KR20120132366A - 3-축 자기 센서 - Google Patents

Abstract

3-축 자기 센서 시스템 및 방법이 제공된다. 일 실시예에서, 단일 기판 상에 형성된 3-축 자기 센서는, 단일 기판 상에 형성된 자기 저항(MR) 센서 또는 자기 유도(MI) 센서 중 적어도 하나를 포함하는 평면내 2-축 자기 센서(115); 및 단일 기판 상에 형성된 홀 효과 센서를 포함하는 평면외 자기 센서를 포함한다. 평면내 2-축 자기 센서는 기판의 평면에 평행한 제1 평면에서 자기장을 측정하고, 평면외 자기 센서는 제1 평면에 직교하는 축을 따라 자기장을 측정한다.

Description

3-축 자기 센서{THREE-AXIS MAGNETIC SENSORS}

본 발명은 3-축 자기 센서에 관한 것이다.

소형의 저가 3-축 자기 센서에 대한 수요가 증가하고 있다. 수직 센서와 수평 센서를 모두 갖는 단일 다이를 형성하는데 있어서의 어려운 점 때문에, 3개의 직교하는 방향으로 민감한 센서를 제조하는 것은 현재 과제가 되고 있다. 전통적인 기술은, 수직 방향으로 감도를 제공하기 위한 하나의 센서 다이의 회전과, 수평축을 따라 감도를 제공하는 하나 이상의 다이와 함께 회전된 다이를 기판 또는 히트 프레임(heat frame) 상에 장착하는 것과 관련된다. 이러한 접근 방법은 원하는 정도의 축의 직교성을 획득하는 방법으로 센서 다이를 정밀하게 정렬하여 장착하는 것과 관련된 어려운 점이 있다.

전술한 이유로, 그리고 본 명세서를 읽고 이해한 것에 기초하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 후술되는 다른 이유로, 개선된 3-축 자기 센서에 대한 요구가 있다.

본 발명의 실시예는 개선된 3-축 자기 센서 방법 및 시스템을 제공하며, 하기의 명세서를 읽고 연구함으로써 이해될 것이다.

본 발명의 실시예는 개선된 3-축 자기 센서 방법 및 시스템을 제공한다. 일 실시예에서, 단일 기판 상에 형성된 3-축 자기 센서는: 단일 기판 상에 형성된 자기 저항(MR) 센서 또는 자기 유도(MI) 센서 중 적어도 하나를 포함하는 평면내(in-plane) 2-축 자기 센서; 및 단일 기판 상에 형성된 홀 효과(hall effect) 센서를 포함하는 평면외(out-of-plane) 자기 센서를 포함한다. 평면내 2-축 자기 센서는 기판의 평면에 평행한 제1 평면에서 자기장을 측정하고, 평면외 자기 센서는 제1 평면에 직교하는 축을 따라 자기장을 측정한다.

본 발명의 실시예는 바람직한 실시예에 대한 설명과 다음의 도면을 참조하여 고려될 때 더욱 용이하게 이해될 것이며, 그에 대한 이점 및 용도가 더욱 자명하게 될 것이다:
도 1a 및 1b는 본 발명의 일 실시예의 3-축 자기 센서 패키지의 상면도 및 측면도를 각각 도시하는 도면이다;
도 1c는 본 발명의 일 실시예의 다른 3-축 자기 센서 패키지에 대한 도면이다;
도 2는 도 1a 내지 1c와 도 3에 대하여 설명되는 실시예에 대한 다양한 변형 구성을 도시하는 도면이다; 그리고,
도 3은 본 발명의 일 실시예의 방법을 도시하는 플로우 차트이다.
일반적인 실시에 따라, 설명된 다양한 특징은 척도에 맞게 작도되지 않고, 본 발명에 관한 특징을 강조하도록 작도된다. 참조 부호는 도면 및 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용의 전체를 통해 유사한 구성요소를 나타낸다.

