专利名称：用于测量磁场的方向和/或强度的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量磁场的方向和/或强度的装置，包括用于检测第一空间方向上的第一磁场分量的第一传感器，用于检测第二空间方向上的第二磁场分量的第二传感器和用于检测第三空间方向上的第三磁场分量的第三传感器。
背景技术：
开始部分所述类型的装置例如可以用于测量地磁场的方向和强度。测量到的地磁场方向例如可以通过数字罗盘的形式显现给使用者。此外，导航系统或自动驾驶仪可以使用这些测量值以控制车辆、飞机或船只。
为了三维检测磁场的方向、例如地磁场的方向，必须检测全部三个空间方向。为此，在现有技术中例如提出，使用霍尔传感器。但是，对于这种解决方案，以下事实是不利的仅仅可以足够准确地确定垂直于传感器平面的场分量。相反，不可能足够准确地测量传感器平面中的两个场分量。因此，对全部三个磁场空间方向的检测需要多个霍尔传感器，这些霍尔传感器分别彼此正交地布置。
由此，用于三维测量磁场的方向和/或强度的装置在制造时制造耗费很高。此外， 这种根据现有技术的装置需要相对较大的结构空间。
发明内容
从现有技术出发，本发明的任务在于，提供一种用于三维测量磁场的方向和/或强度的装置，其具有小的结构尺寸并且可简单且成本有利地进行制造。
根据本发明，所述任务通过一种用于测量磁场的方向和/或强度的装置解决，其包含用于检测第一空间方向上的第一磁场分量的第一传感器、用于检测第二空间方向上的第二磁场分量的第二传感器和用于检测第三空间方向上的第三磁场分量的第三传感器，其中，第一传感器包含至少一个霍尔传感器并且第二和/或第三传感器包含至少一个磁通门传感器。
根据本发明建出至少一个霍尔传感器与至少一个磁通门传感器进行组合。在此， 所述霍尔传感器以最大灵敏度检测垂直于传感器表面的磁场分量。相反，磁通门传感器设置用于检测传感器平面内的磁场分量。因此，至少一个霍尔传感器和至少一个磁通门传感器可以节省空间地设置在一个平面中，例如设置在一个唯一的半导体衬底上。只要设置至少两个大致围成直角的磁通门传感器，则可以检测全部三个空间方向上的磁场，不需要与第一半导体衬底成直角的第二半导体衬底。因此，根据本发明提出的传感器节省了结构高度并且可简单地进行制造。
在本发明的一个优选的进一步构型中，包含霍尔传感器和磁通门传感器的半导体衬底包括至少一个另外的部件。借助于这些附加的部件，例如可以进行传感器的供电或者测量值检测。此外，这些部件可被用于对传感器的输出值进行可信度测试、放大、鉴别或者数字化。
本发明的另一个优选构型可以规定，对于每个空间方向设置多个传感器，以便以此方式通过冗余的测量来提高装置的可靠性。
在本发明的另一个进一步构型中提出，通过平面线圈技术或3D微线圈技术在半导体衬底上制造至少一个磁通门传感器。在此，磁通门传感器例如可以设置在一个或在两个金属平面中。以此方式，可以在一个工序中在半导体衬底上制造磁通门传感器连同霍尔传感器以及其它电子部件。
根据本发明提出的装置尤其可被用于测量地磁场的方向和/或强度。所述装置尤其适用于消费类电子产品，例如移动电话、PDA或导航设备。
以下根据一个实施例更详细地说明本发明，但不限制一般的发明构思。
附图示出 图1 组件在衬底上的布置。
具体实施例方式根据图1的装置设置在衬底10上。在此，衬底10包括例如一个半导体衬底，尤其是一个硅衬底。为了调节可预给定的传导率，半导体衬底10可以设有掺杂物质。为了防止衬底10与设置在衬底10的表面上的部件之间的电短路，衬底10的表面可以涂敷有绝缘体。在此，所述绝缘体尤其可以包含氮化硅、二氧化硅或氮氧化硅。
在衬底10的表面上设置有霍尔传感器12。在此，霍尔传感器12包括一个在空间上限界的区域，所述区域包含具有高载流子迁移率的半导体材料。沿着霍尔传感器12的方向，在传感器工作时施加一个电场，所述电场引起流过传感器的电流。在存在在垂直于衬底 10的表面的方向上起作用的磁场时，在霍尔传感器12上可以在与电流正交的方向上测量到电压，所述电压随着磁场的场强而升高。因此，霍尔传感器12用于测量磁场的垂直于半导体衬底10的表面的场分量。
也可以通过本身公知的方式通过结构化半导体衬底10来制造霍尔传感器12。在本发明的另一个实施方式中，气态的霍尔传感器12的材料被沉积在半导体衬底的表面上并且随后被结构化以及设置金属的连接接触单元。
因为霍尔传感器12设置用于探测基本上垂直于衬底10的表面起作用的磁场或磁场分量z，所有设有两个磁通门传感器13和14，以便探测衬底10的χ-y平面中的磁场或磁场分量。为此，第一磁通门传感器13和第二磁通门传感器14大致彼此正交地布置。因此， 连同霍尔传感器12，可以确定所有三个空间方向上的三个磁场分量。由此，能够确定磁场在空间中的定向。
每个磁通门传感器13和14包括至少一个线圈芯，所述至少一个线圈芯优选由软磁材料组成。围绕线圈芯分别设置有激励线圈和检测线圈。通过借助于激励线圈在线圈芯中循环地感应磁场以及同相地扫描检测线圈中的感应信号，因此可以借助于磁通门传感器 13确定方向χ上的磁场或磁场分量。以相同的方式，磁通门传感器14用于确定方向y上的磁场或磁场分量。
