專利名稱：一種獨(dú)立封裝的橋式磁場角度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用MTJ或GMR元件的角度傳感器，特別的是一種能夠采用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體封裝技術(shù)集成到單一芯片的角度傳感器。
背景技術(shù)：
磁性傳感器廣泛的用于現(xiàn)代測量系統(tǒng)，用來檢測多種物理量，包括但不限于磁場強(qiáng)度、電流、位置、位移、方向等各種物理量。之前已有多種傳感器可以用來測量磁場及其它物理量。但是，這些技術(shù)都具有各自的局限性，比如，受到尺寸過大，靈敏度低，動態(tài)范圍小， 成本高，穩(wěn)定性等各種因素的限制。因此，發(fā)展一種磁性傳感器，尤其是能方便的與半導(dǎo)體器件和集成電路集成在一起，并易于制造的磁傳感器仍然是一種非常迫切的需要。磁隧道結(jié)(MTJ)傳感器具有靈敏度高，尺寸小，低成本，功耗低的特點。雖然MTJ器件可以很好的與標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制造工藝兼容，但沒有一種低成本量產(chǎn)制造高靈敏度，低成本的MTJ磁傳感器的有效方法。尤其是，量產(chǎn)時MTJ工藝和后端的封裝工藝之間所存在的困難，同時，在將MTJ元件組成全橋傳感器時，匹配MTJ傳感器的磁電阻響應(yīng)被證明存在很大困難。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明提供一種獨(dú)立封裝的橋式磁場角度傳感器，可用于測量磁場的角度值。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種獨(dú)立封裝的橋式磁場角度傳感器，該傳感器包括兩個半橋傳感器，每個半橋傳感器包括一個傳感器芯片，其中一個磁電阻芯片相對另一個磁電阻芯片旋轉(zhuǎn)90度排列，傳感器芯片被固定在標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體封裝的引線框上，每個傳感器芯片包括一阻止固定的參考電阻和一響應(yīng)于外磁場改變的感應(yīng)電阻；每個參考電阻和感應(yīng)電阻包括多個MTJ或GMR傳感器元件，這些MTJ或GMR傳感器元件作為單獨(dú)的磁電阻元件以陣列的形式相互連接，每個參考電阻和感應(yīng)電阻還包括條形永磁鐵，在各列磁電阻元件中間為磁電阻元件提供偏置場；所述感應(yīng)電阻的電阻值與外磁場在磁電阻傳輸曲線的一段范圍內(nèi)呈線性的關(guān)系；該傳感器芯片的引線焊盤設(shè)置為使磁電阻元件的每個引腳用于連接多條接合線；磁電阻傳感器芯片相互之間以及與引線框之間都通過引線接合連接，以構(gòu)成一橋式傳感器；引線框和傳感器芯片密封在塑料之中，以形成一標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體封裝。一個獨(dú)立封裝的橋式磁場角度傳感器，該傳感器包括兩個全橋傳感器，每個全橋傳感器包括一兩個半橋傳感器，每個半橋傳感器包括一個MTJ或GMR磁電阻傳感器芯片， 該傳感器芯片被固定在標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體封裝的引線框上；每個傳感器芯片包括一阻值固定的參考電阻和一響應(yīng)于外磁場改變阻值的感應(yīng)電阻；每個參考電阻和感應(yīng)電阻包括多個MTJ或 GMR傳感器元件，這些MTJ或GMR傳感器元件作為單獨(dú)的磁電阻元件以陣列的形式相互連接，每個參考電阻和感應(yīng)電阻還包括條形永磁鐵，在各列磁電阻元件中間為磁電阻元件提供偏置場；感應(yīng)電阻的電阻值與外磁場在磁電阻傳輸曲線的一段范圍內(nèi)呈線性的關(guān)系；傳感器芯片的引線焊盤設(shè)置為使磁電阻元件的每個引腳可以連接多條接合線；磁電阻傳感器芯片相互之間以及與引線框之間都通過引線接合連接，以構(gòu)成一橋式傳感器；引線框和傳感器芯片密封在塑料之中，以形成一標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體封裝。