JP2011095004A - Magnetic sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサに関する。 The present invention relates to a magnetic sensor using a magnetoresistive effect element.
近年、巨大磁気抵抗効果(GMR効果)を利用した磁気抵抗効果素子(GMR素子)が磁気エンコーダに使用されている(特許文献1)。そして、この磁気エンコーダを応用した流量検知用の磁気センサが開発されている。この磁気センサは、磁束発生源である磁石に所定の間隔をおいて配置され、磁石から発生する磁束が印加されることにより磁気検知する。 In recent years, a magnetoresistive element (GMR element) using a giant magnetoresistive effect (GMR effect) has been used in a magnetic encoder (Patent Document 1). A magnetic sensor for flow rate detection using this magnetic encoder has been developed. This magnetic sensor is arranged at a predetermined interval to a magnet that is a magnetic flux generation source, and detects a magnetism when a magnetic flux generated from the magnet is applied.
上記のような磁気センサは、原理的に磁束発生源(磁石)との間の間隔(Gap)が広がると、磁束が発散して磁束密度が小さくなる。その結果、磁気センサに十分な磁束密度が印加されず動作できなくなることが考えられる。一方で、磁束発生源及び磁気センサを収容するユニットには小型化の要求があり、ユニット設計の自由度を向上させるために、磁気センサには、低磁束密度検知、すなわち広いGapでも磁気検知できることが強く求められている。 In principle, when the gap (Gap) between the magnetic sensor and the magnetic flux generation source (magnet) increases, the magnetic flux diverges and the magnetic flux density decreases. As a result, it is considered that a sufficient magnetic flux density is not applied to the magnetic sensor and the magnetic sensor cannot be operated. On the other hand, there is a demand for miniaturization of a unit that accommodates a magnetic flux generation source and a magnetic sensor, and in order to improve the degree of freedom of unit design, the magnetic sensor can detect magnetic flux even with a low magnetic flux density, that is, with a wide gap. Is strongly demanded.
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、磁束発生源(磁石)との間の間隔(Gap)が広くても磁気検知することができる、磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a point, and provides a magnetic sensor using a magnetoresistive effect element that can detect a magnetic field even when a gap (Gap) between the magnetic flux generation source (magnet) is wide. The purpose is to do.
本発明の磁気センサは、特定の方向に感度軸を持つミアンダ形状を有し、外部磁界に対して磁化変動する一対のフリー磁性層で非磁性層を挟持してなる積層構造を有する磁気抵抗効果素子と、平面視において前記磁気抵抗効果素子を挟持するように配置された一対の軟磁性膜と、で構成された磁気検知素子を具備することを特徴とする。 The magnetic sensor of the present invention has a meander shape having a sensitivity axis in a specific direction, and has a magnetoresistive effect having a laminated structure in which a nonmagnetic layer is sandwiched between a pair of free magnetic layers whose magnetization varies with an external magnetic field. And a pair of soft magnetic films arranged so as to sandwich the magnetoresistive element in a plan view.
この構成によれば、特定の方向の外部磁界に対してはヨーク効果を発揮し、特定の方向と異なる方向の外部磁界に対してはシールド効果を発揮する。これにより、磁束発生源(磁石)との間の間隔(Gap)が広くても磁気検知することができる。 According to this configuration, the yoke effect is exhibited for an external magnetic field in a specific direction, and the shield effect is exhibited for an external magnetic field in a direction different from the specific direction. Thereby, even if the space | interval (Gap) between magnetic flux generation sources (magnets) is wide, a magnetic detection is possible.
本発明の磁気センサは、第1の方向に感度軸を持つミアンダ形状を有し、外部磁界に対して磁化変動する一対のフリー磁性層で非磁性層を挟持してなる積層構造を有する第1磁気抵抗効果素子、及び平面視において前記第1磁気抵抗効果素子を挟持するように配置された一対の軟磁性膜で構成された第1磁気検知素子と、前記第1の方向と異なる第2の方向に感度軸を持つミアンダ形状を有し、外部磁界に対して磁化変動する一対のフリー磁性層で非磁性層を挟持してなる積層構造を有する第2磁気抵抗効果素子、及び平面視において前記第2磁気抵抗効果素子を挟持するように配置された一対の軟磁性膜で構成された第2磁気検知素子と、が同一基板上に設けられており、ブリッジ回路を構成することを特徴とする。 The magnetic sensor of the present invention has a meander shape having a sensitivity axis in a first direction, and has a laminated structure in which a nonmagnetic layer is sandwiched between a pair of free magnetic layers whose magnetization varies with an external magnetic field. A magnetoresistive element, and a first magnetic sensing element composed of a pair of soft magnetic films arranged so as to sandwich the first magnetoresistive element in plan view; and a second magnetic sensor different from the first direction. A second magnetoresistive element having a meander shape having a sensitivity axis in the direction and having a laminated structure in which a nonmagnetic layer is sandwiched between a pair of free magnetic layers whose magnetization varies with respect to an external magnetic field; A second magnetic sensing element composed of a pair of soft magnetic films arranged so as to sandwich the second magnetoresistive effect element is provided on the same substrate, and constitutes a bridge circuit. .
