CN111751768A - 磁性体检测传感器 - Google Patents

Abstract

提供磁性体检测传感器，本发明的磁性体检测传感器具有：支承基板(101)；具有厚度的磁体(102)，其在支承基板(101)的一个或另一个主面上配置成磁化方向与主面平行；以及半导体芯片，其配置在支承基板(101)的一个或另一个主面侧，具有检测特定方向(D)的磁场成分的磁场检测元件(103)，磁场检测元件(103)配置在第一空间(S1)、第二空间(S2)以及第三空间(S3)之外，该第一空间(S1)在磁化方向上与磁体(102)相邻，具有所述厚度，该第二空间(S2)在与磁化方向垂直的方向上与磁体(102)相邻，该第三空间(S3)从第一空间(S1)沿着与特定方向(D)垂直的方向延伸。

Description

磁性体检测传感器

技术领域

本发明涉及磁性体检测传感器。

背景技术

以往，提出了通过将磁场检测元件与永磁体组合起来的构造来检测磁性体的存在的磁性体检测传感器(例如，专利文献1和2)。作为被检测体的磁性体，列举了永久磁化小且导磁率大的钢等金属材料、含有磁性体粒子的磁性涂料等。磁性体检测传感器用于齿轮的旋转检测、磁性涂料的图案检测等。与检测永磁体的接近的通常的磁传感器相比，磁性体检测传感器不需要使被检测体磁化，因此能够容易地实现非接触的接近检测。

专利文献1：美国专利第8089276号说明书

专利文献2：美国专利第9647144号说明书

在专利文献1和2中，公开了永磁体和作为感磁部的磁场检测元件在大致同一平面上相邻配置的构造。磁场检测元件构成为对于永磁体的磁化方向、检测特定方向的磁场成分。特定方向在专利文献1中是平行方向，在专利文献2中是垂直方向。磁场检测元件的输出与该磁场成分的大小成比例地变化。在这样的构造中，由于永磁体与磁场检测元件的相对位置的微小偏差，由磁场检测元件检测的磁场成分的大小会大幅地变化，不存在作为被检测体的磁性体的情况下的磁性体检测传感器的输出的偏差即偏置(offset)会产生较大的偏差，因此难以高精度地检测磁性体。

发明内容

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，提供如下的磁性体检测传感器：能够抑制由于与作为被检测体的磁性体的相对位置的变化而引起的偏置的偏差，能够高精度地进行磁性体的检测。

为了解决上述课题，本发明采用了以下的手段。

本发明的一个方式的磁性体检测传感器具有：支承基板；具有厚度的磁体，其在所述支承基板的一个或另一个主面上配置成磁化方向与所述主面平行；以及半导体芯片，其配置在所述支承基板的一个或另一个主面侧，具有检测特定方向的磁场成分的磁场检测元件，在第一空间、第二空间以及第三空间之外配置有所述磁场检测元件，该第一空间在所述磁化方向上与所述磁体相邻，具有所述厚度，该第二空间在与所述磁化方向垂直的方向上与所述磁体相邻，该第三空间从所述第一空间沿着与所述特定方向垂直的方向延伸。

根据本发明，能够提供如下的磁性体检测传感器：能够抑制由于与作为被检测体的磁性体的相对位置的变化而引起的偏置的偏差，能够高精度地进行磁性体的检测。

附图说明

图1的(a)和图1的(b)是本发明的第一实施方式的磁性体检测传感器的俯视图和剖视图。

图2是将图1的(b)的磁性体检测传感器的一部分放大的图。

图3是对本发明的磁性体检测传感器的动作进行说明的曲线图。

图4的(a)和图4的(b)是本发明的第二实施方式的磁性体检测传感器的俯视图和剖视图。

图5的(a)和图5的(b)是本发明的第三实施方式的磁性体检测传感器的俯视图和剖视图。

图6的(a)和图6的(b)是本发明的第四实施方式的磁性体检测传感器的俯视图和剖视图。

图7的(a)和图7的(b)是示出图6的磁性体检测传感器的变形例1、2的图。

图8的(a)和图8的(b)是本发明的第五实施方式的磁性体检测传感器的俯视图和剖视图。

图9是示出图8的磁性体检测传感器的变形例的图。

标号说明

100、200、300、400、410、420、500、510：磁性体检测传感器；101：支承基板；101a：支承基板的一个主面；101b：支承基板的另一个主面；101c：凹部；101d：凸部；102：磁体；102a：磁体的一端；102M：磁化方向；103：磁场检测元件；104：半导体芯片；105：树脂膜；B：磁场；D：特定方向；h：距磁体中心面的距离；hm：磁体的厚度；O：磁体中心面；S1：第一空间；S2：第二空间；S3：第三空间；R1：区域。

