专利名称：磁致电阻传感器的制作方法
^i致电阻传感器对临时专利申请的交叉引用本专利申请依据美国法典第35条§ 119 (e)要求享有2005年5 月 20日才是交的题为 "Magnetoresistive Sensor "的临时专利申"i青 No.60/683628的优先权，在此通过引用将其公开内容并入。技术领域实施例总地涉及;兹致电阻传感器。实施例还涉及齿4仑齿、曲柄轴和 凸轮轴传感器。实施例此外还涉及速度和传动传感器。此外实施例还涉 及引线框架上芯片(Chip-on-Lead-Frame, COLF )构建技术及其封装组 件。
背景技术：
本领域的技术人员已知有很多不同种类的传感器。有些传感器利用 永磁体来探测相对于传感器在某预定探测区中的可磁渗透对象的存在 或不存在。与永磁体结合，这种传感器中的一些使用了相对于永磁体即 其他元件位于特定位置的霍耳效应元件。传感器利用了相对于永磁体设 置在有利位置的磁致电阻元件。这种近程式传感器，例如，无论它们使 用的是霍耳效应元件或是磁致电阻元件，都可以将其配置成感测沿大致 垂直于永磁体中心轴的方向通过探测区的可磁渗透对象的存在或不存 在，或者，可以将其配置成与大致平行于磁体中心轴的路径一起探测可 磁渗透对象沿朝向或离开永磁体磁极面的方向移动的距离。已经实现的磁传感器的一个范例是热稳定近程式传感器，其感测从 永磁体侧表面散发的磁通量。在这种构造中，含铁对象传感器探测存在 或不存在高磁导率对象，例如在速度为零且刚刚加电时，可旋转固定的 含铁轮上的齿或缺口。因此可以将这种装置用作近程式传感器，并可以用永》兹体和》兹通量 响应传感器来配置这种装置，所述传感器具有感测平面并产生根据磁通 密度变化而变化的输出电信号。在这样的配置中，铁体传感器组件不像 一些公知常规传感器那样依赖于磁极面的磁性，而是依赖于从相对磁极面之间的磁体外侧面发散的磁通密度的径向分量。由于含铁对象传感器 组件不依赖于磁极面的磁性，因此其输出电信号在较宽温度范围上都是 相对稳定的。在另 一种磁传感器结构中，可以利用四个连接成桥式电路结构的》兹 致电阻迹线构造齿轮齿位置和速度传感器。为了简化场电极效应速度和 位置传感器，可以在衬底上在矩形角部处放置四个弯曲设置的坡莫合金 电阻迹线。可以沿圆周方向将这种组件隔开大约齿轮齿间距一半的距 离。电阻可以连接成由恒流源供电的分压器结构或桥式电路的形式，以 消除温度变化效应。在优选实施例中，电阻一皮形成为石圭衬底上气相淀积 的迹线构成的弯曲形状的薄膜。那么就可以用永石兹体来提供偏置》兹化。在上述大致类型的磁传感器中，通常使用磁敏感组件来提供表示特 定方向磁场强度的信号。如果与永磁体相关联地使用霍耳效应元件，来 自霍耳元件的信号表示沿垂直于霍耳器件感测平面的方向的磁场强度 分量。另一方面，如果与永磁体相关联地使用磁致电阻元件，来自磁致 电阻元件的信号表示沿》兹致电阻元件感测平面内且垂直于最薄尺度的 方向的磁场强度。根据传感器的特定应用和性能要求，可以使用霍耳效 应元件或磁致电阻器。在描述现有技术的所有文献中，根据传感器的目 的应用，有时将这种一般类型的传感器描述为近程式传感器或者描述为齿轮齿传感器。在大部分近程式传感器中，例如， 一些性质是有利的。例如，在与 内燃机结合使用的齿轮齿传感器中，有利的特性是无需齿轮运动，能够识另^能力,齿4仑齿传感器或近程式传感器的另 一个有利特性是其尺寸减 小了 。这种传感器的尺寸通常受永磁体尺寸以及磁敏感组件和永磁体相 对位置的影响。石兹感测应用的一个范例4皮露于题为"Sensor With Magnetoresistors Disposed on a Plane Which is Parallel to and Displaced from the Magnetic Axis of a Permanent Magnet"的美国专利No.5477143,该专利于1995年 12月19日 一皮4受予Mien T. Wu并亏皮转让纟会Honeywell International Inc.。 