JP6506247B2

JP6506247B2 - 外部からアクセス可能なコイルを有する磁気センサのための方法及び装置

Info

Publication number: JP6506247B2
Application number: JP2016500374A
Authority: JP
Inventors: ミラノ，ショーン・ディー; ドゥーグ，マイケル・シー; テイラー，ウィリアム・ピー
Original assignee: アレグロ・マイクロシステムズ・エルエルシー
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2019-04-24
Anticipated expiration: 2034-02-25
Also published as: US10725100B2; KR20150131264A; KR102169784B1; US20140266181A1; JP2016514269A; WO2014149416A2; WO2014149416A3; EP2956785A2

Description

本発明は、外部からアクセス可能なコイルを有する磁気センサのための方法及び装置に関する。

当技術分野で知られているように、磁気センサ集積回路（ＩＣ）のための多くの安全を最重視すべき用途がある。機能的な安全性を改善し、より高い全体的な品質レベル及びより低い現場故障率を達成することに向けられた様々な仕様が存在する。例えば、ＩＣの主要な機能パラメータのテストモードにより、顧客は、例えば、プリント回路基板上に挿入する前にテスト機能を実施することが可能になる。

しかし、自動車などのシステム又はサブシステムにおけるインストール後に、コンポーネントが正しく動作していることを確実にするためのテスト機会は限られている。

本発明の一態様では、磁場センサは、検知素子と、検知素子に印加される磁場に比例する出力電圧を生成するための検知素子に結合されたアナログ回路パスと、検知素子に近接するコイルとを備え、コイルは磁場センサの外部にアクセス可能な第１の端子を有する。

磁場センサは、以下の特徴のうちの１つ又は複数をさらに含むことができる：検知素子は磁気検知素子を含む；磁気検知素子はホール素子を含む；磁気検知素子は磁気抵抗素子を含む；集積回路は線形電流センサを含む；磁場センサは閉ループ磁気センサを含む；コイルはダイからリードフレームの反対側に配置されて、外側被覆されたパッケージに封入される；及び／又は、コイルはダイからリードフレームの反対側に配置されて、ハウジングに封入される。

本発明の別の態様では、磁場センサは、第１の表面及び第２の対向する面を有するリードフレームと、磁場検知素子が配置される第１の面及びリードフレームの第１の面に取り付けられた第２の対向する面を有する半導体ダイと、ダイとリードフレームの少なくとも一部とを封入する非導電性成形材料と、非導電性成形材料に固定されるコイルとを備え、コイルは、磁場センサの外部に接続を提供するための少なくとも１つの端子を有する。

センサは、以下の特徴のうちの１つ又は複数をさらに含むことができる：非導電性成形材料はコイルを封入する；第２の成形材料；第２の成形材料は強磁性である；及び／又はハウジングはコイルを封入する。

本発明の前述の特徴及び本発明自体は、以下の図面について説明からより完全に理解することができる。

本発明の例示的な実施形態による、外部からアクセス可能な端子を備えるコイルを有する磁場センサの概略図である。本発明の例示的な実施形態による、外部からアクセス可能な端子を備えるコイルを有するさらなる磁場センサの概略図である。１つの外部からアクセス可能な端子及びグランドに接続された別の端子を備えるコイルを有する磁場センサの部分概略図である。外部からアクセス可能な端子を備えるコイルを有する磁場センサの部分概略図である。閉ループ及び外部からアクセス可能な端子を有する磁場センサの部分概略図である。外部からアクセス可能な端子を備えるコイルを有する磁場センサの断面図である。線Ａ−Ａに沿った図３のセンサの断面図である。線Ｂ−Ｂに沿った図３のセンサの断面図である。線Ｂ−Ｂに沿った図３のセンサの別の断面図である。外部からアクセス可能な端子を備えるコイルを有するさらなる磁気センサの断面図である。外部からアクセス可能な端子を備えるコイルを有する別の磁気センサの断面図である。

本発明の例示的な実施形態は、診断／セルフテスト機能、較正、及び／又はバックバイアス用途のための磁場を生成するためのオンチップコイルの外部制御を備えた磁場センサを提供する。いくつかの実施形態では、このような導電性コイルは半導体ダイ自体に形成される。この構成により、ユーザは、特定の用途のニーズを満たすためにコイル上の信号を制御することができる。本発明の例示的な実施形態が示され、特定の構成、要素及び機能を有するものとして説明されるが、本発明の実施形態は、一般に内部コイルの外部制御が望ましい磁場センサに適用可能であることを理解されたい。

本発明の一態様では、磁気センサは、機能安全レベルを向上させるためにデバイスの自己診断を可能にする、オンチップコイルの外部制御を提供する。コイルへのアクセスはまた、補償コイルを得て完成したアセンブリへ組み立てる必要なしに閉ループセンサの製造を容易にする。

当技術分野で知られているように、ＩＳ０２６２６２は、機能的安全性を改善し、より高い全体的な品質レベルとより低い現場故障率を達成することに向けられた自動車ＯＥＭのための仕様である。本発明の例示的な実施形態によるＩＣの機能パラメータのためのテストモードの提供は、自動車に設置した後など、製造及び使用の様々な段階においてユーザが検査手順を実施することを可能にする。したがって、ＩＣは、適切な機能を保証するためにインストール後にテストすることができる。テストモードの提供はまた、アクセルペダルの位置決めなどの安全を最重視すべき用途において機能的安全性を向上させる。例えば、本発明の例示的な実施形態によるテスト機能を有する線形ホールＩＣは、セルフテスト処理を介してＩＣが正常に動作していることを伝えることができ、全体のスロットルシステムの機能的安全性を向上させる。

さらなる実施形態では、外部アクセス可能な端子を備えるオンチップコイルは、磁気センサＩＣのユーザが、例えば、必要な場合にＩＣの適切な動作を検証するために、検知素子に対して診断磁場を印加することを可能にする。閉ループシステムを有する一実施形態では、システムの精度は、温度にわたる感度のドリフトの影響をほとんど排除することによって向上される。本発明の例示的な実施形態では、オンチップコイルは、閉ループ磁気センサにおいて使用される。

