CN1246619A - 差动式螺线管磁场检测装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种差动式螺线管磁场检测装置,是一种以微观尺寸制造的磁场检测器,其构成包括:层叠在半导体基片上的两个软磁性薄膜式磁芯,由按数字“8”的形状卷绕的金属薄膜图形构成的、用于对软磁性薄膜式磁芯交替激磁的激磁线圈,以及由螺旋形卷绕的金属薄膜图形形成的磁通变化检测线圈。由于两个磁通变化检测线圈构成闭合的磁通路,漏磁通可以降到最少。此外,该磁场检测装置是一种差动式磁场检测器,各驱动信号,组合后可以抵减。
Description
本发明涉及一种差动式螺线管磁场检测装置及其制造方法，该装置具有集成在半导体基片上的微观的封闭磁通路。更具体地说，涉及一种集成在半导体基片上的差动螺线管磁场检测装置，用于通过利用差动方式驱动两个软磁性磁膜式磁芯，形成封闭磁通路检测比地磁场要弱的磁场，以及制造该装置的方法。
利用软磁性材料和线圈的磁检测器已被长期用作高灵敏度的磁检测器。这样一种磁检测器是通过将一个线圈围绕较大的杆状磁芯或者一个由软磁性带构成的环形磁芯来制造的。为了精确地检测磁场，需要一个电磁回路。已经提出一种方法，其中利用软磁性薄膜式磁芯和平面薄膜式线圈得到磁检测器的磁场检测元件。
一种常规的弱磁场检测器件是利用软磁性薄膜式磁芯1a和1b以及平面薄膜式线圈制造的。这两个磁芯1a和1b沿检测轴线的方向平行配置以便随后按照差动的方式驱动。这是为了当没有施加外部磁场时补偿基于电磁感应的感应电压，从而将激磁线圈2a-2b以及磁通变化检测线圈3a-3b围绕软磁性薄膜式磁芯1a和1b绕制。因此常规弱磁场检测器件需要大的面积。此外由于由激磁线圈2a-2b产生的磁通变化以及由磁通变化检测线圈3a-3b检测的磁场的影响，不可能避免通过软磁性薄膜式磁芯1a和1b的漏磁通，这使得难于高灵敏度地检测磁场。
由于常规的弱磁场检测器件是通过将线圈卷绕在较大的杆状磁芯或环形磁芯上，而该环形磁芯是由软磁性带制成，因此它的制造成本高。
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种差动式螺线管磁场检测装置，它具有集成在半导体基片上的微观的磁通路，通过将漏磁通降至最小能够高灵敏度地精确检测磁场，并可以以微观尺寸制造。
本发明的另一个目的是提供一种用于制造差动式螺线管磁场检测装置的方法，检测装置具有集成在半导体基片上的微观的磁通路，通过将漏磁通降至最小能够高灵敏度地精确检测磁场，并可以以微观尺寸制造。
因此为了实现第一个目的，提供一种差动式螺线管磁场检测装置，包括：半导体基片、平行地叠装在半导体基片上以便形成闭合的磁通路的软磁性薄膜式磁芯，由金属薄膜构成的、用于实现交替激磁以及软磁性薄膜式磁芯的差动激磁的螺旋形激磁线圈，以及由金属薄膜构成、用于检测软磁性薄膜式磁芯中的磁通变化的螺旋形磁通变化检测线圈。
在本发明中，最好激磁线圈绕n匝，其中n是正整数，磁通变化检测线圈绕m匝，其中m是正整整数，激磁线圈和磁通变化检测线圈交替地逐匝卷绕。此外，当外部磁场为零时，由激磁线圈引起的感应波形相抵减(offset)。
此外，最好激磁线圈按照数字“8”的形状卷绕，且磁通变化检测线圈作为一个螺线管平面形线圈螺旋地围绕软磁性薄膜式磁芯卷绕。
