專利名稱：一種采用磁變軌結(jié)構的z向磁場傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及微弱信號傳感技術領域，特指一種采用磁變軌結(jié)構的Z向磁場傳感器。
背景技術：
微弱磁場測量在地磁導航、目標探測、地質(zhì)勘探、生物醫(yī)學等領域都有廣泛應用。三軸磁傳感器可以同時測量磁場的三個分量，計算出傳感器的傾角和方位角，在導航、定姿定位等方面比單軸和雙軸傳感器有更廣闊的應用前景，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)階段用于磁場測量的三軸磁傳感器類型較多，按實現(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，基于GMR效應的三軸磁傳感器有希望實現(xiàn)一體化設計，并且具有高分辨力、小型化和低功耗的特點。采用組裝方式的三軸磁傳感器主要有一個兩軸和一個單軸、三個單軸這兩種組合，主要有以下幾種結(jié)構形式: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，霍爾傳感器方便測量Z向磁場(專利號:US20110234218A1) ;2、集成三個獨立磁傳感器到一個芯片上的三軸測量方案(專利號:US7271586) ;3、將三個獨立的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，可以同時測量恒定磁場和交變磁場，分辨力高，其中測量恒定磁場可以達到ΙΟΟρΤ，但是由于采用三維線圈結(jié)構，體積較大，無法實現(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，并對其進行了有限元仿真分析，這種結(jié)構可以提高GMR敏感元件的靈敏度，但三個分立的環(huán)形聚集器工藝難以實現(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，并在測量Z向磁場的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效應的三軸磁傳感器。2、將測量垂直平面的Z向磁場的傳感器做到斜面上，與測量X、Y向磁場的平面內(nèi)傳感器一起實現(xiàn)三軸測量(專利號:US7564237、US7126330)，實現(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量Z向磁場，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:US20120268113A1、US20090027048AU US20090027048)。4、另有人采用 CMOS 工藝在一個硅片上實現(xiàn)基于霍爾效應的磁場 三軸傳感器，保證了三軸之間的正交性，無磁滯效應，也不需要特殊的磁性材料，可以同時測量三分量，但分辨力低，約21 μ T。5、采用微加工技術在GaAs基底上利用熱應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，實現(xiàn)了三軸磁傳感器的小型化和一體化設計制造，工藝流程相對簡單，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，而且最小可探測在2μ T左右。6、有人利用永磁體膜和外磁場的相互作用力改變壓阻敏感兀件輸出的原理,米用MEMS加工技術在硅片上實現(xiàn)三軸磁傳感器的一體化設計，保證了傳感器的小型化和一體化，但可以達到的分辨力有限，目前其Z向磁場的測量分辨力為250ηΤ。7、由于置于磁場中的通電導體會受到洛倫茲力的作用力，通過結(jié)構設計把這種作用力產(chǎn)生位移，引起電容變化，測量電容即可得到磁場量值，采用MEMS技術的洛倫茲力三軸磁傳感器，無磁滯效應，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到的分辨力不高，目前其Z分量的測量分辨力為70ηΤ左右，而且低于平面內(nèi)磁場測量的分辨力。
