一种Z轴梯度磁场传感器芯片的制作方法

一种z轴梯度磁场传感器芯片
技术领域
1.本发明实施例涉及空间梯度磁场测量技术领域，尤其涉及一种z轴梯度磁场传感器芯片。


背景技术：

2.z轴磁场测量是指磁传感器所在平面法线方向磁场的测量。目前z轴磁场测量主要是通过检波线圈、霍尔元件或磁阻元件实现。
3.检波线圈空间分辨率低，灵敏度有限，频率特性有限。霍尔元件灵敏度低，功耗高，温度特性差。磁阻元件因本征灵敏度方向为平面内，需要磁通聚集结构将z轴磁场传导至芯片所在平面内，造成灵敏度损失，磁滞高，时间稳定性差等问题。
4.因此，目前z轴磁场测量普遍存在灵敏度低、精度差的现状。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供一种z轴梯度磁场传感器芯片，解决现有z轴磁场测量灵敏度低、精度差的问题。
6.本发明实施例提供了一种z轴梯度磁场传感器芯片，包括：
7.晶圆基板，所述晶圆基板位于水平平面内，所述z轴垂直于所述水平平面；
8.至少一个感应线圈，所述感应线圈为闭合线圈，所述感应线圈的纵剖面为包括齿底面段、齿顶面段和侧面段的凹凸齿状结构，至少所述感应线圈的齿顶面段与所述晶圆基板之间填充有支撑结构；
9.磁阻元件，所述磁阻元件通过连接引线连接构成磁阻元件链路，所述磁阻元件链路与接触电极连接，所述接触电极在所述水平平面的正投影位于所述感应线圈的外围；
10.所述感应线圈、所述磁阻元件、所述连接引线和所述接触电极均位于所述晶圆基板的同一表面，所述感应线圈的齿底面段和齿顶面段均平行于所述晶圆基板的表面；
11.所述感应线圈的齿底面段位于所述磁阻元件的正上方或者两侧上方，其中所述感应线圈的齿底面段内的电流方向垂直于所述磁阻元件的灵敏度方向；或者，所述感应线圈的侧面段位于所述磁阻元件的侧面，所述感应线圈的齿底面段内的电流方向平行于所述磁阻元件的灵敏度方向；
12.所述感应线圈感测z轴方向磁场变化以产生感应电流，所述磁阻元件将所述感应线圈的感应电流在所述水平平面内产生的平面磁场转换为磁电阻值的变化。
13.进一步地，所述感应线圈的齿底面段位于所述磁阻元件的两侧上方，或者，所述感应线圈的侧面段位于所述磁阻元件的侧面，最外侧一条所述磁阻元件链路背离所述感应线圈的外侧设置一个冗余感应线圈。
14.进一步地，位于所述磁阻元件两侧的所述感应线圈的侧面段内感应电流方向相反；或者，位于所述磁阻元件两侧的所述感应线圈的齿底面段内感应电流方向相反。
15.进一步地，所述感应线圈的齿底面段位于所述磁阻元件的正上方，且所述磁阻元
件与所述感应线圈之间填充绝缘材料。
16.进一步地，所述感应线圈为环形。
17.进一步地，所述感应线圈由非磁性金属构成。
18.进一步地，所述感应线圈的侧面段高度大于或等于所述磁阻元件的高度。
19.进一步地，所述磁阻元件为各向异性磁阻、巨磁阻或者隧道结磁阻。
20.进一步地，所述z轴梯度磁场传感器芯片外部覆盖有无磁性材料封装壳体。
21.进一步地，所述z轴梯度磁场传感器芯片的输出信号采用单端输出或者差分输出的方式输出。
22.本发明实施例提供的z轴梯度磁场传感器芯片，将磁阻元件与感应线圈复合，运用闭合的感应线圈感测z轴方向磁场变化，感应线圈将z轴方向磁场变化转换为感应电流，并以此感应电流在水平平面内生成平面磁场；高灵敏磁阻元件感测该平面磁场，并将其转换为磁电阻值变化。由此z轴梯度磁场传感器芯片测量出z轴方向磁场大小。磁阻元件具有高灵敏度且低功耗的优势，感应线圈具有高响应频率无磁滞的优势，则采用磁阻元件与感应线圈的z轴梯度磁场传感器芯片可以实现z轴方向磁场的高精度检测。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图虽然是本发明的一些具体的实施例，对于本领域的技术人员来说，可以根据本发明的各种实施例所揭示和提示的器件结构，驱动方法和制造方法的基本概念，拓展和延伸到其它的结构和附图，毋庸置疑这些都应该是在本发明的权利要求范围之内。
