JP2010096569A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 特に、センシング部とリファレンス部とを同一プロセスで形成できるようにした磁気センサを提供することを目的としている。
【解決手段】 共通の基板２３上に、同じ層構成の磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２，ＭＲ１，ＭＲ２が形成されている。このうち、Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２はセンシング部を構成する磁気抵抗効果素子であり、ＭＲ１，ＭＲ２はリファレンス部を構成する磁気抵抗効果素子である。このように、センシング部及びリファレンス部を全て同じ磁気抵抗効果素子で形成している。
【選択図】図２

Description

本発明は、外部磁界の変化を検出する磁気センサに関する。

例えば、磁気センサは、基板上に、外部磁界の変化に伴う検出信号を生成するためのセンシング部と、リファレンス電位を生成するためのリファレンス部とが形成された構成となっている。

上記のセンシング部は、外部磁界の変化に対して電気抵抗値が変化するＧＭＲ素子等で形成されている。

一方、従来では、前記リファレンス部を、前記センシング部と異なり、外部磁界に対して抵抗変化しない固定抵抗素子で形成していた。

このため、従来では、センシング部とリファレンス部とを別々の工程で形成することが必要であった。その結果、製造工程の煩雑化及び製造コストが高騰する等の問題があった。
特開２００７−２２０３６７号公報 特開２０００−１７１５３９号公報

そこで本発明は上記従来課題を解決するためのものであり、特に、センシング部とリファレンス部とを同一プロセスで形成できるようにした磁気センサを提供することを目的としている。

本発明における磁気センサは、同一基板上に、外部磁界の変化により電気特性が変化する複数の磁気検出素子を備え、これら前記磁気検出素子は全て同じ層構成で形成されており、
これら前記磁気検出素子にて、前記外部磁界の変化に伴う検出信号を生成するためのセンシング部と、リファレンス電位を生成するためのリファレンス部とが構成されていることを特徴とするものである。

上記のように本発明では、センシング部及びリファレンス部を全て同じ磁気検出素子で形成している。よって同一基板上に、全ての磁気検出素子を同じ工程で形成でき、従来のように、センシング部とリファレンス部とを別々の工程で形成する必要がない。したがって本発明では、従来に比べて、製造工程を容易化でき且つ製造コストの低減を図ることが出来る。

本発明では、前記リファレンス部を構成する各磁気検出素子にほぼ同じ外部磁界が作用するように、前記各磁気検出素子が近接配置されていることが好ましい。これにより、リファレンス部を構成する各磁気検出素子はほぼ同じ電気特性変化となる。よって、リファレンス部からは常に安定したリファレンス電位を得ることが出来る。

また本発明では、前記磁気検出素子は、前記外部磁界に対して磁気抵抗効果を発揮する磁気抵抗効果素子であることが好ましい。

本発明の磁気センサによれば、センシング部及びリファレンス部を全て同じ磁気検出素子で形成している。よって同一基板上に、全ての磁気検出素子を同じ工程で形成でき、従来のように、センシング部とリファレンス部とを別々の工程で形成する必要がない。したがって本発明では、従来に比べて、製造工程を容易化でき且つ製造コストの低減を図ることが出来る。

図１は、本実施形態の磁気エンコーダの部分斜視図、図２は、図１に示す本実施形態の磁気センサの平面図、図３は、本実施形態の磁気センサの回路構成図、図４は、磁気センサに設けられる磁気抵抗効果素子の積層構造を示す断面図、である。

各図におけるＸ１−Ｘ２方向、Ｙ１−Ｙ２方向、及びＺ１−Ｚ２方向の各方向は残り２つの方向に対して直交した関係となっている。Ｙ１−Ｙ２方向は、磁石及び磁気センサの相対移動方向である。Ｚ１−Ｚ２方向は磁石と磁気センサとが所定の間隔を空けて対向する高さ方向である。

図１に示すように磁気エンコーダ２０は、磁石２１と磁気センサ２２を有して構成される。

磁石２１は図示Ｙ１−Ｙ２方向に延びる棒形状であり、その上面２１ａが図示Ｙ１−Ｙ２方向に所定幅にてＮ極とＳ極とが交互に着磁された着磁面である。Ｎ極とＳ極は等間隔で着磁され、Ｎ極とＳ極との中心間距離（ピッチ）はλである。前記磁石２１の下面２１ｂは、前記上面２１ａに対して異極に着磁されている（図示しない）。

