CN101632146A - 磁传感器模块以及活塞位置检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁传感器模块以及活塞位置检测装置。磁传感器模块包括：半导体基板，其具有进行开关动作的集成电路；磁阻元件，其设置在该半导体基板的一个面上，且在沿着该一个面的方向上具有感磁方向；偏置磁场施加部件，其设置在所述半导体基板上、且配置在与所述一个面平行的面上，所述偏置磁场施加部件，在沿着配置该偏置磁场施加部件的所述面的方向上被磁化，在未施加外部磁场的状态下，该偏置磁场施加部件在沿着设置了所述磁阻元件的所述一个面的方向上施加偏置磁场。

Description

磁传感器模块以及活塞位置检测装置

技术领域

本发明涉及磁传感器模块以及检测缸筒内的活塞位置的活塞位置检测装置，详细地说，是涉及从缸筒的外侧检测油缸、气缸等流体压力缸内的活塞位置的活塞位置检测装置。

本申请主张于2007年2月26日在日本提出的专利申请特愿2007-045295号、以及于2007年7月20日在日本提出的专利申请特愿2007-189692号的优先权，并在此援引其内容。

背景技术

磁传感器是检测磁通密度的高低的传感器，作为开闭传感器以及接近铁板等磁性体而使用的接近传感器被使用。至今为止的磁传感器大多是将霍尔传感器作为电磁转换元件使用。在将至今为止的磁传感器作为接近传感器使用时，大多是如图13A、图13B、图14那样的构成(例如参考专利文献1～3、非专利文献1～3)。

在图13A、图13B中，作为接近传感器使用的磁传感器具有以下的构成。即、如图13A所示，按照磁通4在与霍尔元件(或包含开关功能的霍尔IC)2的长度方向垂直的方向上贯穿霍尔元件2的方式，相对霍尔元件2配置磁铁1。当磁性体3接近该磁传感器时，如图13B所示，由于磁通4被磁性体3吸收，所以施加到霍尔元件2的磁通的密度变低。因此，通过检测该输出变化，能够检测磁性体3的接近。而且，在包含开关功能的霍尔IC的情况下，将规定的磁通密度作为阈值，能够得到以该阈值为边界的反转后的输出。

而且，如图14所示，作为接近传感器使用的磁传感器的动作也是相同的。在该磁传感器中，相对霍尔元件6设置磁铁5，以使磁通8在与霍尔元件(或包含开关功能的霍尔IC)6的长度方向垂直的方向上贯穿霍尔元件6。该磁传感器能够得到与磁性体7的接近程度对应的输出变化。

但是，在使用现有的霍尔元件的磁传感器中，存在以下的问题：

(1)由于霍尔元件2、6和磁铁1、5这样的成对构造是不可少的，因此需要多个部件，而且，使磁传感器的尺寸变大(例如专利文献2)。特别是在图13A、图13B的构成中，在磁铁1和霍尔元件2之间需要用于使磁性体3通过的狭缝S(例如专利文献2)。

(2)需要对用于施加偏置磁场的磁铁和霍尔元件进行定位(例如作为偏差防止对策，专利文献3)。

(3)通常，由于磁铁特性的偏差大，所以需要估计到磁铁特性的偏差而进行设计(例如作为偏差防止对策，专利文献3)。

现有的活塞位置检测装置的构造如图15所示(例如专利文献4)。磁铁101设置在活塞100上，磁传感器103(该磁传感器103不具有磁铁)设置在由非磁性材料构成的缸筒102的外侧。通过活塞100的移动，磁铁101接近磁传感器103时，磁传感器103检测到磁铁101，能够检测出活塞100的位置。

但是，在上述那样的现有的活塞位置检测装置中，由于需要在活塞中设置磁铁，所以活塞的构造复杂，制造工序也增多。

需要考虑到磁铁和磁传感器的特性来设计缸体。具体而言，根据磁通的朝向垂直于或平行于缸筒的长度方向，需要使用霍尔元件的磁传感器或磁阻元件(MR元件)的磁传感器中的哪个磁传感器是不同的。并且，在磁阻元件的情况下，需要匹配磁通的朝向和磁传感器的感磁方向。而且，相反在磁传感器确定的情况下，需要注意磁铁的磁极的朝向。而且，由于将磁铁设置在活塞中，所以使活塞以及缸筒变粗。

专利文献1：日本特开昭61-172075号公报

专利文献2：日本特开平6-76706号公报

专利文献3：日本特开2004-186040号公报

专利文献4：日本专利第2616783号公报

非专利文献1：山田剛良、“磁場の乱れでオンオフ，タイコ  エレが耐熱性が高い非接触の近接スイツチ”、[online]、平成18年10月5日、日経エレクトロニクス、[平成19年2月6日検索]、インタ一ネツト<URL:http://techon.nikkeibp.co.jp/article/NEWS/20061005/121974/>