図１は、本発明の例示的な実施形態による、磁気検知素子１０４に近接したコイル１０３のための外部アクセス可能な端子１０２ａ、ｂを有する電流センサ線形デバイスとして示される、例示的なセンサ１００を示す。デバイス１００は、印加された磁場に比例するアナログ出力電圧ＶＯＵＴを有する。一実施形態では、デバイスは、Ｖｃｃ／２で始まって、印加される磁場の極性に応じて、より正又は負の方向に振れる線形出力を有する。この構成により、ユーザは、診断テストのために検知素子１０４を刺激するべく、端子１０２ａ、ｂを介して、コイル１０３を通る電流を制御することができる。

センサＩＣは、当技術分野で知られた方法で電流を検知する。一般に、ホール素子１０４などの磁場検知素子は、印加される磁場に応答して電圧を生成する。動的オフセットキャンセルモジュール１０６は信号を「チョップ」し、信号回復モジュール１０８は出力信号を提供する。例示的な電流検知は、例えば、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第７，９２３，９９６号及び米国特許公開第２０１１／００１８５３３号において示され、説明されている。特定の用途のニーズを満たすために他の技術を使用できることが理解される。

図１といくつかの共通点を有する図１Ａに示すように、閾値モジュール１１０は、診断モジュール１１４の制御下でデバイス１１２に基準電圧を提供することができる。例示的な実施形態では、閾値モジュール１１０は、通常動作閾値及び診断モジュール１１４の制御下での診断閾値を提供することができる。制御モジュール１１６は、出力電圧ＶＯＬを生成するためにスイッチ１１７を制御する出力を受け取る。電流制限モジュール１１８は、制御モジュール１１６及びスイッチ１１７に結合される。

この実施形態及び他の実施形態の磁場検知素子１０４は、ホール効果素子、磁気抵抗素子又は磁気トランジスタとすることができるが、これらに限定されない。知られているように、例えば、平面ホール素子、垂直ホール素子、円形垂直ホール（ＣＶＨ）素子など、様々なタイプのホール効果素子がある。また知られているように、例えば、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子、異方性磁気抵抗素子（ＡＭＲ）、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）など、様々なタイプの磁気抵抗素子がある。検知素子１０４は、単一の要素を含んでもよいし、又は、代替的に、例えばハーフブリッジもしくはフル（ホイートストン）ブリッジなどの様々な構成で配置された２つ以上の要素を含んでもよい。デバイスの種類や他の用途要件に応じて、検知素子１０４は、シリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）などのＩＶ型半導体材料、又はガリウム・ヒ素（ＧａＡｓ）もしくは例えばアンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）などのインジウム化合物のようなＩＩＩ−Ｖ型半導体材料からなるデバイスであってもよい。

知られているように、上述した磁場検知素子のいくつかは、磁場検知素子を支持する基板に対して平行な最大感度の軸を有する傾向があり、上述した磁場検知素子の他のものは、磁場検知素子を支持する基板に対して垂直な最大感度の軸を有する傾向がある。特に、平面ホール素子は、基板に対して垂直な感度の軸を有する傾向があり、一方、金属ベース又は金属製の磁気抵抗素子（例えば、ＧＭＲ、ＴＭＲ、ＡＭＲ）及び垂直ホール素子は、基板に対して平行な感度の軸を有する傾向がある。

本明細書で使用されるとき、「磁場センサ」という用語は、一般的に他の回路と組み合わせて、磁場検知素子を使用する回路を説明するために使用される。磁場センサは、磁場の方向の角度を検知する角度センサ、電流を運ぶ導体により運ばれる電流によって生成される磁場を検知する電流センサ、強磁性物体の近接性を検知する磁気スイッチ、例えばリング磁石の磁区などの強磁性物品の通過を検知する回転検出器、及び磁場の磁場密度を検知する磁場センサを含むがこれらに限定されない様々な用途で使用される。

本発明の例示的な実施形態は、様々な検知素子を有する様々な検知用途に適用可能である。例示的なセンサは、例えば自動車の速度センサや位置センサなどの磁場センサ、電流センサ、又は化学的もしくは生物学的用途における使用のためのパッケージスケールのＮＭＲ装置を含む。本発明の例示的な実施形態は、磁石を移動させたり電流を流したりすることによって生成される検知磁場が望ましい幅広い用途に適用できる。例えば、本発明の例示的な実施形態は、安全を最重視すべき用途において自動車に搭載されるデバイスのための診断機能を実行するために有用である。

安全を最重視すべき用途では、セルフテスト診断を使用するなどして、センサの安全度水準（ＳＩＬ）を改善することが望ましい。以下により詳細に記載されるように、本発明の例示的な実施形態において、センサのアナログ信号パスを刺激して、評価することができる。一実施形態では、温度にわたるデバイスの出力精度を向上させることができる。

図２Ａは、センサ素子上の磁場に比例する出力電圧Ｖｏｕｔを生成する検知素子の周囲に巻かれたコイル２０４を有する、ホール素子などの検知素子２０２を含むセンサ２００を示す。一実施形態において、コイル２０４は、シリコン上のホール素子２０２の周りに配置される。コイル２０４は、任意の適切な信号生成器との接続を可能にするために、外部からアクセス可能である第１の端子２０６を有する。図２Ａの図示される実施形態において、コイルの第２の端子２０８はグランドに接続（接地）されている。図２Ｂに示される代替的な実施形態において、第２の端子２０８’は外部から制御可能である。

図２Ａ及び２Ｂは、１つの追加のピンを要するコイルとの４つのリードを有するシングルインラインパッケージ（ＳＩＰ）として示される。ユーザがこの単一のピンに正と負の電流を駆動することができる場合、両方のピンへのアクセスを有するデバイスは必要ない。図２Ａに示すように、１つのピンはＧＮＤに接続されてもよい。図２Ｂのように、２つのピンがコイルの刺激のために使用される場合、ユーザは、端子の接続を切り替えることにより、単一のソースを用いていずれかの方向に電流を駆動することができる。

