JP2005534193A - 磁気検知装置 - Google Patents

Abstract

磁気検知装置が、開示される。磁気検知装置は、集積回路および磁気センサを有する。集積回路により生成される迷走電磁場から磁気センサを遮蔽するために、集積回路と磁気センサとの間に、磁気バッファ層が、堆積される。磁気バッファ層は、磁気検知装置の他の内部の発生源により生成される電磁場を吸収する。

Description

本発明は、磁気センサに関し、特に、内部から発生される電磁気信号から磁気検知装置を遮蔽することに関する。

磁気センサは、一般的に、方向の検出、またはその他のナビゲーションの手段に用いられる。磁場の検出技術は、感度の向上、小型化および電子システムとの互換性への必要性により発展してきた。

現在の一般的なナビゲーションシステムは、何らかの型式の磁気コンパスを、進行方向を決定するために用いている。磁気抵抗（ＭＲ）センサに基づく電子コンパスは、地球の磁場を用いて０．１度以下の方向の回転を、電気的に検出することができる。ＭＲセンサは、外部の電場または磁場による電気抵抗の変化を測定する。例えば、地球の磁場は、ＭＲセンサの抵抗を変化させ、それによりコンパスの向きを決定することができる。

ＭＲセンサは、コンパスによるナビゲーションシステムを構築するための、固体化された解法を提供する。それらの高い感度と有効な再現性は、小さいサイズとあいまって高精度の磁気センサに結実している。しかしながら、ＭＲセンサを電子回路と一体化することは、正確な磁気の測定には結びつかない。電流の信号のような電子回路内部の電磁気信号は、地球の磁場からの信号に干渉し、そのために地球の磁場の正確な測定は得られなくなる。電流は常に磁場を生じており、そのことが強度の低い磁場の測定に干渉する。

現存するＭＲセンサシステムには、そのシステム内の電子機器により発生する磁場効果を除去したり削減したりする能力が欠けており、磁場を正確に測定するために迷走電磁気信号を除去する装置を提供することが望まれていた。

一実施形態においては、整合面を伴う集積回路を有する磁気検知装置が提供される。磁気検知装置はまた、整合面上に積層された磁気遮蔽層を有する。磁気遮蔽層は、集積回路により発生した電磁気信号を吸収する。磁気検知装置はまた、磁気遮蔽層上に積層された磁気検知層を有し、磁気検知層は、集積回路と実質的に整列している。

別の実施形態では、整合面を伴う集積回路と、集積回路に組み合わせられた磁気センサと、集積回路と磁気センサとの間に積層された磁気バッファ層とを有する磁気検知装置が提供される。磁気バッファ層は、約１００〜５００オングストロームの厚さを有する磁気遮蔽材料を含む。

別の実施形態には、内部が遮蔽された磁気検知装置を内部で遮蔽する方法が含まれている。この方法は、磁気センサと集積回路の間に磁気遮蔽層を設けることを含む。磁気遮蔽層は、集積回路により発生した電磁気信号を吸収する。

これらおよびその他の特徴と利点は、適宜に添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読むことにより、当業者に明らかになるであろう。
なお、添付図面への説明として、同様の要素には同じ参照番号の表記が付されている。

例示的な一実施形態では、集積回路に近接していても正確に磁場を測定する磁気検知装置が示される。チップ化されたシステムを構成するために、磁気検知装置は、集積回路を覆って備えられた磁気センサを有する。集積回路により生成される、迷走電磁気信号を削減および／または除去するバッファ層を提供するために、磁気センサと集積回路の間に磁気遮蔽層および／または磁気吸収層が積層される。このようにして、集積回路内部の電流により生成される磁場とは無関係である、装置外の磁場を磁気センサは正確に測定することができる。

図１を参照すると、磁気検知システム１００の例示的な一実施形態が示されている。図１では、磁気検知システム１００を示しているが、他のパッケージおよび／またはセンサの組み合わせが同様に用いられてもよい。さらに、図１に示された磁気検知システム１００および以下に記述される他の構成は、単なる例として記載され、製造上の必要性および／または消費者の嗜好性に応じて、他の構成と要素が代わりに用いられることができるし、また、ある要素は省略されてもよい。

