CN101389972A - 磁致电阻传感器设备以及制造这样的磁致电阻传感器设备的方法 - Google Patents

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Abstract

为了进一步改进包括：至少一块晶片(10)，特别是至少一块硅晶片；以及至少一个传感元件(30)，特别是至少一个各向异性磁致电阻传感元件和/或至少一个巨磁电阻(GMR)传感元件，比如至少一个多层巨磁电阻(GMR)传感元件；其中所述传感元件(30)安置于基板和/或晶片(10)的上方和/或下方的磁致电阻传感器设备(100；100’；100”)，以及制造这样的磁致电阻传感器设备(100；100’；100”)的相应方法，使得无需使用用于对传感元件(10)和/或磁致电阻传感器设备(100；100’；100”)进行预置的外部或额外的偏磁场，提出将至少一个磁层(20t，20b)安置在基板或晶片(10)的上方(20t)和/或下方(20b)，并至少部分安置在传感元件(30)上方(20t)和/或下方(20b)，所述磁层(20t，20b)提供至少一个偏磁场。

Description

磁致电阻传感器设备以及制造这样的磁致电阻传感器设备的方法
技术领域
本发明涉及磁致电阻传感器设备，所述磁致电阻传感器设备包括：
-至少一块基板或晶片，特别是，至少一个硅晶片，以及
-至少一个传感元件，特别是
--至少一个AMR(各向异性磁致电阻)传感元件和/或
--至少一个GMR(巨磁电阻)传感元件，比如至少一个多层GMR(巨磁电阻)传感元件，
所述传感元件安置于基板或晶片的上方和/或下方。
本发明还涉及用于测量所要测量的磁场的场强，特别是用于测量所要测量的磁场的时间梯度的，梯度计、磁力计或传感器。
本发明还涉及制造这样的磁致电阻传感器设备的方法。
背景技术
磁致电阻传感器特别用于电磁场的测量。通常，利用所谓的barber极将各向异性磁致电阻传感器的特性进行线性化。在这种情况下，偏磁场必须使磁致电阻传感器稳定。另一方面，对于基于(多层)GMR(巨磁电阻)效应的传感器，偏磁场必须在线性范围内移动工作点。认识这点的最简单方法就是，将外部磁体放在磁致电阻层(通常位于封装内)的附近。
这种方法隐含着某些主要缺陷：对于磁致电阻转速传感器或者(在使用标准集成电路(IC)封装的情况下)当用户确定磁体尺寸并安装磁体时，存在使用专用封装的必要。
此外，存在诸如磁体在装配期间的错放或损坏等、众所周知的质量和产量问题。另外，不能将外部磁体的体积缩小至特定最小值以下。
换言之，各向异性磁致电阻(AMR)传感器和(多层)巨磁电阻(GMR)传感器需要额外的偏磁场对传感器进行预置。通常，用外部设备，如利用永磁体或利用场发生器)提供此偏磁场。
原则上，磁体薄层的制造已经成为一种已知技术(参见例如S.tumanski，Thin Film Magnetoresistive Sensors，第45至52页，Instituteof Physics Publishing，2001，Bristol，以及其中的参考文献)。
现有技术文档JP 04-152688提出使用磁浆(magnetic paste)形成置于芯片安装引线框上的永磁体。
现有技术文档US 2004/0130323 A1公开了包括自由层(free layer)和栓层(pinned layer)的(自旋阀(spin valve))巨磁电阻(GMR)传感器的制造；偏磁场层在期望方向上得到磁化。
然而，现有技术文档US 2004/0130323 A1并未提及多层巨磁电阻(GMR)传感器，也未提及所使用的材料或磁层的实际制造；此外，现有技术文档US 2004/0130323 A1仅公开了用于在晶片级提供各种磁化方向的磁化过程中的、特殊的磁配置。
最后，关于本发明的背景技术，可进一步参考：
-现有技术文档US 6 118 624，其中，将附加硬磁层安置在磁致电阻元件的巨磁电阻(GMR)层之间，以提供偏磁场；然而，所述磁层不是丝网印刷在磁致电阻传感器上的，并且不能在已被装配于磁致电阻传感器上之后得到磁化；
-现有技术文档US 6 426 620 B1，公开了一种同电路一起合并在同一载体之上的巨磁电阻(GMR)传感器。
