用于产生变化的磁场的磁传感器的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本公开内容涉及磁场传感器，并且更具体而言，涉及具有集成线圈或磁体的磁场 传感器。
【背景技术】
[0002] 有多种类型的磁场感测元件，包括但不限于：霍尔效应元件、磁阻元件和磁敏晶体 管。还众所周知的是，有不同类型的霍尔效应元件，例如，平面霍尔元件、垂直霍尔元件和圆 形垂直霍尔（CVH)元件。还知道有不同类型的磁阻元件，例如，各向异性磁阻（AMR)元件、 巨磁阻（GMR)元件、隧穿磁阻（TMR)元件、锑化铟（InSb)元件和磁性隧道结（MTJ)元件。
[0003] 霍尔效应元件产生与磁场强度成正比的输出电压。相反，磁阻元件与磁场成比例 地改变电阻。在电路中，可以引导电流通过磁阻元件，由此产生与磁场成正比的电压输出信 号。
[0004] 使用磁场感测元件的磁场传感器用于各种设备中，这些设备包括感测由电流运载 导体所运载的电流产生的磁场的电流传感器、感测铁磁或磁性对象的接近的磁开关（本文 也称为接近检测器）、感测铁磁物体（例如，轮齿）通过的旋转检测器、以及感测磁场或磁场 的磁通量密度的磁场传感器。
【发明内容】
[0005] 本发明的示例性实施例提供了用于具有集成线圈和感测元件的磁传感器的方法 和装置，以检测由于诸如铁磁轮齿等目标的运动而由被激励线圈产生的磁场的变化。在一 个实施例中，感测元件包括巨磁阻（GMR)元件，其对磁场变化具有比可比的霍尔元件更大 的灵敏度。GMR换能器可以包括采用桥式构造的多个GMR元件，在这种情况下，可以将Η桥 的第一对GMR元件安置于线圈的一端，可以将第二对GMR元件安置于线圈的相对端。或者， 磁场感测元件可以是霍尔元件。
[0006] 在实施例中，磁场传感器包括半导体基板、被配置成响应于线圈中的变化电流来 提供变化磁场的线圈；以及受基板支撑并配置成感测受铁磁目标的存在影响的磁场的磁场 感测元件。可以由耦合到线圈的脉冲或瞬态电流源来提供电流。特征可以包括以下一个或 多个。可以由设置在基板表面上的至少一个金属层来形成线圈。可以将磁场感测元件的至 少一部分安置于线圈的环内。电源可以耦合到线圈。可以将线圈安置于基板上方或下方。 线圈可以是被包括在与所述基板的封装件相同的封装件中的独立形成的元件。
[0007] 在另一实施例中，一种检测磁场的方法包括：提供半导体基板，驱动变化的电流通 过线圈使得所述线圈产生变化的磁场，以及利用由所述基板支撑的磁场感测元件来感测由 于铁磁目标的接近而导致的变化的磁场中的变化。特征可以包括以下特征中的一个或多 个。该方法可以包括由设置在基板表面上的一个或多个金属层来形成感应线圈，和/或采 用桥式构造的多个GMR元件的形式来提供所述磁场感测元件，在这种情况下，可以将第一 对GMR元件安置于感应线圈的一端，并且可以将第二对GMR元件安置于线圈的相对端。可 以将磁场感测元件的至少一部分安置于感应线圈的环内。可以以霍尔元件的形式提供磁场 感测元件。该方法可以包括向线圈提供脉冲或瞬态电流，将线圈附接到基板顶表面或底表 面，和/或将所述线圈提供为在与所述基板的封装件相同的封装件中的独立形成的元件。
【附图说明】
[0008] 附图辅助解释所公开的技术并且图示了各种示例性实施例。它们并非旨在限制本 发明的范围，也并非旨在呈现每种可能的实施例。图中相同的编号表示相同的元件。
[0009] 图1是具有集成线圈的磁传感器的实施例的示意图。
[0010] 图2是磁传感器系统的电路示意图。
[0011] 图3是具有集成线圈的磁传感器的另一实施例的示意图。
[0012] 图4A和4B是示例性线圈的顶视图。
