臺灣博碩士論文加值系統

本篇論文設計及製作運用CMOS製程與銲線及覆晶技術的雙磁芯微磁通閘感測器，並分析各種電性條件對元件的影響。本論文的設計擁有比傳統磁通閘更小的體積以及比平面式的微磁通閘更高的靈敏度與更低的雜訊，我們透過螺線管形狀激發線圈的設計來得到更強的激發磁場來使磁芯更容易飽和。微磁通閘晶片整體面積為2.5 mm 2.5 mm，感測元件部分為2.5 mm 1.8 mm，包含磁芯、平面感應線圈、下層激發線圈(CMOS製程的金屬鋁)、上層激發圈(鋁線)。實驗方面，我們使用激發振幅3 V(激發電流174.9 mA)、激發頻率25kHz量測2倍頻諧波的訊號，得到磁場-電壓轉移率為4.32 V/T`。而在同樣激發電流下調整激發頻率至210 kHz，磁場-電壓轉移率則增加為9.43 V/T。由此可知，我們可以透過調整電性參數來得到更靈敏的訊號。值得一提的是，我們在1 Hz下量得的雜訊已經達到1.7 nT/√Hz的等級，比起其他近期類似型式的磁通閘研究來說，已為非常突出的成果。另外為製造出更高性能及更容易量產之微磁通閘感測器，我們設計了一結合覆晶封裝技術的磁通閘晶片並探討其可行性。

This paper presents a dual-core (Vacquier-type) micro-fluxgate magnetic sensor fabricated on a silicon chip based on standard CMOS technology. The 3D design with both excitation and sensing coils winding the cores can achieve a higher responsivity and a lower noise level, but the cost in mass production would be much higher in comparison with planar design. The silicon chip is 2.5 mm 2.5 mm in dimension, and the micro-fluxgate sensor occupies the area of 2.5 mm 1.8 mm. The sensor consists of magnetic cores, planar pick-up coils, bottom excitation coils (CMOS Al interconnections) and upper excitation coils (wire-bonding Al wires). The micro-solenoid excitation coils consisting of aluminum bonding wires and CMOS metallic layers can generate out-of-phase excitation magnetic fields strong enough to saturate the two magnetic cores. It was found that the sensor’s sensitivity can be optimized and the field noise spectral density can be minimized by adjusting the excitation current as well as the excitation frequency. The responsivity at the second harmonic of 25-kHz excitation frequency is maximized to 4.32 V/T when the excitation current is 174.9 mA. The largest responsivity of 9.43 V/T occurs at the second harmonic when the excitation frequency is 210 kHz and the excitation current is 174.9 mA. The minimum field noise of our device was found to be 1.7 nT/√Hz at 1 Hz under a 20-kHz excitation. In comparison with other miniature planar fluxgates with similar dimensions reported to date, our device has a relatively low field noise spectral density. In addition, the fabrication process of a new micro-fluxgate design with flip-chip technology was also investigated and the feasibility of this scheme was evaluated.

摘　要 i
ABSTRACT ii
誌 謝 iv
目錄 v
表目錄 vii
圖目錄 viii
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機與目的 1
1.3 文獻回顧 3
第二章 原理與設計 8
2.1 磁通閘原理 8
2.1.1 電磁感應原理 8
2.1.2 磁滯曲線 8
2.1.3 磁通閘基本結構與運作原理 10
2.2 磁通閘設計 12
2.2.1磁通閘晶片設計流程 12
2.2.2 銲線式磁通閘設計 14
2.2.3 覆晶式磁通閘設計 17
2.3 晶片後製程製作 20
2.3.1磁芯材料性質及選擇與製作 20
2.3.2銲線式磁通閘後製程 22
2.3.3覆晶式磁通閘後製程 23
第三章 實驗結果與討論 34
3.1磁場-電壓轉移率 34
3.1.1 測量裝置 34
3.1.2 固定激發頻率不同激發振幅 35
3.1.3 激發振幅、激發電流與激發頻率之相互關係 36
3.1.4 固定激發電流及不同激發頻率之磁場電壓轉移率 39
3.2 激發電流與溫度之關係 42
3.3 雜訊量測 45
第四章 結論 46
4.1 結論 46
4.2 未來展望 47
參考文獻 48
附錄 51


