本发明属于电子通讯技术领域， 涉及一种磁传感装置， 尤其涉及一种单芯片三轴磁传感 装置， 本发明还涉及上述磁传感装置的磁传感设†方 法； 同时， 本发明进一步涉及上述磁传 感装置的制备工艺。 背景技术

磁传感器按照其原理， 可以分为以下几类： 霍尔元件， 磁敏二极管， 各项异性磁阻元件 ( AMR ) , 璲道结磁阻 (TMR) 元件及巨磁阻 (GMR) 元件、 感应线圈、 超导量子千涉磁强计 等。

电子罗盘是磁传感器的重要应用领域之一， 随着近年来消费电子的迅猛发展， 除了导航 系统之外， 还有越来越多的智能手机和平板电脑也开始标 配电子罗盘， 给用户带来很大的应 用便利， 近年来， 磁传感器的需求也开始从两轴向 轴发展。 两轴的磁传感器， 即平面磁传 感器， 可以 ]¾来测量平面上的磁场强度和方 ， 可以用 X和 Y轴两个方向来表示。

以下介绍现有磁传感器的工作原理。 磁传感器采用各向异性磁致电阻 （Anisotropic Magneto-Resistance ) 材料来检测空间中磁感应强度的大小。 这种具有晶体结构的合金材料对 外界的磁场很敏感， 磁场的强弱变化会导致 AMR自身电阻值发生变化。

在制造、 应用过程中， 将一个强磁场加在 AMR单元上使其在某一方向上磁化， 建立起一 个主磁域， 与主磁域垂直的轴被称为该 AMR的敏感轴， 如图 1所示。 为了使测量结果以线性 的方式变化， AMR材料上的金属导线呈 45°角倾斜排列， 电流从这些导线和 AMR材料上流 过， 如图 2所示； ¾初始的强磁场在 AMR ^料上建立起来的主磁域和电流的方向有 45°的夹 角。

当存在外界磁场 Ha时， AMR单元上主磁域方向就会发生变化而不再是初 始的方向， 那 么磁场方向 M和电流 I的夹角 Θ也会发生变化， 如图 3所示。 对于 AMR材料来说， Θ角的变 化会引起 AMR自身阻值的变化， 如图 4所示。

通过对 AMR单元电阻变化的测量， 可以得到外界磁场。在实际的应用中， 为了提高器件 的灵敏度等， 磁传感器可利用惠斯通电桥或半电桥检测 AMR 阻值的变化， 如图 5 所示。

R 1/R2/R3/R 是初始状态相同的 AMR 电阻， 当检酒到外界磁场的时候， RJ R2 阻值增加 Λ11 而 R3/R4减少 AR。 这样在没有外界磁场的情况下， 电桥的输出为零； 而在有外界磁场时， 电 桥的输出为一个徵小的电压 。

目前的 传感器是将一个平面 （Χ、 Υ两轴） 传感部件与 ζ方 的磁传感部件进行系 统级封装组合在一起， 以实现三轴传感的功能； 也就是说需要将平面传感部件及 ζ方向磁传 感部件分别设置于两个圆晶或芯片上， 最后通过封装连接在一起。 目前， 在单圆晶 /芯片上无 法同时实现:三轴传感器的制造。

有鉴于此， 如今迫切需要设计一种新的磁传感装置， 以使实现在单圆晶 /芯片上进行三轴 传感器的制造。 发明内容

本发明所要解决的技术问题是： 提供一种磁传感装置， 可将 X轴、 Υ轴、 ζ轴的感应器 件设置在同一个圆晶或芯片上， 具有良好的可制造性、 优异的性能和明显的价格竞争力。

