CN1527065A - 磁传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

磁传感器被制成为：磁传感器芯片具有包括MRE桥和比较器的单片结构，通过粘合剂材料被安装在引线框架上，然后通过在模制材料中压模来封装安装在引线框架上的磁传感器芯片。磁传感器包括通过磁化芯片安装部件、粘合剂材料和封装材料中的至少一个来形成的磁场产生部分。

Description

磁传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及磁传感器，具体而言，涉及作为旋转传感器使用以便提供对汽车制动系统中的汽车发动机或ABS控制的控制的磁传感器。
背景技术
图10A是在日本专利公开号No.平9-79865(1997)中公开的磁传感器结构的剖面图，图10B是图10A的修改实例的剖面图。如图10A所示，磁传感器50以某种方式制成，使得具有磁阻元件(MRE)并且被安装在引线框架52上的磁传感器芯片51通过在基于环氧树脂的热固性树脂的模制材料53中压模而被封装。此外，使用粘合剂材料54，偏磁55被固定连结在模制封装的表面上的凹进部分内，与安装在引线框架52上的磁传感器芯片51相对。图10B中所示的修改实例包括固定在模制封装内的引线框架52上面的偏磁55。
然而，图10A所示的常规技术在模制封装外面提供偏磁55，引起这样一个问题，即：使磁传感器50的尺寸增加了偏磁55的尺寸。而且，磁传感器50的检测精确度取决于偏磁55和磁传感器芯片51之间的位置关系。在使用粘合剂材料54的对准和连结偏磁55的过程中，粘合剂材料54被硬化时，偏磁55可能错位，由此导致减小了检测精确度的另一个问题。
另一个方面，也可以在模制封装中提供偏磁55，如图10B的修改实例中所示。在这种情况中，可以减少磁传感器50的尺寸；然而，偏磁55需要与引线框架52对准，然后被固定于引线框架52。这会引起使得制造工艺复杂并且提高了所要求的元件数量的另一个问题。
发明内容
鉴于上述问题研发了本发明。因此，本发明的一个目的是提供减小尺寸和错位的磁传感器，由此提供改善的检测精确度，并且它能够利用较少量的工时和元件来制造。
根据本发明的第一方面，磁传感器包括磁传感器芯片，其上安装磁传感器芯片的芯片安装部件，用于将磁传感器芯片连结到芯片安装部件的粘合剂材料，用于封装磁传感器芯片的封装材料，和通过磁化芯片安装部件、粘合剂材料和封装材料中的至少一个而形成的磁场产生部分。
这个特征使磁场产生部分形成在模制封装内部(否则其提供在模制封装的外部)，由此，从传感器的尺寸中减少了磁场产生部分的尺寸。而且，常规技术使用粘合剂材料来将磁场产生部分连结至模制材料，而本发明通过直接磁化芯片安装部件、粘合剂材料和封装材料中的至少一个来形成磁场产生部分。这允许在粘合剂材料被硬化时消除错位，由此提供了改善的检测精确度。而且，因为芯片安装部件、粘合剂材料和封装材料的任何一个都可以构成偏磁，所以，跟使用分离制备的偏磁的情况相比，减少了元件的数量。
根据本发明的第二个方面的磁传感器允许封装材料在与安装磁传感器芯片的位置相对的部分处被磁化。根据这个特征，磁场产生部件形成在磁传感器芯片的附近，由此允许减小所要求的磁体的磁力。
根据本发明的第三个方面的磁传感器允许封装材料在位于磁传感器芯片的安装侧上和磁传感器芯片的一侧上的部分处被磁化。根据这个特征，可以非常接近于磁传感器芯片来提供磁场产生部分，由此允许进一步减少所要求的磁体的磁力。
根据本发明的第四个方面的磁传感器允许芯片安装部件在安装磁传感器芯片的部分处被磁化。根据这个特征，因为使用芯片安装部件作为磁场产生部分，传统使用的引线框架也可以被用于形成磁场产生部分，由此方便制造。
