DE112016006631T5

DE112016006631T5 - Magnetsensor

Info

Publication number: DE112016006631T5
Application number: DE112016006631.7T
Authority: DE
Inventors: Kei Tanabe
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2016-03-23
Filing date: 2016-10-20
Publication date: 2018-12-06
Anticipated expiration: 2036-10-21
Also published as: CN108780130A; CN108780130B; DE112016006631B4; JP6724459B2; US11022660B2; JP2017173118A; US20200300936A1; WO2017163471A1

Abstract

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Größe und die Kosten eines für eine Regelung geeigneten Magnetsensors zu reduzieren. Ein Magnetsensor enthält ein Element mit magnetoresistivem Effekt MR1, zwischen den Anschlüssen 41 und 42 elektrisch verbunden und sich in der x-Richtung erstreckend, und ein magnetisches Element 31, zwischen den Anschlüssen 43 und 44 elektrisch verbunden und sich in der x-Richtung entlang dem Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 erstreckend. Das Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 ist bezüglich der Mittenposition des magnetischen Elements 31 in der y-Richtung versetzt angeordnet. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der zu erfassende Magnetfluss durch das magnetische Element 31 gesammelt, und es wird Strom in dem magnetischen Element 31 gemäß dem Widerstandswert des Elements mit magnetoresistivem Effekt MR1 fließen gelassen, wodurch eine Regelung erreicht sein kann. Das heißt, das magnetische Element 31 weist sowohl eine Magnetismus-Sammelfunktion als auch eine Funktion als eine Kompensationsspule auf, wodurch die Anzahl der erforderlichen Elemente reduziert ist, was eine Verringerung von Größe und Kosten erzielt.

Description

[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Magnetsensor und genauer auf einen für eine Regelung geeigneten Magnetsensor.
[Technischer Hintergrund]
Ein Magnetsensor, der sogar einen von einem menschlichen Körper oder dergleichen ausgehenden schwachen Magnetfluss erfassen kann, wird stark durch ein Umgebungs-Magnetfeld beeinflusst, wie etwa den Erdmagnetismus. Daher ist es unerlässlich für eine Vorrichtung dieses Typs, den Einfluss des Umgebungs-Magnetfelds aufzuheben.
Ein in der Patentschrift 1 beschriebener Magnetsensor weist eine Anordnung auf, in der eine Kompensationsspule, ein Element mit magnetoresistivem Effekt und ein magnetisches Element in dieser Reihenfolge auf die Oberfläche eines Sensorchips laminiert sind, und erreicht eine Regelung, indem er den durch ein zu erfassendes Magnetfeld erzeugten Magnetfluss zum Element mit magnetoresistivem Effekt leitet und Strom in der Kompensationsspule als Reaktion auf eine Widerstandswertänderung des Elements mit magnetoresistivem Effekt fließen lässt.
[Literaturverzeichnis]
[Patentschrift]
[Patentschrift 1] JP 2015-219061 A
[Zusammenfassung der Erfindung]
[Durch die Erfindung zu lösende technische Aufgabe]
Der in der Patentschrift 1 beschriebene Magnetsensor integriert die Kompensationsspule, das Element mit magnetoresistivem Effekt und das magnetische Element in einen Sensorchip und weist somit eine ausgezeichnete Eigenschaft auf, dass seine Gesamtgröße sehr klein ist. Jedoch wird in den letzten Jahren eine weitere Verringerung von Größe und Kosten für Magnetsensoren gefordert.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Größe und die Kosten eines für eine Regelung geeigneten Magnetsensors zu reduzieren.
[Mittel zum Lösen der Aufgabe]
Ein Magnetsensor gemäß der vorliegenden Erfindung enthält erste bis vierte Anschlüsse, ein zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss elektrisch verbundenes erstes Element mit magnetoresistivem Effekt, das sich in einer ersten Richtung erstreckt, und ein zwischen dem dritten und dem vierten Anschluss elektrisch verbundenes erstes magnetisches Element, das sich in der ersten Richtung entlang dem ersten Element mit magnetoresistivem Effekt erstreckt. Das erste Element mit magnetoresistivem Effekt ist gegenüber der Mittenposition des ersten magnetischen Elements in einer zweiten Richtung versetzt angeordnet, die die erste Richtung kreuzt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der zu erfassende Magnetfluss durch das erste magnetische Element gesammelt, und ein Strom wird durch das erste magnetische Element gemäß dem Widerstandswert des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt geschickt, wodurch eine Regelung erreicht werden kann. Das heißt, das erste magnetische Element weist sowohl die Magnetismus-Sammelfunktion als auch eine Funktion als eine Kompensationsspule auf, wodurch die Anzahl der erforderlichen Schaltkreiselemente reduziert ist, was ein Erzielen einer Verringerung von Größe und Kosten ermöglicht. Wenn die Regelung tatsächlich durchgeführt wird, kann ein Rückkopplungskreis hinzugefügt sein, der auf Grundlage des am ersten oder zweiten Anschluss erscheinenden Potentials einen Rückkopplungsstrom zwischen dem dritten und dem vierten Anschluss fließen lässt. Das erste magnetische Element besteht vorzugsweise aus einem weichmagnetischen Material.
