專利名稱：獨立封裝的橋式磁場傳感器的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及采用磁性隧道結(jié)(MTJ, Magnetic Tunnel Junction)或巨磁阻(GMR7Giant Magnetoresitance)器件的磁場測量領域,特別涉及通過標準半導體封裝技術(shù)將MTJ或GMR器件集成到磁性傳感器的方法。
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準的半導體制造工藝兼容，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被證明存在很大困難。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種可以利用標準的多芯片半導體封裝工藝量產(chǎn)橋式線性磁電阻傳感器的方式，以制造性能優(yōu)良的MTJ和GMR傳感器。為達到上述目的，本實用新型一方面提供一種獨立封裝的橋式磁場傳感器，包括一對或多對MTJ或GMR磁電阻傳感器芯片，該傳感器芯片被固定在標準半導體封裝的引線框上，每個傳感器芯片包括一阻值固定的參考電阻和一響應于外磁場改變阻值的感應電阻。每個參考電阻和感應電阻包括多個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。感應電阻的電阻值與外磁場在磁電阻傳輸曲線的線性區(qū)間呈線性的關系；傳感器芯片的引線焊盤設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，以形成一標準的半導體封裝。本實用新型另一方面提供一種獨立封裝的橋式磁場傳感器，該傳感器包括一對或多對MTJ或GMR磁電阻傳感器芯片，該傳感器芯片固定在標準半導體封裝的引線框上；每個傳感器芯片包括一阻值固定的參考電阻和一響應于外磁場改變阻值的感應電阻；每個參考電阻和感應電阻包括多個MTJ或GMR傳感器元件，這些MTJ或GMR傳感器元件作為單獨的磁電阻元件以矩陣形式相互連接；感應電阻的電阻值與外磁場在磁電阻傳輸曲線的線性區(qū)間呈線性的關系；傳感器芯片的引線焊盤設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，以形成一標準的半導體封裝。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有優(yōu)點采用標準的半導體封裝的方式制作橋式線性磁電阻傳感器，其易于制造，成本低，且性能優(yōu)良，適合大批量生產(chǎn)。

圖I是參考層磁化方向指向負H方向的自旋閥(GMR和MTJ)傳感元件的磁電阻響應示意圖；圖2是具有固定的參考電阻和感應電阻的TMR半橋不意圖；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是磁電阻芯片的半橋的另一種實施方式，其中參考電阻和感應電阻由多個矩陣分布的MTJ元件組成；圖5是半橋磁電阻芯片的布置和連接成標準的半導體封裝的示意圖；圖6是全橋傳感器的示意圖；圖7是具有兩個置于標準的半導體封裝中的半橋磁電阻傳感器芯片的全橋傳感器的示意圖。
具體實施方式
傳感元件設置由自旋閥，其中有一個磁性層的磁化方向固定，以作為一參考。該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)，被一釘扎層釘住。另一磁性層，稱為磁性自由層，在自旋閥中能夠響應外加磁場的方向而轉(zhuǎn)動。自旋閥的電阻隨著自由層相對于固定層(被釘扎住)的方向變化，其次隨著自由層上的磁場變化。在MTJ元件中，自由層和固定層由勢壘分隔開來，電流流過勢壘。在GMR元件中，自由層和釘扎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I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I和高電阻2，電阻值分別為&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，傳輸曲線并不關于H=O的點對稱。負向飽和場4和正向飽和場5由于自由層和釘扎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，主要由材料和制造工藝決定。在位于負向飽和場4和正向飽和場5之間的工作區(qū)域，MTJ和GMR的理想響應是線性的。MTJ元件的靈敏度，即圖I中傳輸曲線中的斜線3的斜率，則主要由自由層響應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，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。[0018]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和一阻值響應于外磁場的感應電阻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的設計。在這一設計中，參考電阻23和感應電阻24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)成參考電阻和感應電阻。在各列MTJ元件之間，有條狀的永磁鐵(PM)26，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應參照釘扎層的磁化方向。在芯片制備不中，條狀PM必須磁化到垂直于釘扎層的方向，以為自由層提供穩(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是磁電阻芯片半橋30的另一種設計。參考電阻33和感應電阻34分別由許多個MTJ元件331和341組成，這些MTJ元件331和341通常都排列成矩陣的形式以獲得大面積利用。