CN203858698U - 一种低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片，该传感器芯片包括表面开有深坑的Si衬底、磁电阻传感器、绝缘层，所述磁电阻传感器位于所述Si衬底的深坑底表面上，所述绝缘层位于所述磁电阻传感器之上，工作时磁性图像检测面与Si衬底表面共面或平行，所述磁电阻传感器的输入输出端直接与引线实现引线键合连接，或者通过焊盘，还可以通过导电柱和焊盘与引线实现引线键合连接，且所述引线飞移高度低于所述Si衬底表面的高度。本实用新型具有结构紧凑、不需封装、可以直接和磁性图像接触、输出信号强的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及磁性传感器领域，特别涉及一种低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片。
背景技术
磁性图像识别传感器主要用于金融领域，如用于POS、ATM、验钞、清钞机等。由于信用卡的磁条为硬磁材料，可以直接对其磁场进行测量，而钞票表面图像为包含软磁磁性粒子的油墨印刷而成，在施加偏置磁场的条件下，使得磁性粒子磁化，从而可以被磁性图像识别传感器检测到，从而实现对信用卡信息或钞票图像的识别。磁性图像识别传感器一般采用音频磁头技术或磁阻磁头技术。音频磁头采用线圈缠绕带缝隙的环状结构，其利用电磁感应原理，根据缝隙快速通过磁性颗粒时所产生的磁通量的变化，从而在线圈内感应出感应电流，通过对感应电流的变化建立磁性图像分布信号，该技术存在的主要问题在于，1磁场灵敏度低，需要增加匝数的方法才能得到有效信号，2尺寸较大，尺寸分辨率较低，需要快速的移动，对于静止的磁场信号无反应，3功耗大。磁阻类磁头采用Hall、AMR、GMR或者Hall效应传感器芯片实现对于磁场的探测，但是由于这些芯片一般将磁传感器切片封装在聚合物材料中，而后再来探测磁性图像，此外，在设计时，磁传感器切片上的磁阻传感器的输入输出端口一般在正面，而后通过引线键合的形式连接，其主要存在的问题是，由于：1）由于引线键合的存在，2）封装材料的存在，使得磁传感器表面和磁性图像检测面之间存在引线的飞移高度或者是封装材料，这些增加了磁性图像和磁传感器之间的作用距离，因此使得传感器的输出信号降低，同时也要求永磁组合体提供更大的偏置磁场。
发明内容
针对以上磁阻传感器芯片存在的问题，本实用新型公开了一种低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片，用于检测磁性图像，包括：表面开有深坑的Si衬底、磁电阻传感器、绝缘层，所述磁电阻传感器位于所述Si衬底上深坑的底表面，所述绝缘层位于所述磁电阻传感器之上，所述的绝缘层上对应于所述的磁电阻传感器的输入输出端形成有窗口，所述磁电阻传感器的输入输出端在所述窗口处直接\通过焊盘\通过导电柱和焊盘与引线实现引线键合连接，所述导电柱连接所述磁电阻传感器的输入输出端和焊盘，所述焊盘位于所述磁电阻传感器的输入输出端或所述导电柱之上，所述磁性图像所在平面为磁性图像检测面，所述磁性图像在所述磁性图像检测面内的相对于所述磁电阻传感器工作时移动的方向为扫描方向，所述引线的飞移高度低于所述Si衬底表面的高度，且所述磁性图像检测面平行或共面于所述Si衬底的表面。
优选地，所述深坑的底部平面平行于所述Si衬底表面。
优选地，所述磁电阻传感器为Hall，AMR，GMR或TMR磁电阻传感器中的一种。
优选地，所述Si衬底表面高出所述磁电阻传感器的上表面1-10um。
优选地，所述磁性图像识别传感器芯片还包括PCB，所述磁电阻传感器的输入输出端或所述焊盘和所述PCB通过引线键合连接。
优选地，所述磁电阻传感器的磁场敏感方向为平行/垂直于所述磁性图像检测面，且在所述磁电阻传感器的磁场敏感方向平行于所述磁性图像检测面时，该磁场敏感方向平行/垂直于所述扫描方向。
优选地，所述磁性图像识别传感器芯片还包括永磁组合体，且所述磁电阻传感器的磁场敏感方向为平行于所述扫描方向。
优选地，所述永磁组合体为凹形永磁体，所述凹形永磁体的开有凹槽的面正对所述PCB的背面，开槽方向平行于所述磁性图像检测面，且垂直于磁场敏感方向，所述凹形永磁体的磁化方向为垂直于所述PCB方向。
优选地，所述永磁组合体包括两块磁化方向相同的永磁体，两块所述永磁体分别沿扫描方向对称地位于所述PCB两侧，其磁化方向垂直于所述PCB的正面。
优选地，所述永磁组合体包括一块位于所述PCB的背面的背面永磁体和两块沿扫描方向对称地放置于所述PCB两侧的侧面永磁体，所述背面永磁体和所述两块侧面永磁体的磁化方向均垂直于所述磁性图像检测面方向，且所述背面永磁体和所述两块侧面永磁体磁化方向相反。
