可提高z轴方向磁感应强度的磁传感装置及其制备方法
【专利摘要】本发明揭示了一种可提高Z轴方向磁感应强度的磁传感装置及其制备方法，所述磁传感装置包括磁性材料层、电极层、导磁单元；所述磁性材料层包括若干磁性材料单元，电极层包括若干列电极组，每组电极组包括若干第一电极，磁性材料单元上排列对应的电极组；所述第一电极靠近导磁单元设置，所述第一电极的宽度小于与该电极对应的磁性材料单元宽度的70％，减少磁性材料单元远离导磁单元一侧的电流密度；所述第二电极对分别设置在远离和靠近导磁单元的两侧，用以将远离导磁单元一侧的无效电流收集到靠近导磁单元一侧，使得靠近导磁单元的有效区域内的电流密度得到提高，从而增强Z轴传感器的灵敏度，提升磁传感器的性能。
【专利说明】可提高Z轴方向磁感应强度的磁传感装置及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于半导体【技术领域】，涉及一种磁传感装置，尤其涉及一种可提高Z轴方 向磁感应强度的磁传感装置；同时，本发明还涉及一种磁传感装置的制备方法。
【背景技术】
[0002] 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)，隧道结磁阻（TMR)元件及巨磁阻（GMR)元件、感应线圈、超导量子干涉磁强计 等。
[0003] 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三轴发展。两轴的磁传感器，即 平面磁传感器，可以用来测量平面上的磁场强度和方向，可以用X和Y轴两个方向来表示。
[0004] 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。
[0005] 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459角倾斜排列，电流从这些导线和AMR材料上 流过，如图2所示；由初始的强磁场在AMR材料上建立起来的主磁域和电流的方向有459的 夹角。
[0006] 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。
[0007] 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。 R1/R2/R3/R4是初始状态相同的AMR电阻，当检测到外界磁场的时候，R1/R2阻值增加AR 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， 电桥的输出为一个微小的电压AV。
[0008] 目前的三轴传感器是将一个平面（X、Y两轴）传感部件与Z方向的磁传感部件进 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Z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。
[0009] 本 申请人:于2012年12月申请了名称为《一种磁传感装置及其磁感应方法、制备 工艺》的中国专利，专利号CN201210563667. 3。该方案中，电极102'铺设于磁性材料层上， 电极的高度与对应磁性材料单元（磁性材料层包括若干磁性材料单元）的宽度接近（超过 90%)。此时，如图6A所示，磁传感器感应单元101'中的电流密度主要集中在中间区域， 而对提升Z轴灵敏度非常重要的底部区域（由于这里需要感应沟槽内的导磁单元输出的信 号，从而产生Z轴的感应）的电流密度却很�。佣跋齑糯凶爸玫男阅�。此外，图6B显 示了电极对中间电流角度偏转的模拟结果。在AMR传感器的应用中，如图4所示，在45度 前后的dR/R数值变化比较线性，因此较为适合传感器的应用，故，在AMR传感器的应用中， 电极对与磁材料的相交角度设定在45度左右，为了阐述方便，本案中即以45度作为说明， 然而此角度可以根据实际的需求进行设定，并不能限定本案的范围。图6B显示的是AMR应 用中，电流在电极对中偏转角度的分步，很显然，产生45度左右偏转的电流是有效电流，而 与45度设定角度偏差较大的电流密度对于传感器没有太大的作用。前面已经阐述，靠近导 磁单元一侧的电流密度对于Z轴的传感器具有举足轻重的作用，而根据图6B，靠近导磁单 元一侧的电流有相当大一部分偏转远离45度的设定角度，因此有相当一部分电流属于无 效的电流，对于传感器灵敏度没有帮助，如果能够充分利用此部分电流，对于提升传感器的 性能很有帮助。
[0010] 有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的磁传感装置，以便克服现有结构的上述缺 陷。
【发明内容】
[0011] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种可提高Z轴方向磁感应强度的磁传感装 置，可增加设定区域的电流密度，从而提高磁传感器的性能。
[0012] 此外，本发明还提供一种上述磁传感装置的制备方法，可增加磁传感装置设定区 域的电流密度，从而提高磁传感器的性能。
[0013] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
