CN101652671A - 磁阻传感器 - Google Patents

Abstract

一种高性能集成AMR传感器，其具有用于对传感器输出进行信号调节的补偿和反位线圈。至少一个线圈被形成在层叠板中，该层叠板在一个封装内将AMR传感器与其IC连接起来。结果可将AMR传感器的模区域尺寸和封装大小保持得很小。

Description

磁阻传感器

技术领域

本发明涉及一种具有磁阻传感器的电路。

背景技术

磁阻(MR)是整个铁磁性合金家族的材料特性，其涉及电阻对于流过材料的电流方向与相对于电流方向的外部磁场取向之间角度的相关性。该效应很大可能归因于电子在磁场方向上的s-d散射。实际效应是当电流方向平行于所施加的磁场方向时出现电阻的最大值。这种材料的一个示例是一种称为“坡莫合金”(19％Fe，81％Ni)的铁磁性材料。

MR材料可被用来制造磁场传感器，也被称为磁力计。在2000年3月30日出版的Philips Semiconductors中由作者Thomas Stork所作的应用说明AN 00022“Electronic Compass Design using KMZ51and KMZ52”中对这种传感器的操作和示例进行了描述。KMZ52是一种由Philips生产的可商业购买的电子装置，其包括容纳在一个封装内的罗盘传感器系统的多个组件：两个具有90位移的弱场传感器，其每个都具有设置/重置(反位)线圈和补偿线圈。对于补偿线圈来说典型的电流水平是10mA，而对于反位线圈来说是1A。大约2mA足以平衡地磁场。因此，反位线圈的电阻优选地相对较低，例如在几欧姆的量级。例如使用薄膜技术或集成电路技术来制造这种传感器。

磁场传感器例如可被用于固态罗盘、金属检测、位置检测等。

首先考虑由MR材料简易条带制成的传感器。在制作过程中，平行于条带的主轴施加一强外部磁场。结果，在条带中定义出一个优选磁化方向。在磁场消失时，磁化总是指向该方向。传感器的操作依赖于两个效应。第一个效应是条带电阻取决于流过条带的电流方向与磁化方向之间的角度。第二个效应是平行于条带尤其是平行于优选方向的外部磁场能够影响磁化方向，进而影响上述角度。

简易条带传感器对于少量外部磁场具有低灵敏度。另外，简易条带传感器无法区别少量但方向相反的外部磁场。因此，该传感器优选地具有被称为“螺旋条纹状”结构。这是通过在MR条带上以相对条带主轴45的角度沉积例如铝条带(称为“螺旋条纹”)来实现的。由于通常铝具有比MR材料高得多的导电性，所以螺旋条纹的效果是将电流方向旋转45，有效地将MR材料的磁化方向与电流方向之间的角度从大小为“α”的角度改变为大小为“α-45”的角度。对于较弱的磁场，例如地磁场，现在的灵敏度显著提高了。另外，特性为线性并且允许检测外部磁场的信号。

实际上，优选的是将传感器配置成由四个磁阻条带组成的惠斯登电桥。例如，对于罗盘传感器使用了螺旋条纹结构，其中，一个对角对的取向相对于条带主轴为+45，而另一个对角对的取向为-45。因此，由于磁场变化而导致的电阻变化被线性转换为不同输出电压的变化。而且，在此四个电桥电阻的温度系数相互补偿。

MR传感器具有双稳态特性。也就是说，它们的内部磁性方向可以倒转或“反位”。这可以通过一个足够强度的磁场来实现，只要该磁场是被平行于磁性施加并具有相反方向。反位引起传感器特性倒转，以使传感器输出电压改变极性。通过施加一个平行于反位轴的辅助磁场可使MR传感器相对不期望的反位保持稳定。该辅助磁场应为脉冲式的，因为永磁场会减小磁力计的灵敏度。但测量弱场时，甚至期望在连续的磁力计读取操作之间重复倒转或“反位”传感器特性。这允许使用类似在小电信号的放大器中所使用的斩波技术的一种方法来补偿传感器的失调漂移。“设置/重置”线圈也称为“反位”线圈，传感器元件附近是对反位施加辅助场的装置。例如在高精度罗盘系统中，传感器还必须补偿灵敏度随温度的漂移，以及补偿干扰场。这都可以通过垂至于MR条带的场感应方向上的辅助场来完成。该辅助场可通过传感器元件附近的“补偿”线圈来产生。

