JP2006208020A

JP2006208020A - ２軸検出型磁気センサおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2006208020A
Application number: JP2005016559A
Authority: JP
Inventors: Masatomo Koseki; 政智小関; Norimitsu Hoshi; 則光星
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2005-01-25
Filing date: 2005-01-25
Publication date: 2006-08-10

Abstract

【課題】同一基板内での構成にて、２軸の磁気が検出可能となり、更に磁気バイアスを効率良く印加できる、量産性のすぐれた２軸検出型磁気センサおよびその製造方法を得る。
【解決手段】高周波電流をキャリアとして印加する際のインピーダンスが外部磁界により変動する磁性体からなるインピーダンス素子を用いた磁気センサにおいて、ガラス基板Ｂ２１上に二つの前記板状の磁性膜である磁気インピーダンス素子３１，３２が、各々、略９０°に配置され、前記二つの磁気インピーダンス素子３１，３２に、印加磁界を斜めθ方向から印加することにより一基板上にある２軸分の２つのインピーダンス素子に一挙に必要な磁気特性が付与された２軸検出型磁気センサ。
【選択図】図２

Description

本発明は、高感度かつ高精度に検出する必要のある地磁気等の磁界ベクトルの検出等に用いられる磁界を検出する２軸検出型磁気センサおよびその製造方法に関する。

従来、磁気インピーダンス素子は、磁性体に数ＭＨｚ以上の高周波電圧を印加した場合に生ずる表皮効果の表皮深さがこの磁性体の透磁率の平方の逆数に比例するが、前記磁性体の透磁率が外部磁界により大きく変動することに起因して、磁性体のインピーダンスが外部磁界によって変動する性質を持つ。この性質を利用して磁気センサが組み立てられていた。

特許文献１には、磁気センサ素子の基板上に、磁気検出素子を２辺組み入れたブリッジ回路を取り込み、抵抗辺と磁気検出素子のインピーダンスをほぼ等しくした構成について記載されている。このようにすることで、磁気検出素子のインピーダンス変動を電圧変動として検出し、磁気検出感度の向上と、オフセット削減の機能を持たせることができる。

更に、特許文献２には、抵抗辺を非磁性体にして小型化し、渦巻きコイル、薄膜コイル、磁性膜による磁気バイアス手段が記載されている。また、特許文献３には、非磁性基板上に高透磁率磁性膜を形成して構成され、直線が途中で複数回平行に折り返されて長手方向に対し垂直な方向となるように磁気異方性が付けられた素子が記載されている。複数回折り返すことで、磁性膜の総延長を長くしても素子全体を短くし小型化できる。また、高インピーダンスになり使用しやすい素子となる。

この磁気インピーダンス素子の製造方法は、誘電体基板にフォトレジストを使用し露光を行い素子形状のレジストマスキングを作製して磁性膜をスパッターにて成膜する。その後、リフトオフ法にて磁性膜パターニングをし、素子形状である高透磁率磁性薄膜を形成する方法である。更に、前記同様の工程にて導体膜のレジストマスキングを作製し導体膜のパターニングをする。

更に、パターニング後、磁界中熱処理を真空中で行い、スパッター時の異方性を取り除き、かつ一軸異方性をパターニングした磁性膜の幅方向に付与する一般的な製法である。

特開平１０−２７０７７４号広報特開２０００−２０６２１７号公報特開平０９−１２７２１８号広報

従来、磁気インピーダンス素子により２軸検出型磁気センサを作製する際、磁性膜コアの幅方向に対し一軸異方性を付与する必要があったため、ウェハ上にある複数の同パターン形状のチップをそれぞれ切り分け、同じような磁気インピーダンス特性をもつ素子を選別し、それらを９０°に配置し組み立てるといった工程を踏まなければならない。

また、従来の磁気センサにおいては、磁気バイアス印加用のボビンを巻きコイルのサイズが大きく（例えば、直径１０ｍｍ以上）、また消費電力が大きい（例えば、２０ｍＡもの電流が消費される）。このため、小型で消費電流の小さい固定磁気バイアス印加手段が要求される。

