JP2012088225A

JP2012088225A - 磁気検出装置

Info

Publication number: JP2012088225A
Application number: JP2010236352A
Authority: JP
Inventors: Akiyuki Kamikawa; 晃幸神川
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2012-05-10

Abstract

【課題】ＡＭＲ効果膜を利用して外部磁界に対して等方的に磁界を検出することができる磁気検出装置を提供する。
【解決手段】磁気検出装置１は、基板１１上に設けられ、感磁方向のベクトル和が相殺されるようなパターン形状を有する磁気抵抗素子１００〜１０７と、磁気抵抗素子１００〜１０７の最小抵抗値と同値の抵抗Ｒ０と、磁気抵抗素子１００〜１０７からなる回路Ｒ１と抵抗Ｒ０とから構成されるブリッジ回路とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気ベクトルとの相対角度に依存せず磁場強度を検出する磁気検出装置に関する。

従来、結合型巨大磁気抵抗効果（以下、ＧＭＲ〈ＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ〉効果という。）を利用した膜によるセンサ及び異方向性磁気抵抗効果（以下、ＡＭＲ〈Ａｎ−ＩｓｏｔｒｏｐｉｃＭａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ〉効果という。）を利用した膜によるセンサが知られている。このＧＭＲ効果膜は、単層構造で磁界の方向によって抵抗変化率が異なるＡＭＲ効果膜に対し、多層構造からなる膜で構成され、理論的には外部磁界と電流との相対角度によらず等方的に抵抗が変化する。しかし、現実にはＧＭＲ効果膜のパターン形状による反磁界効果が形態に依存してしまうために形状異方性を有する。

このような問題に対応する技術として、反磁界効果を打ち消すパターン形状によりＧＭＲ効果膜を形成した磁気検出装置がある（例えば、特許文献１参照）。この磁気検出装置は、ＧＭＲ効果膜が線体で描かれるパターン形状で形成され、パターン形状は、ＧＭＲ効果膜の面内最小飽和磁界に対する面内最大飽和磁界と面内最小飽和磁界との差の割合が予め定めた値以下となるように、湾曲部又は湾曲相当部を有する。

この磁気検出装置によれば、ＧＭＲ効果膜のパターン形状による反磁界効果が形態に依存せず、面内方向の磁界に対して等方的に磁界を検出することができる。

特開平１１−２７４５９８号公報

しかし、特許文献１に示す磁気検出装置は、ＧＭＲ効果膜を利用しているため、基板上に多層膜を形成する必要があり、ＡＭＲ効果膜を利用するものに比べて製造工程が増加するという問題があった。

従って、本発明の目的は、ＡＭＲ効果膜を利用して外部磁界に対して等方的に磁界を検出することができる磁気検出装置を提供することにある。

本発明の一態様は、基板上に設けられ、感磁方向のベクトル和が相殺されるようなパターン形状を有する磁気抵抗素子と、
前記磁気抵抗素子の最小抵抗値と同値の抵抗と、
前記磁気抵抗素子と前記抵抗とから構成されるブリッジ回路とを有する磁気検出装置を提供する。

上記磁気検出装置は、磁気抵抗素子との距離に応じた磁界の強さを前記磁気抵抗素子の形成面に平行に印加する磁石をさらに有してもよい。

また、上記磁気検出装置の磁石は、磁気抵抗素子との距離の最小値において、当該磁気抵抗素子の抵抗値が飽和する磁界の強さより弱い磁界を発生するようにしてもよい。

本発明によれば、ＡＭＲ効果膜を利用して外部磁界に対して等方的に磁界を検出することができる。

図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係る磁気検出装置の配置例を示す概略正面図及び平面図である。図２は、磁気検出装置の表面に形成される回路のパターン例を示す平面図である。図３は、図２の回路の等価回路図である。図４は、磁気抵抗素子を通過する磁界の強さに対する抵抗変化率の特性の一例を示す概略図である。図５は、本発明の第２の実施の形態に係る磁気検出装置の表面に形成される回路のパターン例を示す平面図である。図６は、図５の回路の等価回路図である。

［第１の実施の形態］
（磁気検出装置の構成）
図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係る磁気検出装置１の配置例を示す概略正面図及び平面図である。