非专利文献2：“鉄板近接スイツチME-301”、[online]、[平成19年2月6日検索]、株式会社エヌエ一、インタ一ネツト<URL:http://www.na-web.co.jp/products/me/pr_02_21.html>

非专利文献3：武内章太郎、今野秀人、友常薫、涌坪勉、前田豊、“MRセンサモジユ一ル”、NEC技報、日本電気株式会社、1998年、第51巻、第4号、第106-110頁

发明内容

本发明是鉴于上述情况而做出的，其目的在于提供一种能够高精度地且容易地对偏置磁场施加部件(例如磁铁)进行定位的、且特性的偏差少的磁传感器模块。而且，本发明另一目的在于提供一种不必在活塞中配置偏置磁场施加部件，能够使活塞的构造、制造变得简单的活塞位置检测装置。

为了解决上述问题，本发明提供一种磁传感器模块，其包括：半导体基板，其具有进行开关动作的集成电路；磁阻元件，其设置在该半导体基板的一个面上，且在沿着该一个面的方向上具有感磁方向；偏置磁场施加部件，其设置在所述半导体基板上、且配置在与所述一个面平行的面上，所述偏置磁场施加部件，在沿着配置了该偏置磁场施加部件的所述面的方向上被磁化，在未施加外部磁场的状态下，该偏置磁场施加部件在沿着设置了所述磁阻元件的所述一个面的方向上施加偏置磁场。

在本发明的磁传感器模块中，优选所述偏置磁场施加部件是膏状磁铁或薄膜磁铁。

优选，所述集成电路将所述磁阻元件的输出电压与规定的阈值进行比较，根据比较的结果，输出表示所述磁阻元件的输出电压是大于所述规定的阈值的高电平状态的信号，或输出表示所述磁阻元件的输出电压是小于所述规定的阈值的低电平状态的信号。

优选，所述偏置磁场施加部件设置在作为所述半导体基板的一个面的相反侧的另一个面上。

本发明的活塞位置检测装置包括：缸筒，其由非磁性材料构成；活塞，其至少一部分由磁性材料构成，以在所述缸筒的内周面上滑动的方式配置；磁传感器，其配置在所述缸筒的外周面上，具有偏置磁场施加部件。

在本发明中优选，所述磁传感器至少具备根据磁通密度的强度进行开关动作的集成电路，并且，所述偏置磁场施加部件是由薄膜构成的磁铁，配置在所述集成电路的上面、下面或内部。

在本发明中优选，所述磁传感器具有半导体基板、以及设置在该半导体基板的一个面上且在沿着该一个面的方向上具有感磁方向的磁阻元件，所述偏置磁场施加部件是磁铁，该磁铁设置在所述半导体基板上、且配置在与所述一个面平行的面上、并且在沿着配置了该磁铁的所述面的方向上被磁化，在未施加外部磁场的状态下，该磁铁在沿着设置了所述磁阻元件的所述一个面的方向上施加偏置磁场。

根据本发明，通过使用由磁阻元件(MR元件)、具有进行开关动作的集成电路(IC)的半导体基板(MR开关)以及偏置磁场施加部件构成的集成构造构成磁传感器模块，具有以下优点：

(1)通过将偏置磁场施加部件包含到磁传感器模块中，形成集成构造，不需要单独的偏置磁场施加部件。

(2)由于施加磁场的方向是与半导体基板的面平行的方向，所以能够使磁传感器模块小型化。

(3)由于能够使用与半导体工艺亲和性高的工艺形成偏置磁场施加部件，所以不需要对偏置磁场施加部件和半导体基板进行定位。而且，由于能够高精度地调整偏置磁场施加部件和磁阻元件之间的距离，所以能够减少所施加的磁场的偏差。

而且，根据本发明，通过将活塞的至少一部分为磁性材料、且磁传感器具备偏置磁场施加部件，不必在活塞中配置偏置磁场施加部件。基于此，除了能够不必考虑偏置磁场施加部件的磁极来安装磁传感器以外，还能够通过在活塞中不配置偏置磁场施加部件而使活塞以及缸筒变细。其结果，本发明能够提供使活塞的构造以及制造变得简单的活塞位置检测装置。