MTJ元件通過串聯(lián)組成參考電阻和感應電阻。由于參考電阻對外磁場不敏感，所以參考MTJ元件331可以相對感應MTJ元件341具有不同的形狀和/或不同比例系數(shù)以獲得大的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37。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5是磁電阻芯片半橋43的布置和連接成標準的半導體封裝的示意圖。電氣連接是通過引線接合實現(xiàn)的。磁電阻傳感器芯片相互之間以及與引線框之間通過引線接合連接。其中的半橋芯片可以是圖3和圖4所示實施例中的一種。芯片對磁場的敏感方向46相對于封裝的原始方向47如圖所不。圖6是主要由兩個半橋組成的全橋50的示意圖。一個半橋由參考電阻Rrefl 531和感應電阻Rsl 541組成，另一個半橋由參考電阻RMf2 532和感應電阻Rs2 542組成，兩半橋相并行地連接在電壓偏置端Vbias 55和地GND 51之間。輸出電壓是V+和V-的電勢差。圖7是采用兩個磁電阻芯片631和632連接成標準半導體封裝的全橋傳感器的示意圖。電氣連接是通過引線接合法實現(xiàn)的。磁電阻傳感器芯片相互之間以及與引線框之間通過引線接合連接。其中的兩個磁電阻芯片可以是圖3和圖4所示實施例中的一種。芯片對磁場的敏感方向68相對于封裝的原始方向67如圖所不。在這一全橋傳感器的實施方式中，兩個磁電阻芯片的定位方向相反，因此兩個敏感電阻分別相反極性地響應外加磁場。在零場時，參考電阻和敏感電阻需要很好的匹配，故所有的MTJ元件以完全相同的工藝制備。此外，參考電阻和感應電阻的形狀和/或形狀比例需要在電阻匹配的限制條件下進行調(diào)整。推挽式的全橋傳感器能提供比普通的全橋傳感器更高的靈敏度和更大的輸出電壓。和普通全橋具有兩個固定阻值的參考電阻不同，推挽式全橋的四個電阻都響應外磁場、并隨外場發(fā)生變化。上述實施例只為說明本實用新型的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術(shù)的人士能夠了解本實用新型的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本實用新型的保護范圍。凡根據(jù)本實用新型精神實質(zhì)所作的等效變化或 修飾，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種獨立封裝的橋式磁場傳感器，其特征是該傳感器包括一對或多對MTJ或GMR磁電阻傳感器芯片，該傳感器芯片被固定在標準半導體封裝的引線框上，每個傳感器芯片包括一阻值固定的參考電阻和一響應于外磁場改變阻值的感應電阻；每個參考電阻和感應電阻包括多個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；感應電阻的電阻值與外磁場在磁電阻傳輸曲線的線性區(qū)間呈線性的關系；傳感器芯片的引線焊盤設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，以形成一標準的半導體封裝。
2.如權(quán)利要求I所述的橋式磁場傳感器，其特征是該傳感器為包含一個傳感器芯片的一半橋傳感器。
3.如權(quán)利要求I所述的橋式磁場傳感器，其特征是該傳感器為包含一對傳感器芯片的一全橋傳感器，其中一個傳感器芯片為相對另一個傳感器芯片旋轉(zhuǎn)180度的排布。
4.如權(quán)利要求I所述的橋式磁場傳感器，其特征是磁電阻元件的形狀是條狀的，包括橢圓、矩形、菱形。
5.如權(quán)利要求I所述的橋式磁場傳感器，其特征是參考電阻的磁電阻元件與感應電阻的磁電阻元件具有不同的形狀比例。
6.如權(quán)利要求I所述的橋式磁場傳感器，其特征是參考電阻被一個或幾個磁屏蔽層從外磁場中隔尚開來。
7.—種獨立封裝的橋式磁場傳感器，其特征是該傳感器包括一對或多對MTJ或GMR磁電阻傳感器芯片，該傳感器芯片固定在標準半導體封裝的引線框上；每個傳感器芯片包括一阻值固定的參考電阻和一響應于外磁場改變阻值的感應電阻；每個參考電阻和感應電阻包括多個MTJ或GMR傳感器元件，這些MTJ或GMR傳感器元件作為單獨的磁電阻元件以矩陣形式相互連接；感應電阻的電阻值與外磁場在磁電阻傳輸曲線的線性區(qū)間呈線性的關系；傳感器芯片的引線焊盤設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；弓丨線框和傳感器芯片密封在塑料之中，以形成一標準的半導體封裝。
8.如權(quán)利要求7所述的橋式磁場傳感器，其特征是該傳感器為包含一個傳感器芯片的一半橋傳感器。
9.如權(quán)利要求7所述的橋式磁場傳感器，其特征是該傳感器為包含一對傳感器芯片的一全橋傳感器，其中一個傳感器芯片為相對另一個傳感器芯片旋轉(zhuǎn)180度的排布。
10.如權(quán)利要求7所述的橋式磁場傳感器，其特征是磁電阻元件的形狀是條狀的，包括橢圓、矩形、菱形。
11.如權(quán)利要求7所述的橋式磁場傳感器，其特征是參考電阻的磁電阻元件與感應電阻的磁電阻元件具有不同的形狀比例。
12.如權(quán)利要求7所述的橋式磁場傳感器，其特征是參考電阻被一個或幾個磁屏蔽層從外磁場中隔尚開來。
專利摘要本實用新型涉及一種采用磁性隧道結(jié)的橋式磁電阻傳感器。該磁強計由封裝在半導體芯片內(nèi)的一個半橋或幾個全橋磁隧道結(jié)傳感器芯片組成。之后，傳感器芯片通過引線邦定法相互連接。芯片引線邦定至多種標準半導體引線框，并封裝成低成本的標準半導體封裝形式。
文檔編號G01R33/09GK202433514SQ20112017608
公開日2012年9月12日 申請日期2011年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月17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