磁傳感器模塊以及活塞位置檢測裝置的制作方法

專利名稱：磁傳感器模塊以及活塞位置檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及磁傳感器模塊以及檢測缸筒內的活塞位置的活塞位置 檢測裝置，詳細地說，是涉及從缸筒的外側檢測油缸、氣缸等流體壓力 缸內的活塞位置的活塞位置檢測裝置。
本申請主張于2007年2月26日在日本提出的專利申請特愿 2007-045295號、以及于2007年7月20日在日本提出的專利申請特愿 2007-189692號的優先權，并在此援引其內容。
背景技術：
磁傳感器是檢測磁通密度的高低的傳感器，作為開閉傳感器以及接 近鐵板等磁性體而使用的接近傳感器被使用。至今為止的磁傳感器大多 是將霍爾傳感器作為電磁轉換元件使用。在將至今為止的磁傳感器作為 接近傳感器使用時，大多是如圖13A、圖13B、圖14那樣的構成(例 如參考專利文獻1~3、非專利文獻1~3)。
在圖13A、圖13B中，作為接近傳感器使用的磁傳感器具有以下的 構成。即、如圖13A所示，按照磁通4在與霍爾元件(或包含開關功能 的霍爾IC ) 2的長度方向垂直的方向上貫穿霍爾元件2的方式，相對霍 爾元件2配置磁鐵1。當磁性體3接近該磁傳感器時，如圖13B所示， 由于磁通4被磁性體3吸收，所以施加到霍爾元件2的磁通的密度變低。 因此，通過檢測該輸出變化，能夠檢測磁性體3的接近。而且，在包含 開關功能的霍爾IC的情況下，將規定的磁通密度作為閾值，能夠得到 以該閾值為邊界的反轉后的輸出。
而且，如圖14所示，作為接近傳感器使用的磁傳感器的動作也是 相同的。在該磁傳感器中，相對霍爾元件6設置磁鐵5，以使磁通8在 與霍爾元件(或包含開關功能的霍爾IC ) 6的長度方向垂直的方向上貫 穿霍爾元件6。該磁傳感器能夠得到與磁性體7的接近程度對應的輸出 變化。但是，在使用現有的霍爾元件的磁傳感器中，存在以下的問題
(1) 由于霍爾元件2、 6和磁鐵1、 5這樣的成對構造是不可少的， 因此需要多個部件，而且，使磁傳感器的尺寸變大(例如專利文獻2)。 特別是在圖13A、圖13B的構成中，在磁鐵1和霍爾元件2之間需要用 于使磁性體3通過的狹縫S (例如專利文獻2 )。
(2) 需要對用于施加偏置磁場的磁鐵和霍爾元件進行定位(例如 作為偏差防止對策，專利文獻3)。
(3) 通常，由于磁鐵特性的偏差大，所以需要估計到磁鐵特性的 偏差而進行設計(例如作為偏差防止對策，專利文獻3)。
現有的活塞位置檢測裝置的構造如圖15所示(例如專利文獻4)。 磁鐵101設置在活塞100上，磁傳感器103 (該磁傳感器103不具有磁 鐵)設置在由非磁性材料構成的缸筒102的外側。通過活塞100的移動， 磁鐵101接近磁傳感器103時，磁傳感器103檢測到磁鐵101，能夠檢 測出活塞100的位置。
但是，在上述那樣的現有的活塞位置檢測裝置中，由于需要在活塞 中設置磁鐵，所以活塞的構造復雜，制造工序也增多。
需要考慮到磁鐵和磁傳感器的特性來設計缸體。具體而言，根據磁 通的朝向垂直于或平行于缸筒的長度方向，需要使用霍爾元件的磁傳感 器或磁阻元件(MR元件)的磁傳感器中的哪個磁傳感器是不同的。并 且，在磁阻元件的情況下，需要匹配磁通的朝向和磁傳感器的感磁方向。 而且，相反在磁傳感器確定的情況下，需要注意磁鐵的磁極的朝向。而 且，由于將磁鐵設置在活塞中，所以使活塞以及缸筒變粗。
專利文獻1:日本特開昭61-172075號公才艮
專利文獻2:日本特開平6-76706號>^才艮
專利文獻3:日本特開2004-186040號>^才艮
專利文獻4:日本專利第2616783號公才艮
非專利文獻l:山田剛良、"磁場0亂IL"T才》才7，夕43 工k
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發明內容
本發明是鑒于上述情況而做出的，其目的在于提供一種能夠高精度 地且容易地對偏置磁場施加部件(例如磁鐵)進行定位的、且特性的偏 差少的磁傳感器模塊。而且，本發明另一目的在于提供一種不必在活塞 中配置偏置磁場施加部件，能夠使活塞的構造、制造變得簡單的活塞位 置檢測裝置。
為了解決上述問題，本發明提供一種磁傳感器模塊，其包括半導 體基板，其具有進行開關動作的集成電路；磁阻元件，其設置在該半導 體基板的一個面上，且在沿著該一個面的方向上具有感磁方向；偏置磁 場施加部件，其設置在所述半導體基板上、且配置在與所述一個面平行 的面上，所述偏置磁場施加部件，在沿著配置了該偏置磁場施加部件的 所述面的方向上被磁化，在未施加外部磁場的狀態下，該偏置磁場施加 部件在沿著設置了所述磁阻元件的所述一個面的方向上施加偏置磁場。
