一种使用45度角的三维各向异性磁场传感器及其制造方法技术

本发明专利技术属于磁场探测技术领域，具体涉及一种使用45度角的三维各向异性磁场传感器及其制造方法。本发明专利技术将用于测量不同纬度磁场的四个各向异性磁阻传感器置于一个使用45度角的凹槽或者凸台结构的侧壁之上形成三维各向异性磁场传感器，使得三维磁场传感器的体积减小、用于测量不同维度磁场的各向异性磁阻传感器更为集中，从而使得三维磁场传感器可以更加灵活地运用到导航系统、磁场测量系统以及测量各种基于磁场的其他物理量的设备中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于磁场探测
，具体涉及一种三维各向异性磁场传感器及其制备方法。
技术介绍
各向异性磁阻(Anisotropyof magnetoresistance,AMR)效应是由 W. Thomson 于1857年在铁磁金属Fe、Ni中发现的。当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场而变化，而当外加磁场方向偏离磁化方向时，电阻减小，这就是各向异性磁阻效应，即电阻率与铁磁材料内部磁化强度方向与电流方向的夹角有关。目前各向异性磁阻材料通常选取坡莫合金，在4. 2k温度下，各向异性磁阻相对变化率能达到5%左右，而在室 温下，也能达到2%左右。采用改进的反馈读取技术，各向异性磁阻检测磁场强度下限可达10_6Gauss。另外，其小饱和场(约为7. 96 X IO2A · πΓ1)和高的磁场灵敏度，使其特别适合用于制备检测弱磁场的传感器。目前，主要的三维磁场传感器通常是由一个一维磁场传感器和一个二维磁场传感器拼接而成，这种方法不仅成本高、稳定性和一致性差，而且会导致三维磁场传感器的体积比较大、所测到的不同纬度的磁场不能局限于较小的范围内，不利于测量设备向小型化、集约化的方向发展。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于各向异性磁阻效应的三维磁场传感器结构，可以减小三维磁场传感器的体积，以利于测量设备向小型化、集约化的方向发展。本专利技术提供的一种使用45度角的三维各向异性磁场传感器，其包括 在半导体衬底内形成的凹槽或者凸台结构，其包含四个侧壁且与所述半导体衬底表面呈45度斜角。在所述的凹槽或者凸台的第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁、第四侧壁上分别形成有第一各向异性磁阻传感器、第二各向异性磁阻传感器、第三各向异性磁阻传感器和第四各向异性磁阻传感器； 所述每个各向异性磁阻传感器所测磁场方向均平行于各自所在的侧壁表面且垂直于该侧壁与所述半导体衬底表面的交线。所述的使用45度斜角的三维各向异性磁场传感器，所述的凹槽或者凸台的四个侧壁分别与所述半导体衬底表面相交形成四条交线，所述四条交线相交构成一个矩形或者正方形。所述的使用45度斜角的三维各向异性磁场传感器，所述的凹槽或者凸台的四个侧壁相交形成一条交线；即一组相对两个侧壁为梯形，另一组相对两个侧壁为三角形；所述的使用45度斜角的三维各向异性磁场传感器，所述的凹槽或者凸台的四个侧壁所在的平面与与所述半导体衬底表面平行的一个平面相交形成四条交线，所述四条交线相交构成一个矩形或者正方形；即四个侧壁为梯形。本专利技术还提出了所述使用45度斜角的三维各向异性磁场传感器的制造方法，其具体步骤包括 采用湿法刻蚀的方法刻蚀半导体衬底形成包含有四个均与所述半导体衬底表面成45度斜角的侧壁的凹槽或者凸台结构； 在所形成的凹槽或者凸台的第一个侧壁上形成第一各向异性磁阻传感器； 在所形成的凹槽或者凸台的第二个侧壁上形成第二各向异性磁阻传感器； 在所形成的凹槽或者凸台的第三个侧壁上形成第三各向异性磁阻传感器； 在所形成的凹槽或者凸台的第四个侧壁上形成第四各向异性磁阻传感器。如上所述的使用45度斜角的三维各向异性磁场传感器的制造方法，所形成的凹槽或者凸台的四个侧壁分别与所述半导体衬底表面相交形成四条交线，所述四条交线相交构成一个矩形或者正方形。所述的使用45度斜角的三维隧穿磁场传感器的制造方法，所形成的凹槽或者凸台的四个侧壁相交形成一条交线，即一组相对两个侧壁为梯形，另一组相对两个侧壁为三角形的立方体。如上所述的使用45度斜角的三维各向异性磁场传感器的制造方法，所形成的凹槽或者凸台的四个侧壁所在的平面分别与所述半导体衬底表面平行的一个平面相交形成四条交线，所述四条交线相交构成一个矩形或者正方形。