優(yōu)選地，第一個全橋傳感器中的一個傳感器芯片與該全橋傳感器種的另外一個傳感器芯片同向排布，第二個全橋傳感器中的一個傳感器芯片相對該全橋傳感器中的另外一個傳感器芯片旋轉(zhuǎn)90度排布。優(yōu)選地，第一個全橋傳感器中的一個傳感器芯片與該全橋傳感器種的另外一個傳感器芯片同向排布，第二個全橋傳感器中的一個傳感器芯片相對該全橋傳感器種的另外一個傳感器芯片旋轉(zhuǎn)90度排布。優(yōu)選地，所述磁電阻元件呈橢圓形。優(yōu)選地，所述參考電阻的磁電阻元件與所述感應(yīng)電阻的磁電阻元件具有不同的形狀比例。優(yōu)選地，所述參考電阻被一個或幾個磁屏蔽層從外磁場中隔離開來。優(yōu)選地，所述傳感器芯片上設(shè)置有用于驅(qū)動其工作的偏置電壓或偏置電流。優(yōu)選地，所述傳感器芯片在裝配之前進(jìn)行測試和分級，以使傳輸特性曲線更好地匹配。優(yōu)選地，采用并排的方式設(shè)置橋式磁場角度傳感器以用于檢測低磁場梯度的角度。優(yōu)選地，采用共同中心的方式設(shè)置橋式磁場角度傳感器以用于檢測高磁場梯度的角度。


圖1是參考層磁化方向指向負(fù)H方向的自旋閥(GMR和MTJ)傳感元件的磁電阻響應(yīng)示意圖。圖2是具有固定的參考電阻和感應(yīng)電阻的TMR半橋示意圖。圖3是磁電阻芯片的半橋的一種實施方式，其中參考電阻和感應(yīng)電阻由多個MTJ 元件組成，條形的片狀永磁鐵用來給MTJ元件提供一個偏置場。圖4是本發(fā)明公開的采用兩個半橋磁電阻的角度傳感器的原理圖。圖5是角度傳感器兩個獨(dú)立半橋的輸出電壓隨磁場角度的輸出特性曲線。圖6是一由兩個半橋磁電阻傳感器芯片組成的角度傳感器的實施例，其中兩個半橋相互旋轉(zhuǎn)90度，兩個芯片放置成標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體封裝形式。圖7是一由每一半橋具有參考電阻的兩個全橋組成的角度傳感器示意圖。圖8是一由兩個全橋組成的角度傳感器實施例，每個全橋由同一方向的兩個磁電阻芯片組成，磁電阻芯片安置在標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體封裝內(nèi)。圖9是由在同一分支上具有兩個相同的參考電阻的兩個全橋組成的角度傳感器示意圖。圖10是另一由兩個全橋組成的角度傳感器的實施例，每一全橋由兩個磁電阻傳感芯片相對旋轉(zhuǎn)180度后安置組成，磁電阻芯片安置在標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體封裝內(nèi)。
具體實施例方式傳感元件由自旋閥構(gòu)成，自由閥包括磁性固定層和磁性自由層。磁性固定層可以是一單一的磁性層或是合成的鐵磁性結(jié)構(gòu)，被一磁性固定層釘住。磁性自由層在自旋閥中能夠響應(yīng)外加磁場的方向而轉(zhuǎn)動。自旋閥的電阻隨著磁性自由層相對于磁性固定層(被釘扎住)的方向變化，其次隨著磁性自由層上的磁場變化。在MTJ元件中，磁性自由層和磁性固定層由勢壘分隔開來，電流流過勢壘。在GMR元件中，磁性自由層和磁性固定層由非磁金屬層分隔開來。電流可以在多層薄膜的面內(nèi)流過或垂直于該面流向。如圖1所示，是通常的適合于線性磁場測量的GMR和MTJ磁性傳感元件的磁電阻傳輸特性曲線的示意圖，圖中的傳輸曲線顯示飽和的低電阻1和高電阻2，電阻值分別為RL 和RH。在兩飽和點之間，傳輸曲線隨外磁場H而線性變化。非理想情況下，傳輸曲線并不關(guān)于H=O的點對稱。負(fù)向飽和場4和正向飽和場5由于磁性自由層和磁性固定層之間的層間耦合作用而不同，通常會存在一定的輸出偏置。