この構成によれば、感度軸方向が異なる磁気検知素子(第1磁気検知素子、第2磁気検知素子)を配置するので、異なる方向の外部磁界が混在する環境において微弱な外部磁界でも個々の感度軸方向の外部磁界を感度良く磁気検知することが可能となる。これにより、複雑な形状の磁束発生源(磁石)の磁気検知を正確に行うことができる。 According to this configuration, magnetic sensing elements having different sensitivity axis directions (first magnetic sensing element, second magnetic sensing element) are arranged, so that individual sensitivities can be obtained even in a weak external magnetic field in an environment where external magnetic fields in different directions are mixed. It becomes possible to detect the external magnetic field in the axial direction with high sensitivity. Thereby, the magnetic detection of the magnetic flux generation source (magnet) of a complicated shape can be performed correctly.
本発明の磁気センサにおいては、前記第1の方向と前記第2の方向とが直交することが好ましい。 In the magnetic sensor of the present invention, it is preferable that the first direction and the second direction are orthogonal to each other.
本発明の磁気センサにおいては、前記磁気抵抗効果素子の幅が、2μm〜10μmであることが好ましい。 In the magnetic sensor of the present invention, it is preferable that the magnetoresistive element has a width of 2 μm to 10 μm.
本発明の磁気センサにおいては、前記軟磁性膜の幅が、50μm〜150μmであることが好ましい。 In the magnetic sensor of the present invention, the soft magnetic film preferably has a width of 50 μm to 150 μm.
本発明の磁気センサにおいては、前記軟磁性膜を構成する材料が、CoZrNb、NiFe、Co合金、及びNi,Feを含む合金からなる群より選ばれたものであることが好ましい。 In the magnetic sensor of the present invention, the material constituting the soft magnetic film is preferably selected from the group consisting of CoZrNb, NiFe, Co alloy, and an alloy containing Ni and Fe.
本発明の磁気センサは、特定の方向に感度軸を持つミアンダ形状を有し、外部磁界に対して磁化変動する一対のフリー磁性層で非磁性層を挟持してなる積層構造を有する磁気抵抗効果素子と、平面視において前記磁気抵抗効果素子を挟持するように配置された一対の軟磁性膜と、で構成された磁気検知素子を具備するので、磁束発生源(磁石)との間の間隔(Gap)が広くても磁気検知することができる。 The magnetic sensor of the present invention has a meander shape having a sensitivity axis in a specific direction, and has a magnetoresistive effect having a laminated structure in which a nonmagnetic layer is sandwiched between a pair of free magnetic layers whose magnetization varies with an external magnetic field. Since it includes a magnetic sensing element composed of an element and a pair of soft magnetic films arranged so as to sandwich the magnetoresistive effect element in plan view, the distance between the magnetic flux generating source (magnet) ( Magnetic detection is possible even if Gap) is wide.
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係る磁気センサを示す平面図である。図2は、本発明の実施の形態に係る磁気センサにおける磁気抵抗効果素子を説明するための図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a plan view showing a magnetic sensor according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram for explaining a magnetoresistive element in the magnetic sensor according to the embodiment of the present invention.