附图说明

图1是表示本发明的磁传感器模块的概略构成的一个例子的概略截面图。

图2是表示磁阻元件的构成的一个例子的俯视图。

图3A是示意地表示在没有对图1所示的磁传感器模块施加外部磁场的状态下磁场的情况的图。

图3B是示意地说明在没有对图1所示的磁传感器模块施加外部磁场的状态下的输出的曲线图。

图4A是示意地表示磁性体从半导体基板的正面侧接近图1所示的磁传感器模块的状态下磁场的情况的图。

图4B是示意地说明磁性体从半导体基板的正面侧接近图1所示的磁传感器模块的状态下的输出的曲线图。

图5A是示意地表示在磁性体从半导体基板的背面侧接近图1所示的磁传感器模块的状态下磁场的情况的图。

图5B是示意地说明磁性体从半导体基板的背面侧接近图1所示的磁传感器模块的状态下的输出的曲线图。

图6A是示意地表示将图1所示的磁传感器模块经由凸块固定在基板上而构成磁传感器的情况的截面图。

图6B是示意地表示在将图1所示的磁传感器模块经由凸块固定在基板上而构成磁传感器的状态下磁场的情况的图。

图7是表示本发明的活塞位置检测装置的一个例子的截面图。

图8是表示本发明的活塞位置检测装置的另一个例子的截面图。

图9是抽出构成图7、8的装置的磁传感器的部分进行表示的截面图。

图10是表示磁阻元件的构成的一个例子的俯视图。

图11A是表示在没有对磁传感器施加外部磁场状态下磁场的情况的图。

图11B是表示在没有对磁传感器施加外部磁场状态下施加磁场和电压的关系的曲线图。

图12A是表示在使磁性体接近磁传感器的状态下磁场的情况的图。

图12B是表示在使磁性体接近磁传感器的状态下施加磁场和电压的关系的曲线图。

图13A是表示现有的磁传感器的一个例子的概略图。

图13B是表示现有的磁传感器的一个例子的概略图。

图14是表示现有的磁传感器的其他例子的概略图。

图15是表示现有的活塞位置检测装置的一个例子的截面图。

附图符号说明

10-磁传感器模块；11-半导体基板；11a-一个面；11b-另一个面；12-偏置磁场施加部件；13-磁阻元件(MR元件)；23-磁传感器；31-活塞位置检测装置；32-缸筒；33-活塞；34-磁性材料；40-磁传感器；41-半导体基板；42-磁阻元件；43-偏置磁场施加部件；44-薄膜磁铁；47-磁传感器模块

具体实施方式

下面，参照图1～图6B对基于本发明的第一实施方式的磁传感器模块进行说明。

另外，该磁传感器模块10例如如后所述，通过凸块等固定在挠性印刷基板电路(FPC)等基板22上，构成磁传感器23。

图1是表示本发明的磁传感器模块10的概略构成的一个例子的概略截面图。图2是表示磁阻元件13的构成的一个例子的俯视图。图3A是示意地表示在没有对图1所示的磁传感器模块10施加外部磁场的状态下磁场14的情况的图，图3B是示意地说明该状态下的输出的曲线图。图4A是示意地表示磁性体20从半导体基板的正面侧接近图1所示的磁传感器模块10的状态下磁场15的情况的图，图4B是示意地说明该状态下的输出的曲线图。图5A是示意地表示磁性体20从半导体基板的背面侧接近图1所示的磁传感器模块10的状态下磁场16的情况的图，图5B是示意地说明该状态下的输出的曲线图。图6A是示意地表示将图1所示的磁传感器模块10经由凸块21固定在基板上而构成磁传感器23的情况的截面图，图6B是示意地表示该状态下的磁场17的情况的图。

其中，图3A、图4A、图5A、图6B中的符号14～17是示意地表示各自状态下的磁场。在图3B、图4B、图5B中示意地表示了，从高电平(High level)迁移到低电平(Low level)时及从低电平迁移到高电平时，横轴方向上通过不同的位置。

如图1所示，该磁传感器模块10至少具有：具有进行开关动作的集成电路(未图示)的半导体基板11；设置在该半导体基板11的一个面11a上、在沿上述一个面11a的方向上具有感磁方向的磁阻元件13；设置在上述半导体基板11上，且配置在与上述一个面11a平行的面11b上的偏置磁场施加部件(偏置磁场施加用磁铁)12。本实施方式的磁传感器模块10的偏置磁场施加部件12的磁化方向的特征在于：如图3A所示，是沿形成该偏置磁场施加部件12的面11b的方向(N及S在沿面11b的方向上排列)，在未施加外部磁场的状态下，对沿形成磁阻元件13的上述一个面11a的方向上施加偏置磁场14。

作为偏置磁场施加部件12优选为，在对半导体基板进行层叠时，能够通过与半导体工艺亲和性高的工艺形成的膏状(paste)磁铁或薄膜磁铁。作为构成磁铁的硬磁性体并不特别限定，可利用钐-钴(SmCo)、铁-铂(FePt)、钴-铂(CoPt)、钕-铁-硼(NdFeB)、铁氧体等。

可以通过涂敷等方法在基板的任一个面上涂敷将硬磁性体粉末等混合到粘结剂树脂中而形成的硬磁性体膏剂、并在烧结、加热中在规定的方向上进行磁化，设置膏状磁铁。

薄膜磁铁是将硬磁性体成膜为薄膜的磁铁，其制造方法并不特别限定，可例举溅射或蒸镀、镀敷、粘结磁铁的印刷等。在将薄膜磁铁形成为任意形状的图案化中，例如可利用蚀刻法或剥离法等的光刻技术。制造出的薄膜磁铁根据需要在进行退火处理中，在作为磁传感器的感磁方向上进行磁化。