8、在雙軸GMR磁傳感器基礎上，利用NiFe板將垂直平面的磁場分量扭曲至平面后測量，形成三軸MR傳感器,可用表面微加工技術實現(xiàn),但扭曲后的磁場分量較小,Z向磁場測量分辨力較低。通過以上對現(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，難點是在于測量Z向磁場?；诨魻柎琶舾性吐鍌惼澚χC振的磁傳感器可以達到的分辨率都不高，采用GMR敏感元件可以實現(xiàn)高分辨率測量需求，但是GMR敏感元件有一個特點，就是只能測量GMR敏感元件所在平面內(nèi)的磁場。解決這個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量。基于這兩種思路測量Z向磁場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)測量(專利號: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:US20120200292A1) ;3、在基底上做出凹坑或者凸臺，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來測量Z向磁場(專利號: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，可以測量Z向磁場，噪聲水平為20ηΤ@1Ηζ ;同時，制作在斜面上的AMR磁敏感元件與平面上的AMR磁敏感元件對磁場的靈敏度有差異，采用簡單的電路難以從兩個磁敏元件的響應中解出Z向磁場量值。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，可采用微加工技術實現(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到較高的靈敏度和分辨率，但是GMR對所在平面內(nèi)的磁場敏感，垂直平面的磁場對其影響很小。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)測量，但是以上各種放置方法在具體實現(xiàn)中難度較大，而且難以保證軟磁塊的結(jié)構對稱性和性能一致性；把GMR敏感元件制作在傳感器基底的斜面上可以直接測量Z向磁場，但其實現(xiàn)方法也比較復雜，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)有技術中技術發(fā)展的難點在于如何用GMR敏感元件測量Z向磁場,這個難點導致了基于GMR敏感元件的三軸一體式磁傳感器的設計制作難以實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題就在于:針對現(xiàn)有技術存在的技術問題，本發(fā)明提供一種結(jié)構簡單緊湊、體積小、成本低廉、制作方便、具有高分辨力的采用磁變軌結(jié)構的Z向磁場傳感器。為解決上述技術問題，本發(fā)明采用以下技術方案:—種米用磁變軌結(jié)構的Z向磁場傳感器,包括基底、兩對輸入輸出電極、兩對GMR敏感元件和GMR參考元件、以及呈對稱布置的磁力線聚集器，所述兩對輸入輸出電極鍍于基底的表面，每對GMR敏感兀件和GMR參考兀件與一對輸入輸出電極構成惠斯通電橋；所述基底上設有兩個對稱的第一凹坑和第二凹坑，所述惠斯通電橋位于第一凹坑和第二凹坑之間，所述第一凹坑和第一凹坑內(nèi)部平面、斜面以及凹坑邊沿上均鍍有軟磁薄膜以形成依次布置的凹坑內(nèi)聚集器、斜面聚集器、凹坑邊沿聚集器，所述第一凹坑和第二凹坑之間的中間區(qū)域設有中心聚集器，進而形成磁力線聚集器。作為本發(fā)明的進一步改進:所述中心聚集器和凹坑邊沿聚集器中間的氣隙比GMR敏感元件寬，所述GMR磁敏感元件放置于中心聚集器和凹坑邊沿聚集器之間；所述GMR參考元件位于中心聚集器的下方。所述GMR敏感元件和GMR參考元件均呈細條形。所述GMR敏感元件和GMR參考元件采用自旋閥結(jié)構或采用多層膜結(jié)構。所述基底米用本征娃，通過光刻之后在本征娃平面用腐蝕液蝕刻出對稱的第一凹坑和第二凹坑，所述第一凹坑和第一凹坑的斜面為本征硅的(111)平面，與本征硅的(100)平面的夾角為54.74°。所述本征硅的表面通過采用氣相化學反應沉積一層絕緣層。所述一對輸入輸出電極包括惠斯通電橋偏置電極和惠斯通電橋信號輸出電極。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:本發(fā)明的采用磁變軌結(jié)構的Z向磁場傳感器，結(jié)構簡單緊湊、成本低廉，通過在硅面上蝕刻出(111)斜面，把軟磁膜鍍在(111)斜面和
(100)平面上形成變軌結(jié)構，這種變軌結(jié)構的對稱性和性能的一致性可以得到充分保證，可用于實現(xiàn)Z向磁場的變向和放大。本發(fā)明中測量Z向磁場的GMR敏感元件可以和平面內(nèi)測量X、Y向磁場的GMR敏感元件采用同樣的工藝流程制作，一致性比較好。測量三個方向磁場的磁傳感器一起形成三軸磁傳感器，采用微加工技術保證三軸測量的正交性，又具有高分辨力、體積小等優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明的俯視結(jié)構示意圖。圖2是本發(fā)明的A-A處的截面示意圖。圖3是本發(fā)明中聚集器和GMR元件的安裝示意圖。圖4是本發(fā)明中基底的結(jié)構示意圖。圖例說明:101、第一 GMR敏感元件；102、第二 GMR敏感元件；201、第一 GMR參考元件；202、第
