CN103454599A

CN103454599A - 磁场传感器

Info

Publication number: CN103454599A
Application number: CN2013102119580A
Authority: CN
Inventors: F·赖兴巴赫; C·保陶克; S·魏斯; F·N·恩吉蒙齐; F·沙茨; P·法贝尔; J·马克坦纳
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2013-12-18
Also published as: DE102012209232A1; US20130320969A1

Abstract

本发明涉及一种磁场传感器（1），其具有用于在第一测量方向（7）上测量磁场的第一磁传感器芯（3）和用于在第二测量方向（8）上测量磁场的第二磁场传感器芯（4），其中，所述第一磁传感器芯和所述第二磁传感器芯（3，4）具有共同的磁各向异性（15）。

Description

磁场传感器

技术领域

本发明涉及一种磁场传感器。

背景技术

由DE102008042800A1公开了一种用于测量磁场的方向和/或强度的装置。在此，所述装置设置在衬底上。在衬底的表面上设置有霍尔传感器，该霍尔传感器设置用于探测基本上垂直于衬底表面作用的磁场分量Z。此外，两个磁通门传感器设置用于探测衬底的X-Y平面中的磁场分量。因此，结合霍尔传感器可以确定全部三个空间方向上的三个分量。

发明内容

本发明实现一种具有权利要求1的特征的磁场传感器、一种具有权利要求6的特征的阵列、一种具有权利要求7的特征的部件和一种具有权利要求9的特征的方法。

优选的改进方案是从属权利要求的主题。

本发明实现一种磁场传感器，其具有用于在第一测量方向上测量磁场的第一磁传感器芯和用于在第二测量方向上测量磁场的第二磁场传感器芯，其中第一和第二磁传感器芯具有共同的磁各向异性（Anisotropie）。

此外，本发明实现一种用于制造磁场传感器的方法，所述方法具有以下步骤：将第一磁传感器芯以相对于传感器芯的测量方向的预先确定的角度的各向异性施加在衬底上，将第二磁传感器芯以相对于传感器芯的测量方向的预先确定的角度的各向异性施加在衬底上，其中各向异性相对于相应的传感器芯的测量方向的角度如此选择，使得第一和第二磁传感器芯具有共同的各向异性。

本发明所基于的构思在于，设置具有各向异性的磁传感器芯，所述各向异性允许改善的、跳跃式的再磁化（Ummagnetisierung）。这通过以下方式实现：这些磁传感器芯具有共同的各向异性，优选相对于其测量方向45°。由此一方面实现从芯中心向外的再磁化而另一方面例如可以在一个结构化步骤中构造磁各向异性，而为了相应的磁传感器芯的磁各向异性不必重新定位或转动衬底。

在本发明的一种实施方式中，第一磁传感器芯的磁各向异性相对于其测量方向的角度和第二磁传感器芯的磁各向异性相对于其测量方向的角度分别是45°。对于两个磁传感器芯可以同时在衬底上或在一个步骤中构造磁各向异性，这导致制造的缩短和简化并且还导致更低的制造成本。

在另一种根据本发明的实施方式中，相应的磁传感器芯可以具有至少一个线圈，用于确定磁传感器芯的再磁化。例如可以在线圈上施加周期性的电压，尤其是三角形电压。设置仅仅一个线圈具以下优点：一方面借助仅仅一个线圈也能够实现磁传感器芯的再磁化，另一方面由此可以降低制造成本。

在另一种根据本发明的实施方式中，磁场传感器可以附加地具有第三磁传感器芯，用于在第三测量方向上测量磁场。由此可以在所有空间方向上确定磁场。在此，替代第三磁传感器芯可以设置霍尔传感器，其例如可以在垂直于衬底的Z方向上进行测量。

在本发明的一种实施方式中，提供由多个磁场传感器组成的阵列。在此，磁场传感器测量至少两个空间方向，例如x-/y-平面。借助于这种阵列可以检验部件的缺陷，例如检验铸件的缩孔、裂纹等等。

此外，在本发明的另一种实施方式中，用于确定磁场或磁场的至少一个分量的磁场传感器可以用于部件中，例如移动电话、个人计算机、平板计算机、笔记本计算机和/或导航设备中。

附图说明

以下根据附图进一步阐明本发明的其他特征和优点。附图示出：

图1：根据本发明的磁场传感器的一种实施方式的原理图，

图2：由多个根据图1的磁场传感器组成的阵列，

图3：用于制造根据图1的磁场传感器的流程图的实施例。

具体实施方式

在图1中示出了根据本发明的一种实施方式的磁场传感器1的原理图。在此，以俯视图示出了磁场传感器1。

为了探测地磁场或者为了测量相对较弱的磁场，所谓的磁通门是现有技术。在此存在不同的实施方式。一种特别简单的实施方式由仅仅两个线圈和一个铁磁芯组成。用三角形电流运行第一线圈。在超过芯中的确定场强时，所述芯再磁化并且在第二线圈中产生电压脉冲。由电压脉冲相对于三角形电流的时间上的出现可以推断出待测量的场强。因为跳跃地实施再磁化，所以芯在其磁化优选方向上被磁化。所述优选方向通常在沉积时确定。

