磁場傳感器和用於製造磁場傳感器的方法

2023-04-25 05:28:36 1

專利名稱：磁場傳感器和用於製造磁場傳感器的方法
技術領域：
本發明涉及一種根據權利要求1的前序部分的磁場傳感器。
背景技術：
這樣的微機械式磁場傳感器是廣泛公知的。例如由文獻DE 44 42 441A1和EP 1 052 519 Bl公知了所謂的「磁通門(Fluxgate) 」類型的磁場傳感器，其包括半導體襯底、激勵元件、兩個檢測線圈和一個磁芯。激勵元件在此分別包括激勵線圈，該激勵線圈以具有勵磁頻率的交流電運行，由此在磁芯中根據相同頻率的磁滯(B-H曲線)產生磁通量。磁芯包括鐵磁材料，其通過激勵元件周期性地帶入磁飽和中。磁飽和在此意味著，附加的外部場不產生磁芯中的磁通量的顯著增加。磁芯中的磁通量與磁導率和磁場的乘積成比例。因此磁導率在飽和區域中比較小，而其在磁滯過零點時比較大。由於磁導率的非線性，存在的待測量的外部磁場引起能夠藉助檢測線圈檢測的磁通量的失真。檢測線圈此外反向地圍繞磁芯布置，使得在檢測線圈中通過磁芯中的磁通量感應出的感應電流的和在沒有待測量的外部磁場時等於零。在存在待測量的外部磁場時，這些感應電流中的每個由於鐵磁性磁芯的非線性的磁導率而含有取決於外部磁場的勵磁頻率的不同諧波。感應電流的和因此不等於零並且是待測量的外部磁場的大小的量度。根據現有技術，激勵線圈包括線圈橫截面，該線圈橫截面垂直於該裝置的襯底的主延伸平面定向，其中，線圈橫截面被磁場中心地穿過。該裝置的缺點是，傳導磁通的結構不能以標準的CMOS工藝實施在該裝置中。由於在CMOS工藝中不常見的材料鎳和鐵，因此存在增加的汙染風險，使得該步驟在很多CMOS生產線中不能應用。此外根據現有技術公知了具有平行於主延伸平面的線圈橫截面的激勵線圈。由於該激勵線圈的平面型的結構方式，這種磁場傳感器的實現方式比較耗費空間並且由此耗費成本。

發明內容
根據並列權利要求的按本發明的磁場傳感器和按本發明的用於製造磁場傳感器的方法相對於現有技術具有優點，即能夠實現磁場傳感器的結構空間比較緊湊且由此成本比較高效的實現方式，其中，同時排除了在製造磁場傳感器時通過外來材料、尤其是在安裝磁芯時的汙染。按本發明的磁場傳感器由此能夠有利地以標準半導體製造工藝、尤其是以 CMOS工藝製造。這通過以下方式實現激勵線圈具有線圈橫截面，該線圈橫截面基本上垂直於襯底的主延伸平面定向，其中，磁芯在線圈橫截面的徑向上在線圈橫截面外部地優選布置在襯底上。這具有優點，即襯底中的電和電子結構的製造和尤其是襯底中的激勵線圈和/或檢測線圈的製造與磁芯在襯底上的布置無關地實現並且由此能夠以標準半導體製造方法、尤其是以CMOS工藝製造。在此排除了外來顆粒進入到襯底中。磁芯尤其是只有在襯底的熱封之後才布置在該襯底的表面上。術語「線圈橫截面」在本發明的意義上尤其包括激勵線圈的這樣一個面，該面垂直於由激勵線圈感應的磁場定向並且通過激勵線圈的繞組向外限界。儘管磁芯布置在激勵線圈的外部，通過激勵線圈仍以有利的方式在磁芯中感應出磁通量，其對於根據「磁通門」傳感器原理的傳感器裝置是可用的。襯底在每個任意的實施方式中優選包括半導體襯底和特別優選包括矽襯底。本發明的有利的設計方案和擴展構型能夠由從屬權利要求以及由參照附圖的說明得出。