在本發明的磁傳感器模塊中，優選所述偏置磁場施加部件是骨狀磁 鐵或薄膜磁鐵。
優選，所述集成電路將所述磁阻元件的輸出電壓與規定的閾值進行 比較，根據比較的結果，輸出表示所述磁阻元件的輸出電壓是大于所述 規定的閾值的高電平狀態的信號，或輸出表示所述磁阻元件的輸出電壓 是小于所述規定的閾值的低電平狀態的信號。優選，所述偏置磁場施加部件"^殳置在作為所述半導體基板的一個面 的相反側的另一個面上。
本發明的活塞位置檢測裝置包括缸筒，其由非磁性材料構成；活 塞，其至少一部分由磁性材料構成，以在所述缸筒的內周面上滑動的方 式配置；磁傳感器，其配置在所述缸筒的外周面上，具有偏置磁場施加 部件。
在本發明中優選，所述磁傳感器至少具備根據磁通密度的強度進行 開關動作的集成電路，并且，所述偏置磁場施加部件是由薄膜構成的磁 鐵，配置在所述集成電路的上面、下面或內部。
在本發明中優選，所述磁傳感器具有半導體基板、以及設置在該半 導體基板的一個面上且在沿著該一個面的方向上具有感磁方向的磁阻 元件，所述偏置磁場施加部件是磁鐵，該磁鐵設置在所述半導體基板上、 且配置在與所述一個面平行的面上、并且在沿著配置了該磁鐵的所述面 的方向上被磁化，在未施加外部磁場的狀態下，該磁鐵在沿著設置了所 述磁阻元件的所述一個面的方向上施加偏置磁場。
根據本發明，通過使用由磁阻元件(MR元件)、具有進行開關動作 的集成電路(IC)的半導體基板(MR開關)以及偏置磁場施加部件構 成的集成構造構成磁傳感器模塊，具有以下優點
(1) 通過將偏置磁場施加部件包含到磁傳感器模塊中，形成集成 構造，不需要單獨的偏置磁場施加部件。
(2) 由于施加磁場的方向是與半導體基板的面平行的方向，所以 能夠使磁傳感器模塊小型化。
(3) 由于能夠使用與半導體工藝親和性高的工藝形成偏置磁場施 加部件，所以不需要對偏置磁場施加部件和半導體基板進行定位。而且， 由于能夠高精度地調整偏置磁場施加部件和磁阻元件之間的距離，所以 能夠減少所施加的磁場的偏差。
而且，根據本發明，通過將活塞的至少一部分為磁性材料、且磁傳 感器具備偏置磁場施加部件，不必在活塞中配置偏置磁場施加部件。基
7于此，除了能夠不必考慮偏置磁場施加部件的磁極來安裝磁傳感器以 外，還能夠通過在活塞中不配置偏置磁場施加部件而使活塞以及缸筒變 細。其結果，本發明能夠提供使活塞的構造以及制造變得簡單的活塞位 置檢測裝置。


圖l是表示本發明的磁傳感器模塊的概略構成的一個例子的概略截 面圖。
圖2是表示磁阻元件的構成的一個例子的俯視圖。
圖3A是示意地表示在沒有對圖1所示的磁傳感器模塊施加外部磁 場的狀態下磁場的情況的圖。
圖3B是示意地說明在沒有對圖1所示的磁傳感器模塊施加外部磁 場的狀態下的輸出的曲線圖。
圖4A是示意地表示磁性體從半導體基板的正面側接近圖1所示的 磁傳感器模塊的狀態下磁場的情況的圖。
圖4B是示意地說明磁性體從半導體基板的正面側接近圖1所示的 磁傳感器模塊的狀態下的輸出的曲線圖。
圖5A是示意地表示在磁性體從半導體基板的背面側接近圖1所示 的磁傳感器模塊的狀態下磁場的情況的圖。
圖5B是示意地說明磁性體從半導體基板的背面側接近圖1所示的 磁傳感器模塊的狀態下的輸出的曲線圖。
圖6A是示意地表示將圖l所示的磁傳感器模塊經由凸塊固定在基 板上而構成磁傳感器的情況的截面圖。
圖6B是示意地表示在將圖1所示的磁傳感器模塊經由凸塊固定在 基板上而構成磁傳感器的狀態下磁場的情況的圖。
圖7是表示本發明的活塞位置檢測裝置的一個例子的截面圖。
8圖8是表示本發明的活塞位置檢測裝置的另 一個例子的截面圖。 圖9是抽出構成圖7、 8的裝置的磁傳感器的部分進行表示的截面圖。
圖IO是表示磁阻元件的構成的一個例子的俯視圖。
圖11A是表示在沒有對磁傳感器施加外部磁場狀態下磁場的情況 的圖。
圖11B是表示在沒有對磁傳感器施加外部磁場狀態下施加磁場和 電壓的關系的曲線圖。
圖12A是表示在使磁性體接近磁傳感器的狀態下磁場的情況的圖。
圖12B是表示在使磁性體接近磁傳感器的狀態下施加磁場和電壓 的關系的曲線圖。
圖13A是表示現有的磁傳感器的一個例子的概略圖。
圖13B是表示現有的磁傳感器的一個例子的概略圖。
圖14是表示現有的磁傳感器的其他例子的概略圖。
