CN101915899B - 宽范围磁性传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及宽范围磁性传感器及其制造方法。一种磁性传感器由集成在同一集成设备中的磁通门传感器和至少一个霍尔传感器形成，其中磁通门传感器的磁芯由磁性区域形成，该磁性区域也操作为用于霍尔传感器的集中器。磁性区域在后置加工阶段中制造在金属化层上，其中磁通门传感器的激励线圈和感测线圈被形成；激励和感测线圈形成在容纳霍尔传感器的导电区域的半导体衬底上。

Description

宽范围磁性传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及宽范围磁性传感器及相应制造方法。
背景技术
在能够检测低强度磁场的高灵敏度磁场传感器中，称为磁通门传感器(fluxgatesensor)的磁性传感器提供成本和性能之间最佳的折衷(参见，例如，US6,404,192中描述的平面磁通门传感器)。在实践中，平面磁通门传感器包括通常伸长形的磁芯，覆盖在激励线圈上面。通过给激励线圈提供合适的交流激励电流，有可能使磁芯进入一系列磁饱和周期中。外部场的感测通过通常设置在磁芯端部下面的一对感测线圈来获得。
为了更好的理解，参考图1，其示出了上述美国专利中描述的类型的具有两个灵敏度轴的磁通门传感器1。磁通门传感器1包括覆盖在四个感测线圈3a，3b，3c和3d上面和在磁芯4下面的激励线圈2。详细地，激励线圈2通常是方形并且磁芯4是十字形，其包括彼此垂直的第一臂4a和第二臂4b。感测线圈3a-3d成对设置，垂直轴在磁芯4的臂4a，4b的端部附近通过，感测线圈3a，3b彼此对齐并且平行于激励线圈2的第一对角线和第一臂4a的轴，感测线圈3c，3d彼此对齐并且平行于激励线圈2的第二对角线和第二臂4b的轴。
最初只考虑第一臂4a和感测线圈3a，3b，如果向激励线圈供应适当的激励电流，该激励电流能够引起磁性材料在适当频率上的饱和，则第一臂4a的两半以反方向被磁化，如图1中箭头7所示。当不存在施加的外部磁场时，如果两个感测线圈3a，3b以差分配置被连接的话，那么这两个感测线圈3a，3b经历两个相等的零感应电压。
相反的，如果施加外部磁场(图1中的箭头H)，则第一臂4a的第一半(在所示的情况中，图中的左半部分)以与外部磁场M相同的方向被磁化，因此放大了其自己的总磁化强度(magnetization)，然而第一臂4a的第二半(在这，图中的右半部分)以相反的方向被磁化并且其总磁化强度被减小。由此看出，感测线圈3a，3b的差分电压是非零的并且通过外部磁场M的强度对其调幅。
磁芯的第二臂4b的存在使得能够检测方向垂直于外部磁场M的磁场并且在磁性传感器1的上面给予两个灵敏度轴。
利用磁通门技术，可以提供能够测量直流或缓慢变化的磁场的传感器，该磁场的强度包括在几μG和几G之间，具有nG级的高分辨率。在动态范围和分辨率方面，磁通门设备介于霍尔效应磁场传感器(其一般能够检测在10G和106G之间的场)和SQUID(超导量子干涉设备，其一般能够检测包括在10-10G和10-5G之间的场)之间。
对于低磁场值，磁通门传感器优于霍尔效应传感器，这是由于其更好的性能，并且由于它的低成本和低负担，与SQUID传感器比较时其发现更广泛的应用。因此，磁通门传感器能够在便携式系统或非便携式系统中发现应用，其中霍尔传感器不具有足够的灵敏度。
然而，为了在霍尔传感器的制造技术上继续开发广知识，存在一些解决方案，其中试图扩展霍尔传感器的灵敏度到磁通门传感器的范围，另外，开发磁性材料的霍尔传感器(或者集中器(concentrator)，参见，例如US6,545,462；US6,184,679和US7,235,968)。
但是，这些解决方案仍然不能够实现与通过磁通门传感器获得的相同性能。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种克服已知传感器的限制的磁性传感器。
根据本发明，提供一种磁性传感器，包括磁通门传感器和霍尔传感器，其特征在于磁通门传感器形成在绝缘层中，绝缘层覆盖在容纳霍尔传感器的半导体材料的本体上，磁通门传感器与霍尔传感器垂直地对齐并且集成在同一芯片中。
根据本发明，还提供一种制造磁性传感器的方法，包括步骤：
