TWI604209B

TWI604209B - 單晶三軸磁場感測器

Info

Publication number: TWI604209B
Application number: TW102136893A
Authority: TW
Inventors: 蔡永耀; 蔣樂越; 保羅柴拉奇; 趙陽; 顧碩
Original assignee: 美新公司
Priority date: 2012-10-12
Filing date: 2013-10-11
Publication date: 2017-11-01
Also published as: JP2015532429A; DE112013004975B4; US9658298B2; JP6312686B2; DE112013004975T5; CN104755948B; WO2014059110A1; TW201423136A; US20150285873A1; CN104755948A

Description

單晶三軸磁場感測器

本申請案係關於磁感測器，具體而言，本申請案係關於多軸磁感測器。

對於現代電子羅盤應用，尤其需要多軸磁感測器或磁力計(諸如三軸磁感測器)。然而，已知的磁阻(MR)感測器，諸如各向異性磁阻(AMR)感測器、巨磁阻(GMR)感測器、穿隧巨磁阻(TGMR)感測器及相似物僅可偵測平行於裝置平面之磁通量且無法偵測正交於該裝置平面之磁通量。另一方面，霍爾效應感測器可感測正交於裝置平面(即，沿Z軸)之磁通量，但無法感測平行於裝置平面(即，在XY平面中)之磁通量。因此，需要此等感測器之複合幾何配置以在一單一裝置中量測所有三軸之磁通量。

磁場感測器之最常見類型之一者係熟知的磁阻(MR)感測器，其中該感測器之電阻率大體上根據與該磁阻相同之平面中定向之一局部磁場而改變。添加「螺旋條狀紋」結構以容許沿一軸之磁場感測包含方向或向量資訊。磁阻感測器已成功使用於電子羅盤應用中，其中使用兩個感測器偵測與上面安裝該兩個感測器之表面相同之平面中之磁場(X,Y)，以及一額外感測器以一特定方式安裝使得敏感元件適當地對準以感測正交於系統平面之磁場分量(Z)。

存在許多已知的方法來製造具有三軸靈敏度之一磁感測器。一方法係使用與X軸及Y軸感測器相同的技術以正交於該等雙軸XY感測器之佈置封裝一Z軸感測器。例如，三個感測器在被焊接於一印刷電路板(PCB)上作為一模組之前被單獨囊封。在此情況中，如同(例如)美國專利第7,271,586號，該正交(Z)軸感測器直接沿正交於該印刷電路板(PCB)之軸而非沿該平面安裝。然而，此特定正交軸感測器安裝在技術上具有挑戰性且顯著增加製造成本，同時導致最終成品之厚度增加。

另一方法使用佈置於一共同晶粒上之兩種類型之感測器技術，其中一者經構造以感測垂直磁通量信號及另一者經構造以感測水平磁通量信號。

多軸靈敏度亦可藉由在一傾斜表面上建立感測器而達成。例如，美國專利第7,126,330號描述一裝置，其中在一第一表面上提供兩個磁場感測裝置以偵測共平面正交X、Y軸及在該第一表面中產生之一溝渠中佈置一第三磁場感測單元以偵測Z軸方向之磁場。然而，該'330專利受限於該溝渠之傾斜壁可製成使得其等具有相同傾斜角之精度。

已知方法之各者存在相關聯之缺點。例如，將感測方向正交於裝置平面(XY)之一Z軸磁場感測器與一X或Y軸磁場感測器組合需要一或多個封裝步驟以垂直且無顯著角度變化地安裝該Z軸磁場感測器。該等額外步驟顯著添加整個產品製程之成本。此外，定位角度之變化使信號處理複雜化，此係因為在該Z軸磁場感測器不完全垂直時引入來自XY平面之串擾信號。