已公开的欧洲专利申请EP0544479公开了一种使用半导体制造技术制成的MR传感器。为了实现上述辅助线圈的功能，已知的传感器使用电流条带。在一个实施例中，这些电流条带被形成在一个或几个注入到模中的金属层中，在该模中形成有螺旋条纹。在另一个实施例中，模被安装在陶瓷载体上，陶瓷载体具有接线盘来将模电连接到载体上的接线盘。分离的导体条带位于模上。从条带的一端流过条带而流到另一端的电流引起磁场。

发明内容

本发明提出了一种用于MR传感器的可选配置，该配置比已知装置的配置具有额外的优点。

为此，本发明提出了一种包括磁阻传感器的电路。该传感器具有形成在第一基板(例如半导体器件)中的磁阻层。第一基板安装在一个不同的第二基板(例如层叠基板)上。传感器具有用于在磁阻层生成磁场的导电元件，从而借助通过元件的电流来控制传感器。元件具有例如上述补偿线圈和/或反位线圈的功能。元件形成在第二基板中。

磁阻层形成磁阻传感器的核心。磁阻传感器可被制成在各种基板上，诸如半导体材料(如，Si或III-V)、玻璃或柔性材料(如，聚酰亚胺)。磁阻传感器通常包括磁阻层以及用于互连的多个金属层和用于产生附加磁场的装置。还可例如出于信号调整的目的使用CMOS或双极半导体工艺来将磁阻传感器与集成电路(IC)集成在一起。这通常是通过后处理来完成的，也就是在该工艺的最后金属化步骤结束的时候添加传感器层。

在用于高密度集成的系统级封装技术(或多芯片模块)中广泛使用层叠基板，并且该层叠基板可以是刚性或柔性的并可以由有机或无机材料制成。层叠基板包括(多层)层叠板(例如基于Cu-FR4)，以及无机低温或高温共烧陶瓷基板(LTCC-HTCC)。从系统的观点看，层叠基板具有与多层印刷电路板(PCB)技术相同的功能。在芯片级封装(CSP)中，可以通过将半导体器件倒装到板上来将代表了多层PCB的层叠板用来形成元件。在后面的情况中，有不同的物流情况，即可将半导体器件提高给用户，用户在生产过程的稍后步骤中将器件集成到电路板上。在系统级封装中，层叠基板和半导体器件常被共同开发并集成为一个产品。

将元件集成在如层叠板之类的第二基板中的优点在于元件(例如补偿线圈和/或反位线圈)无需影响第一基板的有效尺寸，如传感器的模尺寸。在EP0544479中的一种MR传感器的已知实现具有实现在其自身模中的辅助线圈，因此需要传感器模的尺寸足够大且可调，这导致额外的成本。在EP0544479中的另一种已知实现使用了电流条带。条带的几何结构可能无法再生，并且具有实现在根据本发明的层叠基板上的线圈，因为后者的平坦产生了对磁场特性和所需电流水平的可预见性。

因此，本发明的实施例涉及一种高性能集成AMR传感器，其具有用于对传感器输出进行信号调整的补偿线圈和反位线圈。至少一个线圈是形成在层叠板中的，该层叠板在同一封装内连接AMR传感器及其IC。结果，可将AMR传感器模面积的尺寸以及封装大小保持得很小。

传感器的导电元件形成在基板中以用来借助流过元件的电流而产生磁场。元件包括承载了相同电流的多个平行电流线，从而在形成了磁阻传感器的空间分布的磁性元件上产生方向相同的磁场。设计承载相同电流的多条平行电流线的优良布局是与电流驱动电路具有两个接触点的二维螺旋。载有元件的第二基板作为将磁阻传感器和用于在操作使用中控制传感器的控制电路安装在其上的标准组件是格外有用的。