層間耦合的一個主要來源是稱為柰爾 (Neel)耦合或是“orange-pee”耦合，這與GMR和MTJ結(jié)構(gòu)中的鐵磁薄膜的粗糙度有關(guān)，主要由材料和制造工藝決定。在位于負(fù)向飽和場4和正向飽和場5之間的工作區(qū)域，MTJ和GMR的理想響應(yīng)是線性的。MTJ元件的靈敏度，即圖1中傳輸曲線中的斜線3的斜率，則主要由自由層響應(yīng)于外磁場的剛度決定。斜率可以通過改變MTJ元件的形狀來調(diào)整。通常MTJ元件被成型為長條形狀，包括但不限于橢圓、矩形、菱形，其相對于釘扎層正交定位。有時候，磁性自由層可以通過永磁體偏置或穩(wěn)定到與釘扎層垂直的方向。有時候，在高靈敏度場合，磁通聚集器或磁通誘導(dǎo)能夠集成到磁場傳感器中，以使得在MTJ元件的自由層上的磁場被放大，從而實現(xiàn)更高的靈敏度。圖2是半橋組態(tài)10的示意圖，其中，偏置電壓15施加于由具有固定電阻的一參考電阻13和一阻值響應(yīng)于外磁場的感應(yīng)電阻14構(gòu)成的串聯(lián)的一端，另一端11接地(GND)， 輸出電壓12即是感應(yīng)電阻兩端的電勢差。圖3顯示了一種磁電阻芯片半橋20的設(shè)計。在這一設(shè)計中，參考電阻23和感應(yīng)電阻M分別由多個MTJ元件231和241構(gòu)成，分別被排成幾列。MTJ元件串聯(lián)在一起以構(gòu)成參考電阻和感應(yīng)電阻。在各列MTJ元件之間，有條狀的永磁鐵(PMM6，使MTJ自由層偏置到垂直于釘扎層的方向，在這種情況下，條狀PM應(yīng)參照磁性固定層的磁化方向。在芯片制備中，條狀PM必須磁化到垂直于磁性固定層的方向，以為磁性自由層提供穩(wěn)定的偏置場。條狀PM并不需要制作在和MTJ相同的平面內(nèi)。然而，條狀PM需要靠近MTJ，以提供足夠強(qiáng)度的有效偏置場。由于參考電阻對外磁場不敏感，所以參考MTJ元件231可以相對感應(yīng)MTJ 元件241具有不同的形狀和/或不同比例系數(shù)以獲得更大形狀各向異性和在外磁場的作用下保持不變?？蛇x地，可以在芯片中為參考MTJ元件集成一屏蔽外磁場/外磁通的磁屏蔽層27。通常，屏蔽層是位于參考MTJ元件頂上的一片狀軟磁層，并覆蓋遮住所有元件，以將元件從外磁場屏蔽開來，使得邊界外部的磁場不對MTJ元件產(chǎn)生影響。圖4示出了本發(fā)明公開的角度傳感器的原理圖。傳感器由兩個分別響應(yīng)X和Y磁場分量的獨(dú)立的半橋組成，由傳感器的方向決定。在一個與傳感器夾角為90度的外磁場H 作用下，輸出電壓37、38分別正比于HCos θ，HSin θ，從而可以確定外磁場H的大小和方向。兩個獨(dú)立的半橋可以具有相同的供電電壓Bias和地&id引腳。在本發(fā)明中可以采用電壓偏置或是電流偏置工作方式。圖5示出了輸出引腳37、38相對于磁場角度的輸出電壓曲線。根據(jù)在角度傳感器應(yīng)用中磁塊的大小和形狀，磁塊在角度傳感器位置產(chǎn)生的磁場梯度可能會很小或很大?？梢詤^(qū)分為三種不同的情況
低磁場梯度，可以采用并排放置的方式，這一情況誤差小，成本低。中等磁場梯度，如果誤差允許可以采用并排放置的方式，或是直接采用共同中心的放置方式。高磁場梯度，在這種情況下，通常采用共同中心的布置方式以使誤差能夠足夠小。角度傳感器并排放置時，中心距離比較大，使得旋轉(zhuǎn)磁體產(chǎn)生的磁場具有很大的梯度，并可能帶來較明顯的誤差；相對于并排放置的方式，采用共同中心的布置方式，中心點距離越接近，傳感器旋轉(zhuǎn)磁體產(chǎn)生的磁場梯度具有更大的耐受性，并產(chǎn)生更小的計算角度的誤差。圖6所示是一由如圖3所示的兩個磁電阻41、42芯片組成的角度傳感器。其中一個半橋相對另一半橋旋轉(zhuǎn)90度。43、44分別是同一芯片41中的參考電阻和敏感電阻。44、 45分別是中42中的參考電阻和敏感電阻。磁場的余弦分量和正弦分量分別由47和48輸
