(57)【要約】      （修正有）【課題】３軸の磁気センサためのシステムと方法を提供する。【解決手段】ある実施形態では、単一の基板上１２０に形成された３軸磁気センサであって、センサが、単一の基板上に形成された磁気抵抗センサ１１５または磁気誘導センサのうちの少なくとも１つからなる面内の２軸磁気センサと、単一の基板上に形成されたホール効果センサ１１６からなる面外の磁気センサとを有する。面内の２軸磁気センサが、基板の平面に対して平行な第１の面の磁界を測定し、面外の磁気センサが、第１の面に対して直交する軸に沿って磁界を測定する。【選択図】図１Ａ
2012247415.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一の基板（１２０）上に形成された３軸磁気センサであって、該センサが、
前記単一の基板（１２０）上に形成された磁気抵抗（ＭＲ）センサまたは磁気誘導（ＭＩ）センサのうちの少なくとも１つからなる面内の２軸磁気センサ（１１５）と、
前記単一の基板（１２０）上に形成されたホール効果センサからなる面外の磁気センサ（１１６）と、
を有し、
前記面内の２軸磁気センサ（１１５）が、前記基板（１２０）の平面に対して平行な第１の面の磁界を測定し、前記面外の磁気センサ（１１６）が、前記第１の面に対して直交する軸に沿って磁界を測定することを特徴とするセンサ。
【請求項２】
単一の基板（１２０）上に３軸の磁気センサを形成するための方法であって、
磁気抵抗（ＭＲ）センサまたは磁気誘導（ＭＩ）センサの少なくともいずれか１つからなる面内の２軸の磁気センサ（１１５）を基板（１２０）上に形成するステップと、
ホール効果センサからなる面外の磁気センサ（１１６）を基板（１２０）上に形成するステップと、
を有し、
前記面内の２軸の磁気センサ（１１５）が、基板（１２０）の面に対して平行な第１の面の磁界を測定するために集積回路（１１７）上に方位づけされ、前記面外の磁気センサ（１１６）が、前記第１の面に対して直交する軸に沿って磁界を測定するために集積回路（１１７）を方位づけする、ことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のセンサであって、
前記２軸の磁気センサ（１１５）が、異方性の磁気抵抗（ＡＭＲ）センサ、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサ、または、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）センサの少なくとも１つからなることを特徴とするセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]  小型、低コストの３軸磁気センサの必要性は、成長している。３つの直角方向において感度が高いセンサを生産することは、垂直センサおよび水平センサを有する単一の型を形成することが困難なため現状では挑戦的である。従来の技術は、垂直方向に感度を提供するために１つのセンサダイの回転を含み、次いで、水平軸に沿って感度を提供する一つ以上のセンサダイと共に、回転されるダイを基板または熱フレームに載置する。これらのアプローチは、直交する軸の所望の角度を達成するためのかかる方法において、センサダイを正確に整列配置し、取り付ける際に包含する問題点が欠点である。
【背景技術】
【０００２】
[0002]  上述の理由のために、明細書を読み、理解すると、即座に、当業者にとって明らかになる以下で述べる他の理由のために、改良された３軸の磁気センサの技術の必要性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
[0003]  本発明の実施形態は、改良された３軸の磁気センサに関する方法およびシステムを提供し、以下の詳細な説明を読み、研究することによって理解される。
[0004]  ３軸の磁気センサためのシステムと方法を提供する。ある実施形態では、単一の基板上に形成された３軸磁気センサであって、該センサが、前記単一の基板上に形成された磁気抵抗（ＭＲ）センサまたは磁気誘導（ＭＩ）センサのうちの少なくとも１つからなる面内の２軸磁気センサと、前記単一の基板上に形成されたホール効果センサからなる面外の磁気センサとを有する。
【０００４】
面内の２軸磁気センサが、前記基板の平面に対して平行な第１の面の磁界を測定し、前記面外の磁気センサが、前記第１の面に対して直交する軸に沿って磁界を測定する。