为了在芯片上在至少两个方向上实现磁传感器，需要具有相应结构化步骤的两次沉积，以便在测量方向上定义磁定向。通过相应的铁磁芯的侧壁的几何形状影响再磁化。如果铁磁芯的相应的侧壁由于技术限制不能完美地构造，则这影响再磁化。

如在图1中的根据本发明的实施方式的磁场传感器1的原理图中示出的那样，设有衬底2。在此，衬底2例如具有半导体衬底，例如硅衬底。基本上，衬底2附加地或替代地也可以是电路板、玻璃或陶瓷，等等。

如在图1中的实施例中示出的那样，在衬底2上设有两个磁传感器芯3和4，所述传感器芯例如彼此垂直地或以角度γ=90°进行测量。第一磁传感器芯3用于检测磁场在第一测量或空间方向、在这里X方向上的第一分量，第二磁传感器芯4用于检测磁场在第二测量或空间方向、在这里Y方向上的第二分量。

在此优选在一次沉积中并且在仅仅一个结构化步骤中例如彼此垂直地或以角度γ=90°进行两个传感器芯3和4的沉积。两个磁传感器芯3、4中的每一个具有一个磁优选方向5、6。在此，第一磁传感器芯3的优选方向5具有相对于第一传感器芯4的测量方向7、在这里X方向的角度α。第二磁传感器芯5的优选方向6具有相对于第二传感器芯4的测量方向8、在这里Y方向的角度β。根据本发明，两个传感器芯3和4具有共同的各向异性或各向异性方向，如用箭头15在图1中的实施例中示出的那样。

两个磁传感器芯3、4的磁优选方向5、6在图1中的实施例中是相同的并且以相对于所属的传感器芯3、4的相应测量方向7、8的角度α=β=45°延伸，如在图1中的实施例中示出的那样。

例如可以在仅仅一次沉积中并且在仅仅一个结构化步骤中制造两个具有各向异性的磁传感器芯3、4，其方式是，两个磁传感器芯3、4具有相同的磁各向异性15或α=β=45°的磁优选方向。由此可以简化制造过程，因为为了设置用于磁传感器芯3、4中的每一个的例如45°的磁各向异性15无需分别重新定位或转动衬底2，而是可以在具有两个传感器芯3、4的所期望的各向异性的位置中同时构造衬底2。例如以金属涂覆整个晶片或者整个衬底2。随后施加结构化的漆，以及去除例如传感器芯3外的金属。随后施加分离层，以及以金属涂覆整个晶片或者整个衬底2。然后施加结构化的漆，以及去除传感器芯4或者Y芯外的金属。由此也可以相应地降低制造成本。

此外，在两个传感器芯3、4的共同的磁各向异性15是45°时，分别由传感器芯3或4的中心向外进行相应的磁传感器芯3、4的磁化，如用双箭头在图1中的实施例中表明的那样，并且不是如迄今那样由传感器芯3或者4的侧壁9向内。这导致：当传感器芯3或者4的侧壁9不完美地构造时，这不影响或几乎不影响再磁化。

替代角度γ=90°，两个磁传感器芯3和4也可以以角γ＞90°或γ＜90°彼此进行测量。角度γ可以基本上位于0°＜γ＜180°的范围内。

图1中的实施例中的共同的各向异性或共同的各向异性方向15相对于第一传感器芯3的测量方向7（这里X方向）是α=45°并且相对于第二传感器芯4的测量方向8（这里Y方向）是β=45°。共同的各向异性或共同的各向异性方向15可以根据本发明相对于传感器芯3或者4之一的测量方向位于α=20°到α=70°的范围内或相应地β=20°到β=70°的范围内。相对于两个传感器芯3或者4之一的测量方向位于α=20°到α=70°的范围内或相应地β=20°到β=70°的范围内的共同的各向异性15具有以下优点：实现传感器芯的跳跃式的再磁化。

相应的磁传感器芯3或者4具有至少一个线圈或者如在图1中的实施例中示出的那样具有第一线圈10和第二线圈11。两个线圈10、11在图1中用虚线表明并且可以分别具有一匝或多匝。相应的线圈10或者11的每一匝可以构造在磁场传感器1的衬底2上。相应的第一线圈或者第二线圈10、11的匝可以包围所属的磁传感器3、4（未示出）或者设置在磁传感器芯3、4旁或在磁传感器3、4旁延伸，如在图1中的实施例中针对第一和第二磁传感器芯3、4说明的那样。