本发明还提供上述磁传感装置的磁感应设计方 法， 可根据同一个圆晶或芯片上设置的感 应器件感应 X轴、 Υ轴、 ζ轴的磁场数据。

此外， 本发明进一步提供上述磁传感装置的制备方法 ， 可制得 X轴、 Υ轴、 Ζ轴的感应 器件设置在同一个圆晶或芯片上的磁传感装置 。

为解决上述技术 ^题， 本发明采用如 技术方案：

一种磁传感装置， 所述装置包括第三方向磁传感部件， 该第三方向磁传感部件包括： 基底， 其表面开有沟槽；

导磁单元， 其主体部分设置于沟槽内， 并有部分露出沟槽至基底表面， 以收集第 方 向的磁场信号， 并将该磁场信号输出；

感应单元， 设置于所述基底表面上， 用以接收所述导磁单元输出的第≡方向的磁信 号， 并根据该磁信号测量出第三方向对应的磁场强 度及磁场方向。

作为本发明的一种优选方案， 所述第三方向磁传感部件为垂直方向磁传感部 件： 所述导磁单元用以收集垂直方向的磁场信号， 并将该磁场信号输出；

所述感应单元是感应与基底表面平行方向的磁 传感器， 设置于所述基底表面上， 含有磁 材料层， ]¾以接收所述导磁单元输出的垂直方向的磁信 号， 并根据该磁信号测量出垂直方向 对应的磁场强度及磁场方 ； 所述垂直方向为基底表面的垂直方向；

所述磁传感装置还包括第一磁传感器、 第二磁传感器， 分别用以感应与基底表面平行的 第一方向、 第二方向， 第一方 、 第二方向相互垂直。

作为本发明的一种优选方案， 所述第≡方向磁传感部件包括外围电路， 用于计算磁场强 度及磁场方向， 并进行输出。

作为本发明的一种优选方案， 所述导磁单元的主体部分与基底表面的夹角为 45^90°; 所 述感应单元贴紧基底表面设置， 与基底表面平行。

作为本发明的一种优选方案， 所述感应单元是与基底表面平行的磁传感器， 和基底表面 平行的第一方向、 第二方 ^对应的磁传感器一起， 组成≡维磁传感器的一部分。

作为本发明的一种优选方案， 上述各感应单元包括磁材料层， 磁衬料层为磁阻衬料， 该 磁材料的电阻随着磁场强度的方向变化。

作为本发明的一种优选方案， 所述导磁单元及感应单元均含有磁材料层； 所述的磁材料 为各项异性磁阻 （AMR) 材料， 或为巨磁阻 （GMR) 材料， 或为隧道磁阻 TMR材料。 所述 磁传感器装置的原理是各项异性磁阻 （AMR), 或为巨磁阻 （GMR), 或为隧道磁阻 TMR。

作为本发明的一种优选方案， 所述感应单元通过不同的 #列可以用于测量第一方向或 /和 第二方向的磁场， 将垂直方向测量的磁场引导到第一方向或 /和第二方向对应的磁场， 同样的 感应单元可测量垂直方向； 第一方向、 第二方向、 垂直方 两两相互垂直。

作为本发明的一种优选方案， 所述感应单元是与基底表面平行的磁传感器， 和基底表面 平行的第 ·方向、 第二方 对应的磁传感器一起， 组成：三维磁传感器的一部分。

作为本发明的一种优选方案， 所述第一方向为 X轴方向， 第二方向为 Y轴方向， 垂直方 向为 Z轴方向。

作为本发明的一种优选方案， 所述装置进一歩包括第二磁传感部件， 用以感应第 ·方向 或 /第二方向的磁信号， 并以此测量出第一方向或 /第二方向对应的磁场强度及磁场方向。

作为本发明的一种优选方案， 所述第二磁传感部件包括至少-一个感应子单� �； 上述各感 应子单元包括磁材料层， 磁材料层为磁阻材料， 该磁材料的电阻随着磁场强度的方向变化。