[0005]  本発明の実施形態は、好ましい実施形態および以下の図の説明に鑑みて、より容易によく理解され、更なる効果および用途が理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１Ａ】[0006]  図１Ａは、本願発明の一実施形態の３軸磁気センサ・パッケージの平面図を例示している線図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本願発明の一実施形態の３軸磁気センサ・パッケージの側面図を例示している線図である。
【図１Ｃ】[0007]  図１Ｃは、本発明の一実施形態の３軸磁気他のセンサ・パッケージの線図である。
【図２】[0008]  図２は、図1A-Cおよび図3に関して記載されている実施形態のための種々の別の構成を例示している線図である。
【図３】[0009]  図３は、本発明の一実施形態の方法を例示するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
[0010]  一般の慣行に従って、種々の記載されている特徴は、一定の縮尺で描かれておらず、本発明に関連する特徴を強調するために描かれている。同様のエレメントに関する参照番号・文字は、図面およびテキストにわたって同様に規定されている。
【０００７】
[0011]  以下の詳細な説明において、本願の一部を形成する添付の図面を参照し、本発明が実施されることができる特定の例示の実施形態を示す。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施することができるのに充分に詳細に記載され、他の実施形態が利用されることができると理解され、論理的、機械的および電気的な変更が本発明の範囲内においてなされ得る。したがって、以下の詳細な説明は、限定的に解されてはならない。
【０００８】
[0012]  本発明の実施形態は、共通のベース上の２つの異なるセンサ技術を結合することによって直角の三次元センサアレンジメントから成るチップパッケージを提供する。より具体的には、本発明の実施形態は、例えば、磁気抵抗（ＭＲ）および／または、並びに、磁気誘導（MI）センサのような、磁気センサを結合することによって三次元センサアレンジメントを提供し、それらは、垂直な高感度ホール効果磁気センサで形成されるシリコンの平面に沿って感度が高い。ある実施形態では、これらのセンサは、特定用途向け集積回路（ASIC）に組み込まれる。かかる実施形態は、地球の磁場を方位またはナビゲーション目的のために利用する電子コンパスまたは他のデバイスのような関連するデバイスに関するソリューションを提供する。
【０００９】
[0013]  （例えば、異方性の磁気抵抗（AMR）、巨大な磁気抵抗（GMR）およびトンネル磁気抵抗（TMR）センサを包含する）磁気抵抗（ＭＲ）センサ、および、磁気誘導（MI）センサは、ダイ表面に対して平面の磁場に敏感である。このように、これらのセンサは、平面方向センサとして公知である。対照的に、ホール効果センサは、ダイ表面の平面と直角をなす磁場に影響され、面外（out-of-plane）センサとして公知である。平面方向（面内）および面外（out-of-plane）センサを結合することによって、本発明の実施形態は、ダイ回転方法より高価でなく、よりサイズ効率のよい３軸磁気センサを作製する方法を提供する。
【００１０】
[0014]  図１Ａおよび１Ｂは、共通の基板120上に形成されたASIC 117を有する３軸磁気センサ・パッケージ110の平面図（100）および側面図（150）を例示する線図である。ASIC 117は、磁気抵抗センサ115の形態の平面方向の磁気センサと、ホールセンサ116の形態の面外磁気センサとを備え、単一のチップダイ118の上に形成される。ここで使用している用語「パッケージ」は、集積回路を収納している保護コンテナとして機能するチップ・キャリア（別名、チップ・コンテナまたはチップパッケージ）に特に関連する用語である。すなわち、パッケージは集積回路チップが、外部回路（例えばプリント回路基板）に機械的および電気的に集積回路のカップリングを提供するハウジングである。電気的接続は、ソケットまたは表面取付けのいずれもを介して実行されることができる。このように、パッケージは金属リード線またはパッドを通常は提供し、それは電気的および機械的に壊れやすいチップをプリント回路基板に接続するのに十分しっかりしている。
【００１１】
