本发明公开了一种传感器敏感单元的设计与制造技术以及由该种敏感单元组成的一种或几种传感器芯片，确切地说是一种或几种能够对平行和垂直于芯片表面的磁场和物体加速度进行检测的传感器芯片。本发明工艺简单易行，灵敏度高，易于实现批量化生产。传感器敏感单元包括晶圆基片、种子层、软磁材料层、被软磁材料层包裹的导电层以及由软磁层和导电层组合而成的N层结构，同时在平面内形成由N根长线条组成的弯曲状结构(当N＝1时敏感单元为单条状结构)。传感器敏感单元通过不同的封装形式实现单轴、双轴与三轴磁场检测。同时传感器敏感单元与带有磁性质量块的悬臂梁结构组合能够实现单轴、双轴与三轴加速度检测。
一种检测磁场和加速度的磁阻传感器芯片
技术领域：
[0001] 本发明涉及一种微型磁阻传感器芯片，能够对平行和垂直于芯片表面的X、Y、Z三个方向的磁场和加速度进行检测。背景技术：
[0002] 磁传感器，是指把磁场、电流、应力应变、温度、光等引起传感元件磁性能改变的物理量转换成电信号，实现对相应物理量进行检测的器件。其突出特点是可以实现非接触测量，检测信号几乎不受被测物的影响，耐污染、抗噪声，即使在很恶劣的环境条件下也能够可靠地工作，坚固耐用，寿命长。正因为如此，磁传感器广泛应用于各种工业场合，例如军事安全、航天与航海导航、高密度磁性存储、目标探测与追踪、反盗窃监控、材料无损探伤、磁感应式传感、空间磁场探测、生物磁场探测等。
[0003] 2007年，法国科学家Albert Fert和德国科学家Peter Grunberg因为发现巨磁电阻(GMR)效应被同时授予诺贝尔物理学奖。GMR传感器磁头的应用带动了计算机产业的迅速发展，打破了信息技术传递与存储的瓶颈，同时GMR传感器也在工业领域得到广泛应用。
[0004] GMR传感器虽然得到成功应用，但它本身也存在不足。首先是磁阻变化率较低，输出信号幅值较小，对微弱磁场不敏感，而通过设置后端信号放大电路又会增加系统的复杂性和成本；其次是需要高驱动磁场来获得磁阻变化和输出信号，对磁场的灵敏度限制在1％/Oe左右；第三是GMR传感器的加工精度要求苛刻，严格控制在纳米量级，即增加了技术难度和工艺设备成本，又难以保证成品率。
[0005] 为了克服GMR传感器的上述缺点，科学家们又开始转向隧道磁电阻(TMR)传感器的研究。TMR传感器的磁阻变化率和磁场灵敏度均大于GMR传感器，但是在加工工艺方面，TMR传感器比GMR传感器更加复杂，加工精度更小于1个纳米，同时线性工作范围较窄。
[0006] 霍尔(Hall)效应传感器是另一种磁性传感器，和GMR以及TMR相比，加工精度要求也较高，磁阻变化率和磁场敏感度更低，同时由于半导体效应的存在，Hall传感器更容易受到温度影响。发明内容：
[0007] 本发明的目的是克服现有磁传感器芯片技术存在的不足，提供一种工艺简单易行同时保证较高灵敏度的磁阻传感器设计与制造的技术方案。其加工精度要求较低、磁滞小、线性范围宽、线性度高、磁场灵敏度高、抗干扰能力强、制造成本低、易于实现批量化生产。同时通过不同的组合方式，能够实现单轴、双轴、三轴磁场测量、加速度检测以及磁场与加速度的同步测量。