In der vorliegenden Erfindung ist das erste Element mit magnetoresistivem Effekt vorzugsweise an einer Position angeordnet, die das erste magnetische Element nicht überlappt, gesehen in einer dritten Richtung, die die erste und die zweite Richtung kreuzt. Dies ermöglicht, dass der größte Teil der Magnetflusskomponenten, die durch das erste magnetische Element in die zweite Richtung gebogen werden, dem ersten Element mit magnetoresistivem Effekt erteilt wird, sodass es möglich ist, eine höhere Richtungsempfindlichkeit zu erhalten, wenn die Magnetisierungsausrichtung des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt die zweite Richtung ist.
In der vorliegenden Erfindung ist die Länge des ersten magnetischen Elements in der ersten Richtung vorzugsweise gleich oder größer als die Länge des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt in der ersten Richtung. Dies ermöglicht, dass ein Magnetfeld in der zweiten Richtung über einen weiteren Bereich des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt erhalten wird, sodass es möglich ist, eine höhere Richtungsempfindlichkeit zu erhalten, wenn die Magnetisierungsausrichtung des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt die zweite Richtung ist.
Vorzugsweise enthält der Magnetsensor gemäß der vorliegenden Erfindung weiter einen fünften Anschluss, ein zwischen dem zweiten und dem fünften Anschluss elektrisch verbundenes zweites Element mit magnetoresistivem Effekt, das sich in eine vorgegebene Richtung erstreckt, und ein zwischen dem dritten und dem vierten Anschluss elektrisch verbundenes zweites magnetisches Element, das sich in die vorgegebene Richtung entlang dem zweiten Element mit magnetoresistivem Effekt erstreckt, und ist das zweite Element mit magnetoresistivem Effekt gegenüber der Mittenposition des zweiten magnetischen Elements in einer Richtung versetzt angeordnet, die die vorgegebene Richtung kreuzt. Dies ermöglicht es, ein differentielles Signal durch die beiden Elemente mit magnetoresistivem Effekt zu erhalten und die Erfassungsempfindlichkeit weiter zu erhöhen.
Vorzugsweise ist in der vorliegenden Erfindung das erste Element mit magnetoresistivem Effekt auf einer ersten Verdrahtungslage eines Sensorchips ausgebildet, und das erste magnetische Element ist auf einer von der ersten Verdrahtungslage verschiedenen zweiten Verdrahtungslage des Sensorchips ausgebildet. Dies ermöglicht, drei Funktionen, eine Magnetismus-Sammelfunktion, eine magnetische Erfassungsfunktion und eine Magnetfeldkompensationsfunktion, durch die beiden Verdrahtungslagen zu erreichen. In diesem Fall kann das erste magnetische Element ein aus einem magnetischen Material bestehendes Blockelement sein, das an der zweiten Verdrahtungslage befestigt ist, oder kann eine aus einem magnetischen Material bestehende dünne Schicht sein, die auf der zweiten Verdrahtungslage ausgebildet ist.
[Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung]
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine weitere Reduzierung der Größe und der Kosten des für eine Regelung geeigneten Magnetsensors zu erreichen.
Figurenliste

1 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die das äußere Erscheinungsbild eines Magnetsensors 10A gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
2 ist eine Draufsicht des Magnetsensors 10A.
3 ist eine Seitenansicht des Magnetsensors 10A.
4 ist ein Schaltbild einer mit den ersten bis vierten Anschlüsse 41 bis 44 verbundenen Rückkopplungsschaltung 60.
5 ist eine schematische Skizze zum Erläutern einer Richtung von Magnetflüssen ϕ1 und ϕ2.
6 ist eine schematische Schnittansicht, um die Positionsbeziehung zwischen dem Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 und dem magnetischen Element 31 in der y-Richtung genauer zu erläutern.
7 ist eine Draufsicht, die die Anordnung eines Magnetsensors 10B₁ gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
8 ist eine schematische Skizze zum Erläutern einer Richtung von Magnetflüssen ϕ1 bis ϕ3.
9 ist eine Draufsicht, die die Anordnung eines Magnetsensors 10B₂ gemäß einer Modifikation der zweiten Ausführungsform darstellt.
10 ist eine Draufsicht, die die Anordnung eines Magnetsensors 10B₃ gemäß einer weiteren Modifikation der zweiten Ausführungsform darstellt.

[Ausführungsweise der Erfindung]
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nun mit Bezug auf die Zeichnung genau erläutert.
<Erste Ausführungsform>
1 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die das äußere Erscheinungsbild eines Magnetsensors 10A gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. 2 ist eine Draufsicht des Magnetsensors 10A, und 3 ist eine Seitenansicht des Magnetsensors 10A.
