專利名稱：3d磁傳感器的制作方法
3D磁傳感器
背景技術(shù)：
磁場傳感器器件廣泛地用在傳感器應(yīng)用中，用于在許多汽車和工業(yè)應(yīng)用中無接觸地感測磁場。例如，在汽車應(yīng)用中，霍爾效應(yīng)器件可以用于通過測量嵌入在車輪中的磁疇的速度來測量自動剎車系統(tǒng)(ABS)速度傳感器中的車輪速度。在該示例中，如果磁體接近固定的霍爾效應(yīng)器件，則霍爾效應(yīng)器件將測量磁場的增加。測量磁場增加所處的頻率允許確定車輪的速度。典型地，磁場傳感器器件被配置為測量沿單個軸的磁場分量。例如，半導(dǎo)體管芯內(nèi) 包括的橫向霍爾板可以被配置為測量沿與半導(dǎo)體管芯的表面垂直的軸的磁場分量。替選地，半導(dǎo)體管芯內(nèi)包括的豎直霍爾板可以被配置為測量沿與半導(dǎo)體管芯的表面平行的軸的磁場分量。由于磁場傳感器器件僅能夠測量沿單個軸(例如，與平面平行的面內(nèi)軸或者與平面成法向的面外軸)的磁場分量，因此面外角度的測量是困難的。常常使用不同類型的磁場傳感器器件的組合來進行面外角度的測量，這些磁場傳感器器件被分別配置為測量面內(nèi)場分量和面外場分量。通過將磁場分解為垂直于表面的一個分量和平行于表面的另一分量，可以將面外角度計算為兩個分量之間的角度。例如，圖I圖示了示例性的現(xiàn)有技術(shù)的磁場傳感器100，其被配置為測量磁場
B的面外角度0。磁場傳感器100包括半導(dǎo)體管芯102,半導(dǎo)體管芯102包括橫向磁場傳
感器104 (例如，普通霍爾效應(yīng)器件)和豎直磁場傳感器106 (例如，豎直霍爾效應(yīng)器件)。橫向磁場傳感器104被配置為測量與半導(dǎo)體管芯102的水平“頂”表面垂直的豎直磁場分量108。豎直磁場傳感器106被配置為測量與半導(dǎo)體管芯102的水平“頂”表面平行的水平磁場分量110。處理單元可以被配置為接收測量的豎直磁場分量108和水平磁場分量110并且基于它們計算沿多個方向(例如，沿x、y和z軸)的磁場分量。然而，所得到的計算的磁場分量對兩種類型的傳感器的公差都敏感并且因此受到兩種傳感器類型中的不太精確的傳感器類型的公差限制。


圖I圖示了被配置為測量磁場的面外角度的示例性的現(xiàn)有技術(shù)的磁場傳感器。圖2圖示了包括附接到包括多個磁傳感器元件的基板的表面的軟磁體的磁場傳感器的第一實施例的橫截面視圖。圖3a示出了在存在磁場源生成的外部磁場的情況下與包括球形軟磁體的磁場傳感器對應(yīng)的磁場線。圖3b示出了與施加的磁場和球形軟磁體生成的反作用磁場的疊加對應(yīng)的磁場線。圖4圖示了包括球形軟磁體的磁場傳感器的三維視圖。圖5圖示了被配置為減小基板上的軟磁體的放置公差的校準系統(tǒng)的框圖。圖6圖示了包括附接到半導(dǎo)體管芯的球形軟磁體的磁場傳感器的側(cè)剖面。
圖7圖示了具有從頂視圖和橫截面?zhèn)绕拭媸境龅那蛐诬洿朋w的磁場傳感器的更具體的實施例。圖8a至Sb圖示了包括球形軟磁體的磁場傳感器的磁場線圖以及相關(guān)聯(lián)的向量圖。圖9圖示了應(yīng)用于包括球形軟磁體的磁場傳感器的笛卡爾坐標系。圖10圖示了用于制造如此處提供的磁場傳感器的示例性方法。
圖Ila圖示了包括基本上共面的多個磁傳感器元件的磁場傳感器。圖Ilb圖示了包括非共面的多個磁傳感器元件的磁場傳感器。圖12a圖示了附接到包括玻璃晶片的半導(dǎo)體管芯的“頂部”的磁場傳感器的一個實施例。圖12b圖示了附接到包括玻璃晶片的半導(dǎo)體管芯的“底部”的磁場傳感器的替選實施例。圖13a至13b圖示了包括用于速度檢測傳感器系統(tǒng)的利用磁阻(XMR)傳感器的圓柱形軟磁體的磁場傳感器的另外的實施例。圖14圖示了用于確定具有非正交面外角度的磁場分量的示例性方法的流程圖。
具體實施例方式現(xiàn)在將參照附圖來描述本發(fā)明，其中相同的附圖標記用于通篇指示相同的元件，并且其中圖示的結(jié)構(gòu)和器件不一定依比例繪制。本公開的一些方面提供了一種磁場傳感器，其被配置為確定具有非正交面外角度的磁場分量。在一個實施例中，方法和裝置包括(例如，直接地或者經(jīng)由一個或多個空隙層)附接到基板表面的蹲伏的(squat)軟磁體，該基板包括具有安置成預(yù)定配置的多個空間多樣的磁傳感器元件的磁傳感器陣列。在存在外部磁場的情況下，蹲伏的軟磁體變得磁化以生成反作用磁場，該反作用磁場作為基板內(nèi)或者基板表面上的位置的函數(shù)而變化。多個磁傳感器元件分別被配置為測量沿第一軸(例如，z軸)的外部磁場和反作用磁場的疊加的磁場值，導(dǎo)致了沿第一軸的磁場分量的多個空間多樣的測量結(jié)果。可以對多個空間多樣的測量結(jié)果進行處理以計算外部磁場沿多個軸(例如，X軸、y軸和Z軸)的外部磁場的磁場分量。圖2圖示了磁場傳感器200的第一實施例的橫截面視圖，磁場傳感器200包括直接地或者經(jīng)由空隙結(jié)構(gòu)或?qū)佣浇拥交?02的表面的蹲伏的軟磁體206，基板202包括多個磁傳感器元件204。將認識到，如此處提到的術(shù)語基板可以包括任何類型的半導(dǎo)體本體(例如，硅、SiGe, S0I)，諸如半導(dǎo)體晶片或者晶片上的一個或多個管芯，以及任何其他類型的半導(dǎo)體和/或在其上形成的和/或以其他方式與其相關(guān)聯(lián)的外延層。