DE102009019371A1

DE102009019371A1 - Integrierte Magnetsensor-Schaltungsanordnung und Verfahren

Info

Publication number: DE102009019371A1
Application number: DE102009019371A
Authority: DE
Inventors: Horst Theuss; Helmut Wietschorke
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2008-05-27
Filing date: 2009-04-29
Publication date: 2009-12-03
Also published as: US8106654B2; US20090295381A1

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.
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.
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 Sensor 10 enthält ein Magnetfeldmess-System 100, das die Position eines beweglichen Glieds, wie zum Beispiel eines sich drehenden Glieds 12, misst, und somit Informationen über die Drehung des Glieds 12 selbst Liefert.
Das Magnetfeldmess-System 100 enthält einen Magnetfeldsensor 110, wie etwa einen GMR-Sensor, der in der Regel in einer integrierten Schaltung implementiert wird. Ein Permanentmagnet 112 wirkt als Vormagnet zum Anwenden eines Vormagnetfelds auf den Magnetfeldsensor 110. Der Magnetfeldsensor 110 enthält ein auf einer Messoberfläche 122 des Sensors 110 gebildetes Magnetwiderstandsmuster. Das drehbare Glied 12 wird aus einem magnetischen Material gebildet oder enthält ein magnetisches Glied zum Beispiel mit Zähnen 102 oder einem magnetischen Muster. Während sich das bewegliche Glied 12 relativ zu dem Magnetfeldmesssystem 100 bewegt, treten die Zähne oder das Muster 102 mit dem durch den Vormagneten 112 erzeugten Feld in Wechselwirkung und bewirken dadurch eine Widerstandsänderung in dem Magnetfeldsensor 110.
Bei der dargestellten Ausführungsform misst das Sensorsystem 10 magnetische Feldlinien, die im Allgemeinen zu der Oberfläche des Sensors 110 senkrecht stehen. Wie in 2 gezeigt ist der Vormagnet 112 relativ zu der aktiven Sensoroberfläche 122 so angeordnet, dass die magnetischen Feldlinien 114 die Sensoroberfläche 122 im Allgemeinen senkrecht durchqueren. Es besteht jedoch auch eine laterale Komponente der Feldlinien 114. Zum Beispiel zeigt der hervorgehobene Teil 116 der Sensoroberfläche 122 einen Bereich, in dem die Feldlinien 114 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 Magnetfeldsensors 110 und einen Prozess zum Zusammenbau. Wie in 3A dargestellt, enthält der Sensor 110 einen Halbleiterchip 120 mit einer integrierten Schaltung mit einer Sensoroberfläche 122. Wie bereits erwähnt, wird bei bestimmten Ausführungsformen ein GMR-Sensor verwendet. Bei solchen Ausführungsformen enthält die Sensoroberfläche 122 abwechselnde ferromagnetische und nichtmagnetische Metallschichten. An dem Chip 120 sind Kontakte 124 zur Verbindung der Sensorelektronik mit externen Gehäusekontakten vorgesehen.
Der Magnetfeldsensor 110 enthält eine Flussverteilungsanordnung 130, die bei der dargestellten Ausführungsform zwei Teile aufweist. 3B zeigt den ersten Teil, ein nichtmagnetisches Glied 132, das sich auf dem Chip 120 befindet. Das nichtmagnetische Glied 132 kann aus einem Maskenmaterial oder Polymer gebildet werden, das zum Beispiel auf das Photoresist auf Waferebene aufgebracht wird. 3C zeigt den zweiten Teil der Flussverteilungsanordnung 130, der ein magnetflussleitendes Glied 134 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 Glied 132 gibt dem weichmagnetischen Glied 134 Halt.