24.图1是本发明实施例提供的一种z轴梯度磁场传感器芯片的示意图；
25.图2是图1所示芯片的纵剖面示意图；
26.图3是图1所示芯片的磁敏元件灵敏度与线圈电流方向的相对关系示意图；
27.图4是本发明实施例提供的另一种z轴梯度磁场传感器芯片的示意图；
28.图5是图4所示芯片的磁敏元件灵敏度与线圈电流方向的相对关系示意图；
29.图6是本发明实施例提供的又一种z轴梯度磁场传感器芯片的示意图；
30.图7是图6所示芯片的磁敏元件灵敏度与线圈电流方向的相对关系示意图；
31.图8是本发明实施例提供的芯片的另一种纵剖面示意图；
32.图9是图4所示芯片的横截面示意图；
33.图10是图6所示芯片的横截面示意图；
34.图11是本发明实施例提供的再一种z轴梯度磁场传感器芯片的示意图；
35.图12是本发明实施例提供的一种芯片电路输出结构的示意图；
36.图13是本发明实施例提供的另一种芯片电路输出结构的示意图；
37.图14是本发明实施例提供的又一种芯片电路输出结构的示意图；
38.图15是本发明实施例提供的再一种芯片电路输出结构的示意图；
39.图16是本发明实施例提供的芯片封装壳体的结构示意图。
具体实施方式
40.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例所揭示和提示的基本概念，本领域的技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.本发明实施例提供了一种z轴梯度磁场传感器芯片，该z轴梯度磁场传感器芯片包括：晶圆基板，晶圆基板位于水平平面内，z轴垂直于水平平面；至少一个感应线圈，感应线圈为闭合线圈，感应线圈的纵剖面为包括齿底面段、齿顶面段和侧面段的凹凸齿状结构，至少感应线圈的齿顶面段与晶圆基板之间填充有支撑结构；磁阻元件，磁阻元件通过连接引线连接构成磁阻元件链路，磁阻元件链路与接触电极连接，接触电极在水平平面的正投影位于感应线圈的外围；感应线圈、磁阻元件、连接引线和接触电极均位于晶圆基板的同一表面，感应线圈的齿底面段和齿顶面段均平行于晶圆基板的表面；感应线圈的齿底面段位于磁阻元件的正上方或者两侧上方，其中感应线圈的齿底面段内的电流方向垂直于磁阻元件的灵敏度方向；或者，感应线圈的侧面段位于磁阻元件的侧面，感应线圈的齿底面段内的电流方向平行于磁阻元件的灵敏度方向；感应线圈感测z轴方向磁场变化以产生感应电流，磁阻元件将感应线圈的感应电流在水平平面内产生的平面磁场转换为磁电阻值的变化。
42.本发明实施例提供的z轴梯度磁场传感器芯片，将磁阻元件与感应线圈复合，运用闭合的感应线圈感测z轴方向磁场变化，感应线圈将z轴方向磁场变化转换为感应电流，并以此感应电流在水平平面内生成平面磁场；高灵敏磁阻元件感测该平面磁场，并将其转换为磁电阻值变化。由此z轴梯度磁场传感器芯片测量出z轴方向磁场大小。磁阻元件具有高灵敏度且低功耗的优势，感应线圈具有高响应频率无磁滞的优势，则采用磁阻元件与感应线圈的z轴梯度磁场传感器芯片可以实现z轴方向磁场的高精度检测。
43.以上是本发明的核心思想，本发明中将通过以下多个实施例对该方案进行详细描述。
44.参考图1所示，为本发明实施例提供的一种z轴梯度磁场传感器芯片的示意图。图2是图1所示芯片的纵剖面示意图。
45.本实施例提供的z轴梯度磁场传感器芯片包括：晶圆基板109，晶圆基板109位于水平平面x-y内，z轴垂直于水平平面；至少一个感应线圈10，感应线圈10为闭合线圈，感应线圈10的纵剖面为包括齿底面段103、齿顶面段104和侧面段105的凹凸齿状结构，至少感应线圈10的齿顶面段104与晶圆基板109之间填充有支撑结构108；磁阻元件101，磁阻元件101通过连接引线102连接构成磁阻元件链路，磁阻元件链路与接触电极106连接，接触电极106在水平平面的正投影位于感应线圈10的外围；感应线圈10、磁阻元件101、连接引线102和接触电极106均位于晶圆基板109的同一表面，感应线圈10的齿底面段103和齿顶面段104均平行于晶圆基板109的表面；感应线圈10的侧面段105位于磁阻元件101的侧面，感应线圈10的齿底面段103内的电流方向平行于磁阻元件101的灵敏度方向；感应线圈10感测z轴方向磁场变化以产生感应电流，磁阻元件101将感应线圈10的感应电流在水平平面内产生的平面磁场转换为磁电阻值的变化。水平平面为x-y平面。图1以z轴梯度磁场传感器芯片中包括3个感应线圈10为示例，在其他实施例中，z轴梯度磁场传感器芯片中还可以包括其他数量的感应线圈，不限于此。