在此，在图1所示的例子中，偏置磁场施加部件12设置在与半导体基板11的一个面11a相反的一侧的另一个面11b上。此时，由于偏置磁场施加部件12和磁阻元件13之间的距离由半导体基板11的厚度确定，所以能够高精度地控制对磁阻元件施加磁场。

另外，本发明的磁传感器模块10并不限定于本例，例如也可在半导体基板11的一个面11a的同侧设置偏置磁场施加部件12。而且，在层叠偏置磁场施加部件12和半导体基板11时，也可隔着其他层(未图示)来任意调整偏置磁场施加部件12和半导体基板11之间的距离。通过该方法也可高精度地控制对磁阻元件13施加的磁场。中间隔着的其他层并不特别限定，可以通过对合适的无机材料或有机材料等非磁性材料进行成膜而容易地形成。

在本发明中，作为构成磁传感器模块10的磁阻元件13的电磁转换材料，使用在沿膜面的方向上具有感磁方向的各向异性的磁阻材料(MR)。磁阻元件13可由磁性膜构成，可例举坡莫合金，其中，该磁性膜由铁-镍(FeNi)、铁-镍-钴(NiFeCo)等强磁性体构成。

在本实施方式中，设置在半导体基板11上的磁阻元件13如图2所示，由四个MR薄膜电阻13a、13b、13c、13d，以及设置在薄膜电阻13a～13d之间的由导体构成的端子a、b、c、d构成，具有桥接构造。作为形成各个MR薄膜电阻13a～13d的方法，可例举组合了基于光刻法的图案形成工序和基于镀敷法或溅射法的成膜工序的方法。

MR薄膜电阻13a～13d的图案朝向各自规定的方向配置。

在为图2所示的磁阻元件13的情况下，两个MR薄膜电阻13a、13d朝向半导体基板11的一个面11a上的一个方向(以下称为“X方向”。图2中的左右方向)配置，其他的两个MR薄膜电阻13b、13c朝向半导体基板11的一个面11a上的与上述X方向垂直的方向(以下称为“Y方向”。图2中的上下方向)配置。

在朝向X方向配置的两个MR薄膜电阻13a、13d中设置有将X方向作为长度方向平行地配置的多个MR膜。邻接的MR膜以使其端部之间按照成为弯曲(meander)形状(曲折形状)的方式通过MR膜或导电膜在Y方向上进行电连接。

而且，在朝向Y方向配置的两个MR薄膜电阻13b、13c中设置有将Y方向作为长度方向平行地配置的多个MR膜。邻接的MR膜以使其端部之间形成为弯曲形状(曲折形状)的方式通过MR膜或导电膜在X方向上进行电连接。

优选四个MR薄膜电阻13a～13d由相同材质的MR膜形成。基于此，由于四个MR薄膜电阻13a～13d相对温度的特性变动是相同的，所以提高作为磁装置的温度特性。用导电膜形成折弯部分时，使用金(Au)、铜(Cu)、铝(Al)等导体膜。

如图2所示，磁阻元件13构成桥接电路。因此，在四个MR薄膜电阻13a～13d中，相互朝向不同方向(X方向或Y方向)配置的元件之间被邻接地配置，四个MR薄膜电阻13a～13d通过布线进行连接。这些布线例如可由金(Au)、铜(Cu)、铝(Al)等导体膜构成。四个MR薄膜电阻13a～13d按照朝向逐一相差90°地配置。优选四个MR薄膜电阻13a～13d的材料、图案形状及电阻值是相同的。作为排列四个MR薄膜电阻13a～13d的样式，可例举如图2所示的纵横2×2的排列，但通过在MR薄膜电阻之间用适当的布线进行连接，也可采用其他的排列。

在这样的桥接电路中，当端子a与电源电压、端子b与地电平分别连接时，其他的两个端子c、d之间的电位差(桥接输出)，能够作为磁阻元件13的输出得到。由于桥接输出反映了施加磁场的强度并进行随之增减，所以将该桥接输出(电压)的大小与规定的阈值进行比较，通过判断输出电压大于规定的阈值(高电平状态)或输出电压小于规定的阈值(低电平状态)，能够进行开关动作。在本发明中，通过在半导体基板11上形成的集成电路(未图示)进行开关动作，集成电路输出表示为高电平状态或低电平状态的任一个状态的信号。

接着，参照图3A～图5B说明作为本实施方式的磁传感器模块10的检测方法。磁传感器模块10的输出根据阈值的磁通密度设定为，当磁通密度低时输出电压为高电平状态(High level)，当磁通密度高时输出电压为低电平状态(Low level)。因此，针对磁传感器模块10的输出电压确定阈值，将磁传感器模块10的输出电压大于上述阈值时设定为高电平状态，将磁传感器模块10的输出电压小于上述阈值时设定为低电平状态。而且，关于阈值优选在高电平状态和低电平状态之间设置间隔来明确地区别两者。将这样通过电压值的比较进行开关动作的集成电路和电磁转换元件的输出组合使用，由此能够构成根据外部磁场的大小进行开关动作的磁传感器模块10。