因此，需要可使用一簡單製程大量生產之一小型、價廉但高性能之三軸磁場感測器。

本發明提供一種三軸磁感測器或磁力計。製造於形成於一矽或其他基板或晶圓上之一凸塊結構之相對側上(即在相對於該基板之平坦表面成一預定角度之表面上)，使用螺旋條狀紋各向異性磁阻(AMR)結構之兩個磁感測器惠斯登電橋(Wheatstone bridge)。在一實施例中，該凸塊結構為使用已知光微影技術形成於一矽基板上之S_iO₂。替代地，該凸塊結構可為Al₂O₃、Si₃N₄、聚醯亞胺、硬烤光阻或可在其上製造磁感測器之其他材料。該凸塊結構之傾斜角度可變化且僅受限於光微影製程。

在本發明之一實施例中，一電橋總成沿Y軸定向且該等電橋互連使得Y及Z通道信號可藉由處理該等電橋信號而產生。X通道信號可由提供於基板或晶圓之水平表面上之一X軸感測器提供。

在本發明之另一態樣中，電橋總成可沿X軸定向以產生X及Z通道信號。在此情況下，Y通道信號可由基板或晶圓之水平表面上之一Y軸感測器提供。

100‧‧‧磁力計

104‧‧‧平坦基板/平坦表面/表面

108‧‧‧凸塊/凸塊結構

112‧‧‧上傾斜表面

116‧‧‧下傾斜表面

204‧‧‧第一差動放大器

208‧‧‧第二差動放大器

212‧‧‧加法器/第一加法器

216‧‧‧減法器

220‧‧‧第三差動放大器

404‧‧‧螺旋條狀紋(BBP)結構

408‧‧‧各向異性磁阻(AMR)材料條

412‧‧‧導電帶

906‧‧‧減法器

908‧‧‧加法器

910‧‧‧加法器

B1‧‧‧凸塊

B2‧‧‧凸塊

B3‧‧‧凸塊

B4‧‧‧凸塊

B5‧‧‧凸塊

B6‧‧‧凸塊

B7‧‧‧凸塊

B8‧‧‧凸塊

B9‧‧‧凸塊

B10‧‧‧凸塊

B11‧‧‧凸塊

B12‧‧‧凸塊

B13‧‧‧凸塊

B14‧‧‧凸塊

B15‧‧‧凸塊

B16‧‧‧凸塊

H‧‧‧磁場

R1‧‧‧螺旋條狀紋(BBP)電阻器

R2‧‧‧螺旋條狀紋(BBP)電阻器

R3‧‧‧螺旋條狀紋(BBP)電阻器

R4‧‧‧螺旋條狀紋(BBP)電阻器

R5‧‧‧螺旋條狀紋(BBP)電阻器

R6‧‧‧螺旋條狀紋(BBP)電阻器

R7‧‧‧螺旋條狀紋(BBP)電阻器

R8‧‧‧螺旋條狀紋(BBP)電阻器

R1-A‧‧‧電阻器/電阻性元件/前向電阻器元件

R1-B‧‧‧電阻器/電阻性元件

R2-A‧‧‧電阻器/電阻性元件

R2-B‧‧‧電阻器/電阻性元件

R3-A‧‧‧電阻器/電阻性元件

R3-B‧‧‧電阻器/電阻性元件

R4-A‧‧‧電阻器/電阻性元件

R4-B‧‧‧電阻器/電阻性元件

R5-A‧‧‧電阻器/電阻性元件/後向電阻器元件

R5-B‧‧‧電阻器/電阻性元件

R6-A‧‧‧電阻器/電阻性元件

R6-B‧‧‧電阻器/電阻性元件

R7-A‧‧‧電阻器/電阻性元件

R7-B‧‧‧電阻器/電阻性元件

R8-A‧‧‧電阻器/電阻性元件

R8-B‧‧‧電阻器/電阻性元件

WBx‧‧‧第三惠斯登電橋

WBy‧‧‧第一惠斯登電橋

WBz‧‧‧第二惠斯登電橋

WBz1‧‧‧惠斯登電橋

