集成磁阻传感器,特别是三轴磁阻传感器及其制造方法技术

一种集成磁阻装置，其中绝缘层(18)在第一表面(19)上覆盖半导体材料的衬底(17)。铁磁材料的第一磁控电阻(26)在所述绝缘层中延伸并且限定所述传感器的传感平面。铁磁材料的集中器(34)包括至少一个臂件(34a)，该臂件在与所述传感平面的横向方向上延伸并且与所述磁控电阻(26)竖直偏移。以这种方式，使垂直于所述传感平面指向的磁通线集中并转向，以便生成与所述传感平面平行的方向上指向的磁场分量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】集成磁阻传感器，特别是三轴磁阻传感器及其制造方法
本专利技术涉及集成磁阻传感器，特别是三轴磁阻传感器，并且涉及其制造方法。在下面描述中，将特别参考各向异性磁阻(AMR)传感器，然而并不限于此，本专利技术也适用于诸如巨磁阻(GMR)传感器和隧道磁阻(TMR)传感器的其他类型的磁阻传感器和对与其所集成的芯片平行的磁场敏感的其他集成磁场传感器。
技术介绍
如已知的，磁阻传感器利用适当的铁磁体材料(所谓的磁阻材料，例如由Fe-Ni合金形成的名为“透磁合金”的已知材料)的能力，从而在存在外部磁场的情况下改变铁磁体的电阻。当前，磁阻传感器是从磁阻材料条获得的。在制造期间，磁阻材料条会受到外部磁场的影响，以致在预定方向(例如在该材料条的纵向上)上有优先磁化(被称为易磁化轴)。在测量外部磁场之前，经由通过置位/复位带的电流脉冲施加沿着优先磁化轴的起始磁化状态。缺少外部磁场时，该磁化维持由置位/复位脉冲施加的方向，并且该条在这个方向上具有最大电阻。如下文中参考图1所解释的，在存在方向不同于优先磁化的外部磁场时，该条的磁化改变，其电阻也改变。在图1中，磁控电阻1由纵向平行于X轴的磁阻材料条形成，该方向也形成为优先磁化方向。在该条的纵向上流动的电流I穿过磁控电阻1。外部磁场Hy指向在在平行于Y轴的方向上，并且使得磁化M相对于电流I旋转角度α。在这个情况下，得出R＝Rmin+Rdcos2α其中Rmin是在磁化M平行于Y轴的情形(外部磁场Hy非常高)中的磁控电阻的电阻，并且Rd是电阻的差Rmax-Rmin，其中Rmax是磁化指向在与方向X平行的方向上的情形中的电阻。对于透磁合金，Rd/R最大比值在2-3％的区域中。设定对于Hy≤Ho而对于Hy≥Hosin2α＝1其中Ho是取决于该条1的材料和几何形状的参数，得出：对于Hy≤Ho，图2用虚线表示源于等式(1)的电阻R的曲线图(曲线A)。此外已知的是，如图3中所示，为了使电阻R的曲线图至少在曲线的操作部分中直线化，从而在磁阻材料条的上方形成传导材料(例如铝)的横向条2(被称为“barber电极”)，设定在具有恒定间距并且相对于方向X倾斜45°。在这个情况下，电流I的方向改变，而不是磁化改变。从而，等式(1)变为：对于Hy≤Ho如由图2中的实线表示的曲线B所示，具有围绕点Hy/Ho＝0的线性特性。实际上，在此附近，与线性项相比，平方根下的项是可忽略的，因此得出等式(3)中的符号±取决于横向条2的方向(±45°)。图4示出包括四个磁控电阻1的磁阻传感器9，磁控电阻1具有以交替的方式设置的横向条2。连接磁控电阻1，以便形成由限定输入端5、6和输出端7、8的两个相互平行的支路3、4形成的惠斯通电桥。详细地，在每个支路3、4中，两个磁控电阻1a、1b具有在相反方向(分别为+45°和-45°)上指向的横向条2。一个支路的磁控电阻1a、1b与另一个支路的对应的磁控电阻直径对置放置(横向条2在+45°的第一支路3的磁控电阻1a被连接至第二输入端6，并且横向条2在+45°的第二支路4的磁控电阻1a被连接至第一输入端5；磁控电阻1b同样如此)。在输入端5、6之间施加偏压Vb。微调电阻器能够以未示出的方式串联连接至每个支路3、4，以便在缺少与检测的方向平行的方向上指向的外部磁场(在这里是场Hx)时，输出端7、8两端的输出电压Vo是零。相反，在起始磁化竖直向下指向的情形中，外部磁场Hx使具有指向在+45°的横向条2的该磁控电阻(带1a)的电阻率增加，而具有指向在-45°的横向条2的另一个磁控电阻1b的电阻率相应减少。