利用gmr的氧濃度測量的制作方法

專利名稱：利用gmr的氧濃度測量的制作方法
技術領域：
本發明涉及傳感器技術、安全技術、醫療技術、氣體處理技術以及相關技術。 本發明用于醫療環境中的氧監測、各種工業環境條件監測任務等。
背景技術：
氧濃度測量用于許多臨床環境。為了改善患者的安全性，在麻醉和重癥護理醫 療中對吸入的氧濃度進行例行測量。另一范例是測量吸氣和呼氣的氧和二氧化碳濃度以 確定患者的代謝率。氧濃度測量的非醫療應用包括工業和環境氣體測量和處理任務。
文獻中描述了能夠用于測量氧的多種不同的物理學原理。對氧濃度的電化學、 分壓、氧化鋯和順磁性響應已經被認定為氧濃度測量的合適的基礎。然而，現有的系統 通常表現出各種缺陷，諸如反應時間緩慢、體積龐大、對機械振動敏感、成本高等。
常見類型的氧濃度傳感器是磁力學組件，其包括可旋轉地懸于磁場中的啞鈴 (dumbbell)結構，啞鈴的“鈴”包含氮或另一非順磁性材料。如果氧濃度升高，其由于 氧的順磁性屬性而被吸引到磁場中，從而使磁場增強。現鈴的非順磁性鈴偏出增強的磁 場，從而產生與氧濃度相關的 鈴偏轉。該偏轉由視覺檢測或者通過另一運動檢測系統 檢測。Fabinski等人在美國專利號為6J63J22的專利中描述了一種此類基于啞鈴的氧濃 度傳感器。
基于 鈴的氧濃度傳感器具有操作的機械基座，這導致對振動或其他機械干擾 的問題性敏感，并使傳感器難以小型化。發明內容
本發明提供了新的并經改進的氧監測器及氧監測方法，其克服了上述問題和其 他問題。
根據公開的一個方面，公開了一種氧傳感器，其包括用于在檢查區域內生成磁 激勵場的一個或多個磁場生成器以及用于檢測由所述檢查區域內的順磁性氧分子生成的 磁反應場的巨磁電阻(GMR)。那么GMR信號(例如，阻抗改變)指示檢查區域內的氧 濃度。
根據公開的另一方面，公開了一種氧感測方法，其包括在巨磁電阻裝置和檢 查區域內生成磁場；通過向檢查區域內引入一定濃度的氧擾動覆蓋巨磁電阻裝置的磁 場；使用巨磁電阻裝置測量磁場的擾動；以及輸出基于測得的磁場擾動確定的氧濃度值。
根據公開的另一方面，公開了一種氧傳感器，其包括芯片，所述芯片包括ω設 置于該芯片上面或內部的一條或多條導電線路以及(ii)設置于該芯片上面或內部的磁場 傳感器，使得在所述一條或多條導電線路中流動的電流在磁場傳感器內生成磁場，所述 磁場受氧擾動，使得由磁場傳感器輸出的磁場檢測信號指示氧濃度。
檢測器模塊任選可以包括用于為至少一個導體供應交變電驅動信號的驅動器。所述驅動信號例如可以是具有選定頻率的正弦電壓或電流。隨后由所述電流誘發的效應 常常通過允許將它們與其他效應區分開的相應的頻率依賴性進行特征化。
磁傳感器裝置可以配備有霍爾(Hall)傳感器或磁阻元件，在一些實施例中，磁 阻元件可以是GMR(巨磁電阻)裝置、TMR(隧道磁阻)裝置或AMR(各向異性磁阻)直ο
一個優點在于提供了降低了對振動或其他機械擾動的敏感度的氧傳感器。
另一優點在于提供了緊湊型的氧傳感器。
另一優點在于提供了配置成不具有活動部分的芯片的氧傳感器。
本領域的普通技術人員通過閱讀和理解下文的詳細描述，將理解本發明的進一 步優點。


圖1圖解示出了氧傳感器。
圖2示出了配置成芯片的氧傳感器的圖解透視圖。
圖3示出了配置成圖2中圖示說明的芯片的氧傳感器的選定操作部件的圖解側視 圖。
具體實施方式
