寬範圍磁性傳感器及其製造方法

2023-05-26 14:22:41

專利名稱：寬範圍磁性傳感器及其製造方法
技術領域：
本發明涉及寬範圍磁性傳感器及相應製造方法。
背景技術：
在能夠檢測低強度磁場的高靈敏度磁場傳感器中，稱為磁通門傳感器 (fluxgatesensor)的磁性傳感器提供成本和性能之間最佳的折衷(參見，例如， US6, 404, 192中描述的平面磁通門傳感器)。在實踐中，平面磁通門傳感器包括通常伸長形 的磁芯，覆蓋在激勵線圈上面。通過給激勵線圈提供合適的交流激勵電流，有可能使磁芯進 入一系列磁飽和周期中。外部場的感測通過通常設置在磁芯端部下面的一對感測線圈來獲 得。為了更好的理解，參考圖1，其示出了上述美國專利中描述的類型的具有兩個靈敏 度軸的磁通門傳感器1。磁通門傳感器1包括覆蓋在四個感測線圈3a，3b，3c和3d上面和 在磁芯4下面的激勵線圈2。詳細地，激勵線圈2通常是方形並且磁芯4是十字形，其包括 彼此垂直的第一臂4a和第二臂4b。感測線圈3a_3d成對設置，垂直軸在磁芯4的臂4a，4b 的端部附近通過，感測線圈3a，3b彼此對齊並且平行於激勵線圈2的第一對角線和第一臂 4a的軸，感測線圈3c，3d彼此對齊並且平行於激勵線圈2的第二對角線和第二臂4b的軸。最初只考慮第一臂4a和感測線圈3a，3b，如果向激勵線圈供應適當的激勵電流， 該激勵電流能夠引起磁性材料在適當頻率上的飽和，則第一臂4a的兩半以反方向被磁化， 如圖1中箭頭7所示。當不存在施加的外部磁場時，如果兩個感測線圈3a，3b以差分配置 被連接的話，那麼這兩個感測線圈3a，3b經歷兩個相等的零感應電壓。相反的，如果施加外部磁場(圖1中的箭頭H)，則第一臂4a的第一半(在所示的 情況中，圖中的左半部分)以與外部磁場M相同的方向被磁化，因此放大了其自己的總磁化 強度(magnetization)，然而第一臂4a的第二半(在這，圖中的右半部分)以相反的方向被 磁化並且其總磁化強度被減小。由此看出，感測線圈3a，3b的差分電壓是非零的並且通過 外部磁場M的強度對其調幅。磁芯的第二臂4b的存在使得能夠檢測方向垂直於外部磁場M的磁場並且在磁性 傳感器1的上面給予兩個靈敏度軸。利用磁通門技術，可以提供能夠測量直流或緩慢變化的磁場的傳感器，該磁場的 強度包括在幾PG和幾G之間，具有nG級的高解析度。在動態範圍和解析度方面，磁通門 設備介於霍爾效應磁場傳感器(其一般能夠檢測在IOG和IO6G之間的場)和SQUID (超導 量子幹涉設備，其一般能夠檢測包括在ICTkiG和10_5G之間的場)之間。對於低磁場值，磁通門傳感器優於霍爾效應傳感器，這是由於其更好的性能，並且 由於它的低成本和低負擔，與SQUID傳感器比較時其發現更廣泛的應用。因此，磁通門傳感 器能夠在可攜式系統或非可攜式系統中發現應用，其中霍爾傳感器不具有足夠的靈敏度。然而，為了在霍爾傳感器的製造技術上繼續開發廣知識，存在一些解決方案，其中 試圖擴展霍爾傳感器的靈敏度到磁通門傳感器的範圍，另外，開發磁性材料的霍爾傳感器(或者集中器(concentrator)，參見，例如 US6, 545，462 ；US6, 184，679 和 US7, 235，968)。但是，這些解決方案仍然不能夠實現與通過磁通門傳感器獲得的相同性能。

發明內容
因此，本發明的目的是提供一種克服已知傳感器的限制的磁性傳感器。根據本發明，提供一種磁性傳感器，包括磁通門傳感器和霍爾傳感器，其特徵在於 磁通門傳感器形成在絕緣層中，絕緣層覆蓋在容納霍爾傳感器的半導體材料的本體上，磁 通門傳感器與霍爾傳感器垂直地對齊並且集成在同一晶片中。根據本發明，還提供一種製造磁性傳感器的方法，包括步驟提供半導體材料的本體；在本體中形成霍爾傳感器；在所述本體上形成絕緣層；在所述絕緣層中形成磁通門傳感器，其與霍爾傳感器垂直地對齊，從而霍爾傳感 器和磁通門傳感器集成在同一晶片中。在實踐中，現在的傳感器由磁通門傳感器和具有集中器的霍爾傳感器疊加形成 的，並且磁通門傳感器的磁芯也形成用於霍爾效應傳感器的集中器。


