的相互作用力改變壓阻敏感兀件輸出的原理,米用MEMS加工技術(shù)在硅片上實(shí)現(xiàn)三軸磁傳感器的一體化設(shè)計(jì)，保證了傳感器的小型化和一體化，但可以達(dá)到的分辨力有限，目前其Z向磁場(chǎng)的測(cè)量分辨力為250ηΤ。7、由于置于磁場(chǎng)中的通電導(dǎo)體會(huì)受到洛倫茲力的作用力，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)把這種作用力產(chǎn)生位移，引起電容變化，測(cè)量電容即可得到磁場(chǎng)量值，采用MEMS技術(shù)的洛倫茲力三軸磁傳感器，無磁滯效應(yīng)，也不需要特殊的磁性材料，可以保證正交性、小型化、低功耗，但這種原理的磁傳感器所能達(dá)到的分辨力不高，目前其Z分量的測(cè)量分辨力為70ηΤ左右，而且低于平面內(nèi)磁場(chǎng)測(cè)量的分辨力。
8、在雙軸GMR磁傳感器基礎(chǔ)上，利用NiFe板將垂直平面的磁場(chǎng)分量扭曲至平面后測(cè)量，形成三軸MR傳感器,可用表面微加工技術(shù)實(shí)現(xiàn),但扭曲后的磁場(chǎng)分量較小,Z向磁場(chǎng)測(cè)量分辨力較低。通過以上對(duì)現(xiàn)有一體化三軸磁傳感器的分析可知，在三軸磁傳感器一體化制作中，難點(diǎn)是在于測(cè)量Z向磁場(chǎng)?；诨魻柎琶舾性吐鍌惼澚χC振的磁傳感器可以達(dá)到的分辨率都不高，采用GMR敏感元件可以實(shí)現(xiàn)高分辨率測(cè)量需求，但是GMR敏感元件有一個(gè)特點(diǎn)，就是只能測(cè)量GMR敏感元件所在平面內(nèi)的磁場(chǎng)。解決這個(gè)問題主要有兩種思路，第一種是把磁傳感器制作在基底的斜面上，第二種是用磁力線轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)把垂直平面的Z向磁力線轉(zhuǎn)到平面內(nèi)后用平面磁傳感器測(cè)量。基于這兩種思路測(cè)量Z向磁場(chǎng)方面目前也有不少方案提出。如:1、在MR元件兩側(cè)添加軟磁材料的聚集器，把垂直平面的磁力線部分地折的平面內(nèi)測(cè)量(專利號(hào):US7505233B2) ;2、在MR敏感元件旁邊放置軟磁塊，也是類似的作用(專利號(hào):US20120200292A1) ;3、在基底上做出凹坑或者凸臺(tái)，然后把MTJ器件制作在斜面上，通過電路處理敏感元件的輸出信號(hào)來測(cè)量Z向磁場(chǎng)(專利號(hào):US20120068698) ;4、在硅的100表面各向異性蝕刻出111面，111面與100面之間有取決于硅晶體結(jié)構(gòu)的夾角，然后把AMR磁敏感元件111面上，由于AMR敏感元件與基底平面呈一定夾角，可以測(cè)量Z向磁場(chǎng)，噪聲水平為20ηΤ@1Ηζ ;同時(shí)，制作在斜面上的AMR磁敏感元件與平面上的AMR磁敏感元件對(duì)磁場(chǎng)的靈敏度有差異，采用簡(jiǎn)單的電路難以從兩個(gè)磁敏元件的響應(yīng)中解出Z向磁場(chǎng)量值。一般情況下，一體式三軸磁傳感器比組裝式具有更好地正交性，可采用微加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器的小型化，但基于霍爾元件、AMR元件、洛倫茲力諧振磁敏感元件，總體分辨力較低；采用GMR作為敏感元件一般可以達(dá)到較高的靈敏度和分辨率，但是GMR對(duì)所在平面內(nèi)的磁場(chǎng)敏感，垂直平面的磁場(chǎng)對(duì)其影響很小。在GMR敏感元件的附近放置軟磁塊在一定程度上可以把Z向磁力線轉(zhuǎn)移到平面內(nèi)測(cè)量，但是以上各種放置方法在具體實(shí)現(xiàn)中難度較大，而且難以保證軟磁塊的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性和性能一致性；把GMR敏感元件制作在傳感器基底的斜面上可以直接測(cè)量Z向磁場(chǎng)，但其實(shí)現(xiàn)方法也比較復(fù)雜，而且位于斜面上的各磁傳感器之間以及和平面內(nèi)的磁傳感器之間的一致性也難以保證。所以，現(xiàn)有技術(shù)中技術(shù)發(fā)展的難點(diǎn)在于如何用GMR敏感元件測(cè)量Z向磁場(chǎng),這個(gè)難點(diǎn)導(dǎo)致了基于GMR敏感元件的三軸一體式磁傳感器的設(shè)計(jì)制作難以實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、體積小、制造方便、制作成本低廉、靈敏度高的一體式高精度三軸磁傳感器。