从而，由于外场垂直于磁控电阻1a、1b，电阻的每个变化都引起输出电压Vo的相应线性变化，其中因此输出电压Vo的值以线性的方式取决于外部磁场Hx。因为上面提到的该类型的磁阻传感器的高灵敏度，近来已经提出该磁阻传感器用于导航系统中的电子指南针。在这种情形中，将检测的外场由地球磁场表示。大致上，地球磁场能够被认为与地球表面平行，并且因此读取该指南针需要对与地球表面局部相切的平面的两个方向敏感的两个传感器。然而，指南针相对于切平面的倾斜必然伴随读数误差，为了修正这些误差，使用三个传感器，这三个传感器每个都具有按照三个空间轴X、Y、Z指向的传感轴。为此，这样设置三个传感器，使其传感轴相对于彼此90°定位。然而，对在两个方向上指向的场敏感的传感器的制造没有产生任何困难，这是因为这些传感器位于同一平面中，如图5中所示，在第三方向上的第三传感器涉及垂直于前两个传感器的平面，其中传感器X和Y被集成在芯片10中，并且传感器Z被集成在不同芯片11中，并且芯片10、11被固定至同一基部或框架12。事实上，在这种情形中，组件的操作更加复杂，并且所得到的装置非常昂贵。此外，在不同芯片中提供的传感器Z和传感器X和Y之间的对准容差大于传感器被集成在单个芯片的情形中，从而在确定磁场方向方面获得的精确度较小，而确定磁场方向对电子指南针的应用来说是最基本的。此外，随着芯片的尺寸缩小，封装应该是逐渐小型的(例如，从5x5mm2到3x3mm2)；然而，竖直装配与所期望的减小不可兼得。然而，为所指出的问题提出的解决方法不令人满意。例如，专利申请US2009/0027048描述了一种制造方法，其中磁阻被沉积在V形沟槽中，以便传感层能够同时检测垂直于芯片的分量部分。另一方面，这种解决方法致使金属互相连接线的横向条或“barber电极”的沉积和限定更加困难，并且致使用于校准和用于减少偏移的置位-复位过程(所谓的“翻转”)的辅助带的沉积和限定更加困难。当包括传感器的装置不可能竖直设置时，或者甚至当目标是检测水平场分量但必须在竖直位置设置装置时，在用于检测垂直于水平面指向的磁场的单个传感器的情形中，也存在类似问题。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是提供集成类型的磁阻传感器，该传感器能够检测在与磁阻元件平面成横向的方向上指向的外部磁场。按照本专利技术，提供了如分别在权利要求1、16、和17中限定的集成磁阻传感器、电子指南针装置、和用于制造磁阻传感器的方法。附图说明为了理解本专利技术，参考附图，现在对仅仅作为非限制实例的本专利技术的优选实施例进行描述，其中：图1示出已知类型的磁阻元件；图2示出对于图1和3的元件来说，作为所施加的场的函数的电阻变化；图3示出已知的不同磁阻元件；图4示出以惠斯通电桥配置的磁阻传感器；图5示出用于检测沿着三个笛卡儿坐标轴的磁场的初级传感器的已知设置；图6示出本磁阻传感器的实施例的布局；图7示出通过图6的传感器的截面；图8示出本传感器的不同实施方式的布局；图9示出图8的传感器的截面；图10示出图8和9的传感器的等效电路；图11a-11d是在制造图8和9的传感器的连续步骤中通过半导体材料的晶片的截面；图12和13是本传感器的两个可能变形例的示意图；图14示出使用本磁阻传感器的电子指南针的框图；图15示出电子指南针的另一实施例；图16示出在工作状态下图15的电子指南针中实现的磁阻传感器的等效电路；图17是本传感器的另一实施例的截面；图18和19是按照不同的实施例在制造传感器的连续步骤中通过半导体材料的晶片的截面；图20和21是本传感器的另外其它实施例的截面。具体实施方式图6和7示出在芯片16中形成的磁阻传感器15，芯片16包括例如硅的传本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.12.23 IT TO2010A0010501.