46.本实施例中，接触电极106、连接引线102、感应线圈10和磁阻元件101均设置在晶圆基板109的同一表面，且感应线圈齿顶面段104、感应线圈齿侧面段105与晶圆基板109所包围区域内设置有支撑结构108，可以保证感应线圈齿侧面段105垂直于晶圆基板109。磁阻元件101及连接引线102可直接设置在晶圆基板109的表面。在其他实施例中，还可选磁阻元件及连接引线下方均填充有支撑结构，使磁阻元件及连接引线的高度位于感应线圈齿侧面段中部；或者，感应线圈与晶圆基板之间全部填充有支撑结构，以抬高感应线圈与晶圆基板表面之间的间距。
47.可选感应线圈齿侧面段105的高度大于或等于磁阻元件101高度，在此高度是指结构顶面与晶圆基板表面之间的间距，则感应线圈齿侧面段105顶面与晶圆基板表面之间的间距大于或等于磁阻元件101顶面与晶圆基板表面之间的间距。
48.本实施例中，可选感应线圈10的侧面段105位于磁阻元件101的侧面，基于此，z轴梯度磁场传感器芯片中的磁阻元件分为两类。
49.在晶圆基板109表面正投影时，第一类磁阻元件101位于感应线圈10限定的闭合区域内，感应线圈10内两个相对的侧面段105之间设置有一个磁阻元件101，该磁阻元件101在晶圆基板109表面的正投影位于所对应的感应线圈10的两个相对的侧面段105之间；对于该第一类磁阻元件101，相邻两个感应线圈10内的所有磁阻元件101采用连接引线102依次串联构成一条u型磁阻元件链路21，该u型磁阻元件链路21的两端各连接一个接触电阻106。
50.在晶圆基板109表面正投影时，第二类磁阻元件101位于相邻两个感应线圈10之间的间隙区域内，相邻两个感应线圈10的两个相对的侧面段105之间设置有一个磁阻元件101，该磁阻元件101在晶圆基板109表面的正投影位于所对应的相邻两个感应线圈10的两个相对的侧面段105之间；对于该第二类磁阻元件101，一个感应线圈10外围的所有磁阻元件101采用连接引线102依次串联构成一条u型磁阻元件链路22，该u型磁阻元件链路22的两端各连接一个接触电阻106。
51.可选最外侧一条磁阻元件链路22背离感应线圈10的外侧设置一个冗余感应线圈107。图1中3个感应线圈10包括一个冗余感应线圈107，其设置的作用在于使磁阻元件链路22中每个磁阻元件101两侧均对应有感应线圈，可以保证磁阻元件链路22中各磁阻元件101的两侧线圈环境一致，提高接触电阻106的检测精度。
52.z轴方向梯度磁场使感应线圈10内产生感应电流。如图3所示为磁阻元件与其两侧两个齿侧面段的感应电流的示意图。可选位于磁阻元件101两侧的感应线圈的侧面段105内感应电流201方向相反。
53.感应线圈10的齿底面段103内的电流方向平行于磁阻元件101的灵敏度方向202。感应线圈10的齿侧面段105内的感应电流201方向垂直于晶圆基板109所在平面，该垂直方向的感应电流201产生的磁场在磁阻元件101处为平行于晶圆基板109的方向且平行于磁敏元件101的排布方向，则感应线圈10的齿侧面段105内的感应电流201在水平平面内产生平面磁场，即将z轴方向梯度磁场经过感应线圈10转变为与磁敏元件101的灵敏度方向202一致的水平梯度磁场。由此，两个相对的侧面段105之间的磁阻元件101将水平平面梯度磁场转换为磁电阻值的变化。以此实现了z轴方向梯度磁场的高精度检测。
54.参考图4所示，为本发明实施例提供的一种z轴梯度磁场传感器芯片的示意图。
55.本实施例提供的z轴梯度磁场传感器芯片包括：晶圆基板109，晶圆基板109位于水