圖15是表示現有的活塞位置檢測裝置的一個例子的截面圖。
附圖符號說明
10—磁傳感器模塊；11—半導體基板；lla——個面；lib—另一個 面；12—偏置磁場施加部件；13—磁阻元件(MR元件)；23—磁傳感器； 31—活塞位置檢測裝置；32—缸筒；33—活塞；34—磁性材料；40—磁 傳感器；41—半導體基板；42—磁阻元件；43—偏置磁場施加部件；44 —薄膜磁鐵；47—磁傳感器模塊
具體實施例方式
下面，參照圖1~圖6B對基于本發明的第一實施方式的磁傳感器模 塊進行說明。另外，該磁傳感器模塊IO例如如后所述，通過凸塊等固定在撓性 印刷基板電路(FPC)等基板22上，構成磁傳感器23。
圖1是表示本發明的磁傳感器模塊10的概略構成的一個例子的概 略截面圖。圖2是表示磁阻元件13的構成的一個例子的俯視圖。圖3A 是示意地表示在沒有對圖1所示的磁傳感器模塊IO施加外部磁場的狀 態下磁場14的情況的圖，圖3B是示意地說明該狀態下的輸出的曲線圖。 圖4A是示意地表示磁性體20從半導體基板的正面側接近圖l所示的磁 傳感器模塊10的狀態下磁場15的情況的圖，圖4B是示意地說明該狀 態下的輸出的曲線圖。圖5A是示意地表示磁性體20從半導體基板的背 面側接近圖1所示的磁傳感器模塊10的狀態下磁場16的情況的圖，圖 5B是示意地說明該狀態下的輸出的曲線圖。圖6A是示意地表示將圖1 所示的磁傳感器模塊10經由凸塊21固定在基板上而構成磁傳感器23 的情況的截面圖，圖6B是示意地表示該狀態下的磁場17的情況的圖。
其中，圖3A、圖4A、圖5A、圖6B中的符號14~17是示意地表示 各自狀態下的磁場。在圖3B、圖4B、圖5B中示意地表示了，從高電平 (High level)遷移到低電平(Low level)時及從低電平遷移到高電 平時，橫軸方向上通過不同的位置。
如圖1所示，該磁傳感器模塊10至少具有具有進行開關動作的 集成電路(未圖示)的半導體基板11;設置在該半導體基板11的一個 面lla上、在沿上述一個面lla的方向上具有感磁方向的磁阻元件13; 設置在上述半導體基板11上，且配置在與上述一個面lla平行的面lib 上的偏置磁場施加部件(偏置磁場施加用磁鐵)12。本實施方式的磁傳 感器模塊10的偏置磁場施加部件12的磁化方向的特征在于如圖3A 所示，是沿形成該偏置磁場施加部件12的面lib的方向(N及S在沿面 lib的方向上排列)，在未施加外部磁場的狀態下，對沿形成磁阻元件 13的上述一個面lla的方向上施加偏置磁場14。
作為偏置磁場施加部件12優選為，在對半導體基板進行層疊時， 能夠通過與半導體工藝親和性高的工藝形成的骨狀(paste)磁鐵或薄 膜磁鐵。作為構成磁鐵的硬磁性體并不特別限定，可利用釤-鈷(SmCo)、 鐵-鉑(FePt)、鈷-鉑(CoPt)、釹-鐵-硼(NdFeB)、鐵氧體等。可以通過涂敷等方法在基板的任一個面上涂敷將硬磁性體粉末等 混合到粘結劑樹脂中而形成的硬磁性體骨劑、并在燒結、加熱中在規定 的方向上進行磁化，設置骨狀磁鐵。
薄膜磁鐵是將硬磁性體成膜為薄膜的磁鐵，其制造方法并不特別限 定，可例舉濺射或蒸鍍、鍍敷、粘結磁鐵的印刷等。在將薄膜磁鐵形成 為任意形狀的圖案化中，例如可利用蝕刻法或剝離法等的光刻技術。制 造出的薄膜磁鐵根據需要在進行退火處理中，在作為磁傳感器的感磁方 向上進行磁化。
在此，在圖1所示的例子中，偏置磁場施加部件12設置在與半導 體基板11的一個面lla相反的一側的另一個面llb上。此時，由于偏 置磁場施加部件12和磁阻元件13之間的距離由半導體基板11的厚度 確定，所以能夠高精度地控制對磁阻元件施加磁場。
另外，本發明的磁傳感器模塊10并不限定于本例，例如也可在半 導體基板11的一個面lla的同側設置偏置磁場施加部件12。而且，在 層疊偏置磁場施加部件12和半導體基板11時，也可隔著其他層(未圖 示)來任意調整偏置磁場施加部件12和半導體基板11之間的距離。通 過該方法也可高精度地控制對磁阻元件13施加的磁場。中間隔著的其 他層并不特別限定，可以通過對合適的無機材料或有機材料等非磁性材 料進行成膜而容易地形成。
在本發明中，作為構成磁傳感器模塊10的磁阻元件13的電磁轉換 材料，使用在沿膜面的方向上具有感磁方向的各向異性的磁阻材料 (MR)。磁阻元件13可由磁性膜構成，可例舉坡莫合金，其中，該磁性 膜由鐵-鎳(FeNi)、鐵-鎳-鈷(NiFeCo)等強磁性體構成。