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種一體式高精度三軸磁傳感器，包括四個(gè)磁測(cè)量單元、信號(hào)輸出和偏置電極、平面內(nèi)聚集器、四個(gè)磁變軌聚集器、四個(gè)凹坑以及基底，所述平面聚集器采用自身對(duì)稱式結(jié)構(gòu)并位于基底的中間位置處，所述四個(gè)磁變軌聚集器在平面聚集器的四面呈對(duì)稱狀分布，每個(gè)所述磁變軌聚集器均位于一個(gè)凹坑中；每個(gè)磁測(cè)量單元均包括用兩個(gè)GMR敏感元件和兩個(gè)GMR參考元件構(gòu)成的惠斯通電橋。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述平面聚集器和磁變軌聚集器之間的氣隙比GMR敏感元件寬，所述GMR敏感元件放置于所述氣隙處，所述兩個(gè)GMR參考元件分別位于所述氣隙兩側(cè)的磁變軌聚集器下方。所述磁變軌聚集器包括位于凹坑底部的坑底聚集器、位于凹坑斜面上的斜面聚集器、位于凹坑邊沿的邊沿聚集器，所述坑底聚集器、斜面聚集器、邊沿聚集器依次連接為一個(gè)整體。所述GMR參考元件、GMR敏感元件均采用自旋閥結(jié)構(gòu)或多層膜結(jié)構(gòu)。所述基底采用本征硅，光刻之后在本征硅的(100)平面用腐蝕液蝕刻出四個(gè)對(duì)稱的凹坑，所述凹坑的斜面為本征硅的(111)平面，與(100)平面的夾角為54.74°。所述基底的表面沉積一層絕緣層。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明的一體式高精度三軸磁傳感器，基于MEMS工藝，采用了垂直磁場(chǎng)平面化測(cè)量技術(shù)，整個(gè)三軸磁傳感器靈敏度高、體積小、功耗低，GMR單元一致性好，三軸間具有很好的正交性，并且傳感器整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，可有效降低傳感器的制作成本。


圖1是本發(fā)明的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明中磁測(cè)量單元的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明中聚集器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明中基底和引線的不意圖。圖5是本發(fā)明中磁變軌聚集器的截面示意圖。圖例說明:1、磁測(cè)量單元；2、平面聚集器；3、磁變軌聚集器；4、凹坑；7、GMR參考元件；8、GMR敏感元件；901、邊沿聚集器；902、斜面聚集器；903、坑底聚集器；10、基底；101、第一磁測(cè)量單元；102、第二磁測(cè)量單元；103、第三磁測(cè)量單元；104、第四磁測(cè)量單元；301、第一磁變軌聚集器；302、第二磁變軌聚集器；303、第三磁變軌聚集器；304、第四磁變軌聚集器；401、第一凹坑；402、第二凹坑；403、第三凹坑；404、第四凹坑；701、第一參考元件；702、第二參考元件;801、第一敏感元件;802、第二敏感元件;1101、1102、1103、1104、四組電極。
具體實(shí)施方式
以下將結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖1所示，本發(fā)明的一體式高精度三軸磁傳感器，包括四個(gè)磁測(cè)量單元1、信號(hào)輸出和偏置電極、平面聚集器2、四個(gè)磁變軌聚集器3、四個(gè)凹坑4、基底10以及四組電極，平面聚集器2采用自身對(duì)稱式結(jié)構(gòu)，并位于基底10的中間位置處，四個(gè)磁變軌聚集器3在平面聚集器2的四面呈對(duì)稱狀分布，共同組成磁力線變軌和聚集放大的作用，每個(gè)磁變軌聚集器3均位于一個(gè)凹坑4中。四個(gè)磁測(cè)量單元I分別為第一磁測(cè)量單元101、第二磁測(cè)量單元102、第三磁測(cè)量單元103、第四磁測(cè)量單元104 ;四個(gè)磁變軌聚集器3分別為第一磁變軌聚集器301、第二磁變軌聚集器302、第三磁變軌聚集器303、第四磁變軌聚集器304 ;四個(gè)凹坑4分別為第一凹坑401、第二凹坑402、第三凹坑403、第四凹坑404。