附图说明

通过示例并参考附图来进一步详细描述本发明，其中

图1、图2和图3是根据本发明的电路的空间结构的示图；

图4给出了磁场强度与表示空间结构的几何方面的各种参数之间的数学关系；以及

图5、图6和图7是示出根据本发明电路的另外的空间结构的示图。

整个附图中相似或对应的特征由相同的参考数字来表示。

具体实施方式

本发明涉及一种高性能、集成MR传感器，其是通过添加能够对传感器的输出进行信号调整的补偿和/或反位线圈来实现的。补偿和反位线圈通常被添加到以集成电路技术形成MR传感器的感应层顶上的金属层中。然而在本发明中，至少一个线圈位于将MR传感器与同一个封装内的IC连接起来的层叠板中。因此，可以将MR传感器的模面积以及封装尺寸保持在最小尺寸，从而具有低成本和紧凑的优点。

补偿线圈能够将磁力计设置在归零模式，在该模式中，被助流过补偿线圈的电流内部补偿外部磁场。实质上，补偿线圈能够产生传感器感应方向上的磁场。结果，补偿线圈允许一个适于磁力计的全电检测。如果不存在，则需要一个使用Helmholtz线圈配置的专用检测设置来在磁场中进行检测。

设计中的一个重要参数是磁场产生效率，它是用补偿线圈中1mA电流所产生的A/m来表示的。不同的布局可被实现为用于产生高欧姆(几百欧姆)或低欧姆(几欧姆)的补偿线圈设计。

在磁场传感器中，能够以多种方式来使用该补偿线圈，这些方式为：用来在归零模式下操作；针对ADC上传感器读取的最佳映射来作为(磁场)背景消除；测量传感器灵敏度，以例如计数温度效应；在电子模式下进行功能测试，以获得更简单的晶片和封装级组件检测；作为自检模式，例如，作为启动(life-death)传感器检测(服务过程中在启动时进行的最终检测)。

通常补偿线圈被集成在集成传感器元件上的金属叠层中。从传感器元件开始，第一金属层用作螺旋条纹结构。补偿线圈通常被提供在第二金属层中。最后，可将反位(或设置/重置)线圈添加到第三金属层中。这种方式的缺点很多。如果添加一个补偿线圈则由于其需要一个额外的金属层因而需要更昂贵的制造过程，这导致了单位面积的模尺寸的成本更高。如果添加一个补偿线圈则将要求更大的传感器模尺寸，而由于所有的传感器元件都必须经受相同方向的生成磁场这样的事实，因此补偿线圈布局的效率是有限的。

给出磁场传感器模在层叠板上的几何形状，就可以计算出在传感器中产生的近似磁场。在一个好的近似中，磁场强度如图4的等式(100)所给出。参见图例对标号的说明。注意，最大磁场出现在电流线的中间。更复杂的途径给出了作为与中间偏离度的函数的磁场减弱。只要距离小于电流导体的宽度，磁场减弱是很小的。然而，到电流线的距离越大，减弱得就越快。

磁力计模可被变薄到大约200微米的厚度。因此层叠板中的电流线与磁力计之间的最小距离对应于模厚度，再加上一些用于胶的附加厚度。层叠板上的最小电流线宽度是几十微米级的。因此，从产生磁场的角度看，更大的电流线厚度是优选的。但这导致了更低的欧姆电阻，从而导致了更高的耗电。

例如，对于大约200微米的距离，一个10mA的电流以及25到250微米的电流线宽度给出传感器中分别在8到7A/m的最大磁场。如前所述，针对更宽电流线的磁场减弱将更小。为了部分地影响其低电阻，更宽的电流线可被再分为彼此相邻布置的更小电流线的平行连接，从而在某一距离处形成均匀场。在传感器设计中，更小电流线的平行连接优选地与各个磁阻元件对齐。