-现有技术文档WO 99/13519 A1，公开了一种用于磁致电阻设备的蚀刻凹槽中的永磁体材料；以及
-现有技术文档WO 02/099451 A2，提出在磁致电阻传感器的制造过程中提供并确定各种磁化方向。
发明内容
从上述缺点和缺陷出发，并根据所讨论的现有技术，本发明的目的在于，进一步改进：在以上背景技术中所说明的该类磁致电阻传感器设备；在以上背景技术中所说明的该类梯度计、磁力计或传感器；以及以上背景技术中所说明的该类方法，使得无需使用用于对传感元件和/或磁致电阻传感器设备进行预置的外部或额外的偏磁场。
可以通过包括权利要求1的特征在内的磁致电阻传感器设备，通过包括权利要求5的特征在内的梯度计、磁力计以及传感器，以及通过包括权利要求7的特征在内的方法，实现本发明的目的。在各独立权利要求中公开了本发明的优势实施例和有益改进。
本发明在原理上基于这一思想，即，将至少一“固有”偏磁体集成在磁致电阻传感器的至少一半导体封装或传感器封装中；更特别地，出于小型化目的，提出通过添加至少一个具有永磁场特性的附加或额外的硬磁层的方式，将偏磁场集成在磁致电阻传感器上；从而，无需使用用于对磁致电阻磁致电阻传感器进行预置的外部或额外的磁场。
理论上，偏磁体的集成可以用利用薄膜技术置于磁致电阻传感器上方或下方的至少一各向异性硬磁层予以实现。然而，采用这样的各向异性磁层，放置后将再也不能改变磁场的方向。因此，无法对磁偏移进行补偿。此外，通常不得不在放置后通过蚀刻处理构造这样的各向异性磁层。
由于上述原因，根据本发明的优势实施例，可以使用至少一种各向同性磁浆和/或可磁化浆，后者基于，比如：
- (各向异性)铁氧体粉末，如钡六方铁氧体粉末或锶六方铁氧体粉末，或
-任何其它(各向异性)硬磁粉末，如稀土金属化合物。
可以利用玻璃晶化等技术生产钡六方铁氧体或锶六方铁氧体的这样的粉末。各向异性粉末的随机混合提供了浆的(整体上的)各向同性行为。
有利地，为了获得丝网印刷浆，随后可以将铁氧体粉末混如适当的聚合物或玻璃焊剂。
根据本发明的特定发明方案，可以将可磁化浆丝网印刷到带有传感器的硅晶片上；在此上下文中，可以将可磁化浆印刷到传感器晶片的正面和/或背面上。本领域技术人员应理解的是，不必进一步对浆加以构造。
当浆退火之后，可以进一步加工磁致电阻传感器。具体而言，可以将磁致电阻传感器进行切块、成型以及磁化。有利地，由于能够在传感器平面内任意选择磁场方向，并且能够通过交变磁化改变磁场方向，因而能够对磁偏移进行补偿。封装后，可以在传感器平面内以任意方向将可磁化浆磁化。
同现有技术文档JP04-15 26 88相比，可以将可磁化将直接印刷在传感器晶体的正面；因此，与现有技术文档JP04-15 26 88中的磁膜相比，该磁膜到传感器的距离要近两个数量级以上。
和现有技术文档US 2004/0130323 A1有所不同，在US2004/0130323 A1中仅公开了对用于在晶片级提供各种磁化方向的(自旋阀)巨磁电阻(GMR)传感器进行磁化的过程中的磁配置，本发明公开了一种方法或过程，其中，能够分别以任一方向在现成产品上而不是在基板级也不在晶片级而是进行磁化。
一般而言，本发明可用于，在并未配备一个或多个的外部磁体或额外磁体的标准IC(集成电路)封装中，制造“现成的”梯度计和/或磁力计和/或传感器。
此外，可以将ASIC(专用集成电路)以及带有磁体的(MR)磁致电阻传感器集成在一个标准IC(集成电路)封装中。
最后，本发明涉及，对上述至少一梯度计、磁力计或传感器，使用上述至少一种磁致电阻传感器设备和/或上述方法，特别是
-用于至少一种通用梯度计、磁力计或传感器，后者基于
--AMR(各向异性磁致电阻)技术，特别是不含栓层，或
--巨磁电阻(GMR)技术，例如多层巨磁电阻(GMR)技术，特别是不含栓层，
-用于至少一线性位移传感器，和/或
-用于至少一转速传感器。
根据将传感器布置成与所要测量的测量场的场强位置上的、测量场的场线成预先确定的直线的原则，用于对所要测量的磁场(以下称测量场)的场强进行测量的这样的传感器能够受到磁力的影响。
附图说明