优选地，所述磁电阻磁性传感器为半桥结构，包含两个、三个或四个磁敏感单元并排列成两行一列、三行一列或两行两列，各磁敏感单元的磁场敏感方向一致；所述两个磁敏感单元具有相同电阻，直接构成一个半桥；所述三个敏感单元中位于中间行的所述敏感单元电阻为位于两边行的两个所述敏感单元电阻的一半，且所述位于两边行的两个敏感单元并联后与所述位于中间行的敏感元件形成半桥结构；所述四个敏感单元电阻相同，且同一行的两个磁敏感单元并联，而后两行之间串联形成半桥结构，其列方向平行于所述扫描方向。
优选地，所述磁电阻传感器为全桥结构，包含四个敏感单元，各磁敏感单元的磁场敏感方向一致，排列成两行两列，构成全桥的两个半桥所包含的两个敏感单元分别位于两行中且不同列的位置，其列方向平行于扫描方向。
优选地，所述全桥或半桥结构为集成多个敏感单元的单个低飞移高度的面内磁性图像识别传感器芯片，或者为多个集成一个或多个低飞移高度的面内磁性图像识别传感器芯片分立元件的互联组合。
本实用新型具有以下有益效果：结构紧凑、不需封装、可以直接和磁性图像接触、输出信号强。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例技术中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，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他的附图。
图1为低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片结构图一。
图2为低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片结构图二。
图3为低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片结构图三。
图4为低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片微加工图一。
图5为低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片微加工图二。
图6为低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片微加工图三。
图7为低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片与PCB安装图。
图8为低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片中永磁体组合应用图一。
图9为低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片中永磁体组合应用图二。
图10为低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片中永磁体组合应用图三。
图11为磁电阻传感器结构图：图11（a）半桥；图11（b）全桥；图11（c）双半桥；图11（d）三磁阻单元半桥。
图12为磁电阻传感器的敏感元件排布图：图12（a）半桥结构；图12（b）全桥结构或双半桥结构；图12（c）三元件半桥结构。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本实用新型。
实施例一
图1-3为低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片21的三种不同类型的结构图。该低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片21包括表面4上开有深坑2的Si衬底1、磁电阻传感器5以及绝缘层6。其中，深坑2的底表面3平行于Si衬底1的表面4，磁电阻传感器5位于Si衬底1上深坑2的底表面3之上，Si衬底1的表面4高出磁电阻传感器5的上表面1-10um，绝缘层6位于磁电阻传感器5之上，绝缘层6上对应于磁电阻传感器5的输入输出端形成有一窗口。磁电阻传感器5的输入输出端在窗口处通过不同形式与引线实现引线键合：图1中，焊盘7通过导电柱8连接磁电阻传感器5的输入输出端，且焊盘7位于绝缘层6之上，导电柱8穿过绝缘层6；图2中没有焊盘，引线直接与磁电阻传感器5的输入输出端在窗口处的部位7（1）键合；而图3中，焊盘7（2）直接位于磁电阻传感器2的输出输入端的电极之上，引线与该焊盘7（2）键合。图2和图3中磁电阻传感器5的输入输出端的电极位于绝缘层6的开窗口位置。低飞移高度磁性图像识别传感器芯片21的关键特征在于，由于磁电阻传感器5位于深坑2的底表面3，因此芯片21以引线键合的形式和PCB或其他芯片等形成连接时，其引线飞移高度可以低于Si衬底1表面4的高度，从而使得检测磁性图像可以直接位于芯片21的表面，即Si衬底1的表面4，缩短磁电阻传感器5和磁性图像之间的距离，此外，还不需要聚合物等封装材料，从而得到最强输出信号。