作为本发明的一种优选方案， 所述第二磁传感部件包括四个感应子单元， 分别为第五感 应子单元、 第六感应子单元、 第七感应子单元、 第八感应子单元；

上述各感应子单元包括磁材料层， 该磁材料层上设有若干平行设置的电极； 电极的设置 方向与磁材料层的磁化方向的夹角为 10°〜80°。

作为本发明的一种优选方案， 所述导磁单元包括四个导磁子单元， 分别为第一导磁子单 元、 第二导磁子单元、 第三导磁子单元、 第四导磁子单元；

所述感应单元包括四个感应子单元， 分别为第一感应子单元、 第二感应子单元、 第三感 应子单元、 第四感应子单元；

所述第一导磁子单元与第一感应子单元配合， 作为垂直方向磁传感部件的第一感应模块; 所述第二导磁子单元与第二感应子单元配合， 作为垂直方向磁传感部件的第二感应模块； 所述第三导磁子单元与第三感应子单元配合， 作为垂直方向磁传感部件的第 感应模块; 所述第四导磁子单元与第四感应子单元配合； 作为垂直方向磁传感部件的第四感应模块； 上述各感应子单元包括磁材料层， 该磁材料层上设有若千平行设置的电极； 电极的设置 方向与磁材料层的磁化方 的夹角为 10°〜80°；

所述基底设有一列或若干列沟槽， 一列沟槽由一个长沟槽构成， 或者一列沟槽包括若干 子沟槽；

各导磁子单元包括若干磁性构件， 各磁性构件的主体部分设置于对应的沟槽内， 并有部 分露出于沟槽外； 露出部分靠近对应感应子单元的磁材料层装置 。

作为本发明的一种优选方案， 各磁性构件有部分露出于沟槽外， 露出部分与对应感应子 单元的磁材料层的距离为 0-20微米。

作为本发明的一种优选方案， 所述导磁单元及感应单元的磁材料层使用同一 磁性材料， 层数一致， 为同一次沉积得到。

作为本发明的一种优选方案， 所述导磁单元及感应单元的磁^料层使用不同� �性材料， 通过多次沉积得到。 一种上述磁传感装置的磁感应方法， 所述方法包括垂直方向磁场感应步骤， 具体包括- 导磁单元收集垂直方向的磁信号， 并将该磁信号输出；

感应单元接收所述导磁单元输出的垂直方向的 磁信号， 并根据该磁信号测量出垂直方向 对应的磁场强度及磁场方向。

作为本发明的一种优选方案， 所述方法还包括第一方 、 第二方向磁场感应歩骤， 感应 第一方向、 第二方向的磁信号， 并以此測量出第一方向、 第二方向对应的磁场强度及磁场方 向。 一种上述磁传感装置的制备工艺， 所述制备工艺包括如 T步骤：

步骤 Sl、 设置基底；

步骤 S2、 在基底的表面设置沟槽；

步骤 S3、 在基底表面沉积感应单元的同^沉积、 制备导磁单元， 使得导磁单元及感应单 元使用同一磁性材料， 为同一次沉积得到； 导磁单元的主体部分沉积于沟槽内， 并有部分露 出沟槽至基底表面； 步骤 S4、 在感应单元上设置电极层。

作为本发明的一种优选方案， 所述步骤 S3中， 在基底表面沉积感应单元、 导磁单元的同 时， 沉积第二磁传感部件所需的磁衬料层， 第二磁传感部件用以感应第一方向、 第二方向的 磁信号， 并以此测量出第一方向、 第二方向对应的磁场强度及磁场方向； 即第二磁传感部件 所需的磁材料层与垂直方 磁传感部件所需的感应单元、 导磁单元同时制备得到。

