JP2008197002A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】磁性体素子を両端まで有効に使用でき、センサの感度上昇を図ることが可能な磁気センサを提供する。
【解決手段】磁性体素子４と、磁性体素子４にバイアス磁界を印加する磁石２とを備え、磁石２は、磁性体素子４と重なる位置に配置されて積層体をなしており、かつ磁石２の磁界が強い端部は、磁性体素子４の反磁界が強い端部付近に配置する。磁石２は薄膜磁石であることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車、携帯電話、その他機器に使用される磁気センサに関する。

昨今、携帯電話や自動車部品などの電子機器は、小型化への要求があり、これら機器で使用されている各種磁気デバイスも小型化が必須となっている。磁気抵抗素子（ＭＲ素子）や磁気インピーダンス効果素子（ＭＩ素子）などの磁性体素子を用いた磁気センサでは、素子の感度が最も良い磁界で動作させるために、コイルや磁石によってバイアス磁界を印加して使用することが多い。

コイルを使用する場合、発生する磁界をコントロールできるので、精度良くバイアス磁界を印加することができるが、小型化する上で問題がある。小型のコイルを作製する場合、製造が難しいだけでなく、巻き数を稼ぐことが難しいため、任意の磁界を得るための消費電流が上昇してしまう。

それに対し、バイアス磁界の印加に磁石を使用する場合、任意の磁界を精度良く得ることは難しいが、検出磁界レンジが広い特性の磁性体素子であれば使用することができる。また、小型化しても十分な磁界を得ることができ、製造もコイルに比べれば容易である。

以上より、磁性体素子にバイアス磁界を印加する手段としては、磁気センサを小型化する上で、磁石の方が有利と考えられる。磁石により磁性体素子にバイアス磁界を印加する例として、特許文献１，２が挙げられる。特許文献１では、磁気センサの小型化とバイアス磁界の強度および方向性の均一性のために、薄膜磁石を磁性体素子（感磁エレメント）と重ならない箇所、例えば磁性体素子を囲み込む環状に形成している。特許文献２では、２個の薄膜磁石を異極が対向するように配置し、２個の薄膜磁石の間に磁性体素子（強磁性薄膜磁気抵抗素子）を配置することで、磁石からの磁界方向と磁性体素子のバイアス磁界方向を精度良く一致させることができる。

また、磁性体素子自体の小型化を考えた場合、適度な感度や製造安定性を持つ膜厚や配線幅を保ったまま配線長を短くすると、反磁界の影響が強くなり、必要なバイアス磁界が高くなるという問題がある。より高いバイアス磁界が必要になると、コイルでは磁界印加がより困難になり、磁石であっても強力で特性の良い磁石材料を選定することが困難になり、場合によっては磁石の小型化が制限されたり、磁石の形成プロセスが複雑になってしまったりすることもある。また、バイアス磁界が高くなることで、センサの感度が鈍ってしまうこともある。このような反磁界の問題を解決する方法の一つとして特許文献３がある。特許文献３では、反磁界の強い磁性体の両端を除いて配線を引き回すことで、バイアス磁界の高磁界化を防いでいる。
特開平５−２５８２４５号公報 特開平６−１４８３０１号公報 特開２００４−３９８３７号公報

特許文献３では、磁性体素子の両端を使用していないので、そのスペースが無駄になってしまうという問題がある。仮に反磁界の影響が無く、スペースを有効に使用できれば、さらに高感度なセンサとなることが予想できる。特許文献１，２では、磁性体素子（感磁エレメント）から離れた箇所に薄膜磁石が配置されているために、磁性体素子自体の大きさに比べて磁気センサが大きくなってしまい、小型化に不利である。また、バルク磁石と比べると発生磁界が弱いため、高磁界を発生するには厚膜化や大面積化が必要である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、磁性体素子を両端まで有効に使用でき、センサの感度の上昇を図ることが可能な磁気センサを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、磁性体素子と、前記磁性体素子にバイアス磁界を印加する磁石とを備え、前記磁石は、前記磁性体素子と重なる位置に配置されて積層体をなしており、かつ前記磁石の磁界が強い端部は、前記磁性体素子の反磁界が強い端部付近に配置してあることを特徴とする磁気センサを提供する。
前記磁石は薄膜磁石であることが好ましい。
複数の磁性体素子が並列に配置されており、かつ隣り合う磁性体素子の長手方向の端部同士が電気的に接続されてメアンダ状を構成していることが好ましい。
前記磁性体素子の両端には電気的に接続された電極が備えられていることが好ましい。