对于测量地球磁场(典型地为50A/m)的电子罗盘，将要产生大小为五分之一到三分之一地球磁场的辅助磁场用来控制适当的操作(例如，补偿线圈功能和/或反位线圈功能)。换句话说，对于以上示例，20mA的电流就足够了。应当注意到由于电流水平将变得对于手持装置的实际使用目的而言过高，因此该方法对于为依靠调零的应用程序服务的磁力计而言价值较小。

根据最终实现的范围(见以上关于使用补偿线圈的不同方式)，一种可选的实现可使用较不均匀或者甚至是不均匀的激发场。例如，一个自检应用程序，其足以具有传感器对激发的简单启动响应。因此，一个仅仅覆盖部分传感器的补偿线圈也能够用于该自检目的。补偿线圈越简单，将该特征集成到电子罗盘中将越容易。代价将是受限的检测特性(生产检测)。因此，需要一些类型的校准从而能够对自检进行微调。预期对于启动自检来说，补偿电流与磁阻传感器响应(经磁场)之间的转换系数的可预见性将会较高，从而对每批次传感器进行的校准不足并且对每单个传感器进行的校准不需要。优选地，生产检测期间的阈值设定将容差考虑在内。尤其是，将传感器模安装在层叠板上将是关键。在传感其和层叠板的设计和布局期间，必须考虑容差。这里所描述的方法会使用对于将传感器置于层叠板上的布置较为严格的容差。

由可以作为集成磁力计一部分的集成电路来产生电流。使用标准接合方法，例如倒装法或引线接合法，集成电路具有与层叠板的内部组件连接，而电流可以在集成到层叠板的电流线中产生。假定电流线可被设计成螺旋形线圈和/或曲折形这样的事实，出于互连目的需要一个多级层叠板。然而额外的信号线和集成电路与磁力计之间的其他互连线会与(成批的)补偿线圈处于相同的平面。

在一个可选实施例中，多级层叠板对应于使用了CSP倒装芯片技术的多层PCB。电流线与磁阻层之间的相关距离由倒装芯片技术的焊球尺寸设定。对于CSP倒装芯片技术来说，焊球尺寸在100微米数量级。

假定补偿线圈优选地在完成的传感器中提供方向相同的磁场这样的事实，实际中并非所有被补偿线圈覆盖的区域都能被使用。假设补偿线圈被设计成方形螺旋线圈。对于一维(1D)磁力计，仅四分之一周长的线圈可作为该传感器的补偿线圈。对于二维(2D)磁力计，可有一半周长的线圈作为传感器的补偿线圈。当然，能够使用并安装多个1D磁力计从而来感测多个不同方向，因此使用了至少一半的线圈面积。

将补偿线圈集成在层叠板中的一个关键的优点在于无需增加传感器的有效模尺寸来与线圈相适应。线圈能容易地伸出层叠板中的磁力计模从而甚至部分地置于集成电路下方。结果，用便宜的层叠区域代替了昂贵的磁力计模区域，被集成电路占用的区域不再是限制因素。

原则上，对于反位线圈能够接着给出关于比较线圈的类似论点。应当注意反位线圈产生一个垂直于磁力计测量方向的磁场。由于要求高电流水平，因此反位线圈需要低电阻线圈设计。通常，线圈是在相对地对其的传感器元件上布置的曲折线圈。

使用多层层叠板能够将比较线圈和反位线圈都集成在层叠板中。然而，假定使电子罗盘传感器反位所需的磁场类似于现存磁力计的事实，则由于电流水平可能变得高出实际，将反位线圈集成在层叠板中可能就不是优选的选择。

图1、图2和图3是示出本发明中装置100、200和300的一部分的示图。装置100、200和300例如是电子罗盘或用于其他操作用途的磁力计。

图1的装置100包括安装在层叠基板104上的传感器模102，该层叠基板例如是针对系统内封装结构的有机多层层叠板。基板104对模102提供机械支持，以及对于安装在基板104上或安装在装置100中的其他合适位置上的其他电路(未示出)提供电连接。基板104包括层叠配置。在本例中，层叠配置包括多个层，例如一个或多个导电层以及一个或多个交替堆叠的绝缘层。每个导电层之后都可被用于层结构中特定层级上的电互连。在本发明中，层叠板中的一个特殊层106用于实现辅助线圈功能。

