CN106569153B - 一种磁通门传感器芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁通门传感器芯片，涉及MEMS集成微制造领域，包括高阻硅衬底、激励线圈、检测线圈、磁芯、电极和二氧化硅薄膜；其中激励线圈和检测线圈均为微机电三维螺线管线圈，激励线圈和检测线圈的底层线圈位于高阻硅衬底表面的硅微槽阵列内，底层线圈上表面与硅衬底表面平齐，底层线圈通过二氧化硅薄膜与硅衬底和磁芯绝缘；底层线圈、磁芯与顶层线圈之间均通过二氧化硅薄膜绝缘。本发明采用二氧化硅薄膜进行绝缘包覆提高集成化磁通门传感器芯片的机械强度，且实现与微电子工艺的完全兼容，可实现集成化磁通门传感器芯片与CMOS接口电路的兼容同步集成制造。

Description

一种磁通门传感器芯片

技术领域

本发明涉及MEMS集成微制造领域，尤其涉及一种利用MEMS技术制造的使用二氧化硅薄膜绝缘包覆的磁通门传感器芯片，用于测量弱磁场。

背景技术

磁通门传感器作为一种传统的弱磁场检测器件，一直有着其独特的优势而无法为其他磁场传感器所取代，近年来更是不断在新的领域发现其应用潜力，例如小型移动设备GPS定位、导弹惯性制导、小卫星方位姿态控制、虚拟现实空间内的动作检测、对高清电视(HDTV)的地磁补偿和点噪声补偿等。近年来，由于各种场合的应用逐渐地扩展，对于器件的要求趋向于更薄、更轻、更便宜。相应地，磁通门传感器也试图变得更薄、更轻、更便宜。

传统磁通门传感器使用一个坚固的骨架作为基座，将软磁带状磁芯固定于骨架上，然后在其上缠绕一个通过电流产生磁场的激励线圈，和一个在激励线圈诱发磁场基础上检测外部磁场效应的磁场感应线圈。这使得传统磁通门传感器的尺寸大、重量高、灵敏度低以及长期稳定性差。

MEMS技术的发展为微型化磁通门传感器的研制提供了一条有效可靠的途径。与传统磁通门传感器探头相比较，MEMS磁通门传感器探头结构紧凑，体积、质量小，安装调试简单，不怕震动撞击，受环境温度变化影响小。采用MEMS技术研制微型磁通门传感器成为国内外研究开发的热点。

经对现有技术的文献检索发现，J.Kubik等(L.Pavel and P.Ripka)在《IEEESENSOR JOURNAL》(IEEE传感器杂志)Vol.7,pp179‐183,2007上发表了“Low‐Power PrintedCircuit Board Fluxgate Sensor”(低能耗印刷电路板磁通门传感器)一文。该文提及了一个由多层印刷电路板技术开发的微型磁通门传感器，磁芯为跑道型结构，采用的是25微米厚的Vitrovac 6025X非晶合金薄带，在10kHz下磁通门传感器的灵敏度是94V/T，能耗只有3.9mW。由于制作过程中需要打出通孔来实现在磁芯上绕制线圈，传感器可能会在通过过程中被损坏。另外，与MEMS技术相比，根据这种方法很难减小磁通门传感器的尺寸。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于MEMS的磁通门传感器芯片，使其具有尺寸小、分量轻、灵敏度高以及长期稳定性好等特点。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何在MEMS工艺技术的基础上制造磁通门传感器芯片，解决与传统CMOS制造工艺兼容问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种磁通门传感器芯片，包括高阻硅衬底、激励线圈、检测线圈、磁芯、电极，所述激励线圈和所述检测线圈均为微机电三维螺线管线圈，所述激励线圈和所述检测线圈的底层线圈位于所述高阻硅衬底表面的硅微槽阵列内，所述底层线圈的上表面与所述高阻硅衬底表面平齐，所述底层线圈通过二氧化硅薄膜与所述高阻硅衬底和所述磁芯绝缘；所述底层线圈、所述磁芯与顶层线圈之间均通过二氧化硅薄膜绝缘，所述顶层线圈表面覆盖二氧化硅薄膜。