具体实施方式

以下，使用附图对应用了本发明的实施方式的磁性体检测传感器进行详细说明。另外，为了使特征容易理解，方便起见，在以下的说明中使用的附图中有时对作为特征的部分进行放大而示出，各结构要素的尺寸比例等未必与实际相同。并且，在以下的说明中例示的材料、尺寸等是一个例子，本发明并非限定于这些，能够在不变更其主旨的范围内适当变更而实施。

<第一实施方式＞

图1的(a)是本发明的第一实施方式的磁性体检测传感器100的俯视图。图1的(b)是利用通过LL线的面将图1的(a)的磁性体检测传感器100切断的情况下的剖视图。磁性体检测传感器100主要具有：支承基板101，其具有大致平坦的主面；磁体(永磁体)102，其配置在支承基板的一个(这里是上方的)主面上；以及半导体芯片104，其具有磁场检测元件(霍尔元件)103。磁性体检测传感器100被树脂膜105等覆盖并密封。

为了在以下的说明中主要示出方向而对图1中记载的X轴、Y轴及Z轴进行如下定义。设支承基板100为矩形，设X轴与矩形的一边平行，Y轴与垂直于矩形的一边的另一边平行，所述一个主面位于X轴和Y轴所形成的XY平面上。并且，设Z轴为X轴和Y轴的向量积的方向。此外，设与X轴平行的方向为X方向，与Y轴平行的方向为Y方向，与Z轴平行的方向为Z方向。

支承基板101例如可以是引线框，也可以是由环氧玻璃等构成的印刷基板(刚性基板)，还可以是由树脂材料构成的基板(柔性基板)。在使用柔性基板作为支承基板101的情况下，为了避免由于弯曲而使磁体102与磁场检测元件103的相对位置发生变化的情况，优选在配置有磁体102和磁场检测元件103的区域中具有加强板。

磁体102在支承基板101的一个(这里为上方)主面上被配置成磁化方向102M与主面平行。特别是，设这里的磁化方向102M为±X方向，不仅包括从S极朝向N极的方向，还包括从N极朝向S极的方向。并且，磁体102具有大致长方体的形状，在Z方向上具有同样的厚度。并且，将磁体102的底面的中心设为磁体102的底面的对角线的交点或将磁体102的底面的相对的边的中点连接而成的中线的交点。将由磁体102的底面确定的平面设为XY面，将XY面的原点设为与磁体102的底面的中心重叠的位置。确定Z方向的Z轴从XY面的原点垂直延伸。

作为磁体102的材料，没有特别地限定，但例如列举出NdFeB、SmCo等。

半导体芯片104直接或隔着非磁性部件地配置(载置)在支承基板101的一个或另一个主面侧。第一实施方式中的半导体芯片104与磁体102一起配置在支承基板101的一个主面101a侧。

半导体芯片104具有磁场检测元件103，该磁场检测元件103具有沿着检测方向的单一的轴，即磁场检测元件103仅能够检测或感知特定方向D的磁场成分。第一实施方式中的特定方向D是与支承基板的一个主面101a垂直的方向、即Z方向。