參考圖1，氧傳感器包括設置于由磁場生成器生成的磁場12中的磁場傳感器 10。在圖1中，圖示說明的磁場生成器包括電導體14，諸如電線、導電線路等。在電導 體14內流動的電流生成繞電導體14的磁場12。圖1使用了常規的圖示符號，其中，由 環繞“X”符號的圓圈表示取向為垂直于圖紙平面并承載流“入”圖紙平面的電流的電 導體14。
包括磁場傳感器10和電導體14的氧傳感器配置成與檢查區域20內的氧相互作 用并測量氧濃度。在圖示說明的實施例中，檢查區域20被限定為由氧屏蔽層22界定的 磁場傳感器10 “上方”的區域，氧屏蔽層22阻止氧流到或擴散到磁場傳感器10的內部 或“下方”。在其他實施例中，檢查區域20可以由其他方式進行限定，例如通過氧氣可 以流經的管道。
磁場傳感器10和檢查區域20兩者都覆蓋磁場12。如圖1的圖解說明，氧分子 24中的每個包括兩個鍵合在一起的氧原子，由此限定了具有由0-0鍵限定的空間取向的 雙原子O2分子。位于磁場12外的氧分子M具有隨機的取向。另一方面，位于磁場12 內并且具體在感興趣的檢查區域20內的氧分子M被磁場12偏轉為0-0結構與磁場12的 方向對齊的取向。這種對齊是氧分子M主順磁性行為的結果。應當理解，圖1所示檢 查區域20內的氧分子M的對齊是圖示性的-實際中，磁場12向與磁場12平行的氧分子 M的對齊施加一些偏磁，但氧分子M繼續根據它們的動能旋轉和變換，并且僅是在統計 學意義上表現出與磁場12的對齊。然而，這種在統計學意義上的對齊對于氧分子M鞏 固和增強檢查區域20內的磁場12是足夠的。
磁場傳感器10—般是平面的并在圖1中以“側邊”(“edge-on”)顯示。在 檢查區域20內不存在任何氧濃度的情況下，圖1中的布置的對稱規定磁場12取向為垂直于一般為平面的磁場傳感器10。在本文圖示說明的實施例中，磁場傳感器10是旋轉 閥類型的巨磁電阻(GMR)裝置，其對χ方向(參見圖1中圖示說明的笛卡爾(Cartesian) 坐標系統)的磁場敏感，而對任何取向為垂直于一般為平面的GMR傳感器10的磁場分 量(即，任何取向為ζ方向的磁場分量)不敏感。在檢查區域20內不存在任何氧的情況 下，磁場12取向為沿ζ方向，因此GMR傳感器10檢測不到任何磁場。
隨著向檢查區域20內引入氧，使得檢查區域20內的氧濃度升高，氧分子對與 磁場12對齊(在統計學意義上)并增強檢查區域20內的磁場12。磁場12的這一擾動在 磁場中引入不對稱，其包括沿χ方向取向的擾動磁場分量Bx，如圖1圖解所示。旋轉閥 類型的GMR裝置10檢測并測量取向為沿χ方向的擾動磁場分量Bx。測得的平面內分量 Bx與檢查區域20內的氧濃度[O2]成比例，或至少隨其單調遞增。
合適的驅動和控制電子器件30提供用于驅動電導體14中的電流的功率以生成磁 場12，并包括用于接收由磁場裝置10輸出的磁場檢測信號的檢測電路。合適的輸出裝 置，諸如圖示說明的氧濃度[O2]顯示器32或圖示說明的高氧濃度警報器34等，提供用戶 可感知的氧濃度輸出指示，諸如在[O2]顯示器32上所顯示的定量氧濃度值、以測得的氧 濃度超過安全閾值為條件由高氧濃度警報器34輸出的可聽到的警報等。
圖1所示的實施例是說明性的。各種類型的基于GMR的裝置以及非基于GMR 的裝置都可考慮作為磁場傳感器。可用作磁場傳感器的非基于GMR裝置的范例是霍爾效 應裝置。一般為平面的霍爾效應裝置對垂直于裝置平面的磁場敏感-因此，如果霍爾效 應裝置替換圖1中的GMR裝置10，霍爾效應裝置應當旋轉90°，從而使未受擾動的磁 場12與霍爾效應裝置的平面平行，而擾動磁場Bx與霍爾效應裝置的平面垂直。在對磁 場的敏感度方面，基于GMR的裝置一般優于其他磁場傳感器。基于GMR的裝置和霍爾 效應裝置兩者有利地都是不具有活動部分的固態傳感器。