美国专利No.5477143通过引用被并入于此，其大致描述了具有两个》兹 致电阻元件的近程式传感器，两个磁致电阻元件设置在公共平面中并与 永》兹体的侧面偏移开。》兹致电阻元件的公共感测平面沿大致平4亍于永i"兹体磁轴的方向延伸，磁轴在磁体的南北极之间延伸。在美国专利No.5477143的构造中，可以相对于预先选择的磁极面界定探测区，磁致 电阻元件提供第 一和第二信号，可以比较第 一和第二信号以定义第三信 号，第三信号表示在探测区中是否存在可磁渗透对象。每个磁致电阻元 件都可以具有设置成惠斯通电桥构造的多个磁致电阻器，以便提供上述 第一和第二信号。诸如上述传感器的磁探测装置的一个问题在于，这种装置虽然适于 齿和槽的探测，但在探测齿缘的时候不是非常可靠或高效。对于最近开 发的轮齿装置、曲柄轴和凸轮轴装置、涡轮增压器推动器、汽车传动系 组件等来说，探测目标齿边缘的能力是重要而关键的。据信，这里公开 的结构克服了与上述感测装置相关的问题。发明内容非意在成为完整的描述。通过将整个说明书、权利要求、附图和摘要作为整体看待可以获得对实施例各方面的完整理解。因此，本发明的一个方面是提供一种改进的磁致电阻传感器。 本发明的另一方面是提供一种各向异性磁致电阻(AMR)传感器。 本发明的又 一 方面是4是供可以用于齿4仑齿、曲柄轴和凸4仑轴感测应用等的传感器。本发明的另一方面是提供可以利用引线框架上芯片(COLF)构建 技术及其封装组件配置的AMR传感器。现在可以如本文所述实现前述诸方面及其他目的和优点。4皮露了一 种》兹传感器、系统和方法，其中i兹体靠近目标，目标包括多个齿和形成 于其间的多个槽。集成电路位于磁体一侧，其中所述集成电路包括多个磁致电阻桥式组件。将集成电路和磁体配置到传感器封装中，使得磁致 电阻桥式组件在目标齿及其相关槽通过传感器封装期间，在多个磁致电 阻桥式组件的 一半在磁致电阻桥式组件的另 一半之前靠近齿的边缘时， 能够探测目标齿。通常，可以将多个^兹致电阻桥式组件配置成包括第 一组万兹致电阻桥 式组件和第二组》兹致电阻桥式组件。第 一组》兹致电阻组件可以位于集成 电^各的第一区域之内，而第二组i兹致电阻桥式组件通常位于集成电^各的第二区域之内。多个^兹致电阻桥式组件可以i殳置成例如由四个或更多万兹致电阻器构成的AMR惠斯通电桥结构。例如，这样的；兹致电阻桥式组 件可以是各向异性磁致电阻(AMR)换能器。目标自身例如可以是曲柄 轴、凸轮轴等。
附图被并入说明书并构成说明书的部分，进一步例示了实施例并与 详细描述一起用于解释这里公开的实施例，在所有分立的试图中，类似 的附图标记指示相同或功能类似的元件。图1示出了根据优选实施例包括传感器封装和目标的磁致电阻感测 系统的X轴试图的方框图；图2示出了根据优选实施例的图1所示的磁致电阻感测系统的Y轴 ^L图的方框图；图3示出了可以根据图1-2所示的磁致电阻系统实现的AMR桥式 结构的总布局的方框图；以及图4示出了根据优选实施例，可以根据图1-3所示的系统实现的磁 致电阻桥式结构的电气示意图；图5示出了可以根据一个实施例实现的磁致电阻桥式组件的微米级 顶一见布局；图6示出了可以根据备选实施例实现的传感器设计的透视和分解视图；图7示出了根据图6所示的实施例的完成传感器构造的透视图； 图8示出了可以才艮据实施例实现的台阶引线框架构造的侧^L图； 图9示出了根据一个实施例图8所示的台阶引线框架的顶视图； 图IO示出了根据一个实施例在图8-9所示的台阶引线框架上实现的图6所示的传感器组件的透视图；图11示出了根据优选实施例的图6所示的传感器组件及其引线的顶部透碎见图；图]2示出了根据优选实施例图11所示的传感器组件的底部透视图；图13示出了根据实施例的图6-7所示的磁致电阻传感器的切除前视 图；以及图14示出了图13所示的磁致电阻传感器的切除侧视图。