[0014] -种可提高Z轴方向磁感应强度的磁传感装置，所述磁传感装置包括：磁性材料 层、电极层、导磁单元；
[0015] 所述磁性材料层包括若干磁性材料单元，电极层包括若干列电极组，每组电极组 包括若干第一电极，磁性材料单元上排列对应的电极组；
[0016] 所述第一电极靠近导磁单元设置，所述第一电极的高度小于与该电极对应的磁性 材料单元宽度的70%，减少磁性材料单元远离导磁单元一侧的电流，将远离导磁单元一侧 的无效电流收集到靠近导磁单元一侧，使得靠近导磁单元的有效区域内的电流密度得到提 高，从而增强Z轴传感器的灵敏度。
[0017] 作为本发明的一种优选方案，所述磁性材料单元上设有若干平行排列的第三电 极；
[0018] 所述第三电极设置于两个相邻的第一电极之间；两个相邻的第一电极之间设有一 个以上第三电极；
[0019] 所述第一电极、第三电极均靠近磁性材料单元的第一侧设置，即靠近导磁单元的 一侧设置；
[0020] 所述第三电极用以将远离导磁单元一侧的无效电流收集到靠近导磁单元一侧，增 加有效电流。
[0021] 作为本发明的一种优选方案，所述磁性材料单元上还设有若干平行排列的第二电 极；
[0022] 第二电极设置于第一电极的一侧，靠近磁性材料单元的第二侧设置，即设置于远 离导磁单元的一侧；
[0023] 所述第二电极用以收集第一电极靠近磁性材料单元的第二侧处的电流，而后将收 集到的电流输送至对应的两个第一电极之间。
[0024] 作为本发明的一种优选方案，所述磁性材料单元上设有若干平行排列的第三电 极；
[0025] 所述第三电极设置于两个相邻的第一电极之间；两个相邻的第一电极之间设有一 个以上第三电极；
[0026] 所述第一电极、第三电极均靠近磁性材料单元的第一侧设置，即靠近导磁单元的 一侧设置；
[0027] 所述第三电极用以收集第二电极输送的电流，而后将电流输送至对应的第一电 极；
[0028] 所述第三电极还用以收集其一侧的第一电极输送的电流，将收集到的电流输送至 其另一侧的第一电极。
[0029] 作为本发明的一种优选方案，所述磁传感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：
[0030] -基底，其表面开有沟槽；
[0031] -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，用以收集 第三方向的磁场信号，并将该磁场信号输出；
[0032]-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三方向的磁 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。
[0033] 所述的导磁单元和感应单元相互连接，或者相互分开。
[0034] 作为本发明的一种优选方案，所述装置包括垂直方向磁传感部件，该垂直方向磁 传感部件包括：
[0035]-基底，其表面开有沟槽；
[0036]-导磁单元，含有磁材料层，其主体部分设置于沟槽内，并有部分露出沟槽至基底 表面，用以收集垂直方向的磁场信号，并将该磁场信号输出；
[0037]-感应单元，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，用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向；所述垂直方向为基底表面的垂直方向；
[0038] 所述磁传感装置还包括水平方向磁传感部件，用以感应第一方向或/和第二方向 的磁信号，并以此测量出第一方向或/和第二方向对应的磁场强度及磁场方向，第一方向、 第二方向相互垂直；
[0039] 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；
[0040] 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 方向对应的磁传感器一起，组成三维磁传感器的一部分；
[0041] 所述导磁单元及感应单元均含有磁材料层；
[0042] 所述磁材料层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。
[0043]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；
[0044]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；
[0045] 所述第一导磁子单元与第一感应子单元配合，作为第三方向磁传感部件的第一感 应丰吴块；
[0046] 所述第二导磁子单元与第二感应子单元配合，作为第三方向磁传感部件的第二感 应丰吴块；
[0047] 所述第三导磁子单元与第三感应子单元配合，作为第三方向磁传感部件的第三感 应丰吴块；
[0048] 所述第四导磁子单元与第四感应子单元配合；作为第三方向磁传感部件的第四感 应丰吴块；
[0049]上述各感应子单元包括磁材料层，该磁材料的电阻随着磁场强度的方向变化；
[0050] 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；
[0051] 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。