如图3A所示，在未施加外部磁场的状态下，通过在沿形成偏置磁场施加部件12的面的方向上磁化的偏置磁场施加部件12，对磁阻元件13在沿形成磁阻元件13的面的方向上施加偏置磁场14。此时的磁场14是磁阻元件13附近的磁通密度高的磁场(图3A中在磁阻元件13上用实线表示为右向箭头。)。因此，如图3B所示，若设定上述阈值以使将此时的输出电压判断为低电平状态(Low level)，则低电平状态的输出成为表示没有接近磁性体的状态。

如图4A所示，在接近铁板等磁性体20时，由偏置磁场施加部件12施加的磁通被磁性体20吸收。其结果，此时的磁场15成为磁阻元件13附近的磁通密度低的磁场(图4A中磁阻元件13上用虚线表示为右向箭头)。因此，如图4B所示，若设定上述阈值以使将此时的输出电压成为高电平状态(High level)，则高电平状态的输出成为表示接近磁性体20的状态。

在图4A中说明了从半导体基板11的一个面11a侧使磁性体20接近的情况，但如图5A所示，使磁性体20从半导体基板11的另一个面11b侧接近时也同样地进行动作。即、若使磁性体20接近，则由偏置磁场施加部件12施加的磁通被磁性体20吸收。其结果，磁阻元件13附近的磁通密度成为弱磁场16，输出表示磁性体20接近的状态的高电平状态的信号。

因为磁阻元件13具有电阻值根据施加磁场的强度而发生变化的性质，并具有施加磁场越强电阻值越小的特性，所以磁阻元件13的两个端子之间的电位差(桥接输出)反映对MR膜施加的磁通密度的强度并进行增减。对该桥接输出的大小和规定的阈值进行比较，通过判断输出电压是大于还是小于规定的阈值来进行开关动作。通过这样的构成，能够实现根据对元件施加的磁通密度的高低产生两个不同的输出的磁传感器模块10。另外，作为被集成电路输出的该磁传感器模块10的输出，可以是在磁阻元件13的桥接输出小于规定的阈值时输出高电压值的信号，在磁阻元件13的桥接输出大于规定的阈值时输出低电压值的信号。而且，也可相反，在磁阻元件13的桥接输出小于规定的阈值时输出低电压值的信号，在磁阻元件13的桥接输出大于规定的阈值时输出高电压值的信号。

由于通过设置在半导体基板上的集成电路(IC)进行开关动作，所以能够节省空间地构成比较及控制等必要的电路，能够实现磁传感器模块10的小型化。如图6A所示，本实施方式的磁传感器模块10通过在半导体基板11的面11a上设置凸块21，并固定在挠性印刷电路(FPC)等基板22上，能够构成磁传感器23。另外，可将磁传感器模块10、凸块21以及基板22容纳在未图示的磁传感器用壳体中，将它们作为整体构成磁传感器23。而且，此时在半导体基板11和电路基板22之间可以使用凸块或导线、导电膏(未图示)等进行电连接。

如以上说明，在本发明的第一实施方式中，通过使用磁化方向是沿着形成偏置磁场施加部件12的面的方向的偏置磁场施加部件12、以及具有沿着膜的面的方向的感磁方向的磁阻元件13，在磁性体20从任意方向接近磁传感器模块10的情况下都能够进行检测。

而且，由于偏置磁场施加部件12和磁阻元件13都使用与半导体工艺亲和性高的工艺形成，所以容易高精度地调整偏置磁场施加部件12和磁阻元件13的位置关系。而且，由于都层叠在半导体基板上进行一体化，所以能够对磁传感器模块10以及具有该磁传感器模块10的磁传感器23进行小型化。

(实施例)

如图1所示，根据本实施例制成的磁传感器模块10由磁阻元件13和集成在半导体基板11上的偏置磁场施加部件12构成。如图2所示，磁阻元件13由四个MR薄膜电阻13a～13d的桥接构造构成，各MR薄膜电阻由坡莫合金薄膜形成。磁阻元件13的输出通过集成电路内的比较电路(比较器)进行比较后，进行开关动作。其封装通过由硅(Si)基板构成的晶片级封装构成，包含凸块21(参照图6A、图6B)的芯片尺寸是0.97×0.97×0.5(mm)。

在半导体基板11的背面11b配置作为偏置磁场施加部件12的NdFeB系的膏状磁铁。NdFeB系的膏状磁铁形成为约80μm的膜厚，在沿着与磁阻元件13的感磁方向相同的面的方向上进行磁化。膏状磁铁能够通过其膜厚控制对磁阻元件13施加的磁场，而且，由于通过基板11的厚度规定偏置磁场施加部件12和磁阻元件13之间的距离，所以能够高精度地控制施加磁场。

