TWI513960B - 具有微電感結構之感測晶片 - Google Patents

Description

具有微電感結構之感測晶片

本發明係關於一種具有微電感結構之感測晶片，尤指一種結合磁致伸縮磁性層與微電感繞組的感測晶片。

現有的感測晶片，例如一壓力感測晶片，一般可為壓阻式，電容式或壓電式，但上述感測器皆存在一些缺點，例如壓阻式存在溫度穩定性不佳的缺點，電容式存在線性度不佳的缺點，而壓電式存在成本過高問題。

因此，利用逆磁致伸縮效應原理所製作之壓力感測晶片，具有高靈敏度及溫度穩定性，但習知技術需要在製程中準備一額外的牽制膜(pinning film)，提高了製程的複雜度以及成本。

因此，如何妥善運用磁性材料以及其逆磁致伸縮效應，並整合現有成熟的半導體製程或微機電製程，以設計、製作有別於前述感測器的一新穎的感測晶片，並具有高靈敏度及溫度穩定性的優點，為目前技術亟待突破改良之處。

有鑑於前述現有技術所存在的問題，本發明的目的在於提供一種具有微電感結構之感測晶片，以達到低成本，容易製造並具有高靈敏度及溫度穩定性的技術效果。

為了達到上述的發明目的，本發明所採用的技術手段係提供一種感測晶片，包含有：一支撐結構層；以及一微電感層，其係形成於該支撐結構層上，並具有一電感值，該微電感層包含有：一絕緣層；至少一磁性層，設置於該絕緣層之一側；以及一微線圈層，其係設置於該絕緣層內，並被該絕緣層所包覆，該微線圈層具有一線圈，作為該微電感層之電感繞組，並透過該絕緣層與該磁性層電氣隔離；其中，當一外界物理量作用於該感測晶片時，該微電感層係可相對應地產生變形，而造成該微電感層之該電感值的變化。

在本發明之一實施例中，該微線圈層係為平面式(planar)，而該線圈係彼此平行設置於該絕緣層內。

在本發明之一實施例中，該微線圈層可為螺旋式(spiral)、螺管式(solenoid)、環形式(toroid)或彎繞式(meander)。

在本發明之一實施例中，該外界物理量可為加速度、角速度、氣壓、音波、磁場或流場。

在本發明之一實施例中，該至少一磁性層包含有一第一磁性層以及一第二磁性層，該第一磁性層設置於該絕緣層之下側，且該第二磁性層置於該絕緣層之上側，且該微線圈層位於該第一磁性層以及該第二磁性層之間。

其中，該支撐結構層可為矽、玻璃或複合材料，該磁性層之材料可為鈷鐵硼(CoFeB)、鎳(Ni)、鈷鎳(Co-Ni)或鐵氧體(ferrite)，且該絕緣層之材料可為高分子材料或介電材料。

其中，該高分子材料為聚亞醯胺(polyimide)且該介電材料為二氧化矽或氮化矽。

其中，該微電感層係以有線(wire)的方式或無線(wireless)的方式連接一電感值量測電路，該電感值量測電路用以量測該微電感層之該電感值的變化。

在本發明之一實施例中，該支撐結構層包含一基底層，該基底層具有一第一端部、一第二端部以及一中央部，其中該第一端部以及該第二端部，係設置於該中央部之兩側，且該中央部之厚度係薄於該第一端部以及該第二端部。

在本發明之一實施例中，支撐結構層呈現一懸臂梁(cantilever beam)結構，並具有一固定端部以及一自由端部，該自由端部係可相對該固定端部變形，該自由端部之一端與該固定端部相連接，另一端相對於該固定端部，並且設置有一質量塊。

本發明的主要優點在於，利用結構簡單、製作容易的微電感層，其係可產生變形，而使其磁性層產生逆磁致伸縮效應，導致該微電感層的導磁率發生改變，而使其電感值發生改變並可藉由該電感值量測電路量測到，而輸出一相對應於該外部物理量之一量測訊號。