Wie in 1 bis 3 dargestellt, enthält der Magnetsensor 10A gemäß der vorliegenden Ausführungsform einen Sensorchip 20 und ein an dem Sensorchip 20 befestigtes erstes magnetisches Element 31.
Der Sensorchip 20 weist ein Substrat 21 mit einer im Wesentlichen rechteckeigen Quaderform und eine isolierende Schicht 22 auf, die die Oberfläche des Substrats 21 bedeckt. Die Oberfläche des Substrats 21 besteht aus einer ersten Verdrahtungslage L1, und die Oberfläche der isolierenden Schicht 22 besteht aus einer zweiten Verdrahtungslage L2. In der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Anzahl der Verdrahtungslagen des Sensorchips zwei. Die erste Verdrahtungslage L1 ist eine xy-Ebene, auf der ein erstes Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 ausgebildet ist, das sich in der x-Richtung erstreckt, die eine erste Richtung ist. Die zweite Verdrahtungslage L2 ist auch eine xy-Ebene, auf der erste bis vierte Anschlüsse 41 bis 44 und erste bis vierte Verdrahtungen 51 bis 54 ausgebildet sind. Weiter ist das magnetische Element 31 an der zweiten Verdrahtungslage L2 befestigt. Ein übliches Verfahren, den Sensorchip 20 herzustellen, ist es, eine große Anzahl von Sensorchips 20 gleichzeitig auf einem Gesamtsubstrat auszubilden und sie dann zu trennen, um mehrere Sensorchips zu entnehmen; jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, und die Sensorchips 20 können einzeln hergestellt werden.
Das Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 ist ein Element, dessen elektrischer Widerstand sich gemäß der Richtung und Stärke eines Magnetfelds ändert, und seine Magnetisierungsausrichtung ist eine zweite Richtung (y-Richtung), die in 2 und 3 durch den Pfeil A bezeichnet ist. Ein Ende des Elements mit magnetoresistivem Effekt MR1 in der x-Richtung ist über die erste Verdrahtung 51 mit dem ersten Anschluss 41 elektrisch verbunden, und sein anderes Ende in der x-Richtung ist über die zweite Verdrahtung 52 mit dem zweiten Anschluss 42 elektrisch verbunden. Die elektrische Verbindung zwischen dem Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 und den Verdrahtungen 51 und 52 erfolgt über Durchkontaktierungen 58 und 59, die die isolierende Schicht 22 durchdringen. Alternativ kann eine Anordnung möglich sein, bei der ein Teil jeder der Verdrahtungen 51 und 52, der Kontakt mit dem Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 herstellt, auf der ersten Verdrahtungslage L1 ausgebildet ist und der auf der ersten Verdrahtungslage L1 ausgebildete Teil und ein auf der zweiten Verdrahtungslage L2 ausgebildeter Teil der Verdrahtungen 51 und 52 über die Durchkontaktierungen 58 und 59 verbunden sind. Als Ergebnis ist das Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss 41 und 42 elektrisch verbunden.
Das magnetische Element 31 ist ein Blockelement aus weichmagnetischem Material mit einer hohen Permeabilität und einem niedrigen elektrischen Widerstandswert. Es gibt keine besondere Einschränkung zu dem Material des magnetischen Elements 31; jedoch ist es vorzuziehen, ein Material mit einer Permeabilität von 100 oder höher und einem Widerstandswert von 1MΩ oder weniger zu verwenden. Bestimmte Beispiele des Materials umfassen Weicheisen, Permalloy, Nickel, ein Siliziumstahlblech, Sendust und amorphes Metall (nanokristallines weichmagnetisches Material) . Während sich das magnetische Element 31 in der x-Richtung entlang dem Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 erstreckt, überlappen das magnetische Element 31 und das Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 einander in einer Draufsicht (das heißt, gesehen in der z-Richtung) nicht, und das Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 ist in der y-Richtung bezüglich des magnetischen Elements 31 versetzt angeordnet. Ein Ende des magnetischen Elements 31 in der x-Richtung ist über die dritte Verdrahtung 53 mit dem dritten Anschluss 43 elektrisch verbunden, und sein anderes Ende in der x-Richtung ist über die vierte Verdrahtung 54 mit dem vierten Anschluss 44 elektrisch verbunden. Als Ergebnis ist das magnetische Element 31 zwischen dem dritten und dem vierten Anschluss 43 und 44 elektrisch verbunden.
Eine Länge L1 des magnetischen Elements 31 in der x-Richtung ist gleich oder größer als eine Länge L2 des Elements mit magnetoresistivem Effekt MR1 in der x-Richtung (L1 ≥ L2), und das Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 ist dem magnetischen Element 31 über dessen gesamte Länge in der x-Richtung benachbart. Das magnetische Element 31 spielt eine Rolle, den Magnetfluss in der z-Richtung zu sammeln und den gesammelten Magnetfluss in die y-Richtung zu biegen, und legt diesen an das Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 an. Da das magnetische Element 31 dem Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 über die gesamte Länge des Elements mit magnetoresistivem Effekt MR1 in der x-Richtung benachbart angeordnet ist, kann ein Magnetfeld in der y-Richtung über einen weiteren Bereich des Elements mit magnetoresistivem Effekt MR1 erhalten sein.
