JP2015194389A - 磁界検出装置および多面取り基板 - Google Patents

Abstract

【課題】小型な磁界検出装置を提供することを目的とする。
【解決手段】基板と、基板の主面の法線を法線とする基板の主面上の第１の平面に配置された磁界検出部と、第１の平面とは異なる基板の主面を法線を法線とする基板の主面上の基板と離間した第２の平面に配置された着磁方向を有する永久磁石と、第１および第２の平面とは異なり、第１および第２の平面より基板の主面から離れた基板の主面の法線を法線とする基板の主面上の基板と離間した第３の平面に配置されるとともに、磁界検出部と接続された電極端子と、電極端子および磁界検出部と接続される内部配線とを有し、基板の主面上に磁界検出部と永久磁石と電極端子と内部配線とが一体となって形成されている磁界検出装置である。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁界を検出する磁界検出装置および多面取り基板に関するものである。

磁気抵抗効果素子（以下、ＧＭＲ／ＴＭＲ素子とも称する）が用いられた磁気センサが提案され、実用に供されている。ＧＭＲ／ＴＭＲ素子は、磁化の向きが所定の方向にピン止めされたピンド層と、磁化の向きが外部磁場に対応して変化するフリー層とを備えた磁気抵抗効果膜から構成され、外部磁界が加わった際、ピンド層の磁化の向きとフリー層の磁化の向きとの相対関係に応じて抵抗値が変化する。磁気センサでは、ＧＭＲ／ＴＭＲ素子の抵抗値を測定することで外部磁場の強さを測定できるようになっている。

例えば特許文献１では、フリー層の一軸異方性を維持するために、ＧＭＲ素子の屈曲部近傍、すなわち磁気抵抗効果膜の両端側に、強磁性体などから構成された永久磁石（バイアス磁石）を備えた電流センサが提案されている。

また、特許文献２では、磁気抵抗効果素子を４つ用いたホイートストンブリッジと補償電流線を設け、外部磁界中に配置して、その勾配を検出する方法が開示されている。この組み合わせにより、外部からの妨害磁界や環境温度による影響を低減するようにしている。

特開２０１１−１９６７９８号公報 特表平１０−５０６１９３号公報

しかし、磁界検出装置に関し、全体構成の高精度化に加え、更なる小型化が求められている。本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、小型な磁界検出装置を提供することを目的とする。

本発明は、基板と、基板の主面の法線を法線とする基板の主面上の基板と離間した第１の平面に配置された磁界検出部と、第１の平面とは異なる基板の主面の法線を法線とする基板の主面上の基板と離間した第２の平面に配置された着磁方向を有する永久磁石と、第１および第２の平面とは異なり、第１および第２の平面より基板の主面から離れた基板の主面の法線を法線とする基板の主面上の基板と離間した第３の平面に配置されるとともに、磁界検出部と接続される電極端子と、電極端子および磁界検出部と接続された内部配線とを有し、基板の主面上に磁界検出部と永久磁石と電極端子と内部配線とが一体となって形成されている磁界検出装置である。この様な構成とする事によって、従来の磁界検出装置と比べて、小型化が実現できる。

さらに本発明では、磁界検出部と永久磁石と電極端子とはそれぞれ絶縁層で分離されており、各部相互の短絡（電気的）を防止できる。

さらに本発明では、基板が例えば導電性材料の場合、基板の主面には絶縁層が形成されており、基板を経由した短絡（電気的）を防止できる。

さらに本発明では、永久磁石は、概ね直方体であって、その長手方向が磁極の着磁方向であることにより、永久磁石の減磁を防止できる。

さらに本発明では、永久磁石の基板の主面の法線方向への投影面は、磁界検出部の基板の主面の法線方向への投影面を全て含むことにより、永久磁石を磁界検出部の側部に置く場合と比べて、素子面積を削減できる。