如图6A所示，该磁传感器模块10通过设置在半导体基板11的一个面11a上的凸块21安装到基板22上而构成磁传感器23。然后，确认其输出时，输出是低电平。该磁传感器23，按照在未施加偏置磁场的状态下，将约10～20(Oe)的施加磁场作为阈值磁场，在比这强的磁场时输出为低电平，在弱于该阈值磁场的磁场下输出为高电平的方式进行设定。因此，低电平的输出意味着对磁传感器23施加了约20(Oe)左右的偏置磁场。

接着，如图6B所示，当从磁传感器模块10的偏置磁场施加部件12侧接近作为磁性体20的铁板时，在约10mm的距离，磁传感器23的输出反转为高电平。这表示由偏置磁场施加部件12产生的磁通被磁性体20吸收，结果磁阻元件13附近的磁通密度低，施加磁场的强度小于约10(Oe)的意思。

同样地虽未特别图示，但从磁传感器模块10的磁阻元件13侧(图6A、图6B中的下侧)接近磁性体时，磁传感器23的输出也反转为高电平。

根据这些结果可知，磁性体20无论是从磁阻元件13侧接近时还是从其相反侧接近时，能够得到没有区别地反转为高电平的输出。

下面，使用图7～图12B对本发明的第二实施方式进行说明。

即、参照附图对本发明的活塞位置检测装置的一个实施方式进行说明。

图7是示意地表示本发明的活塞位置检测装置31的一个实施方式的纵截面图。

本发明的活塞位置检测装置31至少具有：由非磁性材料构成的缸筒32；至少一部分由磁性材料34构成的、以在上述缸筒32的内周面中滑动的方式配置的活塞33；以及配置在上述缸筒32的外周面的磁传感器40，磁传感器40至少具备偏置磁场施加部件43。

在本发明中，通过将活塞33的至少一部分作为能够吸收磁通的磁性材料34、磁传感器40作为具备偏置磁场施加部件43的构成，没有必要在活塞33中配置磁铁。由此，可不必考虑磁铁的磁极来安装磁传感器40。而且，由于在活塞33中没有配置磁铁所以能够使活塞33以及缸筒32变细。其结果，在本发明的活塞位置检测装置31中，能够使活塞33的构造及制造变得简单。

而且，如作为表示抽出磁传感器40的部分的截面图的图9所示，上述磁传感器40由磁传感器模块47、后述的凸块51、基板52、以及将这些容纳到内部的磁传感器用壳体48构成。磁传感器模块47至少具有：至少具备根据磁通密度的强度进行开关动作的集成电路的半导体基板41；设置在该半导体基板41的一个面41a上的、在沿着上述一个面41a的方向上具有感磁方向的磁阻元件42；设置在上述半导体基板41上，且配置在与上述一个面41a平行的面41b上的偏置磁场施加部件(偏置磁场施加用磁铁)43。上述偏置磁场施加部件43是由薄膜构成的磁铁，配置在上述集成电路的上面、下面或内部。基于此，磁传感器40为小型，可增加活塞位置检测装置31的设计自由度，能够对活塞位置检测装置31整体的小型化作出贡献。

缸筒32由非磁性材料构成。作为这样的非磁性材料并不特别限定，可例举如不锈钢、铜等非磁性金属材料，或聚乙烯、聚氯乙烯等合成树脂材料。

活塞33是棒状，以在上述缸筒32的内周面中滑动的方式配置在缸筒32的内部。

活塞33的至少一部分由能够吸收磁通的磁性材料34构成。作为磁性材料34并不特别限定，优选使用例如铁(Fe)、铌(Nb)、铬(Cr)、钕(Nd)等磁力强的材料。

活塞33如图8所示可以是其整体由磁性材料34构成，也可如图7所示仅前端部由磁性材料34构成。

磁传感器40是配置在上述缸筒32的外周面的磁接近传感器。如后所述，磁传感器40具备四个MR薄膜电阻的桥接构造，通过由比较电路对其输出进行比较，进行开关动作。活塞位置检测装置31利用该开关动作，检测活塞位置。

如图9所示，磁传感器40在半导体基板41的面41a上设置凸块51，具有将它们固定到挠性印刷电路(FPC)等基板52的构成。这样的磁传感器40配置在缸筒32的外周面上。而且，此时在半导体基板41和电路基板52之间能够使用凸块51或导线、导电膏(未图示)等进行电连接。这样的磁传感器40通过WLP(晶片级封装)被封装，在磁传感器模块47中包含凸块的芯片尺寸例如是0.97×0.97×0.5mm。其中，封装形式不限于WLP也可是树脂模塑封装。

磁传感器40的磁阻元件42作为电磁转换材料，使用在沿着膜面的方向上具有感磁方向的各向异性的磁阻材料(MR)。磁阻元件42可由磁性膜构成，可例举坡莫合金，其中，该磁性膜由铁-镍(FeNi)、铁-镍-钴(NiFeCo)等强磁性体构成。