4 ist ein Schaltbild einer mit den ersten bis vierten Anschlüssen 41 bis 44 verbundenen Rückkopplungsschaltung 60.
Wie in 4 dargestellt, enthält die Rückkopplungsschaltung 60 einen Operationsverstärker 61, eine Konstantspannungsquelle 62, eine Konstantstromquelle 63 und einen Widerstand 64. Der nichtinvertierende Eingangsanschluss (+) des Operationsverstärkers 61 ist mit der Konstantspannungsquelle 62 verbunden, und sein invertierender Eingangsanschluss (-) ist mit dem zweiten Anschluss 42 verbunden. Die Konstantstromquelle 63 ist auch mit dem zweiten Anschluss 42 verbunden. Der Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 61 ist mit dem dritten Anschluss 43 verbunden. Der erste Anschluss 41 ist mit Masse verbunden, und der vierte Anschluss 44 ist über den Widerstand 64 mit Masse verbunden. Ein Ausgangspegel Out des vierten Anschlusses 44 ist einem nicht gezeigten Erfassungsschaltkreis zugeführt. Mit der so angeordneten Rückkopplungsschaltung 60 kann der Magnetsensor 10A gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Regelung durchführen.
Genauer wird, wie in 5 dargestellt, wenn der zu erfassende Magnetfluss ϕ1 in der z-Richtung angelegt ist, dieser durch das magnetische Element 31 gesammelt, dann in die y-Richtung gebogen und zur Quelle des Magnetflusses zurückgeführt. Da das Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 auf der Seite der y-Richtung bezüglich des magnetischen Elements 31 angeordnet ist, wird der Widerstandswert des Elements mit magnetoresistivem Effekt MR1 durch den Magnetfluss ϕ1 verändert (wird der Widerstandswert beispielsweise erhöht). In dem Beispiel von 5 ist der Magnetfluss ϕ1 in der negativen y-Richtung an das Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 angelegt.
Wie in 4 dargestellt, ist der zweite Anschluss 42 mit der Konstantstromquelle 63 verbunden. Falls daher der Widerstandswert des Elements mit magnetoresistivem Effekt MR1 verändert wird, verändert sich der Potentialpegel des zweiten Anschlusses 42. Wenn beispielsweise der Widerstandswert des Elements mit magnetoresistivem Effekt MR1 erhöht wird, steigt der Potentialpegel des zweiten Anschlusses 42. Wenn der Potentialpegel des zweiten Anschlusses 42 verändert wird, verändert sich der Potentialpegel des Ausgangsanschlusses des Operationsverstärkers 61 entsprechend. Wenn beispielsweise der Potentialpegel des zweiten Anschlusses 42 angehoben wird, sinkt der Potentialpegel des Ausgangsanschlusses des Operationsverstärkers 61, mit dem Ergebnis, dass ein Rückkopplungsstrom I vom vierten Anschluss 44 zum dritten Anschluss 43 fließt.
Wenn der Rückkopplungsstrom I im magnetischen Element 31 fließt, wird nach der so genannten Korkenzieherregel ein Magnetfeld um das magnetische Element 31 erzeugt. Wenn beispielsweise der Rückkopplungsstrom I von vierten Anschluss 44 zum dritten Anschluss 43 fließt, wird dadurch ein Magnetfluss ϕ2 in der in 5 dargestellten Richtung erzeugt und fließt in der positiven y-Richtung an einer Position, wo das Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 vorhanden ist. Das heißt, der Magnetfluss ϕ1 und der Magnetfluss ϕ2 heben einander auf und erreichen eine Rückkopplung in einer solchen Richtung, dass der durch den zu erfassenden Magnetfluss ϕ1 veränderte Widerstandswert des Elements mit magnetoresistivem Effekt MR1 auf den ursprünglichen Wert zurückgeführt ist, sodass eine Regelung ermöglicht ist. Ein aktuelles Erfassungsergebnis ist durch einen nicht gezeigten Erfassungsschaltkreis auf Grundlage des Ausgangspegels Out des vierten Anschlusses 44 erhalten.
Wie oben beschrieben, dient in dem Magnetsensor 10A gemäß der vorliegenden Ausführungsform das magnetische Element 31, das den zu erfassenden Magnetfluss ϕ1 sammelt, auch als eine Kompensationsspule. Dies beseitigt die Notwendigkeit, getrennt ein magnetisches Element zum Sammeln des Magnetismus und eine Kompensationsspule vorzusehen, wodurch die Anzahl erforderlicher Elemente reduziert ist. Dies ermöglicht eine weitere Reduktion der Größe und der Kosten des Magnetsensors.
