本發(fā)明屬于磁傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種三軸磁傳感器，尤其涉及一種單芯片三軸磁傳感器。

背景技術(shù)：

隨著消費(fèi)電子的快速發(fā)展和用戶體驗(yàn)需求的不斷提升，越來越多的智能手機(jī)和平板電腦開始標(biāo)配電子羅盤，這帶動(dòng)了對(duì)磁傳感器尤其是三軸磁傳感器的大量需求。

目前電子羅盤使用的磁傳感器，基于原理主要分為如下幾類：霍爾型、磁阻型和感應(yīng)線圈等。其中，磁阻型磁傳感器包括各向異性磁阻磁傳感器(AMR)、巨磁阻磁傳感器(GMR)和隧道結(jié)磁阻磁傳感器(TMR)，它們都是基于磁阻原理的，即空間環(huán)境內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)弱及方向變化會(huì)引起磁阻元件的自身電阻值發(fā)生變化，進(jìn)而可依據(jù)電阻值的變化量來測(cè)量空間環(huán)境內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度及方向。但是基于磁阻原理的磁傳感器一般只能測(cè)量其所在平面內(nèi)的磁場(chǎng)分量，而對(duì)與其所在平面相垂直的方向上的磁場(chǎng)不敏感。為了實(shí)現(xiàn)三軸磁傳感器的功能，就需要額外的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，目前有如下幾類設(shè)計(jì)。

請(qǐng)參考圖1，其為目前一類三軸磁傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，X、Y軸磁傳感器位于平面內(nèi)，Z軸磁傳感器是分立的，Z軸磁傳感器垂直于平面。但此時(shí)三軸磁傳感器就需要兩顆芯片，給封裝帶來一定的困難，同時(shí)不可避免地增加生產(chǎn)成本。

請(qǐng)參考圖2，其為目前一類三軸磁傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，X、Y軸磁傳感器位于平面內(nèi)，Z軸磁傳感器通過溝槽側(cè)壁的導(dǎo)磁單元將Z方向的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗椒较虻拇艌?chǎng)，然后使水平面內(nèi)磁阻感測(cè)元件的電阻產(chǎn)生變化，進(jìn)而測(cè)量Z方向的磁場(chǎng)。由于僅僅利用了水平面內(nèi)磁阻感測(cè)元件的電阻變化，而溝槽側(cè)壁的導(dǎo)磁單元的磁阻變化不產(chǎn)生有用的信號(hào)，所以這種結(jié)構(gòu)的Z軸磁傳感器靈敏度偏低，最終信號(hào)的噪聲偏大，不利于準(zhǔn)確測(cè)量Z方向的磁場(chǎng)。

請(qǐng)參考圖3，其為目前一類三軸磁傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，X軸磁傳感器位于平面內(nèi)，Y、Z軸磁阻感測(cè)元件分別位于梯形或者三角形凸起的兩腰上，此時(shí)Y、Z軸測(cè)量的并不是單純的Y、Z磁場(chǎng)分量，需要經(jīng)過運(yùn)算最終得到Y(jié)、Z磁場(chǎng)數(shù)值。但是由于工藝的偏差，梯形或者三角形凸起的兩腰并不完全對(duì)稱，導(dǎo)致最終計(jì)算的Y、Z軸并不是正交的，而是彼此之間有一定的交叉靈敏度，這對(duì)準(zhǔn)確測(cè)量三維磁場(chǎng)也是不利的。

為了克服當(dāng)前幾種三軸磁傳感器的缺點(diǎn)，需要提出一種新型單芯片三軸磁傳感器的設(shè)計(jì)方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種單芯片三軸磁傳感器，可提高測(cè)量的精確度，降低生產(chǎn)成本。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種單芯片三軸磁傳感器，所述三軸磁傳感器包括：X軸磁傳感器、Y軸磁傳感器、Z軸磁傳感器；

所述X軸磁傳感器、Y軸磁傳感器位于平面內(nèi)，Z軸磁傳感器通過惠斯登電橋設(shè)計(jì)，Z軸磁傳感器包括四組Z軸磁阻感測(cè)元件形成惠斯登電橋；

所述Z軸磁阻感測(cè)元件包括Z軸磁阻感測(cè)單元和導(dǎo)體單元；將Z軸磁阻感測(cè)元件分別布置在設(shè)定傾斜角的斜坡兩側(cè)，同時(shí)變化Z軸磁阻感測(cè)元件的導(dǎo)體單元的取向角度，最終達(dá)到Z軸磁阻感測(cè)元件只測(cè)量Z方向的磁場(chǎng)分量，而不感應(yīng)X方向、Y方向的磁場(chǎng)分量，無需進(jìn)行額外的運(yùn)算；