为了实现第二个目的，提供一种用于制造差动式螺线管磁场检测装置的方法，该方法包含下列步骤：(a)在半导体基片上形成一个绝缘层，(b)在绝缘层上形成线圈的底层线路，(c)在步骤(b)中所述的绝缘层上形成一个绝缘层，以便覆盖该底层线路，(d)在步骤(c)中形成的绝缘层上沉积一种软磁材料用作底磁性薄膜，并对其构图以形成下软磁性薄膜式磁芯，(e)沉积一个绝缘层以覆盖下软磁性薄膜式磁芯，并用光刻法对其进行蚀刻以形成第一通孔，(f)在步骤(e)中的绝缘层上形成一金属层用做中间层线路，并对其构图以形成线圈的中间层线路，(g)在步骤(e)中的绝缘层上沉积一个绝缘层以覆盖该中间层线路，并在其上沉积一软磁性材料用作底磁性薄膜，并对其构图以形成上磁性薄膜式磁芯，(h)沉积一个绝缘层以便覆盖上磁性薄膜式磁芯，并用光刻法对其进行蚀刻以形成第二通孔，以及(i)在步骤(h)中的绝缘层上形成一金属层用做顶层线路，并对其构图以形成线圈顶层线路。
在本发明中，该半导体基片最好是一个硅基片，底层线路和中间层线路以及顶层线路是由从铝(Al)、金(Au)铜(Cu)的组中选择出来的至少一种金属构成。此外，当底层线路和中间层线路以及顶层线路是由铝(Al)、金(Au)构成时，使用例如为溅射法或者CVD法的沉积方法。否则，当底层线路和中间层线路以及顶层线路由铜(Cu)构成时，采用电镀法或者非电解电镀法。
此外，软磁性薄膜式磁芯最好由通过将坡莫合金或非晶磁性合金以及非磁性材料层叠制成的多层软磁性薄膜构成，绝缘层最好由氧化硅、光敏抗蚀剂和聚酰亚胺中的至少一种构成。
通过参照附图对本发明的优选实施例的详细介绍，将会使本发明的上述目的和优点变得更加明显，其中：
图1是表示常规的磁场检测装置的示意透视图；
图2是表示根据本发明的一个实施例的集成在半导体基片上的差动式螺线管磁场检测装置的示意透视图；
图3A-3E是表示图2中所示的差动式螺线管磁场检测装置的工作情况的时钟图，其中图3A是第一软磁性薄膜式磁芯的磁场波形示意图，图3B是第二软磁性薄膜式磁芯的磁场波形示意图，图3C是第一软磁性薄膜式磁芯的磁通密度波形示意图，图3D是第二软磁性薄膜式磁芯的磁通密度波形示意图，图3E和图3F是图2中所示的差动式螺线管磁场检测装置的中感应电压Vind1，Vind2，以及Vind1+Vind2和波形示意图；
图4是表示图2中所示的差动式螺线管磁场检测装置的平面图；
图5是沿图4中的线X-X’的剖面图；以及
图6A-6F表示用于制造图2中所示的差动式螺线管磁场检测装置的方法加工步骤。
参照图2，图3A-3F，根据本发明的差动式螺线管磁场检测装置是这样构成，即，两个激磁线圈14a-14b和磁通变化检测线圈15a-15b围绕两个夹在半导体基片11上软磁性薄膜式磁芯卷绕。这里，由于激磁线圈14a-14b围绕软磁性薄膜式磁芯12和13按数字“8”的形状卷绕，如在图2中所示，上和下软磁性薄膜式磁芯12和13利用交流激磁电流产生磁通，二磁通彼此相反。此外由于磁通变化检测线圈15a-15b这样卷绕，使其可以对由软磁性薄膜式磁芯12和13产生的磁通变化的总和进行检测，由于两个软磁性薄膜式磁芯12和13的磁场方向是彼此相反，磁通变化检测线圈15a-15b由于交变激磁电流通过电磁感应产生的感应电压相抵减。沿与软磁性薄膜式磁芯12和13的轴线平行的方向施加外部磁场Hext。就是说，沿与软磁性薄膜式磁芯12和13相同的方向施加外部磁场Hext。