Zum Beispiel ist es in der vorliegenden Ausführungsform durch ein Anordnen des Elements mit magnetoresistivem Effekt MR1 und des magnetischen Elements 31 auf der ersten Verdrahtungslage L1 bzw. auf der zweiten Verdrahtungslage L2 möglich, den Magnetsensor 10A mit den beiden Verdrahtungslagen aufzubauen, wodurch die Reduktion der Größe und der Kosten erreicht ist. Es ist auch möglich, sowohl das Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 als auch das magnetische Element 31 auf derselben Verdrahtungslage anzuordnen, und in diesem Fall kann ein Magnetsensor durch eine einzige Verdrahtungslage aufgebaut sein.
Ein Teil oder alle der Bestandteile der Rückkopplungsschaltung 60 können auf dem Sensorchip 20 oder einem anderen Substrat integriert sein. Wenn der Sensorchip 20 beispielsweise auf einer Leiterplatte bestückt ist, ist es möglich, die Rückkopplungsschaltung 60 auf der Leiterplatte auszubilden und dann die Leiterplatte und den Magnetsensor 10A unter Verwendung von Verbindungsdrähten zu verbinden.
6 ist eine schematische Schnittansicht, um die Positionsbeziehung zwischen dem Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 und dem magnetischen Element 31 in der y-Richtung genauer zu erläutern.
In 6 sind vier Positionen (a) bis (d) beispielhaft als die Position des Elements mit magnetoresistivem Effekt MR1 gezeigt. Die Position (a) ist die Position, die unter Verwendung von 1 bis 3 beschrieben ist. Das heißt, die Position (a) überlappt das magnetische Element 31 nicht und ist dem magnetischen Element 31 benachbart. An der Position (a) ist der Abstand von einer Mittenposition B des magnetischen Elements 31 in der y-Richtung zur Mitte des Elements mit magnetoresistivem Effekt MR1 in der y-Richtung gleich oder kleiner als 1 mm. In der vorliegenden Erfindung ist das Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 am vorteilhaftesten an der Position (a) angeordnet.
Die Position (b) ist eine Position, die das magnetische Element 31 in einer Draufsicht nicht überlappt, und ist beträchtlich vom magnetischen Element 31 getrennt. Wenn der Abstand zwischen dem Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 und dem magnetischen Element 31 in der y-Richtung, gesehen aus der z-Richtung, groß ist, wie an der Position (b), ist der Einfluss reduziert, den der Magnetfluss ϕ1 und der Magnetfluss ϕ2 auf das Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 aufweisen, mit dem Ergebnis, dass die Erfassungsempfindlichkeit verschlechtert ist. Hinsichtlich dieses Punkts ist der Abstand zwischen dem Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 und dem magnetischen Element 31 in der y-Richtung, gesehen aus der z-Richtung, vorzugsweise gleich oder kleiner als 1 mm, wie oben beschrieben.
Die Position (c) ist eine Position, die mit der Mittenposition B des magnetischen Elements 31 in der y-Richtung zusammenfällt. Wenn das Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 an der Position (c) angeordnet ist, wird dem Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 keine y-Richtungskomponente des Magnetflusses ϕ1 erteilt, sodass die Funktion als der Magnetsensor beeinträchtigt ist. Somit ist es unangebracht, das Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 an der Position (c) anzuordnen.
Die Position (d) ist eine Position, die das magnetische Element 31 in einer Draufsicht überlappt, die aber gegenüber der Mittenposition B des magnetischen Elements 31 in der y-Richtung versetzt ist. In diesem Fall ist dem Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 die y-Richtungskomponente des Magnetflusses ϕ1 in einem gewissen Maße erteilt, und daher ist die Funktion des Magnetsensors richtig erreicht. Wenn jedoch das Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 das magnetische Element 31 überlappt, wie in der Position (d), gesehen in der z-Richtung, ist die dem Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 erteilte y-Richtungskomponente des Magnetflusses ϕ1 reduziert, sodass es erwünscht ist, das Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 an einer Position anzuordnen, die das magnetische Element 31 nicht überlappt, wie etwa der Position (a).
<Zweite Ausführungsform>
7 ist eine Draufsicht, die die Anordnung eines Magnetsensors 10B₁ gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Wie in 7 dargestellt, enthält der Magnetsensor 10B₁ gemäß der vorliegenden Ausführungsform zusätzlich ein zweites Element mit magnetoresistivem Effekt MR2, ein zweites magnetisches Element 32 und einen fünften Anschluss 45. Das Element mit magnetoresistivem Effekt MR2 ist zwischen dem zweiten Anschluss 42 und dem fünften Anschluss 45 verbunden und erstreckt sich in der x-Richtung, wie das Element mit magnetoresistivem Effekt MR1. Die Magnetisierungsausrichtung des Elements mit magnetoresistivem Effekt MR2 ist dieselbe wie die des Elements mit magnetoresistivem Effekt MR1, wie durch den Pfeil A angezeigt.