例として、磁気検知システム１００は、集積回路１０２、磁気バッファ層１０４および磁気センサ１０６を有する。集積回路１０２、磁気バッファ層１０４および磁気センサ１０６は、プラスチックパッケージ、多数の出力ピンを有する電子集積回路パッケージ、または非磁性のモールド化パッケージなどのパッケージ１０８内部に、全部が封入されてよい。このパッケージはまた、銅のリードフレームを有する、スモールアウトライン集積回路（ＳＯＩＣ）パッケージであってもよい。また磁気検知システム１００は、他の検知素子および／または電子素子を含んでもよい。

図１に示されているように、磁気バッファ層１０４は、集積回路１０２上に配置され、磁気センサ１０６は、磁気バッファ層１０４上に配置されている。磁気センサ１０６は、集積回路１０２と実質的に整列するように配置されていてもよいし、または磁気センサ１０６は、集積回路１０２の真上にくるように配置される。代替案として、磁気センサ１０６、磁気バッファ層１０４および集積回路１０２は、全く異なる構成で配置されていてもよい。しかしながら、例示的な実施形態としては、磁気バッファ層１０４を少なくとも磁気センサ１０６と集積回路１０２の間に配置することが必要である。

磁気検知システム１００の集積回路１０２は、プリント回路基板（ＰＣＢ）、電子回路基板、集積回路チップ、または電気信号を処理することができる任意の回路であってよい。集積回路１０２は、シリコン材料片または相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）バイポーラ材料であってよい。集積回路１０２は、アナログおよびデジタル双方の出力を有してもよく、オペアンプ、増幅器または他の信号処理用の電子素子を含んでもよい。また集積回路１０２は同様に、他の型式の回路であってもよい。

電荷担体、即ち電子が集積回路１０２の導体（例えばトレース）内を移動すると、集積回路１０２により磁場が生成される。例えば、電流は、磁場を生成することができる。脈動する直流または交流は、特性的に電磁場を生成する。（一定の速度で移動するのではなく）荷電粒子が加速されると、変動する磁場が生成される。これは変動する電場を生成し、これがまた交互に他の変化する磁場を生成する。荷電粒子が加速され続けると、抑制されることなく成長し続ける成長する磁場に帰着する。

磁気バッファ層１０４は、集積回路１０２内部の電流により生成される電磁場から磁気センサ１０６を遮蔽し、および／または磁気バッファ層１０４は、集積回路１０２により生成される電磁場を吸収する。磁気バッファ層１０４はまた、磁気検知システム１００の他の内部要因により生成される電磁場を遮蔽および／または吸収する。電磁場の吸収のために、磁気バッファ層１０４は、パーマロイ（商標）材料を含んでいてもよい。代替案として、電磁場の遮蔽のために、磁気バッファ層１０４は、ミューメタル（Ｍｕ−ｍｅｔａｌ）材料を含んでいてもよい。しかしながら、磁気バッファ層１０４は、任意の透磁率の高い材料（即ち磁場の強さに対する高い磁束密度の比率）および／または任意の磁気抵抗材料を含んでいてもよい。

パーマロイ（商標）材料は、一般的に、ニッケルと鉄を含んでいる。ある実施形態では磁気バッファ層１０４は、約６０〜８０％のニッケル（Ｎｉ）、１０〜２０％の鉄（Ｆｅ）、５〜１０％の銅（Ｃｕ）および５〜１０％のコバルト（Ｃｏ）（重量％）のパーマロイ（商標）材料組成物からなる。パーマロイ（商標）組成物はまた、５０〜８０％のニッケルと残余鉄からなっていてもよい。

ミューメタルは、軟磁性の強磁性体である。例としては、磁気バッファ層１０４は、約７７％のＮｉ、１６％のＦｅ、５％のＣｕおよび２％のクロム（Ｃｒ）のミューメタルであってもよい。例えば、ある量のシリコン（Ｓｉ）および／または他の同様の元素が添加されたＮｉ−Ｆｅベースの金属のような、他のミューメタル材料が用いられてもよい。他の元素が、同様に用いられてもよい。