[0015]  単一のチップダイ118は、第１の複数のワイヤボンディング接続119を介して電気的にASIC 117に連結する。ASIC 117は、第２の複数のワイヤボンディング接続122を介して基板120に順番に電気的に連結される。このような方法で、センサ115および116によって生成された測定値を表している電気信号は、センサ・パッケージ110まで外部のデバイスに届けられる。図１Ａおよび１Ｂが、他の実施形態では、図１Ｃに一般的に１８０で示されるような磁気抵抗センサを備えているような３軸磁気センサ・パッケージ110を例示するけれども、平面方向のセンサ130は、磁気誘導（MI）センサとして代わりに実装される。図1Aまたは図1Cの実施形態のどちらにおいてでも、平面方向の磁気センサ（115、130）は、２つの方向の磁場に敏感な単一のセンサデバイスから更に成り、または、互いに垂直に方位づけされた２つの個々の単一の軸センサから代わりになる。
【００１２】
[0016]  製造の見地から、２つの異なるセンサ技術（すなわち、MR/MIセンサ技術およびホールセンサ技術）が結合されるので、プロセスツールの２つの異なったセットは、共通の基板の上にセンサを形成するのに要求される。すなわち、MR/MIセンサを形成するのに用いられるプロセスツールは、ホール・センサを形成するのに用いられるプロセスツールよりも下にある技術と異なるベースである。例えば、薄膜MR/MIプロセスは、フォトリソグラフィのような技術を利用し、電気的絶縁ベース層上にMR/MI物質層をスパッタリングするために精密な堆積ツールを必要とする。対照的に、ホールセンサは、ガリウム砒素（GaAs）、アンチモン化インジウム（InSb）またはインジウム・ヒ化物（InAs）のような材料から形成される半導体デバイスである。一旦センサが形成されると、一般のASICの範囲内でセンサを集積することは、３つの直角センサの所望の構成を達成するためにダイコンポーネントを回転させる必要なしで、標準の製造プロセスを利用する。例えば、センサのワイヤボンディングは、適当な厚みのコネクションを作成するために上から通常の技術を使用して実行されることができる。ワイヤボンド（119、122）に加えて、他のデバイス相互接続は、シリコン・バイア（124で示されるようなTSV）、ウェハバンプ、ウェハ再構成、または、他の羞恥の技術を介して、標準のウェハ処理を使用してなされることができる。
【００１３】
[0017]  図２で図示したように、パッケージ110内に（ホールとして示された）面外（out-of-plane）センサ、および、（MR/MIとして示された）平面方向のセンサをアレンジするための種々の可能性がある。平面方向の２軸磁気センサ115、130の上に形成された面外（out-of-plane）磁気センサ116を有する実施形態を、全体的に210で示す。ある実施形態では、平面方向の２軸磁気センサ115、130は、全体的に220で示すように、集積回路117の上に更に形成される。別の実施形態では、平面方向の２軸磁気センサ115、130は、全体的に230で示すように、面外（out-of-plane）磁気センサ116の上に形成される。ある実施形態では、面外（out-of-plane）磁気センサ116は、全体的に240で示すように、更に集積回路117の表面の上に形成される。さらに別の実施形態では、平面方向の２軸磁気センサ115、130、および、面外（out-of-plane）磁気センサ116は、全体的に250で示す様に、集積回路117の表面の上に両方とも形成される。ある実施形態では、平面方向の２軸磁気センサ115、130および面外（out-of-plane）磁気センサ116は、全体的に260で一般に示されるように、集積回路117の表面上の各々に隣接して形成される。別の実施形態、平面方向の２軸磁気センサ115、130および面外（out-of-plane）磁気センサ116が、単一のウェハで処理され、および／または、離散的なダイ（チップ）および一緒にパッケージングされるように作られる。これらのコンポーネントの間の電気的接続は、（上記のように）ワイヤボンドを使用して達成され、または、シリコン・バイア（TSVs）を介して一つ以上を介して達成される。図２は、別のアレンジメントの実施形態を提供するように企図され、示されたそれらのアレンジメントだけに本発明の実施形態を限定されるものではない。
【００１４】