在本实施方式中，设置在半导体基板41上的磁阻元件42如图10所示，由四个MR薄膜电阻42a、42b、42c、42d，以及设置在薄膜电阻42a～42d之间的由导体构成的端子a、b、c、d构成，具有桥接构造。作为形成各个MR薄膜电阻42a～42d的方法，可例举组合了基于光刻法的图案形成工序和基于镀敷法或溅射法的成膜工序的方法。MR薄膜电阻42a～42d的图案朝向各自规定的方向配置。

如图10所示，磁阻元件42构成桥接电路。因此，四个MR薄膜电阻42a～42d具有：相互朝向不同方向(X方向或Y方向)配置的元件之间被邻接地配置，并通过布线进行连接的构造。这些布线例如可由金(Au)、铜(Cu)、铝(Al)等导体膜构成。四个MR薄膜电阻42a～42d按照朝向逐一改变90°地配置。而且，优选四个MR薄膜电阻42a～42d的材料、图案形状及电阻值是相同的。作为排列四个MR薄膜电阻42a～42d的样式，可例举如图10所示的纵横2×2的排列，但通过在MR薄膜电阻之间用适当的布线进行连接，也可采用其他的排列。

在这样的桥接电路中，当电源电压与端子a连接、地电平与端子b连接时，能够将其他的两个端子c、d之间的电位差(桥接输出)作为磁阻元件42的输出得到。由于桥接输出反映了施加磁场的强度并随之增减，所以将该桥接输出(电压)的大小与规定的阈值进行比较，通过判断输出电压大于规定的阈值(高电平状态)或输出电压小于规定的阈值(低电平状态)，能够进行开关动作。在本实施方式中，通过在半导体基板41上形成的集成电路(未图示)进行开关动作，集成电路输出表示高电平状态或低电平状态的任一个状态的信号。

而且，在上述缸筒32的外侧配置有构成磁传感器40的一部分的偏置磁场施加部件43。

例如在如图9所示的例子中，偏置磁场施加部件43在磁传感器40中，层叠在半导体基板41上，且配置在与上述一个面41a平行的面41b内。

作为偏置磁场施加部件43优选，在对半导体基板41进行层叠时，通过能够与半导体工艺亲和性高的工艺形成的薄膜磁铁44。作为构成薄膜磁铁44的硬磁性体并不特别限定，可利用钐-钴(SmCo)、铁-铂(FePt)、钴-铂(CoPt)、钕-铁-硼(NdFeB)、铁氧体等。

薄膜磁铁44是将上述那样的硬磁性体作为薄膜进行成膜的磁铁，其制造方法并不特别限定，可例举膏剂涂敷、溅射或蒸镀、镀敷、粘结磁铁的印刷等。在将薄膜磁铁44形成为任意形状的图案化中，例如可利用蚀刻法或剥离法等的光刻技术。制造出的薄膜磁铁44根据需要在进行退火处理中，在作为磁传感器的感磁方向上进行磁化。

薄膜磁铁44的膜厚以及薄膜磁铁44占磁传感器模块47的面积并不特别限定，可适当地确定。例如，作为薄膜磁铁44在半导体基板41的面41b上以约80nm的膜厚形成NdFeB系的膏状磁铁，在与磁传感器40的感磁方向相同的方向上进行磁化。

如图11所示，薄膜磁铁44在沿着形成该磁铁的面41b的方向上被磁化(薄膜磁铁44的磁化方向是沿着面41b的方向)，在未施加外部磁场的状态下，在沿着形成磁阻元件42的面的方向上施加偏置磁场45。

在此，在图9所示的例子中，偏置磁场施加部件43设置在作为与半导体基板41的一个面41a的相反侧的另一个面41b上。此时，由于薄膜磁铁44和磁阻元件42之间的距离通过半导体基板41的厚度来确定，所以能够高精度地控制对磁阻元件42施加的磁场。

另外，偏置磁场施加部件43的配置并不限定于本例，例如也可在半导体基板41的一个面41a的同侧设置偏置磁场施加部件43。而且，在对偏置磁场施加部件43和半导体基板41进行层叠时，也可隔着其他层(未图示)来任意调整偏置磁场施加部件43和半导体基板41之间的距离。通过该方法也可高精度地控制对磁阻元件42施加的磁场。中间隔着的其他层并不特别限定，能够通过对适当的无机材料或有机材料等非磁性材料进行成膜而容易地形成。

接着，参照图11A～图12B对本实施方式的活塞位置检测装置31中的基于磁传感器40的活塞位置检测方法进行说明。磁传感器40的输出，按照根据阈值的磁通密度，当磁通密度低时输出电压为高电平状态(High level)，当磁通密度高时输出电压为低电平状态(Low level)的方式设定。因此，针对磁传感器40的输出电压确定阈值，将磁传感器40的输出电压大于上述阈值时设定为高电平状态，将磁传感器40的输出电压小于上述阈值时设定为低电平状态。而且，优选设定阈值以使在高电平状态和低电平状态之间设置间隔来明确地区别两者。通过将这样通过电压值的比较进行开关动作的集成电路和电磁转换元件的输出组合地使用，能够构成根据外部磁场的大小检测活塞位置的活塞位置检测装置31。