Ein Ende des Elements mit magnetoresistivem Effekt MR2 in der x-Richtung ist über eine fünfte Verdrahtung 55 mit dem zweiten Anschluss 42 elektrisch verbunden, und sein anderes Ende in der x-Richtung ist über eine sechste Verdrahtung 56 mit dem fünften Anschluss 45 elektrisch verbunden. Als Ergebnis ist das Element mit magnetoresistivem Effekt MR2 zwischen dem zweiten und dem fünften Anschluss 42 und 45 verbunden. Wenn Strom zwischen dem ersten Anschluss 41 und dem fünften Anschluss 45 fließt, liegen die Richtung des im Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 fließenden Stroms und die Richtung des im Element mit magnetoresistivem Effekt MR2 fließenden Stroms einander entgegengesetzt. Wenn beispielsweise Strom vom fünften Anschluss 45 zum ersten Anschluss 41 fließt, ist die Richtung von im Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 fließendem Strom die positive x-Richtung, während die Richtung von im Element mit magnetoresistivem Effekt MR2 fließendem Strom die negative x-Richtung ist.
Während sich das magnetische Element 32 in der x-Richtung entlang dem Element mit magnetoresistivem Effekt MR2 erstreckt, überlappen das magnetische Element 32 und das Element mit magnetoresistivem Effekt MR2 einander in einer Draufsicht (das heißt, gesehen in der z-Richtung) nicht, und das Element mit magnetoresistivem Effekt MR2 ist in der y-Richtung bezüglich des magnetischen Elements 32 versetzt angeordnet. Die Versatzrichtung des Elements mit magnetoresistivem Effekt MR2 ist entgegengesetzt zur Versatzrichtung des Elements mit magnetoresistivem Effekt MR1 bezüglich des magnetischen Elements 31. Genauer ist das Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 in der negativen y-Richtung bezüglich des magnetischen Elements 31 versetzt, während das Element mit magnetoresistivem Effekt MR2 in der positiven y-Richtung bezüglich des magnetischen Elements 32 versetzt ist. Ein Ende des magnetischen Elements 32 in der x-Richtung ist mit dem magnetischen Element 31 über die vierte Verdrahtung 54 elektrisch verbunden, und sein anderes Ende in der x-Richtung ist mit dem vierten Anschluss 44 über eine siebente Verdrahtung 57 elektrisch verbunden. Als Ergebnis sind die magnetischen Elemente 31 und 32 zwischen dem dritten und dem vierten Anschluss 43 und 44 elektrisch in Reihe verbunden.
7 stellt auch eine mit den ersten bis fünften Anschlüssen 41 bis 45 verbundene Rückkopplungsschaltung 60 dar. Auch ist in der vorliegenden Ausführungsform der nichtinvertierende Eingangsanschluss (+) des Operationsverstärkers 61 mit der Konstantspannungsquelle 62 verbunden, und ist sein invertierender Eingangsanschluss (-) mit dem zweiten Anschluss 42 verbunden. Jedoch ist die in 4 dargestellte Konstantstromquelle 63 nicht verwendet, und stattdessen ist der fünfte Anschluss mit einer Spannungsversorgung Vcc verbunden.
Wenn in einer solchen Schaltungsanordnung, wie in 8 dargestellt, der zu erfassende Magnetfluss ϕ1 in der z-Richtung angelegt ist, wird er durch die magnetischen Elemente 31 und 32 gesammelt, dann in die y-Richtung gebogen und zur Quelle des Magnetflusses zurückgeführt. Da das Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 auf der negativen Seite in der y-Richtung bezüglich des magnetischen Elements 31 angeordnet ist und das Element mit magnetoresistivem Effekt MR2 auf der positiven Seite in der y-Richtung bezüglich des magnetischen Elements 32 angeordnet ist, werden die Widerstandswerte der jeweiligen Elemente mit magnetoresistivem Effekt MR1 und MR2 durch den Magnetfluss ϕ1 verändert. In dem Beispiel von 8 ist der Magnetfluss ϕ1 in der negativen y-Richtung an das Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 angelegt und ist der Magnetfluss ϕ1 in der positiven y-Richtung an das Element mit magnetoresistivem Effekt MR2 angelegt. Wie oben beschrieben, sind die Magnetisierungsausrichtungen der jeweiligen Elemente mit magnetoresistivem Effekt MR1 und MR2 einander gleich, sodass, wenn der Widerstandswert des Elements mit magnetoresistivem Effekt MR1 durch den Magnetfluss ϕ1 erhöht wird, sich der Widerstandswert des Elements mit magnetoresistivem Effekt MR2 verringert; umgekehrt, wenn der Widerstandswert des Elements mit magnetoresistivem Effekt MR1 durch den Magnetfluss ϕ1 verringert wird, erhöht sich der Widerstandswert des Elements mit magnetoresistivem Effekt MR2. Das heißt, die Elemente mit magnetoresistivem Effekt MR1 und MR2 bilden eine differentielle Schaltung.