更に、従来の磁気センサには、負帰還磁界や正帰還磁界等の可変磁気バイアスを印加する必要がある場合にも対応できるように、コイルに流す電流あたりの磁界の発生効率が高い可変磁気バイアス方式が要求されている。

本発明の課題は、同一基板内での構成にて、２軸の磁気が検出可能となり、更に磁気バイアスを効率良く印加できる、量産性のすぐれた２軸検出型磁気センサおよびその製造方法を提供することである。

本発明によれば、高周波電流をキャリアとして印加する際のインピーダンスが外部磁界により変動する磁性体からなる磁気インピーダンス素子を用いた磁気センサにおいて、一つの基板上に二つの前記板状の磁性膜であるインピーダンス素子が各々９０°で配置してあり、磁界中熱処理時に印加磁界を斜めθ方向から印加することにより一基板上にある２軸分の２つのインピーダンス素子に磁気異方性を付与し、作製可能な２軸検出型磁気センサである。

即ち、本発明は、高周波電流をキャリアとして印加した場合のインピーダンスが、外部磁界により変動する磁性薄膜磁気インピーダンス素子からなる２軸検出型磁気センサにおいて、一つの基板上に二つの前記板状の磁性薄膜磁気インピーダンス素子が各々、略９０°の角度をなして配置され、前記二つの磁性薄膜磁気インピーダンス素子に、印加磁界を、前記板状の磁性薄膜磁気インピーダンス素子のいずれかの素子のストライプ構造における長手方向と、角度θをなす方向から印加することにより、一基板上にある前記磁性薄膜磁気インピーダンス素子に対し、一遍に磁気異方性が付与された２軸検出型磁気センサである。

また、本発明は、前記２軸検出型磁気センサにおいて、前記磁性薄膜磁気インピーダンス素子の上部、あるいは下部、ならびに側部の少なくとも１個所に巻線１個を有し、前記磁性薄膜磁気インピーダンス素子に、交流または直流の磁気バイアス磁界を印加された２軸検出型磁気センサである。

また、本発明は、前記２軸検出型磁気センサにおいて、前記磁性薄膜磁気インピーダンス素子の上部、あるいは下部、または側部の少なくとも１箇所に薄膜マグネットが配置され、前記薄膜マグネットにより直流磁気バイアス磁界が磁性薄膜磁気インピーダンス素子に印加された２軸検出型磁気センサである。

また、本発明は、前記２軸検出型磁気センサにおいて、磁性薄膜磁気インピーダンス素子の一方の面、あるいは他方の面、または側面のいずれかに巻線型薄膜コイルを有し、交流磁気バイアス磁界または直流磁気バイアス磁界を前記磁性薄膜磁気インピーダンス素子に印加する２軸検出型磁気センサである。

また、本発明は、高周波電流をキャリアとして印加する際のインピーダンスが外部磁界により変動する磁性薄膜磁気インピーダンス素子からなる２軸検出型磁気センサの製造方法において、一つの基板上に二つの板状の前記磁性薄磁気インピーダンス素子が、各々、略９０°をなす角度に形成し、前記二つの磁性薄膜磁気インピーダンス素子に、印加磁界を前記板状の磁性薄膜磁気インピーダンス素子のいずれかの素子のストライプ構造における長手方向と角度θをなす磁界を印加して熱処理し、一基板上にある２軸分の２つの磁性薄膜磁気インピーダンス素子に、磁気容易軸を形成する２軸検出型磁気センサの製造方法である。

本発明により、一ウェハからチップ毎に切り分けする工程の手数を少なくすることができ、更にその切り分けたチップを組み立てる作業を省くことができる。また、１軸検出磁気インピーダンス素子を２つ、同チップ内に作製することで、磁気インピーダンス素子のばらつきを小さく抑えることができる。また、ウェハ内から磁気インピーダンス特性の磁気バイアスを印加する直線領域が同インピーダンス・同傾斜である素子を選び出す作業を省くことができる。