磁気バッファ層１０４は、例えば１０^４Ｈ／ｍ（ヘンリーパーメートル）のオーダーのような高い透磁率を有する、任意の強磁性材料であってもよい。他の例を、同様に用いることができる。

磁気バッファ層１０４は、約数百オングストロームの厚さであってよいが、しかしながらその厚みはまた、数百オングストローム以上または以下であってもよい。例えば地球の磁場の測定用に設計された磁気検知システムのためには、磁気バッファ層１０４は、約１００〜５００オングストロームであってもよい。

磁気バッファ層１０４は、例えば加圧気相堆積法（ＰＶＤ）またはイオンビーム蒸着法などの、電着のプロセスにより集積回路１０２の整合面上に堆積される。代替案として、磁気バッファ層１０４は、化学成長法（ＣＶＤ）、常圧化学気相成長法（ＡＰＣＶＤ）、低圧化学気相成長法（ＬＰＣＶＤ）、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）または他の薄膜形成技術により集積回路１０２の整合面上に堆積されてもよい。磁気バッファ層１０４は、迷走電流もしくは漏れ電流および／または磁場を削減および／または除去するために、集積回路１０２と磁気センサ１０６の間の領域にのみ、またはできるならば集積回路１０２よりも広い領域に、堆積されてもよい。例えば、磁気バッファ層１０４は、集積回路１０２と磁気センサ１０６の間の領域で定義される、または集積回路１０２の全表面で定義される、集積回路１０２の全整合面上に堆積される。

磁気バッファ層１０４は、磁気センサ１０６が磁場の強度または磁場の方向を、正確に測定することができるようにする。例えば磁気センサ１０６は、一般的に約０．５から０．６ガウスまたは約５×１０^−５テスラである、地球の磁場のような微弱な磁場を極めて正確に測定する。

一実施形態では磁気センサ１０６は、８１％Ｎｉおよび１９％Ｆｅのような、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）膜材料の薄層である。ＡＭＲ膜は、磁場に曝されるとその抵抗を２〜３％変化させる。他の実施形態では、磁気センサ１０６は、Ｎｉ−Ｆｅ−ＣＵ−Ｎｉ−Ｆｅの積層または他の組み合わせを有し、磁場に曝されるとその抵抗を３〜１００％変化させる、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）膜材料である。さらに他の実施形態では磁気センサ１０６は、ランタン（Ｌａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、マンガン（Ｍｎ）および酸素（Ｏ）からなる、超巨大磁気抵抗（ＣＭＲ）膜材料である。磁気センサ１０６は、他の材料を同様に含んでもよい。

一実施形態では、磁気センサ１０６は、約２００オングストロームより小さい厚みを有する。磁気センサ１０６を構成する膜材料の層は、磁気バッファ層１０４の上に堆積され、磁気センサ１０６の望ましい形成物は、膜材料の層内にエッチングされる。磁気センサ１０６は、ＰＶＤまたはイオンビーム堆積法を用いて、磁気バッファ層１０４の上に堆積される。

磁気センサ１０６は、磁気抵抗金属膜により形成された、抵抗性ホイートストンブリッジを含んでいる。ブリッジに電源装置が接続されると、磁気センサ１０６は高感度方向の自然環境の磁場または印加された磁場を、電圧の出力に変換する。

磁気バッファ層１０４は、磁気センサ１０６が集積回路１０２の真上にくるようにまたは極めて近接して備えられながら、磁場を敏感に検出する能力を維持することを可能にする。さらに磁気バッファ層１０４は、集積回路１０２により生成される磁場が磁気検知システム１００の外部の電磁場を妨害しないようにする。磁気センサ１０６と集積回路１０２の間の電磁場の遮蔽層または吸収層がなければ、集積回路１０２内部の電流により生成される電磁場は磁気センサ１０６を飽和させることができ、磁気センサ１０６が磁気検知システム１００の外部の電磁場を検出することを不可能にする。

