磁场传感器装置的制作方法

本申请涉及一种磁场传感器装置。

背景技术：

磁场传感器装置在很多应用中使用，以对磁场进行测量。这种类型的磁场传感器装置例如用于通过测量由电流产生的磁场或在其中要测量磁场的其他应用中间接测量电流。在一些应用中，希望测量高频带宽上的磁场，例如从静态磁场到频率高达100khz或高达mhz范围的高频磁场。

为了制造这种类型的磁场传感器装置，可以在例如硅芯片的芯片上在半导体工艺中制造诸如霍尔传感器的磁场传感器和线圈。然后在一些制造过程中将这种芯片安装在引线框上，从而形成与外界的电连接。然而，在这种引线框中可能发生涡电流，该涡电流影响霍尔传感器和/或线圈的磁场测量。

技术实现要素：

在此提供了根据权利要求1，6或16所述的磁场传感器装置。从属权利要求限定了另外的实施例以及具有这种磁场传感器装置的系统。

根据一个实施例，提供了一种磁场传感器装置，具有：

芯片，该芯片具有磁场传感器和线圈，以及

引线框，该引线框由导电材料制成，其中，引线框具有凹槽，

其中，线圈、磁场传感器和凹槽被布置成，使得在磁场传感器和凹槽在由线圈的线匝确定的平面中的正交投影情况中：

磁场传感器布置在由线圈的外线匝包围的表面内，

-磁场传感器的敏感表面的至少75％位于凹槽内，并且

-由线圈表面的外线匝包围的表面的至少25％位于凹槽内。

根据另一实施例，提供了一种磁场传感器装置，包括：

芯片，该芯片具有磁场传感器和线圈，其中，线圈和磁场传感器被布置成，

使得在磁场传感器在由线圈的线匝确定的平面的正交投影的情况中，磁场传感器的敏感表面位于由线圈的外线匝包围的表面内，以及

非导电载体，其中芯片安装在非导电载体上。

根据另一实施例，提供了一种磁场传感器装置，包括：

芯片，其中，该芯片具有线圈，和

引线框，该引线框由导电材料制成，其中，引线框具有凹槽，

其中，线圈和凹槽被布置成，

使得在凹槽在由线圈的线匝确定的平面的正交投影的情况中：

由线圈的外线匝包围的表面的至少25％位于凹槽内。

以上概述仅是一些实施例的一些特征的简要概述，而不应被解释为限制。

附图说明

图1a是根据实施例的磁场传感器装置的俯视图。

图1b是图1a的磁场传感器装置沿图1a的线a-a'的示意性截面图。

图1c是图1a和1b的磁场传感器装置的示意性透视图。

图1d是用于说明图1a-1c的实施例中的线圈表面的图示。

图2是根据另一实施例的磁场传感器装置的截面图。

图3是根据另一实施例的磁场传感器装置的截面图。

图4是根据另一实施例的磁场传感器装置的俯视图。

图5-8示出了根据各种实施例的可用于磁场传感器装置的评估电路。

图9示出了根据一个实施例的系统。

图10是根据另一实施例的磁场传感器装置的俯视图。

具体实施方式

在下文中，将详细解释各种实施例。应该理解的是，这些实施方案仅是说明性的，不应解释为限制性的。特别地，其他实施例也可以包含少于所示组件，和/或可以包括附加组件，例如传统磁场传感器设备中使用的组件。针对一个实施例描述的变型，修改和细节也适用于其他实施例，因此不再重复描述。可以组合各种实施例的特征以形成另外的实施例。除非另有说明，否则诸如“导电”，“不导电”，“绝缘体”，“互连”等术语是指导电性。

图1a至1d示出了根据一些实施例的磁场传感器装置10。图1a示出了磁场传感器装置10的示意性俯视图，图1b示出了大致沿图1a的线a-a'的磁场传感器装置10的示意性截面图，图1c示出了磁场传感器装置10的示意性透视图，以及图1d示出了用于说明线圈表面的磁场传感器装置10的线圈15的示意性透视图。

