專(zhuān)利名稱(chēng)：差動(dòng)式螺旋形磁場(chǎng)感測(cè)裝置和使用該裝置的磁場(chǎng)檢測(cè)組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種差動(dòng)式螺旋形磁場(chǎng)感測(cè)裝置，該裝置具有與信號(hào)處理器一起集成在半導(dǎo)體基片上的微型閉合磁路，和一種磁場(chǎng)檢測(cè)組件。并且，更具體地說(shuō)本發(fā)明涉及一種使用軟磁薄片式磁心來(lái)檢測(cè)弱于地球磁場(chǎng)的磁場(chǎng)的差動(dòng)式螺旋形磁場(chǎng)感測(cè)裝置，和一種磁場(chǎng)檢測(cè)組件，通過(guò)應(yīng)用LIGA(金屬版印刷術(shù)，電成型術(shù)和塑模法)類(lèi)的工藝和IC(集成電路)制造工藝將信號(hào)處理器和差動(dòng)式螺旋形磁場(chǎng)感測(cè)裝置集成在半導(dǎo)體基片上。
人們已經(jīng)將使用軟磁材料和線圈的磁傳感器用作具有高靈敏度的磁傳感器。這種磁傳感器是通過(guò)在一個(gè)相對(duì)大的由軟磁條做成的桿狀磁心或環(huán)狀磁心周?chē)p繞線圈而制成的。為了準(zhǔn)確地檢測(cè)磁場(chǎng)，電磁鐵回路是必需的。已經(jīng)提出了用軟磁薄片式磁心和平片線圈來(lái)得到磁傳感器的磁場(chǎng)感測(cè)元件的方法。
如

圖1所示，傳統(tǒng)的弱磁場(chǎng)感測(cè)裝置是用軟磁薄片式磁心1a和1b與平片線圈制成的。將兩個(gè)磁心1a和1b設(shè)置成與檢測(cè)軸的方向平行然后被差動(dòng)地驅(qū)動(dòng)。為了抵消沒(méi)有施加外加磁場(chǎng)時(shí)由電磁感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，在兩個(gè)軟磁薄片式磁心1a和1b周?chē)p繞激磁線圈2a-2b和磁場(chǎng)檢測(cè)線圈3a-3b。因而，傳統(tǒng)的弱磁場(chǎng)感測(cè)裝置需要很大面積。此外，由于激磁線圈2a-2b產(chǎn)生的磁通變化以及由磁通變化檢測(cè)線圈3a-3b所檢測(cè)到的磁場(chǎng)，穿過(guò)軟磁薄片式磁心1a和1b的磁通泄漏是不可避免的，這就使得很難以高靈敏度檢測(cè)磁場(chǎng)。
由于傳統(tǒng)的弱磁場(chǎng)感測(cè)裝置是通過(guò)在一個(gè)相對(duì)大的由軟磁條做成的桿狀磁心或環(huán)狀磁心周?chē)p繞線圈而制成的，因此，其制造成本很高。
為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種具有高靈敏度的差動(dòng)式螺旋形磁場(chǎng)感測(cè)裝置，其可以準(zhǔn)確地檢測(cè)外加磁場(chǎng)，并且可以以微小尺寸制作在半導(dǎo)體基片上；以及提供一種使用該裝置的磁場(chǎng)檢測(cè)組件，于是，為實(shí)現(xiàn)上述目的，提供一種差動(dòng)式螺旋形磁場(chǎng)感測(cè)裝置，其包括半導(dǎo)體基片；軟磁薄片式磁心，將其壓成薄片重疊在半導(dǎo)體基片上以形成閉合磁路；激磁線圈，由薄金屬片形成用于交替地對(duì)軟磁薄片式磁心激磁；磁通變化檢測(cè)線圈，由薄金屬片制成用于檢測(cè)軟磁薄片式磁心中的磁通變化；以及一個(gè)零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈，用于產(chǎn)生反磁場(chǎng)分量以消除由外加磁場(chǎng)在軟磁薄片式磁心中產(chǎn)生的磁通變化。
在本發(fā)明中，最好是將軟磁薄片式磁心分成兩部分然后設(shè)置成彼此相互平行，該兩部分軟磁薄片式磁心可以再分成預(yù)定數(shù)目的幾部分；激磁線圈的繞數(shù)為n匝，其中n是正整數(shù)，磁通變化檢測(cè)線圈的繞數(shù)為m匝，其中m是正整數(shù)；以及零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈的繞數(shù)為一匝。將激磁線圈、磁通變化檢測(cè)線圈和零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈壓成薄片，其中，當(dāng)外加磁場(chǎng)為零時(shí)，由激磁線圈產(chǎn)生的感應(yīng)波形被抵消。此外，將兩個(gè)軟磁薄片式磁心設(shè)置成其中的一個(gè)位于另一個(gè)的上方，并且激磁線圈、磁通變化檢測(cè)線圈和零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈在軟磁薄片式磁心中以螺旋形底層、中層和頂層線的形式層壓于三個(gè)平面上。
