專利名稱：集成的設置/復位驅動器和磁阻傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明通常涉及磁場和電流傳感器，并且更具體地涉及用于磁阻傳感器的信號處理，但不限于此。
相關技術磁場傳感器應用于磁羅盤、黑色金屬檢測和電流感測。它們可以檢測機器組件、地球磁場、地下礦、或電氣裝置和線中的磁場變化。
在磁傳感器中，特別是在各向異性磁阻(AMR)橋傳感器中，硅基片上安放有磁阻材料的薄膜，以精確感測本地磁場的強度和/或方向。由于在硅基片上沉積薄膜可以利用用于制造的半導體代工(semiconductorfoundry)工藝，所以可以加入創(chuàng)建相鄰半導體電路元件的另外的步驟。這些半導體電路元件通常并不是與磁阻傳感器共同位于相同的基片上，因為傳感器薄膜與傳統(tǒng)的半導體制造工藝并不兼容。
典型地，磁阻傳感器使用坡莫合金(Permalloy)作為磁阻材料，其是一種包含鎳和鐵的鐵磁合金。通常，該坡莫合金設置在坡莫合金膜的薄條中。當電流通過單個條時，該條的磁化方向可以與電流流動的方向形成一個角。當磁化方向改變時，該條的有效電阻改變。特別地，平行于電流方向的磁化方向導致通過該條的電阻最大，并且垂直于電流方向的磁化方向導致通過該條的電阻最小。當電流通過該條時，這種改變的電阻可以使得跨該條兩端的壓降改變?？梢詼y量這種電壓的改變，作為作用于該條上的外部磁場的磁化方向改變的指示。
為了形成磁阻傳感器的磁場感測結構，可以將幾個坡莫合金條電氣地連接在一起。這些坡莫合金條可以置于該磁阻傳感器的基片上，作為“人字”型的連續(xù)電阻器或作為磁阻材料的線狀條，使跨該條的導體與該條的長軸成45度角。后一種配置就是熟知的“巴柏桿偏置(barberpolebiasing)”。因為這些導體的配置，而可以迫使條中的電流與該條的長軸成45度角流動。在1989年7月11日授予Bharat B.Pant并且轉讓給本申請的受讓人的美國專利第4847584號中詳細描述了這些感測結構設計。由此美國專利第4847584號的全部內容被引入作為參考。下面結合圖2的說明對描述了磁傳感器技術的其它專利和專利申請進行闡述。
磁傳感器通常包括電流可以通過的多個重取向元件或“帶”，用于控制和調節(jié)這些感測特征。例如，磁傳感器設計經(jīng)常包括設置/復位和/或偏移重取向元件或“帶”(此后稱之為“設置/復位帶”和“偏移帶”)。
偏移帶用于取消或修正外部磁場。設置/復位帶幫助對該磁阻薄膜紋理結構進行重取向，以得到最佳測量精度。這個重取向磁阻膜的過程使用了該設置/復位帶金屬化，以應用短的(brief)強磁場強度，迫使任意取向的薄膜紋理基本到一個方向上。這種短場(brief field)的應用將該薄膜“設置”在一個取向上。強度相似但取向相反的第二個短場應用“復位”了薄膜的紋理取向。使用重復設置和/或復位的磁場，以確保薄膜顆粒保持未受擾動并且是在相對已知的磁取向上。
雖然設置/復位帶本身典型地位于芯片上，但是用于這些帶的驅動器電路典型地并不在芯片上，就使得空間效率較低。這種不在芯片上的解決方案典型地使通過該磁阻傳感器橋上的一個或多個帶(典型的是金屬)的電流脈動，但是使用外部板級電路來切換和產(chǎn)生該電流脈沖。
類似地，典型地在與該磁阻傳感器分離的芯片上實施其它組件，諸如運算放大器、晶體管、電容器等。例如，信號調節(jié)和靜電放電電路典型地不在芯片上。雖然這對于某些應用可能比較好，但是對于物理空間非常珍貴的其他一些應用，將期望使這些半導體組件中的一個或多個作為與該磁阻傳感器相同芯片的一部分。因此，將期望是單芯片設計，并且特別是具有位于芯片上的設置/復位驅動器電路的設計。
發(fā)明概述公開了一種磁感測設備以及制造和使用其的方法。該感測設備可以包括一個或多個用于檢測或測量磁場的磁阻感測元件，一個或多個用于調節(jié)該磁阻感測元件的重取向元件，以及具有用于控制或驅動該重取向元件的驅動器電路的半導體電路。該磁阻感測元件、重取向元件、以及該半導體電路可以都布置在單個封裝中，和/或單片集成地形成在單個芯片上。


現(xiàn)在結合下面的附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中相同的附圖標記在各個附圖中表示相同的元件，并且其中圖1的簡化方框圖描述了根據(jù)示范實施例，一個或多個半導體裝置組件與磁阻傳感器的集成；圖2的框圖描述了根據(jù)示范實施例，具有集成設置/復位驅動器電路的磁阻傳感器；圖3的示意圖描述了根據(jù)示范實施例，可以在管芯上(on-die)實施的、具有磁阻傳感器的設置/復位電路；圖4為根據(jù)示范實施例，具有半導體組件的磁阻傳感器的平面圖；圖5的第一簡化電路圖描述了根據(jù)示范實施例，集成有磁阻傳感器的第一羅盤電路；和圖6的第二簡化電路圖描述了根據(jù)示范實施例，集成有磁阻傳感器的第二羅盤電路。