하기의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서, 본 명세서의 일부를 이루며 본 발명이 실시될 수 있는 특정의 예시적인 실시예에 의해 도시된 첨부된 도면이 참조된다. 이러한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 실시할 수 있도록 충분히 상세히 설명되며, 다른 실시예가 이용될 수 있고, 논리적, 기계적 및 전기적 변경이 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 하기의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용은 한정적 의미로 취급되어서는 안된다.

본 발명의 실시예는 공통 베이스에 2개의 상이한 센서 기술을 결합함으로써 직교하는 3-차원 센서 배치를 포함하는 칩 패키지를 제공한다. 더욱 구체적으로는, 본 발명의 실시예는 그 자체를 형성하는 실리콘의 평면을 따라 민감한 자기 센서(예를 들어, 자기 저항(Magneto-Resistive(MR)) 센서 및/또는 자기 유도(Magneto-Inductive(MI)) 센서)를 수직으로 민감한 홀 효과(Hall effect) 자기 센서와 결합함으로써 3-차원 센서 배치를 제공한다. 일 실시예에서, 센서는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)로 통합된다. 이러한 실시예는 배향 또는 내비게이션을 위하여 지구의 자기장을 이용하는 전자 나침반 또는 기타 장치와 같은 장치를 구현하는 해결 방안을 제공한다.

자기 저항(MR) 센서(예를 들어, AMR(anisotropic magneto-resistance) 센서, GMR(Giant Magneto-Resistance) 센서 및 TMR(Tunnel Magneto-resistance) 센서를 포함)와 자기 유도(MI) 센서는 다이 표면에 대한 평면에서의 자기장에 민감하다. 이와 같이, 이러한 센서는 평면내(in-plane) 센서로 알려져 있다. 대조적으로, 홀 효과 센서는 다이 표면의 평면에 수직인 자기장에 민감하고, 평면외(out-of-plane) 센서로 알려져 있다. 평면내 센서와 평면외 센서를 결합함으로써, 본 발명의 실시예는 다이 회전 방식보다 더욱 저렴하고 더욱 크기 효율적인 3-축 자기 센서 형성 방법을 제공한다.

도 1a 및 1b는 공통 기판(120)에 형성된 ASIC(117)를 갖는 3-축 자기 센서 패키지(110)의 상면도(110) 및 측면도(150)를 도시하는 도면이다. ASIC(117)는, 단일 칩 다이(118) 상에, 자기 저항 센서(115) 형태의 평면내 자기 센서와, 홀 센서(116) 형태의 평면외 자기 센서를 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "패키지(package)"는 집적 회로를 수용하는 보호 용기로서 기능하는 칩 캐리어(또한, 칩 용기 또는 칩 패키지라고도 함)를 구체적으로 지칭하는 본 발명이 속하는 기술 분야의 용어이다. 즉, 패키지는 인쇄 회로 보드와 같은 외부 회로에 대한 집적 회로의 기계적 및 전기적 결합을 제공하는 집적 회로 칩이 들어가는 하우징이다. 전기적 연결은 소켓 또는 표면 실장을 통해 수행될 수 있다. 이와 같이, 패키지는 파손되기 쉬운 칩을 인쇄 회로 보드에 전기적 및 기계적으로 연결하기에 충분하게 견고한 금속 리드(lead) 또는 패드를 일반적으로 제공할 것이다.