[0008] 本发明一方面提供一种磁阻传感器敏感单元，用来检测平行和垂直于敏感单元表面的磁场分量，该敏感单元包括晶圆基片、种子层、软磁材料层、被软磁材料层包裹的导电层以及由软磁层和导电层组合而成的多层结构。每层结构的厚度可以在纳米级与微米级之间自由选择，软磁材料层的易磁化方向可以平行或垂直于敏感单元表面。软磁材料层和导电层的包裹式组合使得传感器在上电工作时，环形闭合结构的软磁材料层成为磁场的主要传输通道，避免漏磁现象，而导电层成为电流的主要传输通道。
[0009] 同时，该敏感单元在平面内由N根长线条组成的，其中N＝1时磁阻敏感单元为单条状结构，1＜N≤1000时时磁阻敏感单元为弯曲状结构。在传感器上电工作时，这种弯曲状结构的相邻线条之间由于自感效应和互感效应的相互作用，会显著增强传感器对外界磁场的敏感程度。
[0010] 该敏感单元在其磁场-电压变化曲线的某一段范围内呈线性比例关系。特别地，在磁阻敏感单元的表面或旁边可以通过制作永磁薄膜或放置永磁体产生偏置磁场，也可以通过在磁阻敏感单元附近制作金属导线带，通过导线带的电流产生偏置磁场，使磁阻敏感单元磁场-电压变化曲线线性工作区间内的磁场零点与电压零点重合于坐标原点。
[0011] 敏感单元的易磁化方向等于敏感单元在高温退火处理时外磁场的施加方向。通常的传感器敏感单元退火设备是对整个晶圆面积上的敏感单元整体加热，当施加外磁场进行退火后，晶圆上所有敏感单元的易磁化方向都保持一致。而为了在同一块晶圆上得到易磁化方向不同的磁阻敏感单元，可以利用激光加热局部退火方式，对单个敏感单元进行加热并施加特定方向的磁场，即可使单个敏感单元在特定方向上形成易磁化方向，从而使同一晶圆上的不同敏感单元具有不同的易磁化方向。
[0012] 本发明另一方面提供三种由磁阻传感器敏感单元和IC电路集成封装的磁阻传感器芯片，分别为单轴磁场传感器芯片、双轴磁场传感器芯片和三轴磁场传感器芯片，描述如下。
[0013] 单轴：沿X-Y平面内的X或Y轴方向放置的磁阻敏感单元；与磁阻敏感单元组合的IC电路单元。
[0014] 双轴：沿X轴方向独立放置或集成制作的易磁化方向平行于X轴的磁阻敏感单元；沿Y轴方向独立放置或集成制作的易磁化方向平行于Y轴的磁阻敏感单元；与磁阻敏感单元组合的IC电路单元。
[0015] 三轴：沿X轴方向独立放置或集成制作的易磁化方向平行于X轴的磁阻敏感单元；沿Y轴方向独立放置或集成制作的易磁化方向平行于Y轴的磁阻敏感单元；沿Z轴方向独立放置的易磁化方向平行于Z轴的磁阻敏感单元，或者在X-Y平面内集成制作的易磁化方向垂直于X-Y平面的磁阻敏感单元；与磁阻敏感单元组合的IC电路单元。
[0016] 磁阻传感器敏感单元的导电引脚设计保证敏感单元每侧都可以焊接一个以上的导电引线。同一芯片内的所有敏感单元附于同一标准半导体封装引线框，敏感单元之间通过导电引线相互连接，敏感单元与IC单元通过导电引线相互连接。沿不同轴向的敏感单元可以采用直接测量式或电桥式结构进行磁场检测。
[0017] 对于单轴磁阻传感器芯片，需要一个磁阻敏感单元，其易磁化方向就是芯片的敏感方向；
[0018] 对于双轴磁阻传感器芯片，需要两个独立的、具有相同易磁化方向的磁阻敏感单元沿X轴和Y轴分别放置，或者需要同一晶圆基片集成分别具有X轴和Y轴易磁化方向的两个磁阻敏感单元进行制作；
[0019] 对于三轴磁阻传感器芯片，需要三个独立的、具有相同易磁化方向的磁阻敏感单元沿X轴、Y轴和Z轴分别放置，或者需要同一晶圆基片集成分别具有X轴和Y轴易磁化方向的两个磁阻敏感单元和一个易磁化方向沿Z轴放置的独立磁阻敏感单元组合制作，或者需要同一晶圆基片上集成分别具有X、Y、Z轴易磁化方向的三个磁阻敏感单元进行制作。