以下參考附圖討論本發明之至少一實施例之各種態樣。應瞭解，為說明之簡單及清楚之故，圖式中所展示之元件不必精確地或按比例繪製。例如，為清楚起見，一些元件之尺寸可相對於其他元件誇大或若干實體組件可包含於一功能塊或元件中。此外，在認為適當處，圖式中可重複元件符號以指示對應或類似元件。為清楚起見，並非在每一圖式中標明每一組件。該等圖式係提供用於說明及解釋之目的而並不旨在作為本發明之限制之一定義。在該等圖式中：圖1A及圖1B係本發明之一實施例之一概念呈現之示意圖；圖2A及圖2B係本發明之一實施例之電路示意圖；圖3A及圖3B係本發明之一實施例之一佈局之示意圖；圖4係根據本發明之一實施例，提供於一凸塊結構上之一螺旋條狀紋各向異性磁阻(AMR)組件之一示意圖；圖5A及圖5B係根據本發明之一實施例之電路示意圖；圖6係本發明之一實施例之一實體佈局之一示意圖；圖7係根據本發明之一實施例之一電路示意圖；圖8係本發明之一實施例之一佈局之一示意圖；及圖9係根據圖8中所展示之本發明之實施例之一電路示意圖。

在以下詳細描述中，描述數種具體細節以提供本發明之實施例之徹底理解。一般技術者應瞭解，本發明之此等實施例可在沒有一些此等具體細節之情況下實施。在其他情況下，未詳細描述熟習的方法、程序及組件以免使本發明之實施例變得晦澀。

在詳細解釋本發明之至少一實施例之前，應瞭解，本發明在其應用方面不限於以下描述中所陳述之或圖式中所繪示之組件之構造及配置之細節。本發明可有其他實施例或可依各種方式實踐或執行。此外，應瞭解，本文中所採用之用語及術語係為描述之目的而不應被視為限制。

應瞭解，為清楚起見，在不同實施例之背景下所描述之本發明之某些特徵亦可在一單一實施例中組合提供。相反地，為簡潔起見，在一單一實施例之背景下所描述之本發明之各種特徵亦可單獨或依任何合適子組合之方式提供。

現在大體上且概述地參考圖1A，一種三軸磁力計100包含一平坦基板104(例如，一矽基板)。藉由任何已知晶圓製程(例如，微影)之操作在表面104上產生一凸塊108，其中基板104首先由S_iO₂覆蓋且接著光阻自旋及圖案化於該S_iO₂覆蓋之基板上。通過一熱回流步驟，一光阻側壁變圓整。一隨後乾式蝕刻製程將移除該光阻及同時移除該S_iO₂。因此，一圖案及側壁輪廓將被轉印至該S_iO₂。凸塊結構108可由S_iO₂或其他材料(包含Al₂O₃、Si₃N₄、聚醯亞胺、硬烤光阻、矽等等) 構成。只要對微影製程不會太陡，傾斜角度可變化。

凸塊108包含一上傾斜表面112及一下傾斜表面116。「上」及「下」之使用僅為說明之目的以為兩表面112、116提供標記從而幫助解釋本發明。在上表面112上提供一第一惠斯登電橋WBy及在下表面116上提供一第二惠斯登電橋WBz。在平坦基板104上提供一第三惠斯登電橋WBx。此等電橋之各者包括此項技術中熟知之螺旋條狀紋(BBP)電阻器。

作為慣例，如圖中所展示，WBx經定向以偵測沿一X軸之一磁場。如圖1B(其為圖1A之一側視圖)中所展示，Z軸被界定為正交於平坦表面104，同時Y軸與X軸共平面但正交於X軸。因此，如圖1B中所見，在傾斜表面112、116上之兩個電橋WBy及WBz將偵測具有來自Y軸及Z軸之各者之分量之一磁場。如下文將更詳細地描述，由於傾斜角度相同，來自兩個電橋WBy、WBz之信號可經處理以獲得在各自Y軸及Z軸上的值。本文中兩個電橋WBy及WBz之配置可稱為一Y/Z偵測器。