在磁体102的周围的空间中，在不沿Z方向和-Z方向放大或缩小地投影支承基板101而成的空间中按照如下的方式定义第一空间S1、第二空间S2以及第三空间S3。

第一空间S1：在磁化方向102M(±X方向)上与磁体102相邻，具有与磁体102相同的厚度的空间

第二空间S2：在与磁化方向102M垂直的方向(±Y方向、±Z方向)上与磁体102相邻的空间

第三空间S3：从第一空间S1沿着与特定方向D垂直的方向(±Y方向)延伸的空间

这里，第一空间S1、第二空间S2以及第三空间S3基本上具有长方体的形状，还包括沿Z方向或-Z方向无限延伸的情况。

磁场检测元件103配置在第一空间S1、第二空间S2、第三空间S3之外。也就是说，磁场检测元件103在磁体的磁化方向102M的一端102a侧位于远离支承基板101的位置，支承基板的一个主面101a与磁场检测元件103之间的距离比磁体102在Z方向上的厚度大。因此，在包含磁场检测元件103的与磁场检测元件103的检测轴垂直的面内、即与包含磁场检测元件103的XY面平行的面内不存在磁体102。

根据上述结构，当作为检测对象的磁性体(未图示)相对于本实施方式的磁性体检测传感器100接近或远离时，从磁体102产生的磁场B发生变化，与此相伴地，由磁场检测元件103检测的磁场B的z成分Bz1也发生变化。磁性体与磁性体检测传感器100的距离r越近，磁场B的变化量ΔB越大。因此，当将与Bz1对应的磁场检测元件103的输出设为V1、将与不存在磁性体即r＝∞的情况下的磁场Bz0对应的磁场检测元件103的输出设为V0时，能够以V1-V0为指标来判定距离r。这里，磁场Bz0是仅由磁体102与磁场检测元件103的相对位置给出的设计值。磁场Bz0是将不存在磁性体时的来自磁场检测元件103的输出换算成磁场的大小而得到的，因此也称为偏置磁场。

在磁场检测元件103是霍尔元件的情况下，通过设置规定的电路，能够输出与检测出的磁场Bz1成比例的电压信号，能够使用输出结果来进行距离的判定。并且，也可以在与设置有磁场检测元件103的半导体基板相同的半导体基板上，使用通常的CMOS工艺来集成判定与规定的阈值Vt之间的大小关系的电路。由此，能够作为检测距离r接近到一定程度以内或离开一定程度以上的开关来进行动作。

以下，使用图1的(b)、图2以及图3对本发明的效果进行说明。图2是将图1的(b)的磁性体检测传感器100中的包含在区域R1内的部分放大的图。这里，关于半导体芯片104，省略了整体的图示，仅图示了磁场检测元件103。磁场检测元件103仅检测从磁体的一端102a侧向外侧产生并延伸的磁力线所示的磁场B中的与支承基板的一个主面101a垂直的方向即Z方向的磁场成分Bz。因此，例如在磁场检测元件103位于第一空间S1的情况下，到达磁场检测元件103的磁场B相对于支承基板的一个主面101a大致平行地延伸，几乎不具有磁场检测元件103能够检测的垂直方向即Z方向的磁场成分Bz。

与此相对，在磁场检测元件103位于与第一空间S1相比远离支承基板的一个主面101a的空间(这里是指第一空间S1的上方的空间)的情况下，到达磁场检测元件103的磁场B从支承基板的一个主面101a倾斜延伸。因此，到达磁场检测元件103的磁场B具有磁场检测元件103能够检测的垂直方向(Z方向)的磁场成分Bz。

在磁场检测元件103位于与第一空间S1相比更远离一个主面101a的空间时，到达磁场检测元件103的磁场B具有垂直方向(Z方向)的磁场成分Bz。在垂直方向(Z方向)上贯穿磁场检测元件103的磁场成分Bz增大的位置根据磁体102的磁化大小和形状而不同。

因此，磁场Bz0根据磁体102与磁场检测元件103的位置关系而变化。更详细来说，当将在远离支承基板101的一个主面101a的方向(Z方向)上穿过磁体102的厚度为1/2(一半)的点并与XY平面平行的平面设为中心面(磁体中心面)O时，偏置磁场Bz0根据该中心面O与磁场检测元件103之间的距离h而变化。因此，例如在由于磁体102的制造偏差、半导体芯片(半导体基板)104的背面研磨引起的厚度偏差等而导致距离h产生偏差的情况下，偏置磁场Bz0会以设计值为中心产生偏差，根据所测定的磁场Bz1的值而估计的到被检测体(磁性体)为止的距离r的估计精度下降。因此，减小与距离h的偏差σh相对应的偏置磁场Bz0的偏差σBz0或者减小偏置磁场Bz0相对于距离h的微分系数(dBz0/dh)是为了实现高精度的磁性体检测传感器而需要的。