二GMR參考元件；301、第一惠斯通電橋偏置電極；302、第二惠斯通電橋偏置電極；401、第一惠斯通電橋信號輸出電極；402、第二惠斯通電橋信號輸出電極；5、基底；601、第一凹坑邊沿聚集器；602、第二凹坑邊沿聚集器；701、第一斜面聚集器；702、第二斜面聚集器；801、第一凹坑內(nèi)聚集器；802、第二凹坑內(nèi)聚集器；9、中心聚集器；1001、第一凹坑；1002、第二凹坑。
具體實施例方式以下將結(jié)合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。如圖1和圖2所不,本發(fā)明的米用磁變軌結(jié)構的Z向磁場傳感器,包括基底5、兩對輸入輸出電極、兩對GMR敏感元件和GMR參考元件、以及呈對稱布置的磁力線聚集器。兩對輸入輸出電極鍍于基底5的表面，即:每對包含一組惠斯通電橋偏置電極和惠斯通電橋信號輸出電極，第一惠斯通電橋偏置電極301和第一惠斯通電橋信號輸出電極401為一對,第二惠斯通電橋偏置電極302和第二惠斯通電橋信號輸出電極402為一對。第一 GMR敏感兀件101和第一 GMR參考元件201為一對，第二 GMR敏感元件102和第二 GMR參考元件202為一對，GMR敏感元件和GMR參考元件均呈細條狀,GMR敏感元件、GMR參考元件通過惠斯通電橋偏置電極和惠斯通電橋信號輸出電極構成惠斯通電橋。基底5中刻蝕出兩個對稱的第一凹坑1001和第二凹坑1002，第一凹坑1001和第二凹坑1002內(nèi)部平面、斜面以及凹坑邊沿上均鍍有軟磁薄膜以形成依次布置的凹坑內(nèi)聚集器、斜面聚集器、凹坑邊沿聚集器，第一凹坑1001和第二凹坑1002之間的中間區(qū)域設有中心聚集器9，進而形成磁力線聚集器。磁力線聚集器的作用包括磁力線變軌和磁場放大兩個方面，磁力線變軌就是把垂直基底5平面的Z向磁場轉(zhuǎn)到平面內(nèi)測量，磁場放大則是可以提高GMR敏感元件的靈敏度?；菟雇姌蛭挥诘谝话伎?001和第二凹坑1002之間，中心聚集器9和凹坑邊沿聚集器中間的氣隙比GMR敏感元件略寬，用來放置測量用GMR磁敏感元件。GMR參考元件位于中心聚集器9的下方，受到中心聚集器9的屏蔽作用所以其電阻基本不受外磁場影響。如圖3所示，本實施例中，GMR敏感元件、GMR參考元件均呈細條形，可采用自旋閥結(jié)構，也可以采用多層膜結(jié)構。GMR敏感元件放置在三塊分離聚集器(第一凹坑邊沿聚集器601、中心聚集器9、第二凹坑邊沿聚集器602)形成的兩個氣隙中，GMR參考元件放置在平面內(nèi)中心聚集器9的下面，GMR參考元件受到中心聚集器9的屏蔽作用，不會對外磁場變化做出反應，但是所有敏感元件的溫度特性是一致的。因此，這種電橋組合可以削弱溫度對測量結(jié)果的影響。磁力線聚集器中的凹坑邊沿聚集器、斜面聚集器、凹坑內(nèi)聚集器以及中心聚集器均由高磁導率軟磁材料(如NiFe、CoZrNb等)在基底5表面濺射制成，其形狀可以為長方形聚集器(或梯形、或其他形狀)，只需要滿足對稱性要求即可。從整體上說GMR敏感元件、GMR參考元件與凹坑邊沿聚集器、斜面聚集器、凹坑內(nèi)聚集器以及中心聚集器沿中軸線成一直線，以保證其對稱性。即，參見圖1在基底5上從左至右依次排列的是:第一凹坑內(nèi)聚集器801、第一斜面聚集器701、第一凹坑邊沿聚集器601、第一 GMR敏感元件101、第一 GMR參考元件201、中心聚集器9、第二 GMR參考元件202、第二 GMR敏感元件102、第二凹坑邊沿聚集器602、第二斜面聚集器702、第二凹坑內(nèi)聚集器802。在本實施例中，如圖4所示，基底5采用本征硅，光刻之后在硅(100)平面用腐蝕液蝕刻出兩個對稱的凹坑(即:第一凹坑1001和第二凹坑1002)，凹坑的斜面為本征硅的
(111)平面,與(100)平面的夾角為54.74° ,其確定的夾角可以保證兩個凹坑的對稱性。然后，采用氣相化學反應在表面沉積一層絕緣層，如Si3N4,以提高基底5的絕緣性能。凹坑的外形可以根據(jù)實際需要選擇，并不局限于本實例中所示的長方形，只要能夠形成中心對稱的斜面即可滿足要求。凹坑的腐蝕深度根據(jù)所需Z向轉(zhuǎn)換效率來確定。平面內(nèi)兩電極對的形狀和具體位置也不局限于圖4所示，只要滿足GMR敏感元件、GMR參考元件安裝后的引線要求即可。基底5上所有電極對均可采用先濺射(或真空蒸發(fā)、電鍍等)導電膜層(鋁或金等)再光刻腐蝕的工藝制備成型。采用本發(fā)明的結(jié)構，首先可以將垂直平面的磁力線轉(zhuǎn)向到平面內(nèi)，實現(xiàn)Z向磁場分量的平面化測量。