現參考圖2A，電橋WBy包括配置於已知惠斯登電橋組態中之四個螺旋條狀紋(BBP)電阻器R1至R4。兩個信號Y+、Y-表示用以判定沿共面於且正交於電阻器R1至R4之軸之磁場強度之分接頭。由於電橋WBy以某個角度位於上表面112上，所以由電橋WBy所量測之磁場將具有Y及Z軸之分量。類似地，電橋WBz包括亦配置於已知惠斯登電橋組態中之四個螺旋條狀紋(BBP)電阻器R5至R8。兩個信號Z+、Z-表示用以判定沿共面且正交於電阻器R5至R8之軸之磁場強度之分接頭。由於電橋WBz以某個角度位於下平面116上，所以由電橋WBz所量測之磁場亦將具有Y軸及Z軸之分量，不過在電橋WBz上之分接頭經配置以指示相對於電橋WBy之Y軸分量之Y軸分量。

在圖2A中，X軸及Y軸位於繪製平面中而由X軸及Y軸之相交點表示之Z軸出現於繪製平面外。

在操作中，一第一差動放大器204用以判定介於Y+與Y-之間之一差值△Vy，作為由WBy所偵測之磁場之指示；及一第二差動放大器208判定介於Z+與Z-之間之一差值△Vz，作為由WBz所偵測之磁場之指示。為了判定沿Z軸之磁場Vz，藉由一第一加法器212之運算將△Vz與△Vy相加在一起以「抵消」在該等信號△Vz及△Vy之各者中之相對Y軸分量。沿Y軸之磁場Vy藉由使用一減法器216自△Vy減去△Vz以「抵消」Z軸分量而判定。

如圖2A中所展示，電橋WBx根據已知原理操作且一第三差動放大器220藉由取得X+與X-之間之差值而判定Vx。

在本發明之一實施例中，如圖3A及圖3B中所展示，提供複數個凸塊B1至B8。各凸塊B1至B8包括如以上所界定之一上表面112及下表面116。此係於圖3B中從方向3A-3A展示。如以下將描述，電橋WBy及WBz跨凸塊B1至B8分佈以偵測沿Y軸、Z軸之磁場。

如以上所討論，在電橋WBy及WBz中之各電阻器R1至R8包括一螺旋條狀紋(BBP)結構404。如圖4中所展示，包括一各向異性磁阻(AMR)材料條408及導電帶412之此等螺旋條狀紋(BBP)結構404配置於上表面112及下表面116上。在以上所討論之美國專利第7,126,330號中可找到AMR類型之感測器單元之一較佳描述。如在此說明書中所遵循的慣例，在上表面112上之BBP結構404稱為一前向螺旋條狀紋(BBP)，即，導電帶在////////方向上，同時在下表面116上之螺旋條狀紋(BBP)結構404由於導電帶在\\\\\\\\方向上而稱為一後向螺旋條狀紋(BBP)，各者相對於由箭頭H表示的磁場H。

由於存在八個凸塊B1至B8，如圖5A及圖5B中所示意性地展示，兩個電橋WBy、WBz之八個電阻器R1至R8之各者分為一A及B電阻性元件。

如上所述，電橋WBy之電阻器R1至R4分佈於凸塊B1至B8之上表面112上，其中電阻器R1-A、R1-B、R3-A及R3-B係前向螺旋條狀紋(BBP)且電阻器R2-A、R2-B、R4-A及R4-B係後向螺旋條狀紋(BBP)。電橋WBz之電阻器R5至R8分佈於凸塊B1至B8之下表面116上，其中電阻器R5-A、R5-B、R7-A及R7-B係後向螺旋條狀紋(BBP)且電阻器R6-A、R6-B、R8-A及R8-B係前向螺旋條狀紋(BBP)。