本発明によれば、同一基板内での構成にて、２軸の磁気が検出可能な磁気センサであって、更に磁気バイアスを効率良く印加できる、量産性のすぐれた２軸検出型磁気センサおよびその製造方法を提供できる。

以下に、本発明の実施の形態による２軸検出型磁気センサおよびその製造方法について説明する。

本発明の実施の形態による２軸検出型磁気センサは、高周波電流をキャリアとして印加した場合のインピーダンスが、外部磁界により変動する磁性薄膜磁気インピーダンス素子からなる２軸検出型磁気センサであって、一つの基板上に二つの前記板状の磁性薄膜磁気インピーダンス素子が各々、略９０°の角度をなして配置され、前記二つの磁性薄膜磁気インピーダンス素子に、印加磁界を、前記板状の磁性薄膜磁気インピーダンス素子のいずれかの長手方向と、角度θを成す方向から印加することにより、一基板上にある前記磁性薄膜磁気インピーダンス素子に、磁気異方性が付与されたものである。

ここで、前記二つの板状の磁性薄膜磁気インピーダンス素子は、各々略９０°の角度をなすが、その範囲は、９０°±５°の範囲とする。これは、磁性薄膜コアのなす角度が８５°未満か、あるいは９５°を越えると、磁界の検出感度が低下するためである。また、前記角度θについては、４５°±１５°とする。これは、角度θが３０°未満か、あるいは６０°を越えると、磁界の検出感度が低下するためである。角度θについては、４５°±１５°内にて、４５°以外の角度の場合は、二つの板状の磁性薄膜コアのバイアスポイントの位置を、処理回路によって、調整して対応する必要がある。

図１は、磁気センサにおける磁性薄膜磁気インピーダンス素子と導体膜のパターン形状の説明図である。図１に示すように、厚さ２μｍ、長さ１ｍｍの磁性薄膜インピーダンス素子１，２，３，４，５を５本平行に並べ、厚さ０．６μｍ導体膜１５，１６，１７，１８で磁性薄膜インピーダンス素子１，２，３，４，５を直列に繋ぎあわせる。その両端に導体膜１３，１４で電極パッド１１，１２に接続する。

また、図２は、本発明による一基板上の２方向の磁気検出素子を互いに９０°に配置した２軸検出型磁気インピーダンス素子の説明図である。図２（ａ）は平面図であり、図２（ｂ）は斜視図である。

図１に示す素子を基板上に図２のように磁性薄膜インピーダンス素子の長手方向が互いに９０°になるように配置している。磁性膜と導体膜のパターニング後、図２に示すように磁性薄膜インピーダンス素子の長手方向に対しθ=４５°方向に磁界を印加しながら真空中にて熱処理を施し、斜め４５°方向へ一軸異方性を付与する。その電極パッド１１，１２の間に高周波プローブを接続し、ネットワークアナライザーにて１０ＭＨｚ〜６０ＭＨｚの高周波電流を印加して、素子の長手方向に外部磁界を−２０〜２０×１０³／４πＡ／ｍ印加してインピーダンスの変化を観察することができる。

前記の作製方法により作製する際、通常、磁性薄膜インピーダンス素子の幅方向に一軸異方性を付与するため、真空磁界中熱処理で幅方向に磁界を印加する。しかし、この場合、一基板上に２軸分を９０°に配置し、４５°方向から磁界を印加するため、一基板上に配置してある２方向に向いている磁性膜コア両方同時に異方性を付与できる。

図３は、磁性膜コアの幅方向に一軸異方性を付与した場合と斜め４５°方向に一軸異方性を付与した場合の外部磁界変化に対するインピーダンス変化のグラフである。一軸異方性が斜めに付与されると、磁界−インピーダンス特性のコイルによってバイアス磁界を印加する直線領域のバイアスポイントが低磁界側に移動し、バイアス磁界印加用コイルによる消費電流が抑えられるという利点はあるものの、インピーダンスのピーク点が若干低くなり、素子感度が下がるという難点もある。