通過半導(dǎo)體工藝制備出所需的斜坡構(gòu)型，將Z軸與X軸、Y軸集成在一顆芯片上，構(gòu)成單芯片的三軸磁傳感器；

所述斜坡分為左右兩側(cè)，斜坡左右兩側(cè)的傾斜角相同，為20°～85°；在斜坡的兩側(cè)分布著Z軸磁感測(cè)元件的Z軸磁阻感測(cè)單元和導(dǎo)體單元；

每組磁感測(cè)元件是一個(gè)電橋的橋臂，由若干個(gè)相同的磁阻感測(cè)單元串聯(lián)而成；導(dǎo)體單元與磁阻感測(cè)單元成45°角；通過額外設(shè)計(jì)的設(shè)置/重置線圈電路，使Z軸磁傳感器上半部分的兩個(gè)橋臂的Z軸磁阻感測(cè)單元的初始磁化方向沿著X軸正方向，而下半部分的兩個(gè)橋臂的Z軸磁阻感測(cè)單元的初始磁化方向沿著X軸負(fù)方向；通過調(diào)節(jié)導(dǎo)體單元的取向、Z軸磁阻感測(cè)單元的初始磁化方向和Z軸磁阻感測(cè)元件在斜坡的位置來得到一個(gè)只感測(cè)垂直方向磁場(chǎng)而不感測(cè)水平方向磁場(chǎng)的Z軸磁傳感器；

在斜坡的兩側(cè)以及斜坡相連的基體平面分布著磁感測(cè)元件的磁阻感測(cè)單元和導(dǎo)體單元；在與斜坡相連的基體平面上也分布著磁感測(cè)元件的磁阻感測(cè)單元和導(dǎo)體單元，Z軸磁阻感測(cè)單元和導(dǎo)體單元的夾角也是45°；斜坡上的Z軸磁阻感測(cè)單元將Z方向的磁場(chǎng)部分轉(zhuǎn)換到基體平面內(nèi)，通過位于基體平面內(nèi)的磁阻感測(cè)單元測(cè)量這部分轉(zhuǎn)換后的信號(hào)，以增加Z軸磁傳感器的靈敏度；

通過組合變化磁阻感測(cè)單元和導(dǎo)體單元的夾角以及磁阻感測(cè)單元和導(dǎo)體單元在斜坡上的位置，構(gòu)成只感測(cè)垂直方向磁場(chǎng)而不感測(cè)水平方向磁場(chǎng)的Z軸磁傳感器；抵消工藝不均勻性的影響，提升三軸磁傳感器的性能和良率。

一種單芯片三軸磁傳感器，所述三軸磁傳感器包括：X軸磁傳感器、Y軸磁傳感器、Z軸磁傳感器；

所述X軸磁傳感器、Y軸磁傳感器位于平面內(nèi)，Z軸磁傳感器通過布置在斜坡兩側(cè)以及與斜坡相連的基體平面的Z軸磁阻感測(cè)單元和導(dǎo)體單元，同時(shí)調(diào)整Z軸磁阻感測(cè)單元的初始磁化方向、導(dǎo)體單元的取向以及磁阻感測(cè)單元和導(dǎo)體單元在斜坡上的位置，達(dá)到只感測(cè)垂直方向磁場(chǎng)而不感測(cè)水平方向磁場(chǎng)的Z軸磁傳感器。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，Z軸通過惠斯登電橋設(shè)計(jì)，將Z軸磁阻感測(cè)元件分別布置在設(shè)定傾斜角的斜坡兩側(cè)，同時(shí)變化Z軸磁阻感測(cè)元件的導(dǎo)體單元的取向角度，最終達(dá)到Z軸磁傳感器元件只測(cè)量Z方向的磁場(chǎng)分量，而不感應(yīng)X、Y方向的磁場(chǎng)分量，無需進(jìn)行額外的運(yùn)算；

通過半導(dǎo)體工藝制備出所需的斜坡構(gòu)型，將Z軸與X、Y軸集成在一顆芯片上，構(gòu)成單芯片的三軸磁傳感器。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述Z軸磁傳感器通過惠斯登電橋設(shè)計(jì)，Z軸磁傳感器包括四組Z軸磁阻感測(cè)元件形成惠斯登電橋；