發(fā)明詳述考慮到本發(fā)明的原理可以應用的各種廣泛實施例，應該理解的是所描述的實施例僅僅只是示范性的，并且不應該將其當作是對本發(fā)明范圍的限制。
示范結構圖1的簡化方框圖描述了根據(jù)實施例，一個或多個半導體裝置組件與磁阻傳感器的集成。通常，詞語集成或集成的可以表示將一個或多個子系統(tǒng)包括在更大的系統(tǒng)中。另一方面，集成可以指該子系統(tǒng)、其結構和功能與更大系統(tǒng)的其它部件結合在一起。除了在有說明的地方，在整個該說明書中，詞語集成和集成的可以互換地用來描述根據(jù)任何一個定義或二者的組合組件。
裝置100包括第一和第二部分102、104。第一部分102可以包括磁阻感測元件(此后統(tǒng)稱為“MR傳感器”)和布線，諸如薄膜跡線。第二部分104可以包括一個或多個半導體裝置組件，諸如設置/復位驅動器電路。在優(yōu)選的實施例中，第二部分104也包括信號調節(jié)電路以及用于對第一部分102中的MR傳感器進行ESD(靜電放電)保護的電路。如下所述，第二部分104特別可由按標準半導體制造技術，諸如用于CMOS(互補金屬氧化物半導體)的那些技術處理。
該第一和第二部分102、104可以設置在相同的芯片上，使得該裝置100成為一個分離的單芯片或單片集成的設計。將半導體器件與MR傳感器集成起來的現(xiàn)有嘗試典型地包括至少兩個管芯，其分開地放置在印刷電路板上，這樣很可能導致終端用戶裝置(例如蜂窩電話、便攜裝置、手表、汽車傳感器等)的尺寸較大，并且增加了復雜性。裝置100的單芯片設計提供了減小的尺寸和增加的功能性。
例如，可以使用標準的RF/微波處理，諸如使用CMOS、Bipolar(雙極)、BiCMOS、GaAs(砷化鎵)以及InP(磷化銦)來制造第一和第二部分102、104。雖然諸如GaAs的技術可以具有運算速度方面的優(yōu)點，但是通過使用其它技術，諸如那些包括SOI(絕緣體上硅)或MOI(絕緣體上微波)、SOI變體的技術，可以最好地實現(xiàn)減少的功耗。在一個實施例中使用SOI 0.35μ處理。
在優(yōu)選實施例中，使用標準的光刻、金屬化和蝕刻處理，諸如下面參考中所引述的專利列表中所述的處理，來制造第一部分102。然而也可以使用用于制造MR傳感器的其它技術。優(yōu)選地使用SOI 0.35μ處理、或另一個RF/微波法，諸如GaAs處理來制造第二部分104。
可以通過至少兩種方法之一來將該MR傳感器與一個或多個半導體裝置組件集成起來。在第一實施例中，可以在與該半導體裝置組件相同的管芯上制造該MR傳感器，并且可以包括其它電路，諸如信號調節(jié)和ESD保護電路。在第二實施例中，在第一管芯上制造MR傳感器，而在第二管芯上至少制造某些半導體裝置組件。
該第一和第二管芯然后可以彼此相互靠近地放置，并且可以封裝在單個集成電路芯片內。不管在哪一種情況下，根據(jù)特定的應用，在該半導體裝置組件與該MR傳感器之間有利地可以包括一個或多個連接。例如，這種連接可以提供反饋?？商鎿Q地，該半導體裝置組件和MR傳感器可以彼此簡單地在物理上靠近，而沒有有意的電相互作用。
由于可以使用常規(guī)半導體處理技術，所以在這里并不公開特定的半導體裝置電路，因為其比較靈活。于是，可以在CMOS/Bipolar/BiCMOS中實施的常規(guī)半導體設計可以根據(jù)當前所公開的實施例進行利用。可實施的范例半導體裝置包括(但并不限于)電容器、電感器、運算放大器、用于MR傳感器、加速計、壓力傳感器的設置/復位電路、位置感測電路、羅盤電路等。
某些半導體裝置組件可以產(chǎn)生明顯得足以影響該MR傳感器的操作的電磁場。于是，可能需要將該集成裝置100的MR傳感器部分102的感測部件與該半導體裝置部分104的部件物理地分開，以提供最佳的感測操作。例如可以使用理論或經(jīng)驗的方式確定分開的量。作為在該集成裝置100的潛在干擾部件之間引入物理隔離的替換形式，可以提供屏蔽層，如美國臨時專利申請第60/475191號中所述。
示范制造技術圖2描述了裝置200的范例橫截面，其中可以與MR傳感器一起實施一個或多個半導體組件，諸如用于與設置/復位驅動器電路一起使用的那些組件。為了此示例的目的，假定使用CMOS/Bipolar半導體技術。可以大量地在CMOS/Bipolar底層中制造半導體裝置組件(包括用于與MR傳感器部分相關聯(lián)的設置和/或偏移帶的任何信號調節(jié)電路和驅動器)，而該MR傳感器可以在該接觸玻璃層208上面的層202-206中制造。在圖2中也示出了各種接觸V1-V3和金屬化M1-M3，以及NiFe坡莫合金結構(參見第一介電層206)。除了底層210、接觸玻璃層208以及第一介電層206之外，也示出來的有第二介電層204和鈍化層202。
在一個實施例中，使用標準的光刻、金屬化、和蝕刻處理形成層202-206，而使用SOI 0.35μ工藝、或使用其它RF/微波法，諸如使用GaAs工藝形成層208-210。該MR傳感器的其它組件(諸如設置、復位和偏移帶；信號調節(jié)電路，以及ESD保護電路)可以包括在層206-210中的各個位置，并且其在圖2中沒有完全示出。