在本實施方式中，設置在半導體基板ll上的磁阻元件13如圖2所 示，由四個MR薄膜電阻13a、 13b、 13c、 13d，以及"^殳置在薄膜電阻13a~ 13d之間的由導體構成的端子a、 b、 c、 d構成，具有橋接構造。作為形 成各個MR薄膜電阻13a ~ 13d的方法，可例舉組合了基于光刻法的圖案 形成工序和基于鍍敷法或濺射法的成膜工序的方法。
MR薄膜電阻13a ~ 13d的圖案朝向各自規定的方向配置。在為圖2所示的磁阻元件13的情況下，兩個MR薄膜電阻13a、 13d 朝向半導體基板ll的一個面lla上的一個方向(以下稱為"X方向"。 圖2中的左右方向)配置，其他的兩個MR薄膜電阻13b、 13c朝向半導 體基板11的一個面lla上的與上述X方向垂直的方向(以下稱為"Y 方向"。圖2中的上下方向)配置。
在朝向X方向配置的兩個MR薄膜電阻13a、 13d中^1置有將X方向 作為長度方向平行地配置的多個MR膜。鄰接的MR膜以使其端部之間按 照成為彎曲(meander)形狀(曲折形狀)的方式通過MR膜或導電膜在 Y方向上進行電連接。
而且，在朝向Y方向配置的兩個MR薄膜電阻13b、 13c中^:置有將 Y方向作為長度方向平行地配置的多個MR膜。鄰接的MR膜以使其端部 之間形成為彎曲形狀(曲折形狀)的方式通過MR膜或導電膜在X方向 上進行電連接。
優選四個MR薄膜電阻13a ~ 13d由相同材質的MR膜形成。基于此， 由于四個MR薄膜電阻13a 13d相對溫度的特性變動是相同的，所以提 高作為磁裝置的溫度特性。用導電膜形成折彎部分時，使用金(Au)、 銅(Cu)、鋁(Al)等導體膜。
如圖2所示，磁阻元件13構成橋接電路。因此，在四個MR薄膜電 阻13a ~ 13d中，相互朝向不同方向(X方向或Y方向)配置的元件之間 被鄰接地配置，四個MR薄膜電阻13a 13d通過布線進行連接。這些布 線例如可由金(Au)、銅(Cu)、鋁(A1)等導體膜構成。四個MR薄膜 電阻13a~13d按照朝向逐一相差90。地配置。優選四個MR薄膜電阻 13a 13d的材料、圖案形狀及電阻值是相同的。作為排列四個MR薄膜 電阻13a 13d的樣式，可例舉如圖2所示的縱橫2x2的排列，但通過 在MR薄膜電阻之間用適當的布線進行連接，也可采用其他的排列。
在這樣的橋接電路中，當端子a與電源電壓、端子b與地電平分別 連接時，其他的兩個端子c、 d之間的電位差(橋接輸出)，能夠作為磁 阻元件13的輸出得到。由于橋接輸出反映了施加磁場的強度并進行隨 之增減，所以將該橋接輸出(電壓)的大小與規定的閾值進行比較，通 過判斷輸出電壓大于規定的閾值(高電平狀態)或輸出電壓小于規定的閾值(低電平狀態)，能夠進行開關動作。在本發明中，通過在半導體 基板11上形成的集成電路(未圖示)進行開關動作，集成電路輸出表 示為高電平狀態或低電平狀態的任一個狀態的信號。
接著，參照圖3A 圖5B說明作為本實施方式的磁傳感器模塊10的 檢測方法。磁傳感器模塊10的輸出根據閾值的磁通密度設定為，當磁 通密度低時輸出電壓為高電平狀態(High level),當磁通密度高時輸 出電壓為低電平狀態(Low level )。因此，針對磁傳感器模塊10的輸 出電壓確定閾值，將磁傳感器模塊10的輸出電壓大于上述閾值時設定 為高電平狀態，將磁傳感器模塊10的輸出電壓小于上述閾值時設定為 低電平狀態。而且，關于閾值優選在高電平狀態和低電平狀態之間設置 間隔來明確地區別兩者。將這樣通過電壓值的比較進行開關動作的集成 電路和電磁轉換元件的輸出組合使用，由此能夠構成根據外部磁場的大 小進行開關動作的磁傳感器模塊10。
如圖3A所示，在未施加外部磁場的狀態下，通過在沿形成偏置磁 場施加部件12的面的方向上磁化的偏置磁場施加部件12,對磁阻元件 13在沿形成磁阻元件13的面的方向上施加偏置磁場14。此時的磁場14 是磁阻元件13附近的磁通密度高的磁場(圖3A中在磁阻元件13上用 實線表示為右向箭頭。)。因此，如圖3B所示，若設定上述閾值以使將 此時的輸出電壓判斷為低電平狀態(Low level),則低電平狀態的輸出 成為表示沒有接近磁性體的狀態。
如圖4A所示，在接近鐵板等磁性體20時，由偏置磁場施加部件12 施加的磁通被磁性體20吸收。其結果，此時的磁場15成為磁阻元件13 附近的磁通密度低的磁場(圖4A中磁阻元件13上用虛線表示為右向箭 頭)。因此，如圖4B所示，若設定上述閾值以使將此時的輸出電壓成為 高電平狀態(High level),則高電平狀態的輸出成為表示接近磁性體 20的狀態。