1‧‧‧感測器

2‧‧‧感測晶片

100‧‧‧支撐結構層

100a‧‧‧支撐結構層

101‧‧‧氧化層

102‧‧‧基底層

102a‧‧‧第一端部

102b‧‧‧第二端部

102c‧‧‧中央部

103a‧‧‧固定端部103b

103b‧‧‧自由端部

200a‧‧‧微電感層

210‧‧‧第一磁性層

220‧‧‧絕緣層

230‧‧‧微線圈層

231‧‧‧線圈

240‧‧‧第二磁性層

300‧‧‧質量塊

400‧‧‧支撐結構層

401‧‧‧氧化層

410‧‧‧微電感層

411‧‧‧第一磁性層

412‧‧‧第一絕緣層

413‧‧‧微線圈層

4131‧‧‧線圈

414‧‧‧第二絕緣層

4141‧‧‧焊墊孔

415‧‧‧第二磁性層

4151‧‧‧通孔

420‧‧‧焊墊

430‧‧‧電連接線

500‧‧‧電感值量測電路

500a‧‧‧電感值量測電路

600‧‧‧變形方向

700‧‧‧變形曲線

P‧‧‧外部物理量

第1圖：本發明感測晶片之第一實施例之立體視圖。

第2圖：A-A剖面之剖面圖。

第3A圖：本發明第二實施例之剖面圖。

第3B圖：本發明第二實施例之上視圖。

第4A~4E圖：本發明之製作流程之剖面示意圖。

第5圖：本發明之感測晶片與感測電路一體化之立體 視圖。

以下配合圖式及本發明之較佳實施例，進一步闡述本發明為達成預定發明目的所採取的技術手段。

本發明之第一較佳實施例，請參考第1圖、第2圖，其中第1圖為本發明第一實施例之立體視圖，第2圖為A-A剖面之剖面圖。

本發明之具有微感測電感結構之感測器1包括有一支撐結構層100以及一微電感層200。

該支撐結構層100，其材料可為矽(Si)所構成，然而在其他實施例中，亦可以不是由矽(Si)所構成，例如由玻璃或複合材料所構成，本發明並不以此為限；該微電感層200，係為一層狀結構，並形成於該支撐結構層100上，在本實施例中，該支撐結構層100包含有一基底層102，其上形成有一氧化層101，例如材料可為二氧化矽(SiO2)，在其他實施例中，亦可不存在該氧化層101。該基底層102具有一第一端部102a、一第二端部102b以及一中央部102c，其中該第一端部102a以及該第二端部102b，係設置於該中央部 102c之兩側，且該中央部102c之厚度係薄於該第一端部102a以及該第二端部102b，該中央部102c可支撐該微電感層200，由於其厚度較薄，從而當一外部物理量，如本實施例的壓力P作用於本發明之感測器1時，該微電感層200可相對應地產生變形，而該中央部102c的存在，可以適度調節該微電感層200所承受之應力，避免壓力P過大時該微電感層200損壞而失效，然而在一些實施例中，若該微電感層200已經過良好之設計，該中央部102c亦可以不存在。

該微電感層200包含有：一絕緣層220，其材料可為聚亞醯胺(polyimide)；一第一磁性層210，設置於該絕緣層220之下側，並且部分被該絕緣層220所包覆，其組成材料可例如為鈷鐵硼(CoFeB)；一微線圈層230，係設置於該絕緣層220內，並被該絕緣層220所包覆，該微線圈層230具有線圈231，作為該微電感層200之電感繞組，用以與一電感值量測電路500連接，其連接方式，可例如透過第1圖中所示之電連接線430，而以有線(wire)的方式達成電性連接，該電連接線430之材料可為鋁(Al)或銅(Cu)等導電性材料；此外，在其他實施例中，亦可透過例如磁耦合的方式連接，即透過磁場耦合該微電感層200以及該電感值量測電路500，而以無線(wireless)的方式連接，均可達到本發明之技術效果，而該電感值量測電路500可例如為電感-電容-電阻測定計(LCR meter)；一第二磁性層240，設置於該絕緣層220之上側，且該微線圈層230係設置於該第一磁性層210與該第二磁性層240之間，而於本實施例中，該第一磁性層210 與該絕緣層220係設置於該氧化層101上。

據此，當該外部物理量P，進入本發明之感測晶片1時，該微電感層200係可相對應地變形，例如本實施例中，整個支撐結構層100呈現一箝制板結構(clamp plate)，而該微電感層200係形成於該支撐結構層100上，當該外部物理量P進入時，該支撐結構100與該微電感層200可往同一方向，即變形方向600的方向變形，從而導致該磁性層210、240因為變形而產生逆磁致伸縮效應(inverse-magnetostricticn effect)，而使該微電感層200的導磁率(permeability)發生改變，可藉由該電感值量測電路500量測到，並可輸出一相對應於該外部物理量之一量測訊號，進而可得知該外部物理量(例如壓力)之大小。

此外，本發明亦可只有一個磁性層，即只設置該第一磁性層210或該第二磁性層240，僅設置一個磁性層只是初始電感值降低，但同樣可以達到本發明的目的及上述的技術效果，但設置兩個磁性層，而將該微線圈層230係設置於該第一磁性層210與該第二磁性層240之間的方式，可減少漏磁及增加電感值(inductance)，使本發明之感測晶片1靈敏性更高，更穩定。