本专利技术将用于测量不同纬度磁场的四个各向异性磁阻传感器置于一个使用45度斜角的凹槽或者凸台结构的侧壁之上形成三维各向异性磁场传感器，使得三维磁场传感器的体积减小、用于测量不同维度磁场的各向异性磁阻传感器更为集中，从而使得三维磁场传感器可以更加灵活地运用到导航系统、磁场测量系统以及测量各种基于磁场的其他物理量的设备中。附图说明图Ia为称为“理发师的招牌”模式结构的各向异性磁阻探测器件。图Ib为称为“人字形”模式结构的各向异性磁阻探测器件。图Ic为包含放大信号的电桥结构的完整的各向异性磁阻传感器结构的示意图。图2a、3a、4a、5a为本专利技术所提供的使用45度斜角的三维各向异性磁场传感器的四个实施例的俯视图。图2b、3b、4b、5b分别为图2a、3a、4a、5a所示的结构沿a-a方向的截面图，图中x-y-z坐标系为标准坐标系。图2c、3c、4c、5c分别为图2a、3a、4a、5a所示的结构沿b_b方向的截面图。图6至图15为本专利技术所公开的制备如图2a、3a、4a、5a所示的三维各向异性磁场传感器的实施例的工艺流程图。具体实施例方式各向异性磁阻器件的电阻大小依赖于铁磁材料的磁化方向与通过材料的电流方向的夹角Θ，电阻的变化大致是正比于夹角Θ的余弦值的平方值，设置初态时的铁磁材料的磁化方向与通过材料的电流方向的夹角为45度，然后垂直于铁磁材料的磁化方向加外磁场，那么铁磁材料的磁化方向就会发生变化，其与通过材料的电流方向的夹角也会发生变化。我们设铁磁材料磁化方向偏离45度角的角度为Φ，材料的电阻变化与偏离角度Φ是成比较好的线性关系，在外磁场较小的情况下，偏离角度Φ又是外磁场与铁磁材料原有磁化强度的比值，所以外磁场的大小与电阻变化成线性关系了。为了使各向异性磁阻器件能够探测空间中较小的磁场，我们需要将整个器件制作成磁化方向在初态时与电流方向的夹角为固定的45度，这就要用到特殊的结构，一种结构是称为“理发师的招牌”模式(Barber pole)的结构，如图Ia所示我们将一条条分隔且相互平行的金属条302 (示例性标出)淀积在由金属导线303连接的铁磁材料301 (示例性标出)上面，并且使得每条金属条302与铁磁材料301的边沿成45度角，由于电流会沿着最短的距离传输，所以电流会在每对金属条中以垂直于金属条边沿的方向从一端到另一端，而这样就保证了电流的方向是与铁磁材料的磁化方向成45度角了。同时，我们还需要在整个器件的下面放置金属线圈300，金属线圈300是用来通电流产生磁场来保持铁磁材 料的磁化方向的。另外一种结构是称为“人字形”模式(Herringbone)的结构，如图Ib所示整个器件是由相互平行的多条铁磁薄膜条401 (示例性标出)拼装而成的，而铁磁薄膜条401是由金属条402 (示例性标出)来连接的，铁磁薄膜条401与金属条302之间所成的夹角为45度角。在这种模式中，我们需要加入外置的磁场发生器，使得它们能够在测量外部磁场之前通过一个电流脉冲产生平行于金属条的磁场，从而使得整个器件的铁磁薄膜条的磁化方向都沿着金属条的方向，然后再在铁磁薄膜的两端施加电压使得电流沿着铁磁材料的蛇形结构流动，这样就可以使得电流的方向与磁化方向成45度角了。当然一个完整的各向异性磁阻传感器是需要用电桥结构来放大信号的，从而使器件输出的信号足够高从而能与集成电路更好地结合在一起。如图Ic是各向异性磁阻传感器的电桥结构的简化图，一共由四个并非完全一样的各向异性磁阻组成。各向异性磁阻501和各向异性磁阻504在施加了本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用45度角的三维各向异性磁场传感器，其特征在于，包括：在半导体衬底内形成的凹槽或者凸台结构，其包含四个侧壁且与所述半导体衬底表面呈45度斜角；在所述的凹槽或者凸台的第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁、第四侧壁上分别形成有第一各向异性磁阻传感器、第二各向异性磁阻传感器、第三各向异性磁阻传感器和第四各向异性磁阻传感器；所述每个各向异性磁阻传感器所测磁场方向均平行于各自所在的侧壁表面且垂直于该侧壁与所述半导体衬底表面的交线。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴俊，张卫，王鹏飞，孙清清，周鹏，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：