磁场传感器装置10具有芯片13，该芯片经由一个或多个绝缘和/或粘合剂层14安装在引线框11上。特别地，芯片13可以是诸如硅芯片的半导体芯片。

在芯片13上形成磁场传感器17。在所示实施例中，磁场传感器17是水平霍尔传感器。霍尔传感器通过使电流通过霍尔传感器并测量产生的霍尔电压来测量基于霍尔效应的磁场。为了测量，磁场传感器17具有端子，在图1a-1d的实施例中具有四个端子18a至18d(下文统称为端子18)。在所示的霍尔传感器作为磁场传感器17的情况下，两个端子18用于提供电流，另两个端子用于测量霍尔电压。在一些实施例中，配置为霍尔传感器的磁场传感器17利用所谓的“旋转电流”技术运行。在该技术中，在几个连续的阶段中，不同的端子18用于供电并测量霍尔电压，并且关于该阶段产生的霍尔电压被组合，从而可以基本上消除霍尔传感器的偏移和低频闪烁噪声。该旋转电流技术本身是已知的技术，因此这里不再详细说明。可以通过传统的半导体工艺在芯片13上形成磁场传感器17。

虽然所示实施例中的磁场传感器17是水平霍尔传感器，也就是其敏感表面平行于芯片13的表面的霍尔传感器，但是也可在其它实施例中使用其他类型的磁场传感器，例如垂直霍尔传感器、基于磁阻的传感器(也称为xmr传感器)或涡流传感器，如在申请人于2013年12月27日提交的官方文件us14/141,660的早先的申请所描述的那样。敏感表面在此指定了磁场传感器17的表面，磁场传感器17在该表面内对磁场敏感。换句话说，只有通过该敏感表面的磁场的一部分有助于磁场传感器的测量信号。在水平霍尔传感器的情况下，磁场传感器对垂直于图1a的图面的磁场敏感。在其他磁场传感器的情况下，可以选择磁场传感器的安装方向，使得同样对垂直于图1a的图平面的磁场具有灵敏度。

磁场传感器17对低频磁场特别敏感，例如频率低于10khz的磁场，包括静态磁场。对于较高频率的磁场，磁场传感器17的灵敏度降低。

为了测量高频磁场，例如频率高于10khz直到100khz或高达mhz范围，提供线圈15。线圈15基本上布置在平行于芯片表面的平面中，特别是在图1b的横截面图中可以看出。线圈15尤其可以形成在以传统的半导体工艺形成在芯片13上的金属层中。未示出这些金属层的其他部分，这就是线圈15在图1b的横截面图中和图1c的透视图看起来漂浮在芯片13上的原因。然而，这里，如在传统的半导体工艺中，多个金属层一个在另一个之上布置，它们由未示出的绝缘层(例如，二氧化硅)隔开，并且相应地构造以形成线圈。在这种情况下，线圈15布置在一个金属层中。为了在16a，16b处形成线圈端子，可以经由垂直连接部111a，111b接触另一金属层中的连接部110，如尤其在图1b中可见，并且因此形成在线圈15的内部之间的电连接。

在线圈15中，通过同样垂直于图1a的平面的磁场诱导出电流。根据磁感应规则，在此需要交变场，这意味着线圈15尤其对较高频率的磁场敏感。

因此，在一些实施例中使用水平霍尔传感器的优点在于，它可以在具有线圈的常规半导体工艺中制造，使得霍尔传感器和线圈都对相同方向的磁场敏感。

在所示实施例中，磁场传感器17设置在由线圈15表面包围的表面内。“设置在由线圈15包围的表面内”意味着，在线圈15的平面上的正交投影的情况中，磁场传感器17的敏感表面处于由线圈15包围的表面内。这里的正交投影是垂直于投影平面的投影，在该种情况中是线圈的平面。在此，线圈的平面是是由线圈15的线匝确定的平面，也就是说，该平面出于线圈15的线匝中。该正交投影基本上对应于图1a的平面图。

由线圈包围的表面在图1d中通过垂直阴影标识为表面115，并且在本申请的上下文中对应于由线圈15的最外线匝包围的表面，如图1d所示。图1d的图面对应于上述线圈的平面。因此，磁场传感器17在垂直于线圈15的平面的正交投影中处于表面115内。这种类型的投影在图1c中由用于磁场传感器17的线113a-113c表示。