此外，請參考第3A圖及3B圖所示，為本發明第二較佳實施例，其中第3A圖為該實施例之剖面圖，第3B圖為該實施例之上視圖，本實施例與上述實施例之主要差異在於，該支撐結構層100a呈現一懸臂梁(cantilever beam)結構，而該微電感層200係可利用微機電製程而形成於該支撐結構層100a上，該支撐結構層100a具有一固定端部103a 以及一自由端部103b，該自由端部103b係可相對該固定端部103a變形，該自由端部103b之一端與該固定端部103a相連接，另一端相對於該固定端部103a，並且設置有一質量塊300，可用於感測不同的外部物理量，例如加速度。當加速度作用於該質量塊300時，該微電感層200a將產生變形，例如圖3A中的變形曲線700方式變形，此時，質量塊300向下移動，自由端部103b連同氧化層101以及整個微電感層200以變形曲線700方式變形，而拉伸該磁性層210、240使之產生逆磁致伸縮效應(inverse-magnetostriction effect)，而使該微電感層200a的導磁率(permeability)發生改變，此時透過電感值的變化量測，可以達到本發明的目的及上述的技術效果。

以該磁性層210、240之材料為鈷鐵硼(CoFeB)為例，當該外部物理量(例如壓力)進入該感測晶片1時，假設該磁性層210、240承受之應力為σ，根據逆磁致伸縮效應(inverse-magnetostriction effect)，由該應力(σ)引發的磁性非等向性場(magnetic anisotropy filed)可以表示為：

其中，λ為磁致伸縮係數(magnetostriction constant),Ms為鈷鐵硼(CoFeB)的飽和磁化(saturation magnetization)值，而導磁率μ可表示為：

其中，Ho為未承受應力(σ)時(即該外部物理量未進入時感測晶片1時)的磁性非等向性場(magnetic anisotropy filed)，且該Ho可藉由薄膜沉積的厚度或圖形化來控制其值的大小

結合第(1)(2)式可得到導磁率μ與該應力(σ)的關係如下：

由第(3)式可知，外部物理量所產生之應力(σ)與導磁率μ存在一定關係，亦即，應力(σ)的改變將導致導磁率(μ)的改變，最終導致感測晶片1中微電感層200的電感值(inductance)的改變。

另外從第(1)式可知，逆磁致伸縮效應(inverse-magnetostriction effect)正比於應力(σ)，因此，藉由適當的支撐結構層100、100a設計，可使壓力產生之應力(σ)較大，即同樣之壓力，透過由適當的支撐結構層100、100a的設計，產生較大之應力(σ)，進而提升本發明感測晶片的靈敏度(sensitivity)。

以下舉出一實施例，以詳細介紹本發明之感測晶片之製造方法，請參考第4A至4F圖，為製作流程剖面示意圖

請參考第4A圖，首先，提供一支撐結構層400，例如該支撐結構層400可為一矽(Si)底層；接著，在該支撐結構層上400，形成一氧化層401，例如當該支撐結構層400為一矽(Si)底層時，利用半導體製程可形成一二氧化矽層(SiO2)，作為電性隔離層；接著，形成一微電感層410(參考 第4E圖)，其中包含下列步驟：請繼續參考第4A圖，形成一第一磁性層411，例如利用沈積(deposit)方式，沈積一鈷鐵硼(CoFeB)薄膜，作為該微電感層410的導磁層；接著，請參考第4B圖，於該氧化層401上，形成一第一絕緣層412，例如利用塗佈(coating)方式，塗佈聚亞醯胺(polyimide)作為該第一絕緣層412，作為電性隔離之用；於該第一絕緣層412上，形成一微線圈層413，例如利用沈積方式，沈積鋁(Al)層於該第一絕緣層412上，再圖案化(patterning)該鋁(Al)層，以形成該微線圈層413，該微線圈層413具有線圈4131，作為該微電感層410之電感繞組，而該微線圈層413與該第一磁性層411之間，藉由該第一絕緣層412而電性隔離，而其中，圖案化(patterning)係指利用習知的半導體製程，主要包含曝光、蝕刻、顯影等，以製作出該線圈4131。

請參考第4C圖，於該第一絕緣層412上，形成一第二絕緣層414，例如利用塗佈(coating)方式，塗佈聚亞醯胺(polyimide)作為該第二絕緣層414以電性隔離該微線圈層413，並圖案化(patterning)該第二絕緣層414，以形成一焊墊孔4141而露出部分線圈4131供後續製作電性接觸用的焊墊(bonding pad)以連接一外部引線用；接著，固化(curing)該第一絕緣層412及該第二絕緣層414，例如以攝氏250度固化之。

請參考第4D圖，於該第二絕緣層414上，形成一第二磁性層415，例如利用沈積(deposit)方式，沈積一鈷鐵硼(CoFeB)薄膜，作為該微電感層410的導磁層，並對該第 二磁性層415進行圖案化(patterning)，以形成一通孔4151，該通孔4151並相對應於該焊墊孔4141而露出部分線圈4131供後續製作電性接觸用的一焊墊(bonding pad)420(繪於第4E圖)以連接一電連接線430(繪於第1圖)。

