EP1308969B1 - Micro-capteur inductif formé à plat sur un substrat - Google Patents

Micro-capteur inductif formé à plat sur un substrat Download PDF

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EP1308969B1 EP01204214A EP01204214A EP1308969B1 EP 1308969 B1 EP1308969 B1 EP 1308969B1 EP 01204214 A EP01204214 A EP 01204214A EP 01204214 A EP01204214 A EP 01204214A EP 1308969 B1 EP1308969 B1 EP 1308969B1
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inductive
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segment
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    • H01F5/003—Printed circuit coils
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the present invention relates to an inductive micro-sensor comprising a micro-coil formed flat on a substrate, and more particularly to such a micro-sensor integrated in a microelectronic circuit chip of an inductive detection or measurement device.
  • Induction coils of large size made by winding a conductive wire on a core having a diameter of the order of 30 to 50 mm have been used for a long time in the industry, for example to detect the proximity of objects metallic or their appearance defects. These coils were first used as a model to move to a smaller scale, with a diameter of about one millimeter. This miniaturization makes it possible to use these coils in microsystems, for a very large number of applications, for example to produce proximity inductive sensors for counting parts, for safety devices, or for servocontrols such as angular control of a stepper motor of a watch movement.
  • These coiled wire coils can still have a sufficiently high signal, but the coil itself still has a size that is a disadvantage in some applications, especially in the field of watchmaking where it is the rule for all components of the movement to have the lowest possible height and occupy the smallest possible area.
  • these micro-coils were then made in plane form by conformation of a conductive material on a substrate according to the known techniques for producing the tracks of a printed circuit.
  • the coil was formed by a sequence of segments leading to a spiral type structure rectangular or square contour. There is then a strong reduction of the inductance. According to the work published by Ph. A. Passeraub & col.
  • the invention therefore aims at overcoming the drawbacks of the above-mentioned prior art by providing a micro-sensor having a spiral-type flat winding coil with a rectangular or square contour, making it possible to have a fairly high inductance, and that can be produced from simple way with a minimum of waste.
  • the subject of the invention is an inductive micro-sensor comprising on a substrate a flat micro-coil formed by long, high-aspect ratio conductive segments, each segment being arranged with respect to the following segment in a perpendicular direction to form a spiral-like structure with a generally rectangular or square contour.
  • the micro-coil is characterized in that each long segment is connected to the next long segment S i , S i + 1 by means of a short segment s i forming with the two long segments angles ⁇ and ⁇ 'greater than 90 ° .
  • the Figures 1 to 3 represent an inductive micro-sensor of the prior art, for example making it possible to carry out the angular detection of a mobile in a movement, as described, for example, in the European patent EP 0 952 426 .
  • the micro-sensor is constituted by a plane coil 1 disposed on the plate 3 of a printed circuit (not shown) having contact pads 5 for transmitting signals, for example to a servo unit.
  • the plane coil 1 comprises a winding of 10 "turns".
  • the segments S i of this winding are made by known techniques, such as screen printing ("screen printing") or photolithography with electrodeposition. As represented in figure 2 the segments have a low aspect ratio (height to width ratio less than 1).
  • the above disadvantages are reduced or even eliminated by "breaking" the connection angles of the large segments S i by small segments s i .
  • the angle ⁇ formed between a large segment S i and a small segment s; and the angle ⁇ 'formed by the small segment s i and a next larger segment S i + 1 is greater than 90 °.
  • the winding being preferably regular, the angle ⁇ is preferably equal to ⁇ ', that is to say 135 ° for all the connection areas of the large segments S i .
  • Segments S i and s i can be made by known photolithography and electroplating techniques. They can also and preferably be made by the "bumping" technique of depositing an additional layer of gold on the surface of the integrated circuit, in particular above the areas of the contact pads, possibly above the last layer. insulation. This technique makes it possible, thanks to the excellent conductivity of gold to obtain optimum interconnectivity, as well as extremely low resistance values for the structures produced on the insulating layer of the integrated circuit.