提供半导体材料的本体；
在本体中形成霍尔传感器；
在所述本体上形成绝缘层；
在所述绝缘层中形成磁通门传感器，其与霍尔传感器垂直地对齐，从而霍尔传感器和磁通门传感器集成在同一芯片中。
在实践中，现在的传感器由磁通门传感器和具有集中器的霍尔传感器叠加形成的，并且磁通门传感器的磁芯也形成用于霍尔效应传感器的集中器。
附图说明
为了更好的理解本发明，现在参考附图仅仅通过非限制性的例子来描述其实施例，其中：
-图1是具有两个灵敏度轴的磁通门传感器的透视俯视图；
-图2是根据本发明的磁性传感器的实施例的剖视图；
-图3-7是在连续制造步骤中穿过现在磁性传感器的剖视图；
-图8示出了包括图2的磁性传感器的磁力计的框图；
-图9示出了图7的磁力计的可能应用；以及
-图10示出了包括图7的磁力计的电子装置的框图。
具体实施方式
图2示出了磁性传感器10的一种可能实施例，其使用CMOS技术获得并且包括磁通门传感器11和霍尔传感器12。
磁通门传感器11例如被获得作为图1的磁通门传感器并且包括具有十字形的磁性区域13，该磁性区域13既形成磁通门传感器的磁芯又形成了用于霍尔传感器12的集中器。在图示的实例中，霍尔传感器12由四个霍尔效应单元形成，两个用于形成磁性集中器的磁性区域13的每个臂。在附图中，只有两个霍尔效应单元12a，12b是可见的，设置在磁性区域13的第一臂的下面，相应于图1的第一臂4a。另两个霍尔效应单元(不可见)设置在磁性区域13的第二臂的下面，相应于图1的第二臂4b。所有的霍尔效应单元(单元12a，12b和不可见的单元)被集成在单个芯片100中。
详细地，在图2的实施例中，半导体材料的本体14包括P-型衬底15和N-型外延层16。外延层16收容了通过P-型绝缘区域17彼此分离的霍尔效应单元12a，12b，其界定了容纳N+型导电区域19以及另外导电感测区域的活动区域18(active region)。另外，外延层16还可以，在未示出的某种程度上，收容形成传感器11，12的电源/控制电路的另外部件和/或收容与磁性传感器10功能上相关联的另外电路。
绝缘材料层20在本体14上延展并且其通过在彼此之上设置的多个层和嵌入磁通门传感器11而形成。特别地，磁通门传感器11由三个金属化层和磁性区域13形成。详细地，第一金属化层形成连接线21，第二金属化层形成感测线圈(这里只有两个是可见的，标示为22a和22b)，以及第三金属化层形成激励线圈23。
连接线21通过插头(未图示)连接到感测线圈22a，22b并且使其能够电连接到电源/控制电路(未示出)，例如，该电路集成在外延层16中。相似的连接线(未示出)可以使激励线圈2能够连接到各自的电源/控制电路。
磁性区域13由具有以下特征的铁磁材料制成：
-低的饱和磁化强度Bsat值，以致需要低能量使材料进入饱和；例如，Bsat的值可以大约为0.5T；
-高的磁导率值，直到集成了磁性传感器10的设备的操作频率；例如，相对磁导率μr在100kHZ可以等于35,000。
特别地，如果磁性区域13由NiFe(坡莫镍铁合金(permalloy))制成，则其具有1T的饱和磁化强度Bsat和在500MHZ大约3,500的相对磁导率。可替换地，可以使用NiFeMo或其他适合的专用磁合金。
钝化层25在磁性区域13上延展。
在实际中，在磁通门传感器11的下面霍尔传感器12的存在能够利用磁性区域13测量磁场，该磁场具有比磁通门传感器11的灵敏度范围的上限高的强度，扩展了合成的磁力计(resulting magnetometer)的灵敏度。
事实上，众所周知，霍尔效应单元12的操作基于在横穿导电区域19的方向延展的各对导电区域之间的霍尔电压的检测，作为在导电区域19自身之间流过的电流和与该电流垂直并且在所考虑的情况下与本体14的表面垂直的外部磁场之间的交互作用的结果。磁场区域13在此作为集中器并且具有修改与本体14的表面平行或共面的外部磁场的磁通线的目的，以便除了提供放大之外磁通线垂直横穿布置在磁性区域13端部下面的霍尔效应单元12。这样，与本体14的表面平行或共面的磁场变得可被霍尔效应单元12检测，正如，例如，ChristianShott等人在“A CMOS Single-Chip Electronic Compass with Microcontroller”，2007IEEE International Solid-State Circuit Conference，ISSCC 2007/SESSION21/SENSORS AND MEMS/21.2中描述的。