平平面x-y内，z轴垂直于水平平面；至少一个感应线圈10，感应线圈10为闭合线圈，感应线圈10的纵剖面为包括齿底面段103、齿顶面段104和侧面段105的凹凸齿状结构，至少感应线圈10的齿顶面段104与晶圆基板109之间填充有支撑结构108；磁阻元件101，磁阻元件101通过连接引线102连接构成磁阻元件链路，磁阻元件链路与接触电极106连接，接触电极106在水平平面的正投影位于感应线圈10的外围；感应线圈10、磁阻元件101、连接引线102和接触电极106均位于晶圆基板109的同一表面，感应线圈10的齿底面段103和齿顶面段104均平行于晶圆基板109的表面；感应线圈10的齿底面段103位于磁阻元件101的两侧上方，其中感应线圈10的齿底面段103内的电流方向垂直于磁阻元件101的灵敏度方向；感应线圈10感测z轴方向磁场变化以产生感应电流，磁阻元件101将感应线圈10的感应电流在水平平面内产生的平面磁场转换为磁电阻值的变化。水平平面为x-y平面。图4以z轴梯度磁场传感器芯片中包括3个感应线圈10为示例，在其他实施例中，z轴梯度磁场传感器芯片中还可以包括其他数量的感应线圈，不限于此。
56.本实施例中，可选感应线圈10的齿底面段103位于磁阻元件101的两侧上方，基于此，z轴梯度磁场传感器芯片中的磁阻元件分为两类。
57.在晶圆基板109表面正投影时，第一类磁阻元件101位于感应线圈10限定的闭合区域内，感应线圈10内两个相对的齿底面段103之间设置有一个磁阻元件101，该磁阻元件101在晶圆基板109表面的正投影位于所对应的感应线圈10的两个相对的齿底面段103之间；对于该第一类磁阻元件101，相邻两个感应线圈10内的所有磁阻元件101采用连接引线102依次串联构成一条u型磁阻元件链路21，该u型磁阻元件链路21的两端各连接一个接触电阻106。
58.在晶圆基板109表面正投影时，第二类磁阻元件101位于相邻两个感应线圈10之间的间隙区域内，相邻两个感应线圈10的两个相对的齿底面段103之间设置有一个磁阻元件101，该磁阻元件101在晶圆基板109表面的正投影位于所对应的相邻两个感应线圈10的两个相对的齿底面段103之间；对于该第二类磁阻元件101，一个感应线圈10外围的所有磁阻元件101采用连接引线102依次串联构成一条u型磁阻元件链路22，该u型磁阻元件链路22的两端各连接一个接触电阻106。
59.可选最外侧一条磁阻元件链路22背离感应线圈10的外侧设置一个冗余感应线圈107。图4中3个感应线圈10包括一个冗余感应线圈107，其设置的作用在于使磁阻元件链路22中每个磁阻元件101两侧均对应有感应线圈，可以保证磁阻元件链路22中各磁阻元件101的两侧线圈环境一致，提高接触电阻106的检测精度。
60.z轴方向梯度磁场使感应线圈10内产生感应电流。如图5所示为磁阻元件与其两侧两个齿底面段的感应电流的示意图。可选位于磁阻元件101两侧的感应线圈的齿底面段103内感应电流201方向相反。
61.感应线圈10的齿底面段103内的电流方向201垂直于磁阻元件101的灵敏度方向202。感应线圈10的齿底面段103内的感应电流方向201平行于晶圆基板109，该水平方向的感应电流201产生的磁场在磁阻元件101处为平行于晶圆基板109的方向且垂直于磁敏元件101的排布方向，则感应线圈10的齿底面段103内的感应电流201在水平平面内产生平面磁场，即将z轴方向梯度磁场经过感应线圈10转变为与磁敏元件101的灵敏度方向202一致的水平梯度磁场。由此，两个相对的齿底面段103之间的磁阻元件101将水平平面梯度磁场转
换为磁电阻值的变化。以此实现了z轴方向梯度磁场的高精度检测。