さらに本発明では、基板の主面の法線を法線とし、第１から第３の平面とは異なり、基板の主面と第３の平面との間に存在する第４の平面に配置されるとともに、磁界検出部が検出する外部磁界を打ち消す方向の補償磁界を磁界検出部に付与するための補償電流を流す補償電流線を有する。この様な構成とする事により、環境温度や外部からのノイズに起因する出力電圧の変化をさらに低減できるため、磁界検出精度が向上する。また、永久磁石と永久磁石の長手方向に延在する電極端子とが重なりを有していてもよい。

さらに本発明では、基板の主面の法線から見て、永久磁石と永久磁石の長手方向に延在する補償電流線に接続された電極端子とが重なりを有してもよく、磁界検出装置が基板の主面上に複数存在する多面取り基板としてもよい。

さらに本発明では、多面取り基板に着磁用磁界を印加することにより着磁方向が決定された磁界検出装置としてもよく、多面取り基板に着磁用磁界を印加することにより着磁方向が決定されるため、多面取り基板の切り離し後に着磁する場合と比べて個々の着磁方向のバラツキが生じない。

本発明によれば、小型な磁界検出装置を提供することが可能となる。

図１は磁界検出装置の上面図（永久磁石９を含む面）である。 図２は磁界検出装置の断面図（図１Ａ−Ｂ線）である。 図３は磁気抵抗効果素子２０と内部配線２の上面図である。 図４は磁気抵抗効果素子２０と補償電流線４の上面図である。

図１は本実施形態の磁界検出装置１の上面図であり、点線で囲まれた部分が磁界検出装置１を示す。図２は図１のＡ−Ｂ面の断面図であり、点線で囲まれた部分が磁界検出装置１を示す。図２に示すとおり、基板５の主面の法線を法線とする基板５の主面上の基板５と離間した第１の平面には、磁気抵抗効果素子２０である磁界検出部が配置される。また、第１の平面とは異なり、基板５の主面の法線を法線とする基板５の主面上の基板と離間した第２の平面には、後述するバイアス磁界印加のための着磁方向を有する永久磁石９を配置する。さらに、第１および第２の平面とは異なり、第１および第２の平面より基板５の主面から離れた基板５の主面の法線を法線とする基板５の主面上の基板と離間した第３の平面には、電極端子３が配置される。図３は、第１の平面の平面図であり、磁気抵抗効果素子２０及び、内部配線２の一部を示す。図３に示す内部配線２の端部は、基板５の主面の法線方向に立ち上がるビア（内部配線２の一部）によって図１の電極端子３と接続される。以下に各構成について説明する。

基板５は、シリコンやＡｌＴｉＣ（アルティック）などの半導体や導電体又はアルミナやガラス等の絶縁体から構成されるものであり、その形態は特に問われるものではない。

第１の平面に配置された磁界検出装置１が有する磁気抵抗効果素子２０は、一般に、一定方向に固着された磁化方向を有する固着層と、非磁性体の導体、または、絶縁体からなる中間層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する自由層とを含み、固着層と自由層で中間層を挟む積層体を有している。なお、中間層が導体の場合は、一般にＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果素子）と呼ばれ、絶縁体の場合は、ＴＭＲ（トンネル型磁気抵抗効果素子）と呼ばれる。磁気抵抗効果素子２０の抵抗は、固着層の磁化方向と自由層の平均の磁化方向の角度に応じて変化する。自由層は、例えば、ＮｉＦｅ等の軟磁性膜から構成される。中間層は、例えば、Ｃｕなどの導電体膜、または、アルミナ・酸化マグネシウム等の絶縁体膜から構成される。固定層は、反強磁性膜と磁化固定膜からなり、磁化固定膜が中間層と接する。反強磁性膜は例えばＩｒＭｎやＰｔＭｎなどの反強磁性Ｍｎ合金などから構成される。磁化固定層は、例えば、ＣｏＦｅやＮｉＦｅなどの強磁性体から構成されるか、あるいは、Ｒｕの薄膜層をＣｏＦｅ等で挟む構成をとっても良い。