此外，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種磁場(chǎng)檢測(cè)組件，包括差動(dòng)式螺旋形磁場(chǎng)感測(cè)裝置，該裝置包括半導(dǎo)體基片、壓成薄片重疊在半導(dǎo)體基片上以形成閉合磁路的軟磁薄片式磁心、由薄金屬片形成的用于對(duì)磁薄片式磁心進(jìn)行交替激磁的激磁線圈、由薄金屬片制成的用于檢測(cè)軟磁薄片式磁心中的磁通變化的磁通變化檢測(cè)線圈。和用于產(chǎn)生反磁場(chǎng)分量以消除由外加磁場(chǎng)產(chǎn)生的軟磁薄片式磁心中的磁通變化的零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈；激磁線圈驅(qū)動(dòng)電路，集成在半導(dǎo)體基片上并與激磁線圈相連；磁場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)處理電路，集成在半導(dǎo)體基片上并與磁場(chǎng)變化檢測(cè)線圈相連；和零磁場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)處理電路，集成在半導(dǎo)體基片上并與零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈相連。
在本發(fā)明中，最好將軟磁薄片式磁心分成兩部分然后設(shè)置成彼此相互平行，這兩部分軟磁薄片式磁心可以再分成預(yù)定數(shù)目的幾部分。激磁線圈的繞數(shù)為n匝，其中n是正整數(shù)，磁通變化檢測(cè)線圈的繞數(shù)為m匝，其中m是正整數(shù)；以及零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈的繞數(shù)為一匝。將激磁線圈、磁通變化檢測(cè)線圈和零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈壓成薄片，并且其中的外加磁場(chǎng)為零時(shí)，由激磁線圈產(chǎn)生的感應(yīng)波形被抵消。此外，最好是將兩個(gè)軟磁薄片式磁心設(shè)置成其中的一個(gè)位于另一個(gè)的上方，并且激磁線圈、磁通變化檢測(cè)線圈和零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈在軟磁薄片式磁心中以螺旋形底層、中層和頂層線的形式層壓于三個(gè)平面上。此外，最好是這樣，激磁線圈驅(qū)動(dòng)電路包括用于產(chǎn)生矩形波電壓脈沖的矩形波振蕩器，用于對(duì)矩形波電壓脈沖的頻率分成二分之一和四分之一的分頻器，相應(yīng)地，用于將四分之一的矩形波電壓脈沖轉(zhuǎn)換成三角波電壓脈沖的波形轉(zhuǎn)換器，和用三角波電壓脈沖驅(qū)動(dòng)激磁線圈的激磁線圈驅(qū)動(dòng)器。
通過(guò)參照下面的附圖詳細(xì)說(shuō)明最佳實(shí)施例后，本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點(diǎn)會(huì)更清楚圖1是描述常規(guī)磁場(chǎng)感測(cè)裝置的簡(jiǎn)要透視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的磁場(chǎng)感測(cè)裝置的簡(jiǎn)要透視圖；圖3A至3G是圖2所示磁場(chǎng)感測(cè)裝置運(yùn)行時(shí)的時(shí)序圖；圖4是圖2所示磁場(chǎng)感測(cè)裝置的平面圖；圖5是圖4沿X-X’線的剖面圖；圖6是圖4沿Y-Y’線的剖面圖；圖7A至7F是一種圖2所示的磁場(chǎng)感測(cè)裝置的生產(chǎn)方法的工藝步驟；圖8是使用圖2所示的磁場(chǎng)感測(cè)裝置的磁場(chǎng)檢測(cè)組件的簡(jiǎn)更透視圖；圖9是圖8所示磁場(chǎng)檢測(cè)組件的集成電路的方框圖；圖10A至10H是圖9所示磁場(chǎng)感測(cè)裝置的集成電路的工作時(shí)序圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的磁場(chǎng)感測(cè)裝置的透視圖，圖3A至3G是圖2所示磁場(chǎng)感測(cè)裝置的工作時(shí)序圖。具體地說(shuō)，圖3A是第一個(gè)軟磁薄片式磁心的磁場(chǎng)波形圖，圖3B是第二個(gè)軟磁薄片式磁心的磁場(chǎng)波形圖，圖3C是第一個(gè)軟磁薄片式磁心的磁通密度波形圖，圖3D是第二個(gè)軟磁薄片式磁心的磁通密度波形圖，圖3E是第一和第二磁通變化檢測(cè)線圈中的感應(yīng)電壓Vind1和Vind2的波形圖，圖3F是第一和第二磁通變化檢測(cè)線圈中的感應(yīng)電壓的合成電壓Vind1+Vind2的波形圖，圖3G是零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈中的感應(yīng)電壓波形圖。