図1に示すように、基板1上(同一基板上)には、磁気検出素子である第1素子2と、磁気検出素子である第2素子3とが設けられている。第1素子2は、外部磁界の印加により抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子21と、平面視において磁気抵抗効果素子21を挟持するように配置された一対の軟磁性膜22とから構成されている。また、第2素子3は、外部磁界の印加により抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子31と、平面視において磁気抵抗効果素子31を挟持するように配置された一対の軟磁性膜32とから構成されている。基板1には、通常のプリント配線板に用いられる基板を用いることができる。また、図中の参照符号4は電極パッドを示す。
As shown in FIG. 1, a
磁気抵抗効果素子21,31は、それぞれ特定の方向に感度軸を持つミアンダ形状を有している。磁気抵抗効果素子21は、図1に示す矢印X方向に感度軸を持つミアンダ形状を有する。すなわち、図2に示すように、磁気抵抗効果素子21は、略平行して形成された直線部21aと、直線部21a同士を連接する連接部21bとを有する。この直線部21aの延在方向に対して直交する方向(矢印X方向)が感度軸方向である。また、磁気抵抗効果素子31は、図1に示す矢印Y方向に感度軸を持つミアンダ形状を有する。同様に、磁気抵抗効果素子31は、略平行して形成された直線部と、直線部同士を連接する連接部とを有する。この直線部の延在方向に対して直交する方向(図2における矢印Y方向)が感度軸方向である。なお、図1においては、磁気抵抗効果素子21の感度軸方向(矢印X方向)と磁気抵抗効果素子31の感度軸方向(矢印Y方向)とが直交している。
The
ここで、磁気抵抗効果素子21,31のパターン幅(D1)と検知磁界シフト量との間の関係を調べた。すなわち、磁気抵抗効果素子のパターン幅(D1)を2μmから20μmまで変え、そのときの検知磁界シフト量(Oe)を磁界−抵抗変化特性(R−H特性)により調べた。その結果を図3に示す。図3から分かるように、感度軸方向に直交する方向の磁場に対しては、素子パターン幅により感度が変わらない(■印)。すなわち、感度軸方向に直交する方向の磁場に対しては、素子パターン幅に拘わらず、比較的小さい磁場でセンサが動作する。一方、感度軸方向の磁場に対しては、素子パターン幅により感度が変わり(◆印)、素子パターン幅が小さくなると、感度が低下する。すなわち、感度軸方向の磁場に対しては、素子パターン幅が相対的に大きいほど感度が良く、比較的小さい磁場でセンサが動作する。このような観点から、磁気抵抗効果素子の21,31の幅(素子パターン幅)は、X方向とY方向の検知磁界差が発生する10μm以下の幅が好ましい。特に、磁気抵抗効果素子の21,31の幅(素子パターン幅)は、2μm〜10μmであることが好ましい。
Here, the relationship between the pattern width (D 1 ) of the
磁気抵抗効果素子21,31としては、TMR素子(トンネル型磁気抵抗効果素子)、GMR素子(巨大磁気抵抗効果素子)などを用いることができる。例えば、GMR素子として、それぞれ外部磁界に対して磁化変動する一対のフリー磁性層で非磁性層を挟持してなる多層膜積層構造を有するGMR素子やTMR素子を用いることができる。すなわち、図11に示すように、磁気抵抗効果素子21,31は、フリー磁性層/非磁性層/フリー磁性層の積層構造を有する。ここで、非磁性層を構成する材料としては、Cu、などが挙げられる。また、フリー磁性層を構成する材料としては、Ni−Fe合金などの軟磁性材料が挙げられる。なお、磁気抵抗効果素子21,31は、フリー磁性層/非磁性層/フリー磁性層の積層構造を少なくとも有していれば良く、他の層が設けられていても良い。また、フリー磁性層の厚さとしては、1nm〜6nmであることが好ましく、非磁性層の厚さとしては、1.8nm〜2.6nmであることが好ましい。
As the
ここで使用する磁気抵抗効果素子21,31は、装置内のセンサ設置の関係から特定の方向からの磁界を検知する必要がなく、極性も判別する必要がないので、固定磁性層(ピンド層)が不要であり、フリー磁性層/非磁性層/フリー磁性層の積層構造を採用している。このため、製造工程において、加熱下で磁場を印加して固定磁性層(ピンド層)を形成する必要がない。これにより、基板上にフォトリソグラフィ及びエッチングにより磁気抵抗効果素子をパターニングすることができ、製造工程を簡略化することができる。また、フォトリソグラフィでパターニングすることができるので、微細な領域にも磁気抵抗効果素子をパターニングすることができる。
Since the
例えば、フリー磁性層や非磁性層を形成する場合、基板上にフリー磁性層材料を被着し、その上にレジスト層を形成し、フォトリソグラフィ及びエッチングでパターニングしてフリー磁性層を形成した後にレジスト層を除去する。 For example, when forming a free magnetic layer or a nonmagnetic layer, after depositing a free magnetic layer material on a substrate, forming a resist layer thereon, patterning by photolithography and etching, and forming a free magnetic layer The resist layer is removed.