図２Ｃは、ユーザテスト回路２１１が取り付けられた例示的な閉ループ磁気センサ２１０を示す。アナログ出力が電源電圧とともに増幅器回路に供給される。センサ出力は、ユーザテスト回路２１１内のレベルシフタ２１２及び増幅器２１４に供給することができ、デバイス上のコイル２０４に接続することができる。このように、増幅器２１４は、用途によって生成された付随する磁場の相殺（キャンセル）を適用することができる。当業者に知られている多種多様なユーザテスト回路を使用することができることを理解されたい。このようなデバイスの例示的な用途は、移動する磁石や磁場を生成する導体中を流れる電流を含む。

磁場を生成することによって電流がコイルを流れるとき、コイル２０４内の電流は、検知回路のフロントエンドにあるホール素子２０２を刺激する。この構成により、全体のアナログ信号パスをテストすることができる。

コイル２０４に対する外部制御を提供することにより、アナログ信号パスの設定された（プログラムされた、ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ）感度は、エンドユーザによって非常に正確に分析することができる。コイル２０４を介して定電流を印加することにより、コイルにより生成される磁場が固定される。この固定された磁場は、アナログ信号パスの利得に比例するアナログ出力の出力に偏差（ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）を生じさせる。デバイスの利得は設定可能であり、コイルが定義されるので、デバイスは、印加されたコイルの刺激又は電流に応答した出力電圧又は出力電流の変化を検出して、エンドユーザによるアナログ信号パスの正確な測定を提供することができる。

ユーザはコイル上の信号を制御することができるので、特定の故障モードは検出のためにチェックするよう強制することができる。また、オフセットキャンセルモジュール１０６内のデバイスのオフセットもまたテストすることができる。ゼロのガウス場アナログ出力電圧がプログラムされるので、ゼロ磁場出力信号及び信号パス利得を高精度で自己テストすることができる。いくつかの理由でドリフトする場合、ドリフトはユーザテスト中に特定することができる。

コイルの外部制御により、ユーザは、特定の用途のニーズを満たすようにデバイスを用いることができる。例えば、一部のユーザは迅速な機能チェックを行うことを望むかもしれないし、他のユーザは、デバイスの感度がある指定されたウィンドウ内にあるかどうかを判断することを望むかもしれない。

磁気センサ内のコイルを制御する機能が様々な用途のために望ましいことが理解される。例えば、上述のように及び米国特許出願第２０１０／００２１１３４７号に記載されるように診断又はセルフテスト機能のため、米国特許第８，０３０，９１８号に記載されているような較正のため、及び／又は米国特許第８，０６３，６３４に記載されるようにＧＭＲ磁場検知素子をリセットするために、磁場を生成するべく、コイルは様々な理由で磁場センサ内で使用される。上記特許文献の各々は、本出願の譲受人に譲渡され、参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである。多くの場合、このような導電性コイルは、半導体ダイ自体に形成される。

本発明の別の態様では、磁場センサは、近接するターゲットの動きを検出するために使用することができる磁場を提供するように、バックバイアス磁石として機能する外部からアクセス可能な端子を備えるコイルを含む。

図３の断面図を参照し、また図３Ａ及び図３Ｂの断面図を参照すると、磁場センサ３００は、磁場検知素子又はトランスデューサ３２２が形成された第１の活性面（ａｃｔｉｖｅｓｕｒｆａｃｅ）３１４ａ及びリードフレーム３１８の第１の面３１８ａ上のダイ取り付け領域３１６に取り付けられた第２の対向する面３１４ｂを有する半導体ダイ３１４と、当該ダイ及びリードフレームの少なくとも一部を封入する非導電性成形材料３２０と、当該非導電性成形材料に固定された強磁性成形材料３３０とを含む。強磁性成形材料３３０は、強磁性材料を含み、リードフレーム３１８に近い第１の端部３３０ａから、リードフレームから遠い第２の端部３３０ｂへ向かって先細になっている。以下により詳細に記載されるように、コイル３３３は、磁場検知素子３２２に近接して配置される。活性ダイ表面３１４ａは、ダイ取り付け領域３１６に取り付けられたダイ表面３１４ｂに対向し、したがって、この構成は「ダイアップ（ｄｉｅｕｐ）」構成と呼んでもよい。他の実施形態では、ダイは、例えば、フリップチップ取り付けされてもよいし、リードオンチップ取り付けされてもよい。

使用の際、本明細書に記載される他のセンサの実施形態のような磁場センサ３００は、磁場トランスデューサ３２２が物品３１２に隣接し、それによって物品の動きにより変化する磁場にさらされるように、図示される歯車３１２などの可動透磁性強磁性の（ｍｏｖｅａｂｌｅｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙｐｅｒｍｅａｂｌｅｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）物品又はターゲットに近接して配置されてもよい。磁場トランスデューサ３２２は、磁場に比例する磁場信号を生成する。

図３の磁場センサ３００は、トランスデューサ３２２が強磁性成形材料３３０よりもターゲット３１２に近くなるように、ターゲット３１２に関して向けられているが、強磁性成形材料がトランスデューサよりもターゲットに近くなるようにセンサ３００を１８０°回転させることが特定の用途において望ましいことがあり得ることが理解されよう。また、トランスデューサが例えば磁気抵抗素子であるときに望ましいように、トランスデューサの主要面（ｍａｊｏｒｓｕｒｆａｃｅ）がターゲットに対して直交し、それによって様々な種類の磁気検知センサを実現するよう、センサ３００は９０°回転されてもよい。

強磁性物品３１２は、ハード強磁性もしくは単なる硬質磁性材料（すなわち、分割されたリング磁石などの永久磁石）、ソフト強磁性材料、又は電磁石で構成されてもよく、本明細書に記載の実施形態は、任意のそのような物品構成とともに使用することができる。