參照?qǐng)D2和圖3A至3G，根據(jù)本發(fā)明的差動(dòng)式螺旋形磁場(chǎng)感測(cè)裝置是由纏繞在夾在半導(dǎo)體基片11中間的兩部分軟磁薄片式磁心12a/12b和16a/16b周?chē)娜齻€(gè)線圈構(gòu)成的，這三個(gè)線圈分別是零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈13a-13b(A和A’端)，磁通變化檢測(cè)線圈14a-14b(B和B’端)和激磁線圈15(C和C’端)。這里，由于激磁線圈15是纏繞成螺旋形的，如圖2所示，由交替變化的激磁電流而產(chǎn)生的較高的、較低的軟磁薄片式磁心12a/12b和16a/16b中的磁通被此相反。此外，由于磁通變化檢測(cè)線圈14a-14b(B和B’端)是穿過(guò)較高的、較低的軟磁薄片式磁心12a/12b和16a/16b纏繞成螺旋形的，因此，由于兩部分軟磁薄片式磁心12a/12b和16a/16b的磁場(chǎng)方向彼此相反，由交替變化的激磁電流的電磁感應(yīng)產(chǎn)生的磁通變化檢測(cè)線圈14a-14b的感應(yīng)電壓被抵消。就是說(shuō)，由于外加磁場(chǎng)Hext是平行作用在兩部分軟磁薄片式磁心12a/12b和16a/16b的軸向上的，因此外加磁場(chǎng)Hext作用在與兩部分軟磁薄片式磁心12a/12b和16a/16b相同的方向上。如圖3A和3B所示，由于激磁線圈15相對(duì)于兩部分軟磁薄片式磁心12a/12b和16a/16b纏繞成螺旋形，所以相對(duì)于兩部分軟磁薄片式磁心12a/12b和16a/16b的激磁電流的流動(dòng)方向彼此相反，由激磁電流產(chǎn)生的激勵(lì)磁場(chǎng)Hexc和-Hexc具有相反的極性。因此，兩部分軟磁薄片式磁心12a/12b和16a/16b的內(nèi)磁場(chǎng)是如圖3A和3B所示的Hext+Hexc和Hext-Hexc。此處，由于兩部分軟磁薄片式磁心12a/12b和16a/16b的磁導(dǎo)率彼此相等，它們的磁通密度與圖3C和3D所示的相同。圖3F所示的電壓是由磁通變化檢測(cè)線圈14a-14b(B和B’端)感應(yīng)的。此處，圖3E顯示出磁通變化檢測(cè)線圈14a-14b(B和B’端)的感應(yīng)電壓，由于兩部分軟磁薄片式磁心12a/12b和16a/16b各自的磁通密度，合成后得到圖3F所示的合成電壓。通過(guò)測(cè)量該合成電壓的值可以確定外加磁場(chǎng)Hext的值。此外，通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)與外加磁場(chǎng)的值成比例的用于抵消磁心中磁通變化的磁場(chǎng)，即由圖3A、3B、3C和3D中粗虛線所示波形代表的磁場(chǎng)，零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈13a-13b(A和A’端)可防止磁心磁通隨外加磁場(chǎng)而發(fā)生變化。圖3G表示由于磁通變化檢測(cè)線圈14a-14b(B和B’端)產(chǎn)生的合成電壓(圖3F)的直流值。
在使用半導(dǎo)體基片11的磁場(chǎng)感測(cè)裝置中，重要的是一匝一匝地交替著螺旋狀地繞兩部分軟磁薄片式磁心12a/12b和16a/16b纏繞激磁線圈15，在兩部分軟磁薄片式磁心12a/12b和16a/16b的周?chē)p繞磁通變化檢測(cè)線圈14a-14b和零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈13a-13b。如上所述，激磁線圈15、磁通變化檢測(cè)線圈14a-14b和零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈13a-13b一匝一匝地纏繞和疊壓在半導(dǎo)體基片11上，其中激磁線圈15螺旋狀纏繞以使得流經(jīng)其中的電流相對(duì)于兩部分軟磁薄片式磁心12a/12b和16a/16b彼此方向相反，以及磁通變化檢測(cè)線圈14a-14b和零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈13a-13b螺旋狀纏繞使得流經(jīng)其中的電流相對(duì)于兩部分軟磁薄片式磁心12a/12b和16a/16b彼此方向相同。在該方式中，沒(méi)有作用外加磁場(chǎng)Hext時(shí)，感應(yīng)電壓的波形被抵消。換句話說(shuō)，由具有纏繞結(jié)構(gòu)的激磁線圈15產(chǎn)生的磁通，在由較低的軟磁薄片式磁心12a-12b和較高的軟磁薄片式磁心16a-16b中形成閉合的磁路。