62.图6所示z轴梯度磁场传感器芯片与图4的区别在于，感应线圈齿底面段103位于磁阻元件101正上方，即感应线圈齿底面段103在晶圆基板109上的正投影覆盖磁阻元件101，则无需设置冗余感应线圈，其检测原理相同，在此不再赘述。如图7所示为磁阻元件与其正上方齿底面段的感应电流的示意图。可选位于磁阻元件101正上方的感应线圈的齿底面段103内感应电流201方向垂直于磁阻元件101的灵敏度方向202。其中，感应线圈齿底面段103内感应电流201平行于晶圆基板所在平面且垂直于磁阻元件101的灵敏度方向202，该电流201产生的磁场在磁阻元件101处与磁阻元件101灵敏度方向202相同。
63.对于上述任一实施例，如图8所示接触电极106、连接引线102、感应线圈10和磁阻元件101均设置在晶圆基板109的同一表面。磁阻元件101及连接引线102可直接设置在晶圆基板109的表面。可选感应线圈10与晶圆基板109之间全部填充有支撑结构108，可以抬高感应线圈10与晶圆基板109表面的间距，实现感应线圈齿底面段103位于磁阻元件101的正上方或两侧上方。可选感应线圈齿侧面段105的高度大于或等于磁阻元件101高度。
64.在其他实施例中，实现感应线圈齿底面段位于磁阻元件的正上方或两侧上方的基础上，还可选磁阻元件及连接引线下方均填充有支撑结构，且感应线圈与晶圆基板之间全部填充有支撑结构，以抬高感应线圈与晶圆基板表面之间的间距。
65.图9是图4所示芯片的横截面示意图，可选感应线圈的齿底面段103位于磁阻元件101的两侧上方，其中，支撑结构108设置在磁阻元件101的两侧，感应线圈齿底面段103设置在支撑结构108的上表面，实现感应线圈位于磁阻元件101的两侧上方。
66.图10是图6所示芯片的横截面示意图，可选感应线圈的齿底面段103位于磁阻元件101的正上方，且磁阻元件101与感应线圈之间填充绝缘材料。可选绝缘材料与支撑结构108的材料相同，可减少制造工序且降低成本。其制作过程为，磁阻元件101上覆盖支撑结构108，支撑结构108上设置感应线圈齿底面段103及其他结构，使得感应线圈位于磁阻元件101的正上方。
67.对于上述任意实施例所述的z轴梯度磁场传感器芯片，可选感应线圈为环形。可选感应线圈由非磁性金属构成。感应线圈在晶圆基板所在平面的正投影可为圆环形或跑道环形，且为闭合线圈。可选磁阻元件为各向异性磁阻、巨磁阻或者隧道结磁阻。不限于此。
68.如图11所示可选z轴梯度磁场传感器芯片的磁阻元件101与感应线圈之间以及上方覆盖绝缘材料110，以保护z轴梯度磁场传感器芯片的性能。
69.对于上述任意实施例所述的z轴梯度磁场传感器芯片，可选z轴梯度磁场传感器芯片的输出信号采用单端输出或者差分输出的方式输出。
70.如图12所示可选z轴梯度磁场传感器芯片的输出采用单端半桥方式输出。其中r1为磁阻电阻，r0为参考电阻且其阻值不随外磁场变化。
71.如图13所示可选z轴梯度磁场传感器芯片的输出采用单端半桥方式输出。其中，r1和r2均为磁阻电阻且灵敏度方向相反。
72.如图14所示可选z轴梯度磁场传感器芯片的输出采用差分全桥方式输出。其中，r1和r3均为磁阻电阻，r0为参考电阻且其阻值不随外磁场变化。
73.如图15所示可选z轴梯度磁场传感器芯片的输出采用差分全桥方式输出。其中，r1、r2、r3和r4均为磁阻电阻，r1和r3的灵敏度方向一致，r2和r4的灵敏度方向一致，且r1和
r2的灵敏度方向相反。
74.如图16所示可选z轴梯度磁场传感器芯片302外部覆盖非磁性封装壳体301，便于芯片302电气连接同时提高芯片302稳定性，可靠性。非磁性封装壳体301不会对z轴磁场产生干扰，保证了磁场检测结果精度。
75.本发明实施例提供的z轴梯度磁场传感器芯片，采用纵剖面为齿形结构的闭合感应线圈，将z轴即垂直方向磁场变化转变为感应线圈中电流变化，进而通过感应线圈走向，将感应线圈中电流变化转变为水平方向磁场变化，利用竖直方向线圈引起磁阻元件附近磁场变化，磁阻芯片作为敏感元件，将z方向磁场变化经过感应线圈转换为磁电阻值变化，接触电阻再将磁电阻值转换为电信号。利用磁阻元件的高灵敏度、低功耗特性以及线圈几何转换灵敏度损耗低、无磁滞的特点，实现了z方向磁场梯度精确高灵敏检测。
76.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。