本発明の効果を次に挙げる。
（１）磁性体素子の反磁界が強い部位を補うように磁石の磁界が強い部分を配置するので、反磁界の影響を減少させて、磁気センサの感度を上昇することができる。
（２）磁性体素子の反磁界が強い部位を補うように磁石の磁界が強い部分を配置するので、磁石を大型化しなくても効率良くバイアス磁界を印加することができ、磁気センサ内で磁石の占有面積を磁性体素子と同等またはそれ以下にすることができる。よって磁気センサの小型化に貢献できる。
（３）磁性体素子の反磁界が強い部位を補うように磁石の磁界が強い部分を配置するので、磁性体素子の形状を変更することなく、反磁界の影響を減少させることができ、磁性体素子の占有面積を有効に使用することができる。

以下、最良の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
本形態例の磁気センサは、図１に示すように、磁性体素子４と、磁性体素子４にバイアス磁界を印加する磁石２とを備え、磁石２は、磁性体素子４と重なる位置に配置されて積層体をなしており、かつ磁石２の磁界が強い端部は、磁性体素子４の反磁界が強い端部付近に配置してある。なお、図１では、前記積層体は非磁性基板１上に配置され、かつ磁石２と磁性体素子４との間に絶縁層３が設けられている。

通常、ヘルムホルツコイルなどを用いて磁性体素子に一様な外部磁界を印加した場合、磁性体素子に反磁界が発生し、磁性体素子の両端部の磁界は中央部に比べて減少してしまう。図１（ａ）は一様磁界を磁性体素子４に印加した際の、磁性体素子４内部の磁界分布を模式的に示すが、磁性体素子４の両端部の磁界は中央部に比べて低くなっている。反磁界の影響が強い磁性体素子４の両端部の磁化の向きを回転させるには、磁性体素子４の中央部に比べて高い外部磁界が必要になる。よって反磁界の影響が強い素子ほど、バイアス磁界を高くする必要がある。また、小型化のため、適度な感度を持つ膜厚や配線幅を保ったまま配線長を短くすると、反磁界の影響は顕著になり、必要なバイアス磁界は高くなりやすい。また、磁化の回転が同時ではないので、センサの感度も高くなりにくい。

一方、磁石の周囲には、磁石２の片方の端部（Ｎ極）からもう片方の端部（Ｓ極）に向かって磁力線が放射しており、磁極である磁石端部付近の磁界は際立って高くなっている。図１（ｂ）は磁石表面での磁界分布を模式的に示すが、磁極である磁石端部付近の磁界が高くなる。

本発明は、図１（ａ）に示すように、一様磁界を印加すると反磁界が強くなる磁性体素子４の両端部に、図１（ｂ）に示すように、磁石２の強い磁界を持つ端部付近が来るように配置することを特徴としている。図１（ｃ）は本発明の実施例の一つを示し、磁性体素子４の下層に、絶縁層３を介して磁石２が配置されている。ここでは、反磁界の強い磁性体素子４の両端部と、強い磁界を持つ磁石２の両端部が、重なり合うように配置されている。例えば、磁性体素子４の両端の反磁界による磁界の減少分と、磁石２の両端部の磁界増加分が同等の場合、図１（ｃ）に示すように最端部に反磁界の影響は残るものの、磁性体素子４内の磁界分布は平坦なものとなる。