其中，磁电阻传感器5可以为Hall、AMR、GMR或TMR中的一种。如果磁电阻传感器5为TMR传感器，则如图1-3所示，其包括底部导电层51、底部导电层51之上的磁隧道结层、在磁隧道结层上并能够露出磁隧道结层的第二绝缘层6’以及在第二绝缘层6’和露出的磁隧道结层上方的顶部导电层52。磁隧道结层上图形化形成磁隧道结元件和非磁隧道结元件，TMR传感器的输入输出端位于非磁隧道结元件上的顶层导电层52上，且非磁隧道结元件通过顶层导电层52或者底层导电层51连接相邻的磁电阻传感器中的磁隧道结元件，此外，磁隧道结层5’和5’’及底层导电层51位于第二绝缘层6’中，磁隧道结层5’及5’’表面漏出第二绝缘层6’并和顶层导电层52接触。此时，导电柱8和焊盘7如图1，引线键合位置7（1）如图2，焊盘7（2）如图3。
其中绝缘层6和6’材料为氧化铝、氮化硅、氧化硅或者光刻胶、聚酰亚胺、苯并环丁烯。
实施例二
图4-5分别为图1-3所对应的三种低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片21的微加工工序图，其中，图4对应的微加工工艺包括如下步骤：a）、预备Si衬底1；b）、通过DRIE或湿法腐蚀工艺在所述Si衬底1的表面4上成型深坑2并平整化深坑2的底部；c）、在深坑2的底部沉积并图形化磁电阻传感器5，该磁电阻传感器5由磁电阻薄膜材料沉积形成；d）、在磁电阻传感器5上方沉积绝缘层6，并形成对应于磁电阻传感器5的输入输出端的窗口；e）、平整绝缘层6；f）在窗口处沉积并成型导电柱8，该导电柱8穿过绝缘层6；g）在导电柱8上成型焊盘7。
图5所对应的微加工工艺包括如下步骤：a）、预备Si衬底1；b）、通过DRIE或湿法腐蚀工艺在所述Si衬底1的表面4上成型深坑2并平整化深坑2的底部；c）、在深坑2的底部沉积并图形化磁电阻传感器5；d）、在磁电阻传感器5上方沉积绝缘层6并开磁电阻传感器5的输入输出端的窗口；e）、平整绝缘层6。
图6所对应的工艺为在图5的技术上，加上在磁电阻传感器5的输入输出端的窗口成型焊盘7（2）的步骤。
所述磁电阻传感器为TMR传感器时，所述微加工步骤c）分为四步：1、在深坑2的底部沉积一底部导电层51，并将底部导电层51图形化；2、在底部导电层51上沉积一磁隧道结层，并将磁隧道结层图形化，形成磁隧道结元件和非磁隧道结元件；3、在磁隧道结层上沉积第二绝缘层6’并平整化而露出磁隧道结层；4、在第二绝缘层6’和磁隧道结层上沉积并图形化顶层导电层52。
实施例三
图7为低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片21应用于无永磁组合体的POS机磁头的示意图，其中低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片21位于PCB 9之上，此时通过引线键合连接低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片21上的焊盘7和PCB 9，其中14和15分别为焊盘7和PCB 9上的焊料球。磁性图像10直接位于低飞移高度面内磁性识别传感器芯片21的Si衬底1的表面4形成的磁性图像检测面，此外磁性图像检测面也可以保持与Si衬底1的表面4平行，其扫描方向12平行于磁性图像检测面，此时磁电阻传感器5的敏感方向为X，Y，Z三个方向之一，即磁电阻传感器5的磁场敏感方向为平行/垂直于磁性图像检测面，且在磁电阻传感器5的磁场敏感方向平行于磁性图像检测面时，该磁场敏感方向平行/垂直于扫描方向12。由于POS机磁头所检测的磁性图像10本身为硬磁材料，自身产生磁场，因此不需要偏置磁场。当磁性图像10由硬磁体组成时，其所产生的磁场将作用于低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片21，并且将其沿扫描方向12的磁场分布特征转变成电信号，从而实现对磁性图像10的阅读。需要指出的是，为了说明方便，图7只给出了图2所示的低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片21和PCB 9结合的情况，该方案同样适用于图1和图3所示的低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片21。