參考圖2，圖示說明的氧傳感器配置成芯片40，芯片40包括一般為平面的基底 42，基底42具有支撐GMR裝置10的前側44和流過電流Iex從而在GMR裝置10內生成 磁場的一條或多條導電線路14a、14b。一般為平面的基底42的前側面向檢查區域(在 圖2中未示出)，并且一般為平面的基底42還具有背向檢查區域的背側(在圖2中不可 見)。在一些實施例中，基底42是用于基于硅的電子制件的一種類型的硅基底，并在硅 基底42上使用電子處理技術的組合形成或制造GMR裝置10和導電線路14a、14b，所述 電子處理技術諸如金屬或含金屬層的真空沉積；絕緣介質層的真空或等離子沉積；用以 限定沉積窗口和/或用以側面選擇性移除層的光刻處理等。在一些實施例中，還在硅基 底42上使用硅電子制造技術制造合適的驅動和控制電子器件46。片上的電子器件46可 以包括圖1圖解說明中所示的驅動和控制電子器件30的一些或全部。氧屏蔽層22適當地 形成為至少沉積在GMR傳感器10區域上面、以及任選沉積在基底42的整個前側44上面 的電介質層。(圖2中虛線所示的電介質層22毯覆基底42的整個前側44)。有利地， 這些處理操作可以在晶圓級(waferlevel)上執行，即可以在直徑為一厘米、或兩厘米、或 若干厘米、或更大的大硅晶圓上執行。使用合適的光刻掩膜等，能夠在晶圓級上制作幾 十個、幾百個、幾千個或更多的氧傳感器部件組10、14a、14b、46，隨后毯覆沉積屏蔽 電介質層22，隨后是通過鋸、激光切削等切割硅晶圓，從而在單批次處理中生成幾十、 幾百、幾千或更多的氧傳感器芯片40。
繼續參考圖2并進一步參考圖3，圖2中圖示說明的氧傳感器芯片40不具有活 動部分。導電線路Ha在檢查區域20內生成相應的磁場分量12a，而導電線路14b在檢 查區域20內生成相應的磁場分量12b。對于磁場分量12a、1 兩者而言，與磁場分量 12a、1 對齊的氧分子M的影響是增強取向為在χ方向的擾動磁場Bx，GMR裝置10沿 χ方向敏感。
在一些應用中，氧傳感器芯片40被包含(或可能包含)氧的環境包圍，使得基 底42的前側44和背側兩側都存在環境氧(如果有)。在這種情況下，選取電介質層22和 基底42的厚度，使得由巨磁電阻裝置10檢測到的磁場12的分量扎取決于檢查區域20內 的氧濃度，并且大體上獨立于背向檢查區域的基底42的背側上的氧濃度。在前側44上、 即在檢查區域20內的氧與設置于基底42的背側的任何氧相比應當大體上更接近GMR裝 置10。為了實現這一點，電介質層22應當盡可能薄，而基底42應當足夠厚，使得由于 基底42的背側存在的任何氧而引起的磁場擾動距離GMR裝置10足夠遠，從而使這種背 側的氧大體上不改變GMR裝置10附近的磁場。預計通常用于一些商用電子級硅晶圓、 厚度約300微米的硅基底足以使得可忽略任何背側環境氧濃度對GMR裝置10的影響。 任選地，可以添加附加的背側屏蔽層(未示出)，諸如附接于基底的背側以增加總厚度的 附加的防滲氧塑料疊片。
備選地，該環境可以僅存在于基底42的前側44上，而背側不處于該環境中。此 類布置的范例是將氧傳感器芯片40嵌入容器壁中，使得前側44暴露于容器的容納物中， 而背側嵌入容器壁內。在這一布置中，由于僅前側44暴露于任何環境氧，基底厚度沒有 具體的相關性。
