[发明专利]电桥及具有电桥的磁性传感器组件

说明书

技术领域

本发明是关于电桥及具有电桥的磁性传感器组件，尤其涉及包括具有不 同材料所构成的电阻臂的电桥及具有此电桥的磁性传感器组件。

背景技术

磁传感器可感测外部磁场的变化。磁传感器可用以侦测旋转、角度、开/ 关状态、位置、对象的存在与否、对象的远近等。目前有许多类型的技术被 应用于磁传感器如霍尔(Hall)传感器、磁阻传感器、磁感应传感器、质子进动 装置、光学泵等。以磁阻技术作为实例，根据所用的磁阻材料的不同，依照 作动的原理及敏感度可将磁传感器分类为异向性磁阻(AMR)传感器、巨磁阻 (GMR)传感器及穿隧式磁阻(MTJ)传感器。

许多此类磁阻传感器常会受到温度变化的影响，因此多被设计成惠斯登 电桥的配置，增加灵敏度并消除与温度相依的非所欲电阻变化所造成的影响。

图1显示传统的磁阻传感器组件，其包括借着装封制程如打线接合封装、 覆晶封装等电连接的第一芯片100(或称为第一晶粒100)与第二芯片200(或称 为第二晶粒200)。第一芯片100主要具有由磁阻组件所配置成的惠斯登电桥， 电桥包括MR1、MR2、MR3与MR4四个电阻臂及电阻臂之间的内联机。电 阻臂MR1与MR2是以串联方式连接在一起构成一串联电阻，电阻臂MR3 与MR4是以串联方式连接在一起构成另一串联电阻；两串联电阻是位于操作 电位Vcc与接地电位之间以并联方式连接，电阻臂MR1与MR2之间的电位 为V+且电耦合至特殊应用集成电路的第一级的操作放大器210的一输入端， 电阻臂MR3与MR4之间的电位为V-且电耦合至特殊应用集成电路的第一级 的操作放大器210的另一输入端；当MR1、MR2、MR3与MR4四个电阻臂 的电阻值相同且电桥是处于平衡(balanced)状态时，电位V+会等于电位V-。 下面会参考图1A详细说明电阻臂的细节。第二芯片200主要具有针对磁阻 传感器之功能所客制化的特殊应用集成电路，其可包括与电桥连接的第一级 的操作放大器210、信号供应源、信号读取电路等；为了简化图示，只绘示 出与电桥连接的第一级的操作放大器210，并将其余的上述及其它电路以方 块220表示。

在传统的由磁阻组件所配置成的惠斯登电桥(全桥)中，当未加外加磁场 时，四个电阻臂为电阻值实质上相同且结构实质上相同的四个磁组组件。此 处所指的电阻值“实质上相同”是指在设计时希望其完全相同，但碍于制程 的变异可能会导致电阻值有些微的差异。后续会再说明所谓的“结构实质上 相同”。

现参考图1A，其是以异向性磁阻(AMR)传感器为例显示图1中的电阻臂 MR2的概略结构上视图。图1A中的电阻臂MR2包括多个磁阻单元110及串 接多个磁阻单元110的内联机104。每个磁阻单元110包括一磁阻材料条101 及位于磁阻材料条101的上方或下方并与其实体接触的多个导电条102。以 异向性磁阻(AMR)传感器为例，磁阻材料条101例如是由长条形的坡莫合金 (permalloy)所构成，导电条102例如是由长条形的金属氮化物如氮化钛、氮 化钽、氮化钨等所构成。导电条102又被称为螺旋杆(barberpole)，其功能在 于增加磁阻单元的感测敏感度，且其长度延伸方向与磁阻材料条101的长度 延伸方向夹一角度如45度角。电阻臂MR2的一端是借由内联机105电连接 至MR1而另一端是借由连接结构电连接至接地电位。在此处，内联机105是 指半导体后段制程(Backendofline，BEOL)所制造出的金属导线与金属插塞 等(不论是图案化铝金属所制成或单镶嵌钨制程所制成或双镶嵌铜制程所制 成)，连接结构则可能包括半导体后段制程所制造出的金属导线与金属插塞等 且更包括芯片最上层的焊垫及/或封装组件如打线球、锡球、凸块、导电胶等。 应注意，虽然未示出MR1、MR3及MR4的详细结构，但MR1、MR3及MR4 的结构是实质上与MR2的结构相同，皆为多个磁阻单元及串接多个磁阻单元 的内联机所构成；然而不同的是，在MR1、MR3及MR4中导电条相对于磁 阻材料条的位向(orientation)即所夹角度可能不同，在本文中将此些MR1、 MR2、MR3及MR4的结构定义为”实质上相同”。虽然在图1A中只显示了9 个磁阻单元，但应了解，在真实的异向性磁阻传感器中一个电阻臂可能会使 用更多的磁阻单元。