集成磁通门磁性传感器制造技术

在所描述实例中，一种集成磁通门装置(100)在控制电路(102)上具有磁芯(110)。所述磁芯(110)具有足以具有低磁性噪声和低非线性的体积和内部结构。应力控制结构(158)最接近所述磁芯(110)安置。将励磁绕组(124)、感测绕组(126)和补偿绕组(128)安置于所述磁芯(110)周围。安置于所述控制电路(102)中的励磁电路耦合到所述励磁绕组(124)，被配置成将高频下的电流提供到所述励磁绕组(124)，所述电流足以在所述高频下的每一循环期间在所述磁芯(110)中产生饱和磁场。隔离结构(152)安置于所述磁芯(110)与所述绕组(124)、(126)和(128)之间，足以实现所述励磁绕组(124)和所述感测绕组(126)在低功率下在所述高频下的操作。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】集成磁通门磁性传感器
本专利技术大体涉及磁通门装置，且更确切地说，涉及集成磁通门装置。
技术介绍
集成磁通门装置为形成到半导体装置上的磁通门磁力计，与由离散组件制成的常规宏观磁力计相比，其以低成本、小体积提供磁性感测装置。集成磁通门装置实现新应用，例如，手持型电子罗盘，其需要提供约50微特斯拉的分辨率的性能，例如，具有约50千赫兹(kHz)的噪声带宽或等效性能。分辨率可为外部磁场中的最小可检测到的改变。噪声带宽受到通过磁力计的绕组的电流的频谱影响，其也影响信号量值。例如针对电动机控制的接近性电流感测的额外应用可通过具有提供显著小于50微特斯拉的分辨率的性能的低功率集成磁通门装置来实现。此外，需要达成在可由磁力计测量的可使用的磁场范围(例如，一系列毫特斯拉)上的低非线性。归因于若干交互设计和制造约束，达成集成磁通门装置中那个性能等级已证明是有问题的。对于更敏感性磁力计，需要较大磁芯，但较大核心具有增大的机械应力，增大的机械应力引起导致增大的磁性噪声(包含巴克豪森(Barkhausen)噪声)的结构缺陷。较大磁芯还需要在芯周围的绕组中的较高电流，从而使对低功耗的要求混淆不清。
技术实现思路
在所描述实例中，一种集成磁通门装置具有磁芯，其包含安置在控制电路上的介电层中的磁性材料的两个芯段。每一芯段具有足以在相反极性的磁性饱和之间的过渡期间具有低磁性噪声和低非线性且因此提供高分辨率性能的体积和内部结构。将应力控制结构安置于磁芯周围。励磁绕组围绕磁芯盘绕，被配置成携带足够电流以在每一芯段中、在高频下且在跨励磁绕组的低电压的情况下提供饱和磁场。感测绕组围绕磁芯盘绕，被配置成将对应于在每一芯段中、在高频下的磁化的改变的信号提供到安置于控制电路中的感测电路。补偿绕组围绕磁芯盘绕，被配置成携带足够电流以在每一芯段中提供补偿磁场。将隔离结构安置于所述磁芯与所述绕组之间，足以实现励磁绕组和感测绕组在低功率下、在高频下的操作。附图说明图1A到图1C是实例集成磁通门装置的视图。图2A到图2N是描绘实例形成方法的集成磁通门装置的横截面。图3是形成集成磁通门装置的实例方法的流程图。图4A到图4L是描绘另一实例形成方法的集成磁通门装置的横截面。图5A和图5B是描绘励磁绕组、感测绕组和补偿绕组的替代性配置的另一实例集成磁通门装置的俯视图。图6是再一实例集成磁通门装置的横截面。具体实施方式图式未按比例绘制。可在无下文描述的一或多个具体细节的情况下或与其它方法一起实践实例实施例。一些说明的动作或事件可按不同次序和/或与其它动作或事件同时发生。并且，并不需要所有说明的动作或事件来实施根据实例实施例的方法。一种高敏感性、低功率集成磁通门装置具有磁芯，其包含安置在控制电路上的介电层中的磁性材料的两个平行芯段。每一芯段具有足以在相反极性的磁饱和之间的过渡期间具有低磁性噪声和低非线性的体积和内部结构。最接近(例如，高于和低于)磁芯安置应力控制结构。励磁绕组围绕磁芯盘绕，被配置成携带足够电流以在磁芯中、在高频下且在跨励磁绕组的低电压的情况下提供饱和磁场。感测绕组围绕磁芯盘绕，被配置成将对应于在每一芯段中、在高频下的磁场的改变的信号提供到安置于控制电路中的感测电路。补偿绕组围绕磁芯盘绕，被配置成携带足够电流以在每一芯段中提供补偿磁场。将隔离结构安置于所述磁芯上方和下方，足以实现励磁绕组和感测绕组在低功率下、在高频下的操作。集成磁通量磁力计可能能够有10微特斯拉分辨率(例如，具有100kHz噪声带宽)，或在更高或更低噪声带宽中之等效性能。