図４は、本発明による２軸検出型磁気センサに対して磁気バイアスを印加するためのバイアスコイルを配置した説明図である。図４（ａ）は平面図であり、図４（ｂ）は斜視図である。前記の作製法により２軸検出型磁気センサに対し、図４に示すように、バイアスコイル４１０，４２０を巻き、一基板上の２つの１軸検出分の磁気インピーダンス素子３１０、３２０、３３０、３４０に同時にバイアス磁界を印加することができる。このとき、バイアス磁界印加法として直流磁界を使用する方法と交流磁界を使用する方法がある。

図５は、外部磁界変化に対するインピーダンス特性の直流磁気バイアス法の説明図である。直流バイアス磁界を印加する場合、図５に示すように、磁界−インピーダンス特性の磁界正側または負側のどちらか片側の傾斜部分に磁気バイアスを印加する。そして、外部磁界の変化によりインピーダンス変化が起こり、それを電圧変化として検出する。

図６は、外部磁界変化に対するインピーダンス特性の交流磁気バイアス法の説明図である。交流バイアス磁界を印加する場合、図６に示すように、磁界−インピーダンス特性の磁界正側、負側両方の傾斜部分に磁気バイアスを印加する。そして、外部磁界変化によりバイアスポイントがずれ、それを負帰還磁界により、バイアスポイントの位置をもどす。そのバイアスポイントのずれ分を電圧変化として検出する。その一素子分の外部磁界変化に対するセンサ出力を図７に示す。また、次に、９０°に配置した２軸分の方位角に対するセンサ出力を図８に示す。図８（ａ）は、センサ出力Ｖx，Ｖyと方位角との関係を示す図であり、図８（ｂ）はセンサ出力ＶyとセンサＶxとの関係を示す図である。このように２軸分の出力により地磁気のような平面上の磁界ベクトルを計ることができる。

図９は、本発明による２軸検出型磁気インピーダンス素子に対し固定磁気バイアスを印加するために薄膜マグネットを配置した説明図である。前記の作製法により２軸検出型磁気センサに対し、図９に示すように、薄膜マグネット１５１，１５２，１５３を配置することで、一基板上の２軸分の磁性膜コアに固定バイアス磁界を印加し、使用することができる。このバイアス磁界印加方法では、磁気バイアス印加のための消費電流がゼロで、定電流回路も不要である。

図１０は、本発明の２軸検出型磁気インピーダンス素子に対して磁気バイアスを印加するための薄膜型巻線コイルの配置と、その時の磁気回路の説明図である。図１０（ａ）は上面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＡＡ断面図である。前記の作製法２軸磁気センサ素子に対し、図１０に示すように、磁性薄膜インピーダンス素子１０、２０、３０、４０、５０に対し、薄膜型巻線コイル６１の渦中心がコア長手方向端部にくるよう配置し電流を流すことで、磁束のループをつくることができる。これにより基板上の２軸分の磁気インピーダンス素子それぞれに直流または交流のバイアス磁界を印加し、使用することができる。この方法により、従来の巻線型コイルを使用するより極めて薄型の２軸検出型磁気センサの作製ができる。