根据本发明第五个方面的磁传感器允许粘合剂材料形成在安装磁传感器芯片的表面上并且完全被磁化。根据这个特征，可以非常接近于磁传感器芯片来提供磁场产生部分，由此允许减少所要求的磁体的磁力。
根据本发明第六个方面的磁传感器包括磁传感器芯片；用于在其上安装磁传感器芯片的芯片安装部件，具有其上安装磁传感器芯片的磁化部分；磁化的粘合剂材料，用于将磁传感器芯片连结至芯片安装部件；和封装材料，用于在其内封装磁传感器芯片，该封装材料具有在与芯片安装部件上的磁传感器芯片的安装表面相对的表面上的磁化部分，封装材料的磁化部分对应于芯片安装部件的磁化部分。根据这个特征，因为形成在磁传感器芯片安装部分的背面上的部件用作磁场产生部分，增加了磁场产生部分的体积，由此允许偏磁产生增加的磁力。
制造根据第一个至第六个方面的任何一个的磁传感器的方法对应于本发明第七个至第十三个方面的其中之一，除了下面的第十个方面以外。该方法可提供和以上参考第一个至第六个方面所述相同的操作和效果，将不再解释。
在制造根据本发明的第十个方面的磁传感器的方法中，磁传感器具有芯片安装部件，其具有相对于它的外围部分减少了形状的预定部分，使得该预定部分具有高电阻。该方法还要求在外部施加磁场给被封装的磁传感器芯片时允许大电流流经芯片安装部件的步骤，由此在减小芯片安装部件的形状的部分处产生热，以磁化形状减小的部分的附近区域。根据这个特征，可以磁化在封装材料内部的期望部分。
在制造根据本发明第十四个方面的磁传感器的方法中，磁化部分被一次去磁并再次磁化。根据这个特征，即便在所要求的部分被对准和磁化后发现了错位，该去磁也允许重新对准。
根据下面的详细描述，本发明的适用范围的其它区域将显而易见。应该理解，尽管说明了本发明的优选实施例，但是这些详细描述和具体实例仅仅是说明目的而不是意图限制本发明的范围。
附图说明
根据附图和详细描述来对本发明进行更全面的理解，其中：
图1是根据本发明的第一实施例的磁传感器和磁转子的布置的剖面图；
图2A是根据本发明的一个实施例的磁传感器芯片的平面图；
图2B是根据本发明的第一实施例的MRE桥的布置的电路图；
图3A是根据本发明的一个实施例的与偏磁正确对准放置的MRE桥的特征曲线图；
图3B是与偏磁不正确对准放置的MRE桥的特征曲线图；
图4A是在根据本发明的一个实施例的磁传感器芯片中，由MOSFET等构成的处理电路形成区和MRE形成区的单片结构的剖面图；
图4B是在磁传感器芯片中，由双极晶体管等构成的处理电路形成区和MRE形成区的单片结构的剖面图；
图5是MRE偏磁的电阻变化和磁力之间的关系的特征曲线图；
图6是根据本发明第二实施例的磁传感器的结构的剖面图；
图7是根据本发明第三实施例的磁传感器的结构的剖面图；
图8是根据本发明第四实施例的磁传感器的结构的剖面图；
图9是根据本发明第五实施例的磁传感器的结构的剖面图；
图10A是根据现有技术的磁传感器的结构的剖面图；和
图10B是根据现有技术的图10A的修改实例的剖面图。
具体实施方式
下面描述的优选实施例仅仅是实例性的，决不是意图限制本发明、它的应用或使用。
(第一实施例)
现在，参考和根据第一实施例的磁传感器相对应的附图来详细描述本发明。图1是根据本发明第一实施例的磁传感器和磁转子(要被检测的对象)的剖面图。图2A是根据本发明第一实施例的磁传感器芯片的平面图，而图2B是根据本发明第一实施例的磁阻图形的电路结构的电路图。
本实施例提供了可以作为旋转检测器使用的磁传感器1，用于检测将被检测的旋转对象(包括齿轮)的旋转，例如发动机旋转传感器，凸轮角传感器，曲柄角传感器，汽车速度传感器，AT传感器和轮转速传感器。参考图1，在齿轮形状(它的齿没有示出)磁转子(要被检测的物体)8的右手侧上，相对于磁转子8、以相离一定距离处放置磁传感器1。磁转子8通过转轴7跟自旋体(未示出)耦合。磁传感器1包括磁传感器芯片2，引线框架3和模制材料5。模制材料5的一部分被磁化用作产生偏磁场的偏磁6。