與上述結(jié)構(gòu)不同，如果激磁線圈和磁通變化檢測(cè)線圈設(shè)置在單一磁心中，可以檢測(cè)磁場(chǎng)。然而，在這種情況下，即使沒(méi)有作用外加磁場(chǎng)，由于激磁線圈在磁通變化檢測(cè)線圈中產(chǎn)生的大感應(yīng)電壓，需要如放大或?yàn)V波等繁多的信號(hào)處理來(lái)消除磁通變化檢測(cè)線圈的輸出。
圖4是圖2所示差動(dòng)式螺旋形磁場(chǎng)感測(cè)裝置的平面圖，圖5是圖4沿X-X’線的剖面圖，圖6是圖4沿Y-Y’線的剖面圖。如圖4至6所示，在半導(dǎo)體基片21上形成絕緣層22和23，如硅氧化物或者聚酰亞胺，并且在其上形成有三層金屬導(dǎo)線的較低的和較高的軟磁薄片式磁心24和32。就是說(shuō)，較低的軟磁薄片式磁心24和較高的軟磁薄片式磁心32形成在絕緣層23上，線圈的三層金屬導(dǎo)線，即底層金屬導(dǎo)線26、中層金屬導(dǎo)線28和頂層金屬導(dǎo)線30，形成在較低的和較高的軟磁薄片式磁心24和32的中間，然后通過(guò)設(shè)置于它們中間的通孔33和34彼此相連通，從而得到了一個(gè)具有與圖2(圖2中的15)所示的纏繞結(jié)構(gòu)相同的螺旋狀纏繞的激磁線圈，以及各自具有兩個(gè)纏繞部分的磁通變化檢測(cè)線圈和零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈(對(duì)應(yīng)于圖2中的14a-14b和13a-13b)。即，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，絕緣層(如聚酰亞胺)25、27、29和31插入在較低和較高的軟磁片式磁心24和32中間，而底層導(dǎo)線26、中層導(dǎo)線28以及頂層導(dǎo)線30內(nèi)插在絕緣層25、27、29和31之間。
在使用本實(shí)施例中的半導(dǎo)體基片的情況下，重要的是在兩部分軟磁薄片式磁心24和32的周?chē)辉岩辉呀惶娴乩p繞激磁線圈、磁通變化檢測(cè)線圈和零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈。如果不這樣，由于軟磁薄片式磁心有大量的磁通泄漏，磁通變化檢測(cè)線圈不能充分地檢測(cè)到由激磁線圈產(chǎn)生的磁通變化。并且，每個(gè)都具有兩個(gè)螺旋纏繞部分的磁通變化檢測(cè)線圈、零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈以及螺旋狀纏繞的激磁線圈都是在半導(dǎo)體基片上一匝一匝地交替纏繞并且都是用兩個(gè)磁心同時(shí)差動(dòng)驅(qū)動(dòng)的，從而形成閉合磁路。于是，在沒(méi)有外加磁場(chǎng)時(shí)，激磁線圈從內(nèi)部磁通變化中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓被抵消，從而阻止磁心中的磁通發(fā)生變化。而且，將軟磁薄片式磁心分成幾部分，從而減少了反磁場(chǎng)分量。
圖7A至7F表示的是根據(jù)圖4，5和6中所示的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的差動(dòng)式螺旋形磁場(chǎng)感測(cè)裝置的生產(chǎn)方法的工藝步驟。此處，例如，將硅基片用作半導(dǎo)體基片。
首先，如圖7A所示，熱氧化硅基片21的表面形成對(duì)硅基片進(jìn)行絕緣的絕緣層(SiO2)22。
如圖7B所示，在SiO2絕緣層22上形成另一個(gè)絕緣層23，如硅氧化物、光刻膠或者聚酰亞胺。用于線圈的底層導(dǎo)線的軟磁薄片材料淀積并成型在絕緣層23上，從而形成一個(gè)較低的軟磁薄片式磁心24。為了在絕緣層23上淀積軟磁薄片材料，可以使用包括電鍍法和淀積法如濺射方法或者化學(xué)汽相淀積法(CVD)等多種方法。軟磁材料包括透磁合金(一種鎳和鐵的合金)和各種非結(jié)晶磁合金。
接下來(lái)，如圖7C所示，將硅氧化物、光刻膠或者聚酰亞胺進(jìn)一步淀積在含有較低的軟磁薄片式磁心24的絕緣層23上，以覆蓋住較低的軟磁薄片式磁心24，從而形成絕緣層25。作為絕緣層25的淀積方法，可以使用硅氧化物、光刻膠或者聚酰亞胺進(jìn)行濺射或者化學(xué)汽相淀積(CVD)等方法。固化的光刻膠和聚酰亞胺可以用作絕緣層。此處，為避免表面粗糙在較低的軟磁薄片式磁心上執(zhí)行平面處理工藝，并且利用和光刻法相同的蝕刻法對(duì)淀積在其上的用于形成零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈的金屬層進(jìn)行成型處理，從而形成一個(gè)用作零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈的底層導(dǎo)線26。作為金屬，使用了金、銅或者鋁用于底層導(dǎo)線26。為了淀積金屬層，可以使用包括如濺射方法或者化學(xué)汽相淀積方法(CVD)等淀積方法在內(nèi)的各種方法。然而，在形成厚銅層的情況下，使用電鍍方法或非電解電鍍方法是有效的。