物品３１２がソフト強磁性材料からなる実施形態では、強磁性成形材料３３０は、バイアス磁石を形成するハード強磁性材料からなる。これに対して、物品３１２がハード強磁性材料からなる実施形態では、強磁性体成形材料３３０は、コンセントレータを形成するためにソフト強磁性材料であってもよいし、又はバイアス磁場が望ましい場合（例えば、硬質磁性材料又は永久磁石によってバイアスされる磁気抵抗素子の場合）、硬質磁性材料であってもよい。他の実施形態では、成形材料３３０は、第１の成形素子３２０の材料と同様の非導電性かつ非強磁性の成形材料であってもよい。バイアス磁石を形成するために強磁性成形材料３３０がハード強磁性材料を含み、図示されるようにトランスデューサ３２２が強磁性成形材料３３０よりもターゲットに近くなるようにセンサ３００がターゲットに対して方向付けられる実施形態において、バイアス磁石はバックバイアス磁石と呼んでもよい。

磁場センサ３００は、一般に、トランスデューサ３２２によってもたらされる磁場信号を処理するためのダイ３１４の活性面３１４ａ内に形成された追加の回路を含む。リードフレーム３１８は、当該回路を電源やマイクロコントローラなどのシステムコンポーネント（図示せず）に結合するためのリード３２４ａ−３２４ｃを含む。リード３２４ａ−３２４ｃと半導体ダイ３１４との間の電気的接続は、図示されるように、それぞれワイヤボンド３２６ａ−３２６ｃにより提供される。センサ３００は３つのリード３２４ａ−３２４ｃを含むように示されるが、様々な数のリードが可能であることが当業者によって理解されるであろう。リードフレームのリードをセンサコンポーネントに電気的に結合するための他の技術は、はんだバンプもしくはボール又は柱状バンプを含む。

集積回路センサ３００は、２〜６ピンのシングルインライン（ＳＩＰ）パッケージ、又は必要に応じていくつかの他の数のピンの形態で提供されてもよい。リードフレーム３１８の第１の面３１８ａ上のダイ取り付け領域３１６は、一般的に、半導体ダイ３１４を受け入れるために、導電性リードフレームの専用領域である。ダイ取り付け領域３１６は、時にはダイ取り付けパドル又はダイ取り付けパッドと呼ばれ、いくつかの実施形態では、ダイ取り付けパッドは、例えば銀メッキされた又はＮｉＰｄＡｕ領域であってもよい。代替的に、２０１２年１月１６日に出願され、本願の譲受人に譲渡された「ＭｅｔｈｏｄｓａｎｄＡｐｐａｒａｔｕｓｆｏｒａＭａｇｎｅｔｉｃＳｅｎｓｏｒｈａｖｉｎｇａＮｏｎ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅＤｉｅＰａｄｄｌｅ」と題する同時係属中の米国特許出願第１３／３５０，９７０号で説明するように、特に渦電流が生じ得る用途においては、非導電性材料を用いてダイ取り付け領域を形成することが望ましい場合がある。ダイ取り付け領域３１６にダイ３１４を固定するための従来の技術は、エポキシ又は粘着テープなどの接着剤の使用を含む。ダイ取り付け領域が連続的な領域であってもよいしそうでなくてもよいことが当業者によって理解されよう。

ダイ３１４及びリードフレーム３１８の封入された部分を電気的に分離して機械的に保護するように、非導電性成形材料３２０は非導電性材料からなる。非導電性成形材料３２０のための適切な材料は、熱硬化性及び熱可塑性のモールド化合物並びに他の市販のＩＣモールド化合物を含む。そのような材料が非導電性である限り、非導電性成形材料３２０が、強磁性体粒子の形態などの、強磁性材料を含むことができることが理解されよう。

非導電性成形材料３２０は、ダイ３１４及びリードフレーム３１８の一部を封入するように、リードフレーム／ダイ・サブアセンブリに塗布される。非導電性成形材料３２０は、第１の面３２０ａ及び第２の対向する面３２０ｂを有する。非導電性成形材料の形状及び寸法は特定のＩＣパッケージに適合するように選択される。

上述のようないくつかの実施形態では、強磁性成形材料３３０は、バイアス磁石を形成するために、硬質磁性材料又は永久磁性材料からなる。当業者には明らかであろうように、様々な材料は、動作温度範囲や最終的なパッケージのサイズに応じて強磁性成形材料３３０を提供するのに適している。いくつかの実施形態では、強磁性成形材料が残留磁気よりも大きな飽和保磁力を有することが望ましいことがある。

強磁性成形材料のための例示的な硬質磁性材料は、硬質磁性フェライト、ＳｍＣｏ合金、ＮｄＦｅＢ合金材料、又はアーノルド・マグネティック・テクノロジーズ社のＰｌａｓｔｉｆｏｒｍ（登録商標）材料、又は、例えばポリフェニレンスルフィド材料（ＰＰＳ）又はＳｍＣｏ、ＮｄＦｅＢ、もしくはハード強磁性フェライト磁性粒子を含むナイロン材料などの硬質磁性粒子を有する他のプラスチック化合物；又は、住友ベークライト株式会社のＳＵＭＩＫＯＮ（登録商標）ＥＭＥもしくは硬質磁性粒子を含む同様の種類の熱硬化性成形材料料などの熱硬化性ポリマーを含むが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、磁場の存在下で成形することによって、より等方性の又は指向性の永久磁石材料を形成するために、成形中にハード強磁性粒子を整列させることが望ましい場合がある。一方、他の実施形態では、等方性材料のための成形中に整列ステップなしに十分な磁石が生じ得る。ＮｄＦｅＢ合金又はＳｍＣｏ合金が、磁気設計に有用な温度性能、保磁力、又は他の磁気特性を改善するために他の要素を含んでもよいことが理解されるであろう。

他の実施形態では、強磁性成形材料３３０は、コンセントレータを形成するためにソフト強磁性材料からなる。当業者には明らかであるように、ソフト強磁性材料の形態で強磁性成形材料３０を提供するために様々な材料が適している。いくつかの実施形態では、ソフト強磁性成形材料が比較的低い保磁力及び高い透磁性を有することが望ましい場合がある。適切なソフト強磁性材料は、パーマロイ、ＮｉＣｏ合金、ＮｉＦｅ合金、鋼鉄、ニッケル、軟磁性フェライトを含むが、これらに限定されない。

