感知“利”器｜單晶片三軸磁場感測器及製備方法

工欲善其事，必先利其器。在全球化的今天，專利已不僅僅是創新的一種保護手段，它已成為商業戰場中的利器。麥姆斯諮詢傾情打造MEMS、感測器以及物聯網領域的專利運營平臺，整合全產業鏈智慧財產權資源，積極推動智慧財產權保護與有效利用。

磁場感測器是指對磁信號或者能轉換為磁信號的信號敏感的一類感測器。磁場感測器廣泛應用於磁導航、智慧交通、智慧電網、汽車電子、鐵磁性物質檢測等各種應用場合。

全球磁感測器市場的主要驅動力之一是：汽車和電子羅盤的應用增長。汽車和電子行業是磁感測器的最大終端市場。

例如，磁感測器應用於汽車動力傳動系統、安全氣囊、氣壓控制和燃油系統中；智慧手機和平板電腦中也需要大量電子羅盤。其它主要驅動力還包括：綠色能源的應用增長；汽車安全方面的嚴格立法；日益增長的環境問題，促使控制車輛排放。預計未來五年全球磁感測器市場的複合年增長率（CAGR）超過7%。

美新推出的單晶片三軸AMR磁感測器

三軸向量磁感測器通常是採用相互垂直的三個單軸向量磁感測器組合封裝而成，其中單軸向量磁感測器是只能對磁向量一個方向的分量進行測量的感測器。目前商用或正在研究的向量磁感測器，如霍爾磁感測器、各向異性磁阻感測器（AMR）、磁通門和微機電（MEMS）磁感測器，大多採用多晶片組合封裝方法來形成三軸向量磁感測器。

【推薦發明專利】

《單晶片三軸磁場感測器及製備方法》

【技術背景】

目前，向量磁感測器的主要技術：

1）霍爾磁感測器是利用半導體材料的霍爾效應製作的一種磁場感測器。

霍爾磁感測器只對與電流方向垂直的磁場或磁場分量敏感，是一種向量磁感測器。由於霍爾磁感測器的測量需要提供電流激勵，故其功耗較高，磁場解析度也較低；此外，由於單晶片上直接製作三個相互垂直的霍爾感測器技術上很困難，利用霍爾磁感測器製作三軸磁感測器通常採用多晶片的封裝集成方法，這會增加三軸霍爾磁感測器的尺寸、功耗和封裝成本。

2）各向異性磁阻感測器（AMR）是根據鐵磁材料的各向異性磁阻效應製成的磁感測器。 AMR磁阻感測器一般採用四個磁電阻構成檢測電橋，在被測磁場B作用下，其中兩個電阻阻值增大，另外兩個電阻阻值減小，在其線性範圍內，電橋的輸出電壓與被測磁場成正比，

實現對外磁場的檢測。不過， AMR磁阻感測器的電橋檢測電路的功耗較高，而且需要在感測器晶片中製作重定線圈，重定時需要很大的激勵電流。

3）巨磁阻（GMR）磁感測器是AMR技術的提升，其檢測靈敏度有大幅的提高，但在製造三軸磁感測器方面也存在技術困難，通常採用由三個單軸的GMR感測器或一個單軸與一個雙軸GMR感測器通過組合封裝而成。

矽睿科技推出的AMR與ASIC集成的三軸單晶片磁感測器

4）磁通門感測器由磁芯外繞激磁線圈、感應線圈組成，其磁場解析度可以達到0.1nT量級。磁通門感測器的磁芯採用磁導率高、矯頑力小的軟磁材料，工作時激磁線圈中的激磁電流將磁芯激勵到飽和，其激勵功耗很高。為提高測量精度，磁通門感測器採用雙磁芯或跑道形磁芯結構實現差分信號輸出。三軸磁通門感測器也是通過單軸感測器的組合封裝而成，得到的三軸磁通門感測器體積大、封裝精度要求高、成本高昂，僅限於高端的應用場合。

5）MEMS磁場感測器可以滿足小型化、低功耗和低成本的要求，從上世紀90年代開始得到了快速發展。目前MEMS磁感測器的研究和開發工作主要集中于單軸的MEMS磁感測器，實現三軸磁感測器的方法是三塊單軸MEMS磁感測器晶片、或兩塊磁感測器晶片（其中一塊為單軸MEMS磁感測器，另一塊為雙軸MEMS磁感測器）相互垂直組合封裝而成，封裝要求高，同時還增加了器件的體積和封裝成本。因此，利用MEMS技術的優勢，發展單晶片高靈敏度、低功耗、低成本的三軸磁傳感器具有重要的實用價值和市場前景。

【發明內容】

本發明的提供一種靈敏度高、尺寸小、功耗低、低成本、封裝簡單的單晶片三軸磁場感測器及其製備方法。

本發明的單晶片三軸磁場感測器，直接在感測器晶片製造階段將一個雙軸磁感測器和一個單軸磁感測器集成在單一晶片上，大大簡化了三軸磁場感測器的封裝。

優勢包括：

1）在單晶片上形成三軸磁場感測器，具有體積小、結構簡單、成本低、封裝簡單等特點；

2）採用磁性薄膜作為磁敏感結構，工作時不需要施加電流激勵，器件功耗低；

3）採用差分電容檢測方式，提高了器件的解析度，還具有溫度漂移小、抗外界振動干擾能力強等特點；

4）採用MEMS技術製作，有利於器件的批量化生產，降低器件成本；

5）三軸磁場感測器的電容檢測專用積體電路可採用多層封裝技術集成在磁場感測器晶片上，或採用半導體工藝直接製作在磁場感測器晶片上，可實現微型化的三軸磁感測器系統。

【其它磁感測器相關專利】

《微機械磁場感測器及其應用》

《一種平面多軸向磁通門感測器》

《一種多端式磁通門感測器》

《一種MEMS微型高靈敏度磁場感測器及製作方法》

《扭轉式微機械磁場感測器及其製備方法》

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從上世紀90年代開始得到了快速發展。目前MEMS磁感測器的研究和開發工作主要集中于單軸的MEMS磁感測器，實現三軸磁感測器的方法是三塊單軸MEMS磁感測器晶片、或兩塊磁感測器晶片（其中一塊為單軸MEMS磁感測器，另一塊為雙軸MEMS磁感測器）相互垂直組合封裝而成，封裝要求高，同時還增加了器件的體積和封裝成本。因此，利用MEMS技術的優勢，發展單晶片高靈敏度、低功耗、低成本的三軸磁傳感器具有重要的實用價值和市場前景。