作为本发明的一种优选方案， 所述步骤 Si中， 基底包含 CMOS电路。

所述步骤 S2中， 在基底的表面具有介质层， 隔离传感装置与基底， 在介质层上釆用制造 工艺设置沟槽；

所述步骤 S3中， 在基底表面沉积磁性材料和阻挡材料， 磁性材料和阻挡材料分别为单层 或者是多层材料， 随后通过制造工艺同时形成感应单元和导磁单 元， 因此， 导磁单元及感应 单元使用同一磁性材料， 为同一次沉积得到， 当然也可以不用一次沉积， 而是通过多次沉积 得到； 导磁单元的主体部分沉积于沟槽内， 并有部分露出沟槽至基底表面。 本发明的有益效果在于： 本发明提出的磁传感装置及其磁感应方法， 在单一的圆晶 /芯片 上同时具有 X、 Y和 Z三轴方向的传感单元， 单芯片上可选择性集成 ASIC外围电路， 其制造 工艺与标准的 CMOS工艺完全兼容； 具有良好的可制造性、优异的性能和明显的价 格竞争力。 附图说明

图 1为现有磁传感装置的磁性衬料的示意图。

图 2为现有磁传感装置的磁性材料及导线的结构� �意图。

图 3为磁场方向和电流方向的夹角示意图。

图 4为磁性材料的 Θ 特性曲线示意图。

图 5为惠斯通电桥的连接图。

图 6为本发明磁传感装置一部分的俯视图。

图 7为图 1的 AA向剖视图。

图 8为本发明磁传感装置的组成示意图。

图 9为实施例二中磁传感装置一部分的俯视图。

具体实施方式 下面结合^图详细说明本发明的优选实施俩。

实施例一

请参阅图 6、 图 7, 其中， 图 7是图 6中沿 A A方向的投影； 本发明揭示了一种磁传感装 置， 所述装置包括 Z轴磁传感部件， 该 Z轴磁传感部件包括： 基底 10、 导磁单元 20、 感应单 元； 基底 10可以包括 CMOS外围电路。

基底 10的表面具有介质层， 并且在介质层里开有沟槽 11。所述基底设有一列或若千列沟 槽， 本实施例中， 一列沟槽包括若千子沟槽 11。

导磁单元 20的主体部分设置于沟槽 1】 内， 并有部分露出沟槽 11至基底表面， 用以收集 Z轴方向的磁信号， 并将该磁信号输出给感应单元。

感应单元设置于所述基底表面上， ]¾以接收所述导磁单元 20输出的 Z轴方向的磁信号， 并根据该磁信号测量出 Z轴方向对应的磁场强度及磁场方向。 感应单元包括磁衬料层 30, 以 及该磁材料层 30上设置的若千平行设置的电极 40。 同时， 所述感应单元还用以感应 X轴、 Y 轴方向的磁信号， 并以此测量出 X轴、 Y轴方向对应的磁场强度及磁场方向。 通过导磁单元 20的设置，感应单元将 Z轴方向的磁场引导到水平方向进行测量。所� �导磁单元 20及感应单 元的磁材料层 30使用同一磁性材料， 层数一致， 且同一次沉积得到： 如导磁单元 20及感应 单元的磁材料层 30可以是各向异性磁传感器 AMR、 也可以是 TMR和 GMR, 以下不再赘述。 当然， 所述导磁单元 20及感应单元的磁材料层 30也可以使用不同的磁性材料， 或者采用不 同的层数， 即可以通过多次沉积和光刻得到。

如图 7所示，所述导磁单元 20的主体部分与基底表面所在平面的夹角可在 45°~90°之间， 越大越好。 所述感应单元的磁材料层 30贴紧基底表面设置， 与基底表面平行。

请参阅图 8, 所述导磁单元 20包括四个导磁子单元， 分别为第一导磁子单元、 第二导磁 子单元、 第三导磁子单元、 第四导磁子单元。 各导磁子单元包括若干磁性构件， 各磁性构件 的主体部分设置于对应的沟槽 11 内， 并有部分露出于沟槽 11夕 h 露出部分靠近对应感应子 单元的磁材料层设置, 距离 c优选为 0-20 urn, 典型值为 0 um， 0.1 urn, 0.3 urn, 0.5 urn, 0.8 um, lum, 5 um。此外, 如图 7所示， a的范围为 0-2 urn (如 0.5um, lum); b的范围为 0-1 urn (如 0um,0.1um,0.2ura); d的范围为 0.5-10 um (如 3um,2um); Theta的角度范围为 0-45° (如 5。 ）。

