專利名稱：磁場傳感器和用于制造磁場傳感器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的磁場傳感器。
背景技術(shù)：
這樣的微機(jī)械式磁場傳感器是廣泛公知的。例如由文獻(xiàn)DE 44 42 441A1和EP 1 052 519 Bl公知了所謂的“磁通門(Fluxgate) ”類型的磁場傳感器，其包括半導(dǎo)體襯底、激勵元件、兩個檢測線圈和一個磁芯。激勵元件在此分別包括激勵線圈，該激勵線圈以具有勵磁頻率的交流電運(yùn)行，由此在磁芯中根據(jù)相同頻率的磁滯(B-H曲線)產(chǎn)生磁通量。磁芯包括鐵磁材料，其通過激勵元件周期性地帶入磁飽和中。磁飽和在此意味著，附加的外部場不產(chǎn)生磁芯中的磁通量的顯著增加。磁芯中的磁通量與磁導(dǎo)率和磁場的乘積成比例。因此磁導(dǎo)率在飽和區(qū)域中比較小，而其在磁滯過零點(diǎn)時比較大。由于磁導(dǎo)率的非線性，存在的待測量的外部磁場引起能夠借助檢測線圈檢測的磁通量的失真。檢測線圈此外反向地圍繞磁芯布置，使得在檢測線圈中通過磁芯中的磁通量感應(yīng)出的感應(yīng)電流的和在沒有待測量的外部磁場時等于零。在存在待測量的外部磁場時，這些感應(yīng)電流中的每個由于鐵磁性磁芯的非線性的磁導(dǎo)率而含有取決于外部磁場的勵磁頻率的不同諧波。感應(yīng)電流的和因此不等于零并且是待測量的外部磁場的大小的量度。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，激勵線圈包括線圈橫截面，該線圈橫截面垂直于該裝置的襯底的主延伸平面定向，其中，線圈橫截面被磁場中心地穿過。該裝置的缺點(diǎn)是，傳導(dǎo)磁通的結(jié)構(gòu)不能以標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝實(shí)施在該裝置中。由于在CMOS工藝中不常見的材料鎳和鐵，因此存在增加的污染風(fēng)險，使得該步驟在很多CMOS生產(chǎn)線中不能應(yīng)用。此外根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)公知了具有平行于主延伸平面的線圈橫截面的激勵線圈。由于該激勵線圈的平面型的結(jié)構(gòu)方式，這種磁場傳感器的實(shí)現(xiàn)方式比較耗費(fèi)空間并且由此耗費(fèi)成本。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)并列權(quán)利要求的按本發(fā)明的磁場傳感器和按本發(fā)明的用于制造磁場傳感器的方法相對于現(xiàn)有技術(shù)具有優(yōu)點(diǎn)，即能夠?qū)崿F(xiàn)磁場傳感器的結(jié)構(gòu)空間比較緊湊且由此成本比較高效的實(shí)現(xiàn)方式，其中，同時排除了在制造磁場傳感器時通過外來材料、尤其是在安裝磁芯時的污染。按本發(fā)明的磁場傳感器由此能夠有利地以標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造工藝、尤其是以 CMOS工藝制造。這通過以下方式實(shí)現(xiàn)激勵線圈具有線圈橫截面，該線圈橫截面基本上垂直于襯底的主延伸平面定向，其中，磁芯在線圈橫截面的徑向上在線圈橫截面外部地優(yōu)選布置在襯底上。這具有優(yōu)點(diǎn)，即襯底中的電和電子結(jié)構(gòu)的制造和尤其是襯底中的激勵線圈和/或檢測線圈的制造與磁芯在襯底上的布置無關(guān)地實(shí)現(xiàn)并且由此能夠以標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造方法、尤其是以CMOS工藝制造。在此排除了外來顆粒進(jìn)入到襯底中。磁芯尤其是只有在襯底的熱封之后才布置在該襯底的表面上。術(shù)語“線圈橫截面”在本發(fā)明的意義上尤其包括激勵線圈的這樣一個面，該面垂直于由激勵線圈感應(yīng)的磁場定向并且通過激勵線圈的繞組向外限界。盡管磁芯布置在激勵線圈的外部，通過激勵線圈仍以有利的方式在磁芯中感應(yīng)出磁通量，其對于根據(jù)“磁通門”傳感器原理的傳感器裝置是可用的。