JP2008116429A - 磁気センサデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の磁電変換素子を有する磁気センサ、あるいは電流センサの磁界シールド構造は、磁電変換素子とは別の筐体、あるいは筐体の一部として配置され、かつ被測定磁界の発生源も別体となっており、センサの大型化、あるいは微小磁界の検出が困難であるという問題点があった。
また、導電体から成るシールド層が、ホール素子を含む半導体領域の全面を覆う半導体装置は、小型化および誘導ノイズ、外来ノイズ低減に関する効果はあるものの、動的な磁界が印加されたときシールド層に発生する渦電流に起因した磁界が、誤差として磁電変換素子に与えられる影響が考慮されていないため、被測定磁界の高精度な検出が困難になるという問題点があった。
【解決手段】 磁電変換素子に加えて、ある開口部を有した電界シールド層、電流路を、絶縁層を介して磁電変換素子近傍に設置し、半導体微細加工技術により一体化して製造したものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体微細加工技術により磁電変換素子に加えて、電界シールド層、および電流路を一体化して製造した磁気センサデバイスに関するものである。

従来の磁電変換素子を有する磁気センサ、あるいは電流センサは、シールド構造を、磁電変換素子とは別の筐体あるいは筐体の一部として配置し、被測定電流線としての電流路も別体となったものがある。（例えば、特許文献１参照）
また、磁電変換素子にホール素子を用いた半導体装置として、ホール素子を含む半導体領域の全面をシールド層にて覆い、一体化した装置がある。（例えば、特許文献２参照）

特開平８−１５３２１公報 特開２００４−２０７４７７公報

上記特許文献１に開示されているように、従来のシールド構造を有する磁気センサは、磁気シールドケースの小型最適化は成されているものの磁気検出素子と磁気シールドケースが完全に別体として構成されているので、磁界シールド構造が大型化するだけでなく、電流センサ自体が小型化できない問題点があった。さらに、磁気検出素子と磁気シールドケースおよび被測定磁界の印加部が別構造となることから、被測定磁界と磁気検出素子との距離が離れ、磁気検出素子に印加される磁界が減少し、微小磁界（電流センサであれば微小電流）の高精度な計測が困難になるという問題点があった。
また、上記特許文献２には、導電体から成るシールド層が、ホール素子を含む半導体領域の全面を覆う半導体装置として開示されている。小型化および誘導ノイズ、外来ノイズ低減に関する効果はあるものの、動的な磁界が印加されたときシールド層に発生する渦電流に起因した磁界が、誤差として磁電変換素子に与えられる影響が考慮されていないため、被測定磁界の高精度な検出が困難になるという問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、磁電変換素子に印加される誘導ノイズ、外来ノイズを低減するとともに、小型化、高精度化、低コスト化を実現した磁気センサデバイスを得ることを目的とする。

この発明に係る磁気センサデバイスは、磁電変換素子に加えて、ある開口部を有した電界シールド層、電流路を、絶縁層を介して磁電変換素子近傍に設置し、半導体微細加工技術により一体化して製造したものである。

