JP6887165B2 - 補償コイルを有する磁気抵抗センサ - Google Patents

Description

本発明は、磁気センサに関し、より詳細には補償コイルを有する磁気抵抗センサに関する。

多くの応用では、ダイナミック・レンジを増加させ、線形性を改善し、センサの磁気ヒステリシスを減少させるために、磁気センサは、閉ループにおいて動作させられることを必要とする。ウェハレベル補償コイルの使用は、磁気センサが閉ループ・モードにおいて容易に動作することを可能にする。

典型的な補償コイル（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ社によるバイアス・ストリップとも呼ばれる）は、センサ・チップ基板の上に配置される大きい蛇行コイルであり、これによって空間使用率が乏しくなり、したがってセンサの実際のサイズは、所望のサイズよりもずっと大きくなる。Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ社からのＡＭＲセンサ・チップも、バイアス・ストリップおよびリセット・コイルを使用することによって直交磁場を発生させ、それによって感度および線形性（いわゆるセット／リセット・コイル）を改善するとともに、（バイアス・ストリップの）閉ループ・モードにおいて動作する能力を提供する。しかしながら、ＡＭＲセンサは、大きいデバイス面積を有し、高コストである。

従来技術において、らせん状初期化コイルは、実用新案登録出願第２０１６２０２９６３６７．７号、名称「Ａ ＭＡＧＮＥＴＯＲＥＳＩＳＴＩＶＥ ＳＥＮＳＯＲ ＰＡＣＫＡＧＥ ＷＩＴＨ ＥＮＣＡＰＳＵＬＡＴＥＤ ＩＮＩＴＩＡＬＩＺＡＴＩＯＮ ＣＯＩＬ」に使用されており、ここでは、初期化コイルは、パッケージの基板上に配設されており、それによってセンサの磁気ヒステリシスおよびドリフトを低減させている。

本発明は、磁気抵抗センサと共に、効率的な空間使用率を有するウェハレベル補償コイルを提供する。補償コイルは、蛇行曲げパターンを有し、堆積およびエッチングによってウェハ上に直接形成され、閉ループ・モードでセンサを駆動するために使用される。本発明の磁気抵抗センサは、基板上に配置され、ＬＧＡの形態で封止されており、この基板は、磁気ヒステリシスを制御する蛇行初期化コイルを備える。ＬＧＡ基板のサイズは、初期化コイルによって増大せず、センサ・チップのサイズは、ＬＧＡ基板上に備えるのではなく蛇行補償コイルがその上に形成される場合よりも小さい。したがって、センサは、空間使用率の改善がなされ、小型の構成となっており、それによってコストを有効に削減する。

上記技術的課題を解決するために、本発明は、補償コイルを有する磁気抵抗センサを提供する。

本発明は、下記の技術的解決手段に従って実施される。

シリコン基板と、シリコン基板上に配設されたＭＲセンサ・ユニットのコレクションと、長方形軟強磁性磁束集束器のコレクションと、蛇行補償コイルと、接続回路と、電気接続に使用されるボンド・パッドのコレクションとを備えた補償コイルを有する磁気抵抗センサであって、ＭＲセンサ・ユニットは、プッシュプル・センサ・ブリッジを形成するように相互接続され、ＭＲセンサ・ユニットのコレクションは、２つの隣接した軟強磁性磁束集束器間の間隙の下方に配設される。蛇行補償コイルは、ＭＲセンサ・ユニットの上方、および２つの隣接した軟強磁性磁束集束器間の間隙のレベルの下方、およびセンサ間の領域内の集束器の下方に配設される。蛇行補償コイルは、ＭＲセンサ・ユニットの上の正の電流ストラップと、軟強磁性磁束集束器の下の負の電流ストラップとを有する。ＭＲセンサ・ブリッジおよび蛇行補償コイルは、ボンド・パッドを通じて接続されているとともに、封止構造で覆われている。

好ましくは、磁気抵抗センサはセンサ・チップを形成するようにＰＣＢ基板上に配置され、ＰＣＢ基板はらせん状初期化コイルを備え、センサ・チップはらせん状初期化コイルの上部に配設され、らせん状初期化コイルを通じて流れるＭＲセンサ・ブリッジの電流の方向は、センサ・チップの感度軸の方向に平行である。

ＰＣＢ基板は、プッシュプル・センサ・ブリッジを形成するためにＭＲセンサ・ユニットを相互接続するのに使用されるリード・パッドおよび伝導性トレースをさらに備え、リード・パッドの一部は、ＰＣＢ基板の底部に配設され、ＰＣＢ基板の上部にあるセンサ・チップおよびリード・パッドは、プラスチックまたは樹脂を使用することによって封止される。