[0020] 本发明第三个方面提供一种悬臂梁结构单元与磁阻敏感单元组合的加速度传感单元以及由加速度传感单元和IC电路单元组成的加速度传感器芯片。
[0021] 悬臂梁结构的长方向可以平行或垂直于磁阻敏感单元表面，当平行于敏感单元表面放置时，加速度传感单元检测的是垂直于敏感单元表面的加速度值；当垂直于敏感单元表面放置时，加速度传感单元检测的是平行于敏感单元表面的加速度值。
[0022] 每个悬臂梁结构单元与每个磁阻敏感单元组合可以构成一个单独的加速度传感单元，每个加速度传感单元可以与IC单元组成单轴加速度传感器芯片，每两个加速度传感单元沿平面内X和Y轴放置可以组成两轴加速度传感器芯片，每三个加速度传感单元沿空间X、Y和Z轴放置可以组成三轴加速度传感器芯片。同一芯片内的所有磁阻敏感单元附于同一标准半导体封装引线框，敏感单元之间通过导电引线相互连接，敏感单元与IC单元通过导电引线相互连接，悬臂梁结构为独立单元，与敏感单元和IC单元之间无导电引线连接。
[0023] 本发明第四个方面提供多种组合形式芯片，多种组合包括一个或多个上述磁阻敏感单元以及一个或多个上述加速度传感单元的组合，使得在同一块芯片中同时实现对多个方向上的磁场和加速度检测。
附图说明
[0024] 图1是本发明中磁阻敏感单元的结构示意图(包括截面图与俯视图)与坐标示意图[0025] 图2是本发明磁阻敏感单元中软磁材料的典型磁化曲线
[0026] 图3是本发明中磁阻敏感单元与IC电路单元的不同封装形式示意图(单轴、两轴和三轴封装)
[0027] 图4是本发明中磁阻敏感单元磁场-电压响应曲线的线性工作区间示意图[0028] 图5是本发明中加速度传感单元结构与永磁体磁场分布示意图
[0029] 图6是本发明中加速度传感单元的加速度-电压响应曲线的线性工作区间示意图具体实施方式
[0030] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述。
[0031] 如图1中所示，本发明中的磁阻敏感单元包括晶圆基片、种子层1、软磁材料层2、被软磁材料层包裹的导电层3以及由软磁层和导电层组合而成的多层结构，同时该敏感单元在平面内由N根长线条组成，其中N＝1时磁阻敏感单元为单条状结构，1＜N≤1000时磁阻敏感单元为弯曲状结构。
[0032] 如图1中所示，磁阻敏感单元的晶圆基片材料可以为硅片、碳化硅基片、蓝宝石基片、石英玻璃基片等，所述敏感单元种子层1的材料包括Cr、Ni、Cu、Au、Ag以及由它们任意组合而成复合层，所述敏感单元软磁材料层2的材料包括CoFeB、CoFeSiB、CoFe、NiFe、FeCuNbSiB和其它Co基、Fe基及Ni基软磁材料，所述敏感单元导电层2的材料包括Cu、Ag、Au、Al以及由它们任意组合而成的复合层。
[0033] 如图1中所示，磁阻敏感单元中，软磁材料层2和被软磁材料层包裹的导电层3在Y方向，也就是敏感单元厚度方向上组合成为1层“三明治”夹心结构，整个磁阻敏感单元在Y方向由N层夹心结构组成，N为[1，1000]区间内任意数值。在俯视图，也就是X-Z平面内磁阻敏感单元为N根长线条组成，其中N＝1时磁阻敏感单元为单条状结构，1＜N≤1000磁阻敏感单元为弯曲状结构。