단일 칩 다이(118)는 복수의 제1 와이어 본드 접속부(119)를 통해 ASIC(117)에 전기적으로 연결된다. 다음으로, ASIC(117)은 복수의 제2 와이어 본드 접속부(122)를 통해 기판(120)에 전기적으로 연결된다. 이러한 방법으로, 센서(115, 116)에 의해 생성된 측정값을 나타내는 전기 신호가 센서 패키지(110)의 외부에 있는 장치로 전달된다. 도 1a 및 1b가 자기 저항 센서를 갖는 것으로서 3-축 자기 센서 패키지(110)를 도시하지만, 다른 실시예에서, 도 1c에서 일반적으로 180으로 나타내는 바와 같이, 대신하여 평면내 센서(130)가 자기 유도(MI) 센서로서 구현된다. 도 1a 또는 1c의 어느 하나의 실시예에서, 평면내 센서(115, 130)는 2개의 방향으로의 자기장에 민감한 단일 센서 장치를 더 포함할 수 있거나, 또는 이 대신에 서로 수직으로 배향된 2개의 개별 단일-축 센서를 포함할 수 있다.

제조의 관점으로부터, 2개의 상이한 센서 기술이 조합되기 때문에(즉, MR/MI 센서 기술과 홀 센서 기술), 공통 기판 상에 센서를 형성하는데 2개의 별개의 공정 도구 세트가 필요하다. 즉, MR/MI 센서를 형성하는데 사용되는 공정 도구는, 홀 센서를 형성하는데 사용되는 공정 도구와는 상이한 기반 기술에 기초한다. 예를 들어, 박막(thin-film) MR/MI 처리는 포토리소그라피와 같은 기술을 이용하고, 전기 절연 베이스층 상으로 MR/MI 재료층을 스퍼터링하기 위한 정밀 증착 도구를 필요로 한다. 대조적으로, 홀 센서는 GaAs(gallium arsenide), InSb(indium antimonide) 또는 InAs(indium arsenide)와 같은 재료로 형성된 반도체 장치이다. 센서가 형성되고 나면, 공통 ASIC 내에 센서를 집적하는 것은 3-직교 센서의 원하는 구성을 획득하기 위하여 다이를 회전시킬 필요가 없는 표준 제조 공정을 이용한다. 예를 들어, 센서의 와이어 본딩은 적절한 두께의 접속부를 형성하기 위하여 위로부터 통상적인 기술을 이용하여 수행될 수 있다. 와이어 본드(119, 122)에 더하여, 다른 장치 상호 접속부가, 표분 웨이퍼 처리, TSV(through silicon via, 예를 들어 124로 도시됨), 웨이퍼 범프, 웨이퍼 재구성(reconstitution) 또는 다른 공지된 기술을 이용하여 제조될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 평면내 센서(예를 들어, MR/MI 센서)와 평면외 센서(예를 들어 홀 센서)를 패키지(110) 내에 배열하기 위한 다양한 가능성이 있다. 평면내 2-축 자기 센서(115, 130)의 상부에 형성된 평면외 자기 센서(116)를 갖는 실시예가 대체로 210에서 도시된다. 일 실시예에서, 평면내 2-축 자기 센서(115, 130)가, 220에서 대체로 도시된 바와 같이, 집적 회로(117)의 상부에 더 형성된다. 다른 실시예에서, 평면내 2-축 자기 센서(115, 130)가, 230에서 대체로 도시된 바와 같이, 평면외 자기 센서(116)의 상부에 형성된다. 일 실시예에서, 평면외 센서(116)가, 240에서 대체로 도시된 바와 같이, 집적 회로(117)의 표면 상에 더 형성된다. 또 다른 실시예에서, 평면내 2-축 자기 센서(115, 130)와 평면외 자기 센서(116)가, 250에서 대체로 도시된 바와 같이, 모두 집적 회로(117)의 표면 상에 형성된다. 일 실시예에서, 평면내 2-축 자기 센서(115, 130)와 평면외 자기 센서(116)가, 260에서 대체로 도시된 바와 같이, 모두 집적 회로(117)의 표면 상에서 서로 인접하게 형성된다. 대체 실시예에서, 평면내 2-축 자기 센서(115, 130)와 평면외 자기 센서(116)는 단일 웨이퍼 상에서 처리되고 그리고/또는 개별 다이(칩)로서 제조되고, 함께 패키지된다. 이러한 부품 사이의 전기 접속부는 (전술한 바와 같은) 와이어 본드를 이용하거나 또는 하나 이상의 TSV를 통해 획득될 수 있다. 도 2는 대체적인 배치의 예를 제공하도록 의도되며, 본 발명의 실시예를 이와 같이 도시된 배치에 한정하는 것으로 취급되어서는 안된다.