如以上已讨论过的，存在以有益方式实现并改进本发明教义的若干选择。为此，参考分别从属于权利要求1、权利要求5以及权利要求7的权利要求；以下以举例的方式参考三个优选实施例并参考附图，更加详细地对本发明的进一步的改进、特征以及优点加以阐释，附图中：
图1示意性地示出了带有两个磁致电阻传感元件的基板或晶片的一部分的第一实施例的剖面图，其中在传感元件的整个正面上印刷了可磁化浆；
图2示意性地示出了带有两个磁致电阻传感元件的基板或晶片的一部分的第二实施例的剖面图，其中在传感元件正面的各部分或局部上印刷了可磁化浆；以及
图3示意性地示出了带有两个磁致电阻传感元件的基板或晶片的一部分的第三实施例的剖面图，其中在传感元件的整个正面上印刷了可磁化浆，还在基板或晶片的背面上印刷了可磁化浆。
用相同的参考数字表示图1至图3中的相应部分。
具体实施方式
为避免不必要的重复，(除非另做声明)以下关于本发明的实施例、特征以及优势的说明涉及：
-依照本发明的磁致电阻传感器100的第一实施例(参见图1)以及
-依照本发明的磁致电阻传感器100’的第二实施例(参见图2)以及
-依照本发明的磁致电阻传感器100”的第三实施例(参见图3)，
实施例100，100’，200”均是根据本发明的方法制成的。
在图1、2、3中，利用各向同性硬磁层20t(参见图1，2，3)和/或20b(参见图3)实现偏磁场的集成，其中，能够利用薄膜技术或通过丝网印刷方法将各向同性硬磁层20t(参见图1，2，3)和/或20b(参见图3)置于基板或晶片10的
-上方(参见图1，2，3)或
-下方(参见图3)
其中传感元件30(例如AMR(各向异性磁致电阻传感元件)置于基板或晶片10上。
各向同性磁浆20t、20b的原料是诸如铁氧体或稀土金属化合物等可磁化粉末。然后，将该粉末混入适当的聚合物或玻璃焊剂，以获得丝网印刷浆20t、20b。将所述丝网印刷浆20t、20b丝网印刷在带有传感器30的基板晶片10上。
各向异性磁浆20t，20b可印刷在：
-晶片10的正面(→参考数字20t)，
--覆盖整个正面(参见依照图1的第一实施例和依照图3的第三实施例)或
--部分或局部覆盖(参见根据图2的第二实施例)传感元件30结构和/或
-覆盖在与传感元件30结构相对的，晶片10的背面(→参考数字20b)(参见依照图3的第三实施例)。
不必进一步对浆20t，20b加以构造。
当浆退火形成磁层20t，20b之后，可以进一步加工传感器100，100’，100”。具体而言，可以将传感器100，100’，100”进行切块、成型以及磁化。因为能够在传感器100，100’，100”的平面内任意选择由各向同性硬磁层20t，20b提供的偏磁场方向，并且能够通过交变磁化(remagnetization)改变所述偏磁场方向，因而可以对磁偏移进行补偿。
在此上下文中，仅仅
-在传感器晶片或基板10的正面上部分或局部印刷(参见根据图2的第二实施例)各向同性磁浆20t和/或
-在传感器晶片或基板10背面上部分或局部印刷各向同性磁浆20b
能够有利于支持改变偏磁场方向的过程和/或有利于支持交变磁化的过程。
本发明使得能够
-在标准IC(集成电路)封装中，制造现成的多功能梯度计、磁力计或传感器，
-将专用集成电路(ASIC)以及带有偏磁体的MR(磁致电阻)传感器集成在标准IC(集成电路)封装中，以及
-显著缩小现有的速度传感器封装的尺寸。
参考数字列表
100磁致电阻传感器设备，特别是，作为梯度计、磁力计或者传感器的一部分的磁致电阻传感器设备，和/或作为梯度计、作为磁力计或作为传感器予以实现的磁致电阻传感器设备(＝依照图1的第一实施例)
100’磁致电阻传感器设备，特别是，作为梯度计、磁力计或者传感器的一部分的磁致电阻传感器设备，和/或作为梯度计、作为磁力计或作为传感器予以实现的磁致电阻传感器设备(＝依照图2的第二实施例)
100”磁致电阻传感器设备，特别是，作为梯度计、磁力计或者传感器的一部分的磁致电阻传感器设备，和/或作为梯度计、作为磁力计或作为传感器予以实现的磁致电阻传感器设备(＝依照图3的第三实施例)
10基板或晶片，特别是硅晶片
20b位于基板或晶片10背面的各向同性硬磁层或磁浆(＝根据图3的第三实施例)
20t位于基板或晶片正面的各向同性硬磁层或磁浆