激磁电流相对于软磁性薄膜式磁芯12和13沿彼此相反的方向流动，这是因为激磁线圈14a-14b相对于软磁性薄膜式磁芯12和13按照数字“8”的形状卷绕。因此如在图3A和3B中所表示，激磁电流产生的激磁磁场Hexc和-Hexc极性相反。因此软磁性薄膜式磁芯12和13的内部磁场为Hext+Hexc和Hext-Hexc，如图3A和3B中所示。这里由于软磁性薄膜式磁芯12和13的导磁率被此相等，它们的磁通密度也是相同的，如图3C和3D中所示。图3F中所表示的电压，感应到磁通变化检测线圈15。在这里，图3E中表示软磁性薄膜式磁芯12和13磁通密度分别感应的电压，它们的综合得到一个如在图3F中表示的复合电压。外部磁场Hext幅值可以通过测量该复合电压的幅值来确定。
在利用半导体基片11的磁场检测装置中，重要的是，交替地逐匝围绕软磁性薄膜式磁芯12和13、按照数字“8”形状的螺线管形式卷绕激磁线圈14a-14b和磁通变化检测线圈15a-15b，以便得到在软磁性薄膜式磁芯12和13中的产生的磁通变化的总和。如上所述，激磁线圈14a-14b和磁通变化检测线圈15a-15b交替卷绕在半导体基片11上，其中激磁线圈14a-14b按照数字-8的形状相对于软磁性薄膜式磁芯12和13沿相反的方向卷绕，而磁通变化检测线圈15a-15b相对于软磁性薄膜式磁芯12和13沿相同的方向按螺旋形卷绕。按照这样一种方式，当没有施加外部磁场时感应电压的波形是抵减的。换句话说，由激磁线圈14a-14b电流产生的磁通形成卷绕结构，其中通过下软磁性薄膜式磁芯12和上软磁性薄膜式磁芯13形成闭合磁通道。
与上述结构不同，如果激磁线圈和磁通变化检测线圈配置在一个磁芯中，则能够进行磁场检测。然而在这种情况下，需要比较麻烦的信号处理例如放大或者滤波，以消除磁通变化检测线圈的输出，这是因为即使没有施加外部磁场，激磁线圈也会在磁通变化检测线圈中产生很大的感应电压。
图4是表示在图2中所示的差动式螺线管磁场检测装置的平面图，而图5是沿图4所示的线X-X’所取的剖面图。如在图4和图5中所示，绝缘层22和23(聚酰亚胺等)，例如氧化硅层，形成在半导体基片21上以及三层金属线路(即一个线圈的底层线路24、中间层线路28以及顶层32线路利用置入在其间的通孔33和34彼此连接)上，由此实现按数字“8”的形状的激磁线圈以及具有相同卷绕结构的螺旋形卷绕的磁通变化检测线圈，如在图2中所示(在图2中分别所示的14a-14b和15a-15b)的那样。也就是说，根据本发明的一个实施例，绝缘层(如聚酰亚胺)25、27、29、31夹入底层线路24、中间层线路28以及顶层线路32，而软磁性薄膜式磁芯26和30置于在绝缘层25、27、29和31之间。
当在这一实施例中使用半导体基片的情况下，重要的是，围绕软磁性薄膜式磁性磁芯26和30交替地逐匝卷绕激磁线圈和磁通变化检测线圈。如果不是这样，由于软磁性薄膜式磁芯具有大的漏磁通，由激磁线圈产生的磁通变化就不能充分地由磁通变化检测线圈检测。此外，按照数字“8”形状的激磁线圈和磁通变化检测线圈交替地逐匝卷绕在半导体基片上，并利用两个磁芯同时以差动的方式驱动，由此形成闭合磁通道。此外，没有外部磁场时，激磁线圈内部磁通变化产生的感应电压是抵减的。
下面将介绍根据本发明的一个实施例的上述磁场检测装置的制造方法。
图6A-6E表示制造根据本发明的一个实施例的如在图4和5中所示的差动式螺线管磁场检测装置的方法。在这里例如硅基片用作半导体基片。
