一種單芯片z軸線性磁電阻傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種單芯片Z軸線性磁阻傳感器，該傳感器包括基片、磁電阻傳感元件以及通量引導(dǎo)件，磁電阻傳感元件相互電連接形成電橋的推臂和挽臂，推臂和挽臂相間隔排列，并且推、挽臂上的磁電阻傳感元件分別位于通量引導(dǎo)件下方的兩側(cè)，各磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向相同，均沿X軸方向。Z軸方向的外加磁場通過通量引導(dǎo)件轉(zhuǎn)變?yōu)閄軸方向的磁場分量，位于通量引導(dǎo)件下方的磁電阻傳感元件便能檢測到此分量。該傳感器具有以下優(yōu)點：體積小、制作簡單、便于封裝、靈敏度高、線性度好、工作范圍寬、低偏移、溫度補償功能好以及適用于高強度磁場等。
【專利說明】—種單芯片Z軸線性磁電阻傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種單芯片Z軸線性磁電阻傳感器?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]隨著磁傳感器技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用越來越廣泛。目前，磁傳感器被大量應(yīng)用于手機和其他用作電子羅盤的移動設(shè)備當(dāng)中，而此類產(chǎn)品的市場對成本十分敏感，而且還要求較小的封裝尺寸。對于XY平面內(nèi)的二維磁場，可以通過將兩個傳感器正交來實現(xiàn)平面內(nèi)磁場Χ、y分量的測量，但對于Z軸方向磁場的測量，目前主要存在以下解決方案:
[0003](I)將一個分立單軸平面磁阻傳感器相對于二軸平面?zhèn)鞲衅鞔怪卑惭b，但這種方式存在以下不足之處:
[0004]①Χ、y 二軸磁阻傳感器和Z軸磁阻傳感器在安裝之前為各自為分立元件，無法實現(xiàn)三軸磁阻傳感器的集成制造，從而增加了制造工藝的復(fù)雜程度；
[0005]②相對于集成制造系統(tǒng)，采用組裝方法制造的三軸磁阻傳感器系統(tǒng)內(nèi)各元件的位置精度降低，影響傳感器的測量精度；
[0006]③由于Z軸磁阻傳感器敏感軸垂直于Χ，Υ 二軸磁阻傳感器，因此三軸磁阻傳感器Z向尺寸增加，從而增加了器件尺寸和封裝難度。
[0007](2)米用通量集中器將Z軸方向磁場轉(zhuǎn)變?yōu)閄、Y軸方向的磁場分量,例如申請?zhí)枮?01110098286.8的中國專利申請公開了一種單芯片三軸AMR傳感器，該傳感器通過在水平傳感器上方放置一個通量集中器來實現(xiàn)Z軸方向磁場的測量。但通量集中器并未完全覆蓋住所有水平傳感器，這使得Z軸方向的磁場并未完全轉(zhuǎn)化為Χ、Υ軸方向上的分量。此外，該申請公開的傳感器設(shè)計不能密集封裝水平傳感器來減小噪聲，其溫度補償和偏移量也不容易控制。另外，中國專利申請201310202801.1公開了一種三軸數(shù)字指南針，該指南針利用通量集中器對磁場的扭曲作用，將垂直于平面的Z軸磁場分量轉(zhuǎn)變成XY平面內(nèi)磁場分量，然后通過采用一定的算法將X、Y、Z軸磁場分量從混合信號中分離出來，并將其轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號輸出。此設(shè)計需要通過特定的算法計算才能得到Z軸方向磁場的數(shù)字信號，這使得傳感器設(shè)計更加復(fù)雜化，并且其采用的是參考橋式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的傳感器輸出不對稱，從而造成傳感器輸出產(chǎn)生了偏移量。
[0008](3)基片微機械化來形成一傾斜面，在此傾斜面上沉積有可部分感應(yīng)Z軸方向磁場的傳感器。這一過程很復(fù)雜，空間利用率低，在傳感器的沉積和布局中還會造成一些遮蔽效應(yīng)，這降低了傳感器性能。