30传感元件，特别是AMR(各向异性磁致电阻)传感元件

Claims (10)

1、一种磁致电阻传感器设备(100；100’；100”)，包括：
-至少一块基板或晶片(10)，特别是至少一块硅晶片，以及
-至少一个传感元件(30)，特别是
--至少一个各向异性磁致电阻(AMR)传感元件和/或
--至少一个巨磁电阻(GMR)传感元件，比如至少一个多层巨磁电阻(GMR)传感元件，
所述传感元件(30)安置于基板或晶片(10)的上方和/或下方，其特征在于
至少一磁层(20t，20b)：
-安置于基板或晶片(10)的上方(20t)和/或下方(20b)，以及
-至少部分安置于传感元件(30)的上方(20t)和/或下方(20b)，
所述磁层(20t，20b)提供至少一个偏置磁场。
2、根据权利要求1所述的传感器设备，其特征在于，所述磁层(20t，20b)：
-是由至少一种各向异性磁浆和/或可磁化浆形成的，以及
-含有永磁场特性。
3、根据权利要求2所述的传感器设备，其中，所述的浆基于可磁化粉末，特别是，基于铁氧体和/或至少一种稀土化合物。
4、根据权利要求2或3所述的传感器设备，其特征在于，至少部分和/或至少局部地将所述的浆印刷，特别是丝网印刷在基板级或晶片级，特别是，基板或晶片(10)的正面和/或背面。
5、一种用于对所要测量的磁场的场强进行测量，特别是用于对所要测量的磁场的时间梯度进行测量的梯度计、磁力计或传感器，
其特征在于
根据权利要求1至4中至少一项所述的至少一种磁致电阻传感器设备(100；100’；100”)。
6、根据权利要求5所述的梯度计、磁力计或传感器，其特征在于将所述的梯度计、磁力计或传感器实现为：
-至少一通用梯度计、磁力计或传感器，所述通用梯度计、磁力计或传感器基于
--各向异性磁致电阻(AMR)技术，特别是不含栓层，或
--巨磁电阻(GMR)技术，例如多层巨磁电阻(GMR)技术，特别是不含栓层，
-至少一线性位移传感器，和/或
-至少一转速传感器。
7、一种制造磁致电阻传感器设备(100；100’；100”)的方法，包括：
-至少一块基板或晶片(10)，特别是，至少一块硅晶片，以及
-至少一个传感元件(30)，特别是
--至少一个各向异性磁致电阻(AMR)传感元件和/或
--至少一个巨磁电阻(GMR)传感元件，比如至少一个多层巨磁电阻(GMR)传感元件，
将所述传感元件(30)安置在基板或晶片(10)的上方和/或下方，
其特征在于
将至少一磁层(20t，20b)：
-安置在基板或晶片(10)上方(20t)和/或下方(20b)，以及
-至少部分安置在传感元件(30)的上方(20t)和/或下方(20b)，所述磁层(20t，20b)提供至少一个偏置磁场。
8、根据权利要求7所述的方法，其特征在于，
-将可磁化粉末，如铁氧体粉和/或稀土化合物粉末混入适当的聚合物或玻璃焊剂，以提供浆，特别是可丝网印刷的浆，
-特别地，为了形成磁层(20t，20b)，至少部分和/或至少局部地将所述的浆印刷在，特别是丝网印刷在，基板级或晶片级，特别是基板或晶片(10)的正面和/或背面，以及
-为了形成传感器设备(100；100’；100”)，对带有磁层(20t，20b)并且带有传感元件(30)的基板或晶片(10)进行进一步加工，特别是，切块、成型和/或磁化。
9、对根据权利要求5或6所述的至少一梯度计、磁力计以及传感器，使用根据根据权利要求1至4中至少一项所述的至少一磁致电阻传感器设备(100；100’；100”)和/或根据权利要求7或8所述的方法，特别是
-用于至少一种通用梯度计、磁力计或传感器，所述通用梯度计、磁力计或传感器基于
--各向异性磁致电阻(AMR)技术，特别是不含栓层，或
--巨磁电阻(GMR)技术，比如多层巨磁电阻(GMR)技术，特别是不含栓层，
-用于至少一线性位移传感器，和/或
-用于至少一转速传感器。
10、根据权利要求9所述的使用，其特征在于，在至少一标准集成电路(IC)封装中集成至少一专用集成电路(ASIC)和/或带有至少一偏置磁场的至少一磁致电阻(MR)传感器。
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