[0052]一种上述磁传感装置的制备工艺，所述制备工艺包括如下步骤：
[0053] 步骤Sl、设置基底；
[0054] 步骤S2、在基底的表面设置沟槽；
[0055] 步骤S3、在基底表面沉积磁性材料层，制造形成感应单元和导磁单元，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；所述磁性材料层包括若干磁性材 料单元；感应单元与导磁单元相互分开，或者相连；
[0056] 步骤S4、在感应单元上沉积绝缘材料，打开电连接的窗口，随后设置电极层，同时 制造得到第一电极、第二电极和第三电极；电极层包括若干列电极组，每组电极组包括若干 第一电极，磁性材料单元上排列对应的电极组；所述第一电极靠近导磁单元设置，所述第一 电极的宽度小于与该电极对应的磁性材料单元（感应单元）宽度的70%，减少磁性材料单 元远离导磁单元一侧的无效电流密度，将远离导磁单元一侧的无效电流收集到靠近导磁单 元一侧，使得靠近导磁单元的有效区域内的电流密度得到提高；第二电极收集远离到底单 元一侧的电流，通过第三电极引入第一电极对中，最终流向对应第一电极；第三电极还有助 于将感应单元边缘、靠近导磁单元一侧的电流偏转到设定偏转角度；从而增强Z轴传感器 的灵敏度。
[0057] 本发明的有益效果在于：本发明提出的可提高Z轴方向磁感应强度的磁传感装置 及其制备方法，可增加设定区域的电流密度，从而提升磁传感器的性能，尤其可以增强Z轴 传感器的灵敏度。
【专利附图】
【附图说明】
[0058] 图1为现有磁传感装置的磁性材料的示意图。
[0059] 图2为现有磁传感装置的磁性材料及导线的结构示意图。
[0060] 图3为磁场方向和电流方向的夹角示意图。
[0061] 图4为磁性材料的Θ-R特性曲线示意图。
[0062] 图5为惠斯通电桥的连接图。
[0063] 图6A为现有磁传感装置中电极与磁材料层的结构示意图。
[0064] 图6B为现有磁传感装置中电极对中间电流的偏转角度示意图。
[0065] 图7A为实施例一中磁传感装置中电极与磁材料层的结构示意图。
[0066] 图7B为实施例一中磁传感装置中电极对中间电流的偏转角度示意图。
[0067] 图8为实施例二中磁传感装置中电极与磁材料层的结构示意图。
[0068] 图8B为实施例二中磁传感装置中电极对中间电流的偏转角度示意图。
[0069] 图9为实施例三中磁传感装置一部分的俯视图。
[0070] 图10为图9的AA向剖视图。
[0071] 图11为实施例三中磁传感装置的组成示意图。
【具体实施方式】
[0072] 图6A和图6B所示是现有的磁传感器装置的电流密度和偏转角度示意图，图中的 电流可以分成三个区域，中心的区域A为有效的区域，有效区域的定义是其电流的偏转角 度接近45度；而区域B和C电流密度虽然不�。瞧嵌热创锊坏揭螅虼硕杂诖糯� 感器的灵敏度没有实际的帮助。因此，区域B和C的电流对于灵敏度来说是无效的，如果能 够遏制或者利用区域B和C的电流对于提升磁传感器的性能具有重要意义。
[0073] 另一方面，对于Z轴传感器包含传感装置和导磁装置，导磁装置将Z轴方向的磁场 导入水平方向进行测量，在实际应用中，Z轴方向磁场导入水平方向的磁传感装置后，靠近 导磁单元一侧的电流密度对于Z轴传感器的灵敏度影响最大，而远离导磁单元的磁传感装 置中的电流对于有效灵敏度贡献很少，因此，需要将有效的电流密度靠近导磁单元。而另一 方面，如上所述，靠近导磁单元一侧感应单元边缘的电流偏转角度远离设定角度，属于无效 的电流密度，需要将这部分无效电流密度最大程度转化为有效电流。
[0074] 所以通过以下一些方法，主要理念有：
[0075](1)将电流密度集中到靠近导磁单元一侧，使更多的电流密度被导磁单元传出的 磁信号影响；
[0076](2)将远离导磁单元的无效电流引导到靠近导磁单元一侧的高效感应区域之内；
[0077] (3)增加电流中偏转角度靠近设定角度（如45度）的部分：偏转角度偏离45度 的部分主要是在磁单元的两侧，在磁单元的两侧的电极中间设置导电电极，可以有效减少 偏转角度偏离45度的电流比例。
[0078] 下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
[0079] 实施例一
[0080] 请参阅图7A，本发明揭示了一种可提高Z轴方向磁感灵敏度的磁传感装置，所述 磁传感装置包括：感应单元、电极层、导磁单元，图7A显示的只是感应单元和电极层，并没 有显示导磁单元。
[0081] 导磁单元将Z轴方向的磁场导入水平方向进行测量，在实际应用中，Z轴方向磁场 导入水平方向的磁传感装置后，靠近导磁单元一侧的电流密度对于灵敏度影响最大，而远 离导磁单元的磁传感装置中的电流对于有效灵敏度贡献很少，因此，需要将有效的电流密 度尽量多地靠近导磁单元。
[0082] 所述磁性材料层包括若干磁性材料单元101，电极层包括若干列电极组，每组电极 组包括若干第一电极102,磁性材料单元101上排列对应的电极组。所述第一电极102靠 近导磁单元设置，所述第一电极102的宽度小于与该电极对应的磁性材料单元101 (感应单 元）宽度的70%，但是大于感应单元宽度的35%，减少磁性材料单元远离导磁单元一侧的 电流密度，将远离导磁单元一侧的无效电流收集到靠近导磁单元一侧，使得靠近导磁单元 的有效区域内的电流密度得到有效提高，从而增强Z轴传感器的灵敏度。