此外，術(shù)語“軟磁體”廣泛地意味著涵蓋使磁場畸變(即，具有不同于I的相對磁導(dǎo)率)而非獨立地引發(fā)磁場(例如,如包括永磁的“硬磁體”那樣)的材料。例如,軟磁體可以包括具有大的相對磁導(dǎo)率的材料，諸如鐵磁或亞鐵磁材料(例如，具有U r=4000的鐵,或者具有iir=10000的高磁導(dǎo)率合金(MuMetal ))。參照圖2，多個空間多樣的磁傳感器元件204x (其中x=a，b,…n)被包括在基板202內(nèi)和/或上的預(yù)定位置/方位。多個磁傳感器元件204可以包括與軟磁體206接近布置的相同類型的若干個磁場傳感器器件。例如，在一個實施例中，多個磁傳感器兀件204可以包括例如配置成位于軟磁體206下面的陣列結(jié)構(gòu)的多個豎直霍爾效應(yīng)器件或者磁阻(XMR)傳感器。在更具體的實施例中，多個磁傳感器元件204可以包括配置成陣列結(jié)構(gòu)的多個霍爾板以檢測沿與基板202的“頂”表面成法向的z軸的磁場分量。軟磁體206被配置在基板202的表面上與多個磁傳感器元件204接近。軟磁體206可以包括任何蹲伏的軟磁體，其具有與基板202的頂表面平行的第一尺寸Cl1和與基板202的頂表面垂直的第二尺寸d2。在一個實施例中，蹲伏的軟磁體可以包括小于或等于3:1的第一和第二尺寸之間的寬長比(Cl1 = Cl2)(例如，Cl1 = Cl2=Ill),其中寬長比是一個面內(nèi)尺寸與一個面外尺寸的比(例如，y尺寸Z尺寸和X尺寸Z尺寸)。此外,蹲伏的軟磁體可以包括大于或等于1:3的第一和第二尺寸之間的寬長比(d1:d2)。因此，寬長比限定了蹲伏的軟磁體既不是管芯表面上的薄膜(例如，具有小于3:1的寬長比)也不是與管芯表面垂直的細長結(jié)構(gòu)(例如，具有大于1:3的寬長比)。
在一個具體的實施例中，軟磁體206可以具有基本上相等的第一和第二尺寸Cl1和d2 (例如,Cl1 ^ d2)。面內(nèi)尺寸和面外尺寸之間的這種對稱性使磁場的面內(nèi)分量的畸變與磁場的面外分量的畸變相同，導(dǎo)致了這兩個分量的精確的磁場測量結(jié)果。間隙層208可以被配置在軟磁體206與多個磁傳感器元件204中的一個或多個和/或基板202之間。在各種實施例中，間隙層208可以包括一個或多個金屬層和/或金屬間氧化物層加上聚酰亞胺和/或其他保護層。在一個實施例中，間隙層208可以由具有高尺寸穩(wěn)定性的非磁材料制成因此有機涂覆材料是次優(yōu)的。在存在外部磁場(圖2中未示出)的情況下，軟磁體206變得磁化，使其生成反作用磁場，該反作用磁場與外部磁場一起形成非均勻的疊加磁場，該疊加磁場具有等于外部磁場和反作用磁場的疊加的值。參見上圖3。多個磁傳感器元件204耦接到測量單元210，測量單元210被配置為從多個空間多樣的磁傳感器元件204a、204b、204n接收疊加磁場的單個磁場分量(例如，z分量)的測量結(jié)果，導(dǎo)致了多個空間多樣的疊加磁場分量測量結(jié)果。多個空間多樣的疊加磁場分量測量結(jié)果可以由測量單元210進行處理以計算沿多個軸(例如，X軸、y軸和z軸)的外部磁場的磁場分量。因此，磁場傳感器200允許由單個類型的磁場傳感器器件(例如，沿多個軸)精確地測量所施加的具有面外角度的磁場。如此處使用的術(shù)語“寬長比”指的是磁場傳感器正在使用的許多個尺寸的寬長比。例如,在其中多個磁傳感器元件包括2維傳感器陣列(例如，對應(yīng)于圖6中所示的3d磁場傳感器，其被配置為檢測x、y和z方向上的磁場分量)的應(yīng)用中，笛卡爾坐標系中的寬長比將指的是如下的比軟磁體的I尺寸軟磁體的Z尺寸以及軟磁體的X尺寸軟磁體的Z尺寸。在其中多個磁傳感器元件包括被配置為檢測面內(nèi)和面外方向上的磁場分量的、沿單個方向?qū)实膫鞲衅?例如，對應(yīng)于圖13a至13b的速度傳感器)的另一不例中，笛卡爾坐標系中的寬長比將指的是如下的比軟磁體的I尺寸軟磁體的z尺寸或者軟磁體的X尺寸軟磁體的z尺寸。軟磁體可以包括提供可接受的寬長比的多種不同形狀。在一個實施例中，軟磁體可以包括球形。在又一實施例中，軟磁體可以包括圓柱形。在另外的實施例中，軟磁體可以包括如下形狀，所述形狀包括但不限于立方體形狀、橢圓形狀、直角棱柱等。軟磁體的這些蹲伏的形狀提供了沿正交軸(例如，沿面內(nèi)軸以及沿與面內(nèi)軸正交的面外軸)的基本上相等的退磁因子。因此，在存在外部磁場的情況下，當(dāng)軟磁體變得磁化以生成反作用磁場時，退磁因子的影響在不同的方向上基本上相等，以便不使一個方向(例如，沿面內(nèi)軸)上的磁場的放大大于另一方向(例如，沿正交的面外軸)上的磁場的放大。此外，由于反作用磁場是軟磁體的形狀(例如，軟磁體的蹲伏的形狀)的強函數(shù)以及軟磁體的相對磁導(dǎo)率的弱函數(shù)，因此相對磁導(dǎo)率對不同方向上(例如,在x、y和z方向上)的疊加磁場的測量結(jié)果的影響得以減小(例如，被有效地消除)以便不影響面內(nèi)場分量或者面外場分量。在各種實施例中，軟磁體的尺寸可以減小磁導(dǎo)率的影響，可以抑制到下至 0. 1%。圖3a示出了在存在磁場源306 (例如，具有取向如B場線所示的內(nèi)部磁化的永磁體)生成的外部磁場304的情況下包括球形軟磁體302的磁場傳感器。將認識到，盡管圖3a至3b示出了針對球形軟磁體描述的磁場線，但是針對圖3a至3b描述的基本原理可以應(yīng)用于如此處限定的任何蹲伏的體。