图2的磁性传感器10被制造，正如如下所述。
最初(图3)，结点N和P要形成绝缘区域17、导电区域19、和磁性传感器10设想的可能其他区域，结点N和P以本身已知的方式被植入并散布在外延层16中。
然后(图4)，第一电介质层26被沉积；形成插头(未图示；例如，它们可能是金属的)以接触形成在本体14中的导电区域，特别是导电区域19；第一金属层被沉积和限定用于提供连接线21以及可能进一步提供该设备所设想的第一层连接；第二电介质层27被沉积，并且形成插头(未图示；例如，它们可能是金属的)以接触连接线21。
接下来(图5)，第二金属层被沉积并限定用于提供感测线圈22a，22b以及可能进一步提供第二层金属连接区域；第三电介质层28被沉积，并且形成插头(未图示；例如，它们可能是金属的)以接触激励线圈23。
然后(图6)，第三金属层被沉积并限定以获得激励线圈23，以及第四电介质层29被沉积。
接下来(图7)，通过后置加工(post-machining)处理，要形成磁性区域13的磁性材料被沉积。
磁性材料通过溅射被沉积以便获得大约1-5μm的典型厚度。溅射技术(参见，例如，Andrea Baschirotto等人的”An integrated microFluxgate sensor with sputteredferromagnetic core”，IMTC 06)，使得能够提供具有指定厚度的非晶薄膜，以便与使用其他技术(例如，通过电镀)沉积的更厚层相比较，需要比较低的能量消耗以饱和。
最后，沉积的铁磁层被限定以便具有十字形，以及钝化层25被沉积以覆盖磁性区域13，以便获得图2的结构。
这里描述的传感器具有许多优点。事实上，其代表能够在磁通门传感器和具有磁性集中器的霍尔传感器的灵敏度范围的集合上操作的设备，很大地扩展了合成的磁力计的可能应用。
磁性传感器10能够单独被集成或与各自的电源/控制电路集成在同一芯片中。图8示出了，例如，磁力计40的框图，其包括磁通门传感器11、霍尔传感器12、磁通门电源/控制电路41和霍尔电源/控制电路42。在图8的框图中，虚线箭头代表用于控制的可能外部控制信号，如果需要的话，选择性地开启磁通门部分和/或霍尔部分。在这里电路41，42的输出与磁力计的单个输出43相连接。可替换地或另外，可以设想单独的输出。
磁力计40具有多种可能的应用。例如，其可以用作电流计，如图9中所示。事实上，通过将导线44设置在磁力计40上或者磁力计40的下面，导线44可能被导航为垂直于磁力计40的灵敏度轴45(如果其具有单个灵敏度轴)，它能够测量导线44中流过的电流I，而没有任何电阻损耗并且不中断或干扰导线44所属的电路的操作。在这种情况下，磁力计40的输出能够简单地被连接到合适的显示器(未示出)。
磁力计40还能够用作电子罗盘，例如，在具有导航功能的移动电话或者其它电子设备中。在这种情况下，如图10所示，具有导航功能的设备50可以包括磁力计40和微控制器51，该微控制器51连接磁力计40和显示器52，并且从外部通过特意提供的接口(图中没有示出)接收控制信号。
此外，进一步可能的应用包括，用于检测生理参数(心跳、脑波、血压等)的装置，位置检测器(是线性的或者旋转的，例如用于球形把手、光标、操纵杆等等，或者移动部件，诸如活塞等)，液面指示器等等。
最后，显然能够对这里描述和图示的磁性传感器和相应的制造方法进行更改和变化，而由此不脱离所附权利要求所限定的本发明的范围。例如，即使图2示出了包括两个霍尔效应单元的传感器，其中每一个霍尔效应单元被布置在磁性区域13的各个端部，但是还可以通过增加布置在磁性区域13的每个端部和/或中间位置的单元数目获得传感器。另外，磁芯/集中器的形状能够与图示的形状不同；例如，磁通门传感器能够对于单个臂具有单个灵敏度轴，和/或对于霍尔效应单元布置在磁性区域端部的下面，每个臂可以具有不同的形状；感测线圈的配置和数量可以不同；例如，可以提供单个感测线圈或不是在差分配置中的一对感测线圈。可替换地，可以提供在彼此之上垂直布置的两个感测线圈，其中下面的线圈用作反馈以增加线性度和灵敏度的范围。

