CN107015171A - 一种具有磁滞线圈的磁传感器封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有磁滞线圈的磁传感器封装结构，包括衬底、传感器切片、设置在衬底上的螺旋磁滞线圈、引线键合焊盘，所述的传感器桥臂由磁电阻传感元件构成，所述传感器切片上沉积有传感器桥臂，所述传感器桥臂电连接成磁电阻传感器电桥，所述的磁电阻传感器电桥设置在所述磁滞线圈上，所述螺旋磁滞线圈产生的磁场与传感器电桥的敏感轴共线，所述磁电阻传感器桥式电路封装在所述衬底上。本发明通过设置螺旋磁滞线圈，能够承载更大的电流，电阻值更小。本发明消除了由传感器在磁滞周期所产生的磁滞，且所述封装结构的制作工艺简单，制作成本低。

Description

一种具有磁滞线圈的磁传感器封装结构

技术领域

本发明涉及磁传感器领域，尤其涉及一种具有磁滞线圈的磁传感器封装结构。

背景技术

封装对于芯片来说是至关重要的。封装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的PCB的设计和制造。目前有多种半导体芯片封装形式，包括LGA(LandGridArray)、Chip On Board、Flip chip等，它们的方法是兼容的，还存在着使用基板的其他的封装方法，比如使用在航空和汽车上的混合封装。LGA以其丰富的接口，良好的机械稳定性和散热特性，得到越来越多的关注和使用。

霍尼韦尔公司增加片上复位带，复位带用于排列传感器元件的，缺点则是这些复位带使得传感器切片体积非常的大，并且造价昂贵。

在现有技术中，磁滞线圈包含在LGA封装的衬底上，并且它没有显著改变LGA封装衬底的尺寸。需要注意的是，LGA封装衬底仅仅是一个PCB。

LGA磁滞线圈包括普通的LGA封装接线，采用刻蚀的35或者70微米的铜，它可以比霍尼韦尔公司的片上导体承载更大的电流，并且由于采用了薄铜材料，电阻更低。

发明内容

本发明的封装结构在衬底上设置有螺旋磁滞线圈，其中，对应的磁滞磁场脉冲使用双极快速电流脉冲，能够应用于每个读取周期。

本发明提出了一种低成本的具有磁滞线圈的磁传感器封装结构，是根据以下技术方案实现的：

包括衬底、传感器切片、设置在衬底上的螺旋磁滞线圈、引线键合焊盘，所述传感器切片上沉积有传感器桥臂；所述传感器桥臂电连接成磁电阻传感器推挽式电桥，所述传感器桥臂包括由磁电阻传感元件构成的磁电阻传感器推挽式电桥的推臂和挽臂，所述磁电阻传感器推挽式电桥为磁电阻传感器推挽式半桥或者磁电阻传感器推挽式全桥。

所述磁电阻传感器推挽式电桥设置在所述螺旋磁滞线圈上，所述螺旋磁滞线圈产生的磁场与传感器电桥的敏感轴共线，所述磁电阻传感器推挽式电桥封装在所述衬底上。

还包括脉冲产生电路和信号处理电路，所述的脉冲产生电路用于提供正极磁场脉冲和负极磁场脉冲，所述脉冲产生电路包括第一电压器和第二电压器，所述第一电压器输出正极电压V1，所述第二电压器输出负极电压V2，所述的信号处理电路根据所述正极电压VI和负极电压V2计算出输出电压Vout＝(V1+V2)/2，并通过输出电压电路进行输出。

进一步地，所述衬底为LGA衬底，所述螺旋磁滞线圈沉积在所述LGA衬底上，所述磁电阻传感器推挽式电桥的推臂沉积在一个传感器切片上，所述磁电阻传感器推挽式电桥的挽臂沉积在另一个传感器切片上，其中传感器切片沉积在LGA衬底上。