示范磁阻設計有關于MR傳感器設計的進一步信息，可以參照Honeywell下面的專利和/或專利申請，其全部在此引作參考。
(1)Bohinger等人的美國專利第6529114號，“Magnetic FieldSensing Device(磁場感測設備)”該裝置包括用于測量磁場的二軸集成裝置，包括由具有晶體各向異性場方向的MR材料形成的兩個傳感器單元。兩個傳感器單元中第一個的元件在第一方向上具有全各向異性場。兩個傳感器單元中第二個傳感器的元件在垂直于第一方向的第二方向上具有全各向異性場。提供用于設置該第一和第二傳感器單元的元件中的磁化方向的手段。第一傳感器單元的輸出表示垂直于第一方向的磁場組件，并且第二傳感器的輸出表示垂直于第二方向的磁場組件。
(2)Pant等人的美國專利第6232776號，“Magnetic Field Sensorfor Isotropically Sensing an Incident Magnetic Field in a SensorPlane”(“Pant等人”)Pant等人提供了一種各向異性地感測入射磁場的磁場傳感器。這可以優(yōu)選地通過提供一種磁場傳感器裝置完成，其具有一個或多個用于感測該入射磁場的環(huán)形MR傳感器元件。所使用的該MR材料優(yōu)選地是各向異性的，并且可以是龐磁阻(CMR)材料或者某種形式的巨磁阻(GMR)材料。因為該傳感器元件的形狀是環(huán)形的，所以形狀各向異性被最小化。于是，所得到的該磁場傳感器裝置提供的輸出在該傳感器平面上相對獨立于入射磁場的方向。
在Pant等人專利的一個實施例中，該磁場傳感器包括第一腳和第二腳。該第一腳連接在輸出網(wǎng)與第一供電電源端子之間。第二腳連接在輸出網(wǎng)與第二供電電源端子之間。為了各向異性地感測入射磁場，至少在第一和第二腳其中之一中包括由MR材料形成的至少一個環(huán)形傳感器元件。優(yōu)選地，在第一或第二腳中包括兩個或多個環(huán)形MR傳感器元件，并且另一個腳由非磁阻材料形成。該兩個或多個環(huán)形傳感器元件優(yōu)選地通過多個非磁阻連接器連接成串連結構來形成對應的腳。
為了使得該磁傳感器裝置的靈敏度最高，該環(huán)形傳感器元件優(yōu)選地由CMR材料形成。然而，也可以考慮使用GMR材料。示例性的CMR材料是那些一般通過公式(LnA)MnO3表示的材料，其中Ln＝La、Nd或Pr，并且A＝Ca、Sr、Ba或Pb。優(yōu)選地，該龐MR材料為LaCaMnO，其中La的濃度為26-32之間的原子百分比，Ca的濃度為9-20之間的原子百分比，并且Mn的濃度為47-64之間的原子百分比。
在Pant等人專利的另一個實施例中，磁場傳感器包括第一腳、第二腳、第三腳和第四腳。該第一和第二腳優(yōu)選地分別連接在第一輸出網(wǎng)絡和第二輸出網(wǎng)絡與第一供電電源端子之間。該第三和第四腳優(yōu)選地分別連接在第三輸出網(wǎng)絡和第四輸出網(wǎng)絡與第一供電電源之間。為了各向異性地感測入射磁場，至少在第一、第二、第三和第四腳其中之一中包括由MR材料形成的至少一個環(huán)形傳感器元件。優(yōu)選地，該第一和第四腳各自由兩個或多個環(huán)形MR傳感器元件形成，該第二和第三腳由非磁阻材料形成。對于該第一和第四腳中的每一個，對應的兩個或多個環(huán)形傳感器元件優(yōu)選地通過多個非磁阻連接器連接成串連構造來形成對應的腳。該環(huán)形MR傳感器元件優(yōu)選地由與上述相同的CMR材料形成。
(3)Wan的美國專利第5952825號，“Magnetic Field SensingDevice Having Integral Coils for Producing Magnetic Fields”(“Wan”)Wan通過使用獨特的線圈結構提供了設置/復位特征和在磁感測元件處產(chǎn)生已知磁場的獨立特征。磁場傳感器中存在這兩個特征增加了比這兩個特征的單獨功能之和更多的傳感器功能。
為了對其進行簡化，Wan使用了極其小的低功率器件，其包括用于對排列成電橋網(wǎng)絡中的MR傳感器中的磁疇進行設置和復位的裝置，以及用于對相對橋元件中的磁化方向進行設置的電流帶。根據(jù)特定的設計，該相對橋元件中的磁化方向可以設置成相同或相反方向。該電流帶在該磁場感測元件處產(chǎn)生已知磁場。該已知磁場用于諸如測試、設置、補償和校準以及反饋應用中的功能。
(4)Witcraft等人的美國專利第5820924號，“Method ofFabricating a Magnetoresistive Sensor”Witcraft等人提供了一種方法，其包括(i)制造磁場傳感器，包括提供硅基片的步驟；(ii)在產(chǎn)生第一磁場的基片上形成絕緣層作為新線；(iii)在存在MR材料的所述第一磁場的情況下在該絕緣層上形成一個層；(iv)確定各向異性場的第一值；和(v)在選擇用來提供所想要的各向異性場的溫度下進行退火。