在存在外部磁場304 (例如，具有如H場線所示的外部磁場)的情況下，軟磁體302變得磁化，使軟磁體302生成作為位置的函數(shù)而變化的反作用磁場308。具體地，由于外部磁場304使磁極在軟磁體302內(nèi)對準，因此通過與磁化相反的內(nèi)部退磁場而在磁化的軟磁體302的末端處形成了磁“極”。所生成的磁極導(dǎo)致了反作用磁場308。如圖3a中所示，軟磁體302包括與外部磁場304對準的北磁極(N)和南磁極(S)。如圖3b中所示，外部磁場304和反作用磁場308共同形成入射在多個磁傳感器元件312上的疊加磁場310。與因外部磁場的均勻性而在每個磁傳感器元件處具有均勻的磁場分量的外部磁場304相對,疊加磁場310是不均勻的，使得疊加磁場的z分量作為磁傳感器元件312相對于軟磁體302的位置的函數(shù)而變化。由于磁傳感器元件312的位置是已知的，因此在每個磁傳感器元件312處測量的不同的z分量可以由測量單元314進行處理以確定所施加的磁場304沿多個軸的磁場分量(例如，沿X軸的X分量、沿y軸的y分量以及沿z軸的z分量)。因此，如圖3a中所示，軟磁體302生成反作用磁場308，其以如下方式修改外部磁場304，所述方式使得各個磁傳感器元件312測量在空間多樣的磁傳感器元件312處具有不同的z分量的疊加磁場。圖4圖示了包括附接到具有多個磁傳感器元件406的半導(dǎo)體管芯404的球形軟磁體402的磁場傳感器400的三維視圖。如上文所述,球形軟磁體402的對稱性使得沿x、y和z軸的磁場分量被放大相似的因子。再者，球形軟磁體的球?qū)ΨQ性允許球體內(nèi)部的磁化各向同性(例如，沒有沿一個優(yōu)選方向?qū)实内厔?。因此，磁化可以無偏好地轉(zhuǎn)向任何方向(例如，與其中磁化希望沿最長邊對準的矩形塊相對)，由此提高了磁場傳感器的性能。軟磁體的球形還因球形軟磁體402的對稱性而提供了球形軟磁體402在半導(dǎo)體管芯404上的簡化放置。例如，球形軟磁體402不會經(jīng)歷關(guān)于傾斜和失準的問題。事實上，球形軟磁體402的放置僅需要放置在半導(dǎo)體管芯404頂部上的適當(dāng)?shù)?x，y)坐標處。在一個實施例中可以使球形軟磁體402的尺寸相對大(例如，直徑大于Imm)。球形軟磁體402的大尺寸減小了放置誤差的相對影響。此外，由于在間隙層的尺寸與球體半徑相比為小的情況下軟磁體對所施加的磁場的影響變大，因此大尺寸的球形軟磁體402還可以提高磁場傳感器性能。例如，可以使球形軟磁體的尺寸與間隙的尺寸(其由技術(shù)確定)相比相對大(例如，直徑大于1mm)。然而，實際的考慮限制了球體的尺寸。發(fā)明人已認識到，軟磁體對所施加的磁場的影響在1_以上略微下降。因此，在一個實施例中，磁球體可以具有直徑為Imm至2mm的尺寸。將認識到，盡管針對圖4中的球形軟磁體描述了蹲伏的軟磁體的放置和尺寸，但是此處提供的實施例也應(yīng)用于其他形狀的蹲伏的磁體。例如，使任何形狀的蹲伏的軟磁體的尺寸變大減小了放置誤差的相對影響。此外，盡管圖4的磁傳感器元件406被圖示為3維對稱傳感器陣列，但是這是非限制性實施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認識到，磁傳感器元件406可以包括在沿單個軸延 伸的傳感器陣列內(nèi)和/或包括在不具有對稱性的傳感器陣列內(nèi)。例如，在一個實施例中傳感器陣列可以包括沿單個方向?qū)实娜齻€元件以測量兩個方向(例如，與其中三個傳感器元件對準的直線平行的面內(nèi)方向以及與基板表面垂直的面外方向)上的磁場分量，而在另一實施例中傳感器陣列可以包括沿二維不等邊三角形配置對準的三個元件。在一個實施例中，通過使用包括在具有高度對稱性的傳感器陣列內(nèi)的磁傳感器元件，可以減小放置誤差。在替選實施例中，可以由系統(tǒng)處理大部分的放置公差。例如，圖5圖示了可以用于減小半導(dǎo)體管芯510上的軟磁體502的放置公差的校準系統(tǒng)500的框圖。校準系統(tǒng)500被配置為在將軟磁體502 (例如，球形軟磁體)附接到半導(dǎo)體管芯510上之后執(zhí)行磁場傳感器的校準。在該校準期間，測試裝置504被配置為向磁場傳感器施加方向被良好限定的測試磁場序列。根據(jù)測試磁場的測量結(jié)果計算適當(dāng)?shù)男Ｕ禂?shù)并且將其存儲在存儲器506中，存儲器506可以位于半導(dǎo)體管芯510上。在磁場分量的測量期間，測量單元508可以訪問校正系數(shù)并且將它們應(yīng)用于所施加的磁場分量的測量。盡管圖5的部件被圖示和描述為位于單個半導(dǎo)體管芯上，但是將認識到在替選實施例中，分量(例如，502、504、506和506)可以位于不止一個半導(dǎo)體管芯上。圖6圖示了包括附接到半導(dǎo)體管芯604的球形軟磁體602的磁場傳感器600的側(cè)剖面。在圖6中，磁傳感器元件608被安置在球形軟磁體602下面，其方式使得磁傳感器元件608落在球形軟磁體602在半導(dǎo)體管芯604上的投影內(nèi)(例如，磁傳感器兀件608以比球形軟磁體602的半徑小的距離隔開)。球形軟磁體的中心606關(guān)于外圍磁傳感器元件608a和608n對稱地安置(例如，球形軟磁體的中心606和兩個“外”磁傳感器兀件608a和608n之間的距離是相等的)。此外，在球形軟磁體602和磁傳感器元件608之間圖示了間隙層610(例如，包括若干個金屬和金屬間-氧化物層和聚酰亞胺保護層)。