通过磁场传感器17和线圈15的这种布置，磁场传感器17和线圈15测量基本相同的磁场。在一些实施例中，可以通过线圈15和磁场传感器17的组合在宽范围的静态磁场至mhz范围内以低噪声和低偏移以及高线性度测量该磁场。另外，作为霍尔传感器的磁场传感器17和线圈15可以在标准半导体工艺中形成。

在具有磁场传感器17和线圈15的芯片13在引线框上的布置中，在传统的引线框的情况中可以通过待测量的磁场导致涡电流并由此导致线圈15和/或磁场传感器17中的致磁反馈效应，这会使磁场测量失真，从而会导致额外的噪音。为了至少部分地抑制这种涡电流，磁场传感器装置10的引线框11具有狭缝12，也就是由引线框11的导电材料(通常是金属)中开挖出狭缝12。线圈15和磁场传感器17在此在垂直于图1a的绘图平面的上述投影中(如图1c中的线112a-112b和113a-113c所示)至少部分地在狭缝12上方，使得线圈15和磁场传感器17在线圈15的平面中的上述正交投影中至少部分地位于狭缝12内。对于狭缝12，通过线112a-112c指明在线圈15的平面中的这种正交投影。

特别地，在一些实施例中，在该正交投影中，磁场传感器17的的敏感表面至少75％，特别是至少90％或甚至整个敏感表面位于该狭缝12中。因此，磁场传感器17的敏感表面也可以在正交投影中例如超过该狭缝12突出，例如如果敏感表面在一个方向上略大于狭缝，例如具有120％的相应尺寸。然而，磁场传感器的敏感表面也可以相应地更小并且在正交投影中完全位于狭缝内。类似地，在正交投影中，由线圈15的最外圈包围的区域115的至少25％，特别是至少40％或至少50％位于狭缝12内。通过狭缝12，如通过图1a中的虚线19所示的涡流被中断并因此被抑制。因此，这种涡流不会干扰磁场传感器17和线圈15的测量，或者至少仅造成非常小的干扰。由此，可以测量磁场测量的精度。另外，可以改善磁场传感器17的带宽，该带宽可以通过这种涡流减小。为了抑制涡流，狭缝12在一些实施例中至少在一个方向上具有比由线圈15的外线匝包围的表面115更大的尺寸。因此，在图1a-1d的实施例中，狭缝12在通过箭头116指出的方向中具有比线圈15的表面115更大的面积。因此，在图1a-1d的实施例中，狭缝12在一个方向中(该方向在图1a的绘图平面中垂直于通过箭头116给出的方向)具有被线圈15的表面115小的尺寸。

应该注意的是，在图1a的实施例中，狭缝12不用于或不主要用于引导电流通过引线框11，而正如所描述的那样，狭缝用于抑制涡流。

还应注意的是，代替图1a至1c的狭缝12，可以提供引线框11的导电材料中的其他凹槽，只要满足如图1a中特别示出的抑制涡电流的功能即可。例如，还可以提供十字形凹槽。同样在这种情况下，在一些实施例中，适用于通过上述磁场传感器17和线圈18对凹槽的重叠，上面表示在于，磁场传感器17和线圈15的线圈表面115的哪些部分与狭缝12或者在这种情况下与其他的凹槽重叠。另外，在这种情况下，凹槽至少在一个方向上可以具有比由线圈15的外线匝包围的表面115更大的尺寸。

为了评估磁场传感器17的端子18a至18d处的信号和线圈15的端子16a，16b处的信号，可以在芯片13中提供评估电路，或者可以使用外部评估电路。稍后将参考图5至图8说明这种评估电路的示例。

然后，可以将图1a至1c的磁场传感器装置封装在例如壳体(package)中，其中通过引线框将端子提供给外部。然后可以使用壳体中的这种磁场传感器装置，例如，测量在壳体外部产生的磁场，例如，通过由电流产生的磁场或通过其他磁场发生装置测量通过壳体外部的导体的电流。这将在后面参考图9进行说明。这同样适用于下面讨论的磁场传感器装置的其他实施例。

图2示出了根据另一实施例的磁场传感器装置20的截面图。为了避免重复，已经参考图1a至1d描述的部件具有相同的附图标记，并且将不再详细解释。

特别地，磁场传感器装置20还具有带有磁场传感器17的芯片13以及引线18和带有相应的端子的线圈15，该端子对应于图1a中所示的端子16a，16b。如在图1a至1d的实施例中所解释的那样，磁场传感器17尤其在线圈15的平面上的正交投影中布置在参考图1d限定的线圈的表面115内。芯片13通过一个或多个粘合剂层14安装在图2的实施例中的载体12上，该粘合剂层对应于参照图1描述的粘合剂和绝缘层。