繼續參考圖3，作為定量的范例考慮氧傳感器芯片40，圖示說明的旋轉類型的 GMR裝置10的寬度為W(3MR，與寬度為w的電導體14a、14b的間隔距離為d，其中， WGMR = w = d = 3微米。在100容積百分比的O2中，每單位質量的磁化率為X重量,。= 1.33 · 10_6m7kg。該比質量等于m= 1.4kg/m3，這樣無量綱 X0= x 重量m=l.87 · 10_6。 對于圖3圖示說明的幾何結構，以及在檢查區域20內施用氧濃度為每立方微米一個氧分 子的100%的氧和25mW功率消耗，氧傳感器芯片預計生成約2.9nV的信號。旋轉閥類型 的GMR裝置10預計表現出Ι/f噪聲特性，其中，f為工作頻率，這樣可通過在交流(a.c.) 模式下操作GMR裝置10以獲得經改進的信噪比6NR)。在一些實施例中，GMR裝置 10工作在大于或約為IOOKHz的頻率。假設導體14a、14b中流動的電流為100mA，白 噪聲譜密度為= 3.5nV/ V Hz,并且預期檢測信噪比為SNR_= IOdB,檢測帶寬為jj 2 SNRim5 = _5^·1οΤ=67ηιΗζ，并且測量時間為了 =丄=7 s。在這種交流操作模式下，由 et2BGMR裝置10輸出的磁場檢測信號可適當地解調為直流0i.C.)，并對其進行數字化或其他方式進行處理以獲得氧濃度信號。
以上僅僅是說明性的范例。在其他實施例中，涵蓋更寬的GMR裝置，諸如100 微米寬的裝置，以提供更強的信號。同樣地，可以將電導體14a、14b制得更寬，或利用 更多的電導體，以便承載更大的電流以提供更強的磁場以及因此更強的信號。此外，圖 示說明的實施例采用取向為垂直于一般為平面的GMR裝置10的未受擾動的磁場，還涵 蓋了其他幾何結構。作為另一所涵蓋的幾何結構的范例，GMR裝置可以取向為測量ζ方向(使用圖1中的坐標)的磁場而不是直交的擾動場Bx。在這一布置中，GMR裝置的 輸出永遠不會為零，而GMR裝置的輸出中的任何變化對應于氧濃度的變化。更進一步， 磁場生成器可以具有比本文圖示說明的那些構造更為復雜的構造，例如包括有阻抗的或 超導的線圈或電磁鐵、永磁鐵、限制磁通路徑的鐵磁材料等。
本文已經參考優選實施例對發明進行了描述。他人通過閱讀上文的詳細描述， 可以發生修改和變型。將本發明解釋為包括所有這些修改和變型，只要這些修改和變型 在權利要求或與權利要求等同的范圍內。
權利要求
1.一種氧傳感器，包括 巨磁電阻裝置(10)；以及磁場生成器(14、14a、14b)，其被布置成在所述巨磁電阻裝置和檢查區域(20)內生 成磁場(12、12a、12b)，由所述巨磁電阻裝置檢測到的所述磁場的分量(Bx)取決于所述 檢查區域內的氧濃度。
2.如權利要求1所述的氧傳感器，還包括檢測器模塊(30、32、34、46)，其可操作地與所述巨磁電阻裝置(10)耦合，從而基 于由所述巨磁電阻裝置檢測到的所述磁場(12、12a、12b)的所述分量(Bx)輸出氧濃度信號。
3.如權利要求1和權利要求2中任一項所述的氧傳感器，其中，所述磁場生成器 (14、14a、14b)包括電導體(14、14a、14b)，其分別針對所述巨磁電阻裝置(10)進行布置，使得流經所 述電導體的電流在所述檢查區域內生成所述磁場(12、12a、12b)。
4.如權利要求1-3中任一項所述的氧傳感器，還包括氧屏蔽層(22)，其設置于所述檢查區域(20)和所述巨磁電阻裝置(10)之間。
5.如權利要求1-4中任一項所述的氧傳感器，還包括一般為平面的基底(42),其支撐所述巨磁電阻裝置(10)和所述磁場生成器(14、 14a、14b)，所述磁場生成器包括設置于所述基底上面或內部的一條或多條導電線路 (14a、14b)，所述巨磁電阻裝置(10)包括設置于所述一般為平面的基底上面或內部的一 般為平面的裝置，所述一般為平面的基底、巨磁電阻裝置以及一條或多條導電線路共同 限定氧傳感器芯片(40)。