[0083] 根据模拟计算，本发明所示的结构能够同比提升Z轴灵敏度10%以上。本发明中 的磁传感装置可以为两轴磁传感器，也可以为三轴磁传感器。
[0084] 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步骤：
[0085]【步骤Sl】设置基底；
[0086] 【步骤S2】在基底的表面设置沟槽；
[0087]【步骤S3】在基底表面沉积磁性材料层、导磁单元，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；所述磁性材料层包括若干磁性材料单元；
[0088] 【步骤S4】在感应单元上设置电极层；电极层包括若干列电极组，每组电极组包括 若干第一电极，磁性材料单元上排列对应的电极组；所述第一电极靠近导磁单元设置，所述 第一电极的高度小于与该电极对应的磁性材料单元宽度的70%，减少磁性材料单元远离导 磁单元一侧的电流，将远离导磁单元一侧的无效电流收集到靠近导磁单元一侧，使得靠近 导磁单元的有效区域内的电流密度得到提高，从而增强Z轴传感器的灵敏度。
[0089] 实施例二
[0090] 虽然实施例一所述的结构能够提升垂直方向磁传感器的灵敏度，但是根据模拟， 远离导磁单元一侧还是有些电流密度（图7A)，这部分电流属于无效电流。此外，器件中电 极对之间靠近导磁单元一侧有部分电流的电流偏转方向远离设定的理想角度，如图7B所 示，即也存在很大部分的无效电流，对于传感器性能不大理想。在此基础上，提出了另一种 结构。请参阅图8A，本发明揭示了一种可提高Z轴方向磁感应强度的磁传感装置，所述磁传 感装置包括：感应单元、电极层、导磁单元，图8A只包括感应单元和电极，并不包括导磁单 JLl〇
[0091] 所述磁性材料层包括若干磁性材料单元101，电极层包括若干列电极组，每组电极 组包括若干第一电极102,磁性材料单元101上排列对应的电极组。所述第一电极102靠 近导磁单元设置，所述第一电极102的高度小于与该电极对应的磁性材料单元101宽度的 70% (如可以为50%左右），减少磁性材料单元101远离导磁单元一侧的电流，将远离导磁 单元一侧的无效电流收集到靠近导磁单元一侧，使得靠近导磁单元的有效区域内的电流密 度得到提高，从而增强Z轴传感器的灵敏度。
[0092] 同时，所述磁性材料单元101上还设有若干平行排列的第二电极103 ;第二电极 103设置于第一电极102的一侧，靠近磁性材料单元101的第二侧（远离导磁单元的一侧） 设置；所述第二电极103用以收集第一电极102靠近磁性材料单元的第二侧处的电流，而后 将收集到的电流输送至对应的两个第一电极102之间（通过第三电极104)。
[0093]S卩，所述磁性材料单元101上设有第三电极104 ;所述第三电极104设置于两个相 邻的第一电极102之间；两个相邻的第一电极102之间设有一个或者以上第三电极104 ;所 述第一电极102、第三电极104均靠近磁性材料单元101的第一侧设置。
[0094] 所述第三电极104用以收集第二电极103输送的电流，而后将电流输送至对应的 第一电极102 ;所述第三电极104还用以收集其一侧的第一电极102输送的电流，将收集到 的电流输送至其另一侧的第一电极102。
[0095]图8A的模拟结果显示，远离导磁单元一侧的无效电流被有效收集到导磁单元一 侦牝成为有效的电流；而图8B显示，靠近导磁单元一侧的无效电流（没有偏转到45度的部 分）大幅减少。归功于上述的两个因素的共同作用，Z轴传感器的性能显著提升，灵敏度能 够比现有器件提升30%以上。
[0096]本实施例与实施例一的区别在于，本实施例的制备工艺中，步骤S4包括：在感应 单元上沉积绝缘材料，打开电连接的窗口，随后设置电极层，同时制造得到第一电极、第二 电极和第三电极；电极层包括若干列电极组，每组电极组包括若干第一电极，磁性材料单元 上排列对应的电极组；所述第一电极靠近导磁单元设置，所述第一电极的宽度小于与该电 极对应的磁性材料单元宽度的70%，减少磁性材料单元远离导磁单元一侧的无效电流密 度，将远离导磁单元一侧的无效电流收集到靠近导磁单元一侧，使得靠近导磁单元的有效 区域内的电流密度得到提高；第二电极收集远离到底单元一侧的电流，通过第三电极引入 第一电极对中，最终流向对应第一电极；第三电极还有助于将感应单元边缘、靠近导磁单元 一侧的电流偏转到设定偏转角度；从而增强Z轴传感器的灵敏度。
[0097] 实施例三
[0098] 请参阅图9、图10,本实施例与实施例二的区别在于，本实施例中，所述磁传感装 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。
[0099]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 干列沟槽，本实施例中，一列沟槽包括若干子沟槽11。实际上，一列感应单元可以对应一列 或者多列更长的沟槽，一列感应单元可以对应一列或者多列更长的导磁单元。
[0100] 导磁单元20的主体部分设置于沟槽11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。