所述Z軸磁阻感測(cè)元件包括Z軸磁阻感測(cè)單元和導(dǎo)體單元；將Z軸磁阻感測(cè)元件分別布置在設(shè)定傾斜角的斜坡兩側(cè)，同時(shí)變化Z軸磁阻感測(cè)元件的導(dǎo)體單元的取向角度，最終達(dá)到Z軸磁阻感測(cè)元件只測(cè)量Z方向的磁場(chǎng)分量，而不感應(yīng)X方向、Y方向的磁場(chǎng)分量，無需進(jìn)行額外的運(yùn)算。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，通過半導(dǎo)體工藝制備出所需的斜坡構(gòu)型，將Z軸與X軸、Y軸集成在一顆芯片上，構(gòu)成單芯片的三軸磁傳感器。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述斜坡分為左右兩側(cè)，斜坡左右兩側(cè)的傾斜角相同，為20°～85°；在斜坡的兩側(cè)分布著Z軸磁感測(cè)元件的Z軸磁阻感測(cè)單元和導(dǎo)體單元。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，每組磁感測(cè)元件是一個(gè)電橋的橋臂，由若干個(gè)相同的磁阻感測(cè)單元串聯(lián)而成；導(dǎo)體單元與磁阻感測(cè)單元成45°角；通過額外設(shè)計(jì)的設(shè)置/重置線圈電路，使Z軸磁傳感器上半部分的兩個(gè)橋臂的Z軸磁阻感測(cè)單元的初始磁化方向沿著X軸正方向，而下半部分的兩個(gè)橋臂的Z軸磁阻感測(cè)單元的初始磁化方向沿著X軸負(fù)方向；通過調(diào)節(jié)導(dǎo)體單元的取向、Z軸磁阻感測(cè)單元的初始磁化方向和Z軸磁阻感測(cè)元件在斜坡的位置來得到一個(gè)只感測(cè)垂直方向磁場(chǎng)而不感測(cè)水平方向磁場(chǎng)的Z軸磁傳感器。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，在斜坡的兩側(cè)以及斜坡相連的基體平面分布著磁感測(cè)元件的磁阻感測(cè)單元和導(dǎo)體單元；在與斜坡相連的基體平面上也分布著磁感測(cè)元件的磁阻感測(cè)單元和導(dǎo)體單元，Z軸磁阻感測(cè)單元和導(dǎo)體單元的夾角也是45°；斜坡上的Z軸磁阻感測(cè)單元將Z方向的磁場(chǎng)部分轉(zhuǎn)換到基體平面內(nèi)，通過位于基體平面內(nèi)的磁阻感測(cè)單元測(cè)量這部分轉(zhuǎn)換后的信號(hào)，以增加Z軸磁傳感器的靈敏度。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，通過組合變化磁阻感測(cè)單元和導(dǎo)體單元的夾角以及磁阻感測(cè)單元和導(dǎo)體單元在斜坡上的位置，構(gòu)成只感測(cè)垂直方向磁場(chǎng)而不感測(cè)水平方向磁場(chǎng)的Z軸磁傳感器；抵消工藝不均勻性的影響，提升三軸磁傳感器的性能和良率。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提出的單芯片三軸磁傳感器，可提高測(cè)量的精確度，降低生產(chǎn)成本。

本發(fā)明介紹的單芯片三軸磁傳感器，X、Y軸磁傳感器位于基體平面以內(nèi)，Z軸磁傳感器通過布置在斜坡兩側(cè)以及與斜坡相連的基體平面的磁阻感測(cè)單元和導(dǎo)體單元，同時(shí)調(diào)整磁阻感測(cè)單元的初始磁化方向、導(dǎo)體單元的取向以及磁阻感測(cè)單元和導(dǎo)體單元在斜坡上的位置，可以達(dá)到只感測(cè)垂直方向磁場(chǎng)而不感測(cè)水平方向磁場(chǎng)的Z軸磁傳感器。

在本發(fā)明中，斜坡傾斜角是可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整的。將Z軸的磁阻感測(cè)單元和導(dǎo)體單元布置在斜坡兩側(cè)以及與斜坡相連的基體平面，使得斜坡和基體平面部分都能感測(cè)Z方向的磁場(chǎng)，都能產(chǎn)生有用的磁信號(hào)，同時(shí)不感測(cè)水平方向磁場(chǎng)。這種Z軸構(gòu)型及功能是在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。