[0034] 如图1中所示，磁阻敏感单元沿Y方向的尺寸为纳米或微米量级，沿X和Z方向的尺寸为微米或毫米量级。
[0035] 如图1中所示，软磁材料层2可以为薄膜(thin film)或薄带(ribbon)形式，通过电镀、溅射、气相沉积、外延生长、喷铸等工艺手段制作。
[0036] 如图1中所示，种子层1和导电层3为薄膜形式，通过电镀、溅射、气相沉积、外延生长等工艺手段制作，主要特点为薄膜与晶圆基片的结合力强，电阻率低，薄膜致密性高，表面光洁度高。
[0037] 参考图1所示，以软磁材料层2为薄膜形式、Y方向上为1层夹心结构为例，描述制作磁阻敏感单元的典型工艺流程：
[0038] (1)通过电镀、溅射、气相沉积、外延生长等工艺手段在清洗干净的晶圆基片上制作种子层薄膜；
[0039] (2)通过电镀、溅射、气相沉积、外延生长等工艺手段制作软磁材料层薄膜；
[0040] (3)在软磁材料层薄膜上旋涂光刻胶，然后烘干光刻胶；
[0041] (4)利用光刻机在光刻胶涂层产生和光刻掩膜一致的曝光区域，经过显影后得到相应的光刻胶图形，然后进行光刻胶的坚膜工艺；
[0042] (5)通过干法或湿法刻蚀工艺对暴露在光刻胶图形之外的薄膜材料进行刻蚀；
[0043] (6)去胶机对晶圆基片进行光刻胶去除，然后烘干基片；
[0044] (7)通过电镀、溅射、气相沉积、外延生长等工艺手段在晶圆基片上制作种子层薄膜；
[0045] (8)在种子层薄膜上旋涂光刻胶，然后烘干光刻胶；
[0046] (9)利用光刻机在光刻胶涂层产生和光刻掩膜一致的曝光区域，经过显影后得到相应的光刻胶图形，然后进行光刻胶的坚膜工艺；
[0047] (10)通过电镀、溅射、气相沉积、外延生长等工艺手段在晶圆基片上制作导电层薄膜；
[0048] (11)去胶机对基片进行光刻胶去除，然后烘干基片；
[0049] (12)通过干法或湿法刻蚀工艺对种子层薄膜材料进行刻蚀；
[0050] (13)通过电镀、溅射、气相沉积、外延生长等工艺手段制作软磁材料层薄膜；
[0051] (14)在软磁材料层薄膜上旋涂光刻胶，然后烘干光刻胶；
[0052] (15)利用光刻机在光刻胶涂层产生和光刻掩膜一致的曝光区域，经过显影后得到相应的光刻胶图形，然后进行光刻胶的坚膜工艺；
[0053] (16)通过干法或湿法刻蚀工艺对暴露在光刻胶图形之外的薄膜材料进行刻蚀；
[0054] (17)去胶机对晶圆基片进行光刻胶去除，然后烘干基片，得到1层夹心结构的磁阻敏感单元。
[0055] 参考图1所示，以软磁材料层2为薄带形式、Y方向上为1层夹心结构为例，描述磁阻敏感单元的典型制作工艺：
[0056] (1)通过粘贴或键合工艺将清洗干净的晶圆基片与软磁材料层薄带贴合在一起；
[0057] (2)在软磁材料层薄带上旋涂光刻胶，然后烘干光刻胶；
[0058] (3)利用光刻机在光刻胶涂层产生和光刻掩膜一致的曝光区域，经过显影后得到相应的光刻胶图形，然后进行光刻胶的坚膜工艺；
[0059] (4)通过干法或湿法刻蚀工艺对暴露在光刻胶图形之外的薄带材料进行刻蚀；
[0060] (5)去胶机对晶圆基片进行光刻胶去除，然后烘干基片；
[0061] (6)通过电镀、溅射、气相沉积、外延生长等工艺手段在晶圆基片上制作种子层薄膜；
[0062] (7)在种子层薄膜上旋涂光刻胶，然后烘干光刻胶；