根據一種優選的實施方式規定，磁芯垂直於主延伸平面布置在線圈橫截面外部並且優選地布置在襯底的表面、優選外表面上。由此能夠以有利的方式實現磁場傳感器的比較簡單且節省成本的製造，其方式是在尤其是以標準CMOS工藝製造襯底中的電和電子結構之後磁芯簡單地布置在襯底上或者垂直於主延伸平面布置在激勵線圈上方。這優選地在單獨的製造方法中執行。表面在本發明的意義上尤其是包括襯底的平面型的面和/或襯底表面上的凹部，磁芯被安裝到該凹部中。根據一種優選的實施方式規定，襯底包括層狀結構，其中，激勵線圈包括多個正向線(Hinleiter)和多個反向線(Rilckleiter)，其中，所述多個正向線和多個反向線優選垂直於主延伸平面地布置在層狀結構的不同層中和/或布置在襯底的不同側上。由此特別有利的是，激勵線圈能夠以標準半導體製造方法製造，其中，正向線和反向線在不同的金屬化平面中實現，這些金屬化平面優選藉助電接觸元件，即所謂的「Vias」相互連接。這能夠實現磁場傳感器的比較成本有效的製造。反向線尤其是用於使多個正向線中的各個正向線相互導電地連接。特別優選地，多個正向線布置在襯底的背面上。由此以有利的方式使正向線和反向線之間的距離比較大，從而產生較大的電場。根據一種優選的實施方式規定，垂直於主延伸平面通過磁芯至少部分地覆蓋多個正向線。由此以有利的方式由激勵線圈和尤其是由通過正向線的電流在磁芯中產生磁通量。磁芯在此優選以交替方式以磁飽和運行並且由此可供根據「磁通門」原理的外部磁場檢測使用。根據一種優選的實施方式規定，垂直於主延伸平面將多個正向線基本上布置在磁芯和多個反向線之間。由此以有利的方式使磁芯和正向線之間的距離明顯小於磁芯和反向線之間的距離，從而由正向線在磁芯的位置上產生的磁通量明顯大於由反向線在磁芯的區域中產生的磁通量。合成的總磁通量由此通過由正向線產生的磁通量確定並且不等於零， 使得磁芯通過激勵線圈中的電流帶入磁飽和中。磁芯優選包括軟磁性材料和尤其包括鐵鎳合金。磁芯由此能夠比較簡單地磁化。根據一種優選的實施方式，磁場傳感器具有用於讀出磁芯中的磁通量的檢測線圈，其中，檢測線圈優選包括線圈橫截面，該線圈橫截面平行於和/或垂直於主延伸平面定向。檢測線圈優選相互反向地布置，使得由激勵線圈在磁芯中感應出的磁通量導致檢測線圈中的檢測電流，該檢測電流在沒有待測量的外部磁場時相互抵消。在存在待測量的外部磁場時，外部磁場的附加的矢量分量在檢測線圈中感應出合成信號，該合成信號與待測量的外部磁場成比例。檢測線圈的線圈橫截面或者平行於或者垂直於主延伸平面定向。由此有利地或者實現具有垂直於主延伸平面的線圈橫截面的檢測線圈的結構空間比較緊湊的布置，與在激勵線圈中類似，其中，磁芯尤其是布置在線圈橫截面外部；或者能夠實現在襯底表面上的比較簡單的線圈布置，其中，線圈橫截面在該情況下基本上平行於主延伸平面定向。檢測線圈通常構造成明顯小於激勵線圈，使得在平行於主延伸平面的線圈橫截面時附加地所需的結構空間比較小。