為了更好的理解本發明，現在參考附圖僅僅通過非限制性的例子來描述其實施 例，其中-圖1是具有兩個靈敏度軸的磁通門傳感器的透視俯視圖；-圖2是根據本發明的磁性傳感器的實施例的剖視圖；-圖3-7是在連續製造步驟中穿過現在磁性傳感器的剖視圖；-圖8示出了包括圖2的磁性傳感器的磁力計的框圖；-圖9示出了圖7的磁力計的可能應用；以及-圖10示出了包括圖7的磁力計的電子裝置的框圖。
具體實施例方式圖2示出了磁性傳感器10的一種可能實施例，其使用CMOS技術獲得並且包括磁 通門傳感器11和霍爾傳感器12。磁通門傳感器11例如被獲得作為圖1的磁通門傳感器並且包括具有十字形的磁 性區域13，該磁性區域13既形成磁通門傳感器的磁芯又形成了用於霍爾傳感器12的集中 器。在圖示的實例中，霍爾傳感器12由四個霍爾效應單元形成，兩個用於形成磁性集中器 的磁性區域13的每個臂。在附圖中，只有兩個霍爾效應單元12a，12b是可見的，設置在磁 性區域13的第一臂的下面，相應於圖1的第一臂4a。另兩個霍爾效應單元(不可見)設 置在磁性區域13的第二臂的下面，相應於圖1的第二臂4b。所有的霍爾效應單元(單元 12a, 12b和不可見的單元)被集成在單個晶片100中。詳細地，在圖2的實施例中，半導體材料的本體14包括P-型襯底15和型外延 層16。外延層16收容了通過P_型絕緣區域17彼此分離的霍爾效應單元12a，12b，其界定了容納N+型導電區域19以及另外導電感測區域的活動區域18(active region)。另外，外 延層16還可以，在未示出的某種程度上，收容形成傳感器11，12的電源/控制電路的另外 部件和/或收容與磁性傳感器10功能上相關聯的另外電路。絕緣材料層20在本體14上延展並且其通過在彼此之上設置的多個層和嵌入磁通 門傳感器11而形成。特別地，磁通門傳感器11由三個金屬化層和磁性區域13形成。詳細 地，第一金屬化層形成連接線21，第二金屬化層形成感測線圈(這裡只有兩個是可見的，標 示為22a和22b)，以及第三金屬化層形成激勵線圈23。連接線21通過插頭(未圖示)連接到感測線圈22a，22b並且使其能夠電連接到 電源/控制電路(未示出)，例如，該電路集成在外延層16中。相似的連接線(未示出)可 以使激勵線圈2能夠連接到各自的電源/控制電路。磁性區域13由具有以下特徵的鐵磁材料製成-低的飽和磁化強度Bsat值，以致需要低能量使材料進入飽和；例如，Bsat的值可以 大約為0. 5T ；-高的磁導率值，直到集成了磁性傳感器10的設備的操作頻率；例如，相對磁導率 μ r在IOOkHZ可以等於35，000。特別地，如果磁性區域13由NiFe (坡莫鎳鐵合金(permalloy))製成，則其具有IT 的飽和磁化強度Bsat和在500MHZ大約3，500的相對磁導率。可替換地，可以使用NiFeMo或 其他適合的專用磁合金。鈍化層25在磁性區域13上延展。在實際中，在磁通門傳感器11的下面霍爾傳感器12的存在能夠利用磁性區域13 測量磁場，該磁場具有比磁通門傳感器11的靈敏度範圍的上限高的強度，擴展了合成的磁 力計(resulting magnetometer)的靈敏度。事實上，眾所周知，霍爾效應單元12的操作基於在橫穿導電區域19的方向延展 的各對導電區域之間的霍爾電壓的檢測，作為在導電區域19自身之間流過的電流和與該 電流垂直並且在所考慮的情況下與本體14的表面垂直的外部磁場之間的交互作用的結 果。磁場區域13在此作為集中器並且具有修改與本體14的表面平行或共面的外部磁場 的磁通線的目的，以便除了提供放大之外磁通線垂直橫穿布置在磁性區域13端部下面的 霍爾效應單元12。這樣，與本體14的表面平行或共面的磁場變得可被霍爾效應單元12檢 測，正如，例如，ChristianShott 等人在"A CMOS Single-Chip Electronic Compass with Microcontroller",2007IEEE International Solid-State Circuit Conference, ISSCC 2007/SESSI0N21/SENS0RS AND MEMS/21. 