感知“利”器｜单芯片三轴磁场传感器及制备方法
2017-03-28 21:07:12   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

工欲善其事，必先利其器。在全球化的今天，专利已不仅仅是创新的一种保护手段，它已成为商业战场中的利器。麦姆斯咨询倾情打造MEMS、传感器以及物联网领域的专利运营平台，整合全产业链知识产权资源，积极推动知识产权保护与有效利用。

磁场传感器是指对磁信号或者能转换为磁信号的信号敏感的一类传感器。磁场传感器广泛应用于磁导航、智能交通、智能电网、汽车电子、铁磁性物质检测等各种应用场合。

全球磁传感器市场的主要驱动力之一是：汽车和电子罗盘的应用增长。汽车和电子行业是磁传感器的最大终端市场。例如，磁传感器应用于汽车动力传动系统、安全气囊、气压控制和燃油系统中；智能手机和平板电脑中也需要大量电子罗盘。其它主要驱动力还包括：绿色能源的应用增长；汽车安全方面的严格立法；日益增长的环境问题，促使控制车辆排放。预计未来五年全球磁传感器市场的复合年增长率（CAGR）超过7%。

美新推出的单芯片三轴AMR磁传感器

三轴矢量磁传感器通常是采用相互垂直的三个单轴矢量磁传感器组合封装而成，其中单轴矢量磁传感器是只能对磁矢量一个方向的分量进行测量的传感器。目前商用或正在研究的矢量磁传感器，如霍尔磁传感器、各向异性磁阻传感器（AMR）、磁通门和微机电（MEMS）磁传感器，大多采用多芯片组合封装方法来形成三轴矢量磁传感器。

【推荐发明专利】

《单芯片三轴磁场传感器及制备方法》

【技术背景】

目前，矢量磁传感器的主要技术：

1）霍尔磁传感器是利用半导体材料的霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔磁传感器只对与电流方向垂直的磁场或磁场分量敏感，是一种矢量磁传感器。由于霍尔磁传感器的测量需要提供电流激励，故其功耗较高，磁场分辨率也较低；此外，由于单芯片上直接制作三个相互垂直的霍尔传感器技术上很困难，利用霍尔磁传感器制作三轴磁传感器通常采用多芯片的封装集成方法，这会增加三轴霍尔磁传感器的尺寸、功耗和封装成本。

2）各向异性磁阻传感器（AMR）是根据铁磁材料的各向异性磁阻效应制成的磁传感器。AMR磁阻传感器一般采用四个磁电阻构成检测电桥，在被测磁场B作用下，其中两个电阻阻值增大，另外两个电阻阻值减小，在其线性范围内，电桥的输出电压与被测磁场成正比，实现对外磁场的检测。不过，AMR磁阻传感器的电桥检测电路的功耗较高，而且需要在传感器芯片中制作复位线圈，复位时需要很大的激励电流。

3）巨磁阻（GMR）磁传感器是AMR技术的提升，其检测灵敏度有大幅的提高，但在制造三轴磁传感器方面也存在技术困难，通常采用由三个单轴的GMR传感器或一个单轴与一个双轴GMR传感器通过组合封装而成。

矽睿科技推出的AMR与ASIC集成的三轴单芯片磁传感器

4）磁通门传感器由磁芯外绕激磁线圈、感应线圈组成，其磁场分辨率可以达到0.1nT量级。磁通门传感器的磁芯采用磁导率高、矫顽力小的软磁材料，工作时激磁线圈中的激磁电流将磁芯激励到饱和，其激励功耗很高。为提高测量精度，磁通门传感器采用双磁芯或跑道形磁芯结构实现差分信号输出。三轴磁通门传感器也是通过单轴传感器的组合封装而成，得到的三轴磁通门传感器体积大、封装精度要求高、成本高昂，仅限于高端的应用场合。

5）MEMS磁场传感器可以满足小型化、低功耗和低成本的要求，从上世纪90年代开始得到了快速发展。目前MEMS磁传感器的研究和开发工作主要集中于单轴的MEMS磁传感器，实现三轴磁传感器的方法是三块单轴MEMS磁传感器芯片、或两块磁传感器芯片（其中一块为单轴MEMS磁传感器，另一块为双轴MEMS磁传感器）相互垂直组合封装而成，封装要求高，同时还增加了器件的体积和封装成本。因此，利用MEMS技术的优势，发展单芯片高灵敏度、低功耗、低成本的三轴磁传感器具有重要的实用价值和市场前景。

【发明内容】

本发明的提供一种灵敏度高、尺寸小、功耗低、低成本、封装简单的单芯片三轴磁场传感器及其制备方法。

本发明的单芯片三轴磁场传感器，直接在传感器芯片制造阶段将一个双轴磁传感器和一个单轴磁传感器集成在单一芯片上，大大简化了三轴磁场传感器的封装。

优势包括：

1）在单芯片上形成三轴磁场传感器，具有体积小、结构简单、成本低、封装简单等特点；

2）采用磁性薄膜作为磁敏感结构，工作时不需要施加电流激励，器件功耗低；

3）采用差分电容检测方式，提高了器件的分辨率，还具有温度漂移小、抗外界振动干扰能力强等特点；

4）采用MEMS技术制作，有利于器件的批量化生产，降低器件成本；

5）三轴磁场传感器的电容检测专用集成电路可采用多层封装技术集成在磁场传感器芯片上，或采用半导体工艺直接制作在磁场传感器芯片上，可实现微型化的三轴磁传感器系统。

【其它磁传感器相关专利】

《微机械磁场传感器及其应用》
《一种平面多轴向磁通门传感器》
《一种多端式磁通门传感器》
《一种MEMS微型高灵敏度磁场传感器及制作方法》
《扭转式微机械磁场传感器及其制备方法》

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