[0009](4)通過利用磁性材料的垂直磁各向異性來測量Z軸方向磁場，例如美國專利申請US20130168787A1公開了一種磁傳感器，該傳感器通過利用垂直磁各向異性來測量外磁場的Z軸分量，但垂直磁各向異性材料的矯頑力很高，這種方法還會降低磁阻。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0010]本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的以上問題，提供一種體積小、成本低、靈敏度高、線性度好、制作簡單、適用于高強度磁場的單芯片Z軸線性磁電阻傳感器。
[0011]為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0012]一種單芯片Z軸線性磁電阻傳感器，該傳感器包括:
[0013]沉積有電橋的基片；
[0014]所述電橋由相交錯排列的推臂與挽臂電連接構(gòu)成；
[0015]所述推臂和挽臂各自均包含有至少一個相互電連接的磁電阻傳感元件，以檢測磁場在X軸方向上的分量；
[0016]至少一個通量引導(dǎo)件，所有所述通量引導(dǎo)件的集合覆蓋住整個所述電橋；
[0017]所述通量引導(dǎo)件的長軸與Y軸平行，所述通量引導(dǎo)件的短軸與X軸平行。
[0018]優(yōu)選的,所述磁電阻傳感元件為GMR或者TMR傳感元件,所述GMR或者TMR傳感元件的釘扎層的磁化方向相同。
[0019]優(yōu)選的，所述磁電阻傳感元件的長度與寬度之間的比值大于I。
[0020]優(yōu)選的，在沒有外加磁場時，所述磁電阻傳感元件的磁性自由層的磁化方向與Y軸平行，釘扎層的磁化方向與X軸平行。
[0021]優(yōu)選的，所述磁電阻傳感元件通過永磁偏置、雙交換作用、形狀各向異性或者所述永磁偏置、雙交換作用和形狀各向異性中至少兩個的結(jié)合使磁性自由層的磁化方向與Y軸平行。
[0022]優(yōu)選的，通過形狀各向異性來實現(xiàn)磁性自由層的磁化方向與Y軸平行，并且釘扎層的磁化方向與X軸平行時，所述磁電阻傳感元件的長度與寬度之間的比值大于3。
[0023]優(yōu)選的，所述推臂和所述挽臂上的磁電阻傳感元件的數(shù)量相同，并且所述磁電阻傳感元件的長軸與Y軸平行。
[0024]優(yōu)選的，所述電橋為半橋、全橋或者準(zhǔn)橋。
[0025]優(yōu)選的，所述通量引導(dǎo)件為長條形陣列，其長度Ly大于寬度Lx，也大于厚度Lz，相鄰兩個通量引導(dǎo)件之間的間距S不小于寬度Lx，所述通量引導(dǎo)件的材料為軟鐵磁合金，其含有N1、Fe、Co和Al中的一種或幾種元素。
[0026]優(yōu)選的，相鄰兩個通量引導(dǎo)件之間的間距S取值范圍為2Lx?3Lx。
[0027]優(yōu)選的，所述電橋用引線連接于半導(dǎo)體封裝引線框，封裝在塑料中以形成一標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體封裝。
[0028]優(yōu)選的，所述半導(dǎo)體封裝的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 )以及板上芯片封裝(C0B )。
[0029]優(yōu)選的，所述基片包含有一集成電路，所述集成電路與所述電橋相電連接。
[0030]優(yōu)選的，所述磁電阻傳感元件，位于所述通量引導(dǎo)件的下方邊緣至所述通量引導(dǎo)件的中心處之間的任意位置。
[0031]優(yōu)選的，所述磁電阻傳感元件位于相對于所述通量引導(dǎo)件的邊緣的下方的以外的兩側(cè)。
[0032]優(yōu)選的，所述磁電阻傳感元件位于從所述通量引導(dǎo)件的邊緣到其中心線的距離的1/3處至2/3處之間的任意位置并包括所述1/3和2/3處。
[0033]優(yōu)選的，移動所述磁電阻傳感元件靠近所述通量引導(dǎo)件的下方邊緣，或者增大所述通量引導(dǎo)件的厚度Lz，或者減小所述通量引導(dǎo)件的寬度Lx處均，以增加所述單芯片Z軸線性磁電阻傳感器的靈敏度。
[0034]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0035]( I)采用多個細(xì)長條形通量引導(dǎo)件，能使傳感器具有低磁滯、良好的線性度和高靈敏度，也使得傳感器的輸出不容易達(dá)到飽和狀態(tài)，從而增大了傳感器工作的動態(tài)范圍；
