霍尔效应棱镜传感器的制作方法

霍尔效应棱镜传感器
1.相关申请的交叉引用
2.与此同时提交的标题为“magnetic puf with predetermined information layer”的第16/817,027号美国专利申请。
3.对临时申请的优先权要求
4.本技术涉及2019年3月22日提交的标题为“hall effect prism sensor”的第62/822,518号美国临时申请，并根据美国法典第35条119(e)款从该临时申请要求优先权，该临时申请的内容特此通过引用被全部并入本文。
5.背景
6.本公开总体上涉及使用霍尔效应棱镜来测量被随机定位和定向但固定在基片中的磁化颗粒的表面磁场和电容变化。
7.概述
8.物理不可克隆功能是一种具有使复制变得极其困难或不可能的特征的对象。可以是导电的或不导电的、分布在粘合剂中的随机分散的硬(磁化)和软(非磁化)磁性颗粒的阵列在表面上产生特定的磁场或电容图案。这个表面磁场和电容变化可以被考虑为类似于指纹的独特图案。霍尔效应棱镜是一种通过感测在展现实质霍尔效应系数的电阻基片材料内或周围流动的电流或电势的变形来测量这些图案的效应的传感器。
9.附图简述
10.通过结合附图参考所公开的实施例的下面的描述，所公开的实施例的上面提到的和其他的特征及优点以及获得它们的方式将变得更明显且将被更好地理解。
11.图1示出了在不存在磁场的情况下具有偏置电流源和感测端子的霍尔板电流分布。
12.图2示出了在存在垂直于板的磁场的情况下的霍尔板电流分布。
13.图3示出了由于小磁体的存在而引起的霍尔板电流分布。
14.图4是从传感器阵列基片层上方示出表面电极的分布的俯视图。
15.图5是图4中的传感器阵列基片层的横截面。
16.图6示出了选择在任两个垫片之间的偏置电流(或电压)源位置的模拟开关的阵列以及测量在任两个传感器垫片之间的电势差的差分模拟放大器。
17.图7示出了在没有外部磁场的情况下在横截面中的电流线。
18.图8示出了在电阻平板的顶部和底部上的导电垫片。
19.图9示出了通过电阻基片的隔离导电。
20.详细描述
21.应理解的是，本公开不将其应用限于在以下描述中阐述或在附图中示出的部件的结构和布置的细节。本公开能够用于其它实施例，并且能够以各种方式被实践或执行。此外，应理解的是，本文所使用的措辞和术语是为了描述的目的且不应被视为限制性的。如本文所使用的，术语“具有”、“包含”、“包括(including)”、“包括(comprising)”和诸如此类是开放式术语，其指示所陈述的元件或特征的存在，但不排除额外的元件或特征。冠词“一个
(a)”、“一个(an)”和“该(the)”意欲包括复数以及单数，除非上下文另有明确指示。“包括(including)”、“包括(comprising)”或“具有”及其变形的使用在本文中意欲包含在其后列出的项及其等同物以及额外的项。
22.例如“大约”等的术语具有上下文含义，用于描述对象的各种特征，并且这样的术语对于相关领域中的普通技术人员具有它们的普通和惯用的含义。例如“大约”等的术语在第一上下文中意指“近似”于如相关领域中的普通技术人员所理解的程度；以及在第二上下文中用于描述对象的各种特征，并且在这样的第二上下文中意指如相关领域中的普通技术人员所理解的“在
…
的小百分比内”。
23.除非另有限制，术语“连接”、“耦合”和“安装”及其变形在本文被广泛地使用并包括直接连接、耦合和安装以及间接连接、耦合和安装。此外，术语“连接”和“耦合”及其变形并不限于物理或机械的连接或耦合。为了描述的容易，使用空间相对术语(例如“顶部”、“底部”、“前面”、“背面”、“后面”和“侧面”、“在
…
之下”、“在
…
下面”、“下部”、“在
…
上方”、“上部”等)来解释一个元件相对于第二元件的定位。除了与在图中描绘的定向不同的定向之外，这些术语意欲还包括设备的不同定向。此外，例如“第一”、“第二”等的术语也用于描述各种元件、区域、部分等，并且也并没有被规定为限制性的。相似的术语在整个描述中指相似的元件。