如圖7D所示，淀積一種絕緣層(聚酰亞胺等)27以覆蓋底層導(dǎo)線26并對(duì)其進(jìn)行成型處理，并且隨后將用作磁通變化檢測(cè)線圈的金屬材料淀積并成型在其上，從而形成用作磁通變化檢測(cè)線圈的一個(gè)中層導(dǎo)線28。
接下來(lái)，如圖7E所示，將絕緣層(聚酰亞胺等)29淀積在絕緣層27上用來(lái)覆蓋中層導(dǎo)線28，并利用光刻法對(duì)其蝕刻以進(jìn)行平面處理，從而形成通孔(圖4中的33)。然后，淀積一層用作激磁線圈的金屬材料并對(duì)其進(jìn)行成型處理以形成激磁線圈的頂層導(dǎo)線30。
接下來(lái)，如圖7F所示，淀積絕緣層(聚酰亞胺等)31用來(lái)覆蓋頂層金屬30并對(duì)其進(jìn)行平面處理，并且隨后將軟磁薄片材料淀積并成型在其上，以形成較高的軟磁薄片式磁心32。
現(xiàn)在，參照附圖8至10詳細(xì)說(shuō)明具有用以上述方式將差動(dòng)式螺旋形磁場(chǎng)感測(cè)裝置集成在其中而生產(chǎn)出的磁場(chǎng)檢測(cè)組件的實(shí)施例。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的磁場(chǎng)檢測(cè)組件的透視圖。如圖8所示，根據(jù)本發(fā)明的磁場(chǎng)檢測(cè)組件的結(jié)構(gòu)為將激磁線圈驅(qū)動(dòng)電路420、磁場(chǎng)感測(cè)裝置430、磁通變化檢測(cè)信號(hào)處理電路440及零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈驅(qū)動(dòng)電路450集成在半導(dǎo)體基片410上。磁場(chǎng)感測(cè)裝置430是如上所述的差動(dòng)式螺旋形磁場(chǎng)感測(cè)裝置。用于驅(qū)動(dòng)差動(dòng)式螺旋形磁場(chǎng)感測(cè)裝置所需的電磁電路，即420、440和450都集成在半導(dǎo)體基片410上。
圖9是具有圖8所示磁場(chǎng)檢測(cè)組件的集成電路的方框圖，圖10A至10H是具有圖9所示磁場(chǎng)感測(cè)裝置的集成電路的工作時(shí)序圖。如圖9所示，根據(jù)本發(fā)明的磁場(chǎng)檢測(cè)組件主要包含激磁線圈驅(qū)動(dòng)電路420，差動(dòng)式螺旋形磁場(chǎng)感測(cè)裝置430，磁通變化檢測(cè)信號(hào)處理電路440和零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈驅(qū)動(dòng)電路450。這里，激磁線圈驅(qū)動(dòng)電路420包括矩形波振蕩器421，分頻器422，波形轉(zhuǎn)換器423和激磁線圈驅(qū)動(dòng)器424。差動(dòng)式螺旋形磁場(chǎng)感測(cè)裝置430包括形成閉合磁路的軟磁薄片式磁心432，激磁線圈431，磁通變化檢測(cè)線圈433和零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈434。磁通變化檢測(cè)信號(hào)處理電路440包括RF放大器443，同步檢測(cè)器442，低通濾波器444和相位控制器441。零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈驅(qū)動(dòng)電路450包括控制器451和反饋驅(qū)動(dòng)器452。
具有上述結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)檢測(cè)組件的工作過(guò)程如下首先，在矩形波脈沖發(fā)生器421中產(chǎn)生一個(gè)頻率為4fo的電壓脈沖E1，并且在分頻器422的第一級(jí)分頻并轉(zhuǎn)換成一個(gè)頻率為2fo的脈沖E2，它的頻率是脈沖E4頻率的一半并且其占空率為50％。為得到足夠高的靈敏度頻率2fo高于或者等于1MHz。然后，脈沖E2在分頻器422的第二級(jí)分頻成為頻率為fo的脈沖E3，即脈沖E2頻率的一半。將從分頻器422輸出的頻率為fo的脈沖E3作用在波形轉(zhuǎn)換器423上并將其轉(zhuǎn)換為作用在激磁線圈驅(qū)動(dòng)器424上的三角波E4。激磁線圈驅(qū)動(dòng)器424將作用在其上的三角波E4轉(zhuǎn)換成如圖10D所示的用來(lái)驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)感測(cè)裝置430的激磁線圈431的三角波電流E5。此處，如果沒(méi)有施加外加磁場(chǎng)，磁場(chǎng)感測(cè)裝置430的磁通變化檢測(cè)線圈433不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。