Die Sensoroberfläche 122 definiert im Allgemeinen eine Ebene. Wie in 3 gezeigt, besitzt das magnetflussleitende Glied 134 der Flussverteilungsanordnung 130 mindestens eine Oberfläche 136, die nicht parallel zu der Ebene der Sensoroberfläche 122 ist. Anders ausgedrückt, enthält das flussleitende Glied 134 eine nichtplanare Oberfläche 136. Das nichtmagnetische Glied 132 enthält eine Oberfläche, die zu der nichtplanaren Oberfläche 136 komplementär ist. Bei der in den Seitenansichten von 3 dargestellten Ausführungsform hat die nichtplanare Oberfläche 136 die Form eines umgedrehten ”V”, so dass das dargestellte flussleitende Glied 134 im Allgemeinen dreieckförmig ist. Bei anderen Ausführungsformen kann die nichtplanare Oberfläche 136 gekrümmt, dom- oder konusförmig sein usw. 4 zeigt ein magnetflussleitendes Glied 134 mit einer gekrümmten Oberfläche 136.
3D zeigt den Chip 120 auf einem Substrat 140 montiert, wobei Bonddrähte 142 die Kontakte 124 mit dem Substrat 140 koppeln, und 3E zeigt die Kapselung des Magnetfeldsensorpakets 110 in eine Gusszusammensetzung 144, wie etwa einen thermisch härtenden Polymer oder einen Thermoplast eingekapselt.
Statt die Form des Vormagneten 112 zu modifizieren, verändert das Ausstatten der Flussverteilungsanordnung 130 mit dem weichmagnetischen flussleitenden Glied 134 die Feldverteilung in einer gewünschten Orientierung relativ zu der Sensoroberfläche 122 dergestalt, dass mehr der Flussfeldlinien zu der Sensoroberfläche 122 senkrecht stehen. Dies erlaubt mehr Freiheit bei der Positionierung des internen Vormagneten 112. 5 zeigt den Vormagneten 112 neben dem Magnetfeldsensor 110 befindlich, wobei Flussfeldlinien 150 durch die Flussverteilungsanordnung 130 verlaufen, bevor sie die Sensoroberfläche 122 erreichen. Die Form der Oberfläche 136 des weichmagnetischen flussleitenden Glieds 134 führt die Flussfeldlinien 150 und entfernt einen großen Teil der unerwünschten lateralen Komponente der magnetischen Feldlinien.
6 zeigt einen alternativen Prozess zum Zusammenbauen des Magnetfeldsensors 110. In 6A wird der Chip 120 an dem Substrat 140 montiert und Drähte 142 werden zwischen die Kontakte 124 und das Substrat 140 geschaltet. In 6B befindet sich das weichmagnetische flussleitende Glied 134 der Flussverteilungsanordnung 130 über der Sensoroberfläche 122, wobei die nichtplanare Oberfläche 136 einen Hohlraum zwischen dem magnetflussleitenden Glied 134 und der Sensoroberfläche 122 bildet. In 6C ist das System 100 in die Gusszusammensetzung 144 eingekapselt, zum Beispiel durch einen Spritzgussprozess. Die nichtmagnetische Gusszusammensetzung 144 füllt auch den Hohlraum unter dem magnetflussleitenden Glied 134, wodurch das nichtmagnetische Glied 132 der Flussverteilungsanordnung 130 gebildet wird.
7–10 zeigen Beispiele für alternative Ausführungsformen. In 7 erstreckt sich das weichmagnetische flussleitende Glied 134 der Flussverteilungsanordnung 130 von der Einkapselung 144 und in 8 erstreckt sich die Einkapselung 144 über eine obere Oberfläche des weichmagnetischen flussleitenden Glieds 134 dergestalt, dass es vollständig in die Einkapselung 144 eingebettet wird. 9 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Halbleiterchip 120 mehrere Sensoroberflächen 122 mit jeweiligen Flussverteilungsanordnungen 130 ent hält, die jeweils weichmagnetische flussleitende Glieder 134 aufweisen. In 10 befindet sich die Flussverteilungsanordnung 130 unter dem Chip 120, wobei sich der Vormagnet in der Regel auch unter dem Chip 120 befinden würde.
In jedem der in 7–10 gezeigten Beispiele könnte das nichtmagnetische Glied 132 der Flussverteilungsanordnung während des Photolithographieprozesses der integrierten Schaltung gebildet werden, wie in der Ausführungsform von 3 dargestellt, oder könnte während des Einkapselungsprozesses gebildet werden, wie in 6 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

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.