一种集成磁阻装置，包括：衬底(17；117；217；317；417)，其具有第一表面和第二表面(19，20)，绝缘层(18；118；218；318；418)，在所述第一表面(19)上延伸，第一铁磁材料的第一磁控电阻(26)，其在所述绝缘层中延伸并且具有传感平面，以及第二铁磁材料的集中器(34；134；234；334；434)，其包括第一臂件(34a)，所述第一臂件在横切所述传感平面的方向上纵向延伸并且与所述第一磁控电阻(26)竖直偏移，所述集中器配置为使垂直指向的磁通线转向所述传感平面，以生成在与所述传感平面平行的方向上指向的磁场分量。2.根据权利要求1所述的集成磁阻装置，其中所述衬底(17；117；217；317；417)是半导体衬底，并且所述集中器(34；234；434)形成在所述衬底中。3.根据权利要求1或2所述的集成磁阻装置，其中所述衬底(17；417)是半导体衬底并且具有沟槽(33；433)，所述沟槽从所述第二表面(20)向所述第一表面(19)延伸，并且所述集中器(34)的所述第一臂件(34a)邻近所述沟槽的侧壁并且覆盖所述侧壁。4.根据权利要求1或2所述的集成磁阻装置，其中所述衬底(217)具有沟槽(233)，所述沟槽从所述第一表面(19)向所述第二表面(20)延伸，并且所述集中器(34)的所述第一臂件与所述沟槽的侧壁邻近并且覆盖所述侧壁。5.根据权利要求1或2所述的集成磁阻装置，包括在绝缘层(418)中的铁磁收集器(435)，所述收集器在关于所述第一臂件对置侧上相对于第一磁控电阻(26)偏移设置。6.根据权利要求1所述的集成磁阻装置，其中所述集中器(134)形成在被联结至所述绝缘层(118)的主体(120)中的沟槽(133)中，所述沟槽面向所述绝缘层(118)。7.根据权利要求1所述的集成磁阻装置，其中所述集中器(334)形成在所述绝缘层(118)中的沟槽(333)中。8.根据权利要求1所述的集成磁阻装置，其中所述集中器(34)包括一对不同臂件(34a，34b)，所述臂件对包括所述第一臂件，所述臂件对的每个臂件都横切所述传感平面纵向延伸。9.根据权利要求1或2所述的集成磁阻装置，其中所述集中器(34；134；234；334)具有U形形状的截面，并且包括一对不同的臂件(34a，34b)，所述臂件对包括所述第一臂件，由基本平行于所述第一表面(19)的基部部分(34c)连接。10.根据权利要求1或2所述的集成磁阻装置，其中所述集中器(34)的所述第一臂件(34a)的厚度包括在0.5和10μm之间，并且长度等于或大于所述厚度的十倍，并且在垂直于所述传感平面的方向上所述臂件和所述第一磁控电阻(26)之间的距离小于30μm。11.根据权利要求10所述的集成磁阻装置，其中所述集中器(34)的所述第一臂件(34a)的厚度为1μm。12.根据权利要求1或2所述的集成磁阻装置，其中所述第二铁磁材料在“透磁合金”的Fe-Ni合金和钴合金之间选择。13.根据权利要求1或2所述的集成磁阻装置，其包括在所述绝缘层(18；118；218；318；418)中延伸并且与所述第一磁控电阻共面的第二磁控电阻，其中所述集中器(34；134；234；334；434)与所述第一磁控电阻和第二磁控电阻等距。14.根据权利要求1或2所述的集成磁阻装置，其包括多个第一磁控电阻R1-R4，包括所述第一磁控电阻，所述多个第一磁控电阻R1-R4被连接从而形成第一惠斯通电桥(35)，所述第一惠斯通电桥包括在一对输入端(40，41)之间相互并联连接的第一支路和第二支路，并且限定形成输出端(42，43)的一对临时终端，其中：所述第一支路的第一磁控电阻R1，R4相对于平行于所述传感平面的第一轴(A)与所述第二支路的第一磁控电阻R2，R3对称设置；所述多个第一磁控电阻每个都包括铁磁材料条(27)和多个传导横向条(29)，所述铁磁材料条平行于大体上垂直于所述第一轴并且平行于所述传感平面的第二轴(B)纵向延伸，并且所述多个传导横向...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·帕西，M·莫雷利，C·里瓦，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：
国别省市：