DE102009019371A1 - Integrierte Magnetsensor-Schaltungsanordnung und Verfahren - Google Patents
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Abstract
Ein Sensor enthält ein Substrat mit einem auf dem Substrat montierten Magnetfeldsensor. Der Magnetfeldsensor besitzt eine erste Oberfläche, die eine Ebene definiert. Ein magnetflussleitendes Glied besitzt eine zweite Oberfläche, die nicht parallel zu der ersten Oberfläche ist. Zwischen dem Magnetfeldsensor und dem magnetflussleitenden Glied befindet sich ein nichtmagnetisches Glied.
Description
- Magnetische Messanordnungen wie etwa Hall-Sensoren oder Sensoren mit Riesenmagnetwiderstand (GMR) werden in vielfältigen Anwendungen verwendet. Zum Beispiel werden solche magnetischen Messanordnungen zum Messen des Orts eines sich drehenden Glieds wie etwa einer sich drehenden Welle verwendet. Ein Magnet wird so angebracht, dass er sich mit einer Welle dreht, und ein Magnetsensor wird so angeordnet, dass er das Magnetfeld des sich drehenden Magneten misst, wenn er dem Sensor nahe kommt.
- Die magnetischen Messanordnungen enthalten einen Permanentmagneten, der als Vormagnet wirkt. Da bestimmte Sensoren, wie zum Beispiel GMR-Sensoren, extrem empfindlich sind, ist es wünschenswert, den gemessenen Magneten so anzuordnen, dass die magnetischen Feldlinien sehr präzise relativ zu dem Sensor liegen. Wenn der Sensor nicht genau positioniert ist, wie zum Beispiel aufgrund von Herstellungsvarianzen, kann dies zu einer Variation der magnetischen Feldlinien führen, wodurch sich ungenaue Ergebnisse aus dem Sensor ergeben. Zu versuchten Lösungen zur Ausrichtung der Feldlinien gehört das spezielle Formen des permanenten Vormagneten. Das Modifizieren der Form des Vormagneten kann jedoch schwierig und kostspielig sein.
- Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensoranordnung und ein Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben, mit welchen die Bereitstellung eines gleichzeitig kostengünstigen und präzis messenden Sensors ermöglicht wird.
- Es werden eine Sensoranordnung und ein Verfahren zu ihrer Herstellung offenbart. Die Anordnung enthält ein Substrat mit einem auf dem Substrat montierten Magnetfeldsensor. Der Magnetfeldsensor besitzt eine erste Oberfläche, die eine Ebene definiert. Ein magnetflussleitendes Glied besitzt eine zweite Oberfläche, die nicht parallel zu der ersten Oberfläche ist.
- Zwischen dem Magnetfeldsensor- und dem magnetflussleitenden Glied befindet sich ein nichtsmagnetisches Glied.
- Ausführungsformen der Erfindung werden mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen besser verständlich. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu zueinander. Gleiche Bezugszahlen kennzeichnen entsprechende ähnliche Teile.
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1 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform eines Positionssensorsystems konzeptuell darstellt. -
2 ist ein Blockdiagramm, das magnetische Feldlinien relativ zu einem Sensor konzeptuell darstellt. -
3A –3E sind Schnittansichten von Teilen einer Ausführungsform eines Magnetfeldsensors und eines Prozesses zum Zusammenbau. -
4 zeigt ein Beispiel für ein magnetflussleitendes Glied. -
5 ist ein Blockdiagramm, das Aspekte einer Ausführungsform eines Positionssensorsystems konzeptuell darstellt. -
6A –6C zeigen Teile einer Ausführungsform eines Magnetfeldsensors und eines Prozesses zum Zusammenbau. -
7 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines Magnetfeldsensors. -
8 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines Magnetfeldsensors. -
9 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines Magnetfeldsensors. -
10 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines Magnetfeldsensors. - In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben”, „unten”, „vorne”, „hinten”, „vorderes”, „hinteres” usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
