CN102483445A - 磁场传感器和用于制造磁场传感器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括衬底和磁芯的磁场传感器，其中，所述衬底具有用于在所述磁芯中产生磁通量的激励线圈并且所述激励线圈具有线圈横截面，该线圈横截面基本上垂直于所述衬底的主延伸平面定向，此外所述磁芯布置在所述线圈横截面外部。

Description

磁场传感器和用于制造磁场传感器的方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的磁场传感器。
背景技术
这样的微机械式磁场传感器是广泛公知的。例如由文献DE 44 42 441A1和EP 1 052 519 B1公知了所谓的“磁通门(Fluxgate)”类型的磁场传感器，其包括半导体衬底、激励元件、两个检测线圈和一个磁芯。激励元件在此分别包括激励线圈，该激励线圈以具有励磁频率的交流电运行，由此在磁芯中根据相同频率的磁滞(B-H曲线)产生磁通量。磁芯包括铁磁材料，其通过激励元件周期性地带入磁饱和中。磁饱和在此意味着，附加的外部场不产生磁芯中的磁通量的显著增加。磁芯中的磁通量与磁导率和磁场的乘积成比例。因此磁导率在饱和区域中比较小，而其在磁滞过零点时比较大。由于磁导率的非线性，存在的待测量的外部磁场引起能够借助检测线圈检测的磁通量的失真。检测线圈此外反向地围绕磁芯布置，使得在检测线圈中通过磁芯中的磁通量感应出的感应电流的和在没有待测量的外部磁场时等于零。在存在待测量的外部磁场时，这些感应电流中的每个由于铁磁性磁芯的非线性的磁导率而含有取决于外部磁场的励磁频率的不同谐波。感应电流的和因此不等于零并且是待测量的外部磁场的大小的量度。根据现有技术，激励线圈包括线圈横截面，该线圈横截面垂直于该装置的衬底的主延伸平面定向，其中，线圈横截面被磁场中心地穿过。该装置的缺点是，传导磁通的结构不能以标准的CMOS工艺实施在该装置中。由于在CMOS工艺中不常见的材料镍和铁，因此存在增加的污染风险，使得该步骤在很多CMOS生产线中不能应用。此外根据现有技术公知了具有平行于主延伸平面的线圈横截面的激励线圈。由于该激励线圈的平面型的结构方式，这种磁场传感器的实现方式比较耗费空间并且由此耗费成本。
发明内容
根据并列权利要求的按本发明的磁场传感器和按本发明的用于制造磁场传感器的方法相对于现有技术具有优点，即能够实现磁场传感器的结构空间比较紧凑且由此成本比较高效的实现方式，其中，同时排除了在制造磁场传感器时通过外来材料、尤其是在安装磁芯时的污染。按本发明的磁场传感器由此能够有利地以标准半导体制造工艺、尤其是以CMOS工艺制造。这通过以下方式实现：激励线圈具有线圈横截面，该线圈横截面基本上垂直于衬底的主延伸平面定向，其中，磁芯在线圈横截面的径向上在线圈横截面外部地优选布置在衬底上。这具有优点，即衬底中的电和电子结构的制造和尤其是衬底中的激励线圈和/或检测线圈的制造与磁芯在衬底上的布置无关地实现并且由此能够以标准半导体制造方法、尤其是以CMOS工艺制造。在此排除了外来颗粒进入到衬底中。磁芯尤其是只有在衬底的热封之后才布置在该衬底的表面上。术语“线圈横截面”在本发明的意义上尤其包括激励线圈的这样一个面，该面垂直于由激励线圈感应的磁场定向并且通过激励线圈的绕组向外限界。尽管磁芯布置在激励线圈的外部，通过激励线圈仍以有利的方式在磁芯中感应出磁通量，其对于根据“磁通门”传感器原理的传感器装置是可用的。衬底在每个任意的实施方式中优选包括半导体衬底和特别优选包括硅衬底。
本发明的有利的设计方案和扩展构型能够由从属权利要求以及由参照附图的说明得出。
根据一种优选的实施方式规定，磁芯垂直于主延伸平面布置在线圈横截面外部并且优选地布置在衬底的表面、优选外表面上。由此能够以有利的方式实现磁场传感器的比较简单且节省成本的制造，其方式是在尤其是以标准CMOS工艺制造衬底中的电和电子结构之后磁芯简单地布置在衬底上或者垂直于主延伸平面布置在激励线圈上方。这优选地在单独的制造方法中执行。表面在本发明的意义上尤其是包括衬底的平面型的面和/或衬底表面上的凹部，磁芯被安装到该凹部中。