在圖4A中說明了從半導體基板11的一個面lla側使磁性體20接 近的情況，但如圖5A所示，使磁性體20從半導體基板11的另一個面 llb側接近時也同樣地進行動作。即、若使磁性體20接近，則由偏置磁 場施加部件12施加的磁通被磁性體20吸收。其結果，磁阻元件13附 近的磁通密度成為弱磁場16，輸出表示磁性體20接近的狀態的高電平
13狀態的信號。
因為磁阻元件13具有電阻值根據施加磁場的強度而發生變化的性 質，并具有施加磁場越強電阻值越小的特性，所以磁阻元件13的兩個 端子之間的電位差(橋接輸出)反映對MR膜施加的磁通密度的強度并 進行增減。對該橋接輸出的大小和規定的閾值進行比較，通過判斷輸出 電壓是大于還是小于規定的閾值來進行開關動作。通過這樣的構成，能 夠實現根據對元件施加的磁通密度的高低產生兩個不同的輸出的磁傳 感器模塊IO。另夕卜，作為被集成電路輸出的該磁傳感器模塊10的輸出， 可以是在磁阻元件13的橋接輸出小于規定的閾值時輸出高電壓值的信 號，在磁阻元件13的橋接輸出大于規定的閾值時輸出低電壓值的信號。 而且，也可相反，在磁阻元件13的橋接輸出小于規定的閾值時輸出低 電壓值的信號，在磁阻元件13的橋接輸出大于規定的閾值時輸出高電 壓值的信號。
由于通過設置在半導體基板上的集成電路UC)進行開關動作，所
以能夠節省空間地構成比較及控制等必要的電路，能夠實現磁傳感器模 塊10的小型化。如圖6A所示，本實施方式的磁傳感器模塊IO通過在 半導體基板ll的面11a上設置凸塊21，并固定在撓性印刷電路(FPC) 等基板22上，能夠構成磁傳感器23。另外，可將磁傳感器模塊IO、凸 塊21以及基板22容納在未圖示的磁傳感器用殼體中，將它們作為整體 構成磁傳感器23。而且，此時在半導體基板11和電路基板22之間可以 使用凸塊或導線、導電骨(未圖示)等進行電連接。
如以上說明，在本發明的第一實施方式中，通過使用磁化方向是沿 著形成偏置磁場施加部件12的面的方向的偏置磁場施加部件12、以及 具有沿著膜的面的方向的感磁方向的磁阻元件13，在磁性體20從任意 方向接近磁傳感器模塊10的情況下都能夠進行檢測。
而且，由于偏置磁場施加部件12和磁阻元件13都使用與半導體工 藝親和性高的工藝形成，所以容易高精度地調整偏置磁場施加部件12 和磁阻元件13的位置關系。而且，由于都層疊在半導體基板上進行一 體化，所以能夠對磁傳感器模塊10以及具有該磁傳感器模塊10的磁傳 感器23進行小型化。(實施例)
如圖1所示，根據本實施例制成的磁傳感器模塊10由磁阻元件13 和集成在半導體基板11上的偏置磁場施加部件12構成。如圖2所示， 磁阻元件13由四個MR薄膜電阻13a~ 13d的橋接構造構成，各MR薄膜 電阻由坡莫合金薄膜形成。磁阻元件13的輸出通過集成電路內的比較 電路(比較器)進行比較后，進行開關動作。其封裝通過由硅(Si)基 板構成的晶片級封裝構成，包含凸塊21 (參照圖6A、圖6B)的芯片尺 寸是0.97 x 0. 97 x 0.5 (mm)。
在半導體基板11的背面lib配置作為偏置磁場施加部件12的NdFeB 系的骨狀磁鐵。NdFeB系的骨狀磁鐵形成為約80nm的膜厚，在沿著與 磁阻元件13的感磁方向相同的面的方向上進行磁化。骨狀磁鐵能夠通 過其膜厚控制對磁阻元件13施加的磁場，而且，由于通過基板11的厚 度規定偏置磁場施加部件12和磁阻元件13之間的距離，所以能夠高精 度地控制施加磁場。
如圖6A所示，該磁傳感器模塊10通過設置在半導體基板11的一 個面11a上的凸塊21安裝到基板22上而構成磁傳感器23。然后，確認 其輸出時，輸出是低電平。該磁傳感器23，按照在未施加偏置磁場的狀 態下，將約10~20 (Oe)的施加磁場作為閾值磁場，在比這強的磁場時 輸出為低電平，在弱于該閾值磁場的磁場下輸出為高電平的方式進行設 定。因此，低電平的輸出意味著對磁傳感器23施加了約20 (Oe)左右 的偏置磁場。
接著，如圖6B所示，當從磁傳感器模塊10的偏置磁場施加部件12 側接近作為磁性體20的鐵板時，在約IO咖的距離，磁傳感器23的輸 出反轉為高電平。這表示由偏置磁場施加部件12產生的磁通被磁性體 20吸收，結果磁阻元件13附近的磁通密度低，施加磁場的強度小于約 10 (Oe)的意思。
同樣地雖未特別圖示，但從磁傳感器模塊10的磁阻元件13側(圖 6A、圖6B中的下側)接近磁性體時，磁傳感器23的輸出也反轉為高電根據這些結果可知，磁性體20無論是從磁阻元件13側接近時還是 從其相反側接近時，能夠得到沒有區別地反轉為高電平的輸出。