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1 ist ein Blockdiagramm, das Aspekte eines Sensorsystems gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung konzeptuell darstellt. Bei bestimmten Implementierungen dient der Sensor zum Messen der Richtung eines Magnetfelds statt der Feldstärke. Beispielhafte Anwendungen wären Radgeschwindigkeitssensoren und Positionssensoren. Der dargestellte Sensor10 enthält ein Magnetfeldmess-System100 , das die Position eines beweglichen Glieds, wie zum Beispiel eines sich drehenden Glieds12 , misst, und somit Informationen über die Drehung des Glieds12 selbst Liefert. - Das Magnetfeldmess-System
100 enthält einen Magnetfeldsensor110 , wie etwa einen GMR-Sensor, der in der Regel in einer integrierten Schaltung implementiert wird. Ein Permanentmagnet112 wirkt als Vormagnet zum Anwenden eines Vormagnetfelds auf den Magnetfeldsensor110 . Der Magnetfeldsensor110 enthält ein auf einer Messoberfläche122 des Sensors110 gebildetes Magnetwiderstandsmuster. Das drehbare Glied12 wird aus einem magnetischen Material gebildet oder enthält ein magnetisches Glied zum Beispiel mit Zähnen102 oder einem magnetischen Muster. Während sich das bewegliche Glied12 relativ zu dem Magnetfeldmesssystem100 bewegt, treten die Zähne oder das Muster102 mit dem durch den Vormagneten112 erzeugten Feld in Wechselwirkung und bewirken dadurch eine Widerstandsänderung in dem Magnetfeldsensor110 . - Bei der dargestellten Ausführungsform misst das Sensorsystem
10 magnetische Feldlinien, die im Allgemeinen zu der Oberfläche des Sensors110 senkrecht stehen. Wie in2 gezeigt ist der Vormagnet112 relativ zu der aktiven Sensoroberfläche122 so angeordnet, dass die magnetischen Feldlinien114 die Sensoroberfläche122 im Allgemeinen senkrecht durchqueren. Es besteht jedoch auch eine laterale Komponente der Feldlinien114 . Zum Beispiel zeigt der hervorgehobene Teil116 der Sensoroberfläche122 einen Bereich, in dem die Feldlinien114 eine relativ große laterale Komponente aufweisen. Bestimmte Sensoren, wie zum Beispiel GMR-Sensoren, sind gegenüber dieser lateralen Komponente der magnetischen Feldlinien sehr empfindlich und somit können sie zu Messfehlern führen. -
3 zeigt Teile des Magnetfeldsensors110 und einen Prozess zum Zusammenbau. Wie in3A dargestellt, enthält der Sensor110 einen Halbleiterchip120 mit einer integrierten Schaltung mit einer Sensoroberfläche122 . Wie bereits erwähnt, wird bei bestimmten Ausführungsformen ein GMR-Sensor verwendet. Bei solchen Ausführungsformen enthält die Sensoroberfläche122 abwechselnde ferromagnetische und nichtmagnetische Metallschichten. An dem Chip120 sind Kontakte124 zur Verbindung der Sensorelektronik mit externen Gehäusekontakten vorgesehen. - Der Magnetfeldsensor
110 enthält eine Flussverteilungsanordnung130 , die bei der dargestellten Ausführungsform zwei Teile aufweist.3B zeigt den ersten Teil, ein nichtmagnetisches Glied132 , das sich auf dem Chip120 befindet. Das nichtmagnetische Glied132 kann aus einem Maskenmaterial oder Polymer gebildet werden, das zum Beispiel auf das Photoresist auf Waferebene aufgebracht wird.3C zeigt den zweiten Teil der Flussverteilungsanordnung130 , der ein magnetflussleitendes Glied134 ist, das aus einem weichmagnetischen Material (also mit kleiner Magnetfeldstärke und hoher Permeabilität, zum Beispiel > 10–3) wie etwa Weicheisen, Ni, NiFe, Fe-SiB usw. besteht. Das nichtmagnetische Glied132 gibt dem weichmagnetischen Glied134 Halt. - Die Sensoroberfläche
122 definiert im Allgemeinen eine Ebene. Wie in3 gezeigt, besitzt das magnetflussleitende Glied134 der Flussverteilungsanordnung130 mindestens eine Oberfläche136 , die nicht parallel zu der Ebene der Sensoroberfläche122 ist. Anders ausgedrückt, enthält das flussleitende Glied134 eine nichtplanare Oberfläche136 . Das nichtmagnetische Glied132 enthält eine Oberfläche, die zu der nichtplanaren Oberfläche136 komplementär ist. Bei der in den Seitenansichten von3 dargestellten Ausführungsform hat die nichtplanare Oberfläche136 die Form eines umgedrehten ”V”, so dass das dargestellte flussleitende Glied134 im Allgemeinen dreieckförmig ist. Bei anderen Ausführungsformen kann die nichtplanare Oberfläche136 gekrümmt, dom- oder konusförmig sein usw.4 zeigt ein magnetflussleitendes Glied134 mit einer gekrümmten Oberfläche136 . -
3D zeigt den Chip120 auf einem Substrat140 montiert, wobei Bonddrähte142 die Kontakte124 mit dem Substrat140 koppeln, und3E zeigt die Kapselung des Magnetfeldsensorpakets110 in eine Gusszusammensetzung144 , wie etwa einen thermisch härtenden Polymer oder einen Thermoplast eingekapselt. - Statt die Form des Vormagneten