도 3은 3-축 자기 센서 방법을 도시하는 플로우 차트이다. 일 실시예에서, 3-축 자기 센서는 도 1a 내지 1c에 대하여 전술한 3-축 자기 센서 중 하나를 포함하고, 도 2에 도시된 구성 중 하나에 도시된 바와 같이 배열된다. 본 방법은 자기 저항(MR) 센서 또는 자기 유도(MI) 센서 중 적어도 하나를 포함하는 평면내 2-축 자기 센서를 기판 상에 형성하는 310에서 시작한다. MR 센서는 AMR 센서, GMR 센서 또는 TMR 센서와 같은 센서 기술을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 일 실시예에서, 평면내 2-축 자기 센서는, 이에 한정되지 않지만, 포토리소그라피와 같은 기술을 활용하는 필름 처리를 이용하여, 그리고 전기 절연 베이스 층 상으로 MR/MI 재료층을 스퍼터링하기 위한 증착 도구를 이용하여 형성된다.

본 방법은, 홀 효과 센서를 포함하는 평면외 자기 센서를 기판 상에 형성하는 320으로 진행하다. 평면내 2-축 자기 센서는 기판의 평면에 평행한 제1 평면에서 자기장을 측정하도록 집적 회로 상에 배향되고, 평면외 자기 센서는 제1 평면에 직교하는 축을 따라 자기장을 측정하도록 집적 회로 내에 배향된다. 일 실시예에서, 평면외 자기 센서는 GaAs, InSn 또는 InAs와 같은 반도체 재료로 형성된다. 전술한 바와 같이, 3개의 평면내 및 평면외 센서는 단일 웨이퍼 상에서 처리될 수 있고 그리고/또는 개별 다이(칩)로서 형성될 수 있으며, 함께 패키지될 수 있다.

본 방법은, 집적 회로, 기판, 평면내 2-축 자기 센서 및 평면외 자기 센서를 칩 패키지 내에 밀봉하는 330으로 진행하고, 칩 패키지는 외부 회로에 대한 집적 회로의 기계적 및 전기적 결합을 제공한다. 일 실시예에서, 평면내 및 평면외 센서는 복수의 와이어 본드 접속부 및/또는 하나 이상의 TSV를 이용하여 집적 회로에 전기적으로 결합된다. 다음으로, 집적 회로는, 복수의 와이어 본드 접속부 및/또는 하나 이상의 TSV를 통해 기판에 전기적으로 결합된다. 이러한 방법으로, 양 센서에 의해 생성된 측정값은 센서 패키지의 외부에 있는 장치에 전기 신호로서 제공된다.

[실시예]

예 1은 단일 기판 상에 형성된 3-축 자기 센서를 포함하고, 센서는 단일 기판 상에 형성된 자기 저항(MR) 센서 또는 자기 유도(MI) 센서 중 적어도 하나를 포함하는 평면내 2-축 자기 센서; 단일 기판 상에 형성된 홀 효과 센서를 포함하는 평면외 자기 센서를 포함하고, 평면내 2-축 자기 센서는 기판의 평면에 평행한 제1 평면에서 자기장을 측정하고, 평면외 자기 센서는 제1 평면에 직교하는 축을 따라 자기장을 측정한다.

예 2는 예 1의 센서를 포함하고, 2-축 자기 센서는 AMR(anisotropic magneto-resistance) 센서, GMR(Giant Magneto-Resistance) 센서 및 TMR(Tunnel Magneto-resistance) 센서 중 적어도 하나를 포함한다.