磁気センサ２２は、前記磁石２１の上面２１ａの上方に所定の間隔を空けて配置されている。

図１に示すように磁気センサ２２は、基板２３と、共通の前記基板２３の表面（磁石２１との対向面）２３ａに設けられた複数の磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２，ＭＲ１，ＭＲ２とを有して構成される。以下では、磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２を「Ａ相磁気抵抗効果素子」、磁気抵抗効果素子Ｂ１，Ｂ２を「Ｂ相磁気抵抗効果素子」、磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２を、「リファレンス用磁気抵抗効果素子」と称することがある。

図１及び図２に示すように、Ａ相磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２及びＢ相磁気抵抗効果素子Ｂ１，Ｂ２は、Ｙ１−Ｙ２方向に間隔を空けて一列に配列されている。図２に示すようにＹ１−Ｙ２方向にて隣り合う各磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２の中心間距離はλ／４である。またＡ相磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２同士、及びＢ相磁気抵抗効果素子Ｂ１，Ｂ２の中心間距離は夫々、λ／２である。

図２に示すように、各磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２は、例えば、ミアンダ形状で形成されている。なお磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２をミアンダ形状で形成することで限られた領域内にて最大限に電気抵抗値を増大させることができるというメリットがある。

各磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２，ＭＲ１，ＭＲ２は、図４に示すように基板２３の表面２３ａ側から反強磁性層１１、固定磁性層１２、非磁性層１３、フリー磁性層１４及び保護層１５の順に積層されている。固定磁性層１２は第１固定磁性層１２ａと第２固定磁性層１２ｃが非磁性中間層１２ｂを介して積層された積層フェリ構造を有している。反強磁性層１１はその結晶配向性を向上させるため、下地層１１ａの上に積層されている。前記反強磁性層１１は例えばＩｒＭｎで形成され、下地層１１ａはシード層として機能するＮｉＦｅＣｒで形成され、前記第１固定磁性層１２ａおよび第２固定磁性層１２ｃはＣｏＦｅで、非磁性中間層１２ｂはＲｕで形成され、前記非磁性層１３はＣｕで形成され、前記フリー磁性層１４はＣｏＦｅとＮｉＦｅの積層で形成され、前記保護層１５はＴａで形成される。上記した磁気抵抗効果素子は、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）と呼ばれる。ＧＭＲ素子の層構成は、上記以外の構成であってもよいが、固定磁性層１２、非磁性層１３及びフリー磁性層１４を必須層としている。この場合、固定磁性層１２は積層フェリ構造でなくてもよい。また前記非磁性層１３がＡｌ₂Ｏ₃等の絶縁材料で形成されるとき、前記磁気抵抗効果素子はトンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）として構成される。磁気抵抗効果素子がＴＭＲ素子の場合は、電流を積層膜に対して垂直方向に流すように電極を形成する。

前記反強磁性層１１と前記第１固定磁性層１２ａとの間には磁場中熱処理により交換結合磁界が生じており、非磁性中間層１２ｂを介した層間の交換バイアス磁界により前記第２固定磁性層１２ｃの磁化方向ｍ１２は所定方向に固定されている。この実施形態では、前記第２固定磁性層１２ｃの磁化方向ｍ１２は図示Ｘ１方向に固定されている。なお、第１固定磁性層１２ａの磁化方向は、第２の固定磁性層１２ｃの磁化方向と反対方向であるため図示Ｘ２方向に固定される。

一方、フリー磁性層１４の磁化は固定磁性層１２と違って固定されておらず外部磁界に対して変動可能となっている。

図２に示す実施形態では、Ａ相磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２及びＢ相磁気抵抗効果素子Ｂ１，Ｂ２の間に軟磁性体３０が設けられている。前記軟磁性体３０の形成は必須でない。軟磁性体３０は外乱磁場耐性の向上や、磁石２１からの外部磁界の増幅効果のために設けられる。