四組電極分別為:1101、1102、1103、1104。如圖2和圖5所示,每個(gè)磁測(cè)量單元I均包括用兩個(gè)GMR敏感元件8和兩個(gè)GMR參考元件7構(gòu)成的惠斯通電橋,如圖中GMR敏感元件8的第一敏感元件801、第二敏感元件802，GMR參考元件7中的第一參考元件701、第二參考元件702。其中，GMR參考元件7、GMR敏感元件8均呈細(xì)條狀，在具體實(shí)例中可采用自旋閥結(jié)構(gòu)，也可以采用多層膜結(jié)構(gòu)。GMR敏感元件8位于平面聚集器2和磁變軌聚集器3的氣隙之間，當(dāng)GMR敏感元件8敏感方向的磁場(chǎng)變化時(shí)，GMR敏感元件8的電阻值也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。兩個(gè)GMR參考元件7分別位于氣隙兩側(cè)的磁變軌聚集器3下方，磁變軌聚集器3在聚集磁力線的同時(shí)，會(huì)對(duì)GMR參考元件7所處位置起到磁屏蔽作用，當(dāng)外磁場(chǎng)變化時(shí)，GMR參考元件7不會(huì)受到磁場(chǎng)作用，其電阻值也不會(huì)發(fā)生變化。GMR敏感元件8的第一敏感元件801、第二敏感元件802的電阻值隨外磁場(chǎng)的改變變化，則惠斯通電橋的輸出信號(hào)Vsi和Vs2的差分反映了被測(cè)磁場(chǎng)的大小，所以可用磁測(cè)量單元I測(cè)量其敏感方向的磁場(chǎng)值。如圖3所示，本實(shí)施例中，聚集器由平面聚集器2和磁變軌聚集器3構(gòu)成。聚集器是采用高磁導(dǎo)率軟磁材料(如NiFeXoZrNb等)在基底10表面濺射制成的軟磁薄膜，其形狀并不限于圖中所示，可以為長(zhǎng)方形或梯形等，只要滿足對(duì)稱性要求即可。聚集器可以對(duì)磁力線產(chǎn)生聚集作用，增加GMR敏感元件8位置的磁場(chǎng)值。本發(fā)明中平面聚集器2位于中心、磁變軌聚集器3位于四周，呈對(duì)稱分布。平面聚集器2和磁變軌聚集器3之間的氣隙比GMR敏感元件略寬，用來放置測(cè)量用GMR敏感元件8。磁變軌聚集器3由位于不同位置的三個(gè)部分組成，坑底聚集器903位于凹坑4的底部，斜面聚集器902位于凹坑4的斜面上，邊沿聚集器901位于凹坑4的邊沿，三部分聚集器依次連接為一個(gè)整體，磁變軌聚集器3的垂直高度為凹坑4的深度。平面聚集器2和磁變軌聚集器3具有兩方面的作用:一方面可以把垂直磁傳感器平面的磁場(chǎng)分量聚集并扭轉(zhuǎn)到磁傳感器平面內(nèi)，然后可以用磁測(cè)量單元I進(jìn)行測(cè)量，即實(shí)現(xiàn)垂直磁場(chǎng)的平面化測(cè)量；另一方面可以把磁測(cè)量單元I敏感方向的磁場(chǎng)分量聚集放大，然后用磁測(cè)量單元I進(jìn)行測(cè)量，可以提高磁測(cè)量單元I的靈敏度?？梢?，磁測(cè)量單元I的測(cè)量結(jié)果包括兩部分，一部分為垂直于傳感器平面的磁場(chǎng)分量，另一部分為平面內(nèi)的磁場(chǎng)分量。如圖4所不,為本發(fā)明具體實(shí)例中基底10和引線的不意圖。其中，基底10米用本征硅，光刻之后在本征硅的(100)平面用腐蝕液蝕刻出四個(gè)對(duì)稱的凹坑4，凹坑4的斜面為本征硅的(111)平面，與(100)平面的夾角為54.74°，確定的夾角可以保證凹坑4結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，也保證了各個(gè)磁變軌結(jié)構(gòu)對(duì)于磁場(chǎng)有一致的作用效果。然后，采用氣相化學(xué)反應(yīng)在基底10的表面沉積一層絕緣層，如Si3N4,以提高基底10的絕緣性能。凹坑4的外形并不限于圖4所示的長(zhǎng)方形，只要能夠形成中心對(duì)稱的斜面即滿足要求；凹坑4的腐蝕深度根據(jù)所需垂直方向磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換效率來確定。平面內(nèi)的四組電極1101、1102、1103、1104的形狀和具體位置皆不限圖4所示，只要滿足磁場(chǎng)測(cè)量元件的電壓偏置和信號(hào)輸出要求即可。在基底10上所有電極對(duì)采用先濺射(或真空蒸發(fā)、電鍍等)導(dǎo)電膜層(鋁或金等)再光刻腐蝕的工藝制備成型。如圖5所示，為本實(shí)例中一個(gè)磁變軌聚集器3和基底10的部分剖面示意圖。