예 3은 예 1 또는 예 2의 센서를 포함하고, 평면내 2-축 자기 센서는 와이어 본드 또는 TSV(through silicon via) 중 적어도 하나를 이용하여 집적 회로에 전기적으로 결합된다.

예 4는 예 1 내지 예 3 중 어느 하나의 센서를 포함하고, 집적 회로는 와이어 본드 또는 TSV 중 적어도 하나를 이용하여 기판에 전기적으로 결합된다.

예 5는 예 1 내지 예 4 중 어느 하나의 센서를 포함하고, 평면내 2-축 자기 센서는 제1 자기 센서 다이와, 상기 제1 자기 센서 다이에 수직으로 배향된 제2 자기 센서 다이를 더 포함한다.

예 6은 예 1 내지 예 5 중 어느 하나의 센서를 포함하고, 평면내 2-축 자기 센서는 평면외 자기 센서의 상부에 형성된다.

예 7은 예 6의 센서를 포함하고, 평면외 자기 센서는 집적 회로의 표면 상에 형성된다.

예 8은 예 1 내지 예 5 중 어느 하나의 센서를 포함하고, 평면외 자기 센서는 평면내 2-축 자기 센서의 상부에 형성된다.

예 9는 예 8의 센서를 포함하고, 평면내 2-축 자기 센서는 집적 회로의 표면 상에 형성된다.

예 10은 예 1 내지 예 5 중 어느 하나의 센서를 포함하고, 평면내 2-축 자기 센서 및 평면외 자기 센서는 기판의 표면 상에 서로 인접하게 형성된다.

예 11은 예 1 내지 예 10 중 어느 하나의 센서를 포함하고, 집적 회로, 기판, 평면내 2-축 자기 센서 및 평면외 자기 센서를 수용하는 패키지를 더 포함하고, 패키지는 외부 회로에 대한 집적 회로의 기계적 및 전기적 결합을 제공한다.

예 12는 3-축 자기 센서용 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)를 포함하고, ASIC은, 기판; 기판 상에 형성되고 기판에 대하여 평면내 자기장에 민감한 박막 2-축 자기 센서; 기판 상에 형성되고 박막 2-축 자기 센서에 의해 감지되는 자기장에 직교하는 자기장에 민감한 자기 센서 반도체 다이; 기판, 박막 2-축 자기 센서 및 자기 센서 반도체 다이를 수용하는 패키지를 포함하고, 패키지는 외부 회로에 대한 박막 2-축 자기 센서 및 자기 센서 반도체 다이의 기계적 및 전기적 결합을 제공한다.

예 13은 예 12의 ASIC를 포함하고, 자기 센서 반도체 다이는 홀 센서를 포함하고, 박막 2-축 자기 센서는 자기 저항(MR) 센서 또는 자기 유도(MI) 센서 중 적어도 하나를 포함한다.

예 14는 예 12 또는 예 13의 ASIC를 포함하고, 박막 2-축 자기 센서는 AMR 센서, GMR 센서 및 TMR 센서 중 적어도 하나를 포함한다.

예 15는 예 12 내지 예 14 중 어느 하나의 ASIC를 포함하고, 박막 2-축 자기 센서는 제1 자기 센서 다이와, 상기 제1 자기 센서 다이에 수직으로 배향된 제2 자기 센서 다이를 더 포함한다.

예 16은 예 12 내지 예 15 중 어느 하나의 ASIC를 포함하고, 박막 2-축 자기 센서는 자기 센서 반도체 다이의 상부에 형성된다.

예 17은 예 12 내지 예 15 중 어느 하나의 ASIC를 포함하고, 자기 센서 반도체 다이는 박막 2-축 자기 센서의 상부에 형성된다.

예 18은 예 12 내지 예 15 중 어느 하나의 ASIC를 포함하고, 자기 센서 반도체 다이 및 박막 2-축 자기 센서는 서로 인접하게 형성된다.