図２を参照すると、図１に示された磁気検知システム１００の詳細な図が描かれている。集積回路１０２は、パッケージ１０８の基板に備えられ、磁気バッファ層１０４は、集積回路１０２上に堆積されている。第１の金属導線２０２（ａ−ｂ）が、磁気バッファ層１０４を覆って集積回路１０２に堆積されている。誘電体層２０４が、磁気バッファ層１０４を覆って集積回路１０２と第１の金属導線２０２（ａ−ｂ）のまわりに堆積されている。磁気センサ１０６は、誘電体層２０４上に堆積され、望ましい形状になるようにエッチングされる。例えば図２に示されているように、磁気センサ１０６は、３つの小さい平行な部分からなる。第２の金属導線２０６が、磁気センサ１０６上に堆積され、第１の金属導線２０２（ａ−ｂ）と接触するようになっている。

他の誘電体層２０８が、誘電体層２０４と第２の金属導線２０６の上に堆積されている。第３の金属導線２１０が、誘電体層２０８の上に堆積され、第２の金属導線２０６と接触するようになっている。他の誘電体層２１２が、第３の金属導線２１０の上に堆積され、出力用の金属導線２１４（ａ−ｂ）が、誘電体層２１２上に堆積され、出力用の金属導線２１４（ａ−ｂ）が、第３の金属導線２１０と接触するようになっている。

この磁気検知システム１００に含まれて記述された、多数の誘電体層と金属導線（およびその組成と各々の厚み）は、本発明の全ての実施形態には本質的なことではなく、他の構成も同様に本発明の利点を発揮する。同様に、本発明に記載された構成、即ちパッケージ化された集積回路の構成は、単なる採用されてもよい多くの異なる形態の１例である。

誘電体層２０４、２０８、２１２は、テトラエチルオルソシリケート（ＴＥＯＳ）材料または他の絶縁材料および／または非伝導性材料からなる。さらに誘電体層２０４、２０８、２１２は、厚みが約１〜２ミクロンであってよい。誘電体層２０４、２０８、２１２が堆積される表面を滑らかかつ平坦にしておよび／または表面の不完全度を除去するために、誘電体層２０４、２０８、２１２を堆積するのに先だって、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）プロセスが完了される。誘電体層２０４、２０８、２１２は、ＰＥＣＶＤ法で堆積される。

図３を参照すると、磁気検知装置を内部的に遮蔽する方法３００が示されている。ブロック３０２に示されているように、その上に磁気抵抗材料の層が堆積される、集積回路の表面が清浄化される。次に、ブロック３０４に示されているように、磁気抵抗材料の層は集積回路の上に堆積され、ブロック３０６に示されているように材料の誘電体層が磁気抵抗層の上に堆積される。ブロック３０８に示されているように、材料の磁気検知層が誘電体層の上に堆積され、ブロック３１０に示されているように、集積回路および磁気センサはパッケージ化される。集積回路により生成される電磁信号を吸収するために、磁気抵抗材料の層が磁気検知層と集積回路の間に堆積される。

磁気センサと集積回路の間に磁気抵抗材料を組み込むことは、検知システム内部の発生源により生成される磁場による、磁場測定の誤検出を補償する必要性を除去する。さらに、現存する磁気検知システムでは、交流により生成されるような時間的に変化する磁場を補償することは不可能である。それ故、磁気遮蔽層または磁気吸収層として磁気抵抗材料を使用することは、装置外の磁場の特性を正確に測定するための、磁気センサと集積回路を有する統合された磁気検知装置を可能にする。

本発明が関係する技術の当業者は、本発明の精神または特性から逸脱することなく、その原理を用いて他の実施形態に帰着する変形を行うことができる。従って、以上に記載された実施形態は、あらゆる点で単なる例であって限定的なものではないと見なされるべきであり、そのため本発明の権利範囲は、上記の記述ではなくむしろ添付の請求項により示される。結果として、構成、順序、材料その他の当業者には自明の変形は、本発明の権利範囲に属する。他の実施形態が、同様に可能である。

磁気検知システムの概念的な一実施形態を示すブロックダイアグラムである。 図１の磁気検知システムの一実施形態をより詳細に示す図である。 磁気検知装置の遮蔽の一実施形態の機能を示す、ブロックダイアグラムである。

Claims (23)