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Description

  • La présente invention a pour objet un micro-capteur inductif comprenant une micro-bobine formée à plat sur un substrat, et plus particulièrement un tel micro-capteur intégré à une plaquette de circuit microélectronique d'un dispositif inductif de détection ou de mesure.
  • Des bobines d'induction de grande taille, réalisées par enroulement d'un fil conducteur sur un noyau ayant un diamètre de l'ordre de 30 à 50 mm sont utilisées depuis longtemps dans l'industrie, par exemple pour détecter la proximité d'objets métalliques ou leurs défauts d'aspect. Ces bobines ont d'abord servi de modèle pour passer à une échelle plus petite, avec un diamètre de l'ordre du millimètre. Cette miniaturisation permet d'utiliser ces bobines dans des microsystèmes, pour de très nombreuses applications, par exemple pour réaliser des capteurs inductifs de proximité pour le comptage de pièces, pour des dispositifs de sécurité, ou pour des asservissements tel que le contrôle angulaire d'un moteur pas à pas d'un mouvement horloger. Ces bobines à fil enroulé permettent d'avoir encore un signal suffisamment élevé, mais la bobine elle-même présente encore un encombrement qui est un inconvénient dans certains applications, en particulier dans le domaine horloger où il est de règle pour tous les composants du mouvement d'avoir une hauteur la plus faible possible et d'occuper la plus petite surface possible.
  • Pour pallier l'inconvénient ci-dessus, ces micro-bobines ont alors été réalisées sous forme plane par conformation d'un matériau conducteur sur un substrat selon les techniques connues pour la réalisation des pistes d'un circuit imprimé. Tout naturellement, la bobine a été formée par un enchaînement de segments conduisant à une structure de type spirale à contour rectangulaire ou carré. On observe alors une forte réduction de l'inductance. D'après les travaux publiés par Ph. A. Passeraub & col. ("Metallic profile and coin imaging using an inductive proximity sensor microsystem" Sensors and Actuators A, vol. 66 (1998), pp 225-230 et "First integrated inductive proximity sensor with on-chip CMOS read out circuit and electrodeposited 1mm flat coil" Sensors Series, Eurosensors XII, vol. 1, Institute of Physics Publishing, Southampton, United Kingdom, 1998, pp 575-578), on obtient une inductance de 1,1µH (RS = 2,5 Ω) avec une bobine à fil enroulé comportant 23 tours et une inductance de 75nH (RS = 6,2 Ω) avec une bobine plane carrée de 1mm de côté comportant un enroulement à 10 spires de 10µm de haut et 20µm de large. Pour compenser cette perte en inductance, divers agencements ont été proposés pour augmenter le nombre de spires d'une bobine plane sans augmenter la surface occupée sur un substrat. Dans une demande de brevet japonais publiée sous le N° JP 57050410 , il est proposé de construire par sérigraphie ou électrodéposition deux enroulements du type précédent, de part et d'autre du substrat, ces deux enroulements étant interconnectés à travers le substrat. Dans le brevet américain US 4,313,152 , il est proposé d'avoir, d'un même côté du substrat, deux enroulements du type précédent superposés, imbriqués et séparés par un matériau isolant, c'est-à-dire des spires ici rectangulaires situées alternativement d'un côté et de l'autre du matériau isolant en ayant de multiples ponts d'interconnexion à travers le matériau isolant. De telles constructions sont à l'évidence complexes et se prêtent mal à une production de masse.
  • Avec les progrès réalisés dans la technique d'électrodéposition on a naturellement pensé à augmenter la hauteur des segments formant l'enroulement de type spirale carrée. Comme cela sera expliqué plus en détails dans la description qui suit les résultats obtenus ne sont pas totalement satisfaisants en raison du taux de rebut.
  • L'invention vise donc à pallier les inconvénients de l'art antérieur précité en procurant un micro-capteur ayant une bobine plane à enroulement de type spirale à contour rectangulaire ou carré, permettant d'avoir une inductance assez élevée, et pouvant être produite de façon simple avec un minimum de rebut.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un micro-capteur inductif comprenant sur un substrat une micro-bobine plane formée par des segments conducteurs longs à rapport d'aspect élevé, chaque segment étant disposé par rapport au segment suivant selon une direction perpendiculaire pour former une structure de type spirale à contour globalement rectangulaire ou carré. La micro-bobine est caractérisée en ce que chaque segment long est raccordé au segment long Si, Si+l suivant au moyen d'un segment court si formant avec les deux segments longs des angles α et α' supérieurs à 90°.
  • L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description ci-après en référence aux dessins annexés dans lesquels :
    • la figure 1 est une vue de dessus d'un micro-capteur de l'art antérieur;
    • la figure 2 est une représentation en perspective agrandie d'un angle du micro-capteur de la figure 1 selon un premier mode de réalisation;
    • la figure 3 est une représentation en perspective agrandie d'un angle du micro-capteur de la figure 1 selon un deuxième mode de réalisation;
    • la figure 4 est une vue de dessus d'un micro-capteur selon l'invention, et
    • la figure 5 est une représentation en perspective agrandie d'un angle du micro-capteur de la figure 4.