根据一种优选的实施方式规定，衬底包括层状结构，其中，激励线圈包括多个正向线(Hinleiter)和多个反向线(Rückleiter)，其中，所述多个正向线和多个反向线优选垂直于主延伸平面地布置在层状结构的不同层中和/或布置在衬底的不同侧上。由此特别有利的是，激励线圈能够以标准半导体制造方法制造，其中，正向线和反向线在不同的金属化平面中实现，这些金属化平面优选借助电接触元件，即所谓的“Vias”相互连接。这能够实现磁场传感器的比较成本有效的制造。反向线尤其是用于使多个正向线中的各个正向线相互导电地连接。特别优选地，多个正向线布置在衬底的背面上。由此以有利的方式使正向线和反向线之间的距离比较大，从而产生较大的电场。
根据一种优选的实施方式规定，垂直于主延伸平面通过磁芯至少部分地覆盖多个正向线。由此以有利的方式由激励线圈和尤其是由通过正向线的电流在磁芯中产生磁通量。磁芯在此优选以交替方式以磁饱和运行并且由此可供根据“磁通门”原理的外部磁场检测使用。
根据一种优选的实施方式规定，垂直于主延伸平面将多个正向线基本上布置在磁芯和多个反向线之间。由此以有利的方式使磁芯和正向线之间的距离明显小于磁芯和反向线之间的距离，从而由正向线在磁芯的位置上产生的磁通量明显大于由反向线在磁芯的区域中产生的磁通量。合成的总磁通量由此通过由正向线产生的磁通量确定并且不等于零，使得磁芯通过激励线圈中的电流带入磁饱和中。磁芯优选包括软磁性材料和尤其包括铁镍合金。磁芯由此能够比较简单地磁化。
根据一种优选的实施方式，磁场传感器具有用于读出磁芯中的磁通量的检测线圈，其中，检测线圈优选包括线圈横截面，该线圈横截面平行于和/或垂直于主延伸平面定向。检测线圈优选相互反向地布置，使得由激励线圈在磁芯中感应出的磁通量导致检测线圈中的检测电流，该检测电流在没有待测量的外部磁场时相互抵消。在存在待测量的外部磁场时，外部磁场的附加的矢量分量在检测线圈中感应出合成信号，该合成信号与待测量的外部磁场成比例。检测线圈的线圈横截面或者平行于或者垂直于主延伸平面定向。由此有利地或者实现具有垂直于主延伸平面的线圈横截面的检测线圈的结构空间比较紧凑的布置，与在激励线圈中类似，其中，磁芯尤其是布置在线圈横截面外部；或者能够实现在衬底表面上的比较简单的线圈布置，其中，线圈横截面在该情况下基本上平行于主延伸平面定向。检测线圈通常构造成明显小于激励线圈，使得在平行于主延伸平面的线圈横截面时附加地所需的结构空间比较小。
根据一种优选的实施方式规定，垂直于主延伸平面在正向线和反向线之间设置接触元件和/或介电层。有利地，正向线和反向线通过接触元件相互电接触，其中，接触元件尤其是包括所谓的“Vias”，其在半导体制造工艺中使不同的金属化平面相互连接。介电层优选被设置用于使正向线与线圈横截面中的相应反向线相互电绝缘。介电层尤其包括氧化层，该氧化层根据标准以半导体制造工艺布置在不同的金属化平面之间。由此有利地，激励线圈的比较成本有利的制造能够以标准半导体制造方法实现。
本发明的另一个主题是用于制造磁场传感器的方法，其中，在第一制造步骤中提供衬底，在第二制造步骤中在衬底中制造激励线圈并且在第三制造步骤中将磁芯在线圈横截面的径向方向上布置在线圈横截面的外部。因此与现有技术相比，能够实现结构空间比较紧凑的磁场传感器的明显成本更有利的制造。这通过以下方式实现：第一和第二制造步骤能够以标准半导体制造工艺、尤其是以标准CMOS工艺实现，使得仅仅在第三制造步骤中需要附加的方法，在附加的方法中仅仅必须将磁芯在激励线圈的区域中布置在衬底上。尤其地，磁芯的布置在激励线圈的制造期间不是必须的，从而防止了半导体材料被磁芯材料污染。尽管磁芯布置在激励线圈外部，通过激励线圈仍有利地在磁芯中感应出对于根据“磁通门”传感器元件的传感器装置可用的磁通量。
根据一种优选的实施方式规定，在第三制造步骤中将磁芯垂直于主延伸平面布置在线圈横截面外部并且优选布置在衬底的表面、尤其外表面上，使得第三制造步骤能够相对简单且成本低廉地执行。