襯底在每個任意的實(shí)施方式中優(yōu)選包括半導(dǎo)體襯底和特別優(yōu)選包括硅襯底。本發(fā)明的有利的設(shè)計方案和擴(kuò)展構(gòu)型能夠由從屬權(quán)利要求以及由參照附圖的說明得出。根據(jù)一種優(yōu)選的實(shí)施方式規(guī)定，磁芯垂直于主延伸平面布置在線圈橫截面外部并且優(yōu)選地布置在襯底的表面、優(yōu)選外表面上。由此能夠以有利的方式實(shí)現(xiàn)磁場傳感器的比較簡單且節(jié)省成本的制造，其方式是在尤其是以標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制造襯底中的電和電子結(jié)構(gòu)之后磁芯簡單地布置在襯底上或者垂直于主延伸平面布置在激勵線圈上方。這優(yōu)選地在單獨(dú)的制造方法中執(zhí)行。表面在本發(fā)明的意義上尤其是包括襯底的平面型的面和/或襯底表面上的凹部，磁芯被安裝到該凹部中。根據(jù)一種優(yōu)選的實(shí)施方式規(guī)定，襯底包括層狀結(jié)構(gòu)，其中，激勵線圈包括多個正向線(Hinleiter)和多個反向線(Rilckleiter)，其中，所述多個正向線和多個反向線優(yōu)選垂直于主延伸平面地布置在層狀結(jié)構(gòu)的不同層中和/或布置在襯底的不同側(cè)上。由此特別有利的是，激勵線圈能夠以標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造方法制造，其中，正向線和反向線在不同的金屬化平面中實(shí)現(xiàn)，這些金屬化平面優(yōu)選借助電接觸元件，即所謂的“Vias”相互連接。這能夠?qū)崿F(xiàn)磁場傳感器的比較成本有效的制造。反向線尤其是用于使多個正向線中的各個正向線相互導(dǎo)電地連接。特別優(yōu)選地，多個正向線布置在襯底的背面上。由此以有利的方式使正向線和反向線之間的距離比較大，從而產(chǎn)生較大的電場。根據(jù)一種優(yōu)選的實(shí)施方式規(guī)定，垂直于主延伸平面通過磁芯至少部分地覆蓋多個正向線。由此以有利的方式由激勵線圈和尤其是由通過正向線的電流在磁芯中產(chǎn)生磁通量。磁芯在此優(yōu)選以交替方式以磁飽和運(yùn)行并且由此可供根據(jù)“磁通門”原理的外部磁場檢測使用。根據(jù)一種優(yōu)選的實(shí)施方式規(guī)定，垂直于主延伸平面將多個正向線基本上布置在磁芯和多個反向線之間。由此以有利的方式使磁芯和正向線之間的距離明顯小于磁芯和反向線之間的距離，從而由正向線在磁芯的位置上產(chǎn)生的磁通量明顯大于由反向線在磁芯的區(qū)域中產(chǎn)生的磁通量。合成的總磁通量由此通過由正向線產(chǎn)生的磁通量確定并且不等于零， 使得磁芯通過激勵線圈中的電流帶入磁飽和中。磁芯優(yōu)選包括軟磁性材料和尤其包括鐵鎳合金。磁芯由此能夠比較簡單地磁化。根據(jù)一種優(yōu)選的實(shí)施方式，磁場傳感器具有用于讀出磁芯中的磁通量的檢測線圈，其中，檢測線圈優(yōu)選包括線圈橫截面，該線圈橫截面平行于和/或垂直于主延伸平面定向。檢測線圈優(yōu)選相互反向地布置，使得由激勵線圈在磁芯中感應(yīng)出的磁通量導(dǎo)致檢測線圈中的檢測電流，該檢測電流在沒有待測量的外部磁場時相互抵消。在存在待測量的外部磁場時，外部磁場的附加的矢量分量在檢測線圈中感應(yīng)出合成信號，該合成信號與待測量的外部磁場成比例。檢測線圈的線圈橫截面或者平行于或者垂直于主延伸平面定向。由此有利地或者實(shí)現(xiàn)具有垂直于主延伸平面的線圈橫截面的檢測線圈的結(jié)構(gòu)空間比較緊湊的布置，與在激勵線圈中類似，其中，磁芯尤其是布置在線圈橫截面外部；或者能夠?qū)崿F(xiàn)在襯底表面上的比較簡單的線圈布置，其中，線圈橫截面在該情況下基本上平行于主延伸平面定向。檢測線圈通常構(gòu)造成明顯小于激勵線圈，使得在平行于主延伸平面的線圈橫截面時附加地所需的結(jié)構(gòu)空間比較小。