1. 整合面を有する集積回路と、
   前記整合面上に堆積された磁気遮蔽層であって、前記集積回路により生成される電磁信号を吸収する磁気遮蔽層と、
   前記集積回路と実質的に整列するように、前記磁気遮蔽層上に堆積された磁気検知層と、
   を含む磁気検知装置。
2. 前記整合面上に堆積された前記磁気遮蔽層は、約１００〜５００オングストロームの厚みを有するパーマロイ（商標）材料の層である、請求項１に記載の磁気検知装置。
3. 前記整合面上に堆積された前記磁気遮蔽層は、約１００〜５００オングストロームの厚みを有するミューメタル材料の層である、請求項１に記載の磁気検知装置。
4. 前記磁気遮蔽層上に堆積された前記磁気検知層は、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）膜である、請求項１に記載の磁気検知装置。
5. 前記磁気遮蔽層上に堆積された前記磁気検知層は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）膜である、請求項１に記載の磁気検知装置。
6. 前記磁気遮蔽層上に堆積された前記磁気検知層は、２００オングストロームより小さい厚みを有する、請求項１に記載の磁気検知装置。
7. 前記集積回路と前記磁気検知層との間に堆積された誘電体層を、
   さらに含む請求項１に記載の磁気検知装置。
8. 前記磁気検知層が、前記集積回路の真上にくるように前記磁気遮蔽層上に堆積されている、請求項１に記載の磁気検知装置。
9. 整合面を有する集積回路と、
   前記集積回路と組み合わせられた磁気センサと、
   前記集積回路と前記磁気検知層の間に堆積された磁気バッファ層であって、約１００〜５００オングストロームの厚みを有する磁気遮蔽材料を含む磁気バッファ層と、
   を含む磁気検知装置。
10. 前記磁気センサは、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）膜および巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）膜からなるグループから選択される、請求項９に記載の磁気検知装置。
11. 前記磁気遮蔽材料は、パーマロイ（商標）材料およびミューメタル材料からなるグループから選択される、請求項９に記載の磁気検知装置。
12. 前記磁気センサは、前記集積回路と金属導線を介して組み合わせられている、請求項９に記載の磁気検知装置。
13. 前記磁気バッファ層は、前記集積回路と前記磁気センサとの間の全領域を実質的に前記磁気バッファ層が覆うように、前記集積回路の整合面に堆積されている、請求項９に記載の磁気検知装置。
14. 前記磁気バッファ層は、前記集積回路の整合面を実質的に前記磁気バッファ層が覆うように、前記集積回路の整合面に堆積されている、請求項９に記載の磁気検知装置。
15. 前記集積回路と前記磁気センサとの間に堆積された誘電体層を、
    さらに含む請求項９に記載の磁気検知装置。
16. 磁気センサと集積回路との間に磁気遮蔽層を設けるステップを含む、内部的に磁気検知装置を遮蔽する方法であって、前記磁気遮蔽層は、前記集積回路により生成される電磁信号を吸収する、方法。
17. 前記磁気センサと前記集積回路とを共通の磁気検知装置に統合するステップを、
    さらに含む請求項１６に記載の方法。
18. 前記磁気センサと前記集積回路を共通の磁気検知装置に統合するステップが、前記集積回路に近接して磁気抵抗（ＭＲ）膜を堆積するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記磁気センサと前記集積回路を共通の磁気検知装置に統合するステップが、前記集積回路と実質的に整列するように磁気センサを配置するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
20. 前記磁気センサと前記集積回路との間に前記磁気遮蔽層を設けるステップが、パーマロイ（商標）材料およびミューメタル材料からなるグループから選択される材料を堆積するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
21. 前記磁気センサと前記集積回路との間に前記磁気遮蔽層を設けるステップが、約１００〜５００オングストロームの厚みを有する材料を堆積するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
22. 前記磁気センサと前記集積回路との間に前記磁気遮蔽層を設けるステップが、前記集積回路上に前記磁気遮蔽層を堆積するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
23. 前記磁気センサと前記集積回路との間に絶縁層を堆積するステップを、
    さらに含む請求項１６に記載の方法。

Images