出ο全橋傳感器可以被用來制造磁場角度傳感器。全橋傳感器能提供比半橋傳感器更大的輸出電壓，因此，具有更大的磁場靈敏度。圖7所示是一由兩個獨(dú)立的全橋組成的角度傳感器示意圖。每一全橋分別具有兩支，每支分別一個參考電阻橋臂和一個敏感電阻橋臂。參考電阻分別位于相反的橋臂。輸出電壓是兩個兩個敏感電阻輸出的差分，比如， Voutl(cos)+ 與 Voutl (cos)-是一個全橋的輸出，Vout2 (sin)+與 Vout2 (sin)-是另一個全橋的輸出。兩個全橋分別用于檢測X分量(余弦分量)和Y分量(正弦分量)的磁場。圖8是一由兩個全橋組成的角度傳感器60的一實施例。每個全橋由兩個如圖3 所示的磁電阻芯片組成。參照圖7，磁電阻芯片61和64在同一個方向上形成一全橋。兩個敏感電阻對外磁場的感應(yīng)方向相同，比如，兩個敏感電阻都隨磁場X方向分量增加或減小。 磁電阻芯片62、63也以同一個方向形成另一全橋。并且與另一全橋相對旋轉(zhuǎn)90度以感應(yīng)Y 方向的磁場分量。之后通過弓丨線聯(lián)接將共同的供電電壓Bias和公共地&id連接起來，之后的敏感電壓通過 Voutl(Cos)+ 與 Voutl (cos)-，Vout2 (sin)+與 Vout2 (sin)-進(jìn)行輸出。全橋角度傳感器可以被制成如圖9所示的另一種方式。其中參考電阻處于全橋的同一分支。因此，敏感電阻必須感應(yīng)相反方向的磁場，意味著一個敏感電阻隨著磁場的增大增加，另一個敏感電阻隨著磁場的增大減小。這可以通過原片的翻轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。如圖10所示，磁電阻芯片82、84和芯片83在面內(nèi)相對芯片81旋轉(zhuǎn)90度，180度，270度。磁電阻芯片81、84組成一個全橋以感應(yīng)X方向的磁場分量，磁電阻芯片82、83組成一個全橋以感應(yīng) Y方向的磁場分量。之后通過引線聯(lián)接將共同的供電電壓Bias和公共地&id連接起來，之后的敏感電壓通過Voutl (cos)+ 與 Voutl (cos)-，Vout2 (sin) +與 Vout2 (sin)-進(jìn)行輸出， 如圖10所示。以上對本發(fā)明的特定實施例結(jié)合圖示進(jìn)行了說明，很明顯，在不離開本發(fā)明的范圍和精神的基礎(chǔ)上，可以對現(xiàn)有技術(shù)和工藝進(jìn)行很多修改。在本發(fā)明的所屬技術(shù)領(lǐng)域中，只要掌握通常知識，就可以在本發(fā)明的技術(shù)要旨范圍內(nèi)，進(jìn)行多種多樣的變更。
權(quán)利要求
1.一種獨(dú)立封裝的橋式磁場角度傳感器，其特征是該傳感器包括兩個半橋傳感器， 每個半橋傳感器包括一個傳感器芯片，其中一個磁電阻芯片相對另一個磁電阻芯片旋轉(zhuǎn)90 度排列，傳感器芯片被固定在標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體封裝的引線框上，每個傳感器芯片包括一阻止固定的參考電阻和一響應(yīng)于外磁場改變的感應(yīng)電阻；每個參考電阻和感應(yīng)電阻包括多個 MTJ或GMR傳感器元件，這些MTJ或GMR傳感器元件作為單獨(dú)的磁電阻元件以陣列的形式相互連接，每個參考電阻和感應(yīng)電阻還包括條形永磁鐵，在各列磁電阻元件中間為磁電阻元件提供偏置場；所述感應(yīng)電阻的電阻值與外磁場在磁電阻傳輸曲線的一段范圍內(nèi)呈線性的關(guān)系；該傳感器芯片的引線焊盤設(shè)置為使磁電阻元件的每個引腳用于連接多條接合線；磁電阻傳感器芯片相互之間以及與引線框之間都通過引線接合連接，以構(gòu)成一橋式傳感器； 引線框和傳感器芯片密封在塑料之中，以形成一標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體封裝。