进一步地，所述螺旋磁滞线圈设置在所述磁电阻传感元件的上方或者下方的平面上。

进一步地，所述磁传感器封装结构采用单芯片封装，其中所述磁电阻传感元件的钉扎层方向通过激光加热磁退火设置。

进一步地，所述传感器桥臂为两个或者四个，构成单轴传感器，相对设置的所述传感器桥臂的磁电阻传感元件的钉扎层方向相反。

进一步地，所述传感器桥臂为四个或者八个，构成双轴传感器，相对设置的所述传感器桥臂的磁电阻传感元件的钉扎层方向相反。

进一步地，所述输出电压电路通过数据计算系统远程获取。

进一步地，还包括ASIC专用集成电路，所述ASIC专用集成电路和所述磁电阻传感器电桥之间电连接，所述信号处理电路以及所述输出电压电路均集成在所述ASIC专用集成电路中。

进一步地，所述螺旋磁滞线圈在所述推臂产生的磁场与在所述挽臂产生的磁场方向相反，所述推臂位于所述螺旋磁滞线圈的一侧，所述挽臂位于所述螺旋磁滞线圈相对于所述挽臂的另一侧。

进一步地，所述ASIC专用集成电路设置在所述LGA衬底上。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明在衬底上设置有螺旋磁滞线圈，使所述磁传感器的整体电阻值更小，进而能够承载更大的电流；所述封装结构不仅消除了传感器自身在磁滞周期产生的磁滞，也进一步降低了测量过程中所引起的磁滞；并且，所述磁传感器封装结构制作工艺简单，制作成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为实施例一中提供的一种具有磁滞线圈的单轴磁传感器封装结构的磁场感测示意图；

图2为实施例二中提供的一种单轴磁传感器封装结构的磁场感测示意图；

图3为实施例一中提供的电流通过线圈产生磁场示意图；

图4为实施例一中提供的本发明的磁场分布示意图；

图5为实施例三中提供的一种双轴磁传感器封装结构的磁场感测示意图；

图6为实施例四中提供的一种双轴磁传感器封装结构的磁场感测示意图；

图7为实施例一中提供的电压输出示意图；

图8为实施例一中提供的电流脉冲电路示意图；

图9为实施例一中提供的传感数据处理示意图；

图10为实施例一中提供的电流脉冲电路检测电压的波形图。

图中：1-衬底，2-螺旋磁滞线圈，3-传感器桥臂，4-焊盘，5-钉扎层方向，6-ASIC专用集成电路，61-第一电容，62-第二电容，63-第三电容，64-第四电容，65-第一三极管，66-第二三极管，7-敏感轴方向，71-正极电压，72-负极电压，73-输出电压，8-电流方向，9-磁场方向。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

本实施例提供一种具有磁滞线圈的单轴磁传感器封装结构，如图1所示，为一种具有磁滞线圈的单轴磁传感器封装结构的磁场感测示意图，包括衬底1、传感器切片3、设置在衬底1上的螺旋磁滞线圈2、引线键合焊盘4，所述传感器切片3上沉积有传感器桥臂。

具体地，所述传感器桥臂电连接成磁电阻传感器推挽式电桥；所述传感器桥臂由磁电阻传感元件构成，并且包括磁电阻传感器推挽式电桥的推臂和挽臂，对应地，所述磁电阻传感器推挽式电桥的推臂和挽臂也是由磁电阻传感元件构成；所述磁电阻传感器推挽式电桥为磁电阻传感器推挽式半桥或者磁电阻传感器推挽式全桥。

其中，所述磁电阻传感器推挽式电桥设置在所述螺旋磁滞线圈2上，所述螺旋磁滞线圈2产生的磁场与传感器电桥的敏感轴共线，所述磁电阻传感器推挽式电桥电路封装在所述衬底1上。

进一步地，所述磁传感器封装结构还包括脉冲产生电路和信号处理电路，所述的脉冲产生电路用于提供正极磁场脉冲和负极磁场脉冲，所述的脉冲产生电路包括第一电压器和第二电压器，所述第一电压器用于输出正极电压V1，所述第二电压器用于输出负极电压V2，所述的信号处理电路根据所述正极电压V1和负极电压V2计算出输出电压Vout＝(V1+V2)/2，并通过输出电压电路进行输出。作为一种可行实施方式，所述输出电压也可以通过数据计算系统远程获取。