圖7圖示了具有球形軟磁體的磁場傳感器的更具體的實施例。具體地，圖7圖示了磁場傳感器的頂視圖700和磁場傳感器的橫截面?zhèn)绕拭?02。如頂視圖700中所示，磁傳感器元件704沿圓形圖案708安置在半導(dǎo)體管芯706上，該圓形圖案與球體710在半導(dǎo)體管芯706上的投影同心。更具體地，圖7圖示了包括五個磁傳感器元件(7041、704r、704t、704b、704c )的傳感器陣列，這些磁傳感器元件沿x軸和I軸對稱地安置，使得“外部”磁傳感器元件在球形軟磁體712下面具有沿圓形圖案708的90°對稱性。在替選實施例中，可以去除直接位于球形軟磁體712的中心下面的磁傳感器元件 704c。盡管圖7圖示了包括五個磁傳感器元件的2維傳感器陣列，但是通常，在如此處提供的磁場傳感器中可以使用任何數(shù)目的磁傳感器兀件。例如，在一個實施例中，三個磁傳感器元件可以沿圓形圖案708以120°對稱性設(shè)置。在替選實施例中，“外部”磁傳感器元件可以包括數(shù)目更大或更小的磁傳感器元件。使用任何更高數(shù)目的磁傳感器元件來檢測跨越半導(dǎo)體管芯的磁場圖案將導(dǎo)致提高的測量精度(例如，通過最小二乘誤差擬合或者其他回歸方案)以及系統(tǒng)的魯棒性(例如，消除不均勻的施加場并且濾除均勻的部分)。此外，盡管磁傳感器元件的對稱性可以提高磁場讀取，但是這不是必需的。在一個實施例中，磁傳感器元件可以不對稱地設(shè)置在半導(dǎo)體管芯上。例如，三個磁傳感器元件可以按非對稱圖案配置以測量沿正交軸的磁場分量(只要這三個元件不在單個直線上)。如上文所述，多個磁傳感器元件被配置為測量沿單個方向的外部磁場和反作用磁場的疊加的磁場值?？梢曰谕獠看艌龊头醋饔么艌龅寞B加的所測量磁場值來計算沿多個正交軸的磁場分量。圖8a至Sb圖示了包括球形軟磁體的磁場傳感器的磁場線圖以及相關(guān) 聯(lián)的向量圖。具體地，向量形地圖示了疊加磁場的z分量如何基于所施加的磁場的面外角度0而在各種磁傳感器元件位置處改變。圖8a圖示了在存在與z軸對準的所施加的磁場802的情況下的磁場傳感器804(即，具有面外角度9^90°)。如圖800中所示，當(dāng)磁場傳感器804處于存在所施加的外部磁場802的情況下,但是不存在軟磁體時,如向量圖806x (其中x=I, C，r)所示,每個傳感器元件802x (其中x=I, C，r)測量到z方向上的相等磁場分量。然而,如圖808中所示，當(dāng)磁場傳感器804包括被所施加的外部磁場802磁化以生成反作用磁場810的軟磁體時，所施加的外部磁場和反作用磁場的疊加使得疊加磁場的z分量作為位置的函數(shù)而改變。因此，如向量圖812所示,不同的磁傳感器元件(例如，802I、802c或802r)可以測量到z方向上的不同磁場分量。具體地,與外圍磁傳感器元件8021和802r (例如，位于其中所施加的磁場和反作用磁場處于不同方向上的位置)相比，中心磁傳感器兀件802c (例如,位于其中所施加的磁場和反作用磁場處于相同方向上的位置)處測量的疊加磁場的z分量測量到磁場的更大z分量。例如，向量圖812c具有比向量圖812r和8121大的z分量。圖Sb圖示了在存在關(guān)于z軸旋轉(zhuǎn)的所施加的磁場的情況下的磁場傳感器804(即，具有面外角度Q2〈0i)。如圖814中所不，當(dāng)磁場傳感器804處于存在所施加的外部磁場802的情況下,但是不存在軟磁體時,如向量圖816x (其中x=I, C，r)所示,每個傳感器元件802x(其中x=I, C，r)測量到z方向上的相等磁場分量。然而,如圖818中所示，當(dāng)磁場傳感器804包括被磁化以生成反作用磁場810的軟磁體時，所施加的磁場和反作用磁場的疊加使得疊加磁場的z分量作為位置的函數(shù)而改變，從而不同的傳感器元件(例如，8021、802c或802r)可以測量到z方向上的不同磁場分量。具體地，在存在所施加的磁場802的情況下，軟磁體生成與所施加的磁場802對準的北磁極(N)和南磁極(S)。這些磁極生成反作用磁場810，反作用磁場810被添加到所施加的磁場802以形成疊加磁場。對比圖8a，所施加的磁場810關(guān)于z軸的旋轉(zhuǎn)使得測量的疊加磁場的z分量不圍繞中心磁傳感器元件802c對稱。例如，右磁傳感器元件802r與左磁傳感器元件8021 (由向量圖8201圖示)相比將測量到較小的z分量(由向量圖820r圖示)，因為反作用磁場810的旋轉(zhuǎn)使得右磁傳感器元件802r的位置處的疊加磁場與左磁傳感器元件8021的位置處的疊加磁場具有較小的z分量。相似地，中心磁傳感器元件802c將測量到與圖808中測量到的z分量不同的z分量(對比向量圖812c,由向量圖820c圖示)。對圖8a至Sb中所示的所測量磁場的z分量進行處理，允許使用多個磁傳感器元件802來確定面外角度0，該面外角度0是根據(jù)磁傳感器元件的已知位置和磁場測量結(jié)果的空間多樣性而計算的。圖9圖不了應(yīng)用于包括球形軟磁體的磁場傳感器900的笛卡爾坐標系。如圖9中所不，磁場傳感器900包括圍繞笛卡爾坐標參照系的原點(0，0)對稱的磁傳感器兀件902。與圖8a至Sb中所示的向量圖類似，通過對在半導(dǎo)體管芯904上的不同空間位置處在z方向(離開紙面)上取得的磁場測量結(jié)果進行處理，可以確定不同的磁場分量(例如，x、y和z分量)。