根據一種優選的實施方式規定，垂直於主延伸平面在正向線和反向線之間設置接觸元件和/或介電層。有利地，正向線和反向線通過接觸元件相互電接觸，其中，接觸元件尤其是包括所謂的「Vias」，其在半導體製造工藝中使不同的金屬化平面相互連接。介電層優選被設置用於使正向線與線圈橫截面中的相應反向線相互電絕緣。介電層尤其包括氧化層，該氧化層根據標準以半導體製造工藝布置在不同的金屬化平面之間。由此有利地，激勵線圈的比較成本有利的製造能夠以標準半導體製造方法實現。本發明的另一個主題是用於製造磁場傳感器的方法，其中，在第一製造步驟中提供襯底，在第二製造步驟中在襯底中製造激勵線圈並且在第三製造步驟中將磁芯在線圈橫截面的徑向方向上布置在線圈橫截面的外部。因此與現有技術相比，能夠實現結構空間比較緊湊的磁場傳感器的明顯成本更有利的製造。這通過以下方式實現第一和第二製造步驟能夠以標準半導體製造工藝、尤其是以標準CMOS工藝實現，使得僅僅在第三製造步驟中需要附加的方法，在附加的方法中僅僅必須將磁芯在激勵線圈的區域中布置在襯底上。尤其地，磁芯的布置在激勵線圈的製造期間不是必須的，從而防止了半導體材料被磁芯材料汙染。儘管磁芯布置在激勵線圈外部，通過激勵線圈仍有利地在磁芯中感應出對於根據「磁通門，，傳感器元件的傳感器裝置可用的磁通量。根據一種優選的實施方式規定，在第三製造步驟中將磁芯垂直於主延伸平面布置在線圈橫截面外部並且優選布置在襯底的表面、尤其外表面上，使得第三製造步驟能夠相對簡單且成本低廉地執行。根據一種優選實施方式規定，在第二製造步驟的第一分步驟中產生多個反向線， 在第二製造步驟的第二分步驟中產生多個正向線和/或在第二製造步驟的第三分步驟中在所述襯底中產生多個接觸元件和/或多個介電層。該第三分步驟在此優選在第一分步驟或第二分步驟之前、期間和/或之後執行。特別優選地，第一、第二和/或第三分步驟被多次執行。激勵線圈以有利的方式由此能夠在標準半導體製造工藝中製造，其中，先後在襯底上沉積不同的金屬化層。在下面的金屬化平面中在此在第一分步驟的範圍內產生多個反向線，這些反向線分別相互電絕緣。在稍後的第二分步驟中然後在襯底上沉積一個另外的金屬化平面，在該另外的金屬化平面中產生多個正向線。正向線在此相互電絕緣。布置在不同的金屬化平面中的反向線和正向線以有利的方式通過接觸元件、即所謂的Vias導電地相互連接。在激勵線圈的內部中，反向線和相應的正向線通過介電層相互電絕緣。在變換的實施方式中規定，在第二製造步驟期間也製造磁場傳感器的檢測線圈。


本發明的實施例在附圖中示出並且在下面的說明書中詳細描述。圖1示出根據本發明的示例性實施方式的磁場傳感器的示意性剖視圖；圖2示出根據本發明的示例性實施方式的磁場傳感器的示意性俯視圖；圖3示出根據本發明的示例性實施方式的磁場傳感器的激勵線圈和磁芯的示意性側視圖。在不同的圖中相同的部件始終用相同的附圖標記表示並且因此同樣也分別僅命名或提到一次。
具體實施例方式圖1示出根據本發明的示例性實施方式的磁場傳感器1的示意性剖視圖。該磁場傳感器1包括襯底2，在襯底中布置激勵線圈4，優選半導體襯底和特別優選矽襯底。激勵線圈4具有線圈橫截面4』，該線圈橫截面垂直於襯底2的主延伸平面100定向並且被激勵線圈4的繞組限定。在激勵線圈4的區域中，在襯底2的表面2』上這樣地布置磁芯3，使得磁芯3在線圈橫截面4』的徑向方向上位於線圈橫截面4』外部。激勵線圈4包括正向線5 和反向線6，它們藉助接觸元件7導電地相互連接。正向線5和磁芯3之間的垂直於主延伸平面100的距離明顯小於反向線6和磁芯3之間的垂直於主延伸平面100的距離，因為正向線5基本上垂直於主延伸平面100地布置在磁芯3和反向線6之間。