具体地，所述衬底1为LGA衬底，所述螺旋磁滞线圈2沉积在所述LGA衬底上；所述磁电阻传感器推挽式电桥的推臂沉积在一个传感器切片上，所述磁电阻传感器推挽式电桥的挽臂沉积在另一个传感器切片上；其中，所述传感器切片沉积在所述LGA衬底上。

并且，所述磁传感器封装结构采用单芯片封装，其中所述磁电阻传感元件的钉扎层方向5通过激光加热磁退火设置。

从图1中，可以看出，所述的螺旋磁滞线圈2为矩形，所述传感器桥臂为两个；这两个传感器桥臂分别位于所述螺旋磁滞线圈2对称的两侧，构成单轴传感器；相对设置的这两个传感器桥臂3上的磁电阻传感元件的钉扎层方向5相反。

图3为本发明的电流通过线圈产生磁场示意图，如图3所示，电流的方向为逆时针方向，进一步地，在螺旋磁滞线圈2对称部分的两侧磁场方向相反，且磁场方向平行于敏感轴方向。

图4为本发明的磁场分布示意图，沿着图3虚线的位置测量磁场结果如图4所示，测量得到的磁场大小在100G左右；需要说明的是，由于快速电流脉冲以及螺旋磁滞线圈2的间隔分布，该磁场分布还需要进一步完善。

图7为本发明的电压输出示意图，在感应方向施加一个正极电流脉冲读取正极电压V1，同样地，在感应方向施加一个负极电流脉冲读取负极电压V2，假设输出电压为Vout，根据公式Vout＝(V1+V2)/2可以计算电压输出的大小。

图8为本发明的电流脉冲电路示意图，如图8所示，本发明选用MAX1683开关电容倍压器作为主控芯片，配置成三倍频；该芯片的输入端连接输入电压Vin＝5V，使用四个外部电容，电容大小为10uF：所述四个电容以第一电容61、第二电容62、第三电容63和第四电容64进行说明：

具体地，所述第一电容61连接所述芯片的C1+和C1-；所述第二电容62一端连接MAX1683的输出端OUT，另一端接地；其中地，MAX1683的输出端OUT顺序连接有两个二极管，所述第三电容63的正极连接所述芯片的C1+，负极连接在两个二极管的之间；所述第四电容64的一端与第二个二极管的输出端相连，另一端接地。进一步说明的是，所述电路的空载输出电压为3Vin-Vdrop，其中，Vin为芯片MAX1683的输入电压，Vdrop是一个二极管的电压降，使用两个二极管使得芯片MAX1683的输出电压的影响降到最低。其中，用于电容的充电时间可以被计算出来，充电时间主要是取决于线圈的阻抗。

进一步地，在图8的电路中，在脉冲信号CLK为5V处于接通状态时，得到第一三极管65的基极为5V，此时第一三极管导通，与所述第一三极管的集电极相连的第一个870欧姆的电阻接地，使得第二三极管66关断，进一步使与其相连的1500欧姆电阻的另一端不接地；进一步分析，所述1500欧姆电阻的另一端电压为干线电压，这样，之后连接的MOS管电路部分接收所述干线电压作为输入；需要说明的是，电阻上的压降是可以通过分析电路获得的；具体地，本实施例中的三极管采用FMMT617，MOS管采用IRF7105型号。

当脉冲信号CLK为0V时，第一三极管65接收0V电压，不能连接第一个870欧姆的电阻到地，第一三极管65的集电极到发射极的电压是干线电压，穿过870欧姆电阻的电压降，使得第二三极管66导通，进一步使连接的1500欧姆电阻接地，这样使得MOS管电路部分的输入端接地。

需要说明的是，其中的第一电容61、第二电容62、第三电容63和第四电容64，以及第一三极管65和第二三极管66并没有先后顺序之分，仅仅作为区别和标记使用。

总之，这两个三极管用于导通时钟信号，使之进入到MOS管，这两个MOS管用于使之后连接的0.68uF电容的两端分别连接正电压和负电压，这样，传感器螺旋磁滞线圈可以实现双极性信号。并且，在螺旋磁滞线圈与IRF7105MOS管之间连接有电容，电容大小为0.68uF。