なお、絶縁層３は、磁気センサを動作させる際に磁性体素子４に流した電流が磁石２に伝わらないようにするためのものであり、例えばＳｉＯ_２や樹脂等による絶縁膜である。また、磁石２と磁性体素子４を有する積層体は、例えばシリコンウエハやガラスウエハなどからなる基板１の上に形成されている。

一様磁界を磁性体素子４に印加する場合は、磁性体素子４の中央部に比べ端部では磁化の回転が起こりにくく、磁化の回転は同時には起こらない。しかし、図１（ｃ）の磁界分布のように磁性体素子４内の磁界が平坦であれば、磁性体素子４の中央部も端部も磁化の回転がほぼ同時に起こるので、一様磁界を印加したときより感度を上昇させることができる。

図２，図３は、磁性体素子４の配線がメアンダ状である場合の例である。複数の短冊状の磁性体素子４が並列に配置されており、かつ隣り合う磁性体素子４の長手方向の端部同士が折り返し部５を介して電気的に接続されている。また、磁性体素子４の両端（詳しくは、直列接続された磁性体素子のうち両末端に該当する磁性体素子４の端部）には、一対の電極６が設けられている。これにより、直列接続されたすべての磁性体素子４に電流を流すことができ、磁性体素子４の占有面積を有効に使用することができる。
磁性体素子４を１個のみ配置する場合には、同様に、磁性体素子４の占有面積を有効に使用するため、磁性体素子４と電気的に接続される一対の電極６，６は、磁性体素子４の両端部に設けることが好ましい。

磁性体素子４と重ね合わせて配置される磁石２は、図３に示すように、短冊状の磁性体素子４の１本ごとに、互いに分離して形成しても良い。この例では、磁石２と磁性体素子４の間に絶縁層３が積層されており、これらの積層体がメアンダ状に配列されている。あるいは、図２に示すように、複数の磁性体素子４がメアンダ状に配置された領域全体をカバーできる大きさに形成しても良い。いずれの場合でも、磁性体素子４の形状や大きさにより、磁石２の形状や大きさを決めるのが良い。

図２，図３に示す例では、磁石２の大きさは、磁性体素子４の長手方向の長さと等しい。図１（ｃ）に示すように平坦な磁界分布が得られるのであれば、図４，図５に示すように、磁石２が磁性体素子４と異なる長さで積層されていても良い。図４，図５では磁石２が磁性体素子４より長くなっている例を示すが、逆に、磁石２が磁性体素子４より短くても良い。磁石２の長さは、例えば磁性体素子４の長さの±２０％以内である。

本発明との対比のため、図６に比較例１として、特許文献２のように、磁性体素子４の両脇にそれぞれ磁石２を配置した磁気センサの例を示す。また、図７に比較例２として、反磁界の強い磁性体素子４の両端部と、強い磁界を持つ磁石２の両端部が、離れている場合を示す。

図８に、磁性体素子がＭＩ素子であって、ＭＩ素子にバイアス磁界を印加しない場合（磁界印加なし）、実施例の磁気センサならびに比較例１，２の磁気センサに対して、外部磁界をスイープさせたときのインピーダンス変化を示す。ここでは、左右対称の対称軸となる磁界が合うように印加電流、薄膜磁石形状を調整してある。図８に示すように、ヘルムホルツコイルなどで一様磁界を印加した場合は、バイアス磁界を印加しない場合と感度が変わることがないまま、極大・極小となる磁界が左右にシフトしているが、本発明による実施例ではインピーダンス変化が増大し、感度が上昇している。これは、本発明の磁気センサによれば反磁界の影響を減少できたためである。比較例１は、両脇の磁石により反磁界の影響が減少するが、磁石に十分な大きさがないと、図のように必要なシフト量が得られない。また、比較例２では、磁性体素子４内の磁界分布は両端部で反磁界の影響を強く受けた状態となっており、外部磁界をスイープさせたときのインピーダンス変化は、一様磁界印加時と同じように、感度の上昇はほとんどない。