载体12是非导电载体，但可以具有用于传导电流的金属轨道或其他装置。非导电载体21可以是例如印刷电路板(pcb)、陶瓷载体、另外的绝缘体或球栅阵列，例如所谓的嵌入式晶圆级球栅阵列(ewlb)，或其组合包括。稍后将参考图3更详细地解释这种嵌入式晶片级球栅阵列与印刷电路板组合的示例。

通过使用非导电载体，例如图1a至1d的实施例中的狭缝12，可以避免涡流，这提高了测量的精度。在图2所示的芯片13的取向中，其中线圈15和磁场传感器17安装在芯片13的背离载体21的一侧上，芯片13另外用作屏蔽位于载体21上的任何印制导线和其他导线。通过反向安装芯片，可以提供额外的屏蔽。图1中示出了根据这种实施例的磁场传感器装置30的示意性截面图。

在图3的磁场传感器装置30中，示意性地示出了已经描述的具有线圈15和磁场传感器17的芯片13。芯片13在此设置有嵌入式晶片级球栅阵列(ewlb)，其包括分配层32和焊球31a至31d(统称为焊球31)。所示的四个焊球31的数量再次仅被理解为示例。分配层32将芯片13的接口转接到焊球31，使得通过焊球31实现芯片13的接触，例如用于读出线圈15和磁场传感器17的可能处理的信号。封装材料33在背离分配层32的一侧包封芯片13。线圈15和磁场传感器17可以如上述实施例中那样布置。

然后将焊球31安放到非导电载体21的相应印制导线36a，36b，36c，36d(统称为印制导线36)上，在这种情况下安放在印刷电路板上。

在这种情况下，与图2的布置不同，芯片13因此并不位于一方面的线圈15和磁场传感器17和另一方面的非导电载体21的印制导线36之间并且因此不能用作屏蔽，这可能会导致印制导线和例如线圈15之间的电容耦合，这会使磁场测量失真。

为了避免这种情况，在该实施例中，一方面在线圈15和磁场传感器17以及另一方面的具有印制导线36的非导电载体21之间设置导电屏蔽34，特别是金属屏蔽。为了避免屏蔽34中的涡流，该屏蔽具有狭缝35或其他凹槽，在一些实施例中，该狭缝或凹槽在至磁场传感器17和线圈15的相对位置方面可以满足与参考图1a-图1c针对磁场传感器装置10所描述的相同的条件。与图1a-1c的狭缝12类似，屏蔽34中的狭缝35防止或减少屏蔽34中的涡流。如针对狭缝12所讨论的，也可以提供其他形状的凹槽来代替狭缝35。

应当注意，在一些其它实施例中，如屏蔽34一样的具有凹槽的屏蔽附加地或者可替换地在上面讨论的图1-3的实施例中也可以提供在线圈15和磁场传感器17之间。在一些实施例中，这可以用于将线圈15和磁场传感器17彼此屏蔽，特别是减小在线圈15中流动的电流对磁场传感器17的影响。

在上面讨论的实施例中分别使用线圈和磁场传感器、尤其是霍尔传感器的组合，用于能够在宽频率范围内进行磁场测量，包括静态磁场。图4示出了根据另一实施例的磁场传感器装置40的平面图，其中仅设置了线圈15但没有设置磁场传感器17。除了省略磁场传感器17之外，图4的磁场传感器装置40对应于已经讨论过的图1a至1c的磁场传感器装置10，因此将不再进一步详细讨论。

接下来，参考图5至8，将说明用于上述磁场传感器装置的评估电路。这些评估电路可以集成在芯片13中，特别是完全集成在芯片中，从而不需要额外的外部电路，例如外部电容。然而，评估电路也可以是外部评估电路。

在图5至图8中分别示出了线圈15和磁场传感器17。磁场传感器17在此示出为霍尔传感器，其由电流源50提供相对于地51的偏置电流，其中在霍尔传感器17的另外两个端子处(参见图1a至1c的端子18a至18d)分接出霍尔电压。如箭头所示，磁场传感器17利用已经讨论过的旋转电流技术运行，以至少在很大程度上消除磁场传感器17的偏移。