[0018]  図３は、３軸磁気センサのための方法を例示しているフローチャートである。ある実施形態では、３軸磁気センサは、図１Ａ乃至Ｃに関して上で議論され、図２において例示される構成のうちの１つで示すように構成された３軸磁気センサのうちの１つからなる。方法は、磁気抵抗（ＭＲ）センサまたは磁気誘導（ＭＩ）センサのいずれかのうちの少なくとも１つからなる平面方向の２軸磁気センサを基板上に形成する310から始まる。ＭＲセンサは、異方性の磁気抵抗（AMR）センサ、巨大磁気抵抗（GMR）センサ、または、トンネル磁気抵抗（TMR）センサのようなセンサ技術を含むが、これらに限定されない。ある実施形態では、平面方向の２軸磁気センサは、フォトリソグラフィのような技術を利用した薄膜プロセスを使用して、または、電気的絶縁ベース層上にMR/MI物質層をスパッタリングに関する堆積ツールを使用して形成されるが、それらに限定されない。
【００１５】
[0019]  方法は、ホール効果センサから成る面外（out-of-plane）磁気センサを基板上に形成するステップに関する320に進む。平面方向の２軸磁気センサは、基板の面と平行な第１の平面で磁場を測定するために集積回路において方位づけされ、面外（out-of-plane）磁気センサは、第１の面に対して直角の軸に沿って磁場を測定するために集積回路において方位づけされる。ある実施形態では、面外（out-of-plane）磁気センサは、半導体材（例えばガリウム砒素（GaAs）、アンチモン化インジウム（InSb）またはインジウム砒素（InAs））から形成される。上記したように、これらの平面方向および面外（out-of-plane）センサは、単一のウェハ上で処理され、および／または、離散的なダイ（チップ）として作られ、一緒にパッケージングされ得る。
【００１６】
[0020]  方法は、チップパッケージ内で集積回路、基板、平面方向の２軸磁気センサおよび面外（out-of-plane）磁気センサを封止することに関する330へ進み、チップパッケージが、外部回路まで集積回路の機械的および電気的な結合を提供する。ある実施形態では、平面方向および面外（out-of-plane）センサは、複数のワイヤボンディング接続を使用して集積回路に、および／または、１以上のシリコン・バイア（TSV）を介して電気的に結合される。集積回路は、複数のワイヤボンディング接続を介して基板に、および／または、１以上のシリコン・バイアに順番に電気的に連結される。このような方法で、両方のセンサによって生じる測定値は、センサ・パッケージに外部の装置に電気信号として提供される。
例示の実施形態
[0021]  実施形態１は、単一の基板上に形成された３軸磁気センサが、
前記単一の基板上に形成された磁気抵抗（ＭＲ）センサまたは磁気誘導（ＭＩ）センサのうちの少なくとも１つからなる面内の２軸磁気センサと、
前記単一の基板上に形成されたホール効果センサからなる面外の磁気センサと、
を有し、
前記面内の２軸磁気センサが、前記基板の平面に対して平行な第１の面の磁界を測定し、前記面外の磁気センサが、前記第１の面に対して直交する軸に沿って磁界を測定することを特徴とする。
【００１７】
[0022]  実施形態２は、実施形態１のセンサを包含し、２軸の磁気センサが、異方性の磁気抵抗（ＡＭＲ）センサ、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサ、または、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）センサの少なくとも１つからなることを特徴とする。
【００１８】
[0023]  実施形態３は、実施形態１または２のセンサを包含し、面内の２軸磁気センサが、ワイヤボンディングまたはシリコン・バイアを介して（ＴＶＳ）の少なくとも一方を使用して集積回路に電気的に結合されることを特徴とする。
【００１９】
[0024]  実施形態４は、実施形態３のセンサを包含し、集積回路が、ワイヤボンディングまたはシリコン・バイアを介して（ＴＶＳ）の少なくとも一方を使用して基板に電気的に結合されることを特徴とする
[0025]  実施形態５が、実施形態１乃至４のいずれかのセンサを包含し、面内の２軸の磁気センサが、第１の磁気センサダイ、および、前記第１の磁気センサダイに対して垂直に方位づけされた第２の磁気センサダイをさらに有することを特徴とする。
【００２０】
[0026]  実施形態６は、実施形態１乃至５のいずれかのセンサを包含し、平面の２軸磁気センサは、面外の磁気センサの上に形成されることを特徴とする。
[0027]  実施形態７は、実施形態６のセンサを包含し、面外の磁気センサが、集積回路の表面の上に形成されることを特徴とする。
【００２１】
[0028]  実施形態８は、実施形態１乃至５のいずれかのセンサを包含し、面外の磁気センサは、面内の２軸の磁気センサの上に形成されることを特徴とする。
[0029]  実施形態９は、実施形態８のセンサを包含し、面内の２軸の磁気センサが、集積回路の表面の上に形成されることを特徴とする。