如图2A所示，磁传感器芯片2具有单片结构，包括衬底9，其上形成有MRE桥10、11和处理电路17。MRE桥10、11包括MRE12-15，而处理电路17包括本领域公知的差分放大器18，比较器19等。磁传感器芯片2的中心线2a位于由偏磁6产生的磁场的磁中心2b上。MRE桥10、11关于芯片中心线2a对称布置。而且，MRE桥10、11的每一个具有梳子形状的结构，其通过顺序对折导线以便交替确定多个较长边和较短边的连接来形成。
MRE12-15被构成为使得MRE12、13串联连接，MRE14、15也串联连接，并且在电源侧上MRE12、14和在接地侧上的MRE13、15关于磁传感器芯片2的中心线2a对称布置。每一个都串联连接的MRE12、13和MRE14、15被布置成其检测轴分别形成对由偏磁6产生的磁场的磁中心2b成45和-45度角，即检测轴彼此之间形成90度角，如同日本字符“HA(ハ)”的形状一样。这允许偏磁场内矢量变化以便导致串联连接的MRE12和13之间以及串联连接的MRE14和15之间的两个中点处的电势变化增大。
如图2B所示，第一和第二MRE桥10、11形成桥电路16，其中第一MRE桥10允许电流从MRE12流向MRE13，而第二MRE桥11允许电流从MRE14流向MRE15。桥电路16使用在MRE12和13之间的中点电势Va作为MRE桥10的输出，同时使用在MRE14和15之间的中点电势Vb作为MRE桥11的输出。
如上所述构成的磁传感器1如下所述工作。首先，以给定方向旋转的磁转子8使得其外部峰值(突出的部分)和谷值(凹进部分)交替趋近偏磁6。这使由偏磁6产生的偏磁场被突出的部分吸引，并由此变化。这时，在磁转子8的旋转方向上检测到通过MRE12-15的磁矢量，由此，由于磁矢量的方向变化而引起MRE12-15的电阻变化。这导致了两对MRE桥10和11的输出Va、Vb的变化。
输出Va、Vb被施加给并入到处理电路17中的差分放大器18。差分放大器18差分放大来自两个MRE桥10、11的中点电势Va、Vb用于输出。由差分放大器18放大的、然后施加给比较器19的信号通过跟预定阈值电压进行振幅比较，被二进制编码。这使得使用处理电路17的输出作为磁传感器1的输出成为可能，由此检测磁转子8的旋转状态。
在差分放大器18等中执行对传感器输出的二进制编码以便提供二进制输出，这引起二进制输出的上升沿和下降沿的偏移量的问题，这些沿的偏移量对传感器的检测精确度有影响。对沿偏移具有影响的因素之一是MRE桥10、11和偏磁6之间的位置关系。图3A是与偏磁6正确对准放置的MRE桥10、11的特征曲线图。图3B是与偏磁6不正确对准放置的MRE桥10、11的特征曲线图。
如图3A和3B所示，当利用预定阈值将正弦传感器输出信号(被放大的信号)转换成二进制编码的信号时，由于偏磁相对于MRE桥10、11的错位引起传感器的输出的变化。传感器输出的变化可以引起实际阈值偏离真实阈值，即，预定电势差ΔV(mV)(错误阈值)。当和利用真实阈值进行二进制编码的情况相比较时，阈值的偏差引起上升沿和下降沿的位置偏移。
如图3A所示，利用保持正确对准偏磁6的MRE桥10、11，传感器输出具有大的振幅用于磁矢量的偏转，使得输出信号具有陡峭的梯度。因此，减小了二进制编码信号(脉冲信号)在其边沿位置处的偏移量，由此提供了所期望水平的检测精确度。然而，如图3B所示，由于不正确对准偏磁6放置的MRE桥10、11，传感器输出具有小的振幅用于磁矢量的偏转，使得输出信号具有倾斜的梯度。这会引起边沿偏移量的增加和检测灵敏度的水平下降，即便是在阈值偏移量ΔV和图3A中的相同时。