图9为本发明的传感数据处理示意图，其中双极性电流脉冲电路的输入可以是来自微控制器或者是外部时钟源信号，外部时钟源信号应与数据处理单元同步。

具体地，在理想状态下，双极性电流脉冲电路的时钟输入信号应保持高电平，当时钟脉冲从开关正向状态转到零状态，在传感器磁滞线圈中将产生正极电流脉冲；当输入时钟信号从零上升到正向状态时，将引起负极电流脉冲。

需要说明的是，对于传感器数据的有效处理，可以使用任何放大器作为前置放大器，然后将放大的数据反馈到数据处理单元；其中，对双极电流脉冲电路的输入时钟脉冲的上升和下降，能够在数据处理单元中显示；在每个时钟脉冲的正向状态和零状态进行传感器数据的单独采样，之后延迟一段时间用于获取传感器磁滞线圈中的电流信号。

具体地，传感器输出的正极电压V1的采样是在传感器磁滞线圈中感应到正极电流脉冲后开始；传感器输出的负极电压V2的采样是在传感器线圈中感应到负极电流脉冲之后开始。

图10为本发明的电流脉冲电路检测电压的波形图，施加一个正极电流脉冲，读取正极电压值；再施加一个负极电流脉冲，读取负极电压值。在正极电压V1和负极电压V2之间的采样时间内引入适当的延迟时间td1和td2，其中td1是正极电流脉冲完成所需的时间，td2是负极脉冲完成所需的时间；最终得到根据所述正极电压V1和负极电压V2获得的输出电压Vout＝(V1+V2)/2。

实施例二：

本实施例提供了一种单轴磁传感器封装结构，如图2所示，图2为本发明的另一种单轴磁传感器封装结构的磁场感测示意图，从图中可以看出，本实施例与实施例一中的单轴磁传感器封装结构的磁场感测示意图不同的是：

所述的螺旋磁滞线圈2为矩形，传感器桥臂为两个，这两个传感器芯片均位于所述螺旋磁滞线圈2的同一侧，构成单轴传感器。

实施例三：

本实施例提供了一种双轴磁传感器封装结构，如图5所示，图5为本发明的一种双轴磁传感器封装结构的磁场感测示意图，本实施例与实施例一和实施例二提供的磁传感器封装结构的磁场感测示意图不同的是：

所述的螺旋磁滞线圈2为正方形，传感器桥臂为四个，传感器芯片分别位于所述螺旋磁滞线圈2的四个边，构成双轴传感器；其中所述ASIC专用集成电路6位于衬底1的中间位置。

实施例四：

本实施例提供了一种双轴磁传感器封装结构，如图6所示，图6为本发明的另一种双轴磁传感器封装结构的磁场感测示意图，本实施例与实施例一、实施例二和实施例三提供的磁传感器封装结构的磁场感测示意图不同的是：

所述的螺旋磁滞线圈2为正方形，传感器桥臂为四个，所述传感器桥臂两两位于所述螺旋磁滞线圈2的相邻的两个边，构成双轴传感器；同样地，所述ASIC专用集成电路6位于衬底1的中间位置。

其中，本发明的所述ASIC专用集成电路6和所述磁电阻传感器电桥之间电连接，所述信号处理电路以及所述输出电压电路集成在所述ASIC专用集成电路6中，进一步地，所述ASIC专用集成电路6设置在所述LGA衬底1上。

需要说明的是，所述螺旋磁滞线圈2在所述推臂产生的磁场与在所述挽臂产生的磁场方向相反，其中，所述推臂位于所述螺旋磁滞线圈2的一侧，所述挽臂位于所述螺旋磁滞线圈2相对于所述挽臂的另一侧。

需要说明的是，在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述，比如电流产生磁场部分、磁场分布部分、电压输出部分、电流脉冲电路部分、传感数据处理部分，以及电流脉冲电路检测电压的波形部分。