下面，使用圖7~圖12B對本發明的第二實施方式進行說明。 即、參照附圖對本發明的活塞位置檢測裝置的 一個實施方式進行說明。
圖7是示意地表示本發明的活塞位置檢測裝置31的一個實施方式 的縱截面圖。
本發明的活塞位置檢測裝置31至少具有由非磁性材料構成的缸 筒32;至少一部分由磁性材料34構成的、以在上述缸筒32的內周面中 滑動的方式配置的活塞33;以及配置在上述缸筒32的外周面的磁傳感 器40，磁傳感器40至少具備偏置磁場施加部件43。
在本發明中，通過將活塞33的至少一部分作為能夠吸收磁通的磁 性材料34、磁傳感器40作為具備偏置磁場施加部件43的構成，沒有必 要在活塞33中配置磁鐵。由此，可不必考慮磁鐵的磁極來安裝磁傳感 器40。而且，由于在活塞33中沒有配置磁鐵所以能夠使活塞33以及缸 筒32變細。其結果，在本發明的活塞位置檢測裝置31中，能夠使活塞 33的構造及制造變得簡單。
而且，如作為表示抽出磁傳感器40的部分的截面圖的圖9所示， 上述磁傳感器40由磁傳感器模塊47、后述的凸塊51、基板52、以及將 這些容納到內部的磁傳感器用殼體48構成。磁傳感器模塊47至少具有
至少具備根據磁通密度的強度進行開關動作的集成電路的半導體基板 41;設置在該半導體基板41的一個面41a上的、在沿著上述一個面41a 的方向上具有感磁方向的磁阻元件42;設置在上述半導體基板41上， 且配置在與上述一個面41a平行的面41b上的偏置磁場施加部件(偏置 磁場施加用磁鐵)43。上述偏置磁場施加部件43是由薄膜構成的磁鐵， 配置在上述集成電路的上面、下面或內部。基于此，磁傳感器40為小 型，可增加活塞位置檢測裝置31的設計自由度，能夠對活塞位置檢測 裝置31整體的小型化作出貢獻。
缸筒32由非磁性材料構成。作為這樣的非磁性材料并不特別限定，
16可例舉如不銹鋼、銅等非磁性金屬材料，或聚乙烯、聚氯乙烯等合成樹 脂材料。
活塞33是棒狀，以在上述缸筒32的內周面中滑動的方式配置在缸 筒32的內部。
活塞33的至少一部分由能夠吸收磁通的磁性材料34構成。作為磁 性材料34并不特別限定，優選使用例如鐵(Fe)、鈮(Nb)、鉻(Cr)、 釹(Nd)等磁力強的材料。
活塞33如圖8所示可以是其整體由磁性材料34構成，也可如圖7 所示僅前端部由磁性材料34構成。
磁傳感器40是配置在上述缸筒32的外周面的磁接近傳感器。如后 所述，磁傳感器40具備四個MR薄膜電阻的橋接構造，通過由比較電路 對其輸出進行比較，進行開關動作。活塞位置檢測裝置31利用該開關 動作，檢測活塞位置。
如圖9所示，磁傳感器40在半導體基板41的面41a上設置凸塊51, 具有將它們固定到撓性印刷電路(FPC)等基板52的構成。這樣的磁傳 感器40配置在缸筒32的外周面上。而且，此時在半導體基板41和電 路基板52之間能夠使用凸塊51或導線、導電骨(未圖示)等進行電連 接。這樣的磁傳感器40通過WLP(晶片級封裝)被封裝，在磁傳感器模 塊47中包含凸塊的芯片尺寸例如是0.97 x 0. 97 x 0. 5mm。其中，封裝形 式不限于WLP也可是樹脂模塑封裝。
磁傳感器40的磁阻元件42作為電磁轉換材料，使用在沿著膜面的 方向上具有感磁方向的各向異性的磁阻材料(MR)。磁阻元件42可由磁 性膜構成，可例舉坡莫合金，其中，該磁性膜由鐵-鎳(FeNi)、鐵-鎳-鈷(NiFeCo)等強磁性體構成。
在本實施方式中，設置在半導體基板41上的磁阻元件42如圖10 所示，由四個MR薄膜電阻42a、 42b、 42c、 42d，以及設置在薄膜電阻 42a 42d之間的由導體構成的端子a、 b、 c、 d構成，具有橋接構造。 作為形成各個MR薄膜電阻42a ~ 42d的方法，可例舉組合了基于光刻法 的圖案形成工序和基于鍍敷法或濺射法的成膜工序的方法。MR薄膜電阻42a 42d的圖案朝向各自規定的方向配置。
如圖IO所示，磁阻元件42構成橋接電路。因此，四個MR薄膜電 阻42a 42d具有相互朝向不同方向(X方向或Y方向)配置的元件之 間被鄰接地配置，并通過布線進行連接的構造。這些布線例如可由金 (Au)、銅(Cu)、鋁(Al)等導體膜構成。四個MR薄膜電阻42a 42d 按照朝向逐一改變90。地配置。而且，優選四個MR薄膜電阻42a 42d 的材料、圖案形狀及電阻值是相同的。作為排列四個MR薄膜電阻42a~ 42d的樣式，可例舉如圖10所示的縱橫2 x 2的排列，但通過在MR薄膜 電阻之間用適當的布線進行連接，也可采用其他的排列。