[0013] 图5是具有集成线圈和目标的磁传感器的实施例的示意图。
[0014] 图6是具有集成线圈的磁传感器的实施例的示意图。
[0015] 图7是具有集成线圈的磁传感器的实施例的示意图。
[0016] 图8是磁传感器组件的示意图。
[0017] 图9是磁传感器组件的分解示意图。
[0018] 图10A和图10B是磁传感器和目标的示意图。
[0019] 图11是用于感测目标的方法的流程图。
[0020] 图12是用于感测目标的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0021] 在描述本发明之前，提供一些信息。如这里使用的，术语"磁场感测元件"用于描 述可以感测磁场的各种电子元件。磁场感测元件可以是，但不限于，霍耳效应元件、磁阻元 件或者磁敏晶体管。众所周知的是，有不同类型的霍尔效应元件，例如，平面霍尔元件、垂直 霍尔元件和圆形垂直霍尔（CVH)元件。还众所周知的是，有不同类型的磁阻元件，例如，诸 如锑化铟（InSb)的半导体磁阻元件、巨磁阻（GMR)元件、各向异性磁阻（AMR)元件、隧穿磁 阻（TMR)元件和磁性隧道结（MTJ)元件。磁场感测元件可以是单个元件，或者，替代地可以 包括两个或更多布置成各种构造（例如，半桥或全（惠特斯通）桥）的磁场感测元件。根 据器件类型和其它应用要求，磁场感测元件可以是由诸如硅（Si)或锗（Ge)的IV族类型的 半导体材料、或像砷化镓（GaAs)或铟化合物（例如，锑化铟（InSb))的III-V族类型的半 导体材料制成的器件。
[0022] 众所周知，上述磁场感测元件中的一些元件往往具有平行于支撑磁场感测元件的 基板的最高灵敏度轴，上述磁场感测元件中的其它元件往往具有垂直于支撑磁场感测元件 的基板的最高灵敏度轴。具体而言，平面霍尔元件往往具有垂直于基板的灵敏度轴，而基于 金属的或金属的磁阻元件（例如，GMR、TMR、AMR)和垂直霍尔元件往往具有平行于基板的灵 敏度轴。
[0023] 如这里使用的，术语"磁场传感器"用于描述一般结合其它电路来使用磁场感测元 件的电路。磁场传感器用于各种应用中，包括但不限于：感测磁场方向的角度的角度传感 器、感测由电流运载导体所运载的电流产生的磁场的电流传感器、感测铁磁物体的接近的 磁开关、感测诸如环形磁铁或铁磁目标（例如轮齿）的磁畴的铁磁物体通过的旋转检测器 (其中，结合反向偏置或其它磁体来使用磁场传感器）、以及感测磁场的磁场密度的磁场传 感器。如这里使用的，术语"目标"用于描述要由磁场传感器或磁场感测元件感测或检测的 对象。
[0024] 图1是磁场传感器10和目标12的示例性实施例的示意图。磁场传感器10可以 包括封装件14、感测元件16 (换能器）和线圈18。磁场传感器10还包括半导体管芯或集 成电路20、引线框架22以及引线24a和24b。丝焊26和28将管芯20耦合到引线24a和 24b。在其它实施例中，可以利用包括但不限于焊料凸点、焊球或柱凸点的其它标准封装方 法来将管芯20耦合到引线24a和24b。在其它实施例中，可以例如在倒装芯片或引线上芯 片构造中附接管芯。
[0025] 在实施例中，目标12产生或者提供磁场。例如，在实施例中，目标12包括产生磁 场的硬铁磁体目标。替代地，目标12可以是产生磁场的任何类型的材料，这些材料包括但 不限于，电磁体或者其它类型的电路。在实施例中，目标12还可以包括能够在其中感应出 涡电流的非铁磁材料。目标12还可以包括改变接近目标的磁场大小和/或方向的软铁磁 材料。
[0026] 封装件14可以是行业中已知的任何类型的芯片或集成电路封装，包括但不限于 塑料封装、陶瓷封装、玻璃密封的陶瓷封装、低温共烧陶瓷或板上芯片密封剂。半导体管芯 20可以包括驱动线圈18和感测元件16的一个或多个集成电路。