6.如權利要求1-4中任一項所述的氧傳感器，還包括 一般為平面的基底(42)，其具有面向所述檢查區域(20)并支撐所述巨磁電阻裝置(10)和所述磁場生成器(14a、14b) 的前側(44)，以及背向所述檢查區域的背側； 以及電介質層(22)，其設置于所述一般為平面的基底的所述前側的至少一部分上面并充 分地阻止所述檢查區域內的氧(24)到達所述巨磁電阻裝置。
7.如權利要求6所述的氧傳感器，其中，所述電介質層(22)和基底(42)的厚度使得 由所述巨磁電阻裝置(10)檢測到的所述磁場(12a、12b)的所述分量(Bx)取決于所述檢 查區域(20)內的氧濃度，且充分地獨立于背向所述檢查區域的所述基底的所述背側上的 氧濃度。
8.如權利要求1-7中任一項所述的氧傳感器，其中，所述氧傳感器配置成不包括移動 部分的芯片(40)。
9.一種氧感測方法，包括在巨磁電阻裝置(10)和檢查區域(20)內生成磁場(12、12a、12b)；通過向所述檢查區域內引入一定濃度的氧(24)擾動覆蓋所述巨磁電阻裝置的所述磁場；使用所述巨磁電阻裝置測量所述磁場(12、12a、12b)的所述擾動(Bx)；以及輸出基于所測得的磁場擾動確定的氧濃度值。
10.如權利要求9所述的氧感測方法，還包括在所述巨磁電阻裝置(10)和所述檢查區域(20)之間插入氧屏蔽層(22)，使得在所述 檢查區域內的氧(10)不能到達所述巨磁電阻裝置。
11.如權利要求9和權利要求10中任一項所述的氧感測方法，其中，所述測量不包括 任何移動部分的移動。
12.如權利要求9-11中任一項所述的氧感測方法，其中，測量包括以大于或約為100 千赫的頻率操作所述巨磁電阻裝置(10)。
13.—種氧傳感器，包括芯片(40)，其包括(i)設置于所述芯片上面或內部的一條或多條導電線路(14a、 14b)以及(ii)設置于所述芯片上面或內部的磁場傳感器(10)，使得在所述一條或多條導 電線路內流動的電流在所述磁場傳感器內生成磁場(12a、12b)，所述磁場受氧(24)擾動 (Bx)，使得由所述磁場傳感器輸出的磁場檢測信號指示氧濃度。
14.如權利要求13所述的氧傳感器，其中，所述磁場傳感器包括巨磁電阻裝置 (10)。
15.如權利要求13和權利要求14中任一項所述的氧傳感器，其中，所述芯片(40)— 般為平面并且不包括運動部分。
全文摘要
在實施例中，氧傳感器包括巨磁電阻裝置(10)和布置成生成覆蓋巨磁電阻裝置和檢查區域(20)的磁場生成器(14、14a、14b)。由巨磁電阻裝置檢測到的磁場的分量(Bx)取決于檢查區域內的氧濃度。在實施例中，芯片(40)包括設置于芯片上面或內部的一條或多條導電線路(14a、14b)以及設置于芯片上面或內部的巨磁電阻裝置(10)，使得在所述線路內流動的電流生成覆蓋磁場傳感器的磁場(12a、12b)，所述磁場受到環境氧(24)擾動，使得由磁場傳感器輸出的信號指示環境氧濃度。
文檔編號G01N27/74GK102027361SQ200980117159
公開日2011年4月20日 申請日期2009年5月4日 優先權日2008年5月14日
發明者H·杜里克, J·A·H·M·卡爾曼, J·維恩 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司