次に、永久磁石９の機能について説明する。自由層を構成する軟磁性膜は、外部磁界がない場合、膜面内で異なる磁化方向を持つ複数の磁区を構成している。それぞれの磁区の磁化方向は、軟磁性膜に印加された外部磁界の履歴に応じて変化する（磁気ヒステリシス）ため、無磁界状態では各磁区の磁化方向の平均値である自由層の磁化方向は一定方向を取らず、ばらつきを持ってしまう。従って、自由層の磁化方向が一定方向を取らない場合、無磁界状態での磁気抵抗効果素子２０の抵抗が一定値を取らない事になるため好ましくない。また、外部磁界印加によって自由層の磁化方向は変化するが、磁区毎に変化の様相が異なるため、磁化方向変化が滑らかでなくなる現象、すなわちバルクハウゼンノイズが生じる。これらの事象を避けるために、自由層の磁化方向を安定させる必要がある。ここで、磁化方向の安定化のために、第２の平面に着磁方向を有する永久磁石９を配置する。なお、無磁界状態での自由層の長手方向に磁化方向を揃えるように永久磁石９を配置することが好ましい。ここで、図３に示されるように、基板５の法線方向から見た場合、磁気抵抗素子２０と永久磁石９は長方形となっており、それぞれの長手方向は平行となっている。従って、永久磁石９を長手方向に着磁することで、磁気抵抗素子２０の自由層の長手方向に磁化を揃えることが可能となる。永久磁石９からの磁界すなわちバイアス磁界によって、自由層の磁区は単磁区状態となるため、特に外部磁界が自由層の長手方向と直交する場合、磁気ヒステリシスやバルクハウゼンノイズの発生を抑制できる。永久磁石９は例えば、Ｃｏを主体とした合金や、希土類磁石、またはフェライト磁石などが好ましい。

電極端子３は、第３の平面に配置され、内部配線２の一端と接続する。内部配線２の他端は磁気抵抗効果素子２０と接続されており、磁気抵抗効果素子２０の抵抗変化を出力として外部に取り出せる。電極端子３及び内部配線２は例えばＡｕやＡｌ、Ａｇ、Ｃｕ等の導体金属やこれらの合金などが好ましい。

基板５上には、磁気抵抗効果素子２０である磁界検出部、永久磁石９、内部配線２を配置し、基板の法線方向から見た場合に、磁気抵抗効果素子２０である磁界検出部、永久磁石９、内部配線２の外側に電極端子３を配置する。それぞれの各部は、フォトリソグラフィによる加工を用いる薄膜プロセスにて一体形成することにより、ミクロンオーダーの微細な寸法にて形成できる。さらに、一体形成することにより、永久磁石９と磁界検出部の間隔が決まる。よって、永久磁石９を一体形成せず、電極端子３が配置された第３の平面より上の平面上に永久磁石９を配置する場合に比べて、磁気抵抗効果素子２０である磁界検出部に及ぼす永久磁石９の磁界が強くなるため、基板５の主面と平行な面内で永久磁石９を小型化できる。これらの理由により、磁界検出装置１の小型化が実現できる。また、永久磁石９の組み付け誤差が殆ど生じないため、バイアス磁界方向の個体差が抑制できる。

ここで、第１の平面と第２の平面とは第１の平面が第２の平面より基板側に存在することとして説明したが、第２の平面が第１の平面より基板５側に存在していてもよい。つまり、基板５の主面から永久磁石９、磁気抵抗効果素子２０である磁界検出部の順に基板の主面の上部に存在することとしても良い。この場合であっても、永久磁石９と磁気抵抗効果素子２０である磁界検出部の距離を電極端子３が配置された第３の平面より上の平面上に永久磁石９を配置する場合に比べて、電極端子３の厚みは十分厚いので、永久磁石９と磁界検出部との距離を小さい値に設定することが可能となり、永久磁石９の小型化が可能となる。

なお、実際の製造上の制約からは、基板５の主面から磁気抵抗効果素子２０である磁界検出部、永久磁石９の順に基板の主面の上部に存在することが好ましい。これは、製造時に永久磁石９の磁界の影響を磁気抵抗効果素子２０である磁界検出部が受ける場合があるので、磁気抵抗効果素子２０である磁界検出部を形成した後に、永久磁石９を形成する方が望ましいためである。