图3是示出将(dBz0/dh)相对于h/hm进行模拟后的结果的曲线图。由于hm是磁体102的厚度，所以图3的横轴是以磁体102的厚度将h标准化的值。h/hm＝0表示磁场检测元件103位于磁体的中心面O上的情况。-0.5<h/hm<0.5相当于第一空间，h/hm＞0.5、h/hm<-0.5相当于第一空间的外侧。在模拟中，使用了基于二维有限元法的磁场模拟。关于模拟的条件，使用图1的(b)来进行说明。磁体102假定为NdFeB，Z方向厚度为1.0mm，X方向长度为3.0mm。磁场检测元件103与磁体的一端102a之间的X方向距离为0.5mm。

在该曲线图中可知，h/hm＝0是磁场检测元件103位于第一空间S1的状态，(dBz0/dh)最大。并且，通过设为h/hm＞0.5，即，将磁场检测元件103配置在沿Z方向与第一空间S1相邻的空间中，能够使(dBz0/dh)降低4成以上。也就是说，通过设为h＞0.5hm，能够大幅降低由σh引起的磁场B的偏差。

另外，优选磁场检测元件103被配置成处于第一空间S1的正上方、在从特定方向D俯视观察时与第一空间S1重叠。由于第一空间S1的正上方是从磁体102产生的朝向Z方向的磁通以高密度分布的区域，因此通过在此配置磁场检测元件103，能够增大由磁场检测元件103检测的磁场。其结果是，作为检测对象的磁性体(未图示)接近时的信号的变化V1-V0也增大，能够提高磁性体检测传感器100的灵敏度。

以上，在本实施方式的磁性体检测传感器100中，半导体芯片104配置成将由磁场检测元件103检测的磁场Bz0的偏差抑制得较小。因此，根据本实施方式的磁性体检测传感器100，能够抑制由于与作为被检测体的磁性体的相对位置的变化而引起的灵敏度偏差，能够高精度地进行磁性体的检测。

<第二实施方式＞

图4的(a)是本发明的第二实施方式的磁性体检测传感器200的俯视图。图4的(b)是沿着折线C将图4的(a)的磁性体检测传感器200切断的情况的剖视图。

在磁性体检测传感器200中，磁场检测元件103配置在沿Y方向与第一空间S1相邻的空间中。优选支承基板101的一个主面101a与磁场检测元件103之间的距离为Z方向上的磁体102的厚度以下。本实施方式中的特定方向D是与支承基板的一个主面101a平行并且与磁体102的磁化方向102M垂直的方向(Y方向)。该情况下的第三空间S3不是沿Y方向而是沿Z方向与第一空间S1相邻的空间。除此之外的结构与第一实施方式的磁性体检测传感器100相同，对于对应的部位，无论形状是否不同，都利用相同的标号表示。

本实施方式的磁场检测元件103仅检测从磁体的一端102a侧向外侧产生(延伸)的磁场B(磁力线所示)中的Y方向的磁场成分By。因此，在磁场检测元件103位于第一空间S1的情况下，到达磁场检测元件103的磁场B在与磁化方向102M大致平行的X方向上延伸，几乎不具有磁场检测元件103能够检测的垂直方向(Y方向)的磁场成分By。

与此相对，当磁场检测元件103在Y方向上位于第一空间S1的外侧的情况下，到达磁场检测元件103的磁场B相对于磁体102的磁化方向102M倾斜延伸。因此，到达磁场检测元件103的磁场B具有磁场检测元件103能够检测的Y方向的磁场成分By。

Y方向的磁场成分By的强度即使在第一空间S1的外侧也根据位置而不同，在Y方向上贯穿磁场检测元件103的磁场成分By增大的位置也根据磁体102的磁化的大小和形状而不同。