图2中的装置200与装置100有些相似，但是不同点在于层叠基板104还用于支撑其他传感器模202，从而将特殊层106堆叠在它们之间来通过辅助线圈功能进行结合控制。

图3中的装置300与装置200有些相似，但是不同点在于基板104包括多个导电层106和302。在此情况下，一方面通过连接导电层最接近模102的部分(这里是层106)与另一层最接近模202的部分(这里是层302)来形成辅助线圈功能，从而使模102与模202之间的距离最小，另一方面通过层106和302来形成辅助线圈。

可以考虑一些其他的螺旋结构，例如一种将多个传感器模安装在基板104的同侧上并且针对多个传感器的辅助线圈功能被结合到同一个至少部分延伸到多个模下方的导电层106中的结构(未示出)。

图5是示出装置100的螺旋结构的顶视图。传感器模102容纳一个以相同方向的一个或多个MR条带形成的1D传感器。模102相对于实现为补偿线圈功能的层106而被安装在基板104上，从而补偿线圈106产生一个大约均匀的磁场，即在传感器模102的箭头108方向上的MR条带内各处都指向相同方向的磁场。可以看出，线圈106的大致一个方形的表面被用作一个1D传感器。多个具有1D传感器的模可被安装在基板104上，并相对于线圈106以及线圈106所产生的磁场被适当定向。从图中清楚地看出，线圈106功能上被成形为螺旋形，从布局的角度和集成的角度看这是容易的。给出三维的选择，该选项是通过可被选择用作其他针对线圈106的设计布局的采用了垂直于层叠板的长度和宽度的维数的多层层叠板来提供的。在该设计中，必须满足多个平行电流线在磁阻传感器的磁性元件的位置处的标准。一个示例是一种紧密三维螺旋线圈，其中返回路径位于不同的金属层中。

图6是示出装置100的螺旋结构的顶视图，其中传感器模102容纳2D传感器。同样，模102相对于补偿线圈106安装，从而后者在两个分别沿箭头108和110放置的1D的MR条带的每一个中产生均匀磁场。现在，被线圈106占据的大约一半的面积可被使用。

图7是图6结构的示图，现在额外示出了一个集成电路112，其安装在基板104上并通过导电连接114连接到传感器模102。例如使用多层基板104中的导电层或其他电连接(例如条带或接合线)来实现该连接。操作电路112来例如控制模102中的传感器的工作以及线圈106的工作，和/或用来处理由传感器模102提供的为装置100中的其他电路(未示出)所使用的信号。

Claims (5)

1.一种电路(100；200；300)，其包括磁阻传感器，其中：

该磁阻传感器具有形成在第一基板(102)中的磁阻层；

第一基板安装在第二基板(104)上；

磁阻传感器具有用于在磁阻层产生磁场的导电元件(106)，从而借助通过导电元件的电流来控制磁阻传感器；并且

导电元件形成在第二基板中。

2.如权利要求1所述的电路，其中：

导电元件被功能性地成形为一个螺旋；

所述电路包括第二传感器，其具有形成在第一基板中的第二磁阻层；并且

第一基板相对于导电元件被安装在第二基板上，从而覆盖螺旋区域的一部分，该部分基本上是所述区域的四分之一。

3.如权利要求1所述的电路，其中所述导电元件延伸出被所安装的基板覆盖的区域。

4.如权利要求1所述的电路(200)，其包括第二传感器，第二传感器具有形成在第三基板(202)中的第二磁阻层，并且其中：

第一基板和第三基板安装在第二基板相对于导电元件的相反侧，从而使导电元件操作来在磁阻层和第二磁阻层产生磁场以控制磁阻传感器和第二传感器。

5.如权利要求1所述的电路，其中导电元件的功能是作为电路操作使用中的补偿线圈或反位线圈。

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