[0036](2)所有的磁電阻傳感元件均位于通量引導(dǎo)件的下方，這有利于屏蔽面內(nèi)的磁場分量，直接檢測到的便是所需測的Z軸方向磁場，無需通過算法計算；
[0037](3)本發(fā)明中的單芯片Z軸線性磁電阻傳感器的工作磁場能達(dá)到200高斯以上；
[0038](4)本發(fā)明中的單芯片Z軸線性磁電阻傳感器無需刻槽，也無需傾斜封裝，其制作簡單，便于封裝，還能實現(xiàn)完全集成制造。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0039]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0040]圖1為本發(fā)明中的單芯片Z軸線性磁電阻傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041]圖2為Z軸方向磁場在通量引導(dǎo)件周圍分布的剖面圖。
[0042]圖3為本發(fā)明中的單芯片Z軸線性磁電阻傳感器的電路原理示意圖。
[0043]圖4為X軸方向磁場在通量引導(dǎo)件周圍分布的剖面圖。
[0044]圖5為Y軸方向磁場在通量引導(dǎo)件周圍分布的剖面圖。
[0045]圖6為傳感器的輸出電壓與X、Y和Z軸方向磁場的關(guān)系曲線。
[0046]圖7為相鄰兩個通量引導(dǎo)件之間的間距為5微米時，所檢測到的X、Z軸方向的磁場分量與磁電阻傳感元件所在位置的關(guān)系曲線。
[0047]圖8為相鄰兩個通量引導(dǎo)件之間的間距為15微米時，所檢測到的X、Z軸方向的磁場分量與磁電阻傳感元件所在位置的關(guān)系曲線。
【具體實施方式】
[0048]下面將參考附圖并結(jié)合實施例，來詳細(xì)說明本發(fā)明。
實施例
[0049]圖1為本發(fā)明中的單芯片Z軸線性磁電阻傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖1中可以看出，該傳感器包括基片I，多個磁電阻傳感元件2和3，多個通量弓丨導(dǎo)件4，電連接導(dǎo)體5以及焊盤6-9。焊盤6-9分別作為電源供應(yīng)端VBias，接地端GND，電壓輸出端V+，V-。磁電阻傳感元件2和3分別位于通量引導(dǎo)件4下方的長軸兩側(cè)，通量引導(dǎo)件4能將所有磁電阻傳感元件完全覆蓋。當(dāng)然，磁電阻傳感元件2和3也可以分別位于通量引導(dǎo)件4下方的長軸兩側(cè)邊緣的外側(cè)。在本實施例中，雖然左右兩側(cè)最外圍以及中間的三個通量引導(dǎo)件下方?jīng)]有放置磁電阻傳感元件，但如有需要，所有通量引導(dǎo)件下方都可以放置磁電阻傳感元件。所有磁電阻傳感元件2相互電連接構(gòu)成了電橋的推臂，所有磁電阻傳感元件3相互電連接構(gòu)成了電橋的挽臂，推臂與挽臂相間隔排列，推臂、挽臂以及焊盤6-9之間通過電連接導(dǎo)體5連接形成電橋。一種可能的實施例是，當(dāng)磁電阻傳感元件沿通量引導(dǎo)件的短軸方向即X軸方向，位于通量引導(dǎo)件的下方邊緣至通量引導(dǎo)件的中心處之間的任意位置時，包括其中心處，均能增加單芯片Z軸線性磁阻電傳感器的線性工作范圍。
[0050]磁電阻傳感元件2和3可以為GMR或者TMR傳感元件，在本實施例中采用的是TMR傳感元件。磁電阻傳感元件2和3的形狀可以為方形、菱形或者橢圓形，但不限于以上形狀，其長、寬比值大于I，在本實例中，長度為15微米，寬度為1.5微米。磁電阻傳感元件2和3的個數(shù)相同并且其長軸方向與Y軸平行，這些磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向相同，均為110。在沒有外加磁場時,磁電阻傳感兀件2和3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(jié)合來使磁性自由層的磁化方向111與Y軸平行，釘扎層的磁化方向110與X軸平行，磁化方向110與111相互垂直，用于檢測Z軸方向的外加磁場在X軸方向上分量的差值。當(dāng)選擇通過形狀各向異性來實現(xiàn)磁性自由層的磁化方向與釘扎層的磁化方向垂直時，磁電阻傳感元件2、3的長度與寬度之間的比值均大于3。