现在，下面将解释用于制造该磁传感器的方法。图4A和4B是具有单片结构的磁传感器芯片2的剖面图。首先，如图4A所示，描述这样一种情况，其中MRE形成区20和包括MOS FET等的处理电路形成区21形成单片结构。在磁传感器芯片2中，衬底9由硅形成。磁传感器芯片2中的MRE形成区20具有淀积到N型硅衬底9上的LOCOS氧化膜22，具有诸如由Ni-Co合金或Ni-Fe合金形成的铁磁薄膜23，其通过公知的真空淀积被淀积在LOCOS氧化膜22上作为MRE。在铁磁薄膜23上，形成硅氧化物膜24。铁磁薄膜23通过接触孔25a、25b连接至铝导线材料26a、26b。
处理电路形成区21具有在N型硅衬底9的表面层部分处形成的P阱区27。在P阱区27的顶部，没有形成LOCOS氧化膜22，而是形成薄栅硅氧化物膜29。在薄栅硅氧化物膜29上，形成多晶硅栅电极32。在多晶硅栅电极32两侧处的P阱区27的表面层部分上，形成N型源区30和N型漏区31，它们通过接触孔33a、33b连接铝导线材料34、35。如此，形成N沟道MOS晶体管Tr，其连接电阻器(未示出)等，形成运算放大器(放大器18)。在MOS工艺中形成增益确定的反馈电阻器，增益确定的输入电阻器等也是可能的。
现在，如图4B所示，描述这样一种情况，其中MRE形成区20和包括双极晶体管等的处理电路形成区21形成单片结构。对于处理电路形成区21，在硅衬底9的主表面上形成N+嵌入层40和N-外延层41。在N-外延层41的主表面上，使用CVD设备淀积硅氧化物膜42。然后，利用期望的电路图案光刻硅氧化物膜42，然后对其掺杂以便形成P+器件隔离区43，P+扩散区44，和N+扩散区45、46。如此，由N+嵌入层40、N-外延层41、P+扩散区44，和N+扩散区45、46构成NPN双极型晶体管。
然后，在MRE形成区20中，在硅氧化物膜42上形成接触部分。将薄膜铝导线材料47蒸发到P型半导体衬底9的主表面上，然后对其光刻以便图案化。此外，在包括铝导线材料47的硅氧化物膜42上，通过公知的真空淀积来淀积诸如由Ni-Co合金或Ni-Fe合金形成的铁磁薄膜48作为MRE。在P型半导体衬底9的主表面上形成的NPN晶体管和诸如PNP晶体管、扩散电阻器和电容器的电路元件(未示出)被铝导线材料47电连接以作为电路使用。
如此形成的磁传感器芯片2被放置在引线框架3上的期望位置，使用粘合剂材料4将其安装在所述位置上，然后利用引线L电连接至引线框架3。然后将具有其上安装了磁传感器芯片2的引线框架3放置在具有预定形状的模子内以便通过在模制材料5中压模来封装。随后，对模制材料5的预定部分磁化，由此形成偏磁6。此时，例如混合有诸如铁酸盐的磁粉末的PPS(聚苯硫醚)的耐热树脂用作模制材料5。
现在，将更详细地解释偏磁6。使用大电流磁化模制材料5，磁传感器1放置在磁化的轭的预定间隙中，该轭被形成为环形磁心的形状以便在该间隙中瞬时建立大于或等于1×106(A/m)的磁场。另一方面，如上所述，在偏磁6和MRE桥10、11之间的位置关系是影响传感器的检测精确度的因素之一。因此，磁化最佳对准MRE桥10、11的偏磁6是必需的。
按如下所述实现最佳对准。构成MRE桥10、11的MRE12-15的磁特征在梳子形状的MRE图形的较长边的方向上施加磁场时显示最大电阻，在较短边的方向上施加磁场时显示最小电阻。这意味着对于转动的磁场，在偏磁场的方向和MRE图形之间45度角处最有效地得到MRE电阻的大的变化。因此，将偏磁6定位于使偏磁场倾斜以便对MRE12-15偏斜45度角。顺便说，该检测器件不限制于MRE，也可以使用螺旋条状纹(barber pole)。
此外，关于偏磁6的磁场强度，图5示出了磁场强度和MRE偏磁的电阻变化之间的关系的特征曲线图。如图5所示，MRE具有输出电阻，其显示了滞后性质。因此，为了作为磁传感器使用它，考虑到可再现性，在输出电阻的区中的磁场强度饱和(大约100高斯或更多)。在另一方面，磁场强度随S和N极之间的较长距离和随磁体的更大磁导性而更大。