以上のように、この発明によれば、半導体微細加工技術により磁電変換素子と一体化して製造した、ある開口部を有した電界シールド層、および電流路により、誘導ノイズ、外来ノイズを低減して高精度化が図られ、動的な磁界が印加されたときに電界シールド層に発生する渦電流に起因した磁界は、開口部を有することから磁電変換素子には与えられず、測定精度が向上するとともに、一体化することで小型化、低コスト化となる効果がある。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による磁気センサデバイス１の断面図であり、図において、磁気センサデバイス１は、設置基台５の上に第１の絶縁層６を介して設置した磁電変換素子２、磁電変換素子２から第２の絶縁層７を介して設置した開口部１０を有する電界シールド層３、電界シールド層３から第３の絶縁層８を介して設置した被測定電流線４、および保護層９から構成される。
磁電変換素子２は、半導体微細加工技術により磁気センサデバイス１の内部に作製されるものであり、例えばブリッジを構成した、強磁性体のニッケル、鉄等を主成分とする磁気抵抗効果素子の薄膜があるが、これに限定されるものではない。設置基台５は、後工程で作製される磁電変換素子２や絶縁層などが均一、かつ緻密に設置するためにフラットな面を有するものがよく、一般的にはシリコン基板（シリコンウエハ）やガラス基板が使用される。絶縁層６、７、８および保護層９は、電気的な絶縁性を有するものであればよく、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜などがある。絶縁層６、７、８および保護層９はすべて同一の素材でなく、複数の素材を使い分けてもよい。また、絶縁性、耐圧の効果を上げるために積層化してもよい。保護層９は、磁気センサデバイス１の内部構造の劣化を防ぐために、外部からの湿気や酸化剤、腐食剤等の侵入を遮断するものである。電界シールド層３は、誘導ノイズ、外来ノイズといった電界ノイズが磁電変換素子２に印加されないよう、電界ノイズを低減するために設置するもので、導電性を有するものであればよく、アルミニウム、金、銀などがある。電界シールド層３は、密着性、拡散防止等を改善するために単層ではなく、クロムやチタンなどの上、あるいは挟んで作製しても良い。開口部１０は、動的な磁界が印加されたとき電界シールド層３に発生する渦電流に起因した磁界が、磁電変換素子２に印加されないよう、磁電変換素子２のパターン部分の直上に、ある面積をもって設置する。電流路４は、電界シールド層３と同様に導電性を有するものであればよく、アルミニウム、金などがある。低抵抗化が必要であれば、抵抗率の小さい材料を選択し、断面形状を大きくするのが有効である。また、断面形状は、できるだけ磁電変換素子２に均一な磁界が印加されるように設計するのが望ましい。
磁電変換素子２、絶縁層６、７、８、電界シールド３、被測定電流線４、保護層９は、半導体微細加工技術により一貫して作製されるのが望ましく、各層の作製には、スパッタリング、ＣＶＤ等の技術が利用される。これらの技術によれば、非常に寸法精度が高く、小型な磁気センサデバイス１が作製できる。

図２は、この発明の実施の形態１による磁気センサデバイス１の平面図である。図１は、図２の破線Ａ−Ａの断面図となる。磁気センサデバイス１に収められた磁電変換素子２、電界シールド層３、電流路４は、それぞれ外部で電気的に接続するために、外部への取り出し部を磁気センサデバイス１の表面、または裏面、または端面のいずれかに設置する。図２には、例としてブリッジ構造とした磁電変換素子２の４つの端子部１１〜１４、電流路４の入出力部１５、１６のみを示し、磁電変換素子２と各端子部への接続線は省略した。電界シールド層３は、磁気センサデバイス１の全面を覆うのではなく、磁電変換素子２のパターン部分の直上は開口部１０として空けておく。電界シールド層３は、場合によっては外部への取り出し部を電気的に接地して使用する。なお、本実施の形態においては、磁電変換素子２を４個用いてブリッジ構成とし、さらに被測定電流線４をＵ字型に往復するように設置して、各ハーフブリッジに逆方向の磁界を印加するように想定したが、これに限るものではない。この構成では、外部からの一様な磁界ノイズをキャンセルする。本実施の形態においては、電界シールド３は磁電変換素子２と電流路４の間部にのみ設置したが、磁電変換素子２の下部にも設置する構造としても良い。また、電流路４を、磁電変換素子２の上部に設置する構造としたが、電界シールド層を挟んで下部に設置する構成としても構わない。さらにまた、電流路４は、特に微小電流の測定において、被測定電流を印加するのに使用しても良いが、被測定電流路を別途設けて、電流路４は補償電流印加用に使用し、高精度化を図ってもよい。