在图5的实施例中，由线圈15产生的信号(其电压v_coil随频率增加，如图5所示)被馈送给具有运算跨导放大器(ota，operationaltransconductiveamplifier)和电阻器58以及电容器57的低通滤波器装置55。电阻器58和电容器57确定低通滤波器装置55的低通行为。结果是低通滤波信号，其在图5中示意性地示为vo_coil。该低通滤波信号被馈送到求和装置59的运算放大器510的第一输入端。

磁场传感器17的霍尔电压随频率基本恒定，如针对电压vhall所示的那样。该霍尔电压提供给斩波调制器511，然后是运算放大器512(opa，operationalamplifier)，接着是斩波解调器513。斩波调制器511，运算放大器512和斩波解调器513一起形成斩波放大器，如通常用于放大较小的直流电压那样，特别是降低噪声。斩波解调器513的输出信号被馈送给具有电阻器515和电容器516的低通滤波器装置514，其中电阻器515和电容器516又确定低通滤波器装置514的频率行为。结果是滤波的霍尔电压vo_hall，也如图5所示。该霍尔电压也被提供给放大器510的输入端，以最终形成总和输出电压vo_sum，其是总体用线圈15和磁场传感器17测量的磁场的量度。磁场传感器17在此尤其在低频率时输出大比例的输出信号，而线圈15确定较高频率的输出信号vo_sum。

为了确保磁场传感器17和线圈15的现有测量范围之间的平滑过渡，低通滤波器装置55，514在滤波器行为方面彼此匹配。彼此匹配的滤波器行为在此意味着，例如在截止频率和/或时间常数方面的滤波器行为基本相同。例如，选择电阻器58，515和电容器57，516的值，使得形成的低通滤波器的截止频率至少近似相同，例如在±5％的范围内相同或在图5中的电路元件的制造公差范围内相同。当在芯片(例如芯片13)上形成图5的整个电路时，由于制造公差导致的偏差被最小化，因为例如工艺变化不仅影响滤波器装置55而且还影响滤波器装置514。

代替提供两个单独的、彼此匹配的低通滤波器装置55，514，如图5所示，也可以提供共用的滤波器装置。参考图6对此进行解释。与图5相对应的部件具有相同的附图标记，并且不再说明。

在图6的实施例中，跨导放大器56的输出信号和斩波解调器513的输出信号被馈送给公共低通滤波器60，其中信号被求和并被低通滤波。用于此目的的低通滤波器装置包括电阻器61、电阻器62和电容器63，其值确定低通滤波器的截止频率。由此，如图6的实施例中那样对将信号滤波成输出信号vo_coil和vo_hall并求和。在此使用flp描述低通滤波器的截止频率。

低通滤波器装置60的输出信号在具有反馈放大器65的放大器装置64中被放大，以便形成输出信号vo_sum。

另一个实施例在图7中示出。这里，来自线圈15的电流信号和斩波电压信号(例如，借助于如图5和6所示的斩波放大器)在求和节点76处求和，斩波电压信号经由电阻器77馈送到求和节点76。通过电阻器77，来自磁场传感器17的电压信号变为电流信号，该电流信号与来自求和节点76处的线圈的电流信号相加。

这样求和的信号然后被提供给放大器装置72，放大器装置具有运算放大器73。在运算放大器73的反馈路径中由电阻器74和电容器75提供低通滤波器功能。这里再次提供了对来自线圈15和磁场传感器17的已经求和的信号的共同低通滤波。

图8示出了图7的实施例的修改方案。在此，与来自线圈15的信号对应的电流信号io_coil由第一跨导放大器80提供。与来自磁场传感器17的霍尔电压对应的电流信号io_hall由第二跨导放大器81提供。电流信号io_coil，io_hall在已经描述的求和节点76处求和，然后由已在图7中描述的放大器装置72放大和低通滤波。