請參考第4E圖，去除部分支撐結構層400，例如利用蝕刻(etching)該支撐結構層400的方式以去除部分支撐結構層400，並製作焊墊420，而使該微電感層410電性連接該電感值量測電路500。

習知技藝者應該可以知道，本發明之磁性層210、240之材料除了可為鈷鐵硼(CoFeB)外，亦可為鎳(Ni)或鈷鎳(Co-Ni)或鐵氧體(ferrite)，而該絕緣層412、414之材料可為為其他高分子材料或介電材料例如二氧化矽或氮化矽，此外本實施例中，該微線圈層為平面式(planar)，亦即該線圈4131係彼此平行設置於該第一絕緣層412上，在其他實施例中，該微線圈層亦可利用微機電製程製作出螺旋式(spiral)、螺管式(solenoid)、環形式(toroid)，或彎繞式(meander)，本發明並不以此為限。

此外請參考第5圖所示，為本發明之感測晶片2與電感值量測電路一體化之立體視圖，與前述實施例主要的差異在於，該感測晶片2整合了原本位於外部的電感值量測電路500，而整合製作一電感值量測電路500a與前述的感測器1，於同一支撐結構層100或100a，其原理與功能如前所述，在此不再贅述，而該感測晶片2可藉由該電感值量測電路500a，對外輸出電壓或電流等量測訊號來表示該感測晶片2所量測之外部物理量之大小。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制或限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案的範圍內，可利用上述揭示的技術內容作出變動或修飾為等同變化的等效實施例，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。

100‧‧‧支撐結構層

101‧‧‧氧化層

102‧‧‧基底層

102a‧‧‧第一端部

102b‧‧‧第二端部

102c‧‧‧中央部

200‧‧‧微電感層

210‧‧‧第一磁性層

220‧‧‧絕緣層

230‧‧‧微線圈層

231‧‧‧線圈

240‧‧‧第二磁性層

P‧‧‧外部物理量

600‧‧‧變形方向

Claims (10)

1. 一種感測晶片，包含有：一支撐結構層；以及一微電感層，其係形成於該支撐結構層上，並具有一電感值，該微電感層包含有：一絕緣層；至少一磁性層，該磁性層為磁致伸縮磁性層，設置於該絕緣層之一側；以及一微線圈層，其係設置於該絕緣層內，並被該絕緣層所包覆，該微線圈層具有一線圈，作為該微電感層之電感繞組，並透過該絕緣層與該磁性層電氣隔離；其中，當一外界物理量作用於該感測晶片時，該微電感層係可相對應地產生變形，而造成該微電感層之該電感值的變化；其中，該微電感層係以有線(wire)的方式或無線(wireless)的方式連接一電感值量測電路，該電感值量測電路用以量測該微電感層之該電感值的變化。
2. 如請求項1所述之感測晶片，其中，該微線圈層係為平面式(planar)，而該線圈係彼此平行設置於該絕緣層內。
3. 如請求項1所述之感測晶片，其中，該微線圈層可為螺旋式(spiral)、螺管式(solenoid)、環形式(toroid)或彎繞式(meander)。
4. 如請求項1所述之感測晶片，其中，該外界物理量可為加速度、角速度、氣壓、音波、磁場或流場。
5. 如請求項1所述之感測晶片，其中，該至少一磁性 層包含有一第一磁性層以及一第二磁性層，該第一磁性層設置於該絕緣層之下側，且該第二磁性層置於該絕緣層之上側，且該微線圈層位於該第一磁性層以及該第二磁性層之間。
6. 如請求項1所述之感測晶片，其中，該支撐結構層可為矽、玻璃或複合材料。
7. 如請求項1所述之感測晶片，該絕緣層可為高分子材料或介電材料，其中，該高分子材料可為聚亞醯胺(polyimide)；該介電材料可為二氧化矽或氮化矽。
8. 如請求項1所述之感測晶片，其中，該支撐結構層包含一基底層，該基底層具有一第一端部、一第二端部以及一中央部，其中該第一端部以及該第二端部，係設置於該中央部之兩側，且該中央部之厚度係薄於該第一端部以及該第二端部。
9. 如請求項1所述之感測晶片，其中，支撐結構層呈現一懸臂梁(cantilever beam)結構，並具有一固定端部以及一自由端部，該自由端部係可相對該固定端部變形，該自由端部之一端與該固定端部相連接，另一端相對於該固定端部，並且設置有一質量塊。
10. 如請求項1所述之感測晶片，其中，該磁性層之材料為鈷鐵硼(CoFeB)、鎳(Ni)、鈷鎳(Co-Ni)或鐵氧體(ferrite)。