図２には示していないが、磁界検出部と永久磁石９と電極端子３とはそれぞれ絶縁層で分離されており、各部相互の電気的な短絡を防止できる。又、基板が導電性材料の場合、基板５の主面には絶縁層が形成されており、基板を経由した電気的短絡を防止できる。絶縁層としては、例えばアルミナ、窒化アルミ、酸化シリコン、窒化シリコン等の無機物や、ポリイミド等の有機物が好ましい。

永久磁石９は、図１、図２に例示されるように、概ね直方体であって、その長手方向が磁極の着磁方向であることが好ましい。これにより、永久磁石９の減磁を防止できる。又、一方の磁極から生じる磁界を打ち消す他方の磁極からの影響を抑制できる。又、自由層の長手方向と磁極の着磁方向とが平行であることが好ましい。これにより、自由層の磁化方向を安定させるこが可能となる。ちなみに、図１、２には、Ｎ極、Ｓ極を例示しているが、両極はこの逆でも良い。なお、永久磁石９の着磁については、基板５に磁界検出装置１が複数個存在する多面取り基板（図示せず）に対して、同時に一括して行う事が好ましい。この場合、複数の磁界検出装置１に対応する永久磁石９の着磁方向が同時に一括して決定されるため、多面取り基板（図示せず）の切り離し後に着磁する場合と比べてバイアス磁界方向の個体差が低減できる。なお、同時に一括しての着磁は、磁界検出装置１を製造する工程上、永久磁石９がパターニング形成された後の多面取り基板の切り離し前であれば、特に順番が問われるものではない。具体的な着磁方法としては、常温で、多面取り基板全面に着磁用磁界を印加する。着磁用磁界の印加は、多面取り基板全面に均一にかつ同一方向になるように印加する。着磁用磁界の印加方向は自由層の長手方向と平行であることが好ましい。つまり、自由層の長手方向と磁極の着磁方向とが平行であることが好ましい。

図１〜図３に例示されるように、永久磁石９の基板５の主面の法線方向への投影面は、磁界検出部の基板５の主面の法線方向への投影面を全て含むように配置する事が好ましい。これにより、永久磁石９を磁界検出部の側部に置く場合と比べて、磁界検出装置１全体の面積を削減できる。なお、永久磁石９の投影面に含まれないように磁界検出部を配置した場合、磁界検出部に及ぼす永久磁石９の磁界が均一でなくなったり、弱くなったりするため好ましくない。つまり、永久磁石９の基板５の主面の法線方向への投影面は、磁界検出部が有する磁界検出素子である磁気抵抗素子２０の基板５の主面の法線方向への投影面を全て含むように配置することにより、永久磁石９が発生する磁界を磁界検出部に対して効率的に利用することが可能となっている。

さらに本実施形態では、図４に例示する補償電流線４を配置すると良い。補償電流線４は、基板５の主面の法線を法線とし、第１から第３の平面とは異なり、基板５の主面と第３の平面との間に存在する第４の平面に配置されるとともに、磁界検出部が検出する外部磁界を打ち消す方向の補償磁界を磁界検出部に付与するための補償電流を流す。なお、磁界検出部が検出する外部検出磁界の方向と、永久磁石９が発生するバイアス磁界とは概ね直交する。つまり、磁界検出部である磁気抵抗効果素子２０の長手方向と概ね直交する外部磁界を磁界検出部が検出する。補償電流線４の一端は、基板５の主面の法線方向に立ち上がる内部配線２（図示せず）の一部であるビアによって、電極端子３Ａと接続される。補償電流線４の他端は、図示しない内部配線２によって電極端子３Ｂと接続される。この様な構成とする事により、環境温度や外部からのノイズに起因する磁気抵抗効果素子の抵抗の予期せぬ変化による悪影響を低減できるため、磁界検出精度が向上する。補償電流線４は、例えば、Ｃｕ等の導体から構成され、磁気抵抗効果素子２０とは図示されない絶縁層で隔てられる。絶縁層としては、例えばアルミナ、窒化アルミ、酸化シリコン、窒化シリコン等の無機物や、ポリイミド等の有機物が好ましい。