所述感应单元包括四个感应子单元， 分别为第一感应子单元、 第二感应子单元、 第三感 应子单元、 第四感应子单元。 上述各感应子单元包括磁材料层 30, 该磁材料层上设有若千平 行设置的电极 40; 电极 40的设置方向与磁材料层 30的磁化方向的夹角为 10 ~80°, 优选为 45。。

所述第一导磁子单元与第一感应子单元配合， 作为 Z轴磁传感部件的第一感应模块； 所 述第二导磁子单元与第二感应子单元配合， 作为 Z轴磁传感部件的第二感应模块： 所述第三 导磁子单元与第三感应子单元配合， 作为 Z轴磁传感部件的第三感应模块； 所述第四导磁子 单元与第四感应子单元配合； 作为 Z轴磁传感部件的第四感应模块。

图 8所示的磁传感装置采 惠斯通电桥结构， 可以更加灵敏地测量外界磁场。 在实际的 应用中， 也可以采用一个导磁子单元和一个感应子单元 ， 即可以测量磁场， 在此不再赘述。

在本发明的一个实施例中， 所述装置进一步包括 X轴 Y轴磁传感部件， 用以感应 X轴或 /和 Y轴方向的磁信号， 并以此测量出 X轴或 /和 Y轴方向对应的磁场强度及磁场方向。 X轴 Y轴磁传感部件并非 Z轴磁传感部件的感应单元； Z轴磁传感部件的感应单元是为了感应 Z 轴的方向， 而 X轴 Y轴磁传感部件的感应单元是为了感应 X轴或 /和 Y轴的方向。

所述 X轴或 γ轴磁传感部件包括四个感应子单元， 分别为第五感应子单元、 第六感应子 单元、 第七感应子单元、 第八感应子单元； 上述各感应子单元包括磁材料层， 该磁材料层上 设有若千平行设置的电极； 电极的设置方向与磁 ^料层的磁化方向的夹角为 10°〜80°, 优选为 45°。 同理， 所述. X轴 Y轴磁传感部件可以只包括一个感应单元， 即可以不釆用惠斯通电桥方 式。

以上介绍了本发明磁传感装置的结构， 本发明在揭示上述磁传感装置的同时， 还揭示上 述磁传感装置的磁感应方法。 所述方法包括 Z轴方向磁场感应歩骤， 具体包括： 导磁单元收 集 Z轴方向的磁信号， 并将该磁信号输出； 感应单元接收所述导磁单元输出的 Z轴方向的磁 信号， 并根据该磁信号测量出 Z轴方向对应的磁场强度及磁场方向。

此外， 所述方法还包括 X轴、 Y轴方 磁场感应歩骤， 包括： 感应 X轴、 Y轴方向的磁 信号， 并以此测量出 X轴、 Y轴方向对应的磁场强度及磁场方向。

与此同日^， 本发明还揭示一种上述磁传感装置的制备工艺 ， 所述制备工艺包括如下歩骤： ί步骤 Sl〗设置基底， 基底可以包含 CMOS外围电路。

【步骤 S2】在基底的表面具有介质层， 隔离传感装置与基底， 在介质层上采用制造工艺 设置沟槽。

【步骤 S3〗在基底表面沉积磁性材料和保护层材料， 磁性村料和保护层材料分别为单层 或者是多层材料， 随后通过制造工艺同^形成感应单元和导磁单� �， 因此， 导磁单元及感应 单元使用同一磁性材料， 为同一次沉积得到。 导磁单元的主体部分沉积于沟槽内， 并有部分 露出沟槽至基底表面。 优选地， 本发明磁传感装置还包括 X轴 Y轴感应部件； 步骤 S3中， 在基底表面沉积感 应单元、 导磁单元的同时， 沉积 X轴 Υ轴磁传感部件所需的磁材料层； 即 X铀、 Υ轴所需的 磁材料层与 Ζ轴所需的感应单元、 导磁单元同时制备得到。