如图11A所示，在未施加外部磁场的状态下，通过在沿形成偏置磁场施加部件43的面的方向上磁化的偏置磁场施加部件43，对磁阻元件42在沿形成磁阻元件42的面的方向上施加偏置磁场45。此时的磁场45是磁阻元件42附近的磁通密度高的磁场(图11A中在磁阻元件42上用实线表示为右向箭头。)。因此，如图11B所示，若设定上述阈值以使将此时的输出电压判断为低电平状态(Low level)，则低电平状态的输出成为表示磁性体34(活塞33)没有接近的状态。

如图12A所示，在使磁性体34(活塞33)接近时，由薄膜磁铁44施加的磁通被磁性体34吸收。其结果，此时的磁场46成为磁阻元件42附近的磁通密度低的磁场(图12A中磁阻元件42上用实线表示为右向箭头)。因此，如图12B所示，若按照使将此时的输出电压成为高电平状态(High level)的方式设定上述阈值，则高电平状态的输出成为表示磁性体34(活塞33)接近的状态。

磁阻元件42具有电阻值根据施加磁场的强度而发生变化的性质，并具有施加磁场越强电阻值越小的特性。因此，磁阻元件42的两个端子之间的电位差(桥接输出)反映了对MR膜施加的磁通密度的强度并随之增减。对该桥接输出的大小和规定的阈值进行比较，通过判断输出电压是大于还是小于规定的阈值来进行开关动作。通过这样的构成，能够实现根据对元件施加的磁通密度的高低产生两个不同的输出的磁传感器40、以及利用其的活塞位置检测装置31。另外，作为被集成电路输出的该磁传感器40的输出，可以是在磁阻元件42的桥接输出小于规定的阈值时输出高电压值的信号，在磁阻元件42的桥接输出大于规定的阈值时输出低电压值的信号。而且，也可相反，在磁阻元件42的桥接输出小于规定的阈值时输出低电压值的信号，在磁阻元件42的桥接输出大于规定的阈值时输出高电压值的信号。

而且，由于通过设置在半导体基板41上的集成电路(IC)进行活塞位置检测，所以能够节省空间地构成比较及控制等必要的电路，能够实现磁传感器40的小型化。

以上对本发明的第二实施方式的活塞位置检测装置31进行了说明，但本发明并不限定于此，在没有脱离发明宗旨的范围内可以进行适当地变更。

工业上的可利用性

本发明的磁传感器模块能够用于检测铁板等磁性体的接近的各种用途中。而且，本发明能够应用在活塞位置检测装置中。

Claims (7)

1.一种磁传感器模块，包括：

半导体基板，其具有进行开关动作的集成电路；

磁阻元件，其设置在该半导体基板的一个面上，且在沿着该一个面的方向上具有感磁方向；

偏置磁场施加部件，其设置在所述半导体基板上，且配置在与所述一个面平行的面上，

所述偏置磁场施加部件，在沿着配置了该偏置磁场施加部件的所述面的方向上被磁化，在未施加外部磁场的状态下，该偏置磁场施加部件在沿着设置了所述磁阻元件的所述一个面的方向上施加偏置磁场。

2.根据权利要求1所述的磁传感器模块，其特征在于，

所述偏置磁场施加部件是膏状磁铁或薄膜磁铁。

3.根据权利要求2所述的磁传感器模块，其特征在于，

所述集成电路，将所述磁阻元件的输出电压与规定的阈值进行比较，根据比较的结果，输出表示所述磁阻元件的输出电压是大于所述规定的阈值的高电平状态的信号，或输出表示所述磁阻元件的输出电压是小于所述规定的阈值的低电平状态的信号。

4.根据权利要求3所述的磁传感器模块，其特征在于，

所述偏置磁场施加部件设置在作为所述半导体基板的一个面的相反侧的另一个面上。

5.一种活塞位置检测装置，包括：

缸筒，其由非磁性材料构成；

活塞，其至少一部分由磁性材料构成，以在所述缸筒的内周面上滑动的方式配置；

磁传感器，其配置在所述缸筒的外周面上，具有偏置磁场施加部件。

6.根据权利要求5所述的活塞位置检测装置，其特征在于，

所述磁传感器至少具备根据磁通密度的强度进行开关动作的集成电路，并且，所述偏置磁场施加部件是由薄膜构成的磁铁，配置在所述集成电路的上面、下面或内部。

7.根据权利要求5所述的活塞位置检测装置，其特征在于，

所述磁传感器具有半导体基板、以及设置在该半导体基板的一个面上且在沿着该一个面的方向上具有感磁方向的磁阻元件，所述偏置磁场施加部件是磁铁，该磁铁设置在所述半导体基板上、且配置在与所述一个面平行的面上、并且在沿着配置了该磁铁的所述面的方向上被磁化，在未施加外部磁场的状态下，该磁铁在沿着设置了所述磁阻元件的所述一个面的方向上施加偏置磁场。

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