集成磁通量磁力计可进一步能够有在从-2毫特斯拉到+2毫特斯拉的范围上小于1％的非线性。出于此描述的目的，术语“侧向”指平行于控制电路的顶表面的平面的方向。将“竖直”指垂直于控制电路的顶表面的平面的方向。图1A到图1C是实例集成磁通门装置的视图。参看为俯视图的图1A，集成磁通门装置100包含控制电路102。控制电路102包含励磁电路104、感测电路106和补偿电路108。集成磁通门装置100包含磁芯110。在这个实例中，磁芯110包括第一芯段112和第二芯段114。第一芯段112可具有宽度116(例如，大于50微米)和垂直于宽度116的为宽度116的至少3倍的长度118。第一芯段112的宽度116和长度118大体上平行于控制电路102的半导体衬底的顶表面。第二芯段114可具有大体上等于第一芯段112的宽度116的宽度120，和大体上等于第一芯段112的长度118的长度122。第二芯段114的宽度120和长度122也大体上平行于控制电路102的半导体衬底的顶表面。第一芯段112的长度118和第二芯段114的长度122可相互平行地定向，如图1A中所描绘。第一芯段112和第二芯段114可在平行于其宽度116和120且垂直于其长度118和122且垂直于控制电路102的半导体衬底的顶表面的方向上磁化。垂直于其长度118和122的第一芯段112和第二芯段114的磁化可有利地有助于在高频下的励磁电路104的操作。励磁绕组124、感测绕组126和补偿绕组128围绕磁芯110盘绕。励磁绕组124被配置成携带足够电流以在磁芯110中、在高频下且在跨励磁绕组124的低电压(例如，小于10伏特)的情况下产生饱和磁场。励磁绕组124可具有至少2.5微米的实例厚度以在高频下且在低电压的情况下携带足够电流。励磁绕组124可围绕磁芯110布置，使得通过励磁绕组124的电流在第一方向上在大体上平行于长度118的第一芯段112中诱发第一磁场，且同时在与第一方向相反(例如，反平行)的第二方向上在大体上平行于长度122的第二芯段114中诱发第二磁场。励磁绕组124耦合到励磁电路104，如在图1A中示意性地描绘，例如，通过控制电路102的金属互连件。励磁电路104被配置成将在高频(例如，大于100kHz)下的电流提供到励磁绕组124，所述电流足以在高频下的每一循环期间在磁芯110中产生饱和磁场。此外，励磁电路104可被配置成按显著小于高频的循环时间的15％且可独立于循环时间的上升时间将电流提供到励磁绕组124。上升时间可为在高频下的循环期间的振幅改变的10％下的电流与在90％下的电流之间的时间延迟。在一个实例中，在500kHz的高频下，循环时间为2微秒，且上升时间可小于50纳秒。感测绕组126可围绕磁芯110布置以具有具与围绕第一芯段112的励磁绕组124相同的定向和与围绕第二芯段114的励磁绕组124相反的定向的绕组配置，以提供为由第一芯段112和第二芯段114产生的电压的总和的组合电压。感测绕组126可侧向邻近励磁绕组124且可具有与励磁绕组124大体上相等的厚度。感测绕组126耦合到感测电路106，如在图1A中示意性地描绘，例如，通过控制电路102的金属互连件。感测电路106被配置成提供随由感测绕组126提供的组合电压而变的输出信号。补偿绕组128可围绕磁芯110布置使得通过补偿绕组128的电流在第一方向上在大体上平行于长度118的第一芯段112中诱发第一补偿磁场分量，且同时在第一方向上在大体上平行于长度122的第二芯段114中诱发第二补偿磁场分量，例如，平行于第一补偿磁场分量。补偿绕组128被配置成携带足够电流以在跨补偿绕组128的低电压的情况下在磁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集成磁通门装置，其包括：控制电路，其包括励磁电路和感测电路中的至少一个；磁芯，其包括安置于所述控制电路上的第一芯段和第二芯段，其中所述第一芯段和所述第二芯段中的每一个包括磁性材料；励磁绕组，其围绕所述第一芯段和所述第二芯段中的每一个盘绕，其中所述励磁绕组被配置成将在所述第一芯段和所述第二芯段中的每一个中的所述磁性材料磁化成在高频下饱和；感测绕组，其围绕所述第一芯段和所述第二芯段中的每一个盘绕，其中所述感测绕组被配置成提供对应于在所述高频下的所述第一芯段和所述第二芯段中的磁化的改变的信号；补偿绕组，其围绕所述第一芯段和所述第二芯段中的每一个安置，其中所述补偿绕组被配置成磁化在所述第一芯段和所述第二芯段中的每一个中的所述磁性材料；隔离结构，其将所述磁芯与所述励磁绕组、所述感测绕组和所述补偿绕组隔离；以及应力控制结构，其安置于所述磁芯上方和下方。