进一步地，所述底层线圈与所述顶层线圈之间，通过位于所述底层线圈两端端头二氧化硅薄膜上的通孔连通形成完整的三维螺线管激励线圈与检测线圈。

进一步地，所述硅微槽阵列采用干法刻蚀工艺在所述高阻硅衬底表面刻蚀形成，所述硅微槽阵列的微槽宽度及间隙均为50μm。

进一步地，所述硅微槽阵列的微槽宽度及间隙均与所述底层线圈的通电导线宽度及间隙相等，微槽深度与所述底层线圈的厚度相等。

进一步地，所述磁芯为磁控溅射软磁薄膜，厚度为1μm。

进一步地，所述二氧化硅薄膜位于所述高阻硅衬底与所述底层线圈之间、所述底层线圈与所述磁芯之间、所述磁芯与所述顶层线圈之间以及所述顶层线圈的表面，所述二氧化硅薄膜的厚度为1μm。

进一步地，所述激励线圈和所述检测线圈的材料为电镀铜。

进一步地，所述通孔形状为正方形，通孔的深度为2μm。

进一步地，所述底层线圈和所述顶层线圈的通电导线的材料为电铸铜。

进一步地，所述通电导线厚度为20μm。

本发明的使用二氧化硅薄膜绝缘包覆的磁通门传感器芯片与现有技术相比，具有以下有益的效果：

(1)本发明采用MEMS技术硅工艺与非硅工艺相结合的方法，实现使用1μm超薄二氧化硅绝缘薄膜替代现有MEMS磁通门传感器芯片中常用的有机绝缘包覆厚膜材料，不仅避免了使用有机绝缘材料时所需的高深宽比通孔电镀工艺，而且避免了使用有机绝缘材料时所需的化学机械抛光工艺，有效解决了现有MEMS磁通门传感器芯片制造工艺与微电子工艺兼容性差，工艺过程污染严重的问题，提高了芯片制造良品率。

(2)本发明采用二氧化硅薄膜作为绝缘包覆材料，提高了MEMS磁通门传感器芯片的坚固度，可适应各种极端环境应用需求，如高温环境、低温环境、高压环境等，拓展了MEMS磁通门传感器芯片的应用范围，增强了MEMS磁通门传感器芯片的竞争力。

(3)本发明采用1μm超薄二氧化硅薄膜作为层间绝缘材料，有效改善了MEMS磁通门传感器芯片内部线圈部分与磁芯部分的磁场耦合度，提高了激励效率，降低了MEMS磁通门传感器芯片的噪声和能耗，提高了信号响应速度，有力提高了MEMS磁通门传感器芯片的使用性能。

(4)本发明采用MEMS技术研制磁通门传感器芯片，与传统磁通门传感器相比稳定性好，重复性高，安装调试过程简易，更加牢固，不易受环境温度变化和外加应力影响；

(5)本发明采用MEMS技术研制，可直接在本发明基础上实现二轴微型磁通门传感器以及磁通门传感器阵列，同时工艺过程与大规模集成电路工艺完全兼容，可直接与接口电路集成制造，从而提供更多磁测量功能适应不同应用领域需求，例如飞机、导弹和车辆的定位，虚拟现实空间内的动作检测，对HDTV的地磁补偿和点噪声补偿，小卫星方位姿态控制等。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的硅微槽阵列结构的俯视平面图；

图2是图1中图示A-A线方向的剖面图；

图3是本发明的一个较佳实施例的磁通门传感器芯片的俯视平面图；

图4是图3中图示B-B线方向的剖面图；

其中：1为高阻硅衬底，2为激励线圈，3为检测线圈，4为磁芯，5为电极，6为二氧化硅薄膜，7为硅微槽阵列，8为底层线圈，9为顶层线圈，10为通孔。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

如图1-3所示，本发明的使用二氧化硅薄膜绝缘包覆的磁通门传感器芯片包括高阻硅衬底1、激励线圈2、检测线圈3、磁芯4、电极5和二氧化硅薄膜6，其中激励线圈和检测线圈均为微机电三维螺线管线圈，激励线圈和检测线圈的底层线圈位于高阻硅衬底表面的硅微槽阵列7内，底层线圈上表面与硅衬底表面平齐，激励线圈和检测线圈的底层线圈和顶层线圈的导线宽度和间隙均为50μm，厚度为20μm。底层线圈通过1μm厚度的二氧化硅薄膜与硅衬底和磁芯绝缘；底层线圈、磁芯与顶层线圈之间均通过1μm厚度的二氧化硅薄膜绝缘。通过位于底层线圈两端端头二氧化硅薄膜上的2μm深度通孔，底层线圈与顶层线圈之间连通形成完整的三维螺线管激励线圈与检测线圈。所述顶层线圈表面覆盖1μm厚度的二氧化硅薄膜进行绝缘保护。电极通过二氧化硅薄膜上的通孔露出。