磁気センサにおける磁性薄膜磁気インピーダンス素子と導体膜のパターン形状の説明図。本発明による一基板上に２方向の磁気検出素子を互いに９０°に配置した２軸検出型磁気インピーダンス素子の説明図。図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は斜視図。磁性膜コア幅方向に一軸異方性を付与した場合と斜め４５°方向に一軸異方性を付与した場合の外部磁界変化に対するインピーダンス変化のグラフ。本発明による２軸検出型磁気インピーダンス素子に対し、磁気バイアスを印加するためのバイアスコイルを配置した説明図。図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は斜視図。外部磁界変化に対するインピーダンス特性への直流磁気バイアス法の説明図。外部磁界変化に対するインピーダンス特性への交流磁気バイアス法の説明図。外部磁界に対する一素子分のセンサ出力のグラフ。磁界ベクトルに対する２軸分のセンサ出力の説明図。図８（ａ）は、センサ出力Ｖx，Ｖyと方位角との関係を示す図、図８（ｂ）はセンサ出力ＶyとセンサＶxとの関係を示す図。本発明による２軸検出型磁気センサに対し、固定磁気バイアスを印加するために薄膜マグネットを配置した説明図。本発明による２軸検出型磁気センサに対し、磁気バイアスを印加するための薄膜型巻線コイルの配置説明図とそのときの磁気回路の説明図。図１０（ａ）は上面図、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＡＡ断面図。

符号の説明

１，２，３，４，５，１０，２０，３０，４０，５０磁性薄膜磁気インピーダス素子
１１，１２電極パッド
１３，１４導体膜（電極パッド）
１５，１６，１７，１８導体膜（直列接続）
２１，２２，２１０，２２０ガラス基板
３１，３２，３３，３４，３１０，３２０，３３０，３４０，１３１，１３２（１軸検出分の）磁気インピーダンス素子
４１０，４２０バイアスコイル
１５１，１５２，１５３（固定バイアス磁界印加用）薄膜マグネット
６１，６２，６３，６４，６５，６６，６７，６８薄膜型巻線コイル

Claims

高周波電流をキャリアとして印加した場合のインピーダンスが、外部磁界により変動する磁性薄膜磁気インピーダンス素子からなる２軸検出型磁気センサにおいて、一つの基板上に二つの前記板状の磁性薄膜磁気インピーダンス素子が、各々、略９０°の角度をなして配置され、前記二つの磁性薄膜磁気インピーダンス素子に、印加磁界を、前記板状の磁性薄膜磁気インピーダンス素子のいずれかの素子のストライプ構造における長手方向と、角度θをなす方向から印加することにより、一基板上にある前記磁性薄膜磁気インピーダンス素子に対し、一遍に磁気異方性が付与されたことを特徴とする２軸検出型磁気センサ。
前記２軸検出型磁気センサにおいて、前記磁性薄膜磁気インピーダンス素子の上部、あるいは下部、ならびに側部の少なくとも１個所に巻線１個を有し、前記磁性薄膜磁気インピーダンス素子に、交流または直流の磁気バイアス磁界を印加することを特徴とする請求項１記載の２軸検出型磁気センサ。
前記２軸検出型磁気センサにおいて、前記磁性薄膜磁気インピーダンス素子の上部、あるいは下部、または側部の少なくとも１箇所に薄膜マグネットが配置され、前記薄膜マグネットにより直流磁気バイアス磁界が磁性薄膜磁気インピーダンス素子に印加されたことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の２軸検出型磁気センサ。
前記２軸検出型磁気センサにおいて、磁性薄膜磁気インピーダンス素子の一方の面、あるいは他方の面、または側面のいずれかに巻線型薄膜コイルを有し、交流磁気バイアス磁界または直流磁気バイアス磁界を前記磁性薄膜磁気インピーダンス素子に印加することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の２軸検出型磁気センサ。
高周波電流をキャリアとして印加する際のインピーダンスが外部磁界により変動する磁性薄膜磁気インピーダンス素子からなる２軸検出型磁気センサの製造方法において、一つの基板上に二つの板状の前記磁性薄膜磁気インピーダンス素子を、各々、略９０°をなす角度に形成し、前記二つの磁性薄膜磁気インピーダンス素子に、印加磁界を、前記板状の磁性薄膜磁気インピーダンス素子のいずれかの素子のストライプ構造における長手方向と角度θをなす磁界を印加して熱処理し、一基板上にある２軸分の２つの磁性薄膜磁気インピーダンス素子に、磁気容易軸を形成することを特徴とする２軸検出型磁気センサの製造方法。