[0051]通量引導(dǎo)件4為長條形陣列，但不限于以上形狀，其長度Ly大于寬度Lx，也大于厚度Lz，相鄰兩個通量引導(dǎo)件之間的間距S不小于寬度Lx，優(yōu)選地，間距S的取值為2Lx~3Lx。它們的組成材料為選自N1、Fe、Co和Al中的一種或幾種元素組成的軟鐵磁合金，但不限于以上材料。優(yōu)選地，其寬度Lx為1~20微米，長度Ly為10-?000微米，厚度Lz為1~20微米，相鄰兩個通量引導(dǎo)件之間的間距S為f 60微米。
[0052]本實施例中是采用焊盤來進(jìn)行輸入輸出連接以及傳感器芯片與封裝引出端之間的電連接，也可以采用倒裝芯片、球柵陣列封裝、晶圓級封裝以及板上芯片封裝等半導(dǎo)體封裝方法。此外，基片I上也還可以包含一集成電路，該集成電路與電橋相互電連接。
[0053]圖2為Z軸方向的外加磁場100在通量引導(dǎo)件4周圍分布的剖面圖。從圖中磁力線的分布情況可以看出，外加磁場在通量引導(dǎo)件4附近產(chǎn)生扭曲，從而產(chǎn)生了 X軸方向的磁場分量，位于通量引導(dǎo)件4下方的磁電阻傳感元件2和3正好能檢測到此分量，但二者所檢測到的磁場分量的方向相反，分別為101和102。通過所檢測到的X軸磁場分量，便能得知所施加的外加磁場的大小。由于通過通量引導(dǎo)件4的外加磁場，其磁場強度的幅度會大幅衰減，所以即使施加高強度的外加磁場(例如200高斯)，只要在該傳感器工作磁場的范圍內(nèi)，該傳感器都能正常工作。
[0054]磁電阻傳感元件的理想位置取決于預(yù)期的應(yīng)用。明確來說，本發(fā)明中提供的傳感器的靈敏度主要取決于以下幾個因素:通量引導(dǎo)件4的寬度Lx、厚度Lz、長度Ly以及磁電阻傳感元件2、3距離通量引導(dǎo)件4下方邊緣的距離Ledge。當(dāng)磁電阻傳感元件2、3遠(yuǎn)離通量引導(dǎo)件4的邊緣或者接近通量引導(dǎo)件4的中心時，傳感器的靈敏度就會降低，但是該傳感器的飽和磁場卻會增大，例如，此時傳感器能在500高斯以上的磁場中正常工作。磁電阻傳感元件2、3越靠近通量引導(dǎo)件4下方的邊緣處，或者增大通量引導(dǎo)件4的厚度Lz或者減小寬度Lx，均能提高傳感器的靈敏度。本發(fā)明提供的傳感器無需修改整個光刻掩膜組，就能很容易應(yīng)用于 各種應(yīng)用中。
[0055]圖3為對應(yīng)圖2的電路原理示意圖。若干個磁電阻傳感元件2電連接構(gòu)成等效磁電阻R2和R2’，若干個磁電阻傳感元件3電連接構(gòu)成兩個等效磁電阻R3和R3’，這四個磁電阻連接構(gòu)成全橋。當(dāng)施加Z軸方向的外磁場時，磁電阻R2、R2’和R3、R3’的阻值變化情況會相反，從而構(gòu)成推挽輸出。一般來說，R2’=R2，R3’=R3。從圖3中可以得到，該電路的輸出電壓:
【權(quán)利要求】
1.一種單芯片Z軸線性磁電阻傳感器，其特征在于，該磁電阻傳感器包括: 沉積有電橋的基片； 所述電橋由相交錯排列的推臂與挽臂電連接構(gòu)成； 所述推臂和挽臂各自均包含有至少一個相互電連接的磁電阻傳感元件，以檢測磁場在X軸方向上的分量； 至少一個通量引導(dǎo)件，所有所述通量引導(dǎo)件的集合覆蓋住整個所述電橋； 所述通量引導(dǎo)件的長軸與Y軸平行，所述通量引導(dǎo)件的短軸與X軸平行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單芯片Z軸線性磁電阻傳感器，其特征在于，所述磁電阻傳感元件為GMR或者TMR傳感元件,所述GMR或者TMR傳感元件的釘扎層的磁化方向相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單芯片Z軸線性磁電阻傳感器，其特征在于，所述磁電阻傳感元件的長度與寬度之間的比值大于I。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單芯片Z軸線性磁電阻傳感器，其特征在于，在沒有外加磁場時，所述磁電阻傳感元件的磁性自由層的磁化方向與Y軸平行，釘扎層的磁化方向與X軸平行。