任何通過改變磁阻感測(cè)單元的初始磁化方向、導(dǎo)體單元的取向以及磁阻感測(cè)單元和導(dǎo)體單元在斜坡上的位置以達(dá)到同樣功能的各種組合都在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有三軸磁傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為另一現(xiàn)有三軸磁傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為第三種現(xiàn)有三軸磁傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明單芯片三軸磁傳感器的示意圖。

圖5為本發(fā)明單芯片三軸磁傳感器Z軸結(jié)構(gòu)的主視圖。

圖6為本發(fā)明單芯片三軸磁傳感器Z軸結(jié)構(gòu)的俯視圖。

圖7為本發(fā)明三軸磁傳感器Z軸結(jié)構(gòu)第一種優(yōu)選方案的主視圖。

圖8為本發(fā)明三軸磁傳感器Z軸結(jié)構(gòu)第一種優(yōu)選方案的俯視圖。

圖9為本發(fā)明三軸磁傳感器Z軸結(jié)構(gòu)第二種優(yōu)選方案的俯視圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。

實(shí)施例一

請(qǐng)參閱圖4、圖5，本發(fā)明揭示了一種單芯片三軸磁傳感器，所述三軸磁傳感器包括：X軸磁傳感器10、Y軸磁傳感器20、Z軸磁傳感器30。

所述X軸磁傳感器10、Y軸磁傳感器20位于平面1內(nèi)，Z軸磁傳感器30通過惠斯登電橋設(shè)計(jì)，Z軸磁傳感器30包括四組Z軸磁阻感測(cè)元件形成惠斯登電橋。

所述Z軸磁阻感測(cè)元件包括Z軸磁阻感測(cè)單元4和導(dǎo)體單元5；將Z軸磁阻感測(cè)元件分別布置在設(shè)定傾斜角的斜坡兩側(cè)，同時(shí)變化Z軸磁阻感測(cè)元件的導(dǎo)體單元的取向角度，最終達(dá)到Z軸磁阻感測(cè)元件只測(cè)量Z方向的磁場(chǎng)分量，而不感應(yīng)X方向、Y方向的磁場(chǎng)分量，無需進(jìn)行額外的運(yùn)算。

通過半導(dǎo)體工藝制備出所需的斜坡構(gòu)型，將Z軸與X軸、Y軸集成在一顆芯片上，構(gòu)成單芯片的三軸磁傳感器。

所述斜坡分為左右兩側(cè)(包括左側(cè)斜坡2、右側(cè)斜坡3)，斜坡左右兩側(cè)的傾斜角相同，為20°～85°；在斜坡的兩側(cè)分布著Z軸磁感測(cè)元件的Z軸磁阻感測(cè)單元4和導(dǎo)體單元5；導(dǎo)體單元5可設(shè)置于Z軸磁阻感測(cè)單元4的上方或者下方。

圖6所示，為Z軸磁傳感器結(jié)構(gòu)的俯視示意圖。四組磁感測(cè)元件通過形成惠斯登電橋(Wheatstone bridge)構(gòu)成了Z軸磁傳感器。每組磁感測(cè)元件是一個(gè)電橋的橋臂，由若干個(gè)相同的磁阻感測(cè)單元串聯(lián)而成。導(dǎo)體單元5與Z軸磁阻感測(cè)單元4成45°角。通過額外設(shè)計(jì)的設(shè)置/重置線圈電路(Set/Reset Coil)，可以使Z軸磁傳感器上半部分的兩個(gè)橋臂的磁阻感測(cè)單元的初始磁化方向沿著X軸正方向，而下半部分的兩個(gè)橋臂的磁阻感測(cè)單元的初始磁化方向沿著X軸負(fù)方向。通過調(diào)節(jié)導(dǎo)體單元的取向、磁阻感測(cè)單元的初始磁化方向和磁阻感測(cè)元件在斜坡的位置來得到一個(gè)只感測(cè)垂直方向磁場(chǎng)而不感測(cè)水平方向磁場(chǎng)的Z軸磁傳感器。

除了上述的Z軸構(gòu)型，本發(fā)明還有如下兩個(gè)優(yōu)選方案：

請(qǐng)參閱圖7、圖8，圖7為優(yōu)選方案1的Z軸結(jié)構(gòu)的正視示意圖。在斜坡的兩側(cè)以及斜坡相連的基體平面分布著磁感測(cè)元件的磁阻感測(cè)單元和導(dǎo)體單元。