(5)Pant等人的美國專利第5247278號，“Magnetic Field SensingDevice”(“Pant等人II”)Pant等人II提供了設置/復位特征和在磁感測元件處產(chǎn)生已知磁場的獨立特征。磁場傳感器中存在這兩個特征增加了比這兩個特征的單獨功能之和更多的傳感器功能。
一方面，Pant等人II包括用于對排列成電橋網(wǎng)絡中的MR感測元件中的磁疇進行設置和復位的裝置。提供有電流帶，根據(jù)特定的設計，用于將相對橋元件中的磁化方向設置成相同的方向或相反的方向。在本發(fā)明的另一方面，第二電流帶在該磁場感測元件處產(chǎn)生已知磁場。該已知磁場用于諸如測試、設置和校準的功能。
(6)Witcraft等人的美國專利申請第09/947733號，“Method andSystem for Improving the Efficiency of the Set and Offset Strapson a Magnetic Sensor”(“Witcraft等人II”)Witcraft等人II提供一種用于制造磁場傳感器的方法，其包括制造近似于磁場感測結構的保持器材料的步驟。該傳感器包括基片、電流帶和該磁場感測結構。
Witcraft等人II也提供一種設置-復位帶或偏移帶作為電流帶。該實施例也可以在相同的傳感器中包括設置-復位帶和偏移帶。在另一個實施例中，該磁場感測結構也包括坡莫合金條，它們彼此互相連接并且與產(chǎn)生磁場指示的輸出端子連接。
(7)Wan等人的美國專利申請第10/002454號，其標題為“360-Degree Rotary Position Sensor”(“Wan等人II”)在Wan等人II的美國專利申請中，該360度旋轉位置傳感器包括霍耳(Hall)傳感器和MR傳感器。在旋轉軸上安裝磁體或該360度旋轉位置傳感器。該360度旋轉位置傳感器的位置基本上靠近該磁體，從而該360度旋轉位置傳感器能夠檢測該磁體所產(chǎn)生的磁場。該霍耳傳感器檢測該磁場的極性。該MR傳感器檢測高至180度的磁場的角位。該霍耳傳感器的輸出與該MR傳感器的輸出的組合能夠提供高至360度的磁場的角位感測。
(8)授予Dettmann等人的美國專利第5521501號，其標題為“Magnetic Field Sensor Constructed from a Remagnetization Lineand One Magnetoresistive Resistor or a Plurality ofMagnetoresistive Resistors”(“Dettmann等人”)Dettmann等人提供了一單個磁場相關的電阻器，其在以絕緣方式與該磁場相關的電阻器的縱向方向垂直設置的高導性薄膜導體條上包括一個或多個MR膜條。該高導性薄膜導體條被提供以彎曲結構。為了在電流流動的情況下產(chǎn)生電阻，盡管有彼此相互相鄰設置的磁場方向交變的彎曲條，其電阻在所有子區(qū)域中在待測量場的影響下等方向地改變，該MR膜條被分成具有巴柏桿(Barber pole)結構的區(qū)域，帶有與該條的縱方向相對的傾斜角。
有利地，該高導性薄膜導體條的彎曲導致這樣的情況磁化方向的逆轉只需要較小的電流。而且，因為彼此相鄰設置的該彎曲條的磁場由于它們的方向相反而大量地彼此抵消，所以存在于該傳感器芯片外部的雜散磁場非常低。于是，該磁場傳感器可以彼此非常靠近地工作。由于該相同的原因，該交變磁化導體也具有非常低的感應系數(shù)，從而就不會再出現(xiàn)由于感應系數(shù)而導致的對測量頻率的限制。
當該磁場傳感器與MR電阻器一起工作時，常數(shù)電流饋送到MR電阻器。所測得的MR電阻器的電壓作為輸出信號。當某個方向的電流脈沖通過該高導性薄膜導體條時，通過某種方式設置該MR電阻器的區(qū)域中的自磁化。在該狀態(tài)中，待測的磁場使得該MR電阻器的電阻值增加。這就意味著該輸出信號比在沒有磁場的情況下大。如果現(xiàn)在與前一脈沖相反方向的電流脈沖饋送入該高導性薄膜導體條中，該自磁化的方向逆轉。于是，待測的該磁場使得電阻減小，并且該輸出電壓比在沒有磁場的情況下小。隨著脈沖方向的不斷改變，于是在輸出處給出幅度與待測磁場成比例的AC電壓。任何影響，諸如引起該MR膜條的電阻值產(chǎn)生小漂移的溫度，并不影響該AC輸出電壓。但是，由于該輸出AC電壓幅度中溫度的增加，可以覺察到MR效應的降低。
因此，在另一個實施例中，在每一個MR膜條下設置有另一個高導性薄膜條。通過該傳感器輸出電壓來控制流過這些高導性薄膜條的電流，使得所應用的待測磁場正好被該電流抵消。在這種情況下，該MR磁場傳感器用作零檢測器。該安排的輸出量為補償電流的量，其與該安排的溫度無關。同樣地，非線性在該傳感器特征曲線中不再起作用，因為該傳感器沒有被調制。