図２，図３に示すように２個のＡ相磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２は、直列に接続される。図２に示すようにＡ相磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２同士は、配線層３２により接続されており、前記配線層３２から分岐した配線層３３の先端に、第１出力端子（Ｖｏｕｔ１）が接続されている。また図２，図３に示すように、一方のＡ相磁気抵抗効果素子Ａ１は配線層３４を介して入力端子（Ｖｄｄ）に接続されている。また、図２，図３に示すように、他方のＡ相磁気抵抗効果素子Ａ２は配線層３５を介してグランド端子（ＧＮＤ）に接続されている。

また、図２，図３に示すように２個のＢ相磁気抵抗効果素子Ｂ１，Ｂ２は、直列に接続される。図２に示すようにＢ相磁気抵抗効果素子Ｂ１，Ｂ２同士は、配線層３６により接続されており、前記配線層３６から分岐した配線層３７の先端に、第２出力端子（Ｖｏｕｔ２）が接続されている。また図２，図３に示すように、一方のＢ相磁気抵抗効果素子Ｂ１は上記した配線層３４を介して入力端子（Ｖｄｄ）に接続されている。図２に示すように、配線層３４の素子側端部は、二股に分かれ、一方が、Ａ相磁気抵抗効果素子Ａ１に、もう一方がＢ相磁気抵抗効果素子Ｂ１に接続されているが、入力端子（Ｖｄｄ）を別々に設け、Ａ相磁気抵抗効果素子Ａ１及びＢ相磁気抵抗効果素子Ｂ１の夫々に別の配線層を介して各入力端子（Ｖｄｄ）と接続する構成としてもよい。

また、図２，図３に示すように、他方のＢ相磁気抵抗効果素子Ｂ２は上記した配線層３５を介してグランド端子（ＧＮＤ）に接続されている。図２に示すように、配線層３５の素子側端部は、二股に分かれ、一方が、Ａ相磁気抵抗効果素子Ａ２に、もう一方がＢ相磁気抵抗効果素子Ｂ２に接続されているが、グランド端子（ＧＮＤ）を別々に設け、Ａ相磁気抵抗効果素子Ａ２及びＢ相磁気抵抗効果素子Ｂ２の夫々に別の配線層を介して各グランド端子（ＧＮＤ）と接続する構成としてもよい。

図１，図２に示すようにリファレンス用磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２が、Ａ相磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２及びＢ相磁気抵抗効果素子Ｂ１，Ｂ２よりもＸ１側に離れた位置に設けられる。リファレンス用磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２はＸ１−Ｘ２方向に所定の間隔を空けて近接配置されている。この実施形態では、前記リファレンス用磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２は、図示Ｙ１−Ｙ２方向に細長い直線状で形成されている。

図２、図３に示すように、リファレンス用磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２は、直列に接続されている。リファレンス用磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２は配線層３８にて接続され、配線層３８はその先端で二股に分かれて、２個のリファレンス端子（Ｖｒｅｆ）に接続されている。一方のリファレンス端子（Ｖｒｅｆ）はＡ相用として他方のリファレンス端子（Ｖｒｅｆ）はＢ相用として用いられる。なお、リファレンス端子（Ｖｒｅｆ）は１個でもよい。

図２，図３に示すように、一方のリファレンス用磁気抵抗効果素子ＭＲ１は配線層３９及び前記配線層３９と繋がる前記配線層３４を介して入力端子（Ｖｄｄ）に接続されている。また、他方のリファレンス用磁気抵抗効果素子ＭＲ２は、配線層４０を介してグランド端子（ＧＮＤ）に接続されている。

図２に示すように各端子（Ｖｄｄ，ＧＮＤ，Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２，Ｖｒｅｆ）は、Ｙ１−Ｙ２方向に間隔を空けて一列に配列されている。これによりＩＣ側との接続を容易にできる。

本実施形態の特徴的部分は、センシング部を構成するＡ相磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２、及びＢ相磁気抵抗効果素子Ｂ１，Ｂ２と同じ層構成の磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２でリファレンス部を構成している点にある。