具体实施方式
在这些非限制性范例中讨论的特定值和构造可以有变化，给出它们 仅仅为了阐述至少一个实施例，并非意欲限制其范围。图1示出了根据优选实施例包括传感器封装和目标的磁致电阻感测 系统100的X轴—见图的方框图。注意在本文的图l-5中，相同或类似的 部分或元件总体上由相同的附图标记表示。系统100总体上包括靠近目 标121放置的磁体104,目标121具有多个齿112、 116和多个槽110、 114、 118。槽IIO一皮形成在齿112的左侧，而槽114一皮配置在齿112和 116之间。槽118位于齿116右侧。虽然在系统100的构造中^又示出了 若干齿112、 116和若干槽110、 114、 118,但可以理解，才艮据设计考虑， 目标121可以形成有^艮多其他槽和齿。注意目标121典型为圆的，^旦在 图1中仅仅为了简化和启示的目的，被示为"直"的构造。在;兹体104的一侧设置集成电路(IC) 106。在系统100的构造中， 将IC 106配置在磁体104的北(N)侧。IC 106 —般采用了多个^兹致电 阻桥式组件107和109,在图1中它们分别4皮标识为"A"和"B"。将 IC 106和磁体104配置到传感器封装102中。在齿及其相关的槽通过传 感器封装102期间，在磁致电阻桥式组件的一半接近齿的边缘之前，在 ^磁致电阻桥式组件的另一半(即"A"或"B")接近齿(例如齿112) 的边缘时，；兹致电阻桥式组件107和109 4吏得:探测目标齿成为可能。注 意在图1中，由箭头总体表示目标运动108,而在图2中，目标运动108 被表示成点。注意在图1-3中，为了透视目的还示出了 x-y-z坐标系120。》兹致电阻桥式组件包括第一组^兹致电阻桥式组件107 (即"A") 和第二组磁致电阻桥式组件(即"B")。第一组磁致电阻组件107可 以位于IC 106的第一区域之内，而第二组》兹致电阻桥式组件109大致位 于IC 106的第二区域之内。多个磁致电阻桥式组件107、 109可以设置 成例如由四个或更多》兹致电阻器构成的AMR惠斯通电桥结构。这里相 对于图4详细示出了这种结构。例如，这样的；兹致电阻桥式组件107、 109可以是各向异性磁致电阻(AMR)换能器。目标121例如可以是曲 柄轴、凸轮轴等。注意在系统100中，根据设计考虑，IC106上的区域 "A"区可以浮皮诸如图3-4所示的电阻器R2和R4的AMR惠斯通电桥电阻器占据，而"B，，区可以辟皮也在图3-4中所示的电阻器Rl和R3占据。图2示出了根据优选实施例的图1所示的；兹致电阻感测系统100的 Y轴视图的方框图。图3示出了可以根据图l-2所示的磁致电阻系统100 实现的AMR桥式结构的总布局的方框图。在图3中，例如更详细地示 出了 IC 106。 "A"组磁致电阻组件107可以由AMR长条302和304 构成，而"B"组》兹致电阻组件109大致由AMR长条306和308构成。 图3所示的AMR长条302、 304、 306和308大致被示为垂直的条(即 Z方向)，但根据设计考虑，也可以将AMR长条302、 304、 306和308 排列成水平条(即X方向)或某些其他路径。AMR桥的最佳布局(例 如参见图4)与应用相关。例如，典型的布局可以具有成镜像的"A，， 侧和"B，，侧，^^有些应用可以受益于非对称布局，这又取决于i殳计考 虑。图4示出了才艮据优选实施例，可以才艮据图1-3所示的系统100实现 的磁致电阻桥式电^各400的电气示意图。