ここで、図１において、基板５の主面の法線から見て永久磁石９は電極端子３と重なりを有していないが、永久磁石９のＸ方向に延在させ、電極端子３と重なるように配置してもよい。この場合、永久磁石９のＸ方向の端部が磁気抵抗素子２０より離れることになるので、永久磁石９がＸ方向に着磁されている場合、磁気抵抗素子２０はよりＸ方向に平行な磁界が永久磁石２０から付与されることになるので、磁気抵抗素子２０の自由層がより安定となる。また、永久磁石９をＸ方向に延在させることなく、永久磁石９と電極端子３が重なりを有していてもよく、磁界検出装置１の小型化が可能となる。例えば、補償電流線４の下部（基板５側）に永久磁石９を配置することで、基板５の主面の法線から見て容易に永久磁石９と図４に示される補償電流線４に接続された電極端子（３Ａ、３Ｂ）とが重なりを有する構造とすることが可能となる。

なお、磁界検出部は磁気抵抗素子２０であるとして説明したが、磁界検出部は一定方向に固着された磁化方向を有する固着層を有さないＡＭＲ素子でもよい。なお、本実施形態における磁界検出部は磁界に感応する素子を指す。

磁界検出装置、および、磁界検出装置を使用する機器に適用可能である。

１ 磁界検出装置
２ 内部配線
３ 電極端子
４ 補償電流線
５ 基板
９ 永久磁石
２０ 磁気抵抗効果素子

Claims (9)

1. 基板と、
   前記基板の主面の法線を法線とする前記基板の主面上の前記基板と離間した第１の平面に配置された磁界検出部と、
   前記第１の平面とは異なる前記基板の主面の法線を法線とする前記基板の主面上の前記基板と離間した第２の平面に配置された着磁方向を有する永久磁石と、
   前記第１および第２の平面とは異なり、前記第１および第２の平面より前記基板の主面から離れた前記基板の主面の法線を法線とする前記基板の主面上の前記基板と離間した第３の平面に配置されるとともに、前記磁界検出部と接続される電極端子と、
   前記電極端子および前記磁界検出部と接続された内部配線とを有し、
   前記基板の主面上に前記磁界検出部と前記永久磁石と前記電極端子と前記内部配線とが一体となって形成されている磁界検出装置。
2. 前記磁界検出部と前記永久磁石と前記端子電極とはそれぞれ絶縁層で分離されている請求項１記載の磁界検出装置。
3. 前記基板の主面には絶縁層が形成されている請求項１または２に記載の磁界検出装置。
4. 前記永久磁石は、概ね直方体であって、その長手方向が磁極の前記着磁方向である請求項１ないし３のいずれか一項に記載の磁界検出装置。
5. 前記永久磁石の前記基板の主面の法線方向への投影面は、磁界検出部の前記法線方向への投影面を全て含む請求項１ないし４のいずれか一項に記載の磁界検出装置。
6. 前記基板の主面の法線を法線とし、前記第１から第３の平面とは異なり、前記基板の主面と前記第３の平面との間に存在する第４の平面に配置されるとともに、前記磁界検出部が検出する外部磁界を打ち消す方向の補償磁界を前記磁界検出部に付与するための補償電流を流す補償電流線を有する請求項１ないし５のいずれか一項に記載の磁界検出装置。
7. 前記基板の主面の法線から見て、前記永久磁石と前記永久磁石の長手方向に延在する前記補償電流線に接続された電極端子とが重なりを有する請求項６に記載の磁界検出装置。
8. 請求項１ないし７のいずれか一項に記載の前記磁界検出装置が前記基板の主面上に複数存在する多面取り基板。
9. 請求項８に記載の前記多面取り基板に着磁用磁界を印加することにより前記着磁方向が決定された磁界検出装置。

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