Somit verändert sich der Potentialpegel des zweiten Anschlusses 42, der ein Verbindungspunkt zwischen den Elementen mit magnetoresistivem Effekt MR1 und MR2 ist, gemäß der Stärke des Magnetflusses ϕ1. Wenn beispielsweise der Widerstandswert des Elements mit magnetoresistivem Effekt MR1 erhöht wird und sich somit der Widerstandswert des Elements mit magnetoresistivem Effekt MR2 verringert, steigt der Potentialpegel des zweiten Anschlusses 42. Wenn der Potentialpegel des zweiten Anschlusses 42 verändert wird, verändert sich der Potentialpegel des Ausgangsanschlusses des Operationsverstärkers 61 entsprechend. Wenn beispielsweise der Potentialpegel des zweiten Anschlusses 42 angehoben wird, sinkt der Potentialpegel des Ausgangsanschlusses des Operationsverstärkers 61, mit dem Ergebnis, dass der Rückkopplungsstrom I vom vierten Anschluss 44 zum dritten Anschluss 43 fließt.
In der vorliegenden Ausführungsform fließt der Rückkopplungsstrom I in den magnetischen Elementen 31 und 32. Die magnetischen Elemente 31 und 32 sind auf rückgefaltete Weise verbunden, sodass die Richtungen des in den magnetischen Elementen 31 und 32 fließenden Rückkopplungsstroms I einander entgegengesetzt sind. Wenn daher beispielsweise der Rückkopplungsstrom I vom vierten Anschluss 44 zum dritten Anschluss 43 fließt, wird dadurch ein Magnetfluss ϕ2 in der in 8 dargestellten Richtung im magnetischen Element 31 erzeugt und fließt in der positiven y-Richtung an einer Position, wo sich das Element mit magnetoresistivem Effekt MR1 befindet. Andererseits wird ein Magnetfluss ϕ3 in der in 8 dargestellten Richtung im magnetischen Element 32 erzeugt und fließt in der negativen y-Richtung an einer Position, wo sich das Element mit magnetoresistivem Effekt MR2 befindet. Das heißt, der Magnetfluss ϕ1 und der Magnetfluss ϕ2 heben einander auf, und gleichzeitig heben der Magnetfluss ϕ1 und der Magnetfluss ϕ3 einander auf, wodurch eine Rückkopplung in einer solchen Richtung erreicht ist, dass die durch den zu erfassenden Magnetfluss ϕ1 veränderten Widerstandswerte der Elemente mit magnetoresistivem Effekt MR1 und MR2 zu den ursprünglichen Werten zurückgeführt werden, sodass eine Regelung ermöglicht ist. Ein aktuelles Erfassungsergebnis ist durch einen nicht gezeigten Erfassungsschaltkreis auf Grundlage des Ausgangspegels Out des vierten Anschlusses 44 erhalten.
Wie oben beschrieben, verwendet der Magnetsensor 10B₁ gemäß der vorliegenden Ausführungsform die beiden Elemente mit magnetoresistivem Effekt MR1 und MR2 und die beiden magnetischen Elemente 31 und 32, sodass eine durch den zu erfassenden Magnetfluss ϕ1 verursachte Änderung des Potentialpegels des zweiten Anschlusses 42 groß wird. Somit ist es möglich, eine Erfassung mit höherer Empfindlichkeit durchzuführen, als wenn der Magnetsensor 10A gemäß der ersten Ausführungsform verwendet ist.
9 ist eine Draufsicht, die die Anordnung eines Magnetsensors 10B₂ gemäß einer Modifikation der zweiten Ausführungsform darstellt. Der in 9 dargestellte Magnetsensor 10B₂ unterscheidet sich von dem in 7 dargestellten Magnetsensor 10B₁ darin, dass die magnetischen Elemente 31 und 32 zu einer U-Form integriert sind. Andere Anordnungen sind dieselben wie die des in 7 dargestellten Magnetsensors 10B₁ . Somit brauchen beim Erhalten des differentiellen Signals unter Verwendung der beiden Elemente mit magnetoresistivem Effekt MR1 und MR2 die entsprechenden magnetischen Elemente 31 und 32 nicht aus verschiedenen Elementen ausgebildet zu sein, sondern sie können aus einem einzigen Element ausgebildet sein, wie in der in 9 dargestellten Modifikation.
10 ist eine Draufsicht, die die Anordnung eines Magnetsensors 10B₃ gemäß einer weiteren Modifikation der zweiten Ausführungsform darstellt. Der in 10 dargestellte Magnetsensor 10B₃ unterscheidet sich von dem in 7 dargestellten Magnetsensor 10B₁ darin, dass sich das Element mit magnetoresistivem Effekt MR2 und das magnetische Element 32 in der x-Richtung erstrecken. Andere Anordnungen sind dieselben wie die des in 7 dargestellten Magnetsensors 10B₁ . Somit brauchen sich beim Erhalten des differentiellen Signals unter Verwendung der beiden Elemente mit magnetoresistivem Effekt MR1 und MR2 die Elemente mit magnetoresistivem Effekt MR1 und MR2 nicht in dieselbe Richtung zu erstrecken, sondern ihre Richtungen können sich in rechtem Winkel kreuzen, wie in der in 10 dargestellten Modifikation.