2 中描述的。圖2的磁性傳感器10被製造，正如如下所述。最初(圖3)，結點N和P要形成絕緣區域17、導電區域19、和磁性傳感器10設想 的可能其他區域，結點N和P以本身已知的方式被植入並散布在外延層16中。然後(圖4)，第一電介質層26被沉積；形成插頭(未圖示；例如，它們可能是金屬 的)以接觸形成在本體14中的導電區域，特別是導電區域19 ；第一金屬層被沉積和限定用 於提供連接線21以及可能進一步提供該設備所設想的第一層連接；第二電介質層27被沉 積，並且形成插頭(未圖示；例如，它們可能是金屬的)以接觸連接線21。接下來(圖5)，第二金屬層被沉積並限定用於提供感測線圈22a，22b以及可能進一步提供第二層金屬連接區域；第三電介質層28被沉積，並且形成插頭(未圖示；例如，它 們可能是金屬的)以接觸激勵線圈23。然後(圖6)，第三金屬層被沉積並限定以獲得激勵線圈23，以及第四電介質層29 被沉積。接下來(圖7)，通過後置加工(post-machining)處理，要形成磁性區域13的磁性 材料被沉積。磁性材料通過濺射被沉積以便獲得大約1_5μπι的典型厚度。濺射技術(參 見，例如，Andrea Baschirotto 等人的，，An integrated microFluxgate sensor with sputteredferromagnetic core", IMTC 06)，使得能夠提供具有指定厚度的非晶薄膜，以便 與使用其他技術(例如，通過電鍍)沉積的更厚層相比較，需要比較低的能量消耗以飽和。最後，沉積的鐵磁層被限定以便具有十字形，以及鈍化層25被沉積以覆蓋磁性區 域13，以便獲得圖2的結構。這裡描述的傳感器具有許多優點。事實上，其代表能夠在磁通門傳感器和具有磁 性集中器的霍爾傳感器的靈敏度範圍的集合上操作的設備，很大地擴展了合成的磁力計的 可能應用。磁性傳感器10能夠單獨被集成或與各自的電源/控制電路集成在同一晶片中。 圖8示出了，例如，磁力計40的框圖，其包括磁通門傳感器11、霍爾傳感器12、磁通門電源 /控制電路41和霍爾電源/控制電路42。在圖8的框圖中，虛線箭頭代表用於控制的可能 外部控制信號，如果需要的話，選擇性地開啟磁通門部分和/或霍爾部分。在這裡電路41， 42的輸出與磁力計的單個輸出43相連接。可替換地或另外，可以設想單獨的輸出。磁力計40具有多種可能的應用。例如，其可以用作電流計，如圖9中所示。事實 上，通過將導線44設置在磁力計40上或者磁力計40的下面，導線44可能被導航為垂直於 磁力計40的靈敏度軸45 (如果其具有單個靈敏度軸)，它能夠測量導線44中流過的電流 I，而沒有任何電阻損耗並且不中斷或幹擾導線44所屬的電路的操作。在這種情況下，磁力 計40的輸出能夠簡單地被連接到合適的顯示器(未示出)。磁力計40還能夠用作電子羅盤，例如，在具有導航功能的行動電話或者其它電子 設備中。在這種情況下，如圖10所示，具有導航功能的設備50可以包括磁力計40和微控 制器51，該微控制器51連接磁力計40和顯示器52，並且從外部通過特意提供的接口(圖 中沒有示出)接收控制信號。此外，進一步可能的應用包括，用於檢測生理參數(心跳、腦波、血壓等)的裝置， 位置檢測器(是線性的或者旋轉的，例如用於球形把手、光標、操縱杆等等，或者移動部件， 諸如活塞等)，液面指示器等等。最後，顯然能夠對這裡描述和圖示的磁性傳感器和相應的製造方法進行更改和變 化，而由此不脫離所附權利要求所限定的本發明的範圍。例如，即使圖2示出了包括兩個霍 爾效應單元的傳感器，其中每一個霍爾效應單元被布置在磁性區域13的各個端部，但是還 可以通過增加布置在磁性區域13的每個端部和/或中間位置的單元數目獲得傳感器。另 外，磁芯/集中器的形狀能夠與圖示的形狀不同；例如，磁通門傳感器能夠對於單個臂具有 單個靈敏度軸，和/或對於霍爾效應單元布置在磁性區域端部的下面，每個臂可以具有不 同的形狀；感測線圈的配置和數量可以不同；例如，可以提供單個感測線圈或不是在差分配置中的一對感測線圈。可替換地，可以提供在彼此之上垂直布置的兩個感測線圈，其中下 面的線圈用作反饋以增加線性度和靈敏度的範圍。