实施例四
图8-10为低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片21应用于包含有永磁组合体的用于软磁性图像检测的示意图，如验钞机等。此时，芯片21还包括永磁组合体22和PCB板9。在有永磁组合体22存在时，低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片21的磁场敏感方向16与扫描方向12一致，并平行于磁性图像检测面。同样，磁性图像10可以直接位于Si衬底1的表面4上，也可以与其保持平行且非接触。
图8所示的永磁组合体22为凹形永磁体，其几何结构为方块上表面开有一个矩形槽，凹形永磁体上表面直接与PCB板9背面接触，其磁化方向垂直于PCB 板9，矩形槽的开槽方向垂直于扫描方向12并平行于磁性图像检测面4。
图9的永磁组合体22包含两块永磁体22（1）和22（2），两块永磁体22（1）和22（2）分别沿扫描方向12对称位于低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片21的两侧，其磁化方向垂直于磁性图像检测面4，且磁化方向相同。
图10的永磁组合体22包括三块永磁体22（3）、22（4）22（5），其中永磁体22（3）和22（4）沿扫描方向12对称分布于低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片21的两侧，称作侧面永磁体，其磁化方向相同，并垂直于磁性图像检测面，永磁体22（5）位于PCB 9的正下方，即背面，称作背面永磁体，其磁化方向反平行于永磁体22（3）和22（4）。
实施例五
图11为磁电阻传感器5在低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片21上的结构图。图11（a）中为半桥结构，包含R1和R2两个敏感单元排列成两行一列，两个磁敏感单元R1和R2具有相同电阻，直接构成一个半桥；图11（b）为全桥结构，包含R1，R2，R3和R4四个敏感单元排列成两行两列，有两路输出Vout+和Vout-，构成全桥的两个半桥所包含的两个敏感单元分别位于两行中且不同列的位置；图11（c）为半桥结构，包含R1，R3，R2，R4四个敏感单元排列成两行两列，同一行的两个磁敏感单元并联，而后两行之间串联形成半桥结构，两个半桥R1，R2以及R3，R4分别共享电源和接地，但共有一个输出端；图11（d）为三敏感元件半桥结构，包含R1，R2，R3三个敏感单元排列成三行一列，其中位于两边行的敏感单元R1，R3阻值相同，其阻值是位于中间行敏感单元R2的两倍，R1和R3并联，而后和R2串联形成半桥，输出信号电压从R1，R2，R3的中间公共端输出。上述各排布结构中，各磁敏感单元的磁场敏感方向一致，列方向平行于扫描方向12。所述磁电阻敏感单元可以为TMR、Hall、AMR、GMR单元中的一种。
图12为磁电阻传感器5的敏感单元在低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片21上的排布图。图12（a）为半桥结构，包括的两个敏感单元R1，R2，其排布方向平行于敏感方向16；图12（b）为四敏感单元全桥结构，敏感单元R1，R2对应其中一个桥臂，敏感单元R3和R4对应另一个桥臂，且敏感单元R1，R2和R3，R4沿敏感方向16排列；图12（c）为三敏感元件半桥结构，敏感单元R1、R2、R3沿敏感方向16排列成行，且敏感单元R2介于敏感单元R1和R3之间，敏感单元R1-R3的磁场敏感方向为16。
需要指出的是，上述的全桥或半桥结构磁电阻传感器芯片可以为集成多个敏感单元的单个低飞移高度磁性图像识别传感器芯片，也可以采用多个低飞移高度磁性图像识别传感器芯片分立元件来代替，对于后一种情况，分立的低飞移高度磁性图像识别传感器芯片为集成一个或多个敏感单元，且分立低飞移高度磁性图像识别传感器芯片之间通过互联形成半桥或全桥结构。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片，用于检测磁性图像，包括：表面开有深坑的Si衬底、磁电阻传感器、绝缘层，所述磁电阻传感器位于所述Si衬底上深坑的底表面，所述绝缘层位于所述磁电阻传感器之上，所述的绝缘层上对应于所述的磁电阻传感器的输入输出端形成有窗口，所述磁电阻传感器的输入输出端在所述窗口处直接\通过焊盘\通过导电柱和焊盘与引线实现引线键合连接，所述导电柱连接所述磁电阻传感器的输入输出端和焊盘，所述焊盘位于所述磁电阻传感器的输入输出端或所述导电柱之上，所述磁性图像所在平面为磁性图像检测面，所述磁性图像在所述磁性图像检测面内的相对于所述磁电阻传感器工作时移动的方向为扫描方向，其特征在于，所述引线的飞移高度低于所述Si衬底表面的高度，且所述磁性图像检测面平行或共面于所述Si衬底的表面。