在這樣的橋接電路中，當電源電壓與端子a連接、地電平與端子b 連接時，能夠將其他的兩個端子c、 d之間的電位差(橋接輸出)作為 磁阻元件42的輸出得到。由于橋接輸出反映了施加磁場的強度并隨之 增減，所以將該橋接輸出(電壓)的大小與規定的閾值進行比較，通過 判斷輸出電壓大于規定的閾值(高電平狀態)或輸出電壓小于規定的閾 值(低電平狀態)，能夠進行開關動作。在本實施方式中，通過在半導 體基板41上形成的集成電路(未圖示)進行開關動作，集成電路輸出 表示高電平狀態或低電平狀態的任一個狀態的信號。
而且，在上述缸筒32的外側配置有構成磁傳感器40的一部分的偏 置磁場施加部件43。
例如在如圖9所示的例子中，偏置磁場施加部件43在磁傳感器40 中，層疊在半導體基板41上，且配置在與上述一個面41a平行的面41b 內。
作為偏置磁場施加部件43優選，在對半導體基板41進行層疊時， 通過能夠與半導體工藝親和性高的工藝形成的薄膜磁鐵44。作為構成薄 膜磁鐵44的硬磁性體并不特別限定，可利用釤-鈷(SmCo)、鐵-賴 (FePt)、鈷-鉑(CoPt)、釹-鐵-硼(NdFeB)、鐵氧體等。
薄膜磁鐵44是將上述那樣的硬磁性體作為薄膜進行成膜的磁鐵， 其制造方法并不特別限定，可例舉骨劑涂敷、濺射或蒸鍍、鍍敷、粘結 磁鐵的印刷等。在將薄膜磁鐵44形成為任意形狀的圖案化中，例如可利用蝕刻法或剝離法等的光刻技術。制造出的薄膜磁鐵44根據需要在 進行退火處理中，在作為磁傳感器的感磁方向上進行磁化。
薄膜磁鐵44的膜厚以及薄膜磁鐵44占磁傳感器模塊47的面積并 術特別限定，可適當地確定。例如，作為薄膜磁鐵44在半導體基板41 的面41b上以約80nm的膜厚形成NdFeB系的骨狀磁鐵，在與磁傳感器 40的感磁方向相同的方向上進行磁化。
如圖11所示，薄膜磁鐵44在沿著形成該磁鐵的面41b的方向上被 磁化(薄膜磁鐵44的磁化方向是沿著面41b的方向)，在未施加外部磁 場的狀態下，在沿著形成磁阻元件42的面的方向上施加偏置磁場45。
在此，在圖9所示的例子中，偏置磁場施加部件43設置在作為與 半導體基板41的一個面41a的相反側的另一個面41b上。此時，由于 薄膜磁鐵44和磁阻元件42之間的距離通過半導體基板41的厚度來確 定，所以能夠高精度地控制對磁阻元件42施加的磁場。
另外，偏置磁場施加部件43的配置并不限定于本例，例如也可在 半導體基板41的一個面41a的同側設置偏置磁場施加部件43。而且， 在對偏置磁場施加部件43和半導體基板41進行層疊時，也可隔著其他 層(未圖示)來任意調整偏置磁場施加部件43和半導體基板41之間的 距離。通過該方法也可高精度地控制對磁阻元件42施加的磁場。中間 隔著的其他層并不特別限定，能夠通過對適當的無機材料或有機材料等 非磁性材料進行成膜而容易地形成。
接著，參照圖11A~圖12B對本實施方式的活塞位置檢測裝置31中 的基于磁傳感器40的活塞位置檢測方法進行說明。磁傳感器40的輸出， 按照根據閾值的磁通密度，當磁通密度低時輸出電壓為高電平狀態 (High level),當磁通密度高時輸出電壓為低電平狀態(Low level) 的方式設定。因此，針對磁傳感器40的輸出電壓確定閾值，將磁傳感 器40的輸出電壓大于上述閾值時設定為高電平狀態，將磁傳感器40的 輸出電壓小于上述閾值時設定為低電平狀態。而且，優選設定閾值以使 在高電平狀態和低電平狀態之間設置間隔來明確地區別兩者。通過將這 樣通過電壓值的比較進行開關動作的集成電路和電磁轉換元件的輸出 組合地使用，能夠構成根據外部磁場的大小檢測活塞位置的活塞位置檢測裝置31。
如圖11A所示，在未施加外部磁場的狀態下，通過在沿形成偏置磁 場施加部件43的面的方向上磁化的偏置磁場施加部件43，對磁阻元件 42在沿形成磁阻元件42的面的方向上施加偏置磁場45。此時的磁場45 是磁阻元件42附近的磁通密度高的磁場(圖11A中在磁阻元件42上用 實線表示為右向箭頭。)。因此，如圖11B所示，若設定上述閾值以使將 此時的輸出電壓判斷為低電平狀態(Low level),則低電平狀態的輸出 成為表示磁性體34 (活塞33 )沒有接近的狀態。