예 19는 단일 기판 상에 3-축 자기 센서를 형성하는 방법을 포함하며, 상기 방법은, 자기 저항(MR) 센서 또는 자기 유도(MI) 센서 중 적어도 하나를 포함하는 평면내 2-축 자기 센서를 기판 상에 형성하는 단계; 홀 효과 센서를 포함하는 평면외 자기 센서를 기판 상에 형성하는 단계; 및 집적 회로, 기판, 평면내 2-축 자기 센서 및 평면외 자기 센서를 칩 패키지 내에 밀봉하는 단계를 포함하며, 평면내 2-축 자기 센서는 기판의 평면에 평행한 제1 평면에서 자기장을 측정하도록 집적 회로 상에 배향되고, 평면외 자기 센서는 제1 평면에 직교하는 축을 따라 자기장을 측정하도록 집적 회로 내에 배향되고, 칩 패키지는 외부 회로에 대한 집적 회로의 기계적 및 전기적 결합을 제공한다.

예 20은 예 19의 방법을 포함하며, 2-축 자기 센서는 AMR 센서, GMR 센서 및 TMR 센서 중 적어도 하나를 포함한다.

특정 실시예가 본 명세서에서 예시되고 설명되었지만, 동일한 목적을 달성하도록 계산된 임의의 방식이 도시된 특정 실시예를 대체할 수 있다. 본 출원은 본 발명의 임의의 변형 또는 수정을 포함하도록 의도된다. 따라서, 본 발명이 특허청구범위 및 그 균등물에 의해서만 제한되는 것이 명시적으로 의도된다.

Claims (3)

1. 단일 기판(120) 상에 형성된 3-축 자기 센서에 있어서,
   상기 단일 기판(120) 상에 형성된 자기 저항(MR) 센서 또는 자기 유도(MI) 센서 중 적어도 하나를 포함하는 평면내 2-축 자기 센서(115); 및
   상기 단일 기판(120) 상에 형성된 홀 효과 센서를 포함하는 평면외 자기 센서(116)를 포함하며,
   상기 평면내 2-축 자기 센서(115)는 상기 기판(120)의 평면에 평행한 제1 평면에서 자기장을 측정하고, 상기 평면외 자기 센서(116)는 상기 제1 평면에 직교하는 축을 따라 자기장을 측정하는,
   3-축 자기 센서.
   
2. 단일 기판(120) 상에 3-축 자기 센서를 형성하는 방법에 있어서,
   자기 저항(MR) 센서 또는 자기 유도(MI) 센서 중 적어도 하나를 포함하는 평면내 2-축 자기 센서(115)를 기판(120) 상에 형성하는 단계(310);
   홀 효과 센서를 포함하는 평면외 자기 센서(116)를 상기 기판(120) 상에 형성하는 단계(320); 및,
   집적 회로(117), 상기 기판(120), 상기 평면내 2-축 자기 센서(115) 및 상기 평면외 자기 센서(116)를 칩 패키지 내에 밀봉하는 단계(340)를 포함하며,
   상기 평면내 2-축 자기 센서(115)는 상기 기판(120)의 평면에 평행한 제1 평면에서 자기장을 측정하도록 상기 집적 회로(117) 상에 배향되고, 상기 평면외 자기 센서(116)는 상기 제1 평면에 직교하는 축을 따라 자기장을 측정하도록 상기 집적 회로(117) 내에 배향되고,
   상기 칩 패키지는 외부 회로에 대한 상기 집적 회로(117)의 기계적 및 전기적 결합을 제공하는,
   3-축 자기 센서의 형성 방법.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 2-축 자기 센서(115)는 AMR(anisotropic magneto-resistance) 센서, GMR(Giant Magneto-Resistance) 센서 및 TMR(Tunnel Magneto-resistance) 센서 중 적어도 하나를 포함하는
   3-축 자기 센서 또는 그의 형성 방법.

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