桥式电路400大致包括AMR 桥，并包括四个磁致电阻组件(例如AMR换能器)402、 406、 404和 408。组件402和408 —般彼此连接并连接至地411。组件406和404也 彼此连接并连接至磁致电阻(MR)电桥电压413。图3所示的AMR长 条302通常类似于图4所示的组件402，而AMR长条304类似于组件 404。类似地，AMR长条306类似于组件406，而AMR长条308类似 于组件408。应当认识到，图4所示的AMR桥式电路400由电气示意图代表， 并暗示实际布局(即电阻器物理地位于IC上的何处)。磁体104和AMR 桥式电路400的组件的尺度可能根据应用的特定要求而变化，所述特定 要求例如允许的传感器封装102的尺寸、目标121的尺度以及传感器封 装102到目标121的定位等。将IC 106定位在磁体104的一侧方便了制 造并允许采用其上可以放置电气组件的较平坦弓I线框架，而不需要在传 感器表面附近的引线框架中有90度弯曲用于在磁体面和目标之间放置 组件，这在常规设计中是常见的。AMR桥式电路400的布局与系统100 一起适于用作例如汽车摇晃传感器，而且利用引线框架上芯片(COLF) 工艺实现了其封装。这里在图1-4中所示的系统100和AMR桥式电路400提供了两个使其总体设计独一无二的一般特征。首先，如上所述，将IC106放置在 磁体104的 一侧，允许使用可以在其上放置电气组件的较扁平引线框架， 传感器面附近的引线框架中无需用于在磁体面和目标121之间放置组件 的90度弯曲，从而方便了制造。第二， AMR桥式电路400布局允许在 目标齿和槽特征通过传感器期间，AMR桥式电^各400的一半在另一半 之前接近目标齿，从而能够进行齿缘检测，而不是齿槽检测。通过组合 这里所述的这种特征，例如，可以将包括系统及其方法的独特传感器用 于轮齿感测应用、曲柄轴位置传感器、涡轮增压器叶轮速度传感器(即 利用涡流)以及诸如汽车传动中利用的速度传感器。图5示出了根据一个可能实施例的磁致电阻桥式组件107和109的 微米级顶部布局图。在图5中相对于图表500绘示了组件107和109， 以微米级别绘制了 X和Z尺寸。如图表500所示，长条302和304与》兹 致电阻桥式组件107相关，而长条306和308与；兹致电阻桥式组件109 相关。可以iU只到，图5所示的结构表示》兹致电阻桥式组件107和109 的 一种可能实施，这里给出该结构仅仅用于 一般性启示和示范性目的。 根据设计考虑和感测应用的目的，具有额外或更少长条的各种其他结构 也是可能的。图6示出了可以根据备选实施例实现的传感器600设计的透^见和分 解视图。注意在图6-15中， 一般用相同的附图标记表示相同或类似的部 分。因此，图6-15所示的结构代表了参考图1-5所示和描述的磁致电阻 感测系统IOO及其组件的一种可能实施。可以利用前述引线框架上芯片 (COLF)工艺实现图6-15所示的传感器600。传感器600包括过才莫制部分602,过才莫制部分602具有后部分601 和前部分603。利用兰模制部分600保持引线框架604、；兹体606和包 括三个电引线部分607的传感器组件608。如图6所示还可以提供装配 架612。注意图7示出了根据图6所示的实施例、完成的传感器600结 构的透视图。图8示出了可以根据实施例实现的台阶引线框架800的构造的侧视 图。台阶引线框架800可以支撑与基准电容器802、 803相关联的管芯 或IC 804。此外，可以用台阶引线框架800保持铁氧体小珠811。注意 图9示出了根据一个实施例图8所示的台阶引线框架800的顶视图。如 图8所示，台阶引线框架800还支撑铁氧体小珠810以及任选的上拉电阻器808。滤波电容器806和807也可以由台阶引线框架800支撑。