根據(jù)一種優(yōu)選的實(shí)施方式規(guī)定，垂直于主延伸平面在正向線和反向線之間設(shè)置接觸元件和/或介電層。有利地，正向線和反向線通過接觸元件相互電接觸，其中，接觸元件尤其是包括所謂的“Vias”，其在半導(dǎo)體制造工藝中使不同的金屬化平面相互連接。介電層優(yōu)選被設(shè)置用于使正向線與線圈橫截面中的相應(yīng)反向線相互電絕緣。介電層尤其包括氧化層，該氧化層根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)以半導(dǎo)體制造工藝布置在不同的金屬化平面之間。由此有利地，激勵線圈的比較成本有利的制造能夠以標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造方法實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的另一個主題是用于制造磁場傳感器的方法，其中，在第一制造步驟中提供襯底，在第二制造步驟中在襯底中制造激勵線圈并且在第三制造步驟中將磁芯在線圈橫截面的徑向方向上布置在線圈橫截面的外部。因此與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)空間比較緊湊的磁場傳感器的明顯成本更有利的制造。這通過以下方式實(shí)現(xiàn)第一和第二制造步驟能夠以標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造工藝、尤其是以標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，使得僅僅在第三制造步驟中需要附加的方法，在附加的方法中僅僅必須將磁芯在激勵線圈的區(qū)域中布置在襯底上。尤其地，磁芯的布置在激勵線圈的制造期間不是必須的，從而防止了半導(dǎo)體材料被磁芯材料污染。盡管磁芯布置在激勵線圈外部，通過激勵線圈仍有利地在磁芯中感應(yīng)出對于根據(jù)“磁通門，，傳感器元件的傳感器裝置可用的磁通量。根據(jù)一種優(yōu)選的實(shí)施方式規(guī)定，在第三制造步驟中將磁芯垂直于主延伸平面布置在線圈橫截面外部并且優(yōu)選布置在襯底的表面、尤其外表面上，使得第三制造步驟能夠相對簡單且成本低廉地執(zhí)行。根據(jù)一種優(yōu)選實(shí)施方式規(guī)定，在第二制造步驟的第一分步驟中產(chǎn)生多個反向線， 在第二制造步驟的第二分步驟中產(chǎn)生多個正向線和/或在第二制造步驟的第三分步驟中在所述襯底中產(chǎn)生多個接觸元件和/或多個介電層。該第三分步驟在此優(yōu)選在第一分步驟或第二分步驟之前、期間和/或之后執(zhí)行。特別優(yōu)選地，第一、第二和/或第三分步驟被多次執(zhí)行。激勵線圈以有利的方式由此能夠在標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造工藝中制造，其中，先后在襯底上沉積不同的金屬化層。在下面的金屬化平面中在此在第一分步驟的范圍內(nèi)產(chǎn)生多個反向線，這些反向線分別相互電絕緣。在稍后的第二分步驟中然后在襯底上沉積一個另外的金屬化平面，在該另外的金屬化平面中產(chǎn)生多個正向線。正向線在此相互電絕緣。布置在不同的金屬化平面中的反向線和正向線以有利的方式通過接觸元件、即所謂的Vias導(dǎo)電地相互連接。在激勵線圈的內(nèi)部中，反向線和相應(yīng)的正向線通過介電層相互電絕緣。在變換的實(shí)施方式中規(guī)定，在第二制造步驟期間也制造磁場傳感器的檢測線圈。


本發(fā)明的實(shí)施例在附圖中示出并且在下面的說明書中詳細(xì)描述。圖1示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的磁場傳感器的示意性剖視圖；圖2示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的磁場傳感器的示意性俯視圖；圖3示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的磁場傳感器的激勵線圈和磁芯的示意性側(cè)視圖。在不同的圖中相同的部件始終用相同的附圖標(biāo)記表示并且因此同樣也分別僅命名或提到一次。