強磁性成形材料３３０は、非導電性成形材料３２０に固定される。図示されるように、強磁性成形材料は、非導電性成形材料の第２の面３２０ｂに接触し、また、第１及び第２の面３２０ａ、３２０ｂの間の非導電性成形材料の側部の一部に接触する。

いくつかの実施形態において、強磁性成形材料３３０と接触する非導電性成形材料３２０の一部及び／又は非導電性成形材料と接触する強磁性成形材料の一部は、２つの材料の間の密着性を向上させるため、及び２つの材料の間の横方向のずれやせん断を防止又は減少するために、固定機構を有する。一例として、図示されるように、リードフレーム３１８は、非導電性成形材料を越えて延在し、強磁性成形材料によって封入される延長部３１８ｃを有する。このようなリードフレーム延長部は、リードフレーム自体に対する強磁性成形材料の接着性をさらに高める。強磁性成形材料がこのようなリードフレーム部分に接触するように固定機構としてリードフレーム部分を利用するこのような実施形態では、リードが電気的にショートしてその結果デバイスが意図したように動作しなくなることを防ぐために、強磁性成形材料は、非導電性であるか又は十分に低い導電率を有するべきであることが理解されよう。固定機構の別の形態は他の実施形態において示される。

図３Ｂに示すように、リード３２４ａ−３２４ｃの一部は、非導電性成形材料３２０によって封入される。非導電性成形材料は、（強磁性成形材料が導電性であり得るので）リードから強磁性成形材料３３０を分離するために、パッケージの端部へとリードを取り囲む。

図３Ｃの代替的な断面図によれば、図示されるように、リード３２４ａ−３２４ｃに隣接する非導電性成形材料３２０の一部は、リードの輪郭に追従するようにリードの周りで「切り取られ（ｃｕｔｏｕｔ）」てもよい。この構成は、トランスデューサ３２２に近接する強磁性成形材料のハード強磁性材料の量を増加させるために、磁気性能の理由のために、いくつかの用途では望ましいものとなり得る。また、リードフレームのタブ３１８ｃ’の形式の代替的な固定機構が図３Ｃに示される。図示されるように、タブ３１８ｃ’は平面的であってもよく、目を有していてもよい。この構成により、強磁性成形材料３３０は、タブの目及びタブの周囲を流れて、リードフレーム及び非導電性成形材料に対する強磁性成形材料の接着性を改善する。

一方、例示のコイル３３３は、近接するターゲットの動きを検出するために使用することができる磁場を提供するように、バックバイアス磁石として機能する磁場検知素子３２２に対して位置決めされる。この目的のために、図示されるように、トランスデューサ３２２がコイル３３３よりもターゲット３１２に近くなるように、コイル３３３は、非導電性成形材料３２０の第２の面３２０ｂに隣接して配置される。ここでもまた、トランスデューサが例えば平面ホール素子とは異なる検知素子感度の軸を有する磁気抵抗素子であるときに望ましいものとなり得るよう、コイル３３３がトランスデューサよりもターゲットに近くなるようにセンサを１８０°回転させるか又はトランスデューサの主要面がターゲットに対して垂直になるようにセンサを９０°回転させ、それによって異なる種類の磁気感受性センサを得ることが、特定の用途において望ましいものとなり得ることが理解されよう。また、特定のセンサ構成及び検知素子の組み合わせのためにコイル３３３の中心軸がダイ３１４の面と平行になるように、コイル３３３を回転させることが実施形態において望ましいものとなり得る。

コイル３３３を形成するために様々な技術及び材料を使用することができる。例えば、コイル巻線間の絶縁体を提供するために、コイルは、様々なサイズの銅線から、様々な自動化されたプロセスを用いて形成することができる。コイル材料の選択、ワイヤゲージの選択、巻き数、及び他の設計上の選択は、所望の強度の磁場を生成するために、特定の用途に合わせて容易に変えることができる。特定の用途及びパッケージング構成に適合するために望ましいものとなるよう、各ターンが円形、矩形、又は楕円形などの他の形状となるようにコイル３３３が形成されてもよい。

コイル３３３は、様々な手段によって、非導電性成形材料３２０の第２の面３２０ｂに固定されてもよい。一例として、エポキシなどの接着剤が、所定の位置にコイルを固定するために使用されてもよい。所定の位置に固定されると、成形材料３３０は、例えば射出成形によるなどして、上述の方法で形成することができる。

動作において、バイアス電流がコイル３３３に印加されて、バイアス磁場を生成させてもよい。トランスデューサ３２２は、ターゲット３１２の動きによって引き起こされる磁場の摂動に応答する。成形材料３３０を、ハード強磁性材料、ソフト強磁性材料、又は非導電性材料の形態で提供することができることが当業者によって理解されよう。例えば、材料３３０がソフト強磁性材料である実施形態では、コイル３３３によって生成される磁場は、集束されるか、そうでなければソフト強磁性材料３３０により要求されるように集中されてもよい。あるいは、材料３３０がハード強磁性材料である実施形態では、コイル３３３によって提供される磁場は、コイルのみの場合（すなわち、ハード強磁性成形材料３３０が存在しない場合）と比較したときに磁場強度の同じピーク値を提供するために他の方法では必要とされるピーク電流を低減するために、ハード強磁性材料３３０によって提供される磁場を変調するために使用することができる。別の実施形態では、別個に形成された素子が中央開口部３４０内に配置されてもよい。