[0063] (8)利用光刻机在光刻胶涂层产生和光刻掩膜一致的曝光区域，经过显影后得到相应的光刻胶图形，然后进行光刻胶的坚膜工艺；
[0064] (9)通过电镀、溅射、气相沉积、外延生长等工艺手段在晶圆基片上制作导电层薄膜；
[0065] (10)去胶机对晶圆基片进行光刻胶去除，然后烘干基片；
[0066] (11)通过粘贴或键合工艺将晶圆基片与软磁材料层薄带贴合在一起；
[0067] (12)在软磁材料层薄膜上旋涂光刻胶，然后烘干光刻胶；
[0068] (13)利用光刻机在光刻胶涂层产生和光刻掩膜一致的曝光区域，经过显影后得到相应的光刻胶图形，然后进行光刻胶的坚膜工艺；
[0069] (14)通过干法或湿法刻蚀工艺对暴露在光刻胶图形之外的薄带材料进行刻蚀；
[0070] (15)去胶机对晶圆基片进行光刻胶去除，然后烘干基片，得到1层夹心结构的磁阻敏感单元。
[0071] 如图1中所示，1层夹心结构制作完毕，可以根据需要重复上述制作流程，直至得到N层夹心结构。
[0072] 如图1中所示，晶圆基片上的磁阻敏感单元制作完毕后，通过真空磁场退火设备或激光局部加热磁场退火设备对磁阻敏感单元进行磁场退火处理，使其形成特定的易磁化方向。
[0073] 如图2所示为磁阻敏感单元中软磁材料的典型特征，主要特点为剩磁小、磁滞损耗和矫顽力小，对外界磁场响应灵敏。
[0074] 如图3左侧示意图所示为单轴封装的传感器芯片，其中包括1个切割后的独立磁阻敏感单元与1个IC电路单元。磁阻传感器敏感单元的导电引脚设计保证敏感单元每侧都可以焊接一个以上的导电引线，敏感单元与IC单元通过导电引线相互连接，敏感单元与IC单元附于同一标准半导体封装引线框。敏感单元可以采用直接测量式或电桥式结构进行磁场检测。IC电路单元包括ESD防静电保护电路和对磁阻敏感单元的输出进行计算和处理的电路。
[0075] 如图3中间示意图所示为两轴封装的传感器芯片，其中包括2个切割后正交放置的独立磁阻敏感单元与1个IC电路单元，或者是2个集成在同一基片上但易磁化方向互相垂直的磁阻敏感单元与1个IC电路单元。磁阻传感器敏感单元的导电引脚设计保证敏感单元每侧都可以焊接一个以上的导电引线，敏感单元之间可以通过导电引线相互连接，敏感单元与IC单元通过导电引线相互连接，敏感单元与IC单元附于同一标准半导体封装引线框。每个敏感单元可以采用直接测量式或电桥式结构进行磁场检测。IC电路单元包括ESD防静电保护电路和对三个磁阻敏感单元的输出进行计算和处理的电路。
[0076] 如图3右侧示意图所示为三轴封装的传感器芯片，其中包括3个切割后沿图1中的X、Y、Z轴分别放置的独立磁阻敏感单元与1个IC电路单元，或者是2个集成在同一基片上但易磁化方向互相垂直的磁阻敏感单元与1个垂直于前2个敏感单元放置的独立敏感单以及1个IC电路单元，或者是3个集成在同一基片上但易磁化方向分别沿X、Y、Z轴的3个磁阻敏感单元以及1个IC电路单元。磁阻传感器敏感单元的导电引脚设计保证每个敏感单元每侧都可以焊接一个以上的导电引线，敏感单元之间可以通过导电引线相互连接，敏感单元与IC单元通过导电引线相互连接，敏感单元与IC单元附于同一标准半导体封装引线框。每个敏感单元可以采用直接测量式或电桥式结构进行磁场检测。IC电路单元包括ESD防静电保护电路和对三个磁阻敏感单元的输出进行计算和处理的电路。