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.31 US 15/169,6391.一种集成磁通门装置，其包括：控制电路，其包括励磁电路和感测电路中的至少一个；磁芯，其包括安置于所述控制电路上的第一芯段和第二芯段，其中所述第一芯段和所述第二芯段中的每一个包括磁性材料；励磁绕组，其围绕所述第一芯段和所述第二芯段中的每一个盘绕，其中所述励磁绕组被配置成将在所述第一芯段和所述第二芯段中的每一个中的所述磁性材料磁化成在高频下饱和；感测绕组，其围绕所述第一芯段和所述第二芯段中的每一个盘绕，其中所述感测绕组被配置成提供对应于在所述高频下的所述第一芯段和所述第二芯段中的磁化的改变的信号；补偿绕组，其围绕所述第一芯段和所述第二芯段中的每一个安置，其中所述补偿绕组被配置成磁化在所述第一芯段和所述第二芯段中的每一个中的所述磁性材料；隔离结构，其将所述磁芯与所述励磁绕组、所述感测绕组和所述补偿绕组隔离；以及应力控制结构，其安置于所述磁芯上方和下方。2.集成磁通门装置，其中所述第一芯段在第一方向上磁化，且所述第二芯段在平行于所述第一方向的第二方向上磁化。3.根据权利要求1所述的集成磁通门装置，其中：所述控制电路包括所述励磁电路，其中所述励磁电路被配置成将电流提供到所述励磁绕组以将在所述第一芯段和所述第二芯段中的所述磁性材料磁化成在所述高频下饱和；所述控制电路包括所述感测电路，其中所述感测电路耦合到所述感测绕组且被配置成在所述高频下操作；且所述控制电路包括耦合到所述补偿绕组的补偿电路，其中所述补偿电路被配置成将电流提供到所述补偿绕组。4.根据权利要求1所述的集成磁通门装置，其中所述第一芯段和所述第二芯段中的所述磁性材料包括铁和镍。5.根据权利要求1所述的集成磁通门装置，其中所述第一芯段和所述第二芯段各自具有至少1微米的厚度、大于50微米的宽度和至少三倍于所述宽度的长度。6.根据权利要求1所述的集成磁通门装置，其中：所述励磁绕组、所述感测绕组和所述补偿绕组中的每一个包括安置于所述第一芯段和所述第二芯段下方的下部段，其中所述下部段为至少2.5微米厚；且所述励磁绕组、所述感测绕组和所述补偿绕组中的每一个包括安置于所述第一芯段和所述第二芯段上的上部段，其中所述上部段为至少2.5微米厚。7.根据权利要求1所述的集成磁通门装置，其中所述励磁绕组、所述感测绕组和所述补偿绕组各自包括铜。8.根据权利要求1所述的集成磁通门装置，其中所述隔离结构包括安置于所述磁芯下方的至少500纳米的介电材料，且包括安置于所述磁芯上方的至少500纳米的介电材料。9.根据权利要求1所述的集成磁通门装置，其中所述应力控制结构包括安置于所述磁芯下方的包括钛的非磁性金属层。10.根据权利要求1所述的集成磁通门装置，其中所述应力控制结构包括安置于所述磁芯上方的具有压缩应力的无机介电材料层。11.根据权利要求1所述的集成磁通门装置，其中所述应力控制结构包括安置于所述磁芯上方的柔性有机聚合物介电材料层。12.根据权利要求1所述的集成磁通门装置，其中：所述励磁绕组、所述感测绕组和所述补偿绕组包括安置在处于所述第一芯段和所述第二芯段下方的第一多个金属化层面中的下部段；且所述励磁绕组、所述感测绕组和所述补偿绕组包括安置在处于所述第一芯段和所述第二芯段上方的第二多个金属化层面中的上部段。13.根据权利要求1所述的集成磁通门装置，其中：所述励磁绕组、所述感测绕组和所述补偿绕组包括安置于所述第一芯段和所述第二芯段下方的下部段，其中在所述第一芯段和所述第二芯段正下方的部分垂直于所述第一芯段和所述第二芯段的侧边缘定向；且所述励磁绕组、所述感测绕组和所述补偿绕组包括安置于所述第一芯段和所述第二芯段上方的上部段，其中在所述第一芯段和所述第二芯段正上方的部分垂直于所述第一芯段和所述第二芯段的侧边缘定向。14.根据权利要求1所述的集成磁通门装置，其进一步包括无磁性材料的结合衬垫。15.根据权利要求1所述的集成磁通门装置，其中：所述高频为至少100千赫兹kHz；且所述励磁电路被配置成按小于50纳秒的上升时间将电流提供到所述励磁绕组。16....

【专利技术属性】
技术研发人员：E·L·马佐蒂，D·W·李，W·D·佛兰茨，B·J·R·沙尔弗，托马斯·戴尔·博尼菲尔德，R·A·杰克逊，N·吉布森，
申请(专利权)人：德州仪器公司，
类型：发明
国别省市：美国,US