如圖12A所示，在使磁性體34 (活塞33 )接近時，由薄膜磁鐵44 施加的磁通被磁性體34吸收。其結果，此時的磁場46成為磁阻元件42 附近的磁通密度低的磁場(圖12A中磁阻元件42上用實線表示為右向 箭頭)。因此，如圖12B所示，若按照使將此時的輸出電壓成為高電平 狀態(High level)的方式設定上述閾值，則高電平狀態的輸出成為表 示磁性體34 (活塞33 )接近的狀態。
磁阻元件42具有電阻值根據施加磁場的強度而發生變化的性質， 并具有施加磁場越強電阻值越小的特性。因此，磁阻元件42的兩個端 子之間的電位差(橋接輸出)反映了對MR膜施加的磁通密度的強度并 隨之增減。對該橋接輸出的大小和規定的閾值進行比較，通過判斷輸出 電壓是大于還是小于規定的閾值來進行開關動作。通過這樣的構成，能 夠實現根據對元件施加的磁通密度的高低產生兩個不同的輸出的磁傳 感器40、以及利用其的活塞位置檢測裝置31。另外，作為被集成電路 輸出的該磁傳感器40的輸出，可以是在磁阻元件42的橋接輸出小于規 定的閾值時輸出高電壓值的信號，在磁阻元件42的橋接輸出大于規定 的閾值時輸出低電壓值的信號。而且，也可相反，在磁阻元件42的橋 接輸出小于規定的閾值時輸出低電壓值的信號，在磁阻元件42的橋接 輸出大于規定的閾值時輸出高電壓值的信號。
而且，由于通過設置在半導體基板41上的集成電路(IC)進行活 塞位置檢測，所以能夠節省空間地構成比較及控制等必要的電路，能夠 實現磁傳感器40的小型化。
以上對本發明的第二實施方式的活塞位置檢測裝置31進行了說明，但本發明并不限定于此，在沒有脫離發明宗旨的范圍內可以進行適當地 變更。
工業上的可利用性
本發明的磁傳感器模塊能夠用于檢測鐵板等磁性體的接近的各種 用途中。而且，本發明能夠應用在活塞位置檢測裝置中。
權利要求
1.一種磁傳感器模塊，包括半導體基板，其具有進行開關動作的集成電路；磁阻元件，其設置在該半導體基板的一個面上，且在沿著該一個面的方向上具有感磁方向；偏置磁場施加部件，其設置在所述半導體基板上，且配置在與所述一個面平行的面上，所述偏置磁場施加部件，在沿著配置了該偏置磁場施加部件的所述面的方向上被磁化，在未施加外部磁場的狀態下，該偏置磁場施加部件在沿著設置了所述磁阻元件的所述一個面的方向上施加偏置磁場。
2. 根據權利要求1所述的磁傳感器模塊，其特征在于， 所述偏置磁場施加部件是骨狀磁鐵或薄膜磁鐵。
3. 根據權利要求2所述的磁傳感器模塊，其特征在于， 所述集成電路，將所述磁阻元件的輸出電壓與規定的閾值進行比較，根據比較的結果，輸出表示所述磁阻元件的輸出電壓是大于所述規 定的閾值的高電平狀態的信號，或輸出表示所述磁阻元件的輸出電壓是 小于所述規定的閾值的低電平狀態的信號。
4. 根據權利要求3所述的磁傳感器模塊，其特征在于， 所述偏置磁場施加部件設置在作為所述半導體基板的一個面的相反側的另一個面上。
5. —種活塞位置檢測裝置，包括 缸筒，其由非磁性材料構成；活塞，其至少一部分由磁性材料構成，以在所述缸筒的內周面上滑 動的方式配置；磁傳感器，其配置在所述缸筒的外周面上，具有偏置磁場施加部件。
6. 根據權利要求5所述的活塞位置檢測裝置，其特征在于， 所述磁傳感器至少具備根據磁通密度的強度進行開關動作的集成電路，并且，所述偏置磁場施加部件是由薄膜構成的磁鐵，配置在所述 集成電路的上面、下面或內部。
7. 根據權利要求5所述的活塞位置檢測裝置，其特征在于， 所述磁傳感器具有半導體基板、以及設置在該半導體基板的一個面上且在沿著該一個面的方向上具有感磁方向的磁阻元件，所述偏置磁場 施加部件是磁鐵，該磁鐵設置在所述半導體基板上、且配置在與所述一 個面平行的面上、并且在沿著配置了該磁鐵的所述面的方向上被磁化，在未施加外部磁場的狀態下，該磁鐵在沿著設置了所述磁阻元件的所述 一個面的方向上施加偏置磁場。
全文摘要
本發明涉及磁傳感器模塊以及活塞位置檢測裝置。磁傳感器模塊包括半導體基板，其具有進行開關動作的集成電路；磁阻元件，其設置在該半導體基板的一個面上，且在沿著該一個面的方向上具有感磁方向；偏置磁場施加部件，其設置在所述半導體基板上、且配置在與所述一個面平行的面上，所述偏置磁場施加部件，在沿著配置該偏置磁場施加部件的所述面的方向上被磁化，在未施加外部磁場的狀態下，該偏置磁場施加部件在沿著設置了所述磁阻元件的所述一個面的方向上施加偏置磁場。
文檔編號H01H36/00GK101632146SQ20088000591
公開日2010年1月20日 申請日期2008年2月8日 優先權日2007年2月26日
發明者中尾知, 相沢卓也, 糸井和久, 長洲勝文 申請人:株式會社藤倉