[0077] 如图4中所示为传感器芯片磁场-电压输出曲线，当外界磁场为0时，芯片输出电压为0，磁场与电压的输出在一定范围内呈线性关系。为了使传感器工作于磁场-电压输出曲线的线性区间内，在磁阻敏感单元表面或旁边制作一层永磁薄膜结构提供偏置磁场，也可以通过在磁阻敏感单元附近制作金属导线带，通过导线带的电流产生偏置磁场，使磁阻敏感单元的磁场-电压输出位于线性区间内。
[0078] 如图5中所示，加速度传感单元由晶圆基片、悬臂梁结构、悬臂梁顶端的永磁体和磁阻敏感单元组成。当永磁体质量块在加速度作用下使悬臂梁发生弯曲时，永磁体本身相对于磁阻敏感单元产生距离和角度的变化，永磁体在敏感单元区域的磁场强度和分布发生变化，磁场变化引起敏感单元电压输出的变化。通过检测敏感单元输出电压的变化可以推算出悬臂梁的弯曲程度，进而计算出在特定的弯曲程度下永磁体质量块的加速度大小，实现对加速度的检测。
[0079] 如图5中所示，悬臂梁结构的长方向可以平行或垂直于磁阻敏感单元表面，当平行于敏感单元表面放置时，加速度传感单元检测的是垂直于敏感单元表面的加速度值；当垂直于敏感单元表面放置时，加速度传感单元检测的是平行于敏感单元表面的加速度值。
[0080] 参考图5所示，以SOI硅基体为例具体描述悬臂梁结构的典型制作工艺，而磁阻敏感单元的制作工艺如前所述：
[0081] (1)清洗SOI基片，采用湿法热氧化工艺在硅衬底面生成精确厚度的氧化层，对硅衬底层进行选择性保护；
[0082] (2)在氧化面(A面)旋涂光刻胶进行光刻、显影，在光刻胶上得到硅衬底释放窗口图形，以光刻胶为掩膜进行氧化硅刻蚀得到释放窗口；
[0083] (3)在SOI基片的单晶硅面(B面)制作种子层，种子层的材料包括Cr、Ni、Cu、Au、Ag以及由它们任意组合而成复合层；
[0084] (4)在种子层上旋涂光刻胶进行光刻、显影，得到质量块图形区域，通过电镀或溅射手段在图形区域生长固定厚度的质量块，质量块的材料包括Ni、Fe、Co以及它们组合而成的复合材料；
[0085] (5)去除光刻胶，刻蚀暴露出的种子层结构直至SOI基片单晶硅面；
[0086] (6)以A面氧化硅为掩膜，从A面对释放窗口暴露出来的硅衬底材料进行刻蚀，一直刻蚀遇到氧化硅阻挡层为止；
[0087] (7)在B面旋涂光刻胶进行光刻显影，在光刻胶上得到SOI上层单晶硅与中间氧化硅层释放窗口图形，以光刻胶为掩膜进行单晶硅与氧化硅刻蚀，释放得到具有质量块的悬臂梁结构；
[0088] 如图5中所示，悬臂梁材料由厚度可以精确控制的氧化硅/单晶硅组成，其材料力学参数恒定，而悬臂梁上质量块的尺寸和质量也通过光刻工艺得到精确控制，确保悬臂梁的形变与质量块加速度值输出精确。
[0089] 如图5中所示，加速度传感单元与磁阻敏感单元以及IC电路单元可以进行组合封装构成加速度传感芯片，其中IC电路单元包括ESD防静电保护电路和对加速度进行计算和输出的电路。
[0090] 如图6中所示为加速度传感单元的加速度-电压输出曲线，当加速度为0时，芯片输出电压为0，加速度与电压的输出在一定范围内呈线性关系。
[0091] 以上对本发明的特定实例结合图示进行了典型性说明，其目的仅仅是用来对本发明进行更详细的阐述，而并非用作对本发明的限定。在本发明的基础上，可以对现有技术和工艺进行多种修改，并对本发明的应用进行多种拓展。在本发明的技术和原理范围内，对以上所述实施例子的变化和变型都将落在本发明的权利要求范围内。