24.物理不可克隆功能(puf)是一种具有使复制变得极其困难或不可能的特征的对象。可以是导电的或不导电的、分布在粘合剂中的随机分散的硬(磁化)和软(非磁化)磁性颗粒的阵列在表面上产生特定的磁场或电容图案。这个表面磁场和电容变化可以被考虑为类似于指纹的独特图案。霍尔效应棱镜是一种通过感测在展现实质霍尔效应系数的电阻基片材料内或周围流动的电流或电势的变形来测量这些图案的效应的传感器。本领域中的普通技术人员将认识到，本发明的棱镜传感器不限于霍尔效应测量，而且可以应用于任何磁场感测设备。“电阻基片”或“基片”将被理解为意指展现实质霍尔效应系数的材料。例如，这些材料包括但不限于硅(si)、砷化镓(gaas)、砷化铟(inas)、磷化铟(inp)、锑化铟(insb)、石墨烯(碳(c)的同素异形体)和铋(bi)。通过与基片材料的直接导电接触或与基片的电容耦合来实现感测。现有技术由具有图1所示的几何形状的霍尔效应传感器组成。在过去存在使用过的几种几何形状，试图找到穿过材料的平均磁场。
25.在图1中，电流111在霍尔板101中沿着箭头线路径从右向左从源端子121、131行进并到达顶部和底部的感测端子141、151。电流线111由连接到源端子121和131的偏置电流源161产生。在垂直磁场(normal magnetic field)的影响下，电流211由于电子上的力移动到更像图2的图案。底部端子的比顶部更高的电势引起与垂直于霍尔板的磁场强度成比例的差分电压(δv)171。这是经典霍尔效应传感器的几何形状和操作。
26.大多数应用在寻找在空间中的一点处的磁场或在霍尔板的表面区域之上的平均值。然而，本发明解决了一个不同的问题。磁场由许多小磁体的阵列产生，这些小磁体仅由分布在粘合剂基质内的在图3中的三个磁体351、361、371表示。目标不是测量在板上的一个点或平均值，而是表征产生磁场的对象的独特效应。放置在电阻基片附近的小磁体将由于在它们的局部区域中的垂直磁场而使电流图案偏转。图3示出了偏置电流施加在电极321和331之间时，由于小磁体而引起的电流线311的这个变化。电流的变化也将导致在霍尔板301的电阻片的整个表面中的电势的变化。这些电势变化可测量地与在电极411附近的垂直磁
场相关。
27.如果磁体特征相对于基片尺寸是小的，那么电流线在远离垂直磁场时将是更均匀的。期望的是理解关于磁体的大小数量级的这个变形。对于这个小磁体阵列，许多感测位置是必要的。
28.图4和图5示出了具有在顶部上的电极411的阵列401的基片，以在电流被磁场线偏转时测量电势。电极或导电垫片411不一定相对于霍尔板或彼此按尺寸比例示出。根据设计优化，导电垫片尺寸与在垫片之间的间距可以是任何比率。每个垫片的几何形状可以是不相同的，或甚至是矩形的。圆形、正方形或任意几何形状是可接受的。注意，偏转与磁场有关，但不是场值的直接测量结果。因为沿着电流路径存在若干磁体，那么每个磁体将与电流相互作用，引起电势图案的各种扭曲。如果磁体靠在一起，电势变化则不是独立的。然而，如果场水平在基片中重复并且源位置是相同的，则可重复的测量可以被进行。每个潜在测量优选地为差分测量。然而，绝对电压测量也可以给出独特的电势图案。然后可以通过评估绝对测量的差异来找出差分值。当电势在幅度上相似时，差分电势测量给出更好的信噪比测量。
29.图4是从具有可选的电流偏置电极421、431、441和451的传感器阵列基片层上方看的俯视图。附加层被堆叠在该基片的顶部上以创建与基片的互连并且路由布线通道以转向所需的偏置和测量电路。典型的霍尔效应传感器针对每个霍尔板使用四个或五个电极。图4在一个霍尔板上具有30个内部电极411，给出内部电势的高得多的分辨率。这与典型的传感器相比是数量大得多的导电垫片电极。导电垫片阵列数量最少为9个，但优选地大于49个。图5是层的堆叠的横截面。与基片511的导体垫片连接部可以被镀在基片的表面上或者是到基片的表面的压力触点。如所述的，导电垫片的几何形状并不重要。它们可以是正方形、矩形、圆形或任何任意形状。阵列中的每个元素为了方便可以是相似的，或者是不同的，以增加读取器的复杂性。导电垫片的高密度填塞将是圆形或六边形垫片的六边形阵列图案。导电垫片必须允许电流在基片内流动。在导电垫片之间的间隙512将一个导电垫片与另一个导电垫片隔离，间隙可以是空气或任何不导电的填充材料。对于该示例，层571是将感测区域基片561与在绝缘层571之下的被测量的设备隔离的绝缘材料。包含物品513和514的层是具有从导电垫片511到由物品515和516表示的布线层的垂直导电连接的绝缘层材料513。导电电线互连515将信号路由到图6所示的电路。在信号516之间的间隙是在电线之间的隔离材料。根据设计，可能需要附加布线层来将所有导电垫片连接到所需的电路(但未示出)。顶层571是保护布线的可选绝缘层。如果需要，顶层电介质517将由515和516表示的布线与可选的附加布线层分开。