在電流流過激勵線圈4時，在磁芯3中一次通過正向線5產生磁通量並且一次通過反向線6產生磁通量。因為正向線5和磁芯3之間的距離明顯更小，所以在流過正向線5和反向線6的電流相同時， 由正向線5在磁芯3中感應出的磁通量明顯大於由反向線6在磁芯3中產生的磁通量。流過激勵線圈4的電流由此在磁芯3中產生合成的磁通量，由此磁芯3尤其是在磁飽和中運行並且對於根據「磁通門」傳感器原理(也稱為福斯特探針)的傳感器裝置是可用的。激勵線圈4安裝在襯底2中的多層狀結構中。襯底2為此包括晶片10，在該晶片上沉積第一氧化層11。在第二製造步驟的第一分步驟中，在第一氧化層11上沉積第一金屬化平面，在該第一金屬化平面中製造多個反向線6，其中，所述多個反向線6相互電絕緣。在第一金屬化平面上沉積介電層12、13並且在介電層12、13內部沉積接觸元件7。在第二製造步驟的第二分步驟中沉積第二金屬化平面，在該第二金屬化平面中產生多個正向線5。所述多個正向線5中的正向線5又相互電絕緣。在第二金屬化平面上沉積一個另外的介電層14。所述介電層12、13和另外的介電層14優選包括氧化物並且特別優選包括二氧化矽。所述多個反向線6和所述多個正向線5優選包括金屬。反向線6和正向線5藉助接觸元件7、即所謂的「Vias」導電地相互連接，使得在襯底2中實現激勵線圈4，該激勵線圈平行於主延伸平面 100在襯底2中延伸。優選地規定，磁場傳感器1包括檢測線圈，該檢測線圈在圖1中未示出並且被設置用於檢測在磁芯3中通過待測量的外部場、例如地球磁場或者檢測體發出的磁場產生的磁通量。檢測線圈優選包括線圈橫截面，該線圈橫截面或者平行於或者垂直於主延伸平面100定向。磁場傳感器1與現有技術相比尤其是能夠以標準半導體製造方法和尤其是以CMOS工藝製造。在圖2中示出根據本發明的第一實施方式的磁場傳感器1的示意性俯視圖，其中在圖2中示出在圖1中所示的磁場傳感器1的沿著箭頭101的俯視圖。出於清楚的考慮， 圖2在此僅僅示出所示多個正向線5、多個反向線6、接觸元件7和磁芯3。正向線5基本上相互平行地定向並且相互間隔開。在正向線5的平面中，不同的正向線5分別相互電絕緣，而在反向線6的平面中，各個反向線6相互電絕緣。正向線5分別通過接觸元件7與相應的反向線6電連接。在此，正向線5的各一個端部與一個反向線6連接，而該正向線5的另一個端部與另一個反向線6連接。垂直於主延伸平面100至少部分地覆蓋正向線5和反向線6的磁芯3作為虛線示意性地被示出。箭頭102代表由正向線5產生的磁通量，其大於通過箭頭103代表的源於反向線6的磁通量。這通過不同的箭頭大小102、103表明。在磁芯3中產生的磁通密度由此主要通過正向線5感應出來，而反向線6主要用於激勵線圈 4的線圈布線。
在圖3中示出根據本發明第一實施方式的磁場傳感器1的反向線6、正向線5、接觸元件7和磁芯3的示意性側視圖。圖3此外示出通過反向線6中的電流產生的磁通密度 50和通過經過正向線5的電流產生的磁通密度51。磁通密度比較強烈地取決於到傳導電流的導線的距離。由正向線5在磁芯3中產生的磁通密度由此明顯大於由反向線6在磁芯 3中產生的磁通密度，使得反向線6和正向線5的磁通密度不相互補償，並且由此在磁芯3 中產生淨磁通密度，該淨磁通密度對於磁場傳感器1的根據「磁通門」傳感器原理的傳感器功能是可用的。