權利要求
一種磁性傳感器，包括磁通門傳感器(11)和霍爾傳感器(12)，其特徵在於所述磁通門傳感器(11)形成在絕緣層(20)中，所述絕緣層覆蓋在容納霍爾傳感器(12)的半導體材料的本體(14)上，所述磁通門傳感器與所述霍爾傳感器垂直地對齊並且集成在同一晶片(100)中。
2.根據權利要求1所述的磁性傳感器，其中磁通門傳感器(11)包括形成在絕緣層 (20)中的激勵線圈(23)、至少一個感測線圈(22a，22b)和磁芯(13)，以及霍爾傳感器(12) 包括容納在所述本體中的導電區域(19)和形成在絕緣層(20)中的磁性集中器(13)，所述 磁性傳感器包括形成所述磁芯和所述磁性集中器兩者的磁性區域(13)。
3.根據權利要求2所述的磁性傳感器，其中所述磁性區域(13)在所述絕緣層上延展， 在所述激勵線圈(23)、所述感測線圈(22a，22b)和所述導電區域的上方。
4.根據權利要求3所述的磁性傳感器，其中所述激勵線圈(23)和感測線圈(22a，22b) 形成在不同的金屬化層中，並且所述磁性區域(13)通過濺射沉積的鐵磁材料層形成。
5.根據權利要求3所述的磁性傳感器，其中所述磁性區域(13)具有伸長結構，該伸長 結構具有第一和第二端部，所述磁通門傳感器(11)包括第一和第二感測線圈(22a，22b)， 以及所述霍爾傳感器(12)包括第一和第二霍爾效應單元(12a，12b)，所述第一感測線圈和 所述第一霍爾效應單元垂直地被布置在所述第一端部下，並且所述第二感測線圈和所述第 二霍爾效應單元垂直地被布置在所述第二端部下。
6.一種製造磁性傳感器的方法，包括步驟 提供半導體材料的本體(14)；在本體中形成霍爾傳感器(12)； 在所述本體上形成絕緣層(20)；在所述絕緣層中形成磁通門傳感器(11)，其與霍爾傳感器垂直地對齊，從而霍爾傳感 器和磁通門傳感器集成在同一晶片(100)中。
7.根據權利要求6所述的方法，其中形成磁通門傳感器(11)和霍爾傳感器(12)的步 驟包括以下步驟在所述本體內形成導電區域(19)；在所述絕緣層中形成激勵線圈(23)和感測線圈(22a，2b)；以及 在所述絕緣層(20)上形成磁性區域(13)，在所述激勵和感測線圈的上方並且在所述 導電區域的上方，所述磁性區域形成用於所述磁通門傳感器的磁芯和用於所述霍爾傳感器 的磁性集中器。
8.根據權利要求7所述的方法，其中形成絕緣層、激勵線圈和感測線圈的步驟包括 沉積電介質層(26-27)；沉積金屬化層；定義所述金屬化層以獲得所述感測線圈(22a，2b)； 沉積隨後的電介質層(28)； 沉積隨後的金屬化層；定義所述隨後的金屬化層以獲得所述激勵線圈(23)； 沉積另外的電介質層(29)；以及 通過濺射沉積所述磁性區域(13)。
9.一種磁力計(40)，包括根據權利要求1所述的磁性傳感器(10)，並且包括磁通門傳 感器電源/控制電路(41)和霍爾傳感器電源/控制電路(42)。
10.根據權利要求9所述的磁力計，其中用於磁通門傳感器和霍爾傳感器的所述電源/ 控制電路(41，42)集成在所述晶片(100)中。
11.根據權利要求9所述的磁力計，其中磁通門傳感器電源/控制電路(41)和霍爾傳 感器電源/控制電路(42)具有各自不同的輸入端，其被配置以接收外部不同的控制信號。
12.一種電子裝置(50)，包括控制單元(51)、顯示器(52)和根據權利要求9所述的磁 力計(40)。
全文摘要
本發明涉及寬範圍磁性傳感器及其製造方法。一種磁性傳感器由集成在同一集成設備中的磁通門傳感器和至少一個霍爾傳感器形成，其中磁通門傳感器的磁芯由磁性區域形成，該磁性區域也操作為用於霍爾傳感器的集中器。磁性區域在後置加工階段中製造在金屬化層上，其中磁通門傳感器的激勵線圈和感測線圈被形成；激勵和感測線圈形成在容納霍爾傳感器的導電區域的半導體襯底上。
文檔編號G01R33/07GK101915899SQ20091025848
公開日2010年12月15日 申請日期2009年12月3日 優先權日2008年12月3日
發明者C·裡瓦, M·莫雷利, M·馬徹西 申請人:意法半導體股份有限公司