在Dettmann等人的美國專利的進一步實施例中，在該薄層交變磁化導體和該高導性補償導體上面設置有分別包括多個區(qū)域的四個并行MR電阻器。這些區(qū)域設置有從該MR膜條的縱方向的交變正和負角的巴柏桿結構，使得它們分別以正和負巴柏桿結構角的交變區(qū)域開始。這四個電阻器連接在一起，形成惠斯通電橋(Wheatstone bridge)。如果該交變磁化導體再次以交替相反方向的脈沖工作，那么就在該橋的輸出處出現(xiàn)AC電壓信號。在該信號上只疊加有一個直流電壓信號，其是由于該橋的四個電阻值可能不同而產(chǎn)生的。然而該直流電壓組件比使用允許簡單評估的單個電阻器時的要小的多。當然，這里也可以使用待測磁場的補償。
該橋設計可以包括由偶數(shù)個區(qū)域形成的四個電阻器。只有巴柏桿結構的角順序從一個電阻器到另一個電阻器發(fā)生改變。通過流經(jīng)該交變磁化導體的第一個強電流脈沖在該區(qū)域中設置交變磁化方向。該傳感器橋于是可以感測磁場，并且不需要交變磁化就可以以常規(guī)方式使用。因為該橋的所有四個電阻器包括相同區(qū)域，所以當該傳感器設計的溫度變化時，所有電阻器中將會出現(xiàn)相同的變化。這也適用于由于可變的層電壓以及隨后由于交變磁化而產(chǎn)生的改變組件。該傳感器橋因此相比于已知的傳感器橋設計具有降低的零點，并且因此也適合于以常規(guī)操作測量更小的場。通過該交變磁化導體的恒定電流可以用于產(chǎn)生一定的穩(wěn)定磁場，通過其可以設置一定的傳感器靈敏度。因此，可以有利地在用于磁場測量的不同評估方法的應用中使用Dettmann等人的安排。
示范金屬-絕緣體-金屬電容器集成為了提供該設置/復位驅動器電路的功能，圖2的裝置200可以包括多個半導體裝置組件。另外，可以包括一個或多個特定的電容器，諸如在第一介電層206中所示的金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器305。如圖所示，該MIM電容器305位于接觸V1與覆蓋在低阻性金屬化M1上面的氮化物層之間。雖然所示的該MIM電容器305位于第一介電層206中，但是可替換地，其可以位于其它位置中，諸如位于該鈍化層202、第二介電層204中，或者位于該CMOS/Bipolar底層210中。該集成MIM電容器是對與現(xiàn)有MR傳感器一起使用的線性電容器的改進，因為其減小的尺寸，可能會使得整體封裝變得更小。
該裝置200是用于MR傳感器的優(yōu)選構造，并且也可以使用具有不同坡莫合金布置和結構的其它構造替代。在還有另一個實施例中，該MIM電容器305可以包括在該裝置200中，并且可以省略該CMOS/Bipolar底層210或者可以使用其它基層或基底材料代替。
集成的或集成設置/復位電路圖3的示意圖描述了可以在管芯上(on-die)實施的或者單片集成的、具有根據(jù)示范實施例的MR傳感器的設置/復位電路360、362。圖3中所示的電路設計只是許多可能設計中的一對，并且沒有任何限制性的意思。
示范電路360是放大電路，以增加該MR傳感器的信號增益。當跨該磁阻橋的腳進行感測時，具有負反饋環(huán)的兩個運算放大器提供了表示本地磁場變化的差動電壓信號。所示的該電阻器值特別適合于優(yōu)選的實施例，并且其它電阻器值和配置可能更加適合于其它MR傳感器設計。類似地，雖然所示用于電路360的是兩個運算放大器，但是其它設計可以使用更多或更少的運算放大器，并且可以包括更多或更少偏置電阻器。
示范電路362是切換電路，產(chǎn)生通過該設置/復位帶的設置/復位電流脈沖，以在適當?shù)姆较蛏线m當?shù)厝∠蛟摌螂娐返谋∧ご女?。電?62包括一對互補的場效應晶體管，其通過ESDR繼電器切換，以提供設置/復位脈沖。類似于電路360，用于特定磁阻傳感器的設計選擇可以要求對切換電路進行改變。所示的該電阻器值專用于優(yōu)選實施例。
電路364是完全可選的，并且可以用于測試目的。其顯示了這種靈活性不脫離本發(fā)明的范圍，該設置/復位驅動器電路中可以包括許多特定應用特征。對于圖3中所示的所有電路，可以進行各種修改。例如可以包括熱或溫度補償電路，以防止熱漂移。
示范性的半導體電路集成圖4為裝置300的一個實施例的平面圖，其中設置/復位驅動器電路集成在芯片上，或者與MR傳感器單片集成在一起。該裝置300的范例部件包括磁阻橋301、設置/復位帶302、偏移帶304、設置/復位電路306-308、激光微調點310(用于匹配該橋301的腳的阻抗)、ESD保護二極管312、MIM電容器314、運算放大器316、接觸318、以及測試點320。進一步的信息可以參照上面所包括的專利和專利申請。
圖5-6的簡化電路圖500-600描述了可以與MR傳感器集成的半導體電路的范例類型。這些示范圖并不是可以與MR傳感器集成或集成到MR傳感器的窮舉的或固定不變的電路列表，而是說明可以如此組合的電路的廣度。