安全度水準（ＳＩＬ）などの適切な動作のために一部をチェックするとき、コイルに印加される電流は、例えば、パッケージから外部的にコイルに印加される入力電流の変化にって変更される。上述したように、コイル電流は、パッケージの１つ又は２つ（又はそれ以上）の外部ピンへの接続を介して制御することができる。当該部分の出力電圧の変化は、コイル電流の変化によって引き起こされる磁場の変化に起因して変わる必要がある。変更された出力電圧は、ユーザテスト回路（例えば、図２Ｃを参照）によるなどして監視され、適切な機能について評価することができる。この動作は、当該部分の動作中にコイルがバイアス機能のために使用されていない場合であっても、強磁性成形材料の有無にかかわらず機能する。

いくつかの実施形態では、バックバイアス機能はコイルによって提供されるので、成形材料３３０は完全に除去することができ、この場合、第２の面３２０ｂに取り付けられたコイル３３３とともに非導電性成形材料３２０がパッケージ化されて、結果としてセンサＩＣを提供することができる。このような構成は、米国特許第６，２６５，８６５号又は米国特許第５，５８１，１７９号に記載されたタイプのパッケージで提供することができ、これらの文献の各々は本出願の譲受人に譲渡され、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

ここで図４を参照すると、代替的な磁場センサ４００は、磁場検知素子４６４が配置される第１の活性表面４６２ａと、リードフレーム４７０の第１の面４７０ａ上のダイ取り付け領域４６６に取り付けられた第２の対向する面４６２ｂと、ダイ及びリードフレームの少なくとも一部を封入する非導電性成形材料４７４と、非導電性成形材料の一部に固定された成形材料４８０とを有する半導体ダイ４６２を含む。

図示されるように、非導電性成形材料４７４は、リードフレーム４７０の第２の面４７０ｂから離れて延在する突起部４８６を有する。空洞の存在によってオーバーモールドがより困難になり得るので、突起部４８６は、（強磁性成形材料の第２の端部４８０ｂに隣接する）センサ４００の底面に空洞が存在することを防ぐことができる。成形材料の第２の端部４８０ｂまでの経路のうちのすべて又は一部のみに突起部が延在してもよいことが当業者によって理解されよう。

センサは、図３のコイル３３３と同じ又は類似するコイル４３３を含む。ここで、コイル４３３は、非導電性成形材料４７４の突出部４８６に対して同心円状に配置されているが、同心の位置決めが必要とされないことが理解されよう。突起４８６に対するテーパは、特定の用途に適するように除外したり変更したりすることができることが理解されよう。ここでも、コイル４３３は、接着剤によって成形材料４７４に固定することができる。しかし、代替的に、コイル４３３は、接着剤が不要となるように突起部に関して締まり嵌めを提供するようなサイズ及び形状とされてもよく、コイル４３３は、成形材料４７４、リードフレーム４７０及びダイ４６２を含むサブアセンブリが成形材料４８０の形成のためにモールドキャビティに入れられるときに締まり嵌めによって成形材料４７４に対して所定位置に十分に保持することができる。

センサ４００は、成形材料の第２の端部４８０ｂの前に終端するように成形材料４８０を介して部分的にのみ延在する突起部を有するように示されているが、非導電性成形材料の突起部に対して同心円状に配置することができる（しかし必ずしも同心円状に配置されることは必要ではない）コイルを含む同様のセンサに、成形材料４８０の第２の端部４８０ｂまで延在する突起部が設けられてもよいことが理解されよう。

動作において、バイアス電流がコイル４３３に印加されて、バイアス磁場を生成させてもよい。トランスデューサ４６４は、ターゲットの動きによって引き起こされる磁場の摂動に応答する。バイアス電流は、出力電圧の応答の変化を見つけることによってパッケージセンサの機能をチェックするために、既知の時点において出力電圧の変化を引き起こすように変更されてもよい。成形材料４８０をハード強磁性材料、ソフト強磁性材料、又は非導電性材料の形態で提供することができることが当業者によって理解されるであろう。例えば、材料４８０がソフト強磁性材料である実施形態では、コイル４３３によって生成される磁場は、集束されてもよいし、ソフト強磁性成形材料４８０によって望まれるように他の方法で集中されてもよい。あるいは、材料４８０がハード強磁性材料である実施形態では、コイルによって提供される磁場は、コイルのみ（すなわち、ハード強磁性成形材料４８０が存在しない場合）によって同じ磁場強度を提供するために他の方法では必要とされるピーク電流を低減するために、ハード強磁性材料４８０によって提供される磁場を変調するために使用することができる。

ここでも、バックバイアス機能はコイルによって提供されるので、成形材料４８０は（図５に示すように）完全に除去することができ、この場合、表面に取り付けられたコイル４３３とともに非導電性成形材料４７４がパッケージ化されて、結果としてセンサＩＣを提供することができる。このような構成は、上で参照した米国特許のいずれかに記載されたタイプのパッケージで提供することができる。

成形材料４８０を含む用途において、このような成形材料は、リードフレーム４７０に近接する第１の端部４８０ａから、リードフレームから遠い第２の端部４８０ｂに向かって先細にされてもよく、センサは、必要に応じて、デバイスを保護し電気的に絶縁するために、外側被覆の形態の第３の成形材料４９０を含んでもよい。別の実施形態では、ハウジングは、米国特許第５，０４５，９２０号及び第５，５８１，１７９号におけるように使用することができ、これらの特許は本発明の譲受人に譲渡され、参照により本明細書に組み込まれる。このような実施形態では、第３の成形材料は、例えば、予め成形されてプラスチックパッケージに溶接されたハウジングによって置き換えられてもよい。他の実施形態では、予め成形された又は他の方法で製造されたハウジングは、第１及び第２のモールドのバージョンのみが使用される場合、第２の成形材料の代わりに使用することができ、このような実施形態ではコイルは予め成形されたハウジングによって封入される。

図４Ａを参照すると、代替的な磁場センサ４００’は、磁場検知素子４６４が配置される第１の活性表面４６２ａと、リードフレーム４７０の第１の面４７０ａ上のダイ取り付け領域４６６に取り付けられた第２の対向する面４６２ｂと、ダイ及びリードフレームの少なくとも一部を封入する非導電性成形材料４７４とを有する半導体ダイ４６２を含む。