2.一個獨(dú)立封裝的橋式磁場角度傳感器，其特征是該傳感器包括兩個全橋傳感器， 每個全橋傳感器包括一兩個半橋傳感器，每個半橋傳感器包括一個MTJ或GMR磁電阻傳感器芯片，該傳感器芯片被固定在標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體封裝的引線框上；每個傳感器芯片包括一阻值固定的參考電阻和一響應(yīng)于外磁場改變阻值的感應(yīng)電阻；每個參考電阻和感應(yīng)電阻包括多個MTJ或GMR傳感器元件，這些MTJ或GMR傳感器元件作為單獨(dú)的磁電阻元件以陣列的形式相互連接，每個參考電阻和感應(yīng)電阻還包括條形永磁鐵，在各列磁電阻元件中間為磁電阻元件提供偏置場；感應(yīng)電阻的電阻值與外磁場在磁電阻傳輸曲線的一段范圍內(nèi)呈線性的關(guān)系；傳感器芯片的引線焊盤設(shè)置為使磁電阻元件的每個引腳可以連接多條接合線；磁電阻傳感器芯片相互之間以及與引線框之間都通過引線接合連接，以構(gòu)成一橋式傳感器；引線框和傳感器芯片密封在塑料之中，以形成一標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體封裝。
3.如權(quán)利要求2所述的橋式磁場角度傳感器，其特征是第一個全橋傳感器中的一個傳感器芯片與該全橋傳感器種的另外一個傳感器芯片同向排布，第二個全橋傳感器中的一個傳感器芯片相對該全橋傳感器中的另外一個傳感器芯片旋轉(zhuǎn)90度排布。
4.如權(quán)利要求2中所述的橋式磁場角度傳感器，其特征是第一個全橋傳感器中的一個傳感器芯片與該全橋傳感器種的另外一個傳感器芯片同向排布，第二個全橋傳感器中的一個傳感器芯片相對該全橋傳感器種的另外一個傳感器芯片旋轉(zhuǎn)90度排布。
5.如權(quán)利要求1或2所述的橋式磁場角度傳感器，其特征是所述磁電阻元件呈橢圓形。
6.如權(quán)利要求1或2所述的橋式磁場角度傳感器，其特征是所述參考電阻的磁電阻元件與所述感應(yīng)電阻的磁電阻元件具有不同的形狀比例。
7.如權(quán)利要求1所述的橋式磁場角度傳感器，其特征是所述參考電阻被一個或幾個磁屏蔽層從外磁場中隔離開來。
8.如權(quán)利要求1或2所述的橋式磁場角度傳感器所述的傳感器芯片，其特征是所述傳感器芯片上設(shè)置有用于驅(qū)動其工作的偏置電壓或偏置電流。
9.如權(quán)利要求1或2所述的橋式磁場角度傳感器，其特征是所述傳感器芯片在裝配之前進(jìn)行測試和分級，以使傳輸特性曲線更好地匹配。
10.如權(quán)利要求1或2所述的橋式磁場角度傳感器，其特征是采用并排的方式設(shè)置橋式磁場角度傳感器以用于檢測低磁場梯度的角度。
11.如權(quán)利要求1或2所述的橋式磁場角度傳感器，其特征是采用共同中心的方式設(shè)置橋式磁場角度傳感器以用于檢測高磁場梯度的角度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種獨(dú)立封裝的橋式磁場角度傳感器，該角度傳感器由一對相互旋轉(zhuǎn)90度放置的半橋MTJ傳感元件組成，分別用于測量兩個正交方向的磁場分量。該傳感器也可以由一對MTJ全橋構(gòu)成，每個MTJ全橋分別由一對MTJ傳感器芯片組成。傳感器芯片位于半導(dǎo)體封裝的引線框內(nèi)并通過引線連接。傳感器可以封裝成各種標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體封裝形式或是封裝成低成本的半導(dǎo)體封裝形式。
文檔編號G01R33/09GK102298124SQ20111013020
公開日2011年12月28日 申請日期2011年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月3日
發(fā)明者張小軍, 沈衛(wèi)鋒, 王建國, 薛松生, 詹姆斯·G·迪克, 金英西, 雷嘯鋒 申請人:江蘇多維科技有限公司