具體實(shí)施例方式圖1示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的磁場傳感器1的示意性剖視圖。該磁場傳感器1包括襯底2，在襯底中布置激勵線圈4，優(yōu)選半導(dǎo)體襯底和特別優(yōu)選硅襯底。激勵線圈4具有線圈橫截面4’，該線圈橫截面垂直于襯底2的主延伸平面100定向并且被激勵線圈4的繞組限定。在激勵線圈4的區(qū)域中，在襯底2的表面2’上這樣地布置磁芯3，使得磁芯3在線圈橫截面4’的徑向方向上位于線圈橫截面4’外部。激勵線圈4包括正向線5 和反向線6，它們借助接觸元件7導(dǎo)電地相互連接。正向線5和磁芯3之間的垂直于主延伸平面100的距離明顯小于反向線6和磁芯3之間的垂直于主延伸平面100的距離，因?yàn)檎蚓€5基本上垂直于主延伸平面100地布置在磁芯3和反向線6之間。在電流流過激勵線圈4時，在磁芯3中一次通過正向線5產(chǎn)生磁通量并且一次通過反向線6產(chǎn)生磁通量。因?yàn)檎蚓€5和磁芯3之間的距離明顯更小，所以在流過正向線5和反向線6的電流相同時， 由正向線5在磁芯3中感應(yīng)出的磁通量明顯大于由反向線6在磁芯3中產(chǎn)生的磁通量。流過激勵線圈4的電流由此在磁芯3中產(chǎn)生合成的磁通量，由此磁芯3尤其是在磁飽和中運(yùn)行并且對于根據(jù)“磁通門”傳感器原理(也稱為福斯特探針)的傳感器裝置是可用的。激勵線圈4安裝在襯底2中的多層狀結(jié)構(gòu)中。襯底2為此包括晶片10，在該晶片上沉積第一氧化層11。在第二制造步驟的第一分步驟中，在第一氧化層11上沉積第一金屬化平面，在該第一金屬化平面中制造多個反向線6，其中，所述多個反向線6相互電絕緣。在第一金屬化平面上沉積介電層12、13并且在介電層12、13內(nèi)部沉積接觸元件7。在第二制造步驟的第二分步驟中沉積第二金屬化平面，在該第二金屬化平面中產(chǎn)生多個正向線5。所述多個正向線5中的正向線5又相互電絕緣。在第二金屬化平面上沉積一個另外的介電層14。所述介電層12、13和另外的介電層14優(yōu)選包括氧化物并且特別優(yōu)選包括二氧化硅。所述多個反向線6和所述多個正向線5優(yōu)選包括金屬。反向線6和正向線5借助接觸元件7、即所謂的“Vias”導(dǎo)電地相互連接，使得在襯底2中實(shí)現(xiàn)激勵線圈4，該激勵線圈平行于主延伸平面 100在襯底2中延伸。優(yōu)選地規(guī)定，磁場傳感器1包括檢測線圈，該檢測線圈在圖1中未示出并且被設(shè)置用于檢測在磁芯3中通過待測量的外部場、例如地球磁場或者檢測體發(fā)出的磁場產(chǎn)生的磁通量。檢測線圈優(yōu)選包括線圈橫截面，該線圈橫截面或者平行于或者垂直于主延伸平面100定向。磁場傳感器1與現(xiàn)有技術(shù)相比尤其是能夠以標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造方法和尤其是以CMOS工藝制造。在圖2中示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的磁場傳感器1的示意性俯視圖，其中在圖2中示出在圖1中所示的磁場傳感器1的沿著箭頭101的俯視圖。出于清楚的考慮， 圖2在此僅僅示出所示多個正向線5、多個反向線6、接觸元件7和磁芯3。正向線5基本上相互平行地定向并且相互間隔開。在正向線5的平面中，不同的正向線5分別相互電絕緣，而在反向線6的平面中，各個反向線6相互電絕緣。正向線5分別通過接觸元件7與相應(yīng)的反向線6電連接。在此，正向線5的各一個端部與一個反向線6連接，而該正向線5的另一個端部與另一個反向線6連接。垂直于主延伸平面100至少部分地覆蓋正向線5和反向線6的磁芯3作為虛線示意性地被示出。箭頭102代表由正向線5產(chǎn)生的磁通量，其大于通過箭頭103代表的源于反向線6的磁通量。這通過不同的箭頭大小102、103表明。在磁芯3中產(chǎn)生的磁通密度由此主要通過正向線5感應(yīng)出來，而反向線6主要用于激勵線圈 4的線圈布線。
在圖3中示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的磁場傳感器1的反向線6、正向線5、接觸元件7和磁芯3的示意性側(cè)視圖。圖3此外示出通過反向線6中的電流產(chǎn)生的磁通密度 50和通過經(jīng)過正向線5的電流產(chǎn)生的磁通密度51。磁通密度比較強(qiáng)烈地取決于到傳導(dǎo)電流的導(dǎo)線的距離。由正向線5在磁芯3中產(chǎn)生的磁通密度由此明顯大于由反向線6在磁芯 3中產(chǎn)生的磁通密度，使得反向線6和正向線5的磁通密度不相互補(bǔ)償，并且由此在磁芯3 中產(chǎn)生凈磁通密度，該凈磁通密度對于磁場傳感器1的根據(jù)“磁通門”傳感器原理的傳感器功能是可用的。