根据一种优选实施方式规定，在第二制造步骤的第一分步骤中产生多个反向线，在第二制造步骤的第二分步骤中产生多个正向线和/或在第二制造步骤的第三分步骤中在所述衬底中产生多个接触元件和/或多个介电层。该第三分步骤在此优选在第一分步骤或第二分步骤之前、期间和/或之后执行。特别优选地，第一、第二和/或第三分步骤被多次执行。激励线圈以有利的方式由此能够在标准半导体制造工艺中制造，其中，先后在衬底上沉积不同的金属化层。在下面的金属化平面中在此在第一分步骤的范围内产生多个反向线，这些反向线分别相互电绝缘。在稍后的第二分步骤中然后在衬底上沉积一个另外的金属化平面，在该另外的金属化平面中产生多个正向线。正向线在此相互电绝缘。布置在不同的金属化平面中的反向线和正向线以有利的方式通过接触元件、即所谓的Vias导电地相互连接。在激励线圈的内部中，反向线和相应的正向线通过介电层相互电绝缘。在变换的实施方式中规定，在第二制造步骤期间也制造磁场传感器的检测线圈。
附图说明
本发明的实施例在附图中示出并且在下面的说明书中详细描述。
图1示出根据本发明的示例性实施方式的磁场传感器的示意性剖视图；
图2示出根据本发明的示例性实施方式的磁场传感器的示意性俯视图；
图3示出根据本发明的示例性实施方式的磁场传感器的激励线圈和磁芯的示意性侧视图。
在不同的图中相同的部件始终用相同的附图标记表示并且因此同样也分别仅命名或提到一次。
具体实施方式
图1示出根据本发明的示例性实施方式的磁场传感器1的示意性剖视图。该磁场传感器1包括衬底2，在衬底中布置激励线圈4，优选半导体衬底和特别优选硅衬底。激励线圈4具有线圈横截面4’，该线圈横截面垂直于衬底2的主延伸平面100定向并且被激励线圈4的绕组限定。在激励线圈4的区域中，在衬底2的表面2’上这样地布置磁芯3，使得磁芯3在线圈横截面4’的径向方向上位于线圈横截面4’外部。激励线圈4包括正向线5和反向线6，它们借助接触元件7导电地相互连接。正向线5和磁芯3之间的垂直于主延伸平面100的距离明显小于反向线6和磁芯3之间的垂直于主延伸平面100的距离，因为正向线5基本上垂直于主延伸平面100地布置在磁芯3和反向线6之间。在电流流过激励线圈4时，在磁芯3中一次通过正向线5产生磁通量并且一次通过反向线6产生磁通量。因为正向线5和磁芯3之间的距离明显更小，所以在流过正向线5和反向线6的电流相同时，由正向线5在磁芯3中感应出的磁通量明显大于由反向线6在磁芯3中产生的磁通量。流过激励线圈4的电流由此在磁芯3中产生合成的磁通量，由此磁芯3尤其是在磁饱和中运行并且对于根据“磁通门”传感器原理(也称为福斯特探针)的传感器装置是可用的。激励线圈4安装在衬底2中的多层状结构中。衬底2为此包括晶片10，在该晶片上沉积第一氧化层11。在第二制造步骤的第一分步骤中，在第一氧化层11上沉积第一金属化平面，在该第一金属化平面中制造多个反向线6，其中，所述多个反向线6相互电绝缘。在第一金属化平面上沉积介电层12、13并且在介电层12、13内部沉积接触元件7。在第二制造步骤的第二分步骤中沉积第二金属化平面，在该第二金属化平面中产生多个正向线5。所述多个正向线5中的正向线5又相互电绝缘。在第二金属化平面上沉积一个另外的介电层14。所述介电层12、13和另外的介电层14优选包括氧化物并且特别优选包括二氧化硅。所述多个反向线6和所述多个正向线5优选包括金属。反向线6和正向线5借助接触元件7、即所谓的“Vias”导电地相互连接，使得在衬底2中实现激励线圈4，该激励线圈平行于主延伸平面100在衬底2中延伸。优选地规定，磁场传感器1包括检测线圈，该检测线圈在图1中未示出并且被设置用于检测在磁芯3中通过待测量的外部场、例如地球磁场或者检测体发出的磁场产生的磁通量。检测线圈优选包括线圈横截面，该线圈横截面或者平行于或者垂直于主延伸平面100定向。磁场传感器1与现有技术相比尤其是能够以标准半导体制造方法和尤其是以CMOS工艺制造。