すなわちリファレンス用磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２はＡ相磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２、及びＢ相磁気抵抗効果素子Ｂ１，Ｂ２と同じ図４の層構成で形成されている。また固定磁性層（第２固定磁性層１２ｃ）の磁化方向ｍ１２もＡ相磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２、及びＢ相磁気抵抗効果素子Ｂ１，Ｂ２と同じである。図２において、リファレンス用磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２が、Ａ相磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２、及びＢ相磁気抵抗効果素子Ｂ１，Ｂ２と異なっているのは平面形状だけである。なお平面形状を同一にすることもできるが、少なくとも本実施形態においては、磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２をミアンダ形状とし、リファレンス用磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２を直線形状とすることが好適である。

リファレンス用磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２は、外部磁界の変化に対し同じ電気抵抗変化を示すことが必要である。これにより、リファレンス用磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２は常にほぼ同じ電気抵抗値となり、リファレンス端子（Ｖｒｅｆ）からは常にほぼ一定のリファレンス電位（中点電位）を得ることが出来る。

本実施形態では、リファレンス用磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２に、ほぼ同じ外部磁界が作用するように、リファレンス用磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２を近接配置している。ほぼ同じ外部磁界が作用することで、リファレンス用磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２は常にほぼ同じ電気抵抗値となる。

一方、センシング部を構成するＡ相磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２同士は、相対移動方向（Ｙ１−Ｙ２方向）にλ／２の間隔を空けて配置されているので、各Ａ相磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２には異なる外部磁界成分が流入し、各Ａ相磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２の電気抵抗変化は夫々異なるものとなる。したがって、第１出力端子（Ｖｏｕｔ１）からは、外部磁界の変化に伴い変動する電圧値として表される検出信号を得ることが出来る。なおもう一つのセンシング部を構成するＢ相磁気抵抗効果素子Ｂ１，Ｂ２についてもＡ相と同様であるが、第２出力端子（Ｖｏｕｔ２）から得られる検出信号と、第１出力端子（Ｖｏｕｔ１）から得られる検出信号とでは位相差が生じている。このような位相差は磁気センサ２２から得られる出力に反映され、移動速度や移動距離のみならず、移動方向を検出することができる。

なお本実施形態では、図３に示すように、リファレンス用磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２を備えて成るリファレンス部は、Ａ相及びＢ相に対して共通である。すなわちリファレンス用磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２は、Ａ相磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２とＡ相用のブリッジ回路を構成するとともに、Ｂ相磁気抵抗効果素子Ｂ１，Ｂ２とＢ相用のブリッジ回路を構成している。

従来、リファレンス部を構成する抵抗素子は、外部磁界に対して電気抵抗が変化しない固定抵抗素子であった。固定抵抗素子の層構成は問わないが、少なくとも外部磁界に対しては電気抵抗値が変動していけないため磁気抵抗効果素子と異なる層構成であった。よって、従来では、前記固定抵抗素子と、Ａ相磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２及びＢ相磁気抵抗効果素子Ｂ１，Ｂ２とを別々の製造プロセスで形成することが必要であったが、本実施形態では、全て同じ層構成の磁気抵抗効果素子にて、センシング部とリファレンス部を形成している。よって共通の基板２３上に、センシング部及びリファレンス部を構成する全ての磁気抵抗効果素子を同じ工程で形成でき、従来に比べて製造工程を容易化でき、且つ製造コストの低減を図ることが出来る。

リファレンス用磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２の形状や配置は図２に限定されるものでないが、リファレンス用磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２にほぼ同じ外部磁界が作用するように、形状や配置を決定することが必要である。例えば、図２では、リファレンス用磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２を相対移動方向（Ｙ１−Ｙ２方向）に対して直交方向（Ｘ１−Ｘ２方向）に間隔を空けて配置したが、例えば、図２の状態から９０度反転させて、リファレンス用磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２を相対移動方向（Ｙ１−Ｙ２方向）に間隔を空けて配置すると、各リファレンス用磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２には磁石２１から異なる外部磁界が流入しやすくなる。よって、磁気エンコーダ２０に使用する場合には、相対移動方向に対して直交する方向に間隔を空けてリファレンス用磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２を配置したほうが好ましい。また、リファレンス用磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２の間隔が広がっても異なる外部磁界が各リファレンス用磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２に流入しやすくなるので、各リファレンス用磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２を近接配置することが好適である。例えば、各リファレンス用磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２を５〜１００μｍ程度の微小間隔にて対向配置する。また、図２では、リファレンス用磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２をＹ１−Ｙ２方向に細長い直線状で形成しているが、蛇行形状や、ミアンダ形状等であってもよい。ただし図２のようにリファレンス用磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２を直線状で形成したほうが、その方向に形状異方性を付与しやすく、外部磁界の変化に対するリニア特性を向上できる。これにより、より安定して、ほぼ一定のリファレンス電位を得ることが出来る。