112 zu modifizieren, verändert das Ausstatten der Flussverteilungsanordnung130 mit dem weichmagnetischen flussleitenden Glied134 die Feldverteilung in einer gewünschten Orientierung relativ zu der Sensoroberfläche122 dergestalt, dass mehr der Flussfeldlinien zu der Sensoroberfläche122 senkrecht stehen. Dies erlaubt mehr Freiheit bei der Positionierung des internen Vormagneten112 .5 zeigt den Vormagneten112 neben dem Magnetfeldsensor110 befindlich, wobei Flussfeldlinien150 durch die Flussverteilungsanordnung130 verlaufen, bevor sie die Sensoroberfläche122 erreichen. Die Form der Oberfläche136 des weichmagnetischen flussleitenden Glieds134 führt die Flussfeldlinien150 und entfernt einen großen Teil der unerwünschten lateralen Komponente der magnetischen Feldlinien. -
6 zeigt einen alternativen Prozess zum Zusammenbauen des Magnetfeldsensors110 . In6A wird der Chip120 an dem Substrat140 montiert und Drähte142 werden zwischen die Kontakte124 und das Substrat140 geschaltet. In6B befindet sich das weichmagnetische flussleitende Glied134 der Flussverteilungsanordnung130 über der Sensoroberfläche122 , wobei die nichtplanare Oberfläche136 einen Hohlraum zwischen dem magnetflussleitenden Glied134 und der Sensoroberfläche122 bildet. In6C ist das System100 in die Gusszusammensetzung144 eingekapselt, zum Beispiel durch einen Spritzgussprozess. Die nichtmagnetische Gusszusammensetzung144 füllt auch den Hohlraum unter dem magnetflussleitenden Glied134 , wodurch das nichtmagnetische Glied132 der Flussverteilungsanordnung130 gebildet wird. -
7 –10 zeigen Beispiele für alternative Ausführungsformen. In7 erstreckt sich das weichmagnetische flussleitende Glied134 der Flussverteilungsanordnung130 von der Einkapselung144 und in8 erstreckt sich die Einkapselung144 über eine obere Oberfläche des weichmagnetischen flussleitenden Glieds134 dergestalt, dass es vollständig in die Einkapselung144 eingebettet wird.9 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Halbleiterchip120 mehrere Sensoroberflächen122 mit jeweiligen Flussverteilungsanordnungen130 ent hält, die jeweils weichmagnetische flussleitende Glieder134 aufweisen. In10 befindet sich die Flussverteilungsanordnung130 unter dem Chip120 , wobei sich der Vormagnet in der Regel auch unter dem Chip120 befinden würde. - In jedem der in
7 –10 gezeigten Beispiele könnte das nichtmagnetische Glied132 der Flussverteilungsanordnung während des Photolithographieprozesses der integrierten Schaltung gebildet werden, wie in der Ausführungsform von3 dargestellt, oder könnte während des Einkapselungsprozesses gebildet werden, wie in6 dargestellt. - Obwohl hier spezifische Ausführungformen dargestellt und beschrieben wurden, ist für Durchschnittsfachleute erkennbar, dass vielfältige alternative und/oder äquivalente Implementierungen die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungformen ersetzen können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die vorliegende Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Varianten der hier besprochenen spezifischen Ausführungsformen abdecken. Deshalb ist es beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung nur durch die Ansprüche und ihre Äquivalente beschränkt wird.
Claims (25)
- Sensor, umfassend: ein Substrat; einen an dem Substrat montierten Magnetfeldsensor, wobei der Magnetfeldsensor eine erste Oberfläche aufweist, die eine Ebene definiert; ein magnetflussleitendes Glied mit einer zweiten Oberfläche, die nicht parallel zu der ersten Oberfläche ist; ein nichtmagnetisches Glied, das sich zwischen dem Magnetfeldsensor und dem magnetflussleitenden Glied befindet.
- Sensor nach Anspruch 1, wobei das nichtmagnetische Glied eine dritte Oberfläche aufweist, die zu der zweiten Oberfläche komplementär ist.
- Sensor nach Anspruch 1, wobei der Magnetfeldsensor ein GMR-Sensor ist.
- Sensor nach Anspruch 1, wobei sich der Magnetfeldsensor und das magnetflussleitende Glied auf einer Seite des Substrats befinden.
- Sensor nach Anspruch 1, ferner mit einer Gusszusammensetzung, die den Magnetfeldsensor, das magnetflussleitende Glied und das nichtmagnetische Glied einkapselt.