如 图8-9所示，台阶引线框架800 —般包括后部分901和前部分903以及 其间的大致中间部分905。 IC或管芯804更靠近台阶引线框架800的前 部分903。注意IC 804类似于图3所示的IC 106,其实现了图4所示的 AMR桥式电路400和图5所示的构造。当然可以根据设计考虑采用其 他AMR布局。图IO示出了根据一个实施例在图8-9所示的台阶引线框架800上实 现的图6所示的传感器组件608的透一见图。如图10所示，传感器组件 608可以放置在台阶引线框架800上并由其保持。注意，传感器组件608 可以由热固环氧树脂1006形成并可以用定位特征1002加以配置。磁体 槽1004也可以由传感器组件608的主体形成。磁体槽1004可以用来保 才争例如如图6所示的》兹体606。图11示出了根据优选实施例图6所示的传感器组件608及其引线 606的顶部透一见图。图12示出了根据优选实施例图11所示的传感器组 件608的底部透碎见图。注意在图ll-12中，石兹体606 ,皮示为设置在》兹体 槽1004中，而多个引线607从传感器组件608延伸。定位特征1200被 示为配置在传感器组件608的一侧，而前面参考图10所示的定位特征 1002被示于图11中。因此，图11-12所示的传感器组件608代表了可 以根据一个可能实施例实现的单个校准后的传感器组件。图13示出了根据实施例图6-7所示的磁致电阻传感器600的切除前 视图。图14示出了图13所示的磁致电阻传感器的切除侧视图。注意在 图13-14中， 一般用相同的附图标记表示相同或类似的部分或元件。于 是，在图13-14中与磁体606 —起示出了 IC或管芯804。在图13-14中 与热固才莫块部分1402和引线框架604 —起还示出了热塑主体1006。组 件1302可以位于引线框架604附近。基于上述说明，可以理解，可以实现这样的磁传感器、系统和方法， 其中，磁体606靠近目标，目标包括多个齿和多个形成于其间的槽。集 成电路或管芯804可以位于磁体的一侧，其中所述集成电路或管芯804 包括例如参考图1-5在此所述的多个^兹致电阻桥式组件。可以将集成电 路804和磁体606配置到传感器封装中，使得诸如四个磁致电阻组件(例 如AMR换能器)402、 406、 404和408的i兹致电阻桥式组件在齿及其 相关槽通过传感器封装期间，在多个磁致电阻桥式组件的 一半在另 一半磁致电阻桥式组件之前接近齿的边缘时，能够探测目标齿。总的来讲，可以将磁致电阻桥式组件配置成包括第 一组磁致电阻桥 式组件和第二组^兹致电阻桥式组件。第 一组磁致电阻组件可以位于集成 电路的第一区域之内，而第二组》兹致电阻桥式组件通常位于集成电路的 第二区域之内。多个磁致电阻桥式组件可以设置成例如由四个或更多磁致电阻器构成的AMR惠斯通电桥结构。例如，这样的；兹致电阻桥式组 件可以是各向异性磁致电阻(AMR)换能器。目标自身例如可以是曲柄 轴、凸轮轴等。注意，前述实施例不太受温度的影响，因为所用的换能器工作在接 近(即，或中心大致处于)零高斯的场中(即，在传感器的敏感轴中)。 这种设计可以被称为构成了低偏置结构。其他配置可能将传感器置于高 偏置磁场。引起磁体磁场(例如)5%变化的温度效应会对高偏置结构带 来大的改变，而对低偏置结构来讲偏置的改变就很小。然而，诸如霍耳和/或AMR组件的换能器提供了这种装置对磁场敏 感的轴和它们对》兹场不敏感的轴。因此，通过相对于磁体适当对换能器 取向，就可以在^兹体一面或一侧生成低或高偏置条件。这样，并非只有 在该一侧的换能器必然导致低偏置(即，以及低温度效应)。相对于磁 体在3个平移轴和3个转动轴上恰当定位换能器是适当的。应理解的是，可以将上面公开的及其他特征和功能或其替代方案根 据需要组合成4艮多其他不同的系统或应用。而且接着可以由本领域的技 术人员在其中做出各种当前未预料到的或未预计的替代、变型、变化或 改进，它们也被如下权利要求所涵盖。