圖5的簡化電路圖500描述了可以與該MR傳感器集成的羅盤電路502。在這一個實施例中，該MR傳感器可以由第一和第二磁阻感測元件504、506形成。該第一和第二磁阻感測元件504、506可以感測正交的磁場并響應性地提供第一和第二輸出。在三維坐標系統(tǒng)中，例如該第一磁阻感測元件504可以感測“X”方向上的磁場，而該第二磁阻感測元件506可以感測“Y”方向上的磁場。該X-Y平面當然可以通過該坐標系統(tǒng)旋轉。
可以在第一和第二磁阻感測元件504、506上形成或與之一起集成一個或多個設置/復位和/或偏移帶(未示出)形式的重取向元件。如上所述，這些重取向元件可以用來控制和調節(jié)該第一和第二磁阻感測元件504、506的感測特征。
該羅盤電路502可以包括(i)偏移帶驅動器電路508，用于完成第一和/或第二磁阻感測元件504、506的偏移調整；(ii)設置/復位帶驅動器電路510，用于完成第一和/或第二磁阻感測元件504、506的設置/復位順序；以及(iii)第一和第二差動放大器512、514，分別用于功能性地調節(jié)第一和第二磁阻感測元件504、506的輸出?？梢栽谂c第一和第二磁阻感測元件504、506相同的封裝中布置帶驅動器電路508、設置/復位帶驅動器電路510以及第一和第二差動放大器512、514。可替換地，該電路可以單片集成地形成在與第一和第二磁阻感測元件504、506相同的管芯上。
該羅盤電路502可以包括溫度補償電路，以抵抗該MR傳感器的不利溫度影響。該溫度補償?shù)男问嚼缈梢允菬崦綦娮?、坡莫合金元件、?或有源調節(jié)(active-regulation)電路。該有源調節(jié)電路可以感測由于溫度效應而產(chǎn)生的變化，即電壓或電流的增加或減少，然后響應，提供電壓和/或電流形式的補償。
該羅盤電路502也可以包括其它元件。關于該羅盤電路502的組件的進一步的詳細情況可以參照本說明書以及上面所包括的專利和專利申請。
圖6的簡化電路圖600描述了集成有該MR傳感器的第二羅盤電路602。在這一個實施例中，該MR傳感器可以由第一、第二和第三磁阻感測元件604-608形成，其可以感測三個正交的磁場。該第一和第二磁阻感測元件604和606可以在第一管芯上制造，而第三磁阻感測元件608可以在第二管芯上制造。雖然該第二管芯可以與該第一和第二磁阻感測元件604、606一起封裝，但是在本實施例中，該第二管芯并沒有這樣封裝。
在三維坐標系統(tǒng)中，該第一磁阻感測元件604可以感測“X”方向上的磁場，而該第二磁阻感測元件606可以感測“Y”方向上的磁場。該第三磁阻感測元件608可以感測“Z”方向上的磁場。
類似于羅盤電路502，可以在第一、第二和第三磁阻感測元件604-608上形成或與之集成一個或多個設置/復位和/或偏移帶(未示出)形式的重取向元件。該羅盤電路602也可以布置有設置/復位帶驅動器電路610以及第一、第二和第三差動放大器612-616。該設置/復位帶驅動器電路610可以完成第一、第二和/或第三磁阻感測元件604-608的設置/復位順序。該第一、第二和第三差動放大器612-616可以分別用來功能性地調節(jié)第一、第二和第三磁阻感測元件604-608的輸出。
在本實施例中，該設置/復位帶驅動器電路610和該第一、第二和第三差動放大器612-616都可以形成在第一管芯上。然而，假定可以在第二管芯上形成第三磁阻感測元件608和該設置/復位帶，那么該設置/復位帶驅動器電路610和第三差動放大器616可以與第二管芯互連。于是，在結點618應用于羅盤電路602的設置/復位脈沖可以通過第一管芯，輸出到設置/復位接口620，并傳送到第二管芯，以執(zhí)行該第三磁阻感測元件608的設置/復位順序。類似地，目的地為第三差動放大器616的該第三磁阻感測元件608的輸出信號可以通過傳感器接口622傳送到第一管芯。
在替換形式的實施例中，可以在第一管芯上形成該設置/復位帶驅動器電路610以及第一、第二和第三差動放大器612-616中的某些。其它部分，例如設置/復位帶驅動器電路610和第三差動放大器616可以在第二管芯上形成，并且與第一管芯互連。如本領域的熟練技術人員會認識到的是，也可能使用該羅盤電路602的組件的其它組合。
類似于羅盤電路502，每一差動放大器612-616可以布置有可選的可調節(jié)的偏移和增益，以有利地補償和/或排除該磁阻元件604-608中不想要的改變。該羅盤電路602也可以包括溫度補償電路，如上所述，以抵抗該MR傳感器的不利溫度影響。
用于將半導體組件與MR傳感器集成的示范性處理下面的表1示出了用于將一個或多個半導體裝置組件，諸如用于將設置/復位電路與MR傳感器集成的簡化示范性處理。相信這種處理是獨特的，因為在以前半導體代工不遺余力地防止它們的處理過程對在制造磁傳感器中典型使用的材料的污染。另外，磁工業(yè)中的公司(例如盤驅動頭制造商等)已經(jīng)從電子公司分離出來，并且他們的專門的制造技術一直被保持為相互間很大地分離開。