權(quán)利要求
1.磁場傳感器(1)，其包括襯底(2)和磁芯(3)，其中，所述襯底(2)具有用于在所述磁芯(3)中產(chǎn)生磁通量的激勵線圈(4)并且所述激勵線圈(4)具有線圈橫截面(4’)，該線圈橫截面基本上垂直于所述襯底(2)的主延伸平面(100)定向，其特征在于，所述磁芯(3) 在所述線圈橫截面(4’ )的徑向方向上布置在所述線圈橫截面(4’ )外部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的磁場傳感器(1)，其特征在于，所述磁芯(3)垂直于所述主延伸平面(100)地布置在所述線圈橫截面(4’)外部并且優(yōu)選布置在所述襯底(2)的表面、尤其外表面(2，)上。
3.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)的磁場傳感器(1)，其特征在于，所述襯底(2)包括層狀結(jié)構(gòu)，其中，所述激勵線圈(4)包括多個正向線(5)和多個反向線(6)，其中，所述多個正向線(5)和所述多個反向線(6)優(yōu)選垂直于所述主延伸平面(100)地布置在所述層狀結(jié)構(gòu)的不同層中和/或布置在所述襯底(2)的不同側(cè)上。
4.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)的磁場傳感器(1)，其特征在于，垂直于所述主延伸平面(100)地通過所述磁芯(3)至少部分地覆蓋所述多個正向線(5)。
5.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)的磁場傳感器(1)，其特征在于，垂直于所述主延伸平面(100)地將所述多個正向線(5)基本上布置在所述磁芯(3)和所述多個反向線(6)之間。
6.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)的磁場傳感器(1)，其特征在于，所述磁場傳感器(1)具有用于檢測所述磁芯(3)中的磁通量的檢測線圈，其中，所述檢測線圈優(yōu)選具有檢測線圈橫截面，該檢測線圈橫截面平行于和/或垂直于所述主延伸平面(100)定向。
7.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)的磁場傳感器(1)，其特征在于，垂直于所述主延伸平面(100)地在所述正向線(5)和所述反向線(6)之間布置接觸元件(7)和/或介電層(8)。
8.用于制造根據(jù)權(quán)利要求1或根據(jù)權(quán)利要求1前序部分的磁場傳感器(1)的方法，其特征在于，在第一制造步驟中提供襯底(2)，在第二制造步驟中在所述襯底(2)中制造激勵線圈(4)，和在第三制造步驟中將磁芯(3)在線圈橫截面(4’)的徑向方向上布置在所述線圈橫截面(4’ )外部。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于，在第三制造步驟中將所述磁芯(3)垂直于所述主延伸平面(100)地布置在所述線圈橫截面(4’ )外部并且優(yōu)選布置在所述襯底(2)的表面、尤其外表面上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于，在第二制造步驟的第一分步驟中產(chǎn)生多個反向線(6)，在第二制造步驟的第二分步驟中產(chǎn)生多個正向線(5)和/或在第二制造步驟的第三分步驟中在所述襯底(2)中產(chǎn)生多個接觸元件(7)和/或多個介電層(8)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包括襯底和磁芯的磁場傳感器，其中，所述襯底具有用于在所述磁芯中產(chǎn)生磁通量的激勵線圈并且所述激勵線圈具有線圈橫截面，該線圈橫截面基本上垂直于所述襯底的主延伸平面定向，此外所述磁芯布置在所述線圈橫截面外部。
文檔編號G01R33/04GK102483445SQ201080037050
公開日2012年5月30日 申請日期2010年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月21日
發(fā)明者A·法伊, F·沙茨, T·富克斯 申請人:羅伯特·博世有限公司