センサは、図４のコイル４３３と同じ又は類似するコイル４３３’を含む。コイル４３３’は、非導電性成形材料４７４に固定され、より具体的には、図４Ａの実施形態では、非導電性成形材料４７４によって封入される。図示されるように、コイル４３３’のワイヤは、マンドレル又はボビン４５６の周りに巻かれてもよい。例示的な一実施形態では、マンドレル４５６は、ソフト強磁性材料又はプラスチックからなってもよく、最終的なデバイスの一部として残ってもよい。他の実施形態において、例えば図３及び４の場合には、マンドレル４５６は、コイル巻き付け中に使用されるが、最終的なパッケージの一部とならない。マンドレル４５６及びコイル４３３’は、接着剤又は他の固定機構によってダイ４６２の反対側にあるリードフレーム４７０の表面４７０ｂに固定することができ、その結果、サブアセンブリがモールドキャビティ内に配置されて非導電性成形材料７４が形成されるとき、コイルはリードフレームに固定される。

動作において、バイアス電流がコイル４３３’に印加されてバイアス磁場が生成されてもよく、トランスデューサ４６４は、近接するターゲットの動きによって引き起こされる磁場の摂動に応答する。バイアス電流は、出力電圧の応答の変化を見つけることによって、パッケージセンサの機能をチェックするために、既知の時点における出力電圧の変化を引き起こすように変更されてもよい。強磁性成形材料は図４Ａのセンサ４００’においては除去されるが、（ソフト強磁性成形材料の場合に）コイルによって生成される磁場を集中させるために、又は（ハード強磁性成形材料の場合に）コイルが生成する磁場による変調のための磁場を提供するために、任意の前述の実施形態に関連して説明したように、強磁性成形材料が提供されてもよいことが、当業者によって理解されよう。

別の実施形態では、コイルは、閉ループ電流センサを作成するために使用することができる。この実施形態では、パッケージ化された磁場センサ及びパッケージ内の少なくとも１つのコイル（ダイ上、パッケージ内、又はその両方）が、ＳＩＰ、ＳＯＩＣ、ＱＦＮ又は他の関心のあるパッケージなどの任意のパッケージ形態やスタイルで、回路によってパッケージに外部的に接続される。ユーザ回路は、センサの出力電圧を既知の電圧（又は「２線（ｔｗｏ−ｗｉｒｅ）」部などの電流出力デバイスの電流）で維持するために、パッケージ内（又はセンサのダイ上）のコイルに電流を印加する。このことは、特に図４及び４Ａで説明されるコイルの場合について、他の方法では磁場センサにとって典型的であるものよりも高い電流をコイルにおいて使用することを可能にするという利点を有する。

本発明の例示的な実施形態について説明したが、その概念を含む他の実施形態もまた使用することができることが当業者にとって明らかである。本明細書に含まれる実施形態は、開示された実施形態に限定されるべきではなく、むしろ添付の特許請求の範囲の趣旨及び範囲によってのみ限定されるべきである。本明細書において引用されたすべての刊行物及び参考文献は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