如在图6A中所示，硅基片21的表面通过加热氧化而绝缘，形成绝缘层(SiO2)22。
如在图6B中所示，另一个绝缘层23，例如氧化硅，光敏抗蚀剂或者聚酰亚胺形成在二氧化硅(SiO2)绝缘层22上。用于线圈的底层线路的金属层形成在绝缘层23上，然后用光刻法进行蚀刻，由此形成一个金属图形，即底层线路24。作为线路金属，可以使用金(Au)、铜(Cu)或铝(Al)。为了形成该金属层，可以使用各种方法包含沉积法，例如溅射法或者化学汽相沉积法(CVD)。然而，在形成厚的铜层的情况下，采用电镀法或者非电解电镀法是有效的。
接着，如在图6C中所示，沉积氧化硅、光敏抗蚀剂或者聚酰亚胺，以便覆盖在具有底层线路24的绝缘层23上的底层线路24上，由此形成绝缘层25。作为绝缘层25的沉积方法，利用氧化硅、光敏抗蚀剂或者聚酰亚胺，可采用溅射法或者化学汽相沉积法(CVD)。将光敏抗蚀剂和聚酰亚胺硬化以便用做绝缘层。在此，对底层线路进行平整化处理以避免表面粗糙。然后，沉积一层形成底磁性薄膜的软磁性材料，并构图以形成软磁性薄膜式磁芯26。软磁性材料沉积法包含电镀法、溅射法、沉积法以及诸如此类的方法。软磁性材料包含坡莫合金(一种镍(Ni)铁(Fe)合金)以及各种非晶体的磁性合金。将软磁性材料和非磁性材料进行层叠以便形成多层的软磁性薄膜式磁芯26。
如在图6D中所示，沉积绝缘层(聚酰亚胺等)27，以便覆盖软磁性薄膜式磁芯26，并进行平整，之后用光刻法对其进行蚀刻，因此形成通孔(图4中所示的33和34)。然后，形成用于中间层线路的金属层并形成图形，以便形成线圈中间层线路28。
然后，如在图6E中所示，沉积绝缘层(聚酰亚胺等)29以便覆盖中间层线路28，并进行平整。在此之后，沉积用于形成顶部磁性薄膜的软磁性材料，并形成图形，以形成软磁性薄膜式磁芯30。
接着，如图6F所示，沉积绝缘层(聚酰亚胺等)31，覆盖软磁性薄膜式磁芯30，然后进行平整，以便用光刻法对其进行蚀刻，由此形成通孔(如图4中所示的33和34)。然后，形成一个用于顶层线路的金属层，并构图以形成金属图形，即线圈的顶层线路32。
如上所述，根据本发明，该差动式螺线管磁场检测装置是一个以微观尺寸制造的磁场检测器，它由两个层叠在半导体基片上的软磁性薄膜式磁芯、按数字“8”形状的金属薄膜图形构成的激磁线圈(用于对软磁性薄膜式磁芯进行交替激磁)，以及以螺旋卷绕的金属薄膜图形构成的磁通变化检测线圈构成。由于两个软磁性薄膜式磁芯构成闭合磁通道，漏磁通可以降至最小。此外，由于根据本发明磁场检测装置是一种差动式检测器，各驱动信号的组合可以是抵减的。此外，由于在根据本发明的磁场检测装置中，可以易于进行信号处理，即使是一个微观尺寸的检测器，也具有高灵敏度的特性。换句话说，将两个软磁性薄膜式磁芯层叠起来并以检测轴线方向作为纵向来形成，以降低反向磁场分量。此外，磁场检测装置这样构成。即激磁线圈和磁通变化检测线圈交替地逐匝围绕软磁性薄膜式磁芯卷绕。此外，当外部磁场为零时，不会在磁通变化检测线圈中产生感应电压的波形。因此，即使该磁场检测装置是一个按照微观尺寸制造的检测器，也可以检测极微弱的磁场。此外，由于采用在单一半导体基片上形成薄膜的技术，信号处理电路也可以集成在同一个芯片上。就是说，根据本发明的磁场检测装置在生产率方面和制造成本方面具有优异的特性。
上述磁场检测装置可以广泛地应用于用于检测地磁场的航空系统、地磁变化监测器(用于预报地震)、生物磁性检测器、金属缺陷检测器以及其他。此外，该磁场检测装置可以间接地应用于磁编码器、非接触式电位计、电流检测器、转矩检测器、位移检测器等。