  • Les figures 1 à 3 représentent un micro-capteur inductif de l'art antérieur permettant par exemple d'effectuer la détection angulaire d'un mobile dans un mouvement, comme cela est décrit par exemple dans le brevet européen EP 0 952 426 . Le micro-capteur est constitué par une bobine plane 1 disposée sur la plaquette 3 d'un circuit imprimé (non représenté) comportant des plages de contact 5 permettant de transmettre des signaux, par exemple à une unité d'asservissement. La bobine plane 1 est formée par une enroulement de type spirale de segments Si formant entre eux un angle droit (α0 = 90°). Dans l'exemple représenté, la bobine plane 1 comporte un enroulement de 10 "spires". Les segments Si de cet enroulement sont réalisés par les techniques connues, telles que la sérigraphie ("screen printing") ou la photolithographie avec électrodéposition. Comme représenté à la figure 2, les segments ont un faible rapport d'aspect (quotient hauteur sur largeur inférieure à 1).
  • Avec un faible rapport d'aspect (par exemple H = 10µ et I = 20µ) le raccordement à angle droit d'un segment à l'autre ne pose pas de problème particulier, par contre, comme indiqué en préambule, on observe une forte réduction de l'inductance par rapport à une micro-bobine qui aurait sensiblement la même surface de base mais comporterait un plus grand nombre de spires.
  • Pour diminuer la résistance, et donc accroître la sensibilité du micro-capteur sans augmenter la surface occupée par la micro-bobine et sans faire appel aux solutions complexes évoquées en préambule, on peut songer à augmenter la section des segments Si, c'est-à-dire en fait leur hauteur H, comme représenté à la figure 3. L'avantage obtenu au niveau de l'inductance a comme contrepartie l'inconvénient de devoir écarter des lots de fabrication un pourcentage assez élevé de bobines défectueuses (évalué à 20 %), ce qui est économiquement désavantageux, et ce qui l'est encore plus lorsque lesdites bobines sont construites directement sur un circuit intégré. En effet, lorsque le rapport d'aspect est élevé (H/I > 1) et que des segments sont raccordés en formant un angle ≤ 90° il se produit fréquemment des fissures 7 au niveau du raccordement.
  • En se reportant maintenant aux figures 4 et 5, on voit que les inconvénients ci-dessus sont réduits, voire éliminés en "cassant" les angles de raccordement des grands segments Si par de petits segments si. Ainsi, l'angle α formé entre un grand segment Si et un petit segment s; et l'angle α' formé par le petit segment si et un grand segment Si+1 suivant est supérieur à 90°. L'enroulement étant de préférence régulier, l'angle α est de préférence égal à α', c'est-à-dire 135° pour toutes les zones de raccordement des grands segments Si.
  • Cette construction réduit évidemment légèrement la longueur de l'enroulement mais a une influence a peu près négligeable sur la diminution de l'inductance. A titre d'exemple, avec une micro-bobine plane carrée de 1mm de côté, construite selon l'art antérieur correspondant aux figures 1 et 3, comportant 10 "spires" avec des segments en or de 20µm de largeur et 30µm de hauteur on a une inductance de 75 nH et une résistance totale de 6,2 Ω. En construisant une micro-bobine ayant les mêmes caractéristiques que ci-dessus, mais en "cassant" les angles avec des petits segments de 50µm de longueur. On n'a pas observé de variation significative de l'inductance.
  • Les segments Si et si peuvent être réalisés par les techniques connues de photolithographie et d'électrodéposition. Ils peuvent également, et de préférence être réalisés par la technique de "bumping" consistant à déposer une couche supplémentaire d'or à la surface du circuit intégré, en particulier au dessus des zones des plages de contact, éventuellement au dessus de la dernière couche d'isolation. Cette technique permet, grâce à l'excellente conductibilité de l'or d'obtenir une interconnectivité optimale, ainsi que des valeurs de résistance extrêmement faibles pour les structures réalisées sur la couche d'isolation du circuit intégré.

Claims (5)

  1. Micro-capteur inductif comprenant sur un substrat (3) une micro-bobine (1) plane formée par des segments conducteurs longs (Si) à rapport d'aspect élevé, chaque segment (Si) étant disposé par rapport au segment suivant (Si+1) selon une direction perpendiculaire pour former une structure de type spirale à contour globalement rectangulaire ou carré, caractérisé en ce que chaque segment long (Si) est raccordé au segment long suivant (Si+1) au moyen d'un segment court (si) formant avec les deux segments longs (Si, Si +1) des angles (α, α') supérieurs à 90°.
  2. Micro-capteur inductif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les angles (α, α') sont tous les deux égaux à 135°.
  3. Micro-capteur inductif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier segment court (si) de la spire extérieure de ladite micro-bobine (1) est 20 fois plus court que le premier segment long (Si).
  4. Micro-capteur inductif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les segments (Si, si) de la micro-bobine (1) sont formés par la technologie de bumping sur un circuit intégré.
  5. Circuit intégré de détection caractérisé en ce qu'il comporte un micro-capteur conforme à l'une des revendications précédentes.
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