第二实施方式中的偏置磁场By0也根据磁体102与磁场检测元件103的位置关系而变化。也就是说，当将沿着支承基板101的一个主面101a在与磁化方向102M垂直的方向(Y方向)上穿过磁体102的Y方向的长度即宽度为1/2(一半)的点并与ZX平面平行的平面设为中心面(磁体中心面)O时，偏置磁场By0根据该中心面O与磁场检测元件103之间的距离h而变化。

第一实施方式的磁性体检测传感器100构成为通过使磁场检测元件103从第一空间S1沿着Z方向远离，将偏置磁场Bz0相对于距离h的微分系数(dBz0/dh)抑制得较小。与此相对，第二实施方式的磁性体检测传感器200构成为通过使磁场检测元件103从第一空间S1沿着Y方向远离，将偏置磁场By0相对于距离h的微分系数(dBy0/dh)抑制得较小。因此，通过将使磁场检测元件103远离的方向从Z方向变为Y方向，在第二实施方式中，与第一实施方式同样，也能够抑制由于与作为被检测体的磁性体的相对位置的变化而引起的灵敏度偏差，能够高精度地进行磁性体的检测。

<第三实施方式＞

图5的(a)是本发明的第三实施方式的磁性体检测传感器300的俯视图。图5的(b)是利用通过LL线的面将图5(a)的磁性体检测传感器300切断的情况的剖视图。

在磁性体检测传感器300中，使用引线框作为支承基板101，在其一个或另一个主面侧(这里是一个主面101a侧)设置有凹部101c。在支承基板101的另一个主面101b侧，与凹部101c重叠的部分是凸部。磁体102以磁化方向102M与支承基板101的一个主面101a大致平行的方式配置在凹部101c内。除此之外的结构与第一实施方式的磁性体检测传感器100相同，对于对应的部位，无论形状是否不同，都利用相同的标号来表示。

在如第一实施方式、第二实施方式那样使用平坦的支承基板101的情况下，当磁体102的厚度增加时，难以使磁场检测元件103远离第一空间S1而配置。但是，在本实施方式中，磁体102的厚度方向(z方向)上的一部分或全部收纳在凹部101c内，相应地，能够消除磁体102的厚度增加的影响。因此，在本实施方式的磁性体检测传感器300中，增加磁体102的厚度并没有障碍。通过增加磁体102的厚度，能够使由磁场检测元件103检测的磁场Bz0、Bz1都增加，其结果是，能够得到具有高灵敏度的磁性体检测传感器300。

并且，通过使磁体102的Z方向上的中心面O在支承基板101的深度方向上发生偏移，磁体102的中心面O到磁场检测元件103的距离h增大。相应地，从磁体102产生的磁场B中的到达磁场检测元件103的磁场B成为相对于支承基板101的一个主面101a的倾斜角度大并且Z方向的磁场成分Bz大的磁场。因此，在将支承基板的一个主面101a与磁场检测元件103的距离固定的情况下，在本实施方式的磁性体检测传感器300中，到达磁场检测元件103的磁场成分Bz增大，相应地，与第一实施方式的磁性体检测传感器100相比，能够得到更高的灵敏度。

在第三实施方式的磁性体检测传感器300中，当未图示的被检测体从图5的(a)和图5的(b)所示的z轴的正方向接近时，磁场检测元件103检测磁场成分的变化量(Bz1-Bz0)。通过满足以下的(1)和(2)这两个条件，磁场检测元件103所检测的磁场成分的变化量(Bz1-Bz0)能够增大。

(1)磁体102在z轴方向上的厚度大。

(2)磁场检测元件103位于比磁体102的z轴方向的中心面O靠z轴方向的上侧且远离支承基板101的那一侧。

即，在本实施方式的磁性体检测传感器300中，使磁体102在z轴方向上的厚度变厚，并且根据凹部101c的深度，能够同时使上述(1)和(2)的条件最佳化。其结果是，磁性体检测传感器300的灵敏度提高。

<第四实施方式＞

图6的(a)是本发明的第四实施方式的磁性体检测传感器400的俯视图。图6的(b)是利用通过LL线的面将图6的(a)的磁性体检测传感器400切断的情况的剖视图。

在磁性体检测传感器400中，使用刚性基板、柔性基板等作为支承基板101，在其一个主面101a侧设置凹部101c，磁体102配置在凹部101c内，磁场检测元件103配置在凹部101c之外。树脂膜105覆盖磁场检测元件103。除此之外的结构与第一实施方式的磁性体检测传感器100同样，对于对应的部位，无论形状是否不同，都利用相同的标号表示。