磁気抵抗効果素子21,31を挟持するように配置された一対の軟磁性膜22,32は、特定の方向の外部磁界を増幅すると共に、特定の方向と異なる方向の外部磁界を減衰させる。すなわち、軟磁性膜22,32は、特定の方向の外部磁界に対してはヨーク効果を発揮し、特定の方向と異なる方向(特定の方向と直交する方向)の外部磁界に対してはシールド効果を発揮する。軟磁性膜22は、感度軸方向(矢印X方向)の外部磁界を増幅すると共に、感度軸方向に直交する方向(矢印Y方向)の外部磁界をシールドする。一方、軟磁性膜32は、感度軸方向(矢印Y方向)の外部磁界を増幅すると共に、感度軸方向に直交する方向(矢印X方向)の外部磁界をシールドする。なお、軟磁性膜を構成する材料が、CoZrNb、NiFe、Co合金、及びNi,Feを含む合金からなる群より選ばれたものであることが好ましい。
The pair of soft
ここで、軟磁性膜22,32のパターン幅(D2,D3)とセンサ検知外部磁束密度(G)との間の関係を調べた。すなわち、厚さ0.5μmの軟磁性膜(CoZrNb膜)のパターン幅(D2,D3)を0(なし)、50μm、100μm、150μmとし、そのときのセンサ検知外部磁束密度(G)を磁界−抵抗変化特性(R−H特性)により調べた。その結果を図4(a)に示す。図4(a)から分かるように、軟磁性膜のパターン幅が広くなるほどセンサの検知磁界が小さくなる(センサの高感度化)。このため、センサの高感度化の観点からは、軟磁性膜22,32のパターン幅(D2,D3)は、50μm以上、特に50μm〜150μmであることが好ましい。
Here, the relationship between the pattern widths (D 2 , D 3 ) of the soft
また、軟磁性膜22,32のパターン幅(D2,D3)と磁束密度増幅率との間の関係を調べた。すなわち、厚さ0.5μmの軟磁性膜(CoZrNb膜)のパターン幅(D2,D3)を0(Reference)、50μm、100μm、150μmとし、そのときの磁束密度の増幅率(Reference基準)を磁界−抵抗変化特性(R−H特性)により調べた。その結果を図4(b)に示す。図4(b)から分かるように、軟磁性膜のパターン幅が広くなるほど磁束密度の増幅率が高くなる(幅50μmで2倍、幅150μmで4倍)。このため、磁束密度の増幅率の観点からは、軟磁性膜22,32のパターン幅(D2,D3)は、50μm以上とし、各磁気検知システムで必要なセンサ感度に合わせて設定することが好ましい。
Further, the relationship between the pattern width (D 2 , D 3 ) of the soft
図4(a),(b)の結果から、センサの高感度化の観点、磁束密度の増幅率の観点を考慮すると、軟磁性膜の幅は50μm以上であることが好ましい。また、軟磁性膜の厚さは0.5μm以上であることが好ましい。 From the results shown in FIGS. 4A and 4B, the width of the soft magnetic film is preferably 50 μm or more in consideration of the high sensitivity of the sensor and the viewpoint of the magnetic flux density gain. The thickness of the soft magnetic film is preferably 0.5 μm or more.
本発明の磁気センサの個々の磁気検知素子(第1素子2、第2素子3)においては、感度軸方向(第1素子2では矢印X方向、第2素子3では矢印Y方向)の外部磁界が作用すると、一対のフリー磁性層の磁化方向が外部磁界方向に向く。これにより、両フリー磁性層の磁化方向が平行に近づいて抵抗値が低下する。この抵抗値の変化を出力とすることにより磁気検知することができる。このとき、磁気抵抗効果素子を挟持する一対の軟磁性膜により特定の方向の外部磁界を感度良く検知することができる。すなわち、一対の軟磁性膜が、特定の方向の外部磁界に対してヨーク効果を発揮し、特定の方向と異なる方向(ここでは特定の方向と直交する方向)の外部磁界に対してシールド効果を発揮する。これにより、磁束発生源(磁石)との間の間隔(Gap)が広くても磁気検知することができる。
In the individual magnetic sensing elements (
図1に示すように、感度軸方向が直交するように磁気検知素子(第1素子2、第2素子3)を配置することにより、異なる方向の外部磁界が混在する環境において微弱な外部磁界でも個々の感度軸方向の外部磁界を感度良く磁気検知することが可能となる。
As shown in FIG. 1, by arranging magnetic sensing elements (
ここで、図5に示すような磁束発生源(磁石)41の磁気検知について説明する。図5において、磁石41と磁気センサ42との間の距離(磁石表面とセンサ中心との間の距離)をGapとする。磁石41は、歯車状(断面略十字状)であり、回転軸41aを中心に回転する。また、磁気センサ42は、図1に示す構成を有しており、磁石41のそれぞれの先端部が近接した際に磁気を検知するようになっている。すなわち、磁気センサ42は、回転する磁石41を回転角90°毎に磁気検知するようになっている。なお、図1における矢印X方向が磁石回転方向(θ方向)であり、図1における矢印Y方向が磁石半径方向(R方向)である。したがって、磁気センサ42における第1素子2は、θ方向の成分(θ成分)を増幅して、R方向の成分(R成分)を減衰させるθ成分検知素子であり、磁気センサ42における第2素子3は、R方向の成分(R成分)を増幅して、θ方向の成分(θ成分)を減衰させるR成分検知素子である。