【００２２】
[0030]  実施形態１０は、実施形態１乃至５のいずれかのセンサを包含し、面内の２軸の磁気センサおよび面外の磁気センサは、基板の表面上で互いに隣接して形成される。
[0031]  実施形態１１は、実施形態１乃至１０のいずれかのセンサを包含し、集積回路、基板、面内の２軸の磁気センサおよび面外の磁気センサを収納するパッケージから更に成り、パッケージは、外部回路まで集積回路の機械的および電気的な結合を提供する。
【００２３】
[0032]  実施形態１２は、３軸の磁気センサのための特定用途向け集積回路（ASIC）を包含し、該回路が基板から形成され、
薄膜２軸磁気センサが、基板上に形成され、基板に関して面内の磁界に対して感度が高く、
磁気センサ半導体ダイが基板上に形成され、薄膜２軸磁気センサによって感知された磁界に対して直交する磁界に対して感度が高く、
パッケージが、基板、薄膜２軸磁気センサおよび磁気センサ半導体ダイを収納し、パッケージは、薄膜２軸の磁気センサおよび磁気センサ半導体ダイを外部回路への機械的および電気的な結合を提供する。
【００２４】
[0033]  実施形態１３は、実施形態１２の回路を包含し、磁気センサ半導体ダイが、ホールセンサから成り、
薄膜の２軸磁気センサが、磁気抵抗（ＭＲ）センサまたは磁気誘導（ＭＩ）センサの少なくともいずれか１つからなることを特徴とする。
【００２５】
[0034]  実施形態１４は、実施形態１２または１３のいずれかの回路を包含し、２軸の磁気センサが、異方性の磁気抵抗（AMR）センサ、巨大な磁気抵抗（GMR）センサまたはトンネル磁気抵抗（TMR）センサのうちの少なくとも１つから成ることを特徴とする。
【００２６】
[0035]  実施形態１５は、実施形態１２乃至１４のいずれかの回路を包含し、
薄膜の２軸磁気センサが、第１の磁気センサダイ、および、第１の磁気センサダイに対して垂直に方位づけされた第２の磁気センサダイから更に構成されることを特徴とする。
【００２７】
[0036]  実施形態１６は、実施形態１２乃至１５のいずれかの回路を包含し、薄膜の２軸の磁気センサは、磁気センサ半導体ダイの上に形成されることを特徴とする。
[0037]  実施形態17は、実施形態１２乃至１５のいずれかの回路を包含し、磁気センサ半導体ダイは、薄膜２軸磁気センサの上に形成されることを特徴とする。
【００２８】
[0038]  実施形態18は実施形態１２乃至１５のいずれかの回路を包含し、磁気センサ半導体ダイおよび薄膜２軸磁気センサは互いに隣接して形成されることを特徴とする。
[0039]  実施形態１９は、単一の基板上に３軸の磁気センサを形成するための方法であって、
磁気抵抗（ＭＲ）センサまたは磁気誘導（ＭＩ）センサの少なくともいずれか１つからなる面内の２軸の磁気センサを基板上に形成するステップと、
ホール効果センサからなる面外の磁気センサを基板上に形成するステップと、
を有し、
前記面内の２軸の磁気センサが、基板の面に対して平行な第１の面の磁界を測定するために集積回路上に方位づけされ、前記面外の磁気センサが、前記第１の面に対して直交する軸に沿って磁界を測定するために集積回路を方位づけられ、
集積回路、基板、面内の２軸磁気センサ、および、面外の磁気センサをチップパッケージ内に密封させ、
チップパッケージが、集積回路を外部回路に対して機械的および電気的な結合を提供させることを特徴とする。
【００２９】
[0040]  実施形態２０は、実施形態１９の方法を包含し、２軸の磁気センサは、異方性の磁気抵抗（AMR）センサ、巨大な磁気抵抗（GMR）センサまたはトンネル磁気抵抗（TMR）センサのうちの少なくとも１つから成ることを特徴とする。
【００３０】
[0041]  特定の実施形態を例示し、本願明細書において記載してきたけれども、同じ目的を達成するために算出されるいかなる構成も特定の図示した実施形態と置換されることができることは当業者にとって明らかであろう。本出願は、本発明のいかなる適合またはバリエーションをもカバーすることを目的とする。したがって、本発明が、特許請求の範囲およびその均等の範囲だけによって制限されることは明白に企図される。
【図１Ａ】
2012247415.tif 000003
【図１Ｂ】
2012247415.tif 000004
【図１Ｃ】
2012247415.tif 000005
【図２】
2012247415.tif 000006
【図３】
2012247415.tif 000007
【外国語明細書】
2012247415000001.pdf