2.根据权利要求1所述的一种低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片，其特征在于，所述深坑的底部平面平行于所述Si衬底的表面。
3.根据权利要求1所述的一种低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片，其特征在于，所述磁电阻传感器为Hall，AMR，GMR或TMR磁电阻传感器中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片，其特征在于，所述Si衬底的表面高出所述磁电阻传感器的上表面1-10 um。
5.根据权利要求1所述的一种低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片，其特征在于，所述磁性图像识别传感器芯片还包括PCB，所述磁电阻传感器的输入输出端或所述焊盘和所述PCB通过引线键合连接。
6.根据权利要求1所述的一种低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片，其特征在于，所述磁电阻传感器的磁场敏感方向为平行/垂直于所述磁性图像检测面，且在所述磁电阻传感器的磁场敏感方向平行于所述磁性图像检测面时，该磁场敏感方向平行/垂直于所述扫描方向。
7.根据权利要求5所述的一种低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片，其特征在于，所述磁性图像识别传感器芯片还包括永磁组合体，且所述磁电阻传感器的磁场敏感方向为平行于所述扫描方向。
8.根据权利要求7所述的一种低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片，其特征在于，所述永磁组合体为凹形永磁体，所述凹形永磁体的开有凹槽的面正对所述PCB的背面，开槽方向平行于所述磁性图像检测面，且垂直于磁场敏感方向，所述凹形永磁体的磁化方向为垂直于所述PCB方向。
9.根据权利要求7所述的一种低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片，其特征在于，所述永磁组合体包括两块磁化方向相同的永磁体，两块所述永磁体分别沿扫描方向对称地位于所述PCB两侧，其磁化方向垂直于所述PCB的正面。
10.根据权利要求7所述的一种低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片，其特征在于，所述永磁组合体包括一块位于所述PCB 的背面的背面永磁体和两块沿扫描方向对称地放置于所述PCB两侧的侧面永磁体，所述背面永磁体和所述两块侧面永磁体的磁化方向均垂直于所述磁性图像检测面方向，且所述背面永磁体和所述两块侧面永磁体磁化方向相反。
11.根据权利要求1所述的一种低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片，其特征在于，所述磁电阻磁性传感器为半桥结构，包含两个、三个或四个磁敏感单元并排列成两行一列、三行一列或两行两列，各磁敏感单元的磁场敏感方向一致；所述两个磁敏感单元具有相同电阻，直接构成一个半桥；所述三个敏感单元中位于中间行的所述敏感单元电阻为位于两边行的两个所述敏感单元电阻的一半，且所述位于两边行的两个敏感单元并联后与所述位于中间行的敏感元件形成半桥结构；所述四个敏感单元电阻相同，且同一行的两个磁敏感单元并联，而后两行之间串联形成半桥结构，其列方向平行于所述扫描方向。
12.根据权利要求1所述的一种低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片，其特征在于，所述磁电阻传感器为全桥结构，包含四个敏感单元，各磁敏感单元的磁场敏感方向一致，排列成两行两列，构成全桥的两个半桥所包含的两个敏感单元分别位于两行中且不同列的位置，其列方向平行于扫描方向。
13.根据权利要求11或12所述的一种低飞移高度面内磁性图像识别传感器芯片，其特征在于，所述全桥或半桥结构为集成多个敏感单元的单个低飞移高度的面内磁性图像识别传感器芯片，或者为多个集成一个或多个低飞移高度的面内磁性图像识别传感器芯片分立元件的互联组合。
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