図９に、実施例の磁気センサならびに比較例１，２の磁気センサにおける磁性体素子内部の磁界分布を模式的に示す。比較例１の磁性体素子の両脇に磁石を配置した場合、磁性体素子内の磁界分布は、本発明と同じように反磁界の影響を減少させた平坦な形状とすることができるが、磁石を厚膜化か大面積化しないと必要なバイアス磁界を得にくい。よってインピーダンス変化では、感度は本発明と同等にはなりえるが、シフト量は小さくなる。厚膜化するには、プロセス時間、膜応力などの問題があり、大面積化すると、センサが大型化してしまうという問題がある。このため、薄層磁石の形成プロセスや小型化の問題を解決するためには、本発明の手法が優れている。

実施例では、積層体は、基板上に、磁石、絶縁膜、磁性体素子の順で積層されているが、基板からの順番を逆にして、磁性体素子、絶縁膜、磁石の順でも構わない。また、磁石が非磁性基板の裏面に配置されていても良く、この場合は絶縁体からなる非磁性基板を用いることにより、絶縁膜を省略することができる。

磁石は薄膜磁石が好ましく、磁石を構成する硬磁性体としては、ＳｍＣｏ、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＮｄＦｅＢなどが利用できる。磁石部分の作製方法は、特に限定されるものではないが、スパッタや蒸着、めっき、ボンド磁石の印刷などが好ましい。薄膜磁石を任意の形状にするパターニングには、例えばエッチングやリフトオフなどのフォトリソグラフィー技術を利用することができる。作製した硬磁性体膜は、必要に応じてアニール処理を行ったのち、磁気センサとしての感磁方向に着磁を行う。

実際の磁性体素子と磁石の詳細な位置関係は、それぞれの形状、透磁率、ヒステリシス曲線などよりシミュレーションを行って決めても良いし、実際に試作して決めても良い。磁石の数は、１つでも良いし、複数個でも良い。

本発明は、自動車、携帯電話、その他機器に使用される磁気センサに利用することができる。

本発明の磁気センサの作用を説明する図面であり、（ａ）は一様磁界を印加したときの磁性体素子内部の磁界分布を示す模式図、（ｂ）は磁石表面での磁界分布を示す模式図、（ｃ）は本発明の磁気センサによる磁性体素子内部の磁界分布を示す模式図、（ｄ）は（ａ）のＡ−Ａ線の位置を説明する斜視図、（ｅ）は（ｂ）のＢ−Ｂ線の位置を説明する斜視図、（ｆ）は（ｃ）のＣ−Ｃ線の位置を説明する斜視図である。 本発明の磁気センサの実施例の一を示す図面であり。（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＳ−Ｓ線に沿う断面図である。 本発明の磁気センサの実施例の一を示す図面であり。（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＴ−Ｔ線に沿う断面図である。 本発明の磁気センサの実施例の一を示す図面であり。（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＵ−Ｕ線に沿う断面図である。 本発明の磁気センサの実施例の一を示す図面であり。（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。 比較例１の磁気センサを示す図面であり。（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＰ−Ｐ線に沿う断面図である。 比較例２の磁気センサを示す図面であり。（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＱ−Ｑ線に沿う断面図である。 ＭＩ素子を用いた磁気センサのインピーダンス変化を対比して説明する説明図である。 磁性体素子内部の磁界分布を対比して説明する説明図である。

符号の説明

１…非磁性基板、２…磁石（薄層磁石）、３…絶縁層、４…磁性体素子、５…折り返し部、６…電極。

Claims (4)

1. 磁性体素子と、前記磁性体素子にバイアス磁界を印加する磁石とを備え、前記磁石は、前記磁性体素子と重なる位置に配置されて積層体をなしており、かつ前記磁石の磁界が強い端部は、前記磁性体素子の反磁界が強い端部付近に配置してあることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記磁石は薄膜磁石であることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 複数の磁性体素子が並列に配置されており、かつ隣り合う磁性体素子の長手方向の端部同士が電気的に接続されてメアンダ状を構成していることを特徴とする請求項２に記載の磁気センサ。
4. 前記磁性体素子の両端には電気的に接続された電極が備えられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気センサ。

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