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的單芯片Z軸線性磁電阻傳感器，其特征在于，所述磁電阻傳感元件通過永磁偏置、雙交換作用、形狀各向異性或者所述永磁偏置、雙交換作用和形狀各向異性中至少兩個的結(jié)合使磁性自由層的磁化方向與Y軸平行。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單芯片Z軸線性磁電阻傳感器，其特征在于，通過形狀各向異性來實現(xiàn)磁性自由層的磁化方向與Y軸平行，并且釘扎層的磁化方向與X軸平行時，所述磁電阻傳感元件的長度與寬度之間的比值大于3。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單芯片Z軸線性磁電阻傳感器，其特征在于，所述推臂和所述挽臂上的磁電阻傳感元件的數(shù)量相同，并且所述磁電阻傳感元件的長軸與Y軸平行。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單芯片Z軸線性磁電阻傳感器，其特征在于，所述電橋為半橋、全橋或者準(zhǔn)橋。
9..根據(jù)權(quán)利要求1所述的單芯片Z軸線性磁電阻傳感器，其特征在于，所述通量引導(dǎo)件為長條形陣列，其長度Ly大于寬度Lx，也大于厚度Lz，相鄰兩個通量引導(dǎo)件之間的間距S不小于寬度Lx，所述通量引導(dǎo)件的材料為軟鐵磁合金，其含有N1、Fe、Co和Al中的一種或幾種元素。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的單芯片Z軸線性磁電阻傳感器，其特征在于，相鄰兩個通量引導(dǎo)件之間的間距S取值范圍為2LX~3LX。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單芯片Z軸線性磁電阻傳感器，其特征在于，所述電橋用引線連接于半導(dǎo)體封裝引線框，封裝在塑料中以形成一標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體封裝。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的單芯片Z軸線性磁電阻傳感器，其特征在于，所述半導(dǎo)體封裝的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)以及板上芯片封裝(COB)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單芯片Z軸線性磁電阻傳感器，其特征在于，所述基片包含有一集成電路，所述集成電路與所述電橋相電連接。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單芯片Z軸線性磁電阻傳感器，其特征在于，所述磁電阻傳感元件，位于所述通量引導(dǎo)件的下方邊緣至所述通量引導(dǎo)件的中心處之間的任意位置。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單芯片Z軸線性磁電阻傳感器，其特征在于，所述磁電阻傳感元件位于相對于所述通量引導(dǎo)件的邊緣的下方的以外的兩側(cè)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單芯片Z軸線性磁電阻傳感器，其特征在于，所述磁電阻傳感元件位于從所述通量引導(dǎo)件的邊緣到其中心線的距離的1/3處至2/3處之間的任意位置并包括所述1/3和2/3處。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單芯片Z軸線性磁電阻傳感器，其特征在于，移動所述磁電阻傳感元件靠近所述通量引導(dǎo)件的下方邊緣，或者增大所述通量引導(dǎo)件的厚度Lz，或者減小所述通量引導(dǎo)件的寬度Lx 處均，以增加所述單芯片Z軸線性磁電阻傳感器的靈敏度。
【文檔編號】G01R33/09GK203480009SQ201320560025
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月10日
【發(fā)明者】詹姆斯·G·迪克 申請人:江蘇多維科技有限公司