表目錄

表2. 1無電鍍鎳實驗參數對照表 27
表3. 1固定激發頻率不同激發振幅操作條件與實驗結果 36
表3. 2激發振幅與激發電流轉換值 38
表3. 3定激發電流不同激發振幅之操作條件及實驗結果 40
表3. 4不同激發頻率下激發電流操作值及磁場電壓轉移率結果 41



圖目錄

圖1. 1 NASA用來進行太空探測的磁通閘元件 1
圖1. 2平面式磁通閘感測器 3
圖1. 3微磁通閘結構圖 4
圖1. 4 PCB雙軸式磁通閘設計 4
圖1. 5使用MEMS技術之微磁通閘 5
圖1. 6雙磁芯磁通閘結構圖 6
圖1. 7 CMOS-MEMS立體式磁通閘設計與內部放大示意圖 7
圖 2. 1 B-H磁滯曲線圖 9
圖 2. 2雙磁芯微型磁通閘組成示意圖 10
圖 2. 3磁芯A與磁芯B在外磁場不為零時的B-H 曲線 11
圖 2. 4正弦激發磁場以及感應電壓的波形(外磁場不為零時) 12
圖 2. 5晶片式磁通閘設計流程 13
圖 2. 6銲線式磁通閘晶片示意圖 15
圖 2. 7銲線式磁通閘感應線圈示意圖 15
圖 2. 8銲線式磁通閘結構剖面圖 16
圖 2. 9銲線式晶片Layout圖 16
圖 2. 10覆晶式磁通閘激發線圈示意圖 17
圖 2. 11覆晶式磁通閘感應線圈示意圖 18
圖 2. 12覆晶式磁通閘晶片示意圖 19
圖 2. 13覆晶式磁通閘晶片Layout圖 19
圖 2. 14磁透合金2714A 20
圖 2. 15磁透合金薄片蝕刻 21
圖 2. 16磁芯蝕刻完成圖 22
圖 2. 17磁芯貼合圖 22
圖 2. 18立體式磁通閘銲線完成圖 23
圖 2. 19覆晶後製程流程圖 24
圖 2. 20無電解電鍍鎳流程圖 26
圖 2. 21無電鍍鎳 28
圖 2. 22補上dummy後的晶片圖 29
圖 2. 23改良後鍍槽所鍍之晶片OM圖 30
圖 2. 24無電鍍鎳EDS圖(銅汙染) 31
圖 2. 25無電鍍鎳EDS圖(去除銅汙染後) 31
圖 2. 26研磨機 32
圖 2. 27晶片研磨後的表面輪廓儀分析圖 33
圖3. 1量測系統圖 34
圖3. 2激發振幅與磁場電壓轉移率關係圖 36
圖3. 3激發電流量測系統 37
圖3. 4激發振幅與激發電流轉換圖 37
圖3. 5定電流不同激發頻率關係圖 38
圖3. 6固定激發電流不同激發頻率之磁場電壓轉移率關係圖 39
圖3. 7不同激發頻率下之激發電流與磁場電壓轉移率關係圖 40
圖3. 8歸一化後的磁電壓轉移率圖 41
圖3. 9溫度量測裝置 42
圖3. 10晶片溫度與感應線圈電阻關係 43
圖3. 11激發電流對應溫度關係圖 44
圖3. 12不同激發頻率下，其雜訊量測圖。 45