磁通门传感器13和14例如可以制造为微机械部件，并且随后通过粘接、焊接或键合固定在衬底10的表面上。在此实施方式中，衬底例如可以由陶瓷或者由印刷电路板构成。
在本发明的另一个实施方式中，磁通门传感器13和14的线圈绕组和线圈芯被气相地沉积在半导体衬底10的表面上并且随后被结构化。沉积例如可以通过气化渗镀、溅镀、化学气相沉积或物理气相沉积来实现。结构化例如可以包括蚀刻步骤，其中，衬底表面的部分区域由光刻漆或硬掩膜保护，以免受到蚀刻侵蚀。在线圈芯与线圈绕组之间可以按具体情况设置绝缘层。优选地，这些层也在气相工艺中被沉积以及随后被结构化。以此方式，可以通过公知的CMOS工艺步骤以简单的方式制造用于测量磁场的方向和/或强度的装置。
此外，半导体衬底10的表面包括一个区域15，所述区域包含用于对三个磁场传感器12、13和14进行控制和数据采集的电子部件。在此，区域15例如包括电流调节装置，借助所述电流调节装置可以产生流过霍尔传感器12的、可预给定的纵向电流。此外，区域15 包括交流电压源，所述电压源提供用于在磁通门传感器13和14的芯中产生交变磁场的线圈电流。最后，区域15包括作为电部件的分析处理电路16，所述分析处理电路读取霍尔传感器12的霍尔电压和在磁通门传感器13和14的测量线圈中感应出的信号电压。
此外，区域15还可以按具体情况包括其他电路，例如用于信号的数字化、用于放大、用于鉴别或者用于可信度测试。按具体情况，也可以设有用于传感器自测试的电路。最后，半导体衬底10的区域15包括可以用于向传感器元件施加工作电压的键合盘以及可以用于读取测量值的其他键合盘。
最终，本发明示出了一种用于三个空间方向的磁场传感器，其中，用于全部空间方向的所有传感器均设置在衬底10的表面上的一个平面中。由此根据本发明提出的传感器具有更低的结构高度。此外，所提出的传感器可以更容易地进行制造，因为为了测量多个彼此正交方向上的磁场不必再在多个衬底上在不同的正交方向上设置多个霍尔传感器12。
对于本领域技术人员而言，显而易见的是，本发明不限于所示出的实施例。在实施本发明时可以进行改变或变化，而不在本质上改变本发明本身。因此，以上说明不应视为限制性的，而应视为说明性的。
权利要求
1.用于测量磁场的方向和/或强度的装置，包含用于检测第一空间方向上的第一磁场分量的第一传感器(12，13，14)，用于检测第二空间方向上的第二磁场分量的第二传感器 (12，13，14)和用于检测第三空间方向上的第三磁场分量的第三传感器(12，13，14)，其特征在于，所述第一传感器包含至少一个霍尔传感器(1 ，并且所述第二传感器和/或所述第三传感器包含至少一个磁通门传感器(13，14)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，至少所述第一传感器、所述第二传感器和所述第三传感器(12，13，14)设置在一个衬底上。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，在所述衬底上设置有至少一个另外的电子部件(16)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述衬底被构造为半导体衬底并且这些传感器(12，13，14)是通过CMOS工艺制造的。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，至少一个磁通门传感器 (13，14)是通过平面线圈技术或3D微线圈技术构造的。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，至少一个磁通门传感器 (13，14)包含芯，所述芯是借助于气相沉积以及随后的结构化构造的。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，设有至少两个磁通门传感器 (13，14)，所述至少两个磁通门传感器被设置用于测量彼此正交的方向上的磁场。
8.移动电话，具有根据权利要求1至7中任一项所述的装置。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的装置的应用，用于测量地磁场的方向和/或强度。
全文摘要
本发明涉及一种用于测量磁场的方向和/或强度的装置，包含用于检测第一空间方向上的第一磁场分量的第一传感器，用于检测第二空间方向上的第二磁场分量的第二传感器和用于检测第三空间方向上的第三磁场分量的第三传感器，其中，第一传感器包含至少一个霍尔传感器，并且第二传感器和/或第三传感器包含至少一个磁通门传感器。
文档编号G01R33/04GK102187240SQ200980140761
公开日2011年9月14日 申请日期2009年8月13日 优先权日2008年10月13日
发明者F·沙茨 申请人:罗伯特·博世有限公司