Claims (10)

1.一种磁性传感器，包括磁通门传感器(11)和霍尔传感器(12)，其特征在于所述磁通门传感器(11)形成在绝缘层(20)中，所述绝缘层覆盖在容纳霍尔传感器(12)的半导体材料的本体(14)上，所述磁通门传感器与所述霍尔传感器垂直地对齐并且集成在同一芯片(100)中，所述磁通门传感器包括既形成所述磁通门传感器的磁芯又形成所述霍尔传感器的集中器的磁性区域，并且所述磁性区域作为集中器，
其中磁通门传感器(11)包括形成在绝缘层(20)中的激励线圈(23)、至少一个感测线圈(22a，22b)和磁芯(13)，
其中所述磁性区域(13)在所述绝缘层上延展，在所述激励线圈(23)、所述感测线圈(22a，22b)和容纳在所述本体中的导电区域(19)的上方，
其中所述磁性区域(13)具有伸长结构，该伸长结构具有第一和第二端部，所述磁通门传感器(11)包括第一和第二感测线圈(22a，22b)，以及所述霍尔传感器(12)包括第一和第二霍尔效应单元(12a，12b)，所述第一感测线圈和所述第一霍尔效应单元垂直地被布置在所述第一端部下，并且所述第二感测线圈和所述第二霍尔效应单元垂直地被布置在所述第二端部下。
2.根据权利要求1所述的磁性传感器，其中霍尔传感器(12)包括所述导电区域和形成在绝缘层(20)中的磁性集中器(13)。
3.根据权利要求1所述的磁性传感器，其中所述激励线圈(23)和感测线圈(22a，22b)形成在不同的金属化层中，并且所述磁性区域(13)通过溅射沉积的铁磁材料层形成。
4.一种制造磁性传感器的方法，包括步骤：
提供半导体材料的本体(14)；
在本体中形成霍尔传感器(12)；
在所述本体上形成绝缘层(20)；
在所述绝缘层中形成磁通门传感器(11)，其与霍尔传感器垂直地对齐，从而霍尔传感器和磁通门传感器集成在同一芯片(100)中，所述磁通门传感器包括既形成所述磁通门传感器的磁芯又形成所述霍尔传感器的集中器的磁性区域，并且所述磁性区域作为集中器，
其中磁通门传感器(11)包括形成在绝缘层(20)中的激励线圈(23)、至少一个感测线圈(22a，22b)和磁芯(13)，
其中所述磁性区域(13)在所述绝缘层上延展，在所述激励线圈(23)、所述感测线圈(22a，22b)和容纳在所述本体中的导电区域(19)的上方，
其中所述磁性区域(13)具有伸长结构，该伸长结构具有第一和第二端部，所述磁通门传感器(11)包括第一和第二感测线圈(22a，22b)，以及所述霍尔传感器(12)包括第一和第二霍尔效应单元(12a，12b)，所述第一感测线圈和所述第一霍尔效应单元垂直地被布置在所述第一端部下，并且所述第二感测线圈和所述第二霍尔效应单元垂直地被布置在所述第二端部下。
5.根据权利要求4所述的方法，其中形成磁通门传感器(11)和霍尔传感器(12)的步骤包括以下步骤：
在所述本体内形成所述导电区域；
在所述绝缘层中形成激励线圈(23)和感测线圈(22a，22b)；以及
在所述绝缘层(20)上形成磁性区域(13)，在所述激励和感测线圈的上方并且在所述导电区域的上方。
6.根据权利要求5所述的方法，其中形成绝缘层、激励线圈和感测线圈的步骤包括：
沉积电介质层(26-27)；
沉积金属化层；
定义所述金属化层以获得所述感测线圈(22a，22b)；
沉积随后的电介质层(28)；
沉积随后的金属化层；
定义所述随后的金属化层以获得所述激励线圈(23)；
沉积另外的电介质层(29)；以及
通过溅射沉积所述磁性区域(13)。
7.一种磁力计(40)，包括根据权利要求1所述的磁性传感器(10)，并且包括磁通门传感器电源/控制电路(41)和霍尔传感器电源/控制电路(42)。
8.根据权利要求7所述的磁力计，其中用于磁通门传感器和霍尔传感器的所述电源/控制电路(41，42)集成在所述芯片(100)中。
9.根据权利要求7所述的磁力计，其中磁通门传感器电源/控制电路(41)和霍尔传感器电源/控制电路(42)具有各自不同的输入端，其被配置以接收外部不同的控制信号。
10.一种电子装置(50)，包括控制单元(51)、显示器(52)和根据权利要求7所述的磁力计(40)。
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