权利要求
1.一种磁传感器，包括靠近目标的磁体，所述目标包括多个齿和多个形成于其间的槽；位于所述磁体的一侧的集成电路，其中所述集成电路包括多个磁致电阻桥式组件，其中所述集成电路和所述磁体被配置到传感器封装中，使得所述多个磁致电阻桥式组件在所述多个齿中的至少一个齿及其相关槽通过所述传感器封装期间，在所述多个磁致电阻桥式组件的一半在所述多个磁致电阻桥式组件的另一半之前靠近所述至少一个齿的边缘时，能够探测所述多个齿中的至少一个齿。
2. 根据权利要求1所述的传感器，其中所述多个磁致电阻桥式组 件包括第 一组磁致电阻桥式组件和第二组^兹致电阻桥式组件，其中所述 第一组石兹致电阻组件位于所述集成电路的第一区域之内，所述第二组磁 致电阻桥式组件位于所述集成电路的第二区域之内。
3. 根据权利要求1所述的传感器，其中所述多个磁致电阻桥式组 件包括AMR惠斯通电桥结构。
4. 根据权利要求3所述的传感器，其中所述AMR惠斯通电桥结 构包括四个石兹致电阻器。
5. 根据权利要求3所述的传感器，其中所述多个磁致电阻桥式组 件包括各向异性磁致电阻(AMR)换能器。
6. —种；兹感测系统，包括 传感器封装；配置在所述传感器封装之内的磁体，其中所述磁体靠近目标，所述 目标包括多个齿和形成于其间的多个槽；位于所述;兹体的 一 侧的集成电路，其中所述集成电路包括多个i兹致 电阻桥式组件，其中所述集成电路和所述磁体被配置到所述传感器封装 中，使得所述多个磁致电阻桥式组件在所述多个齿中的至少一个齿及其 相关槽通过所述传感器封装期间，在所述多个磁致电阻桥式组件的一半 在所述多个磁致电阻桥式组件的另 一半之前靠近所述至少一个齿的边 缘时，能够探测所述多个齿中的至少一个齿；并且其中所述多个；兹致电阻桥式组件包括第 一组J兹致电阻桥式组件和 第二组i兹致电阻桥式组件，其中所述第一组石兹致电阻组件位于所述集成 电路的第一区域之内，所述第二组》兹致电阻桥式组件位于所述集成电路的第二区域之内。
7. —种；兹感测方法，包括提供靠近目标的磁体，所述目标包括多个齿和多个形成于其间的槽；在所述》兹体的一侧上放置集成电路，其中所述集成电^各包括多个;兹致电阻桥式组件；将所述集成电路和所述磁体配置到传感器封装中；以及 在所述至少一个齿及其相关槽通过所述传感器封装期间，在所述多个石兹致电阻桥式组件的一半在所述多个磁致电阻桥式组件的另一半之前靠近所述至少一个齿的边缘时，由所述多个》兹致电阻桥式组件探测所述多个齿中的至少一个齿。
8. 根据权利要求7所述的方法，还包括配置所述多个磁致电阻桥 式组件以包括第 一组磁致电阻桥式组件和第二组》兹致电阻桥式组件，其 中所述第 一组磁致电阻组件位于所述集成电路的第 一区域之内，所述第 二组》兹致电阻桥式组件位于所述集成电^ 各的第二区域之内。
9. 根据权利要求7所述的方法，还包括将所述多个磁致电阻桥式 组件设置成AMR惠斯通电桥结构。
10. 根据权利要求9所述的方法，还包括配置所述AMR惠斯通电 桥结构以包4舌四个》兹致电阻器。
全文摘要
一种磁传感器、系统和方法，包括靠近目标的磁体，所述目标包括多个齿和形成于其间的多个槽。集成电路位于磁体的一侧，其中集成电路包括多个磁致电阻桥式组件。将集成电路和磁体配置到传感器封装中，使得磁致电阻桥式组件在目标齿及其相关槽通过传感器封装期间，在多个磁致电阻桥式组件的一半在磁致电阻桥式组件的另一半之前靠近齿的边缘时，能够探测到目标齿。
文档编号G01R33/09GK101243326SQ200680029889
公开日2008年8月13日 申请日期2006年6月20日 优先权日2005年6月20日
发明者N·F·布施 申请人:霍尼韦尔国际公司