在磁性体检测传感器400中，与第一实施方式的磁性体检测传感器100不同，磁体102不被树脂膜105覆盖，相应地能够降低由树脂膜105对支承基板101施加的应力(封装应力)。其结果是，能够将与该应力相伴的磁场检测元件103的特性偏差抑制得较小。

图7的(a)和(b)分别是第四实施方式的变形例1、2的磁性体检测传感器410、420的剖视图。图6的(b)的磁性体检测传感器400的支承基板101的构成凹部101c的侧壁的部分101d与其他部分(包含底壁的平坦部分)是一体的，但它们也可以如图7的(a)的磁性体检测传感器410那样互相分体。在分体的情况下，磁场检测元件103相对于支承基板101隔着构成凹部101c的侧壁的中间部件而配置。

并且，在图6的(b)的磁性体检测传感器400中，凹部101c形成在支承基板的一个主面101a的中央(比端部靠内侧的区域)，但也可以如图7的(b)的磁性体检测传感器420那样延伸到一个主面101a的端部。在该情况下，构成凹部101c的侧壁的部分101d可以与其他部分一体，也可以分体。

<第五实施方式＞

图8的(a)是本发明的第五实施方式的磁性体检测传感器500的俯视图。图8的(b)是利用通过LL线的面将图8的(a)的磁性体检测传感器500切断的情况的剖视图。

在磁性体检测传感器500中，磁体102形成于支承基板的另一个主面101b。也就是说，磁体102隔着支承基板101配置在与磁场检测元件103相反的一侧。除此之外的结构与第一实施方式的磁性体检测传感器100相同，对于对应的部位，无论形状是否不同，都利用相同的标号来表示。

支承基板101是平坦的，可以在其另一个主面101b上配置磁体102，但也可以如图8的(b)所示，在支承基板101的另一个主面101b上形成凹部101c，在该凹部101c内配置磁体102。在磁体102配置在凹部101c内的情况下，由于能够减小磁性体检测传感器500在Z方向上的厚度，因而是优选的。

图9是本第五实施方式的变形例的磁性体检测传感器510的剖视图。关于凹部的侧壁部分101d，在图8的(b)的磁性体检测传感器500中与其他部分(包含底壁的平坦部分)是一体的，但也可以如图9的磁性体检测传感器510那样是分体的。

Claims (6)

1.一种磁性体检测传感器，其特征在于，

该磁性体检测传感器具有：

支承基板；

具有厚度的磁体，其在所述支承基板的一个或另一个主面上配置成磁化方向与所述主面平行；以及

半导体芯片，其配置在所述支承基板的一个或另一个主面侧，具有检测特定方向的磁场成分的磁场检测元件，

所述磁场检测元件配置在第一空间、第二空间以及第三空间之外，该第一空间在所述磁化方向上与所述磁体相邻，具有所述厚度，该第二空间在与所述磁化方向垂直的方向上与所述磁体相邻，该第三空间从所述第一空间沿着与所述特定方向垂直的方向延伸。

2.根据权利要求1所述的磁性体检测传感器，其特征在于，

所述半导体芯片配置在所述支承基板的一个主面侧，

所述支承基板的一个主面与所述磁场检测元件的距离比所述磁体在与所述磁化方向垂直的方向上的厚度大。

3.根据权利要求1或2所述的磁性体检测传感器，其特征在于，

所述磁体配置于凹部，该凹部设置在所述支承基板的一个或另一个主面侧。

4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的磁性体检测传感器，其特征在于，

所述半导体芯片相对于所述支承基板的一个或另一个主面隔着中间部件而配置。

5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的磁性体检测传感器，其特征在于，

在从所述特定方向俯视观察时，所述磁场检测元件与所述第一空间重叠。

6.根据权利要求1～5中的任意一项所述的磁性体检测传感器，其特征在于，

所述磁场检测元件被树脂膜覆盖。

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