[1]Trifon M. Liakopoulos, Chong H. Ahn, " A micro-fluxgate magnetic sensor using micromachined planar solenoid coils," Sensors and Actuators A: Physical, Volume 77, Issue 1, Pages 66-72, 28 September 1999.
[2]James Lenz and Alan S. Edelstein, " Magnetic Sensors and Their Applications," IEEE Sensors Journal, Volume 6, Number 3, Pages 631-649, June 2006.
[3]鄭振宗，呂志誠，「通量閘磁強計之原理與應用」，臺灣磁性技術協會會訊，第51期，第9-16頁，2010年。
[4]DSRI, 網址為http://www.dsri.dk/showpage.php3?id=82
[5]M. N. Nabighian, V. J. S. Grauch, R. O. Hansen, T. R. LaFehr, Y. Li,1 J. W. Peirce, J. D. Phillips, and M. E. Ruder, "The historical development of the magnetic method in exploration, " Geophysics 70: p.33ND–61ND, 2005.
[6]F Primdahl, "The fluxgate magnetometer, " J. Phys. E：Sci. Instrum., vol. 12, pp. 241-253, 1979.
[7]Thomas Seitz, "Fluxgate Sensor in Planar Microtechnology, " Sensors and Actuators,A21-A23, pp.799-802, 1990.
[8]Chong Lei, Ren Wang, Yong Zhou, Zhimin Zhou, " MEMS micro fluxgate sensors with mutual vertical excitation coils and detection coils," Microsystem Technologies, Volume 15, Number 7, Pages 969-972, July 2009.
[9]Zorlu, P. Kejikb, W. Teppan, " A closed core microfluxgate sensor with cascaded planar FeNi rings," Sensors and Actuators A: Physical, vol. 162, Issue 2, pp.241-247, 2010.
[10]P. Ripka, "Advances in fluxgate sensors, " Sensors and Actuators A 106, 8–14, 2003.
[11]E. Delevoye, M. Audoin, M. Beranger, R. Cuchet, R. Hida, T. Jager, " Microfluxgate sensors for high frequency and low power applications," Sensors and Actuators A: Physical, Volumes 145-146, Pages 271-277, July-August 2008.
[12]Shaobin Wu, Shi Chen, Jun Ouyang, Chao Zuo, Lei Yu, Xiaofei Yang, " Fabrication of MEMS-based Micro-fluxgate Sensor with Runway-shaped Co-based Amorphous Alloy Core, " J. Phys.: Conf. Ser. 263 012012, 2001.
[13]Koch, R. H.; Rozen, J. R., "Low-noise flux-gate magnetic-field sensors using ring- and rod-core geometries," Applied Physics Letters, Volume: 78, page(s): 1897 – 1899, 2001.
[14]P. Ripka, " New directions in fuxgate sensors, " Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 215-216, 735-739, 2000.
[15]P. Ripka, S. Kawahito, S.O. Choi, A. Tipek and M. Ishida, " Micro-fluxgate sensor with closed core," Sensors and Actuators A: Physical, Volume 91, Issues 1-2, Pages 65-69, 5 June 2001.
[16]Andrea Baschirotto. A, Dallago. E, Malcovati. P, Marchesi. M, Venchi. G, " A Fluxgate Magnetic Sensor: From PCB to Micro-Integrated Technology," IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Volume. 56, Number. 1, Pages 25-31, February 2007.
[17]維基百科, 網址為http://en.wikipedia.org/wiki/Compass
[18]李承勳，CMOS-MEMS磁通閘磁量計之驅動電路與晶片設計，碩士論文，國立臺北科技大學機電整合研究所，台北，2008。
[19]陳亭宏，CMOS-MEMS平面磁通閘磁量計之薄膜磁芯特性研究，碩士論文，國立臺北科技大學機電整合研究所，台北，2009。
[20]黃文聖，新型CMOS-MEMS微磁通閘設計與特性量測，碩士論文，國立臺北科技大學機電整合研究所，台北，2010。
[21]P. Ripka, "Review of fluxgate sensors," Sensors and Actuators A 33, 129-141, 1992.
[22]MetglasR, Inc., 網址為http://www.metglas.com/.
[23]楊聰仁,”無電鍍鎳及其應用”, 國璋出版社, 1987.
[24]樺京科技股份有限公司, 網址為http://www.makin.com.tw/
[25]Bird, John, “Electrical and electronic principles and technology,” Newnes, pp. 22-24, 2006.