以上のように、この実施の形態１によれば、磁電変換素子に加えて、ある開口部を有した電界シールド層、電流路を、絶縁層を介して磁電変換素子近傍に設置し、半導体微細加工技術により一体化して製造する構成としたので、誘導ノイズ、外来ノイズを低減して高精度化が図られ、動的な磁界が印加されたときに電界シールド層に発生する渦電流に起因した磁界は、開口部を有することから磁電変換素子には与えられず、測定精度が向上するとともに、一体化することで小型化、低コスト化となる効果がある。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２による磁気センサデバイス１の断面図であり、図において、磁気センサデバイス１は、設置基台５の上に設置した磁界シールド層１７、および第１の絶縁層６を介して設置した磁電変換素子２、磁電変換素子２から第２の絶縁層７を介して設置した開口部１０を有する電界シールド層３、電界シールド層３から第３の絶縁層８を介して設置した電流路４、さらに被測定電流線４から第４の絶縁層１８を介して設置した磁界シールド層１７および保護層９から構成される。
実施の形態２は、実施の形態１に磁界シールド層１７を付加した構造であり、その他の構成で重複する部分は省略する。
磁界シールド層１７は、主に外部からの磁界ノイズが磁電変換素子２に印加されないよう、磁界ノイズを低減するために設置するもので、高透磁率の磁性材料で、例えば鉄など強磁性体の金属があるが、これに限定されるものではなく、半導体微細加工技術により一貫して作製される材料を選択するのが望ましい。本実施の形態では、設置基台５の直上に磁気シールド層１７を設置したが、設置基台５が導電性を有する場合、絶縁層を挟んで設置するのがよい。
なお、本実施の形態においては、磁電変換素子２を４個用いてブリッジ構成とし、さらに被測定電流線４をＵ字型に往復するように設置して、各ハーフブリッジに逆方向の磁界を印加するように想定したが、これに限るものではない。この構成では、外部からの一様な磁界ノイズをキャンセルし、磁界シールド層１７は電流路４で発生する磁界では飽和しにくい。また、電流路４を、磁電変換素子２の上部に設置する構造としたが、電界シールド層を挟んで下部に設置する構成としても構わない。さらにまた、電流路４は、特に微小電流の測定において、被測定電流を印加するのに使用しても良いが、被測定電流路を別途設けて、電流路４は補償電流印加用に使用し、高精度化を図ってもよい。

以上のように、この実施の形態２によれば、磁電変換素子に加えて、ある開口部を有した電界シールド層、磁界シールド層、電流路を、絶縁層を介して磁電変換素子近傍に設置し、半導体微細加工技術により一体化して製造する構成としたので、誘導ノイズ、外来ノイズ、磁界ノイズを低減して高精度化が図られ、動的な磁界が印加されたときに電界シールド層に発生する渦電流に起因した磁界は、開口部を有することから磁電変換素子には与えられず、測定精度が向上するとともに、一体化することで小型化、低コスト化となる効果がある。

この発明の実施形態１による磁気センサデバイスの断面図である。 この発明の実施形態１による磁気センサデバイスの平面図である。 この発明の実施形態２による磁気センサデバイスの断面図である。

符号の説明

１ 磁気センサデバイス、２ 磁電変換素子、３ 電界シールド層、４ 被測定電流線、５ 設置基台、６ 第１の絶縁層、７ 第２の絶縁層、８ 第３の絶縁層、９ 保護層、１０ 開口部、１１〜１４ 端子部、１５、１６ 入出力部、１７ 磁界シールド、１８ 第４の絶縁層

Claims (4)

1. 少なくとも表面が絶縁体である設置基台上に配置した、磁界を電気信号に変換する磁電変換素子、上記磁電変換素子を覆うようにして設置した絶縁層、上記磁電変換素子から絶縁層を挟んで所定の距離を介し、開口部を有して設置した、導電性物質から成る電界シールド層を備え、半導体微細加工技術で一体化して製造したことを特徴とする磁気センサデバイス。
2. 上記設置基板上に配置した磁電変換素子の上面、または下面、または両面に、絶縁層を介し、上記磁電変換素子より十分に広い領域に導電性物質から成る電界シールド層を設置するとともに、上記磁電変換素子近傍の上記電界シールド層には一部の開口部を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサデバイス。
3. 上記磁気センサデバイスにおいて、磁気センサデバイスの内部に、電界シールド層から絶縁層で所定の距離を介して、磁電変換素子と異なる側に設置した導電性物質から成る電流路を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁気センサデバイス。
4. 上記磁気センサデバイスにおいて、磁気センサデバイスの内部に、磁電変換素子、電界シールド層および電流路から絶縁層で所定の距離を介して設置した、磁界シールド層を備えたことを特徴とする請求項３に記載の磁気センサデバイス。

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