中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
據麥姆斯咨詢(xún)報道，近期中科院上海微系統所副研究員顧杰斌與國內某上市公司合作，歷時(shí)近三年時(shí)間，研發(fā)出了一款基于晶圓級MEMS-Casting技術(shù)的MEMS磁通門(mén)傳感器探頭芯片。
磁傳感器是非常重要的磁場(chǎng)探測傳感元件。磁傳感器無(wú)所不在、尺寸小巧且價(jià)格合理，有些可以輕松地和其它電路一同集成到芯片上，因此，磁傳感器被人們廣泛用于各種應用。磁傳感技術(shù)在機器人和工廠(chǎng)自動(dòng)化中的優(yōu)勢尤其明顯。由于磁傳感器在零件位置和速度檢測方面具有更高的可靠性和精確度，因此，它對運動(dòng)控制而言至關(guān)重要。這一優(yōu)勢也讓機器手臂和其它部件能夠平穩而準確地移動(dòng)，從而確保高質(zhì)量和高安全性的制造過(guò)程。除汽車(chē)外，磁傳感器還大量用于如洗衣機和微波爐等家用電器中，以檢測電器的門(mén)是處于關(guān)閉還是打開(kāi)狀態(tài)。磁傳感器還被廣泛用于醫療器械中，例如，當應用于助聽(tīng)器時(shí)，它能夠檢測佩戴者是否攜帶了手機，然后更改至相應的模式，以幫助佩戴者能夠更清楚地聽(tīng)到來(lái)電。此外，它還常被用于電梯中的樓層檢測以及檢測例如平板電腦或手機等手持設備是處于打開(kāi)還是關(guān)閉的狀態(tài)。
磁通門(mén)傳感器是在第二次世界大戰中被發(fā)明出的。與其它類(lèi)型測磁儀器相比，磁通門(mén)傳感器具有分辨率高、測量弱磁場(chǎng)范圍寬、可靠性高、能夠直接測量磁場(chǎng)的分量和適于在運動(dòng)系統中使用等特點(diǎn)。磁通門(mén)傳感器是被公認為精度最高的磁傳感器，可以測到納特斯拉（nT）級。因其高靈敏度，在其發(fā)明后不久即被應用于探雷、潛艇探測軍事領(lǐng)域。在民用方面，磁通門(mén)傳感器又被廣泛應用于地面磁場(chǎng)研究、航空磁測、地震預報研究、地下礦床勘探、生物醫學(xué)研究、星際間磁測以及大電流過(guò)流檢測等領(lǐng)域。
磁通門(mén)傳感器是利用被測磁場(chǎng)中高導磁鐵芯在交變磁場(chǎng)的飽和激勵下，其磁感應強度與磁場(chǎng)強度的非線(xiàn)性關(guān)系來(lái)測量弱磁場(chǎng)的一種傳感器，其基本原理為通過(guò)對鐵磁芯激勵后，可以實(shí)現鐵磁芯對外界微弱磁場(chǎng)的靈敏反應。磁通門(mén)傳感器的核心結構是繞有三維螺螺旋線(xiàn)圈的鐵磁芯，因其復雜的三維結構，目前絕大部分的磁通門(mén)探頭依舊是通過(guò)漆包線(xiàn)在鐵磁芯上繞制而成。這種傳統繞制方式的一個(gè)最大問(wèn)題就是尺寸體積非常大，微型化非常困難，而微型化一直是所有傳感器的重要發(fā)展方向。
磁通門(mén)傳感器的探頭芯片化之所以困難，主要難點(diǎn)在于其結構的復雜性。因為螺線(xiàn)式線(xiàn)圈屬于復雜三維機械結構，同時(shí)為了減小整個(gè)線(xiàn)圈的電阻值，就需要使用較厚的金屬線(xiàn)。電鍍幾乎是目前唯一厚金屬沉積方法。目前已有的資料文獻中，通過(guò)電鍍的方法來(lái)制造MEMS磁通門(mén)傳感器則至少需要三次電鍍，如果加上中間的鐵磁芯電鍍，則需要四次電鍍，制造過(guò)程很復雜。以一個(gè)150匝線(xiàn)圈為例，其包含有300個(gè)微通孔需要填充。這300個(gè)孔只要有一個(gè)出現斷路等問(wèn)題，則整個(gè)線(xiàn)圈就會(huì )失效。