工作时，在激励线圈2通一正弦交流电使磁芯4处于饱和状态。没有外部磁场时，由于差分效应，检测线圈3没有任何信号输出；当有外部磁场存在时，检测线圈3会有输出信号，信号为偶次谐波，经滤波后可得到二次谐波信号。二次谐波信号大小与外部磁场成正比。因此可测量外部磁场大小和方向。

本实施例中，硅微槽阵列采用干法刻蚀工艺在高阻硅衬底表面刻蚀形成，并使用1μm厚度的二氧化硅薄膜进行覆盖绝缘隔离，微槽宽度及间隙均为50μm，深度为20μm。

本实施例中，磁芯为矩形磁控溅射钴基非晶软磁薄膜磁芯，厚度为1μm，宽度为1mm。

本实施例中，激励线圈和检测线圈均为微机电三维螺线管线圈结构，该三维螺线管线圈结构由顶层线圈与底层线圈通过二氧化硅薄膜上的通孔直接在通电导线两端端头连通形成。三维螺线管线圈的材料为电铸铜，且三维螺线管线圈中每匝导体的线宽为50μm，厚度为20μm，各匝之间间隙为50μm。激励线圈匝数为40匝，检测线圈匝数为30匝。

本实施例采用类跑道型的矩形磁通门结构设计，激励线圈与检测线圈均绕制在磁芯长轴上，磁芯为磁控溅射软磁薄膜，传感器具有易于批量制造、成本低、灵敏度高、噪声低以及能耗低的特点。其中，利用硅微槽阵列容纳激励线圈与检测线圈的底层线圈找平形成平坦的磁芯支撑底面，同时采用高磁导率的超薄软磁薄膜磁芯，使得可以使用超薄二氧化硅薄膜进行衬底、底层线圈、磁芯及顶层线圈之间的绝缘、支撑和包覆，有效解决了现有磁通门传感器芯片制造使用有机绝缘包覆材料与微电子工艺兼容性差，工艺过程污染严重，良品率低且成本昂贵的问题，提高了生产效率，降低了磁通门传感器芯片的噪声和能耗，提高了信号响应速度。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种磁通门传感器芯片，包括高阻硅衬底、激励线圈、检测线圈、磁芯、电极，其特征在于，所述激励线圈和所述检测线圈均为微机电三维螺线管线圈，所述激励线圈和所述检测线圈的底层线圈位于所述高阻硅衬底表面的硅微槽阵列内，所述底层线圈的上表面与所述高阻硅衬底表面平齐，所述底层线圈通过二氧化硅薄膜与所述高阻硅衬底和所述磁芯绝缘；所述底层线圈、所述磁芯与顶层线圈之间均通过二氧化硅薄膜绝缘，所述顶层线圈表面覆盖二氧化硅薄膜；

所述硅微槽阵列采用干法刻蚀工艺在所述高阻硅衬底表面刻蚀形成，所述硅微槽阵列的微槽宽度及间隙均为50μm；

采用MEMS技术硅工艺与非硅工艺相结合的方法，所述二氧化硅薄膜位于所述高阻硅衬底与所述底层线圈之间、所述底层线圈与所述磁芯之间、所述磁芯与所述顶层线圈之间以及所述顶层线圈的表面，所述二氧化硅薄膜的厚度为1μm。

2.如权利要求1所述的磁通门传感器芯片，其特征在于，所述底层线圈与所述顶层线圈之间，通过位于所述底层线圈两端端头二氧化硅薄膜上的通孔连通形成完整的三维螺线管激励线圈与检测线圈。

3.如权利要求1所述的磁通门传感器芯片，其特征在于，所述硅微槽阵列的微槽宽度及间隙均与所述底层线圈的通电导线宽度及间隙相等，微槽深度与所述底层线圈的厚度相等。

4.如权利要求1所述的磁通门传感器芯片，其特征在于，所述磁芯为磁控溅射软磁薄膜，厚度为1μm。

5.如权利要求1所述的磁通门传感器芯片，其特征在于，所述激励线圈和所述检测线圈的材料为电镀铜。

6.如权利要求2所述的磁通门传感器芯片，其特征在于，所述通孔形状为正方形，通孔的深度为2μm。

7.如权利要求1所述的磁通门传感器芯片，其特征在于，所述底层线圈和所述顶层线圈的通电导线的材料为电铸铜。

8.如权利要求7所述的磁通门传感器芯片，其特征在于，所述通电导线厚度为20μm。