如果施加了外加磁場(chǎng)，此處產(chǎn)生一個(gè)具有與圖10E所示的波形相似的磁場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)E8。RF-AMP443將磁場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)E8放大以產(chǎn)生一個(gè)具有圖10E所示波形的磁場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)E9。放大后的磁場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)E9作用在同步檢測(cè)器442上。根據(jù)第一級(jí)分頻器422的輸出即2fo，同步檢測(cè)器442用在脈沖控制器441中產(chǎn)生的圖10A和10B中所示的兩個(gè)脈沖ΨE6和ΨE7檢測(cè)放大后的磁場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)E9的同步脈沖，然后轉(zhuǎn)換成如圖10F所示的信號(hào)E10。如果信號(hào)E10經(jīng)過(guò)低通濾波器444，進(jìn)行了如圖10G所示的平滑處理以得到直流電壓E11。由于直流電壓E11的值與外加直流磁場(chǎng)成比例，可以測(cè)得該外加直流磁場(chǎng)?？刂破?51確定與外加磁場(chǎng)成比例的外加直流電壓E11的值并且產(chǎn)生一個(gè)用于控制反饋驅(qū)動(dòng)器452的控制信號(hào)E12。反饋驅(qū)動(dòng)器452產(chǎn)生一個(gè)如圖10H所示的用于抵消與外加磁場(chǎng)的值成比例的軟磁薄片式磁心的磁通變化的反饋電流E13，根據(jù)控制信號(hào)E12，來(lái)驅(qū)動(dòng)零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈434。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，該差動(dòng)式螺旋形磁場(chǎng)感測(cè)裝置的組成包括形成在半導(dǎo)體基片上的軟磁薄片式磁心；激磁線圈，由金屬片形成用于對(duì)軟磁薄片式磁心交替激磁；磁通變化檢測(cè)線圈，由金屬片形成；和零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈，由金屬片形成用于通過(guò)產(chǎn)生所測(cè)磁場(chǎng)的反磁場(chǎng)分量抵消所測(cè)磁場(chǎng)；其中將兩個(gè)軟磁薄片式磁心設(shè)置成彼此平行，每個(gè)軟磁薄片式磁心在檢測(cè)軸的方向上分成幾部分以減小反磁場(chǎng)分量，差動(dòng)激磁線圈(兩個(gè)激磁線圈螺旋狀纏繞)，磁通變化檢測(cè)線圈和零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈都一匝一匝地疊壓和纏繞在軟磁薄片式磁心的周?chē)⑶覜](méi)有外加磁場(chǎng)時(shí)磁通變化檢測(cè)線圈不產(chǎn)生感應(yīng)電壓波形。因而，盡管差動(dòng)式磁場(chǎng)感測(cè)裝置以微小尺寸生產(chǎn)，它仍能檢測(cè)非常弱的磁場(chǎng)。此外，為了將軟磁薄片式磁心的漏磁分量最小化，將軟磁薄片式磁心夾在中間以形成閉合磁路，并且差動(dòng)激磁線圈、磁通變化檢測(cè)線圈和零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈都層壓在被夾在中間的軟磁薄片式磁心的周?chē)?。所以，在軟磁薄片式磁心中不?huì)由于所測(cè)的外加磁場(chǎng)發(fā)生磁通變化。
此外，在根據(jù)本發(fā)明的磁場(chǎng)檢測(cè)組件中，差動(dòng)式螺旋形磁場(chǎng)感測(cè)裝置和用來(lái)驅(qū)動(dòng)它的信號(hào)處理都集成在單片半導(dǎo)體裝置的基片上。