如上所述，该实施例允许磁场产生部分(传统地提供在模制封装的外部)在模制封装内部形成，由此，从传感器的尺寸中减小了磁场产生部分的尺寸。此外，尽管在现有技术中利用粘合剂材料将磁场产生部分连结至模制材料，但本实施例允许通过直接磁化芯片安装部件、粘合剂材料和封装材料中的至少一个来形成磁场产生部分。这消除了当粘合剂材料硬化时出现的错位，由此使得提供改善的检测精确度成为可能。而且，因为偏磁是由芯片安装部件、粘合剂材料和封装材料中的任何一个构成，所以和使用分离制备的偏磁的情况相比较时减少元件数量是可行的。
(第二实施例)
现在，参考根据第二实施例的图6来解释本发明。第二实施例和第一实施例的共有部分将不再详细解释。本实施例和第一实施例的不同之处在于偏磁6形成在磁传感器芯片2的一侧上的部分处。
根据该实施例的方法利用了这种性质：当达到居里温度时，磁材料被较少地磁化，由此很容易受到外部影响。为了到达居里温度，给引线框架3提供热产生部分，其是减少形状以具有升高电阻的引线框架3的一部分，并且利用大电流流过来产生热。在引线框架3内的期望形成上述偏磁6的最佳位置的附近形成热产生部分。
首先，跟第一实施例一样，在引线框架3上的所要求位置处放置磁传感器芯片2，利用粘合剂材料4将其安装在所述位置上，然后利用引线L电连接至引线框架3。安装在引线框架3上的磁传感器芯片2通过在耐热树脂的模制材料5中压模来封装，耐热树脂是例如混合有诸如铁酸盐的磁粉末的PPS(聚苯硫醚)。随后，在将磁场实施给已通过压模封装的磁传感器1时，允许大电流瞬时流过引线框架3。这使得引线框架3的热产生部分产生热，并且使得热产生部分附近的模制材料5的温度上升。这进一步使得热产生部分附近的模制材料5被磁化，由此形成偏磁6。
如上所述，该实施例允许偏磁6在磁传感器芯片2的附近处形成，由此允许减小了所要求的磁体的磁力。而且，具有根据本实施例的热产生部分的引线框架3允许在模制材料内部的所要求位置处形成偏磁6。
(第三实施例)
现在，参考根据第三实施例的图7来解释本发明。第三实施例和上述实施例的共有部分将不再详细解释。本实施例和上述实施例的不同之处在于偏磁6形成在引线框架3内。
根据本实施例的方法包括如下步骤：使用磁化的轭来磁化所要求的最佳位置以便在由已知的铜或42Ni-Fe等构成的引线框架3内形成上述的偏磁6，由此形成偏磁6。如此，印线框架3被用作偏磁6。因此，传统可用的引线框架3能够被用于形成偏磁6而无需将磁粉末混合到模制材料5中，由此方便制造。
(第四实施例)
现在，参考根据第四实施例的图8来解释本发明。第四实施例和上述实施例的共有部分将不再详细解释。本实施例和上述实施例的不同之处在于偏磁6形成在粘合剂材料4内。根据本实施例的方法包括如下步骤：将诸如铁酸盐的磁粉末混合进已知的基于环氧树脂、基于硅或基于聚酰亚胺的粘合剂材料，使用磁化的轭来磁化所要求的最佳位置以便在粘合剂材料4内形成上述的偏磁6，由此形成偏磁6。如此，粘合剂材料4被用作偏磁6。这允许靠近磁传感器芯片2形成偏磁6，由此减小所要求的磁体的磁力是可行的。
现在，参考根据第五实施例的图9来解释本发明。第五实施例和上述实施例的共有部分将不再详细解释。本实施例和上述实施例的不同之处在于偏磁6形成在粘合剂材料4、引线框架3和模制材料5内。
按如下描述实现根据本实施例的方法。首先，按第四实施例的描述所制备的粘合剂材料4被施加到按第三实施例的描述所形成的引线框架3上，然后使用粘合剂材料4将磁传感器芯片2安装在其上。然后，如第一实施例中所述，通过在模制材料5中压模来封装安装在引线框架3上的磁传感器芯片2。此外，和第一实施例中所述的一样，使用磁化的轭来磁化所要求的部分，由此形成偏磁。