好ましくは、ＭＲセンサ・ユニットは、プッシュプル・フル・ブリッジ回路を形成するように相互接続されている。

好ましくは、磁気抵抗センサは、ＬＧＡ封止構造を有する。

好ましくは、磁気抵抗センサは、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を備え、ＡＳＩＣは、センサ・ブリッジに電気的に接続されている。

好ましくは、リード・フレームが使用され、磁気抵抗センサは、リード・フレーム上に配設される。

好ましくは、リード・フレームは、プラスチックに封止される。

好ましくは、磁気抵抗センサは、第１の絶縁層と、第２の絶縁層と、不活性化層とをさらに備える。ＭＲ磁気抵抗素子のコレクションは第１の絶縁層で覆われ、蛇行補償コイルは第２の絶縁層で覆われ、不活性化層はセンサ・チップ全体に堆積させられる。

本発明の磁気抵抗センサは、より小さいサイズを有し、低コストであり、向上したダイナミック・レンジ、改善された線形性、および減少した磁気ヒステリシスを有する。この設計は、磁気センサが閉ループ・モードにおいて容易に動作することを可能にする。

本発明の実施形態または従来技術における技術的解決策をより明確に示すために、実施形態または従来技術を説明するために必要な添付図面を、以下に簡潔に紹介する。以下の説明における添付図面は、本発明のいくつかの実施形態に過ぎないことは明らかである。当業者は、創作的努力なしで添付図面に従って他の図面を得ることができる。

本発明による補償コイルを有する磁気抵抗センサの配置の概略図である。 本発明による補償コイルを有する磁気抵抗センサの配置の概略平面図である。 本発明による補償コイルを有する磁気抵抗センサのシミュレートした磁束線の概略図である。 本発明による長方形軟強磁性磁束集束器がない場合の磁場線の概略図である。 本発明による蛇行補償コイルの磁場ゲイン間の比較の概略図である。 本発明の実施形態１によるＬＧＡ封止の概略図である。 本発明の実施形態１によるＬＧＡ封止の概略回路図である。 本発明の実施形態２による初期化コイルを用いたＬＧＡ封止の概略図である。 本発明の実施形態２による初期化コイルを用いたＬＧＡ封止の概略回路図である。

本発明の実施形態の目的、技術的解決策、および利点をより明確にさせるために、本発明の実施形態における技術的解決策は、本発明の実施形態における添付図面を参照して、以下により明確におよびより完全に説明される。明らかに、説明される実施形態は、本発明の実施形態の全部というよりはむしろ一部に過ぎない。

図１は、本発明による補償コイルを有する磁気抵抗センサの配置の概略図である。磁気抵抗センサは、シリコン基板１と、長方形軟強磁性磁束集束器４のコレクションと、第１の絶縁層２と、第２の絶縁層３と、ＭＲセンサ・ユニット６のコレクションと、蛇行補償コイル７と、不活性化層５とを備える。ＭＲセンサ・ユニット６は、プッシュプル・センサ・ブリッジを形成するように相互接続されている。ＭＲセンサ・ユニット６のコレクションは、２つの隣接した軟強磁性磁束集束器４間の間隙の下方に配設される。蛇行補償コイル７は、ＭＲセンサ・ユニット６の上方および２つの隣接した軟強磁性磁束集束器４間の間隙の下方に配設される。蛇行補償コイル７は、ＭＲセンサ・ユニット６の上の正の電流ストラップと、長方形軟強磁性磁束集束器の下の負の電流ストラップとを有する。ＭＲセンサ・ブリッジおよび蛇行補償コイルは、ボンド・パッドを通じて接続されているとともに、封止構造で覆われている。ＭＲセンサ・ユニット６のコレクションは、第１の絶縁層２で覆われている。蛇行補償コイル７は、第２の絶縁層３で覆われている。不活性化層５は、センサ・チップ全体上に配設される。

図２は、本発明による補償コイルを有する磁気抵抗センサの配置の概略平面図であり、１０はＭＲセンサ・ユニットを接続する接続線を表し、１１はチクラー・コイル接触電極を表し、１２はＭＲセンサ・ブリッジの負の接触電極を表し、１３はＭＲセンサ・ブリッジの正の接触電極を表し、１４は別のＭＲセンサ・ブリッジの正の接触電極を表し、１５は別のＭＲセンサ・ブリッジの負の接触電極を表す。ＭＲセンサ・ユニットのコレクションは、長方形軟強磁性磁束集束器間の間隙内に配設され、ＭＲセンサ・ユニットは、電気的に接続されている。ＭＲセンサ・ブリッジおよび蛇行補償コイルは、リード・パッドを通じて接続されているとともに、封止構造で覆われている。