上記に挙げた磁気エンコーダ２０は、図１に示すように磁気センサ２２あるいは磁石２１の一方、又は双方が直線移動するものであったが、図５に示すように、側面８０ａにＮ極とＳ極とが交互に着磁された回転ドラム型の磁石（磁界発生部材）８０と前記磁気センサ２２とを有する回転型の磁気エンコーダであってもよい。

また、図２に示すＡ相磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２及びＢ相磁気抵抗効果素子Ｂ１，Ｂ２の配置（中心間距離）は一例であってこれに限定されるものでない。

製造方法について簡単に説明すると、本実施形態では、共通の基板２３上に例えば図４に示す積層構造の多層膜を成膜し、続いて、レジストパターンを用いて、前記多層膜を、Ａ相磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２、Ｂ相磁気抵抗効果素子Ｂ１，Ｂ２及びリファレンス用磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２の形状が残るようにエッチングする。そして図２に示すパターンの配線層３２〜４０や各端子を形成する。

また、本実施形態では、センシング部及びリファレンス部を構成する磁気抵抗効果素子は、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）やトンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）以外に、異方性磁気抵抗効果素子（ＡＭＲ素子）であってもよい。あるいは、外部磁界の変化により電気特性が変化する磁気検出素子としては、磁気抵抗効果素子以外にホール素子等も提示できる。

上記の実施形態では、磁気センサの用途として磁気エンコーダを例に挙げたが、それ以外の用途、例えば地磁気センサや磁気スイッチとして用いることもできる。用途に応じて、磁気検出素子の配置や形状等は種々変更されるが、リファレンス部には、センシング部に使用される磁気検出素子と同じ層構成の磁気検出素子を使用する点は変わらない。

なお本実施形態では、当然に、変動が無い一定のリファレンス電位が安定して得られるように調整することが最も好ましい。ただし用途によっては多少の誤差がリファレンス電位に生じても許容できる場合があるため、上記では「ほぼ」なる表現を用いた。なお許容誤差は、０．５％以下（無磁場状態で生じるリファレンス電位を１００％としたとき）とする。

本実施形態の磁気エンコーダの部分斜視図、 図１に示す本実施形態の磁気センサの平面図、 本実施形態の磁気センサの回路構成図、 磁気センサに設けられる磁気抵抗効果素子の積層構造を示す断面図、 図１とは別の構成を示す本実施形態の磁気エンコーダの部分平面図、

符号の説明

１１ 反強磁性層
１２ 固定磁性層
１３ 非磁性層
１４ フリー磁性層
１５ 保護層
２０ 磁気エンコーダ
２１、８０ 磁石
２２ 磁気センサ
２３ 基板
３２〜４０ 配線層
Ａ１、Ａ２ Ａ相磁気抵抗効果素子
Ｂ１、Ｂ２ Ｂ相磁気抵抗効果素子
ＭＲ１、ＭＲ２ リファレンス用磁気抵抗効果素子

Claims (3)

1. 同一基板上に、外部磁界の変化により電気特性が変化する複数の磁気検出素子を備え、これら前記磁気検出素子は全て同じ層構成で形成されており、
   これら前記磁気検出素子にて、前記外部磁界の変化に伴う検出信号を生成するためのセンシング部と、リファレンス電位を生成するためのリファレンス部とが構成されていることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記リファレンス部を構成する各磁気検出素子にほぼ同じ外部磁界が作用するように、前記各磁気検出素子が近接配置されている請求項１記載の磁気センサ。
3. 前記磁気検出素子は、前記外部磁界に対して磁気抵抗効果を発揮する磁気抵抗効果素子である請求項１又は２に記載の磁気センサ。

Images