MEMS磁通門(mén)傳感器一直是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界重要的研究目標。目前市場(chǎng)上唯一可以買(mǎi)到的芯片式磁通門(mén)傳感器由德州儀器（TI）提供，核心技術(shù)一直掌握在國外廠(chǎng)商手里，國內鮮有成熟的且可以產(chǎn)業(yè)化的MEMS磁通門(mén)傳感器報道。磁通門(mén)傳感器的性能主要由鐵磁芯決定，而電鍍成型的鐵磁芯的性能通常沒(méi)有單獨成型的好。此外磁通門(mén)傳感器的線(xiàn)圈尺寸會(huì )影響到器件的功耗，尺寸，器件的一致性等。隨著(zhù)傳感器件往微小型化的發(fā)展趨勢，磁通門(mén)傳感器的MEMS化是大勢所趨。目前磁通門(mén)探頭的市場(chǎng)需求量預計在千萬(wàn)顆以上。
據麥姆斯咨詢(xún)報道，近期中科院上海微系統所副研究員顧杰斌與國內某上市公司合作，歷時(shí)近三年時(shí)間，研發(fā)出了一款基于晶圓級MEMS-Casting技術(shù)的MEMS磁通門(mén)傳感器探頭芯片。有別于傳統的漆包線(xiàn)繞制的方法，磁通門(mén)的三維螺線(xiàn)線(xiàn)圈是通過(guò)液態(tài)合金在預制的硅微模具上填充成形。通過(guò)這種方法，整個(gè)螺線(xiàn)式線(xiàn)圈是通過(guò)一次成型的方式制造出來(lái)，并且可以實(shí)現晶圓級的批量制造。對于展開(kāi)后線(xiàn)寬只有數十微米，長(cháng)度有近1米的螺線(xiàn)線(xiàn)，通過(guò)這種一次成型的方式制造出來(lái)，這其中攻克了多項技術(shù)難點(diǎn)：例如螺旋線(xiàn)圈微模具在硅片上的制造；如何保證填充的合金中不存在微氣泡，任何微氣泡在線(xiàn)槽中的存在會(huì )造成斷路等；解決了填充的液態(tài)金屬在固化過(guò)程中體積收縮從而導致斷裂等一系列問(wèn)題。圖二展示了成功制造的MEMS磁通門(mén)傳感器探頭芯片的電子顯微鏡照片，可以看到填充飽滿(mǎn)表面平整。
圖一：通過(guò)液態(tài)合金而非漆包線(xiàn)來(lái)實(shí)現螺線(xiàn)式線(xiàn)圈的繞制
圖二：基于MEMS-Casting技術(shù)的磁通門(mén)傳感器探頭芯片圖片
圖三：MEMS-Casting技術(shù)制造的MEMS磁通門(mén)傳感器探頭與傳統漆包線(xiàn)繞制的探頭比較
三維螺線(xiàn)線(xiàn)圈的總電阻值是其最重要的技術(shù)指標之一，因為其直接影響到磁通門(mén)傳感器探頭的功耗。目前150匝線(xiàn)圈的總電阻值可以做到11歐姆以下，并且有再降低一倍的空間。通過(guò)MEMS-Casting技術(shù)制造的MEMS磁通門(mén)傳感器已經(jīng)通過(guò)所有相關(guān)可靠性測試，并且性能表現優(yōu)良。相對于傳統漆包線(xiàn)繞制的磁通門(mén)傳感器探頭，利用MEMS-Casting技術(shù)制造的MEMS磁通門(mén)傳感器探頭具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1. 整個(gè)探頭體積可以縮小2/3；
2. 器件一致性更佳，減少后續電路調試成本；
3. 可實(shí)現晶圓級批量制造；
4. 方便與后端信號調理電路芯片集成。
該項研究的相關(guān)論文被2019年1月在韓國首爾召開(kāi)的一年一度IEEE MEMS會(huì )議錄取為口頭報告。IEEE MEMS會(huì )議是MEMS領(lǐng)域最高級別國際會(huì )議，每年輪流在亞洲，美洲和歐洲舉辦。該會(huì )議對錄取文章的原創(chuàng )性要求極高，特別是口頭報告，每年的錄取率往往不超過(guò)10%。
該項晶圓級MEMS-Casting技術(shù)還可用于半導體先進(jìn)封裝的TSV/TGV填充，以及微波組件的三維堆疊制造等。2018年初，MEMS-Casting技術(shù)項目獲得西安中科創(chuàng )星投資。目前已成立上海邁鑄半導體科技有限公司專(zhuān)門(mén)從事這項技術(shù)的成果轉化。公司也已完成下一代晶圓級液態(tài)合金專(zhuān)用成型設備的研制，并已開(kāi)始給下游客戶(hù)送樣，同時(shí)也在尋求下一輪融資。