図３は、本発明による補償コイルを有する磁気抵抗センサのシミュレートした磁場線の概略図であり、２１は、ＭＲセンサ・ユニットからなるＭＲセンサ組立体が蛇行補償コイルが正の電流を生成する位置の下方に位置することを表し、２２は磁場線を表す。図３に示されるように、長方形軟強磁性磁束集束器は、蛇行補償コイルの上端に配設されるとともに、図に示される方向に電流が流れるとき、長方形軟強磁性磁束集束器は、右向きの磁場を生成する。同様に、ＭＲセンサ組立体は、長方形軟強磁性磁束集束器の下方に配設され、蛇行補償コイルの間隙に反対の電流極性を有する。そのような構成の場合、蛇行補償コイルからのＭＲセンサ組立体の磁場も右向きである。長方形軟強磁性磁束集束器間の間隙が十分小さいとき、長方形軟強磁性磁束集束器の上方の右向きの磁場は、間隙内に位置するＭＲセンサ組立体上に集められ、したがってＭＲセンサ組立体において蛇行補償コイルの磁場を増加させる。この構成モードは、蛇行補償コイルの磁場を強化し、蛇行補償コイルの効率を改善する。

図４は、長方形軟強磁性磁束集束器がない場合の磁場線の概略図である。図に示されるように、磁場の分布は、長方形軟強磁性磁束集束器がない場合異なる。ＭＲセンサ・ユニット間に位置する蛇行補償コイルの磁場は、ＭＲセンサ・ユニットの磁場に加えられず、磁場ゲインは、ＭＲ磁気抵抗素子が位置する位置で磁場のゲインよりも小さい。したがって、効率は低い。

図５は、本発明による蛇行補償コイルの磁場ゲイン間の比較の概略図であり、暗い色は、長方形軟強磁性磁束集束器が存在している蛇行補償コイルの磁場ゲインの概略図を表し、磁気抵抗センサの中央における磁場ゲインは１Ｇ／ｍＡよりも大きく、明るい色は、長方形軟強磁性磁束集束器がない場合の蛇行補償コイルの磁場ゲインの概略図を表し、ＭＲ磁気抵抗センサの中央の磁場ゲインは、約０．８Ｇ／ｍＡである。したがって、長方形軟強磁性磁束集束器は、蛇行補償コイルの磁場ゲインに大きく影響を及ぼし、長方形軟強磁性磁束集束器は、蛇行補償コイルの磁場効率を改善することができることが図から分かり得る。

図６は、本発明の実施形態１によるＬＧＡ封止の概略図であり、１６は基板の裏面上のリード・パッドを表し、磁気抵抗センサの裏面では、１７はチップＡを表し、１８はチップＢを表す。チップＢは、１８０度だけチップＡを回転させることによって得られる。ＰＣＢは、ＬＧＡ封止の形態を有する。チップＡの参照層のピンニング方向は左から右であり、一方、チップＢの参照層のピンニング方向はチップＡのものと反対であることが図から分かり得る。チップＡおよびチップＢは、ＭＲセンサ・ユニットのコレクション、長方形軟強磁性磁束集束器のコレクションなどによって形成されるセンサ・ブリッジからそれぞれなる。ＭＲセンサ・ユニットは、プッシュプル・センサ・ブリッジを形成するように相互接続され、ＭＲセンサ・ユニットのコレクションは、２つの隣接した軟強磁性磁束集束器間の間隙の下方に配設される。

図７は、本発明の実施形態１によるＬＧＡ封止の概略回路図である。チップＡおよびチップＢがフル・ブリッジ回路を形成し、チップＡの上方に配設される補償コイルＡの電流方向は、チップＡのものと同じであり、チップＢの上方に配設される補償コイルの電流方向は、チップＢのものと同じであることが図から分かり得る。

図８は、本発明の実施形態２によるらせん状初期化コイルを用いたＬＧＡ封止の概略図である。実施形態２は、実施形態１に基づくらせん状初期化コイルをさらに含む。らせん状初期化コイルは、チップＡおよびチップＢに反対の磁場を生成する。らせん状初期化コイルによって生成される磁場は、蛇行補償コイルの磁場に直交する。磁気抵抗センサは、センサ・チップを形成するようにＰＣＢ基板上に配置される。ＰＣＢ基板は、らせん状初期化コイルを備える。センサ・チップは、らせん状初期化コイルの上部に配設される。らせん状初期化コイルを通じて流れるＭＲセンサ・ブリッジの電流方向は、センサ・チップの感度軸の方向に平行である。