30.围绕边缘531和521的可选的较长分段电极提供得到穿过基片的更均匀的电流以降低传感器的复杂性的方式。电流或电压源可以被施加到在阵列或边缘导电垫片内的任两个电极。这将引起在基片内分布的电势梯度。然后，可以在任两个导电垫片之间进行电势测量。在两个源位置的测量结果是不产生任何所需的信息的不重要的答案(trivial answer)。然而，由于在基片附近的磁分布，所有其他组合将给出对磁场图案的反应。
31.本领域中的技术人员将认识到，传感器大小可以相对于磁体大小按比例缩放。印刷电路用于更大的传感器大小和分辨率。半导体技术可以用于较小大小的感测区域。
32.图5示出了用于直接接触感测垫片的电阻基片层561。电阻层561可以可选地是具
有被示为471的电阻基片层的介电层，以用于电容耦合。
33.存在通过对触摸感测或相机传感器设备进行修改来实现这个霍尔棱镜效应的很多方式。
34.通过将源电流施加到侧电极的任何组合来提供另一个实施例。这强调在结构内的磁场的不同区域，并导致不同的输出。这可以通过使用模拟开关路由在触头的阵列内的源和测量位置来实现。
35.结果是读取器可能被给予改变由磁性puf过滤的源位置的命令以导致不同的合成输出矢量。
36.在另一个实施例中，电流的源位置可以应用于表面接触或耦合位置的任何组合。可以根据行和列给出垫片的阵列编号。以这种方式，一个或更多个正或负源位置的任何源图案导致在电压测量垫片位置上的不同图案。通过选择不同的源位置，可以调整在阵列内的电势变化对在传感器区域下面的磁体的灵敏度。
37.图6示出了模拟开关的阵列621的代表性示意图601，模拟开关的阵列621将电流631(或电压)源多路传输到任两个垫片611和差分模拟放大器641，以测量在两个垫片之间的电势差。所示的导电垫片611的数量是6个，但是这代表明显大于9的最小值但是优选地大于49的数量的阵列。这个设计将允许如前面所讨论的差分或绝对测量。测量设备可以是放大器641和模数转换器(adc)的组合，以获得足够的增益或幅度控制。如果需要减少数量的开关，那么源可以永久地附接到两个垫片，这可以包括图4所示的较长垫片。
38.源可以是用于电压电势分布的直接测量的直流(“dc”)。也可以使用允许电容耦合的交流电(“ac”)，电容耦合不需要与基片电阻层的直接导电接触。被测量的设备填充有被磁化的导电颗粒。对于不同的操作频率，这也将给出不同的频率响应。非磁性导电电线的嵌入将给出改变的响应。ac或时变源可以具有不同的剖面。正弦、正方形、三角形、梯形、指数和其他刺激都将给出不同的响应。电压电势也可以通过“采样和保持”电路采样。这将允许在某一时间整个阵列的同时采样。这是非常类似于相机传感器的曝光控制的技术。
39.在另一个实施例中，基片可以扩展到电阻基片材料之外，包括许多半导体设备材料。简单的电阻操作既有正(空穴)载流子，也有负(电子)载流子，正(空穴)载流子和负(电子)载流子可被磁场影响。基片可以是其中大多数载流子是p(空穴)或n(电子)的材料。这些材料的沉积与展现实质霍尔系数的单霍尔效应传感器的当前技术相同。然而，本发明具有在沿着基片的表面分布的二维间隔开的电极的阵列。
40.在另一个实施例中，基片材料可以被制造得更厚，拉伸到3d传感器内。这将允许磁场在与传感器阵列表面相切的方向上被测量。图7示出了从导电板721到顶部源目标垫片731的电流线。感测垫片是2d阵列，使得从左到右或进出页面的磁场可以被测量。使用先前公开的实施例，系统可以给出对磁场源的任何3d矢量的响应。电流线711是由于不存在磁场而产生的。所示的δv是在与垫片731的右侧和左侧相邻的两个导电垫片之间的电势差。这个δv将对在进出所示横截面的进出页面的方向上的磁场作出响应。当存在磁场时，电流线711将扭曲。在从右向左的方向上的磁场将在与在所示横截面的页面上方和下方的导电垫片相邻的导电垫片上导致不同的δv 741。这个效应并不限于相邻的垫片，而且可以在间隔上更宽。优选定向将是相邻定向。在导电垫片731和相邻垫片上方的层771是具有在垫片和布线通道761之间的导电连接的绝缘层。顶层751是可选的绝缘层。如前所述，可以存在具有
垂直连接的任何数量的布线层。