圖8為優(yōu)選方案1的Z軸結(jié)構(gòu)的俯視示意圖。在與斜坡相連的基體平面上也分布著磁感測(cè)元件的磁阻感測(cè)單元和導(dǎo)體單元，磁阻感測(cè)單元和導(dǎo)體單元的夾角也是45°(當(dāng)然也可以是其他角度)。斜坡上的磁阻感測(cè)單元可以將Z方向的磁場(chǎng)部分轉(zhuǎn)換到基體平面內(nèi)，通過位于基體平面內(nèi)的磁阻感測(cè)單元測(cè)量這部分轉(zhuǎn)換后的信號(hào)。這種結(jié)構(gòu)安排可以增加Z軸磁傳感器的靈敏度。

請(qǐng)參閱圖9，圖9為優(yōu)選方案2的Z軸結(jié)構(gòu)的俯視示意圖。通過組合變化Z軸磁阻感測(cè)單元4和導(dǎo)體單元(包括導(dǎo)體單元5、-45°導(dǎo)體單元6，導(dǎo)體單元5為+45°導(dǎo)體單元)的夾角(+45°或者-45°)以及Z軸磁阻感測(cè)單元和導(dǎo)體單元在斜坡上的位置，可以構(gòu)成只感測(cè)垂直方向磁場(chǎng)而不感測(cè)水平方向磁場(chǎng)的Z軸磁傳感器。這種方案可以更好地抵消工藝不均勻性的影響，提升三軸磁傳感器的性能和良率。

此外，優(yōu)選方案1和優(yōu)選方案2可以結(jié)合起來，可以進(jìn)一步提升三軸磁傳感器的性能。

本發(fā)明介紹的單芯片三軸磁傳感器，X、Y軸磁傳感器位于基體平面以內(nèi)，Z軸磁傳感器通過布置在斜坡兩側(cè)以及與斜坡相連的基體平面的磁阻感測(cè)單元和導(dǎo)體單元，同時(shí)調(diào)整磁阻感測(cè)單元的初始磁化方向、導(dǎo)體單元的取向以及磁阻感測(cè)單元和導(dǎo)體單元在斜坡上的位置，可以達(dá)到只感測(cè)垂直方向磁場(chǎng)而不感測(cè)水平方向磁場(chǎng)的Z軸磁傳感器。

在本發(fā)明中，斜坡傾斜角是可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整的。

將Z軸的磁阻感測(cè)單元和導(dǎo)體單元布置在斜坡兩側(cè)以及與斜坡相連的基體平面，使得斜坡和基體平面部分都能感測(cè)Z方向的磁場(chǎng)，都能產(chǎn)生有用的磁信號(hào)，同時(shí)不感測(cè)水平方向磁場(chǎng)。這種Z軸構(gòu)型及功能是在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。

任何通過改變磁阻感測(cè)單元的初始磁化方向、導(dǎo)體單元的取向以及磁阻感測(cè)單元和導(dǎo)體單元在斜坡上的位置以達(dá)到同樣功能的各種組合都在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。

實(shí)施例二

一種單芯片三軸磁傳感器，所述三軸磁傳感器包括：X軸磁傳感器、Y軸磁傳感器、Z軸磁傳感器。

所述X軸磁傳感器、Y軸磁傳感器位于平面內(nèi)，Z軸磁傳感器通過布置在斜坡兩側(cè)以及與斜坡相連的基體平面的Z軸磁阻感測(cè)單元和導(dǎo)體單元，同時(shí)調(diào)整Z軸磁阻感測(cè)單元的初始磁化方向、導(dǎo)體單元的取向以及磁阻感測(cè)單元和導(dǎo)體單元在斜坡上的位置，達(dá)到只感測(cè)垂直方向磁場(chǎng)而不感測(cè)水平方向磁場(chǎng)的Z軸磁傳感器。

綜上所述，本發(fā)明提出的單芯片三軸磁傳感器，可提高測(cè)量的精確度，降低生產(chǎn)成本。

這里本發(fā)明的描述和應(yīng)用是說明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實(shí)施例中。這里所披露的實(shí)施例的變形和改變是可能的，對(duì)于那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說實(shí)施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是，在不脫離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征的情況下，本發(fā)明可以以其它形式、結(jié)構(gòu)、布置、比例，以及用其它組件、材料和部件來實(shí)現(xiàn)。在不脫離本發(fā)明范圍和精神的情況下，可以對(duì)這里所披露的實(shí)施例進(jìn)行其它變形和改變。