ＰＣＢ基板は、プッシュプル・センサ・ブリッジを形成するためにＭＲセンサ・ユニットを相互接続するのに使用されるリード・パッドおよび伝導性トレースをさらに備える。ＰＣＢ基板の底部に配設されたリード・パッドもある。ＰＣＢ基板の上部のセンサ・チップおよびボンド・パッドは、プラスチックまたは樹脂を使用することによって封止される。

図９は、本発明の実施形態２によるらせん状初期化コイルを用いたＬＧＡ封止の概略回路図である。図に示されるように、チップＡおよびチップＢは、フル・ブリッジ回路を形成し、チップＡの上方に配設される補償コイルＡの電流方向は、チップＡのものと同じであり、チップＢの上方に配設される補償コイルの電流方向は、チップＢのものと同じである。初期化コイルおよび補償コイルによって生成される磁場は、互いに直交する。

創作的な努力なしで本発明の実施形態に基づいて当業者が得る全ての他の実施形態は、本発明の保護範囲内に入るべきである。好ましい実施が本発明において概略的に説明されているが、本発明の特許請求の範囲によって定められる範囲を超えることなく、様々な変更および修正が本発明になされ得ることを、当業者は理解するはずである。

Claims (9)

1. シリコン基板と、該シリコン基板上に配設されたＭＲセンサ・ユニットのコレクションと、長方形軟強磁性磁束集束器のコレクションと、蛇行補償コイルと、接続回路と、電気接続に使用されるリード・パッドのコレクションとを備えた補償コイルを有する磁気抵抗センサであって、該ＭＲセンサ・ユニットは、プッシュプル・センサ・ブリッジを形成するように相互接続され、ＭＲセンサ・ユニットの該コレクションは、２つの隣接した軟強磁性磁束集束器間の間隙の下方に配設され、該蛇行補償コイルは、該ＭＲセンサ・ユニットの上方および該２つの隣接した軟強磁性磁束集束器間の該間隙の下方に配設され、該蛇行補償コイルは、該ＭＲセンサ・ユニットの上の正の電流ストラップと、該長方形軟強磁性磁束集束器の下の負の電流ストラップとを有し、ＭＲセンサ・ブリッジおよび該蛇行補償コイルは、ボンド・パッドを通じて接続されているとともに、封止構造で覆われている磁気抵抗センサ。
2. 前記磁気抵抗センサはセンサ・チップを形成するようにＰＣＢ基板上に配置され、該ＰＣＢ基板はらせん状初期化コイルを備え、該センサ・チップは該らせん状初期化コイルの上部に配設され、該らせん状初期化コイルを通じて流れる前記ＭＲセンサ・ブリッジの電流の方向は、該センサ・チップの感度軸の方向に平行である、請求項１に記載の補償コイルを有する磁気抵抗センサ。
3. 前記ＰＣＢ基板は、プッシュプル・センサ・ブリッジを形成するために前記ＭＲセンサ・ユニットを相互接続するのに使用されるリード・パッドおよび伝導性トレースをさらに備え、これらのリード・パッドは、該ＰＣＢ基板の底部に配設され、一方、該ＰＣＢ基板の上部にある前記センサ・チップおよび該リード・パッドは、プラスチックまたは樹脂を使用することによって封止される、請求項２に記載の補償コイルを有する磁気抵抗センサ。
4. 前記ＭＲセンサ・ユニットは、プッシュプル・フル・ブリッジ回路を形成するように相互接続されている、請求項１に記載の補償コイルを有する磁気抵抗センサ。
5. 前記磁気抵抗センサは、ＬＧＡ封止構造を有する、請求項１に記載の補償コイルを有する磁気抵抗センサ。
6. 特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を備え、該ＡＳＩＣは、前記センサ・ブリッジに電気的に接続されている、請求項１または２に記載の補償コイルを有する磁気抵抗センサ。
7. リード・フレームが使用され、前記磁気抵抗センサは、前記リード・フレーム上に配設される、請求項１に記載の補償コイルを有する磁気抵抗センサ。
8. 前記リード・フレームは、プラスチックに封止される、請求項７に記載の補償コイルを有する磁気抵抗センサ。
9. 第１の絶縁層と、第２の絶縁層と、不活性化層とをさらに備え、ＭＲセンサ・ユニットの前記コレクションは該第１の絶縁層で覆われ、前記蛇行補償コイルは該第２の絶縁層で覆われ、該不活性化層はセンサ・チップ全体上に配設される、請求項１に記載の補償コイルを有する磁気抵抗センサ。

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