權利要求
1.磁場傳感器(1)，其包括襯底(2)和磁芯(3)，其中，所述襯底(2)具有用於在所述磁芯(3)中產生磁通量的激勵線圈(4)並且所述激勵線圈(4)具有線圈橫截面(4』)，該線圈橫截面基本上垂直於所述襯底(2)的主延伸平面(100)定向，其特徵在於，所述磁芯(3) 在所述線圈橫截面(4』 )的徑向方向上布置在所述線圈橫截面(4』 )外部。
2.根據權利要求1的磁場傳感器(1)，其特徵在於，所述磁芯(3)垂直於所述主延伸平面(100)地布置在所述線圈橫截面(4』)外部並且優選布置在所述襯底(2)的表面、尤其外表面(2，)上。
3.根據以上權利要求中任一項的磁場傳感器(1)，其特徵在於，所述襯底(2)包括層狀結構，其中，所述激勵線圈(4)包括多個正向線(5)和多個反向線(6)，其中，所述多個正向線(5)和所述多個反向線(6)優選垂直於所述主延伸平面(100)地布置在所述層狀結構的不同層中和/或布置在所述襯底(2)的不同側上。
4.根據以上權利要求中任一項的磁場傳感器(1)，其特徵在於，垂直於所述主延伸平面(100)地通過所述磁芯(3)至少部分地覆蓋所述多個正向線(5)。
5.根據以上權利要求中任一項的磁場傳感器(1)，其特徵在於，垂直於所述主延伸平面(100)地將所述多個正向線(5)基本上布置在所述磁芯(3)和所述多個反向線(6)之間。
6.根據以上權利要求中任一項的磁場傳感器(1)，其特徵在於，所述磁場傳感器(1)具有用於檢測所述磁芯(3)中的磁通量的檢測線圈，其中，所述檢測線圈優選具有檢測線圈橫截面，該檢測線圈橫截面平行於和/或垂直於所述主延伸平面(100)定向。
7.根據以上權利要求中任一項的磁場傳感器(1)，其特徵在於，垂直於所述主延伸平面(100)地在所述正向線(5)和所述反向線(6)之間布置接觸元件(7)和/或介電層(8)。
8.用於製造根據權利要求1或根據權利要求1前序部分的磁場傳感器(1)的方法，其特徵在於，在第一製造步驟中提供襯底(2)，在第二製造步驟中在所述襯底(2)中製造激勵線圈(4)，和在第三製造步驟中將磁芯(3)在線圈橫截面(4』)的徑向方向上布置在所述線圈橫截面(4』 )外部。
9.根據權利要求8的方法，其特徵在於，在第三製造步驟中將所述磁芯(3)垂直於所述主延伸平面(100)地布置在所述線圈橫截面(4』 )外部並且優選布置在所述襯底(2)的表面、尤其外表面上。
10.根據權利要求9的方法，其特徵在於，在第二製造步驟的第一分步驟中產生多個反向線(6)，在第二製造步驟的第二分步驟中產生多個正向線(5)和/或在第二製造步驟的第三分步驟中在所述襯底(2)中產生多個接觸元件(7)和/或多個介電層(8)。
全文摘要
本發明涉及一種包括襯底和磁芯的磁場傳感器，其中，所述襯底具有用於在所述磁芯中產生磁通量的激勵線圈並且所述激勵線圈具有線圈橫截面，該線圈橫截面基本上垂直於所述襯底的主延伸平面定向，此外所述磁芯布置在所述線圈橫截面外部。
文檔編號G01R33/04GK102483445SQ201080037050
公開日2012年5月30日 申請日期2010年7月26日 優先權日2009年8月21日
發明者A·法伊, F·沙茨, T·富克斯 申請人:羅伯特·博世有限公司