例如，所施加的磁場的X分量(hx)與位置(Xtl, 0)和位置(-Xtl, 0)處的疊加磁場(Bz%)的z分量之間的差成比例。類似地，所施加的磁場的y分量(hy)與位置(0，％)和位置(0，-%)處的Bz場之間的差成比例?？梢砸愿鞣N方式計算所施加的磁場的z分量(hz):通過使位置(Xtl, 0)和位置(-Xtl, 0)處的兩個匕場相加以獲得hzx,通過使位置(0，Yci)和位置(0，Itl)處的兩個匕場相加以獲得h/，或者通過替選地將傳感器放置在(0，0) (BP,在球體正下方)并且直接測量那里疊加磁場的z分量以獲得hzz。在另外的實施例中，在存在如下現(xiàn)象的情況下磁傳感器元件的失配、軟磁體的放置公差、磁傳感器元件的噪聲、不均勻的機械應(yīng)力以及磁傳感器元件上的溫度，可以使測量的疊加磁場分量相加(例如，hzx +hzx或者hzx + h；+hzz)以給出更好的結(jié)果。在一個實施例中，如果磁傳感器元件902被配置為響應(yīng)于豎直磁場(即，與離開紙面的z軸對準的磁場)，則可以使它們隔開某個距離，該距離使反作用磁場對磁傳感器元件的影響最優(yōu)化。在其中磁傳感器元件沿圓形圖案908設(shè)置的一個實施例中，沿給定軸(例如，X軸、y軸)并且位于圓形圖案908上的磁傳感器元件可以通過使它們彼此隔開某個距離而被最優(yōu)化，該距離等于球形軟磁體的半徑加上間隙層的高度。例如，在圖9中，位于(
0)和(- , 0)處的磁傳感器元件可以通過使它們彼此隔開a+g的距離(其中a是球體的半徑并且g是間隙層的豎直尺寸，如圖7的橫截面?zhèn)绕拭?02中所示)使得2X(l=a+g而被最優(yōu)化。相似地，位于(0，％)和(0，Itl)處的磁傳感器元件可以通過使它們彼此隔開a+g的距離使得2X(l=a+g而被最優(yōu)化。這種間隔使磁球體生成的反作用磁場對磁傳感器元件902的影響最優(yōu)化。圖10圖示了用于制造如此處提供的磁場傳感器的示例性方法1000。圖11至12圖示了如此處提供的磁場傳感器的各種實施例。盡管將結(jié)合示例性方法1000描述圖11至12，但是將認識到，這些圖不限于由該方法形成的結(jié)構(gòu)，而是作為替代包括與制造方法無關(guān)的不同的物理裝置。在1002處，形成與基板鄰接的包括多個磁傳感器元件的傳感器陣列。在一個實施例中，傳感器陣列可以在基板內(nèi)形成。在替選實施例中，傳感器陣列可以在基板頂部上形成。傳感器陣列包括具有單個類型的磁場傳感器器件的多個磁傳感器兀件。例如，在一個實施例中，磁傳感器兀件包括如下器件，這些器件響應(yīng)于磁場的z分量,但不響應(yīng)于磁場的X或y分量。磁傳感器元件通?？梢园梢栽贑MOS工藝中可集成的精確的且線性的傳感器元件。在圖Ila中所示的一個實施例中，磁場傳感器1100被配置為包括沿平面1108基本上共面(例如，與X軸平行)的多個磁傳感器陣列1106。這種實施例可以包括被配置成2維傳感器陣列的多個磁傳感器元件，該傳感器陣列在基板1104內(nèi)沿平面1108共面。在圖Ilb中所示的替選實施例中，磁場傳感器1110被配置為包括沿不止一個平面定位的多個磁傳感器元件1106。具體地，圖Ilb示出了包括堆疊管芯布置的磁場傳感器1110，其中第一半導(dǎo)體管芯1112堆疊在另一第二半導(dǎo)體管芯1114上以便形成多個平面中的磁傳感器元件1106。例如，如圖Ilb中所不,磁傳感器兀件1106a和1106c沿在第一半導(dǎo)體管芯1112內(nèi)形成的第一平面1116形成，并且磁傳感器元件1106b沿在第二半導(dǎo)體管芯1114內(nèi)形成的第二分離的平面1118形成，第二半導(dǎo)體管芯1114在磁場傳感器1110的制造期間被放置在第一半導(dǎo)體管芯1112的頂部上。具有下面的第二半導(dǎo)體管芯1114中的中心磁傳感器元件1106c的圖Ilb中所示的配置可能是有利的，從而軟磁體1102不會按壓中心磁傳感器元件1106c。
在1004處形成軟磁體。軟磁體可以包括具有低矯頑力和大相對磁導(dǎo)率的軟磁材料。在一個實施例中，軟磁體可以包括大的飽和磁化。在更具體的實施例中，軟磁體可以包括軟磁鐵氧體以及如例如透磁合金(permalloy)或高磁導(dǎo)率合金的鎳鐵合金。在一個實施例中，軟磁體可以與封裝組裝工藝或者前端半導(dǎo)體制作工藝兼容。此夕卜，軟磁體可能與焊接或粘接工藝結(jié)合是化學(xué)惰性的，所述工藝可能用于將球體附接到管芯的表面。在一個實施例中，軟磁體可以抵抗通過典型的廉價傳感器封裝的塑料封裝的腐蝕和濕氣進入。在另一實施例中，軟磁體可以包括能夠承受在磁場傳感器的制造和操作期間使用的溫度范圍的材料。在一個具體的實施例中，軟磁體首先被研磨并且隨后通過適當(dāng)?shù)臒崽幚磉M行退火(典型地在H2氣氛中進行)以減小矯頑力。在其中軟磁體包括球體的實施例中，可以使用來自滾珠軸承的制造商的公知生產(chǎn)技術(shù)來高精度地且低成本地制造軟磁體。在1006處，將軟磁體放置到基板上。如果軟磁體足夠大，則小的放置公差是無關(guān)的。而且，如上文所述可以執(zhí)行校準以去除放置公差。參見上圖5。在圖12a至12b中所示的替選實施例中，磁場傳感器可以使用“玻璃層”或玻璃晶片1210來幫助放置軟磁體1206。玻璃晶片1210可以由某種類型的玻璃制成，該類型的玻璃具有與半導(dǎo)體管芯1202的熱膨脹系數(shù)相似的熱膨脹系數(shù)。例如，硅基板可以使用Borofloat 玻璃。