[0027] 在一些实施例中，线圈18产生磁场。线圈18将是导电材料线圈，在利用流经材料 的电流激励时，感应出磁场。集成电路20可以被配置成驱动变化的电流通过线圈18,导致 由线圈18产生的变化的磁场。变化的电流可以是交流电流、斜坡电流、脉冲电流、瞬态电流 或导致线圈18产生类似变化的（即，互补的）磁场的任何类型的变化电流。线圈18产生 的变化磁场可以具有充分大小以与目标12的主体相交和/或在目标12中感应涡电流。
[0028] 如图1所示，线圈18与集成电路20相邻。然而，这不是必需的。在各实施例中， 可以将线圈18置于允许由线圈18产生的磁场在目标12中产生涡电流并且允许磁场被感 测元件16检测的任何位置。因此，线圈18可以被置于封装件14之内、集成电路20的表面 上、封装件14的外部、封装件14的表面上、封装件14之内独立于集成电路20的独立基板 上，等等。
[0029] 线圈18还可以独立于封装件14,并且可以例如独立于封装件14安装。线圈18可 以被包封于其自己的封装件中。在实施例中，如果线圈18独立于封装件14,线圈18可以经 由诸如引线24a和24b的引线电耦合至集成电路20。在其它实施例中，线圈20可以电耦合 至能够驱动电流通过线圈18以产生磁场的独立电路。在期望静态、缓慢变化或接近恒定的 磁场的其它实施例中，可以利用硬铁磁材料（即，永磁体）来代替线圈18。硬铁磁材料也可 以被置于允许铁磁材料被感测元件16检测到的任何位置。因此，铁磁材料可以被置于封装 件14之内、集成电路20的表面上、封装件14的外部、封装件14的表面上、封装件14之内 独立于集成电路20的独立基板上，等等。铁磁材料还可以独立于封装件14,并且可以例如 独立于封装件14安装。
[0030] 感测元件16可以是磁场感测元件，或者是可以检测磁场并响应于检测到的磁场 而产生电信号的任何其它类型的电路。信号的强度或大小可以与所检测磁场的强度或大小 成正比。在实施例中，感测元件16是霍尔效应元件、磁阻元件或电路、巨磁阻（GMR)元件或 电路等等。
[0031] 在工作中，感测元件16将检测由线圈18产生的磁场并且受到目标12的存在的影 响。在不存在目标12时，检测到的磁场（并且因此由感测元件16产生的所得信号）将具 有已知值。在检测到这个已知值时，它可能表示不存在目标12。
[0032] 目标12相对于传感器10移动时，它影响由线圈18产生并由感测元件16检测的 磁场。前面讲过目标12可以产生它自己的磁场。于是，在目标12接近传感器10时，目标 12产生的磁场与线圈18产生的磁场组合。于是，目标12的存在导致由线圈18产生的磁场 已知值的扰动或改变。可以由感测元件16检测这些扰动。例如，由感测元件16检测到的 磁通量是由目标12产生的磁场和由线圈18产生的磁场的矢量和。因此，感测元件16产生 的信号表示两个磁场的组合，即组合磁场的大小。在实施例中，可以安置目标12以增强它 对由线圈18产生的磁场的影响。例如，为了提高磁场的加法效应，可以安置目标12,使其磁 场矢量与线圈18的磁场矢量成直线（S卩，与之方向相同或相反和/或对准）和/或使得目 标12距线圈18尽可能近。
[0033] 集成电路20可以将所检测磁场的大小与由线圈18产生的磁场的预期值进行比 较。如果测量值与预期值不同，这可以表示目标12的存在或接近。在实施例中，集成电路还 可以检测目标12的相对距离。例如，可以对准目标12的磁场，使得目标12越接近传感器 10,目标12产生的磁场对线圈18产生的磁场影响越大。于是，目标12接近传感器10时， 它将在测量磁场和预期