參考圖6，電阻性元件R1-A、R1-B,....R8-A及R8-B跨凸塊B1-B8分佈。有利地，該等凸塊之傾斜表面之角度之任何製程偏差或略微差值將由兩個電橋WBy及WBz之電阻性元件之交叉而平衡。

圖7中呈現兩個電橋WBy、WBz及各自凸塊B1至B8之一電示意圖。如圖中所展示，兩個電橋藉由定位對應電阻器於相同凸塊之相對面上而相互交錯。作為一實例，凸塊B3包含上表面112上之前向電阻器元件R1-A以及凸塊B3之下表面116上之後向電阻器元件R5-A。

在前述實施例中，Y/Z偵測器與一X軸偵測器結合使用以使用一整合裝置獲得在所有三軸上之磁場量測值。在一替代實施例中，X軸偵測器為在經定向正交於構成Y/Z偵測器之凸塊之一第二組凸塊上之兩個額外惠斯登電橋所取代。

因此，如圖8中所展示，與上述Y/Z偵測器具有相同建構之一X/Z偵測器提供於基板中且正交於該Y/Z偵測器。如圖中所展示，X/Z偵測器包含具有對應上及下表面及建構與已描述之Y/Z偵測器相同之螺旋條狀紋(BBP)電阻器元件之凸塊B9至B16。因此，凸塊B1至B8之上/下表面之一凸塊軸BAy與Y軸對準，同時凸塊B9至B16之一凸塊軸BAx與X軸對準。其上提供兩個惠斯登電橋WBx及WBz1且分別在X軸及Z軸上感測磁場。

在操作中，參考圖9中之示意圖，如先前所描述般獲得沿Y軸之磁場之量測值。類似地，沿X軸之量測值藉由減法器906之運算取得 △Vz1與△Vx之間之差值而獲得。

有利地，沿Y軸之磁場之一更精確的量測值藉由加法器212、908及910將△Vz0、△Vy、△Vz1及△Vx相加在一起而獲得使得在X軸上之相反量測值彼此抵消，同樣Y軸上之相反量測值彼此抵消，因此僅保留歸因於Z軸上之磁場產生的量測值。

藉由已知光微影沈積製程可在上傾斜表面112及下傾斜表面116上提供螺旋條狀紋(BBP)結構404。因此，凸塊傾斜之角度將影響沈積製程，導致在傾斜之上面部分之各向異性磁阻(AMR)材料條及導電帶相對於沈積於該傾斜之下面部分之材料條及導電帶略微較厚。已判定此略微厚度差提供一功能優點，不過沈積製程當然亦可經組態以沈積電橋以在傾斜之所有部分上具有一致的厚度。

應注意，凸塊之數目可經選擇以大於八個且一般技術者將瞭解如何跨該等凸塊分佈電橋電阻器元件。

此外，儘管該等凸塊展示為在上表面112與下表面116之間具有一平坦表面(即，一梯形截面)，該等凸塊之截面可更為三角形橫截面且在頂部變尖而非具有一平坦截面。因此，一「凸塊」係提供一對相鄰、對稱傾斜表面之一結構。

此外，差動放大器、加法器及減法器可併入或整合至基板中或「離開」基板提供。另外，該等差動放大器、該等加法器及減法器之功能可在(例如)一數位、類比或混合實施方案中之一ASIC內實施且此等實施方案被視為落入本發明之範疇內。

因此，已描述本發明之至少一實施例之若干特徵，應瞭解，熟習此項技術者將輕易地作出各種替代、修改及改良。此等替代、修改及改良旨在作為本發明之部分且旨在落入本發明之範疇內。因此，前述描述及圖式僅係舉例，且本發明之範疇應自隨附申請專利範圍之適當建構及其等效物而判定。