Claims (16)
1、一种差动式螺线管磁场检测装置，包含：
半导体基片；
平行地层叠在该半导体基片上以形成闭合磁通路的软磁性薄膜式磁芯；
由金属薄膜形成的螺线管形激磁线圈，用于对该软磁性薄膜式磁芯进行交替地激磁和差动激磁；以及
由金属薄膜形成的螺线管形磁通变化检测线圈，用于检测软磁性薄膜式磁芯中的磁通变化。
2、根据权利要求1所述的差动式螺线管磁场检测装置，其中，激磁线圈绕n匝，其中n是正整数，磁通变化检测线圈绕m匝，其中m正整数，激磁线圈和磁通变化检测线圈交替运匝卷绕；且当外部磁场为零时，由激磁线圈产生的感应电压的波形是抵减的。
3、根据权利要求1所述的差动式螺线管磁场检测装置，其中激磁线圈围绕软磁性薄膜式磁芯按数字“8”的形状卷绕，且作为螺线管形平面线圈的磁通变化检测线圈围绕软磁性薄膜式磁芯以螺旋形卷绕。
4、一种用于制造差动式螺线管磁场检测装置的方法，包括下列步骤：
(a) 在半导体基片上形成一绝缘层；
(b) 在该绝缘层上形成线圈的底层线路；
(c) 在步骤(b)中的绝缘层上形成一个绝缘层以覆盖该底层线路；
(d) 在步骤(c)中形成的绝缘层上沉积用作底磁性薄膜的软磁性材料并对其构图，以形成下软磁性薄膜式磁芯；
(e) 沉积一绝缘层以覆盖该下软磁性薄膜式磁芯，并用光刻法对其进行蚀刻以形成第一通孔；
(f) 在步骤(e)中形成的绝缘层上形成用于中间层线路的金属层并对其构图，以形成线圈的中间层路；
(g) 在步骤(e)中形成的绝缘层上沉积一绝缘层以覆盖该中间层线路，并在其上沉积一用作底磁性薄膜的软磁性材料，并对其构图以形成上软磁性薄膜式磁芯；
(h) 沉积一绝缘层以覆盖上软磁性薄膜式磁芯，并用光刻法对其进行蚀刻以形成第二通孔；以及
(i) 在步骤(h)中形成的绝缘层上形成用于顶层线路的金属层，并对其构图以形成线圈的顶层线路。
5、根据权利要求4所述的方法，其中该半导体基片是硅基片。
6、根据权利要求4所述的方法，其中底层线路，中间层线路，顶层线路是由从包括铝(Al)、金(Au)和铜(Cu)的组中选择的至少一种金属构成的。
7、根据权利要求6所述的方法，其中当底层线路，中间层线路，顶层线路是由铝(Al)构成时，采用沉积法。
8、根据权利要求7所述的方法，其中沉积法是溅射法。
9、根据权利要求7所述的方法，其中沉积法是化学汽相沉积法(CVD)。
10、根据权利要求6所述的方法，其中当底层线路，中间层线路，顶层线路是由金(Au)形成时，采用沉积法。
11、根据权利要求10所述的方法，其中沉积法是溅射法。
12、根据权利要求10所述的方法，其中沉积法是化学汽相沉积法(CVD)。
13、根据权利要求6所述的方法，其中当底层线路，中间层线路，顶层线路是由铜(Cu)形成时，采用电镀法。
14、根据权利要求6所述的方法，其中当底层线路，中间层线路，顶层线路是由铜(Cu)形成时，采用非电解电镀法。
15、根据权利要求4所述的方法，其中该软磁性薄膜式磁芯是通过将坡莫合金或者非晶体的磁性合金以及非磁性材料叠层而制成的多层软磁性薄膜构成的。
16、根据权利要求4所述的方法，其中绝缘层是由从包括氧化硅、光敏抗蚀剂和聚酰亚胺的组中选出的至少一种材料构成的。
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