可以將一個或多個孔和/或凹部刻蝕到玻璃晶片1210中(例如，使用各向同性刻蝕過程)。如圖12a中所示，孔被配置為延伸通過玻璃晶片的高度，而在圖12b中，凹部未被配置為延伸通過玻璃晶片的高度。此外，孔/凹部可以被形成為具有不同的形狀。例如，在一個實施例中，孔/凹部可以與軟磁體的球形相符，而在另一實施例中，孔/凹部可以包括通過各向異性刻蝕在硅中形成的V形槽以容納部分軟磁體?？梢允褂美缯澈蟿┗蛘哧枠O接合過程將玻璃晶片1210接合到半導(dǎo)體管芯1202。玻璃晶片1210相對硅晶片的對準精度可以是極高的(例如，優(yōu)于5iim)。在接合到半導(dǎo)體管芯1202之后，使用本領(lǐng)域中公知的方法(例如，化學(xué)機械拋光)，可以使玻璃晶片1210薄化下至200-400 iim。此后，軟磁體1206可以被放置到玻璃晶片的一個或多個孔/凹部中。在一些實施例中，使用玻璃晶片進行對準允許在接合到半導(dǎo)體晶片的玻璃晶片的孔/凹部中在良好限定的位置針對管芯附接不止一個軟磁體。在一個實施例中，附接到管芯的軟磁體甚至可以具有不同的尺寸，這些尺寸可以由玻璃晶片中的孔/凹部調(diào)整。在一個實施例中，在晶片制造期間可以使用三維圖案化來幫助將一個或多個軟磁體放置在半導(dǎo)體管芯上?？梢允褂霉鈭D案化工藝進行三維圖案化，該光圖案化工藝使用例如SU8光刻膠。圖12a圖示了磁場傳感器1200的第一實施例，其中放置在半導(dǎo)體管芯1202的“頂部”上的玻璃晶片1210包括多個磁傳感器元件1204。間隙層1208被配置在半導(dǎo)體管芯1202和玻璃晶片1210之間。圖12b圖示了磁場傳感器1212的替選實施例，其中玻璃晶片1210和球形軟磁體被放置在半導(dǎo)體管芯1202的“底部”表面(即，距磁傳感器元件1204較遠的表面)上。磁場傳感器1212的替選實施例可以有利地使傳感器元件1204緊密接近某個外部結(jié)構(gòu)。在這種實施例中，可以使半導(dǎo)體管芯1202盡可能薄(例如，60 Pm厚)以便使傳感器元件1204和軟磁體1206之間的豎直距離最小化。
在1008處執(zhí)行管芯封裝。管芯封裝可以包括將半導(dǎo)體管芯(包括磁場傳感器)封裝在塑料封裝中。在一個實施例中，為了防止軟磁體上的應(yīng)力，軟磁體可以被存儲在液體乳膠中，該液體乳膠還可以防止可能引起球體表面和模制化合物之間的分層的表面氧化或腐蝕。圖13a至13b圖示了包括用于速度檢測傳感器系統(tǒng)的利用磁阻(XMR)傳感器(例如，巨磁阻(GMR)傳感器元件)的圓柱形軟磁體的磁場傳感器的另外的實施例。磁場傳感器被配置為從XMR信號的水平場分量當(dāng)中計算豎直場分量。圖13a圖示了包括半導(dǎo)體管芯1302的磁場傳感器1300的三維圖，半導(dǎo)體管芯1302具有在附接到半導(dǎo)體管芯1302的表面的圓柱形軟磁體1306周圍橫向布置(例如，朝向左側(cè)和右側(cè))的兩個長XMR傳感器帶1304。圓柱形軟磁體1306與XMR傳感器帶1304對準以便使其對稱軸1308在XMR傳感器帶1304中間。在一個實施例中，圓柱形軟磁體1306被配置為在半導(dǎo)體管芯1302的“底”側(cè)以使XMR傳感器帶和極帶(pole-strip)之間的距離最小化。如圖13b中所示，磁場傳感器1300可以包括在速度檢測傳感器系統(tǒng)1310的引線框封裝內(nèi)。圖13b圖示了耦接到半導(dǎo)體管芯1302的引線框1312，半導(dǎo)體管芯1302具有XMR傳感器帶1304并且附接到圓柱形軟磁體1306。磁場傳感器可以被封裝在封裝1314(例如，塑料封裝)中以防止對磁場傳感器的損壞。磁場傳感器被設(shè)置為接近被配置為生成外部磁場的永磁化極帶1316。極帶1316包括北(N)磁極和南(S)磁極的序列并且被配置為圍繞旋轉(zhuǎn)軸1318旋轉(zhuǎn)。N和S磁極的序列可以沿第一路徑排成一行，第一路徑與圓柱形軟磁體1306的對稱軸1308垂直。在各種實施例中，極帶可以包括直帶或者具有沿車輪周長的彎曲的極帶，從而極帶是在垂直于XMR傳感器帶延伸的方向上排成一行的N極和S極的序列。當(dāng)旋轉(zhuǎn)時，N磁極和S磁極形成振蕩外部磁場。在存在外部磁場的情況下，圓柱形軟磁體1306使極帶生成的磁場的z分量轉(zhuǎn)向X方向(即，圓柱體使極帶1316生成的磁場的z分量彎曲到X方向)。極帶1316還生成X方向和y方向上的磁場，它們是正弦的且具有90°的相移?？梢允筙MR傳感器帶1304測量的磁場分量相加以測量極帶生成的磁場的X分量。相似地，可以減去XMR傳感器帶1304測量的磁場分量以測量極帶生成的磁場的z分量。此夕卜，由于磁場的X和y分量是正弦的并且有90°相位差，因此可以使用它們來檢測旋轉(zhuǎn)方向。因此，磁場傳感器可以測量磁場的X和z分量以及極帶的旋轉(zhuǎn)方向(例如，順時針、逆時針)。在一個實施例中，如對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員公知的，磁場傳感器可以包括兩個圓柱形磁體。在這種實施例中，兩個圓柱形磁體可以在X方向上彼此隔開特定的間距。于是系統(tǒng)可以提取在兩個位置處由極帶生成的Bx場的差異和Bz場的差異。將認識到，磁場傳感器1300可以用于任何尺寸的極帶。而且，使用大的圓柱體可以調(diào)離(shunt away)XMR傳感器上的磁場的y分量,使得它們更魯棒。此外，由于XMR傳感器非常靈敏，因此與霍爾傳感器相比提高了噪聲相關(guān)品質(zhì)因數(shù)(如相位抖動和最大可能氣隙)。