本征硅基底上的(111)斜面和(100)平面間存在精確的夾角，為54.74度，這個夾角取決于本征硅自身的晶體結(jié)構。腐蝕出的凹坑各斜面角度一致，可以保證聚集器的良好對稱性，實現(xiàn)Z向磁場的高精度測量。其次，本發(fā)明的結(jié)構可以放大被測微弱磁場，進一步提高GMR元件的靈敏度；聚集器是一層高磁導率軟磁膜，對磁力線有聚集放大的作用，可以增強GMR敏感元件處的磁通密度。最后，測量Z向磁場的GMR敏感元件制作在本征硅基底5的(100)平面上，比放置在斜面上的方案容易實現(xiàn)，而且可以與測量X向和Y向磁場的GMR敏感元件同批次制作，使三軸磁傳感器的GMR敏感元件磁性能具有較好的一致性?？傊@種采用微加工技術的對稱磁力線變軌結(jié)構能夠在平面內(nèi)對Z向磁場放大測量，可以與測量平面內(nèi)磁場分量的GMR敏感元件制作成一體式三軸磁傳感器，三軸間具有很好的正交性，并且傳感器整體結(jié)構簡單，制造方便，可有效降低傳感器的制作成本。以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進和潤飾，應視為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種米用磁變軌結(jié)構的Z向磁場傳感器,其特征在于,包括基底(5)、兩對輸入輸出電極、兩對GMR敏感元件和GMR參考元件、以及呈對稱布置的磁力線聚集器,所述兩對輸入輸出電極鍍于基底(5)的表面，每對GMR敏感兀件和GMR參考兀件與一對輸入輸出電極構成惠斯通電橋；所述基底(5)上設有兩個對稱的第一凹坑(1001)和第二凹坑(1002)，所述惠斯通電橋位于第一凹坑(1001)和第二凹坑(1002)之間，所述第一凹坑(1001)和第二凹坑(1002)內(nèi)部平面、斜面以及凹坑邊沿上均鍍有軟磁薄膜以形成依次布置的凹坑內(nèi)聚集器、斜面聚集器、凹坑邊沿聚集器，所述第一凹坑(1001)和第二凹坑(1002)之間的中間區(qū)域設有中心聚集器(9)，進而形成磁力線聚集器。
2.根據(jù)權利要求1所述的采用磁變軌結(jié)構的Z向磁場傳感器，其特征在于，所述中心聚集器(9)和凹坑邊沿聚集器中間的氣隙比GMR敏感元件寬，所述GMR磁敏感元件放置于中心聚集器(9)和凹坑邊沿聚集器之間；所述GMR參考元件位于中心聚集器(9)的下方。
3.根據(jù)權利要求2所述的采用磁變軌結(jié)構的Z向磁場傳感器，其特征在于，所述GMR敏感元件和GMR參考元件均呈細條形。
4.根據(jù)權利要求2所述的采用磁變軌結(jié)構的Z向磁場傳感器，其特征在于，所述GMR敏感元件和GMR參考元件采用自旋閥結(jié)構或采用多層膜結(jié)構。
5.根據(jù)權利要求1 4中任意一項所述的采用磁變軌結(jié)構的Z向磁場傳感器，其特征在于，所述基底(5)采用本征硅，通過光刻之后在本征硅100平面用腐蝕液蝕刻出對稱的第一凹坑(1001)和第二凹坑(1002)，所述第一凹坑(1001)和第二凹坑(1002)的斜面為本征硅的111平面，與本征硅的100平面的夾角為54.74°。
6.根據(jù)權利要求5所述的采用磁變軌結(jié)構的Z向磁場傳感器，其特征在于，所述本征硅的表面通過采用氣相化學反應沉積一層絕緣層。
7.根據(jù)權利要求1 4中任意一項所述的采用磁變軌結(jié)構的Z向磁場傳感器，其特征在于，所述一對輸入輸出電極包括惠斯通電橋偏置電極和惠斯通電橋信號輸出電極。
全文摘要
一種采用磁變軌結(jié)構的Z向磁場傳感器，包括基底、兩對輸入輸出電極、兩對GMR敏感元件和GMR參考元件、以及呈對稱布置的磁力線聚集器，兩對輸入輸出電極鍍于基底的表面，每對GMR敏感元件和GMR參考元件與一對輸入輸出電極構成惠斯通電橋；基底上設有兩個對稱的第一凹坑和第二凹坑，惠斯通電橋位于第一凹坑和第二凹坑之間，第一凹坑和第二凹坑內(nèi)部平面、斜面以及凹坑邊沿上均鍍有軟磁薄膜以形成依次布置的凹坑內(nèi)聚集器、斜面聚集器、凹坑邊沿聚集器，第一凹坑和第二凹坑之間的中間區(qū)域設有中心聚集器，進而形成磁力線聚集器。本發(fā)明具有結(jié)構簡單緊湊、體積小、成本低廉、制作方便、具有高分辨力等優(yōu)點。
文檔編號G01R33/09GK103116144SQ20131002365
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月22日 優(yōu)先權日2013年1月22日
發(fā)明者胡佳飛, 田武剛, 趙建強, 張琦, 潘孟春, 李季, 胡靖華 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學