41.在图8所示的另一个实施例中，图7中的底部导电板721可以用垫片的阵列代替，同时将垫片的阵列保持在电阻区域的顶部部分中。这将允许相同的可编程性来突出从一个区域到另一个区域的垂直电流，以及按比例缩放在电阻区域内的电流密度。利用这个配置，基片上的表面电极将根据所施加的电流路径被在所有方向上的磁场影响。这允许所有场方向影响到表面垫片的电势分布。这给出测量高分辨率场的显著的灵活性。电阻基片材料821用于在所有方向上展现霍尔效应。垫片831、垂直连接841和布线通道851分别执行与垫片511、731、垂直连接841、514和布线通道516相同的功能。
42.软铁氧体材料层可以被添加到传感器的背面以增加在电压测量垫片的传感器侧上的场。这将被放置在图5中的测量垫片上方或者在图7中的导电公共源垫片下方的任何位置或者在图8和图9上方或下方的任一侧。该铁氧体层还将磁性地使感测区域屏蔽以免受由操作传感器的扫描的辅助电路产生的磁场的影响。
43.在另一个实施例中，读取器或传感器通过插入滤波器或键而变成独特的，该滤波器或键是一薄层磁性puf材料，该一薄层磁性puf材料将干扰在传感器和被测量的puf设备之间的磁场。当测量目标puf对象存在以登记或记录对象和键的叠加时，这个薄键层存在。这个键将产生测试puf对象的扭曲场。附加的薄键层然后可以被移除，并被用作两级认证。目标和键的插入必须重新组合进行重复测量，以识别用于认证的总指纹。为了额外的安全性，键可以通过与puf对象设备不同的方法被运送。
44.可以使用刚性或柔性材料来构造示例传感器。陶瓷基底可用于用层压或涂覆工艺来施加电阻性基片材料的刚性设备。材料的分层将像任何印刷电路板(“pcb”)或封装工艺一样。这个实现方式可以刚好容易是半导体工艺的一部分，像互补金属氧化物半导体(“cmos”)或电荷耦合设备(“ccd”)相机传感器一样。在这些情况下，介质是光敏的，但是可以由电阻性基片材料代替。
45.传感器可以被平移0.5个单元以使在x和y方向上的分辨率加倍。
46.当在图6中传感器垫片的阵列增加时，开关电路在复杂性方面增加。行和列寻址能力技术可用于组织传感器读取或找出基片垫片的来源(sourcing)。这些技术类似地用在光相机传感器或存储器设备中。
47.可以通过堆叠电极层和基片层的交替层来产生电势变化的附加组合。这将给出场在穿过这些层前进时如何弯曲的指示。层可以彼此隔离或粘合在一起以允许电流从叠层的顶表面流到叠层的底部。这也将允许对在所有方向上的灵敏度的动态控制。
48.一个额外的特征是可以连接到叠层中的一个层但与块体材料隔离的通孔。图8的实现方式要求在基片的两侧上建立连接。这具有获得穿过或围绕基片的布线的复杂性。图9示出了通过电阻基片921的隔离导电，以建立到顶部垫片961的连接。对于这个实现方式，导电通孔971必须通过绝缘体981与基片隔离，使得当测量x和y方向的磁场效应时，电流主要从顶部流到底部。
49.布线通道951从基片921连接中心导电通孔941。导电垫片961被显示在叠层的顶部上。导电通孔941、971将布线通道连接到它们的相应导电垫片931和961，导电垫片931和961连接到电阻基片。虽然介电材料将阻碍电流流动，但它将阻止导电通孔使电流的垂直流动短路。
50.本领域中的技术人员将认识到，在本发明的图4
‑
5和图7
‑
9中找到的结构类似于现有的系统，其实现传感器表面的电势电压的扫描，创建电容传感器。在图6中找到的电路也可以作为指纹电容传感器来操作。主要差异是，系统将具有提供每个位置的模拟输出的最佳模式以给出每个电势差的精细分辨率。许多指纹扫描仪观察电容变化以给出阈值数字输出。这种类型的输出可以用于puf设备由于电场和电容质量而具有与场图案的独特匹配的较低的置信度。图9中的传感器对于电容和磁感测是特别有用的。这是因为顶部导电垫片可以被放置在这个绘制的横截面的顶部上的puf对象的附近。最小化离puf中的磁性或导电材料的距离将优化分别测量磁场和电场的灵敏度。
51.传感器校准对补偿可能影响传感器响应的环境变化可能是必要的。在引入磁性/puf材料样品之前，将在一个或多个端子对之间记录基线信号响应。基线校准信号响应信息将用于根据需要调整测试测量结果读数，以便补偿环境条件。在一些应用中，可以向一个或更多个电极施加补偿信号输入，以便校准在另一个测试电极内的响应读数。
52.软铁氧体材料可以被放置在传感器上方以在校准过程期间阻挡外部场。然后对于磁性/puf材料组，这被移除。这个软铁氧体可以集成到传感器盖中，该传感器盖可以在使用时自动缩回或手动地被移除。