圖14圖示了用于測量具有非正交面外角度的磁場分量的示例性方法1400的流程圖。盡管下文將方法1400圖示和描述為一系列動作或事件，但是將認識到，這些動作或事件的圖示順序不要被解釋為限制意義。例如，一些動作可以按不同的順序發(fā)生和/或與除了此處圖示和/或描述的動作或事件以外的其他動作或事件同時發(fā)生。此外，可能并非需要所圖示的所有動作來實現(xiàn)此處的公開實施例的一個或多個方面。再者，此處示出的一個或多個動作可以在一個或多個分離的動作和/或階段中進行。在1402處，將外部磁場施加到軟磁體以感生作為位置的函數(shù)而變化的反作用磁場。具體地，外部磁場被配置為使軟磁體的磁偶極沿與面外角度一致的軸對準，導(dǎo)致了軟磁體中的磁“極”的形成。磁極形成了反作用磁場，其疊加在外部磁場上以形成疊加磁場。在1404處，在空間多樣的位置處測量疊加磁場沿第一方向的值，導(dǎo)致了多個測量的磁場值。在一個實施例中，具有在半導(dǎo)體管芯上安置成預(yù)定配置的多個空間多樣的磁傳感器元件的磁傳感器陣列可以被配置為測量半導(dǎo)體管芯上的空間多樣的位置處的疊加磁場的值。在1406處，基于多個測量的磁場值計算沿多個軸的磁場。例如，可以基于沿z方向的多個測量的磁場分量來計算沿x、y和z方向的磁場分量。盡管關(guān)于一個或多個實現(xiàn)方案圖示和描述了本發(fā)明，但是在不偏離所附權(quán)利要求的精神和范圍的情況下可以對所圖示的示例進行變更和/或修改。使用標準的編程和/或工程技術(shù)來產(chǎn)生軟件、固件、硬件或者任何它們的組合以控制計算機實現(xiàn)所公開的主題內(nèi)容，可以將要求保護的主題內(nèi)容實現(xiàn)為方法、裝置或者制造物品。如此處使用的術(shù)語“制造物品”旨在涵蓋能從任何計算機可讀設(shè)備、載體或介質(zhì)訪問的計算機程序。當(dāng)然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，在不偏離要求保護的主題內(nèi)容的范圍或精神的情況下可以對該配置進行許多修改。具體關(guān)于由上述部件或結(jié)構(gòu)(組件、器件、電路、系統(tǒng)等)執(zhí)行的各種功能，用于描述這些部件的術(shù)語(包括提到的“裝置”)旨在(除非另外指出)對應(yīng)于執(zhí)行所描述的部件的規(guī)定功能的任何部件或結(jié)構(gòu)(例如，功能上等同)，即使在結(jié)構(gòu)上并不等同于執(zhí)行在此處圖示的本發(fā)明的示例性實現(xiàn)方案中的功能的所公開結(jié)構(gòu)。此外，盡管關(guān)于若干個實現(xiàn)方案中的僅一個實現(xiàn)方案公開了本發(fā)明的具體特征，但是這種特征可以如對于任何給定的或特定的應(yīng)用可能期望和有利的那樣與其他實現(xiàn)方案的一個或多個其他特征組合。此夕卜，就在詳細描述和權(quán)利要求中使用術(shù)語“包括(11^111也1^)”、“包括(11^111(1^)”、“具有(having)”、“具有(has)”、“帶有(with)”或者它們的變體而言，這些術(shù)語旨在按與術(shù)語“包括(comprising)”相似的方式是 內(nèi)含的。
權(quán)利要求
1.一種磁場傳感器，包括 蹲伏的軟磁體，直接地或者經(jīng)由空隙結(jié)構(gòu)或?qū)佣浇拥交?，其中在存在外部磁場的情況下，所述蹲伏的軟磁體變得磁化以生成反作用磁場，所述反作用磁場作為所述基板內(nèi)或者所述基板的表面上的位置的函數(shù)而變化； 多個磁傳感器元件，具有包括在所述基板內(nèi)或者所述基板的表面上的預(yù)定配置，其中所述多個磁傳感器元件被配置為測量沿第一軸的所述外部磁場和所述反作用磁場的疊加的磁場值；以及 測量單元，被配置為基于沿所述第一軸的所述外部磁場和所述反作用磁場的疊加的測量的磁場值來計算沿多個軸的磁場分量。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁場傳感器，其中所述蹲伏的軟磁體包括沿正交的面內(nèi)軸和面外軸的基本上相等的退磁因子，以便使沿所述面內(nèi)軸的疊加磁場分量的畸變量與沿所述面外軸的疊加磁場分量的畸變量相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁場傳感器，其中所述蹲伏的軟磁體包括與所述基板平行的第一尺寸和與所述基板垂直的第二尺寸，其中所述第一尺寸和所述第二尺寸之間的寬長比小于3:1并且大于1/3: I。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁場傳感器，其中所述蹲伏的軟磁體包括球形軟磁體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁場傳感器，進ー步包括位于所述多個磁傳感器元件和所述蹲伏的軟磁體之間的間隙層，其中所述間隙層包括ー個或多個金屬層、金屬間-氧化物層或者聚酰亞胺保護層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的磁場傳感器，其中磁傳感器元件沿如下圓形圖案安置，所述圓形圖案與所述球形軟磁體在所述基板上的投影同心。