- Sensor nach Anspruch 5, wobei das nichtmagnetische Glied aus der Gusszusammensetzung gebildet wird
- Sensor nach Anspruch 1, wobei das nichtmagnetische Glied aus einem Polymer besteht.
- Sensor nach Anspruch 5, wobei sich ein Teil des magnetflussleitenden Glieds aus der Gusszusammensetzung heraus erstreckt.
- Sensor nach Anspruch 1, wobei die zweite Oberfläche nicht planar ist.
- Sensor nach Anspruch 1, wobei die zweite Oberfläche im Allgemeinen V-förmig ist.
- Sensor nach Anspruch 1, ferner mit einem Vormagneten, der sich in der Nähe des magnetflussleitenden Glieds befindet.
- Sensor nach Anspruch 1, wobei der Halbleiterchip einen ersten und einen zweiten Magnetfeldsensor enthält, die jeweils eine erste Oberfläche aufweisen, die eine Ebene definiert, und wobei das magnetflussleitende Glied ein erstes und ein zweites flussleitendes Glied enthält.
- Magnetisches Messsystem, umfassend: ein Substrat; einen an dem Substrat montierten Magnetfeldsensor, wobei der Magnetfeldsensor eine erste Oberfläche aufweist, die eine Ebene definiert; einen in der Nähe des Magnetfeldsensors montierten Vormagneten zum Herstellen eines Magnetfelds; ein magnetflussleitendes Glied mit einer zweiten Oberfläche, die nicht parallel zu der ersten Oberfläche ist; ein nichtmagnetisches Glied, das sich zwischen dem Magnetfeldsensor und dem magnetflussleitenden Glied befindet, wobei das nichtmagnetische Glied eine dritte Oberfläche aufweist, die zu der zweiten Oberfläche komplementär ist; und ein bewegliches Glied, das mit dem Magnetfeld in Wechselwirkung tritt, wobei ein Widerstand des Magnetfeldsensors als Reaktion auf die Wechselwirkung variiert.
- Verfahren zum Herstellen eines Magnetsensorsystems, umfassend: Bereitstellen eines Halbleiterchips mit einer Sensoroberfläche mit einer ersten Oberfläche, die eine Ebene defi niert; Montieren des Halbleiterchips an einem Substrat; Anordnen eines magnetflussleitenden Glieds neben dem Halbleiterchip, wobei das magnetflussleitende Glied eine zweite Oberfläche aufweist, die nicht parallel zu der Ebene ist; und Anordnen eines nichtmagnetischen Glieds zwischen dem Magnetfeldsensor und dem magnetflussleitenden Glied, wobei das nichtmagnetische Glied eine dritte Oberfläche aufweist, die zu der zweiten Oberfläche komplementär ist.
- Verfahren nach Anspruch 14, wobei das nichtmagnetische Glied auf der Sensoroberfläche gebildet wird und das magnetflussleitende Glied über dem nichtmagnetischen Glied gebildet wird.
- Verfahren nach Anspruch 14, wobei die zweite Oberfläche einen Hohlraum erzeugt und wobei das nichtmagnetische Glied durch Füllen des Hohlraums mit einem nichtmagnetischen Material gebildet wird.
- Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Füllen des Hohlraums ein Einspritzen einer Gusszusammensetzung umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 14, wobei das nichtmagnetische Glied auf der Sensoroberfläche gebildet wird.
- Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Bilden des nichtmagnetischen Glieds einen Photolithographieprozess umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 14, wobei sich der Halbleiterchip und das magnetflussleitende Glied auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats befinden.
- Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend: Einkapselns des Magnetsensorsystems in einer Gusszusammensetzung.
- Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Einkapseln des Magnetsensorsystems umfasst, einen Teil des magnetflussleitenden Glieds, der sich aus der Gusszusammensetzung heraus erstreckt, zu belassen.
- Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Halbleiterchip eine erste und eine zweite Sensoroberfläche aufweist; und sich neben der ersten und der zweiten Sensoroberfläche ein erstes bzw. ein zweites magnetflussleitendes Glied befinden.
- Sensor, umfassend: ein Substrat; einen an dem Substrat montierten Magnetfeldsensor, wobei der Magnetfeldsensor eine Sensoroberfläche aufweist; einen neben dem Magnetfeldsensor befindlichen Vormagneten, der Flussfeldlinien erzeugt, die sich durch den Magnetfeldsensor erstrecken; und Mittel zum Verteilen der Flussfeldlinien in einer gewünschten Orientierung relativ zu der Sensoroberfläche.
- Sensor nach Anspruch 24, wobei die Mittel zum Verteilen erste Mittel zum Leiten des magnetischen Flusses und zweite Mittel zum Halten der ersten Mittel umfassen.
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