Es ist offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern abgewandelt und verändert werden kann, ohne vom Geltungsbereich und Geist der Erfindung abzuweichen.
Während in den obigen Ausführungsformen beispielsweise ein Blockelement aus einem magnetischen Material als die magnetischen Elemente 31 und 32 verwendet ist, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, und eine Dünnschicht aus einem magnetischen Material kann anstelle des Blockelements verwendet sein. In diesem Fall können die magnetischen Elemente 31 und 32 auf der Verdrahtungslage L2 unter Verwendung eines Dünnschicht-Ausbildungsverfahrens, wie etwa eines Sputterns, ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste

10A, 10B₁-10B₃: Magnetsensor
20: Sensorchip
21: Substrat
22: isolierende Schicht
31: erstes magnetisches Element
32: zweites magnetisches Element
41-45: Anschluss
51-57: Verdrahtung
58, 59: Durchkontaktierung
60: Rückkopplungsschaltung
61: Operationsverstärker
62: Konstantspannungsquelle
63: Konstantstromquelle
64: Widerstand
I: Rückkopplungsstrom
L1: erste Verdrahtungslage
L2: zweite Verdrahtungslage
MR1: erstes Element mit magnetoresistivem Effekt
MR2: zweites Element mit magnetoresistivem Effekt
ϕ1-ϕ3: Magnetfluss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2015219061 A [0004]

Claims

Magnetsensor, umfassend: erste bis vierte Anschlüsse; ein erstes Element mit magnetoresistivem Effekt, zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss elektrisch verbunden und sich in einer ersten Richtung erstreckend; und ein erstes magnetisches Element, zwischen dem dritten und dem vierten Anschluss elektrisch verbunden und sich in der ersten Richtung entlang dem ersten Element mit magnetoresistivem Effekt erstreckend, wobei das erste Element mit magnetoresistivem Effekt gegenüber einer Mittenposition des ersten magnetischen Elements in einer zweiten Richtung versetzt angeordnet ist, die die erste Richtung kreuzt.
Magnetsensor nach Anspruch 1, wobei das erste Element mit magnetoresistivem Effekt an einer Position angeordnet ist, die das erste magnetische Element nicht überlappt, gesehen in einer dritten Richtung, die die erste und die zweite Richtung kreuzt.
Magnetsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Länge des ersten magnetischen Elements in der ersten Richtung gleich oder größer als eine Länge des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt in der ersten Richtung ist.
Magnetsensor nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, weiter umfassend: einen fünften Anschluss; ein zweites Element mit magnetoresistivem Effekt, zwischen dem zweiten und dem fünften Anschluss elektrisch verbunden und sich in einer vorgegebenen Richtung erstreckend; und ein zweites magnetisches Element, zwischen dem dritten und dem vierten Anschluss elektrisch verbunden und sich in der vorgegebenen Richtung entlang dem zweiten Element mit magnetoresistivem Effekt erstreckend, wobei das zweite Element mit magnetoresistivem Effekt gegenüber einer Mittenposition des zweiten magnetischen Elements in einer Richtung versetzt angeordnet ist, die die vorgegebene Richtung kreuzt.
Magnetsensor nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, wobei das erste Element mit magnetoresistivem Effekt auf einer ersten Verdrahtungslage eines Sensorchips ausgebildet ist und das erste magnetische Element auf einer von der ersten Verdrahtungslage verschiedenen zweiten Verdrahtungslage des Sensorchips ausgebildet ist.
Magnetsensor nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, wobei das erste magnetische Element ein aus einem magnetischen Material bestehendes Blockelement ist, das an der zweiten Verdrahtungslage befestigt ist.
Magnetsensor nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, wobei das erste magnetische Element eine aus einem magnetischen Material bestehende dünne Schicht ist, die auf der zweiten Verdrahtungslage ausgebildet ist.
Magnetsensor nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7, wobei das erste magnetische Element aus einem weichmagnetischen Material besteht.
Magnetsensor nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 8, weiter umfassend einen Rückkopplungskreis, der auf Grundlage eines am ersten oder zweiten Anschluss erscheinenden Potentials einen Rückkopplungsstrom zwischen dem dritten und dem vierten Anschluss fließen lässt.
Magnetsensor, umfassend: ein Element mit magnetoresistivem Effekt; ein magnetisches Element, das zu erfassenden Magnetfluss sammelt und den Magnetfluss in eine Richtung parallel zu einer Magnetisierungsausrichtung des Elements mit magnetoresistivem Effekt leitet; und eine Rückkopplungsschaltung, die einen Rückkopplungsstrom im magnetischen Element gemäß einem Widerstand des Elements mit magnetoresistivem Effekt fließen lässt.