可选择地， 在本步骤中， 可以通过多次的材料沉积和制造工艺， 分别形成感应单元与导 磁单元， 即两者采用不同的材料层。

I：步骤 S4】在感应单元及 X轴 Y轴感应部件的磁衬料层上分别设置电极层， 随后通过介 质填充和引线等工艺实现完整传感装置的制造 。 实施例二

本实施例与实施例一的区别在于， 本实施例中， 多个导磁结构可以共享同一沟槽； 请参 阅图 9, 基底 10上的沟槽 11可以设置一列或多列， 一列沟槽 11可以设置一个狭长的沟槽， 供多个磁性构件共享使用。

此外， 此结构中导磁单元与可与传感单元相连， 即距离为 0 tim。 实施例三

本实施例中，本发明磁传感装置还包括 CMOS芯片，实施例一中所述的基底设置于 CMOS 芯片上。 即磁传感装置具有现有 CMOS芯 j†的功能。 即在单一的芯片上同 ^具有 CMOS芯片 和传感装置， 具有高度的集成度。 实施例四

本实施例中， 磁传感装置的导磁单元、 传感单元、 X轴 Y轴磁传感部件所需的磁材料层 为磁阻材料， 如 MFe合金材料。 其中， 磁阻^料层可以是多层^料， 如 GMR和 TMR材料， 即磁阻材料包括各向异性磁阻材料， 巨磁阻材料， 隧道结磁阻； 可以是多层， 或者是单层； 多层材料的厚度和层数根据实际需要可调。

此外， 一组导磁单元可配合多个导磁结构， 使测量更加灵敏。 实施例五

本实施例中， 磁传感装置可以感应的三维方向可以为并非 X轴、 Y轴、 z轴的第一方向、 第二方向、 垂直方向， 只需要使第一方 、 第二方向、 垂直方向两两相互垂直即可。

磁传感器装置的原理是巨磁阻 (GMR)原理， 磁材料采用 GMR材料。 实施例六

在前面的实施例中， 磁传感器利用惠斯通全电桥实现信号的检测和 输出， 惠斯通全电桥 包括四个可变桥臂， 即包括四个导磁子单元和四个感应子单元， 输出的信号较大， 较为有效。

本发明显然也可以采用半电桥甚至四分之一桥 检测 TMR阻值（或者 GMR和 AMR阻值） 的变化： 如果采用半电桥进行检测， 那么只需要包括两组导磁子单元和感应子单元 。 如果采 用四分之一电桥， 那么只需要包括一组磁子单元和感应子单元。 在此需要特别指出， 本发明 的应用可以只包括一组或者两组导磁子单元和 感应子单元的配合即可完成磁场的检测， 在此 不再赘述。

甚至也可以不釆用电桥的方法， 直接采用单组磁子单元和感应子单元， 测量磁单元两端 电阻变化， 从而计算出磁场的变化。 综上所述， 本发明提出的磁传感装置及其磁感应方法， 可将 X轴、 Y铀、 Z轴的感应器 件设置在同一个圆晶或芯片上， 具有良好的可制造性、 优异的性能和明显的价格竞争力。 这里本发明的描述和应用是说明性的， 并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。 这 里所披露的实施例的变形和改变是可能的， 对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的 替 换和等效的各种部件是公知的。 本领域技术人员应该清楚的是， 在不脱离本发明的精神或本 质特征的情况下， 本发明可以以其它形式、 结构、 布置、 比例， 以及用其它组件、 材料和部 件来实现。 在不脱离本发明范围和精神的情况下， 可以对这里所披露的实施例进行其它变形 和改变。