[0101] 感应单元设置于所述基底表面上，用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。感应单元包括磁材料 层30,以及该磁材料层30上设置的若干平行设置的电极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。所述导磁单 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。
[0102] 所述磁性材料层包括若干磁性材料单元，电极层包括若干列电极组，每组电极组 包括若干第一电极，磁性材料单元上排列对应的电极组。所述第一电极靠近导磁单元设置， 所述第一电极的高度小于与该电极对应的磁性材料单元宽度的70%，减少磁性材料单元远 离导磁单元一侧的电流，将远离导磁单元一侧的无效电流收集到靠近导磁单元一侧，使得 靠近导磁单元的有效区域内的电流密度得到提高，从而增强Z轴传感器的灵敏度。
[0103] 如图10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。
[0104] 请参阅图11，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外；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0-20um，典型值为Oum，0·lum，0· 3um，0· 5um， 0· 8um，lum, 5um。此外，如图7所示，a的范围为0_2um(如0· 5um,lum) ;b的范围为O-Ium(如 Oum, 0·lum, 0· 2um);d的范围为 0· 5-10um(如 3um, 2um);Theta的角度范围为 0-45。（如 5° )〇
[0105] 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 若干平行设置的电极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°。
[0106] 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�？椋凰� 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�？椋凰龅� 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�？�。
[0107] 图11所示的磁传感装置采用惠斯通电桥结构，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�。诖瞬辉� 赘述。
[0108] 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。
[0109] 所述X轴或Y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°，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，即可以不采 用惠斯通电桥方式。
[0110] 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轴方向磁场感应步骤，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。
[0111] 此外，所述方法还包括X轴、Y轴方向磁场感应步骤，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。
[0112] 综上所述，本发明提出的可提高磁感应强度的磁传感装置及其制备方法，可增加 设定区域的电流密度，从而提升磁传感器的性能，尤其可以增强Z轴传感器的灵敏度。
[0113] 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。
【权利要求】
1. 一种可提高Z轴方向磁感应强度的磁传感装置，其特征在于，所述磁传感装置包括： 磁性材料层、电极层、导磁单元； 所述磁性材料层包括若干磁性材料单元，电极层包括若干列电极组，每组电极组包括 若干第一电极，磁性材料单元上排列对应的电极组； 所述第一电极靠近导磁单元设置，所述第一电极的宽度小于与该电极对应的磁性材料 单元宽度的70%，减少磁性材料单元远离导磁单元一侧的电流密度，将远离导磁单元一侧 的无效电流收集到靠近导磁单元一侧，使得靠近导磁单元的有效区域内的电流密度得到提 高，从而增强Z轴传感器的灵敏度。
2. 根据权利要求1所述的磁传感装置，其特征在于： 所述磁性材料单元上两个相邻的第一电极之间设有第三电极； 所述第一电极、第三电极均靠近磁性材料单元的第一侧设置，即靠近导磁单元的一侧 设置； 所述第三电极用以在靠近导磁单元一侧将更多电流偏转到设定偏转角度，增加对感应 Z轴信号的有效电流。
3. 根据权利要求1所述的磁传感装置，其特征在于： 所述磁性材料单元上还设有若干第二电极； 第二电极设置于第一电极的一侧，靠近磁性材料单元的第二侧设置，即设置于远离导 磁单元的一侧； 所述第二电极用以收集第一电极靠近磁性材料单元的第二侧处的无效电流，而后将收 集到的电流输送至对应的两个第一电极之间。