Here, the magnetic detection of the magnetic flux generation source (magnet) 41 as shown in FIG. 5 will be described. In FIG. 5, the distance between the
また、磁気センサ42において、第1素子2と第2素子3とは、図6に示すように電気的に接続されており、ブリッジ回路を構成している。そして、磁気センサ42の出力は、図6に示すように、R成分検知素子とθ成分検知素子の中点電位としている。このような回路とすることにより、図5に示す4つの歯を持つ磁石41に対して回転角90°毎に磁気検知することができる。
In the
ここでは、図5に示す磁石41と磁気センサ42との間の距離をそれぞれ5.1mm、6.1mm、7.1mmと変えたときの磁気センサ42の出力を調べた。なお、磁気センサ42の磁気抵抗効果素子としては、図7(a),(b)に示す特性を持つものを用いた。すなわち、磁気センサ42の磁気抵抗効果素子は、感度軸方向に直交する方向の磁場−抵抗値の関係が図7(b)に示す曲線であり、感度軸方向の磁場−抵抗値の特性曲線が図7(a)に示す曲線である。
Here, the output of the
図8は、本発明の構成を有しない一つの磁気検知素子で磁石41の磁気検知をした場合を示す図である。図8から分かるように、R成分とθ成分とが混在した状態である。このような出力では、特に、Gapが7.1mmの場合には、4つの歯を正確に磁気検知することは難しい(周期的なパルスとして出力することができない)。
FIG. 8 is a diagram showing a case where the
一方、本発明の磁気センサ42を用いた場合においては、θ成分検知素子である第1素子2のみの出力は図9(a)に示すようになる。すなわち、θ成分が増幅され、R成分が減衰されている。また、R成分検知素子である第2素子3のみの出力は図9(b)に示すようになる。すなわち、R成分が増幅され、θ成分が減衰されている。そして、θ成分検知素子とR成分検知素子の中点電位は、図10(a)に示すようになる。図10(a)では、Gapが5.1mmのものとGapが7.1mmのものを示している。この中点電位をパルス出力とすると、図10(b)に示すようになる。図10(b)から分かるように、Gapが5.1mmでもGapが7.1mmでも、4つの歯を正確に磁気検知することができた(周期的なパルスとして出力することができた)。
On the other hand, when the
このように、本発明の磁気センサによれば、感度軸方向が異なる磁気検知素子(第1素子2、第2素子3)を配置するので、異なる方向の外部磁界が混在する環境において微弱な外部磁界でも個々の感度軸方向の外部磁界を感度良く磁気検知することが可能となる。これにより、図5に示すような複雑な形状の磁束発生源(磁石)の磁気検知を正確に行うことができる。
As described above, according to the magnetic sensor of the present invention, since the magnetic sensing elements (
本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することができる。例えば、上記実施の形態における材料、各素子の接続関係、厚さ、大きさ、製法などは適宜変更して実施することが可能である。その他、本発明は、本発明の範囲を逸脱しないで適宜変更して実施することができる。 The present invention is not limited to the above embodiment, and can be implemented with various modifications. For example, the materials, connection relations, thicknesses, sizes, manufacturing methods, and the like in the above embodiments can be changed as appropriate. In addition, the present invention can be implemented with appropriate modifications without departing from the scope of the present invention.
本発明は、流量検知用の磁気センサに適用することが可能である。 The present invention can be applied to a magnetic sensor for detecting a flow rate.
1 基板
2 第1素子
3 第2素子
4 電極パッド
21,31 磁気抵抗効果素子
21a 直線部
21b 連接部
22,32 軟磁性膜
41 磁石
41a 回転軸
42 磁気センサ
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