表格1樣品制造處理過程

在優(yōu)選實施例中，該半導體裝置處理在前端完成，而與制造該MR傳感器相關的光刻和蝕刻步驟在后端完成。表格1打算是通?？蓱糜谠S多MR傳感器制造處理過程，于是其并不包括關于如何獲得特定構造的詳情。圖2中所示的構造包括后端步驟的幾次迭代，以得到多個電介質層和金屬化層。當然，適當?shù)匾部梢詫嵤┝硗獾那鍧嵑推渌襟E。
現(xiàn)在已經(jīng)描述了具有與MR傳感器裝置集成的設置/復位驅動器電路的裝置以及示范性的處理選項。因為這種集成裝置可以作為單個芯片制造，所以用戶可以實現(xiàn)的優(yōu)點尤其包括減小尺寸和增加功能性。
結論在前面的詳細描述中，陳述了許多具體的詳情，以提供對此處示范實施例的完整理解。然而應該理解的是，沒有這些具體詳情也可以實施這些實施例。在其它例子中，并沒有詳細描述熟知的方法、程序、組件和電路，從而不至于讓下面的描述變得模糊。
而且所公開的實施例只是示范性的，并且也可以采用其它實施例來代替所公開的實施例或與其組合。而且，除了上述技術之外，可以考慮使用砷化硅/鎵(Si/GaAs)、硅/鍺(SiGe)、和/或碳化硅(SiC)制造技術制造上述設備和組件。這些技術中包括異質結雙極性晶體管(HBT)制造工藝，和/或金屬半導體場效應晶體管(MBSFET)制造工藝。
這里所描述的示范性實施例可以布置在各種設備和其它裝置中，其可以包括任何適當?shù)碾妷涸椿蚩梢耘c其一起使用，諸如電池、交流發(fā)電機等，從而提供任何適當?shù)碾妷?，諸如大約0.4、5、10、12、24和48伏特的DC，以及大約24和120伏特的AC等。
已經(jīng)描述和說明了示范性實施例。進一步，權利要求書不應該認為是受所述順序或元件的限制，除非是為那個目的而說明。另外，任何權利要求中的詞語“裝置(means)”的使用旨在調用35U.S.C.$112，6，并且沒有該詞語“裝置”的權利要求則無此意圖。
權利要求
1.一種感測設備，包括至少一個磁阻感測元件；至少一個重取向元件，用于調節(jié)該至少一個磁阻感測元件；和半導體電路，具有驅動器電路，用于控制該至少一個重取向元件，其中該至少一個磁阻感測元件、該至少一個重取向元件、以及該半導體電路布置在單個封裝中。
2.根據(jù)權利要求1的感測設備，其中該半導體電路和該至少一個磁阻感測元件單片集成地形成在單個芯片上。
3.根據(jù)權利要求1的感測設備，其中該半導體電路、該至少一個重取向元件和該至少一個磁阻感測元件單片集成地形成在單個芯片上。
4.根據(jù)權利要求1的感測設備，其中至少一部分該半導體電路與該至少一個磁阻感測元件以及該至少一個重取向元件單片集成地形成在第一芯片上。
5.根據(jù)權利要求4的感測設備，其中至少一部分該半導體電路形成在第二芯片上。
6.根據(jù)權利要求5的感測設備，其中該第一和第二芯片電氣地連接在一起。
7.根據(jù)權利要求5的感測設備，其中該第一芯片與該第二芯片正交地放置。
8.根據(jù)權利要求5的感測設備，其中該第二芯片與該第一芯片靠近地放置。
9.根據(jù)權利要求7的感測設備，其中該第一和第二芯片電氣地連接在一起。
10.根據(jù)權利要求7的感測設備，其中該第一和第二芯片不具有有意的電相互作用。
11.根據(jù)權利要求2的感測設備，進一步包括設置在該半導體電路與該至少一個磁阻感測元件之間的電介質。
12.根據(jù)權利要求11的感測設備，其中該電介質包括接觸玻璃。
13.根據(jù)權利要求12的感測設備，其中該接觸玻璃包括從氮化硅(Si3N4)、硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)、以及二氧化硅(SiO2)構成的組中選擇的材料。
14.根據(jù)權利要求2的感測設備，其中該驅動器電路包括功能調整、信號調節(jié)、以及靜電放電保護電路中的任何項。
15.根據(jù)權利要求1的感測設備，其中該驅動器電路包括由互補金屬氧化物半導體(CMOS)、雙極、砷化鎵、鍺、雙極CMOS(BiCMOS)、磷化銦(InP)、以及絕緣體上硅(SOI)技術形成的功能調整、信號調節(jié)、以及靜電放電保護電路的任何項。
16.根據(jù)權利要求2的感測設備，其中該至少一個磁阻感測元件包括從各向異性磁傳感器、巨磁傳感器、以及龐磁傳感器構成的組中選擇的傳感器。
17.根據(jù)權利要求2的感測設備，進一步包括設置在該半導體電路與該磁阻感測元件之間的屏蔽。
18.根據(jù)權利要求17的感測設備，其中該屏蔽包括從金屬、金屬性的、磁的、以及其它隔離材料構成的組中選擇的材料。
19.根據(jù)權利要求11的感測設備，進一步包括設置在該電介質中的屏蔽。
20.根據(jù)權利要求19的感測設備，其中該屏蔽防止該半導體電路不期望地影響該至少一個磁阻感測元件的操作。