如此，在位于磁传感器芯片2的背面上的粘合剂材料4、引线框架3和模制材料5内的预定部分用作偏磁6。这可以提高偏磁6的体积，由此允许偏磁6提供升高的磁场。
如上所述，本发明不限于磁化所有的引线框架3，粘合剂材料4和模制材料5。这些元件的一些也可以被组合磁化，即，磁化引线框架3和粘合剂材料4，或者磁化粘合剂材料4和模制材料5。跟修改实例一样，  能够对如上述已经被磁化一次的偏磁6去磁。该去磁允许偏磁6被再次定位，即便是当已经被对准用于磁化之后发生错位时。
本发明的描述仅仅是实例性的，因此在不偏离本发明的要点的变化都属于本发明的范围之内。这样的变化将不被认为是脱离本发明的精神和范围。

Claims (14)

1.一种磁传感器，包括：
磁传感器芯片；
芯片安装部件，磁传感器芯片安装在其上；
粘合剂材料，用于将磁传感器芯片连结到芯片安装部件；
用于封装磁传感器芯片的封装材料；和
通过磁化芯片安装部件、粘合剂材料和封装材料中的至少一个而形成的磁场产生部分。
2.根据权利要求1的磁传感器，其中
所述封装材料在与安装磁传感器芯片的位置相对的部分处被磁化。
3.根据权利要求1的磁传感器，其中
所述封装材料在位于磁传感器芯片的一侧上的部分处被磁化。
4.根据权利要求1的磁传感器，其中
所述芯片安装部件在安装磁传感器芯片的部分处被磁化。
5.根据权利要求1的磁传感器，其中
所述粘合剂材料形成在安装磁传感器芯片的表面上并且完全被磁化。
6.一种磁传感器，包括：
磁传感器芯片；
芯片安装部件，磁传感器芯片安装在其上，其中安装了磁传感器芯片的部分被磁化；
被磁化的粘合剂材料，用于将磁传感器芯片连结到芯片安装部件；和
用于在其内封装磁传感器芯片的封装材料，该封装材料具有在与芯片安装部件上的磁传感器芯片的安装表面相对的表面上的磁化部分，该封装材料的磁化部分对应于芯片安装部件的磁化部分。
7.一种制造磁传感器的方法，包括：
利用用于连结的粘合剂材料将磁传感器芯片安装在芯片安装部件上；
利用封装材料来封装芯片安装部件和安装在其上的磁传感器芯片；和
通过磁化芯片安装部件、粘合剂材料和封装材料中的至少一个来形成磁场产生部分。
8.根据权利要求7的制造磁传感器的方法，其中
所述封装材料在与安装磁传感器芯片的位置相对的部分处被磁化。
9.根据权利要求7的制造磁传感器的方法，其中
所述封装材料在位于磁传感器芯片的一侧上的部分处被磁化。
10.根据权利要求9的制造磁传感器的方法，其中
所述芯片安装部件具有减少了相对于它的外围部分的形状的预定部分，使得该预定部分具有高电阻，该方法还包括：
在外部施加磁场给被封装的磁传感器芯片时允许大电流流经芯片安装部件，由此在芯片安装部件的形状减小的部分处产生热，以便磁化形状减小的部分的附近区域。
11.根据权利要求7的制造磁传感器的方法，其中
所述芯片安装部件在安装磁传感器芯片的部分处被磁化。
12.根据权利要求7的制造磁传感器的方法，其中
所述粘合剂材料形成在安装磁传感器芯片的表面上并且完全被磁化。
13.一种制造磁传感器的方法，包括：
磁化芯片安装部件的一部分，磁传感器芯片安装在该部分上；
磁化用于将磁传感器芯片连结至芯片安装部件的粘合剂材料；
利用粘合剂材料将磁传感器芯片安装在芯片安装部件上；
利用封装材料来封装芯片安装部件和安装在其上的磁传感器芯片；和
磁化在与芯片安装部件上的磁传感器芯片的安装表面相对的表面上的封装材料的一部分，封装材料的该部分对应于芯片安装部件的磁化部分。
14.根据权利要求7-13的任何一个权利要求的制造磁传感器的方法，其中该磁化部分被一次去磁和再次磁化。
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