Claims

磁場センサＩＣパッケージであって、
活性面を有する半導体ダイと、
前記半導体ダイの前記活性面内に形成された検知素子と、
前記検知素子に印加される磁場に比例する出力電圧を生成するための、前記検知素子に結合された、前記半導体ダイの前記活性面内のアナログ回路を含むアナログ回路パスと、
電圧出力ＩＯピンに結合された、診断モジュールに結合された診断ＩＯピンであって、前記診断モジュールは、通常動作閾値及び診断閾値を提供し、スイッチが前記電圧出力ＩＯピンを制御する、診断ＩＯピンと、
前記検知素子に近接し、前記診断モジュールに結合されたコイルであって、前記磁場センサＩＣパッケージの外部にアクセス可能である第１の端子を有し、前記半導体ダイ上に形成され、前記半導体ダイ上で前記検知素子に近接して配置され、前記コイルの電流レベルによって強制された故障モードの検出を検証するために、前記コイルに印加される信号が、前記コイルに印加される電流のレベルによって、前記磁場センサＩＣパッケージを故障モードへと強制する、コイルと
を備える磁場センサＩＣパッケージ。
前記検知素子は磁気検知素子を含む請求項１に記載の磁場センサＩＣパッケージ。
前記磁気検知素子はホール素子を含む請求項２に記載の磁場センサＩＣパッケージ。
前記磁気検知素子は磁気抵抗素子を含む請求項２に記載の磁場センサＩＣパッケージ。
磁場センサが線形電流センサを含む請求項１に記載の磁場センサＩＣパッケージ。
磁場センサが閉ループ磁気センサを含む請求項１に記載の磁場センサＩＣパッケージ。
磁場センサＩＣパッケージであって、
半導体ダイと、
前記半導体ダイ内に形成された検知素子と、
前記検知素子に印加される磁場に比例する出力電圧を生成するための、前記検知素子に結合された、前記半導体ダイの活性面内のアナログ回路を含むアナログ回路パスと、
前記検知素子に近接するコイルであって、前記磁場センサＩＣパッケージの外部にアクセス可能である第１の端子を有する、コイルと
を備え、
前記コイルはリードフレームの前記半導体ダイとは反対側に配置され、外側被覆されたパッケージ内に封入され、電流のレベルに対応する強度を有する磁場を生成するために電流を運ぶように構成され、前記電流及び前記生成された磁場は変化し得るものであり、前記コイルの電流レベルによって強制された故障モードの検出を検証するために、前記コイルに印加される信号が、前記コイルに印加される電流のレベルによって、前記磁場センサＩＣパッケージを故障モードへと強制する、磁場センサＩＣパッケージ。
前記コイルは、閉ループ電流センサを提供するために、磁場センサのＩＣパッケージの外部に結合される請求項７に記載の磁場センサＩＣパッケージ。
磁場センサＩＣパッケージであって、
第１の面及び第２の対向する面を有するリードフレームと、
磁場検知素子が配置された第１の面及び前記リードフレームの第１の面に取り付けられた第２の対向する面を有する半導体ダイであって、前記第１の面が前記半導体ダイの活性面である、半導体ダイと、
前記半導体ダイと前記リードフレームの少なくとも一部とを封入する非導電性成形材料と、
前記非導電性成形材料に固定された導電性コイルであって、磁場センサの外部への接続を提供するための少なくとも１つの端子を有し、電流のレベルに対応する強度を有する磁場を生成するために電流を運ぶように構成され、前記電流及び前記磁場は変化し得るものであり、前記コイルの電流レベルによって強制された故障モードの検出を検証するために、前記コイルに印加される信号が、前記コイルに印加される電流のレベルによって、前記磁場センサＩＣパッケージを故障モードへと強制する、導電性コイルと
を備える磁場センサＩＣパッケージ。
前記非導電性成形材料は前記コイルを封入する請求項９に記載の磁場センサＩＣパッケージ。
前記非導電性成形材料に固定された第２の成形材料をさらに備える請求項９に記載の磁場センサＩＣパッケージ。
前記第２の成形材料は強磁性である請求項１１に記載の磁場センサＩＣパッケージ。
ハウジングが前記コイルを封入する請求項９に記載の磁場センサＩＣパッケージ。
磁場センサＩＣパッケージであって、
半導体ダイの活性面内に形成された検知素子と、
前記検知素子に印加される磁場に比例する出力電圧を生成するための、前記検知素子に結合された、前記半導体ダイの前記活性面内のアナログ回路を含むアナログ回路パスと、
前記検知素子に近接し、磁場センサの外部にアクセス可能である第１の端子を有し、前記半導体ダイ上に形成された、コイルと
を備え、
前記ＩＣパッケージはちょうど４つのピンを有し、前記４つのピンのうちの第１のピンはＶｃｃであり、前記４つのピンのうちの第２のピンはグランドであって前記コイルの一方の端部に電気的に結合され、前記４つのピンのうちの第３のピンはＶｏｕｔであり、前記４つのピンのうちの第４のピンは前記コイルの他方の端部に接続され、前記コイルは前記半導体ダイ上で前記検知素子に近接して配置され、前記コイルの電流レベルによって強制された故障モードの検出を検証するために、前記コイルに印加される信号が、前記コイルに印加される電流のレベルによって、前記磁場センサＩＣパッケージを故障モードへと強制する、磁場センサＩＣパッケージ。
磁場センサＩＣパッケージであって、
対向する第１の側部及び第２の側部を有するリードフレームと、
前記リードフレームの前記第１の側部上に配置された半導体ダイの活性面内に集積された検知素子と、
前記検知素子に印加される磁場に比例する出力電圧を生成するための、前記検知素子に結合された、前記半導体ダイの前記活性面内のアナログ回路を含むアナログ回路パスと、
前記検知素子に近接し、磁場センサの外部へアクセス可能である第１の端子を有し、前記リードフレームの前記第２の側部上に配置され、電流のレベルに対応する強度を有する磁場を生成するために電流を運ぶように構成されたコイルであって、前記電流及び前記磁場は変化し得るものであり、前記コイルの電流レベルによって強制された故障モードの検出を検証するために、前記コイルに印加される信号が、前記コイルに印加される電流のレベルによって、前記磁場センサＩＣパッケージを故障モードへと強制する、コイルと
を備える磁場センサＩＣパッケージ。
前記半導体ダイは第１の成形材料内に含まれ、前記コイルは第２の成形材料内に含まれる、請求項１５に記載の磁場センサＩＣパッケージ。
前記第２の成形材料は強磁性である、請求項１６に記載の磁場センサＩＣパッケージ。
磁場センサＩＣパッケージを用意するステップであって、前記磁場センサＩＣパッケージは、
半導体ダイと、
前記半導体ダイの活性面内に形成された検知素子と、
前記検知素子に印加される磁場に比例する出力電圧を生成するための、前記検知素子に結合された、前記半導体ダイの前記活性面内のアナログ回路を含むアナログ回路パスであって、前記半導体ダイの前記活性面上に少なくとも部分的に形成されたアナログ回路を含む、アナログ回路パスと、
前記検知素子に近接し、前記磁場センサＩＣパッケージの外部にアクセス可能である第１の端子を有し、前記半導体ダイ上に形成され、前記半導体ダイ上で前記検知素子に近接して配置されたコイルと
を備える、ステップと、
前記アナログ回路パスのプログラムされた感度を分析するために、前記コイルに印加された信号を制御するステップと、
前記コイルの電流レベルによって強制された故障モードの検出を検証するために、前記コイルに印加される電流のレベルによって前記磁場センサＩＣパッケージを故障モードへと強制するために信号を前記コイルに印加するステップと
を含む方法。
オフセットの相殺をテストするために、前記コイルに印加される前記信号を制御するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
前記磁場センサＩＣパッケージの出力における、前記コイルにより生成される磁場の影響を相殺するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
前記コイルは少なくとも部分的に前記検知素子の周囲に巻かれ、前記検知素子はホール素子を含む、請求項１に記載の磁場センサＩＣパッケージ。
前記出力電圧における前記アナログ回路パスの利得のドリフトについてテストするステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
ゼロ磁場出力信号のドリフトについてテストするステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
磁場センサＩＣパッケージであって、
活性面を有する半導体ダイと、
前記半導体ダイが配置されたリードフレームと、
前記半導体ダイの前記活性面内に形成された検知素子と、
前記検知素子に印加される磁場に比例する出力電圧を生成するための、前記検知素子に結合された、前記半導体ダイの前記活性面内のアナログ回路を含むアナログ回路パスと、
前記検知素子に近接し、前記リードフレームの前記半導体ダイとは反対側に配置され、前記磁場センサＩＣパッケージの外部にアクセス可能である第１の端子を有する複数巻き数のコイルであって、故障モードの検出を検証するために、前記コイルに印加される信号が、前記コイルに印加される電流のレベルによって前記磁場センサＩＣパッケージを故障モードへと強制する、複数巻き数のコイルと
を備える磁場センサＩＣパッケージ。