21.根據(jù)權利要求19的感測設備，其中該屏蔽防止該至少一個磁阻感測元件不期望地影響該半導體電路的操作。
22.根據(jù)權利要求11的感測設備，其中該半導體電路進一步包括位置感測電路。
23.根據(jù)權利要求22的感測設備，其中該至少一個磁阻感測元件中提供與所感測的磁場成比例的輸出信號，并且其中該位置感測電路包括與該輸出信號耦合的至少一個放大器。
24.根據(jù)權利要求23的感測設備，其中該至少一個放大器具有可調節(jié)的偏移。
25.根據(jù)權利要求24的感測設備，其中由外部電路控制該可調節(jié)的偏移。
26.根據(jù)權利要求23的感測設備，其中該至少一個放大器具有可調節(jié)的增益。
27.根據(jù)權利要求26的感測設備，其中由外部電路控制該可調節(jié)的增益。
28.根據(jù)權利要求23的感測設備，其中該半導體電路進一步包括溫度補償電路。
29.根據(jù)權利要求11的感測設備，其中該至少一個磁阻感測元件包括第一和第二磁阻感測元件，其中該至少一個重取向元件包括分別用于調節(jié)該第一和第二磁阻感測元件的第一和第二重取向元件，并且其中該驅動器電路包括用于控制該第一和第二重取向元件的驅動器電路。
30.根據(jù)權利要求29的感測設備，其中該第一和第二磁阻感測元件檢測正交平面中的磁場，并提供與所檢測到的磁場成比例的各自的第一和第二輸出信號，并且其中該半導體電路包括與該第一和第二輸出信號耦合的羅盤電路，以提供響應于該第一和第二輸出信號的羅盤輸出。
31.根據(jù)權利要求30的感測設備，其中該羅盤電路包括至少兩個放大器，其中該至少兩個放大器中的一個與該第一輸出信號耦合，并且該至少兩個放大器中的另一個與該第二輸出信號耦合。
32.根據(jù)權利要求31的感測設備，其中通過外部電路來控制用于控制該第一和第二重取向元件的驅動器電路。
33.根據(jù)權利要求31的感測設備，其中該羅盤電路進一步包括用于調節(jié)第一和第二磁阻感測元件的各自偏移的第一和第二偏移驅動器電路。
34.根據(jù)權利要求29的感測設備，進一步包括第三磁阻感測元件，其中該至少一個重取向元件包括用于調節(jié)該第三磁阻感測元件的第三重取向元件，并且其中該驅動器電路包括用于控制該第三重取向元件的驅動器電路。
35.根據(jù)權利要求34的感測設備，其中在第二芯片上形成該第三磁阻感測元件和該第三重取向元件。
36.根據(jù)權利要求34的感測設備，其中該第一、第二和第三磁阻感測元件檢測彼此正交的平面中的磁場，并提供與所檢測到的磁場成比例的各自的第一、第二和第三輸出信號，并且其中該半導體電路包括與該第一、第二和第三輸出信號耦合的羅盤電路，以提供響應于該第一、第二和第三輸出信號的羅盤輸出。
37.根據(jù)權利要求36的感測設備，其中在第二芯片上形成該第三磁阻感測元件和該第三重取向元件。
38.根據(jù)權利要求37的感測設備，其中在單個芯片上形成用于控制該第三重取向元件的驅動器電路。
39.根據(jù)權利要求37的感測設備，其中該半導體電路進一步包括溫度補償電路。
40.根據(jù)權利要求36的感測設備，其中該羅盤電路包括至少三個放大器，其中該至少三個放大器中的一個與第一輸出信號耦合，該至少三個放大器中的第二個與第二輸出信號耦合，并且該至少三個放大器中的第三個與第三輸出信號耦合。
41.根據(jù)權利要求40的感測設備，其中通過外部電路來控制用于控制該第一、第二和第三重取向元件的驅動器電路。
42.根據(jù)權利要求40的感測設備，其中該羅盤電路進一步包括用于調節(jié)該第一、第二和第三磁阻感測元件的各自偏移的第一、第二和第三偏移驅動器電路。
43.根據(jù)權利要求1的感測設備，其中該至少一個磁阻感測元件包括配置用于在羅盤應用中使用的至少兩個磁阻感測元件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁感測設備以及制造和使用其的方法。該感測設備可以具有一個或多個磁阻感測元件、用于調節(jié)該至少一個磁阻感測元件的一個或多個重取向元件、以及具有驅動器電路用于控制該至少一個重取向元件的半導體電路。該磁阻感測元件、重取向元件以及半導體電路可以設置在單個封裝中，和/或單片集成地形成在單個芯片上?？商鎿Q地，某些半導體電路可以與該磁阻感測元件單片集成地形成在第一芯片上，而第二部分的半導體電路可以形成在第二芯片上。該第一和第二芯片可以靠近放置并電氣地連接在一起。可替換地，這些芯片可以不具有有意的電相互作用?？梢詫嵤┑氖痉栋雽w裝置包括電容器、電感器、運算放大器、用于MR傳感器、加速計、壓力傳感器的設置/復位電路、位置感測電路、羅盤電路等，但并不限于此。
文檔編號G01R33/09GK1829913SQ200480022140
公開日2006年9月6日 申請日期2004年6月1日 優(yōu)先權日2003年6月2日
發(fā)明者W·F·維特克拉夫特, M·D·阿蒙森 申請人:霍尼韋爾國際公司