在图2中示出根据本发明的第一实施方式的磁场传感器1的示意性俯视图，其中在图2中示出在图1中所示的磁场传感器1的沿着箭头101的俯视图。出于清楚的考虑，图2在此仅仅示出所示多个正向线5、多个反向线6、接触元件7和磁芯3。正向线5基本上相互平行地定向并且相互间隔开。在正向线5的平面中，不同的正向线5分别相互电绝缘，而在反向线6的平面中，各个反向线6相互电绝缘。正向线5分别通过接触元件7与相应的反向线6电连接。在此，正向线5的各一个端部与一个反向线6连接，而该正向线5的另一个端部与另一个反向线6连接。垂直于主延伸平面100至少部分地覆盖正向线5和反向线6的磁芯3作为虚线示意性地被示出。箭头102代表由正向线5产生的磁通量，其大于通过箭头103代表的源于反向线6的磁通量。这通过不同的箭头大小102、103表明。在磁芯3中产生的磁通密度由此主要通过正向线5感应出来，而反向线6主要用于激励线圈4的线圈布线。
在图3中示出根据本发明第一实施方式的磁场传感器1的反向线6、正向线5、接触元件7和磁芯3的示意性侧视图。图3此外示出通过反向线6中的电流产生的磁通密度50和通过经过正向线5的电流产生的磁通密度51。磁通密度比较强烈地取决于到传导电流的导线的距离。由正向线5在磁芯3中产生的磁通密度由此明显大于由反向线6在磁芯3中产生的磁通密度，使得反向线6和正向线5的磁通密度不相互补偿，并且由此在磁芯3中产生净磁通密度，该净磁通密度对于磁场传感器1的根据“磁通门”传感器原理的传感器功能是可用的。

Claims (10)

1.磁场传感器(1)，其包括衬底(2)和磁芯(3)，其中，所述衬底(2)具有用于在所述磁芯(3)中产生磁通量的激励线圈(4)并且所述激励线圈(4)具有线圈横截面(4’)，该线圈横截面基本上垂直于所述衬底(2)的主延伸平面(100)定向，其特征在于，所述磁芯(3)在所述线圈横截面(4’)的径向方向上布置在所述线圈横截面(4’)外部。
2.根据权利要求1的磁场传感器(1)，其特征在于，所述磁芯(3)垂直于所述主延伸平面(100)地布置在所述线圈横截面(4’)外部并且优选布置在所述衬底(2)的表面、尤其外表面(2’)上。
3.根据以上权利要求中任一项的磁场传感器(1)，其特征在于，所述衬底(2)包括层状结构，其中，所述激励线圈(4)包括多个正向线(5)和多个反向线(6)，其中，所述多个正向线(5)和所述多个反向线(6)优选垂直于所述主延伸平面(100)地布置在所述层状结构的不同层中和/或布置在所述衬底(2)的不同侧上。
4.根据以上权利要求中任一项的磁场传感器(1)，其特征在于，垂直于所述主延伸平面(100)地通过所述磁芯(3)至少部分地覆盖所述多个正向线(5)。
5.根据以上权利要求中任一项的磁场传感器(1)，其特征在于，垂直于所述主延伸平面(100)地将所述多个正向线(5)基本上布置在所述磁芯(3)和所述多个反向线(6)之间。
6.根据以上权利要求中任一项的磁场传感器(1)，其特征在于，所述磁场传感器(1)具有用于检测所述磁芯(3)中的磁通量的检测线圈，其中，所述检测线圈优选具有检测线圈横截面，该检测线圈横截面平行于和/或垂直于所述主延伸平面(100)定向。
7.根据以上权利要求中任一项的磁场传感器(1)，其特征在于，垂直于所述主延伸平面(100)地在所述正向线(5)和所述反向线(6)之间布置接触元件(7)和/或介电层(8)。
8.用于制造根据权利要求1或根据权利要求1前序部分的磁场传感器(1)的方法，其特征在于，在第一制造步骤中提供衬底(2)，在第二制造步骤中在所述衬底(2)中制造激励线圈(4)，和在第三制造步骤中将磁芯(3)在线圈横截面(4’)的径向方向上布置在所述线圈横截面(4’)外部。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，在第三制造步骤中将所述磁芯(3)垂直于所述主延伸平面(100)地布置在所述线圈横截面(4’)外部并且优选布置在所述衬底(2)的表面、尤其外表面上。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于，在第二制造步骤的第一分步骤中产生多个反向线(6)，在第二制造步骤的第二分步骤中产生多个正向线(5)和/或在第二制造步骤的第三分步骤中在所述衬底(2)中产生多个接触元件(7)和/或多个介电层(8)。
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