4. 根据权利要求3所述的磁传感装置，其特征在于： 所述磁性材料单元上设有若干第三电极； 所述第三电极设置于两个相邻的第一电极之间；两个相邻的第一电极之间设有一个及 以上的第三电极； 所述第一电极、第三电极均靠近磁性材料单元的第一侧设置，即靠近导磁单元的一侧 设置； 所述第三电极用以收集第二电极输送的电流，而后将电流输送至对应的第一电极之 间； 所述第三电极还用以收集其一侧的第一电极输送的电流，将收集到的电流输送至其另 一侧的第一电极。
5. 根据权利要求1至4之一所述的磁传感装置，其特征在于： 所述磁传感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，用以收集第三 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三方向的磁信 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。
6. 根据权利要求1至4之一所述的磁传感装置，其特征在于： 所述装置包括垂直方向磁传感部件，该垂直方向磁传感部件包括： -基底，其表面开有沟槽； -导磁单元，含有磁材料层，其主体部分设置于沟槽内，并有部分露出沟槽至基底表面， 用以收集垂直方向的磁场信号，并将该磁场信号输出； -感应单元，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，用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向；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水平方向磁传感部件，用以感应第一方向或/和第二方向的磁 信号，并以此测量出第一方向或/和第二方向对应的磁场强度及磁场方向，第一方向、第二 方向相互垂直。
7. 根据权利要求6所述的磁传感装置，其特征在于： 所述导磁单元的主体部分与基底表面的夹角为45°到90° ;所述感应单元贴紧基底表 面设置，与基底表面平行； 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、第二方向 对应的磁传感器一起，组成三维磁传感器的一部分； 所述导磁单元及感应单元均含有磁材料层； 所述磁材料层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。
8. 根据权利要求6所述的磁传感装置，其特征在于： 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，作为第三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，作为第三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，作为第三方向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；作为第三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，该磁材料的电阻随着磁场强度的方向变化； 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。
9. 根据权利要求1至8之一所述的磁传感装置，其特征在于： 导磁单元与感应单元相连接，或者相互分开。
10. -种权利要求1至8之一所述磁传感装置的制备工艺，其特征在于，所述制备工艺 包括如下步骤： 步骤SI、设置基底； 步骤S2、在基底的表面设置沟槽； 步骤S3、在基底表面沉积磁性材料层，形成感应单元和导磁单元，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；所述磁性材料层包括若干磁性材料单元； 导磁单元与感应单元相连接，或者分离； 步骤S4、在感应单元上沉积绝缘材料，打开电连接的窗口，随后设置电极层，同时制造 得到第一电极、第二电极和第三电极；电极层包括若干列电极组，每组电极组包括若干第一 电极，磁性材料单元上排列对应的电极组；所述第一电极靠近导磁单元设置，所述第一电极 的宽度小于与该电极对应的磁性材料单元宽度的70%，减少磁性材料单元远离导磁单元一 侧的无效电流密度，将远离导磁单元一侧的无效电流收集到靠近导磁单元一侧，使得靠近 导磁单元的有效区域内的电流密度得到提高；第二电极收集远离到底单元一侧的电流，通 过第三电极引入第一电极对中，最终流向对应第一电极；第三电极还有助于将感应单元边 缘、靠近导磁单元一侧的电流偏转到设定偏转角度；从而增强Z轴传感器的灵敏度。
【文档编号】G01R33/02GK104483638SQ201410854067
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月31日 优先权日:2014年12月31日
【发明者】张开明, 张挺 申请人:上海矽�？萍加邢薰�
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