本发明在衬底上设置有螺旋磁滞线圈，所述螺旋磁滞线圈使所述磁传感器的整体电阻值更小，进而能够承载更大的电流；所述封装结构不仅消除了传感器自身在磁滞周期所产生的磁滞，也进一步降低了测量过程中所引起的磁滞；并且，所述磁传感器封装结构制作工艺简单，制作成本低。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims (10)

1.一种具有磁滞线圈的磁传感器封装结构，其特征在于：包括衬底(1)、传感器切片(3)、设置在衬底上的螺旋磁滞线圈(2)、引线键合焊盘(4)，所述传感器切片(3)上沉积有传感器桥臂；

所述传感器桥臂电连接成磁电阻传感器推挽式电桥，所述传感器桥臂包括由磁电阻传感元件构成的磁电阻传感器推挽式电桥的推臂和挽臂，所述磁电阻传感器推挽式电桥为磁电阻传感器推挽式半桥或者磁电阻传感器推挽式全桥；

所述磁电阻传感器推挽式电桥设置在所述螺旋磁滞线圈(2)上，且所述电桥封装在所述衬底(1)上；所述螺旋磁滞线圈(2)产生的磁场与传感器电桥的敏感轴共线；

还包括脉冲产生电路和信号处理电路，所述的脉冲产生电路用于提供正极磁场脉冲和负极磁场脉冲，所述脉冲产生电路包括第一电压器和第二电压器，所述第一电压器输出正极电压V1，所述第二电压器输出负极电压V2；所述信号处理电路根据正极电压V1和负极电压V2计算出输出电压Vout＝(V1+V2)/2，并通过输出电压电路进行输出。

2.根据权利要求1所述的一种具有磁滞线圈的磁传感器封装结构，其特征在于：所述衬底为LGA衬底，所述螺旋磁滞线圈(2)沉积在所述LGA衬底上；

所述磁电阻传感器推挽式电桥的推臂沉积在一个传感器切片上，所述磁电阻传感器推挽式电桥的的挽臂沉积在另一个传感器切片上，其中所述传感器切片沉积在所述LGA衬底上。

3.根据权利要求1所述的一种具有磁滞线圈的磁传感器封装结构，其特征在于：所述螺旋磁滞线圈设置在所述磁电阻传感元件的上方或者下方的平面上。

4.根据权利要求1或3所述的一种具有磁滞线圈的磁传感器封装结构，其特征在于：所述磁传感器封装结构采用单芯片封装，其中所述磁电阻传感元件的钉扎层方向通过激光加热磁退火设置。

5.根据权利要求1或2所述的一种具有磁滞线圈的磁传感器封装结构，其特征在于：所述传感器桥臂为两个或者四个，构成单轴传感器，相对设置的传感器桥臂的磁电阻传感元件的钉扎层方向相反。

6.根据权利要求1或2所述的一种具有磁滞线圈的磁传感器封装结构，其特征在于：所述传感器桥臂为四个或者八个，构成双轴传感器，相对设置的传感器桥臂的磁电阻传感元件的钉扎层方向相反。

7.根据权利要求1所述的一种具有磁滞线圈的磁传感器封装结构，其特征在于：所述输出电压通过数据计算系统远程获取。

8.根据权利要求2所述的一种具有磁滞线圈的磁传感器封装结构，其特征在于：还包括ASIC专用集成电路(6)，所述ASIC专用集成电路(6)和所述磁电阻传感器推挽式电桥之间电连接，所述信号处理电路以及所述输出电压电路均集成在所述ASIC专用集成电路(6)中。

9.根据权利要求1或2所述的一种具有磁滞线圈的磁传感器封装结构，其特征在于：所述螺旋磁滞线圈在所述推臂产生的磁场与在所述挽臂产生的磁场方向相反，所述推臂位于所述螺旋磁滞线圈的一侧，所述挽臂位于所述螺旋磁滞线圈相对于所述挽臂的另一侧。

10.根据权利要求8所述的一种具有磁滞线圈的磁传感器封装结构，其特征在于：所述ASIC专用集成电路(6)设置在所述LGA衬底上。