在图5-8的实施例中，电阻器用于电压/电流转换，也就是将电压信号转换成电流信号或者反之亦然。这种电阻器可以包括在跨导放大器中，例如电阻器517，82和83，或外部电阻器，例如电阻器62。在一些实施例中，这种电阻器是与所示低通滤波器的电阻器相同类型的电阻，例如电阻器74。“相同类型的电阻”在此意味着，电阻器基于相同的材料和/或用相同的工艺生产。例如，电阻器可以是以共同工艺制造的多晶硅电阻器。

在一些实施例中，这可以导致过程和温度波动对评估电路的特性的影响的减小。例如，图8的放大器73的增益至少部分地由电阻器74的电阻值与电阻器82，83的电阻值的比率确定。当这些电阻器具有相同的电阻类型时，温度波动和工艺变化类似地影响电阻值，因此上述比率的变化可能显着低于各个电阻值的变化。

如图5至图8所示，因此存在处理来自磁场传感器17和线圈15的信号的各种可能性，其具有彼此匹配或共同的低通滤波，以便形成输出信号vo_sum。

在上面示出的示例性实施例中，分别提供单个线圈和单个磁场传感器或仅单个线圈。在其他实施例中，两个线圈和/或两个磁场传感器可以互连以形成差分传感器布置。

作为示例，图10示出了基于图1a-1d的磁场传感器设备10的磁场传感器设备100的俯视图，并且将参照它描述该磁场传感器设备100以避免重复。

与磁场传感器装置10类似，磁场传感器装置100具有经由绝缘和/或粘合剂层14安装在引线框11上的芯片13。磁场传感器装置100具有第一传感器装置101a，第一传感器装置具有第一线圈15a和第一磁场传感器17a，第一线圈和第一磁场传感器在图10的平面图中布置在引线框11的第一狭缝12a上方。此外，磁场传感器装置100具有第二传感器装置101b，第二传感器装置具有第二线圈15b和第二磁场传感器17b，它们在图10的平面图中布置在引线框11的第二狭缝12b上方。在各个线圈15a或15b的、相应的磁场传感器17a或17b的以及相应的狭缝12a或12b的配置和布置方面，参考图1a-1d给出的线圈15、磁场传感器17和狭缝12的说明适用于每个传感器装置101a，101b。

线圈15a、15b通过连接102电路连接成差分线圈装置，并且可以通过连接110a，110b和端子16a，16b接触。磁场传感器17a，17b经由端子18a-18d连接到差分磁场传感器装置。如图1a-1d所示，还在两个端子18a-18d上施加偏置电流，并且在另外两个端子18a-18d上测量霍尔电压。同样，可以应用所提到的“旋转电流”技术。图5-8的评估电路也可以用于磁场传感器装置100。

由于差分电路连接，仅传感器阵列101a，101b的位置之间的磁场差异有效地有助于测量结果，而在传感器阵列101a，101b的位置处相同的均匀磁场没有贡献。例如，这可以用于抑制与传感器装置101a，101b的间距成比例的近似均匀的杂散场对磁场测量的影响。

图9示出了作为根据所述实施例的磁场传感器装置的应用示例的系统。图9示出了图1的磁场传感器装置10，图3的磁场传感器装置30，图4的磁场传感器装置40或在壳体90中的图10的磁场传感器装置100。在壳体90外部的磁场发生器91产生磁场92，该磁场尤其可以是高频磁场和/或可以具有高频分量。磁场发生器91例如可以是载流导体，高频线圈或产生待测量磁场的其他装置。然后可以用磁场传感器装置10，20，30，40或100测量磁场92。应用示例包括所谓的闭环电流传感器，其中磁场传感器装置10，20，30，40或100布置在开槽磁环芯中。待测量的电流流过环形磁芯的第二线匝，因此用作磁场发生器91。其他应用包括测量磁场的位置和速度测量，该磁场取决于元件(例如，附接到元件的磁体)的位置或速度(例如，极轮的旋转)。位置测量的示例包括阀位置的测量。特别是，可以通过所描述的磁场传感器装置检测具有低抖动的快速运动。

虽然已经在本说明书中图示和描述了特定实施例，但是本领域普通技术人员将认识到，在不脱离所示发明的范围的情况下，可以选择作为本说明书中示出和描述的特定实施例的替换的各种替代方案和/或等效实现。本申请旨在涵盖本文所讨论的具体实施方案的任何改编或变化。因此，本发明旨在仅由权利要求和权利要求的等同物限定。