例如在第一线圈10上施加周期性的电压走向——例如三角形电压，使得在磁传感器芯3、4的区域中产生周期性减小和增大的磁场。在此，第一和第二磁传感器芯3、4优选由具有很小或尽可能小的迟滞的软磁材料组成。由于由第一线圈10引起的交变磁场，当磁传感器芯3、4的磁化方向改变时，所属的磁传感器芯3、4被周期性地再磁化。通过第二线圈11可以确定对磁传感器芯3、4中的磁场——例如磁通量、磁通密度等等的指示。

替代两个磁传感器芯3、4，如在图1中的实施例中示出的那样，也可以设有仅仅一个传感器芯3或4，其具有至少一个线圈。此外，在本发明的另一实施方式中，除两个磁传感器芯3、4以外，还可以设有具有至少一个线圈的第三磁传感器芯，其中第三磁传感器芯测量第三空间方向、在这里Z方向，其在图1中示出的实施例中垂直于衬底2延伸。作为第三磁传感器芯例如也可以设置霍尔传感器，以测量Z方向。此外，相应的磁传感器芯3、4替代前面描述的两个线圈也可以具有仅仅一个线圈，以确定传感器芯的再磁化。

在磁传感器芯3、4的合适的几何形状的情况下，尽管磁优选方向5、6转动，仍出现所期望的跳跃式的再磁化。特别地，防止或者至少降低具有磁传感器芯3、4的磁场传感器1的噪声。

具有合适的几何形状的磁传感器芯3、4例如具有矩形的形状（如在图1中的实施例中示出的那样）或具有基本上矩形的形状，其中矩形的长和宽之间的比例例如如此选择，使得跳跃式地实施再磁化。可选附加地，矩形的端部可以是倒角的（未示出）。

磁传感器芯3、4如根据图1中的实施例描述的那样尤其适于探测地磁场或地磁场的分量、测量弱磁场或磁场的分量等等。这种磁传感器芯3、4例如可以作为磁场传感器或磁场传感器的一部分用于例如移动电话、导航设备、车辆等等中。此外，由前面描述的磁传感器芯3、4形成一个阵列，如在以下实施例3中示出的那样，借助于所述阵列例如可以检验部件——例如铸件或其他金属件等等的缺陷位置、裂纹、缩孔等等。这种阵列可以由多个磁传感器芯构造，其中磁传感器芯在X方向上、在Y方向上和/或在Z方向上进行测量。

在图2中，阵列12由多个根据图1的磁场传感器1构成。在此，阵列12纯示意性地且非常简化地示出。

在此，阵列12具有衬底2，在所述衬底上设有磁传感器芯3、4、14的多个组13。在此，组13分别以点线在图2中表明。在图2中示出的阵列12的实施例中，每一个组13例如分别具有两个磁传感器芯3、4。一个组13的两个磁传感器芯3、4在此例如相应于在图1中示出的传感器芯3、4。

磁传感器芯3、4具有例如相对于传感器芯的测量方向45°的共同的磁各向异性（未在图2中示出），其中各第一磁传感器芯3在第一空间方向、例如X方向上进行测量并且第二磁传感器芯4在第二空间方向、例如Y方向上进行测量。此外，组13的每一个传感器芯3、4、14具有至少一个线圈，其中线圈出于清楚的原因未在图3中示出。

阵列12的组13除两个磁传感器芯3、4以外还可以分别具有仅仅一个磁传感器芯（未示出）或例如具有三个磁传感器芯3、4、14（参见图2中的最后一组）以测量全部三个空间方向。此外，替代磁传感器芯14也可以设置霍尔传感器，例如用于测量垂直于衬底2的方向或者Z方向，如在图3中的实施例中的最后一组13中的第三磁传感器芯14那样。组13可以分别具有相同的结构和/或相同数量的磁传感器芯，或者至少一组具有不同的结构，例如定位、磁各向异性、线圈数量等等和/或不同数量的磁传感器芯和霍尔传感器。

在图3中示出了用于制造根据图1的磁场传感器的流程图的实施例。

在第一步骤S1中，提供衬底——例如半导体衬底或晶片，以及在半导体衬底上施加具有预先确定的磁各向异性α的第一磁传感器芯。例如为衬底设置具有第一磁传感器芯的衬底，所述第一传感器芯具有磁各向异性，所述磁各向异性具有相对于传感器芯的测量方向、例如X方向的角度α=45°。