詳細(xì)地說(shuō)，本發(fā)明提供一種磁場(chǎng)檢測(cè)組件，包括差動(dòng)式螺旋形磁場(chǎng)感測(cè)裝置，由形成在半導(dǎo)體基片上的軟磁薄片式磁心、金屬片形成的用來(lái)對(duì)軟磁薄片式磁心交替激磁的激磁線圈、金屬片形成的磁通變化檢測(cè)線圈、和金屬片形成的用來(lái)通過(guò)產(chǎn)生所測(cè)磁場(chǎng)的反磁場(chǎng)抵消所測(cè)磁場(chǎng)的零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈構(gòu)成；與激磁線圈相連并集成在半導(dǎo)體基片上的激磁線圈驅(qū)動(dòng)電路；與磁場(chǎng)變化檢測(cè)線圈相連并集成在半導(dǎo)體基片上的磁場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)處理電路；和與零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈及信號(hào)處理電路相連并集成在半導(dǎo)體基片上的零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈驅(qū)動(dòng)電路，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)微小尺寸的磁場(chǎng)檢測(cè)組件的生產(chǎn)。盡管它具有微小尺寸，但該組件具有高靈敏度并可以低成本地進(jìn)行大批量生產(chǎn)。
上述磁場(chǎng)感測(cè)裝置和集成有該裝置的磁場(chǎng)檢測(cè)組件可以廣泛應(yīng)用于檢測(cè)地磁的導(dǎo)航系統(tǒng)、地磁變化監(jiān)測(cè)器(用于預(yù)報(bào)地震)、生物磁檢測(cè)傳感器、金屬探傷傳感器等領(lǐng)域。此外，該磁場(chǎng)感測(cè)裝置可以非間接地應(yīng)用于磁編碼器、非接觸式電位計(jì)、電流傳感器、力矩傳感器、位移傳感器等類(lèi)似領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種差動(dòng)式螺旋形磁場(chǎng)感測(cè)裝置包括半導(dǎo)體基片；軟磁薄片式磁心，壓成薄片重疊在半導(dǎo)體基片上以形成閉合磁路；激磁線圈，由薄金屬片形成用于對(duì)所述磁薄片式磁心進(jìn)行交替激磁；磁通變化檢測(cè)線圈，由薄金屬片制成用于檢測(cè)所述軟磁薄片式磁心中的磁通變化；和零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈，用于產(chǎn)生反磁場(chǎng)分量以消除由外加磁場(chǎng)產(chǎn)生的所述軟磁薄片式磁心中的磁通變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差動(dòng)式螺旋形磁場(chǎng)感測(cè)裝置，其中將所述軟磁薄片式磁心分成兩部分然后設(shè)置成彼此相互平行，該兩部分軟磁薄片式磁心可以再分成預(yù)定數(shù)目的幾部分；所述激磁線圈的繞數(shù)為n匝，其中n是正整數(shù)，所述磁通變化檢測(cè)線圈的繞數(shù)為m匝，其中m是正整數(shù)，并且所述零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈的繞數(shù)為一匝；將所述激磁線圈、所述磁通變化檢測(cè)線圈和所述零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈壓成薄片，并且其中的外加磁場(chǎng)為零時(shí)，由所述激磁線圈產(chǎn)生的感應(yīng)波形被抵消。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差動(dòng)式螺旋形磁場(chǎng)感測(cè)裝置，其中將兩個(gè)軟磁薄片式磁心設(shè)置成其中一個(gè)位于另一個(gè)的上方，并且所述激磁線圈、磁通變化檢測(cè)線圈和所述零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈在所述軟磁薄片式磁心中以螺旋形底層、中層和頂層線的形式層壓于三個(gè)平面上。
4.一種磁場(chǎng)檢測(cè)組件包括差動(dòng)式螺旋形磁場(chǎng)感測(cè)裝置，它包括半導(dǎo)體基片，壓成薄片重疊在半導(dǎo)體基片上以形成閉合磁路的軟磁薄片式磁心，由薄金屬片形成的用于對(duì)軟磁薄片式磁心進(jìn)行交替激磁的激磁線圈，由薄金屬片制成的用于檢測(cè)軟磁薄片式磁心中的磁通變化的磁通變化檢測(cè)線圈，和用于產(chǎn)生反磁場(chǎng)分量以消除由外加磁場(chǎng)產(chǎn)生的軟磁薄片式磁心中的磁通變化的零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈；激磁線圈驅(qū)動(dòng)電路，與所述激磁線圈相連并集成在所述半導(dǎo)體基片上；磁場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)處理電路，與所述磁場(chǎng)變化檢測(cè)線圈相連并集成在所述半導(dǎo)體基片上；和零磁場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)處理電路，與所述零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈相連并集成在所述半導(dǎo)體基片上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁場(chǎng)檢測(cè)組件，其中將軟磁薄片式磁心分成兩部分然后設(shè)置成彼此相互平行，該兩部分軟磁薄片式磁心可以再分成預(yù)定數(shù)目的幾部分；所述激磁線圈的繞數(shù)為n匝，其中n是正整數(shù)，所述磁通變化檢測(cè)線圈的繞數(shù)為m匝，其中m是正整數(shù)，并且所述零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈的繞數(shù)為一匝；將所述激磁線圈、所述磁通變化檢測(cè)線圈和所述零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈壓成薄片，并且其中的外加磁場(chǎng)為零時(shí)，由激磁線圈產(chǎn)生的感應(yīng)波形被抵消。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁場(chǎng)檢測(cè)組件，其中將兩個(gè)軟磁薄片式磁心設(shè)置成其中一個(gè)位于另一個(gè)的上方，并且所述激磁線圈、所述磁通變化檢測(cè)線圈和所述零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈在所述軟磁薄片式磁心中以螺旋形底層、中層和頂層線的形式層壓于三個(gè)平面上。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁場(chǎng)檢測(cè)組件，其中所述激磁線圈驅(qū)動(dòng)電路包括用于產(chǎn)生矩形波電壓脈沖的矩形波振蕩器；用于分別將矩形波電壓脈沖的頻率分成二分之一和四分之一的分頻器；用于將四分之一頻率的矩形波電壓脈沖轉(zhuǎn)換成三角波電壓脈沖的波形轉(zhuǎn)換器；和用三角波電壓脈沖驅(qū)動(dòng)激磁線圈的激磁線圈驅(qū)動(dòng)器。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁場(chǎng)檢測(cè)組件，其中磁通變化檢測(cè)信號(hào)處理電路包括相位控制器，用于用所述二分之一頻率矩形波電壓脈沖產(chǎn)生與其頻率相同的反相矩形波電壓脈沖；RF放大器，用于放大從外加磁場(chǎng)檢測(cè)線圈輸出的外加磁場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)；同步檢測(cè)器，用于通過(guò)使用所述二分之一頻率的矩形波電壓脈沖及其反相脈沖檢測(cè)放大后的所述外加磁場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)；和低通濾波器，用于將由所述同步檢測(cè)器得到的放大后的所述外加磁場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)平滑成直流電壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁場(chǎng)檢測(cè)組件，其中所述零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈驅(qū)動(dòng)電路包括控制器，提供一種用于控制根據(jù)所述磁場(chǎng)信號(hào)處理電路的輸出電壓而被驅(qū)動(dòng)的所述零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈的控制信號(hào)；和反饋驅(qū)動(dòng)器，用于根據(jù)所述控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈。
全文摘要
差動(dòng)式螺旋形磁場(chǎng)感測(cè)裝置包括設(shè)置成彼此平行的兩個(gè)軟磁薄片式磁心,為減少反磁場(chǎng)分量將每個(gè)軟磁薄片式磁心在檢測(cè)軸的方向上分成幾部分,差動(dòng)激勵(lì)線圈、磁通變化檢測(cè)線圈和零磁場(chǎng)檢測(cè)線圈一匝一匝地層壓并纏繞在軟磁薄片式磁心周?chē)?并且沒(méi)有外加磁場(chǎng)時(shí)不會(huì)由于磁通變化檢測(cè)線圈產(chǎn)生電壓波形。此外,為使軟磁薄片式磁心的漏磁分量最小,將軟磁薄片式磁心夾在中間以形成閉合磁路。
文檔編號(hào)G01R33/04GK1244664SQ99119329
公開(kāi)日2000年2月16日 申請(qǐng)日期1999年7月28日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月28日
發(fā)明者崔相彥, 趙漢基 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社