GMR敏感元件8位于平面聚集器2和磁變軌聚集器3之間，測(cè)量其敏感方向的磁場(chǎng)值。GMR參考元件7的第一參考元件701、第一參考元件702分別位于氣隙兩側(cè)的磁變軌聚集器3下方，受到磁變軌聚集器3的屏蔽作用，所以其電阻值不隨外磁場(chǎng)變化，即對(duì)磁場(chǎng)無響應(yīng)；但是，溫度變化會(huì)對(duì)所有的GMR敏感元件8的電阻值產(chǎn)生相同的作用，所以GMR敏感元件8和GMR參考元件7組成的惠斯通電橋形式的磁測(cè)量單元I對(duì)溫度的不利影響有一定的抑制作用。具體操作過程中，設(shè)GMR元件的靈敏度為
權(quán)利要求
1.一種一體式高精度三軸磁傳感器,其特征在于:包括四個(gè)磁測(cè)量單兀(I)、信號(hào)輸出和偏置電極、平面聚集器(2)、四個(gè)磁變軌聚集器(3)、四個(gè)凹坑(4)以及基底(10)，所述平面聚集器(2)采用自身對(duì)稱式結(jié)構(gòu)并位于基底(10)的中間位置處，所述四個(gè)磁變軌聚集器(3)在平面聚集器(2)的四面呈對(duì)稱狀分布，每個(gè)所述磁變軌聚集器(3)均位于一個(gè)凹坑(4)中；每個(gè)磁測(cè)量單元(I)均包括用兩個(gè)GMR敏感元件(8)和兩個(gè)GMR參考元件(7)構(gòu)成的惠斯通電橋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體式高精度三軸磁傳感器，其特征在于:所述平面聚集器(2)和磁變軌聚集器(3)之間的氣隙比GMR敏感元件(8)寬，所述GMR敏感元件(8)放置于所述氣隙處，所述兩個(gè)GMR參考元件(7)分別位于所述氣隙兩側(cè)的磁變軌聚集器(3)下方。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一體式高精度三軸磁傳感器，其特征在于:所述磁變軌聚集器(3)包括位于凹坑(4)底部的坑底聚集器(903)、位于凹坑(4)斜面上的斜面聚集器(902)、位于凹坑(4)邊沿的邊沿聚集器(901)，所述坑底聚集器(903)、斜面聚集器(902)、邊沿聚集器(901)依次連接為一個(gè)整體。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一體式高精度三軸磁傳感器，其特征在于:所述GMR參考元件(7)、GMR敏感元件(8)均采用自旋閥結(jié)構(gòu)或多層膜結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 4中任意一項(xiàng)所述的一體式高精度三軸磁傳感器,其特征在于:所述基底(10)米用本征娃,光刻之后在本征娃的100平面用腐蝕液蝕刻出四個(gè)對(duì)稱的凹坑(4)，所述凹坑(4)的斜面為本征硅的111平面，與100平面的夾角為54.74°。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一體式高精度三軸磁傳感器,其特征在于:所述本征娃的表面沉積一層絕緣層。
全文摘要
一種一體式高精度三軸磁傳感器，包括四個(gè)磁測(cè)量單元、信號(hào)輸出和偏置電極、平面內(nèi)聚集器、四個(gè)磁變軌聚集器、四個(gè)凹坑以及基底，所述平面聚集器采用自身對(duì)稱式結(jié)構(gòu)并位于基底的中間位置處，所述四個(gè)磁變軌聚集器在平面聚集器的四面呈對(duì)稱狀分布，每個(gè)所述磁變軌聚集器均位于一個(gè)凹坑中；每個(gè)磁測(cè)量單元均包括用兩個(gè)GMR敏感元件和兩個(gè)GMR參考元件構(gòu)成的惠斯通電橋。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、體積小、制造方便、制作成本低廉、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01R33/09GK103116143SQ20131002361
公開日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2013年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月22日
發(fā)明者田武剛, 趙建強(qiáng), 胡佳飛, 張琦, 陳棣湘, 羅詩途, 潘孟春, 李文印 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)