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的磁場傳感器，其中沿一個或多個面內(nèi)軸的磁傳感器元件彼此隔開如下距離，該距離等于所述球形軟磁體的半徑加上所述間隙層的高度。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁場傳感器，其中所述多個磁傳感器元件被配置為檢測沿與所述基板成法向的面外軸的磁場分量。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁場傳感器，其中所述軟磁體包括圓柱形軟磁體，所述圓柱形軟磁體具有設(shè)置在兩個磁阻傳感器帶之間的對稱軸。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的磁場傳感器， 其中所述磁場傳感器被配置為接近極帶，所述極帶包括沿第一路徑排成一行的多個磁北極和磁南極，以及 其中所述圓柱形軟磁體的對稱軸與所述第一路徑垂直。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁場傳感器，進ー步包括接合到所述基板的玻璃層，所述玻璃層包括被定位為接近所述磁場傳感器的至少ー個孔或凹部，其中所述軟磁體至少部分地包括在所述孔內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的磁場傳感器，其中所述玻璃層接合到所述基板的距所述多個磁傳感器兀件較遠的表面。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁場傳感器，其中校準系統(tǒng)被配置為執(zhí)行所述磁場傳感器的校準，其中所述校準系統(tǒng)包括 測試裝置，被配置為向所述磁場傳感器施加方向被良好限定的測試磁場序列；存儲器，被配置為存儲根據(jù)對所述測試磁場取得的測量結(jié)果所計算的適當(dāng)?shù)男Ｕ禂?shù)；以及 其中在磁場分量的測量期間，測量単元能夠訪問所述存儲器并且將校正系數(shù)應(yīng)用于所述外部磁場的測量。
14.一種磁場傳感器,包括 半導(dǎo)體管芯； 多個磁傳感器元件，安置在所述半導(dǎo)體管芯內(nèi)的或者沿所述半導(dǎo)體管芯的表面的預(yù)定位置處； 間隙層，鄰接所述半導(dǎo)體管芯或者所述多個磁傳感器元件；以及 蹲伏的軟磁體，直接地或者經(jīng)由空隙結(jié)構(gòu)或?qū)佣徑铀鲩g隙層，其中在存在外部磁場的情況下所述蹲伏的軟磁體變得磁化以生成反作用磁場，所述反作用磁場疊 加在所述外部磁場上以生成不均勻的疊加磁場，所述疊加磁場作為所述磁傳感器元件相對于所述蹲伏的軟磁體的位置的函數(shù)而變化。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的磁場傳感器，其中所述蹲伏的軟磁體包括球形軟磁體。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的磁場傳感器，其中所述蹲伏的軟磁體包括與所述半導(dǎo)體管芯平行的第一尺寸和與所述半導(dǎo)體管芯垂直的第二尺寸，其中所述第一尺寸和所述第二尺寸之間的寬長比小于3:1并且大于1/3:1，從而所述軟磁體使所述疊加磁場的面內(nèi)分量的畸變基本上與所述疊加磁場的面外分量的畸變相同。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的磁場傳感器，其中所述多個磁傳感器元件的預(yù)定位置包括關(guān)于與所述蹲伏的軟磁體的中心對準的參考系的原點的対稱性。
18.—種用于檢測磁場的方法,包括 將外部磁場施加到蹲伏的軟磁體以感生反作用磁場； 在基板內(nèi)的或者沿基板的多個空間多祥的位置處測量所述外部磁場和所述反作用磁場的疊加的磁場值；以及 基于所述外部磁場和所述反作用磁場的疊加的測量的磁場值，計算沿多個正交軸的磁場分量。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中所述蹲伏的軟磁體包括球形軟磁體。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中所述多個空間多樣的位置關(guān)于與所述蹲伏的軟磁體的中心對準的參考系的原點對稱。
全文摘要
本發(fā)明涉及3D磁傳感器。本發(fā)明的一個實施例涉及一種磁場傳感器，其包括安置在基板的表面上的蹲伏的軟磁體，該基板包括具有安置成預(yù)定配置的多個空間多樣的磁傳感器元件的磁傳感器陣列。在存在外部磁場的情況下，所述蹲伏的軟磁體變得磁化以生成反作用磁場。多個磁傳感器元件分別被配置為測量沿第一軸(例如，z軸)的外部磁場和反作用磁場的疊加的磁場值，導(dǎo)致了沿第一軸的磁場分量的多個空間多樣的測量結(jié)果。可以使用多個空間多樣的測量結(jié)果來計算外部磁場沿多個軸(例如，x軸、y軸和z軸)的磁場分量。
文檔編號G01R33/06GK102650683SQ20121004725
公開日2012年8月29日 申請日期2012年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月28日
發(fā)明者U.奧瑟萊希納 申請人:英飛凌科技股份有限公司