在另一步骤S2中，在衬底上在半导体衬底上施加具有预先确定的磁各向异性β的第二磁传感器芯。两个传感器芯的磁各向异性根据本发明如此选择，使得两个传感器芯具有共同的各向异性或各向异性方向。例如，为衬底设置第二磁传感器芯，所述第二传感器芯具有磁各向异性，所述磁各向异性具有相对于传感器芯的测量方向、例如Y方向的角度β=45°。两个传感器芯的测量方向——在这里X方向和Y方向在此例如是彼此垂直的或具有角度γ=90°。

此外，磁传感器芯分别构造有至少一个线圈。

在此，可以在衬底中结构化出磁传感器芯的区域。在此，结构化例如可以通过蚀刻进行或者包括至少一个蚀刻步骤。此外，例如可以借助光刻胶和/或硬掩膜覆盖衬底表面的不应被蚀刻的区域。

随后例如通过沉积软磁材料在衬底表面上施加相应的磁传感器芯。例如可以通过化学气相沉积、溅射、渗镀或物理气相沉积等等进行沉积。但本发明不限于用于构造具有至少一个线圈的磁传感器芯的所述方法。基本上可以使用适合在衬底上构造具有线圈的磁传感器芯的任意方法。

替代沉积磁传感器芯和/或传感器芯的线圈，同样作为微机械部件制造磁传感器芯中的至少一个以及随后例如通过粘接、焊接和/或键合将其固定在衬底的表面上。

虽然以上根据优选实施例全面描述了本发明，但本发明不局于此，而是可通过多种方式修改。

此外，可以设置仅仅一个具有至少一个线圈的磁传感器芯，用于产生和确定优选跳跃式的再磁化。但是同样，例如也可以设置用于测量全部三个空间方向的三个磁传感器芯，其中可选地替代磁传感器芯中的至少一个可以设置霍尔传感器。

Claims

1.一种磁场传感器（1），其具有用于在第一测量方向（7）上测量磁场的第一磁传感器芯（3）和用于在第二测量方向（8）上测量磁场的第二磁场传感器芯（4），其中，所述第一磁传感器芯和所述第二磁传感器芯（3，4）具有共同的磁各向异性（15）。

2.根据权利要求1所述的磁场传感器，其中，所述第一磁传感器芯和所述第二磁传感器芯（3，4）的共同的磁各向异性（15）的角度（α，β）位于相对于所述第一磁传感器芯或所述第二磁传感器芯（3，4）的测量方向20°至70°的范围内并且优选是45°。

3.根据权利要求1或2所述的磁场传感器，其中，相应的磁传感器芯（3，4）具有至少一个线圈（10；11），用于确定所述磁传感器芯（3，4）的再磁化，其中，在所述线圈（10；11）上优选能够施加周期性的电压。

4.根据以上权利要求中任一项所述的磁场传感器，其中，所述磁场传感器（1）具有第三磁传感器芯（14），用于在第三测量方向上测量磁场。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的磁场传感器，其中，所述磁场传感器（1）具有霍尔传感器，用于在第三测量方向上测量磁场。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的磁场传感器，其中，所述第一传感器芯（3）的测量方向（7）相对于所述第二传感器芯（4）的测量方向（8）的角度（γ）位于0°＜γ＜180°之间的范围内并且优选是90°。

7.一种阵列，其具有多个根据以上权利要求中任一项所述的磁场传感器（1）。

8.一种部件，其具有至少一个根据权利要求1至6中任一项所述的磁场传感器（1）。

9.根据权利要求7所述的部件，其中，所述部件是移动电话、个人计算机、平板计算机、笔记本计算机和/或导航设备。

10.一种用于制造磁场传感器（1）的方法，所述方法具有以下步骤：

将第一磁传感器芯（3，4）以相对于所述传感器芯的测量方向的预先确定的角度的各向异性施加到衬底（2）上，

将第二磁传感器芯（3，4）以相对于所述传感器芯的测量方向的预先确定的角度的各向异性施加到所述衬底（2）上，

其中，所述各向异性相对于相应的传感器芯的测量方向的角度如此选择，使得所述第一磁传感器芯和所述第二磁传感器芯具有共同的各向异性。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，施加所述磁各向异性的步骤具有：

以相对于所述磁传感器芯（3，4）之一的测量方向（7，8）的20°至70°的范围内并且优选45°的角度（α，β）施加所述第一磁传感器芯和所述第二磁传感器芯（3，4）的共同的磁各向异性，其中，优选通过溅射施加所述磁各向异性。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，将所述第一磁传感器芯和所述第二磁传感器芯（3，4）施加到所述衬底（2）上的步骤具有：

将所述第一磁传感器芯和所述第二磁传感器芯（3，4）施加在所述衬底（2）上，其相应的测量方向彼此成一角度（γ），其中，所述角度（γ）位于0°＜γ＜180°之间的范围内并且优选是90°，

其中，优选通过沉积软磁材料将相应的磁传感器芯（3，4）施加到所述衬底（2）上。