磁気検出装置１は、例えば、シリコン等の半導体からなる基板１１の表面１１ａに、表面１１ａに平行な磁界に応じてＡＭＲ効果によって抵抗値を変化するニッケルコバルト等からなる磁気抵抗素子を複数有する。また、後述するようにこれら複数の当該磁気抵抗素子は、表面１１ａの面方向に依存しない磁界の強さを検出するために回路Ｒ１を構成する（図２）。なお、これらの基板１１の表面１１ａ及び磁気抵抗素子の表面は二酸化ケイ素等の絶縁膜により保護される。

磁気検出装置１は、例えば、スイッチ等として使用される場合、図１（ａ）に示すように、検出対象となる永久磁石２を磁気検出装置１の表面１１ａの上方の距離ｄの位置に配する。永久磁石２は、表面１１ａとの距離ｄに関わらず、発生する磁界のベクトルが磁気検出装置１の表面１１ａと平行となるような姿勢で配置される。なお、永久磁石は、例えば、Ｓ極とＮ極の間隔が６ｍｍ程度であり、磁気検出装置１の表面１１ａに平行な磁界を直線的に与えるのに十分な大きさを有する。

また、永久磁石２の磁界の強さは、表面１１ａとの距離ｄに応じて増減し、距離ｄ_１における磁界の強さの方が距離ｄ_２における磁界の強さより大きくなる。なお、スイッチの構造として、永久磁石２の位置を固定して、磁気検出装置１の位置を移動させるものであってもよい。

また、磁気検出装置１は、図１（ｂ）に示すように、表面１１ａ上に２つの回路Ｒ_１と、磁界がないときの回路Ｒ_１の抵抗値と同値の抵抗値を有する２つの抵抗Ｒ_０とからホイートストンブリッジのブリッジ回路を構成する。ブリッジ回路は、駆動電圧Ｖ_ｃｃが印加される電極Ｐ_ｃｃ及びＰ_ＧＮＤと、出力電圧Ｖ_ｏｕｔ＋及びＶ_ｏｕｔ−を出力する電極Ｐ_＋及びＰ₋とを有する。出力電圧Ｖ_ｏｕｔ＋及びＶ_ｏｕｔ−は、電極Ｐ_＋及びＰ₋とワイヤボンディングにて電気的に接続された図示しない差動アンプ等に出力される。

図２は、磁気検出装置１の表面１１ａに形成される回路Ｒ１のパターン例を示す平面図である。

回路Ｒ１は、磁気検出装置１の基板１１の表面１１ａに形成され、二等辺三角形状の複数の磁気抵抗素子１００〜１０７を中心が空き領域であるドーナツ状の正八角形に配置してなる。

磁気抵抗素子１００〜１０７は、それぞれの長手方向と平行な磁界に対し抵抗率が変化する。つまり、図２に示す例においては、磁気抵抗素子１００〜１０７は、それぞれ感磁方向を異なるものとし、磁気抵抗素子１００は図面横方向が感磁方向であり、隣の磁気抵抗素子１０６は感磁方向を４５°ずらしたものである。

他の磁気抵抗素子も同様に時計逆回りに４５°ずつずらして配置される。また、磁気抵抗素子１００〜１０７は、図３に示す等価回路となるよう互いに金属配線によって電気的に接続され、端子Ｔ_ａ及びＴ_ｂを有する回路Ｒ_１を構成する。

図３は、回路Ｒ１の等価回路図である。

回路Ｒ_１は、磁気抵抗素子１００〜１０３及び１０４〜１０７による２つのブリッジ回路をそれぞれ直列に接続して構成される。なお、図中の磁気抵抗素子１００〜１０７の長手方向は感磁方向を示す。つまり、感磁方向が直交する磁気抵抗素子によってブリッジ回路が構成されており、本実施の形態においては、上下左右方向に感磁方向を有するブリッジ回路と、上下左右方向と４５°ずれた方向に感磁方向を有するブリッジ回路が構成されている。

このように構成することで、磁気検出装置１の表面１１ａに平行な磁界であれば、各ブリッジは面内の方向に依存せずに磁界の強さに依存した抵抗値を示す。

なお、上述した感磁方向が直交するブリッジ回路は、１つでもよいし、３つ以上使用しても良い。例えば、３つであれば、９０°を３分割して、それぞれを３０°ずつずらして配置する。４つであれば４分割して２２．５°ずらして配置する。

図４は、磁気抵抗素子を通過する磁界の強さに対する抵抗変化率の特性の一例を示す概略図である。

一般的に磁気抵抗素子の磁気抵抗変化率Δρは、外部磁界の強さＢが弱磁場によるものであるときＢとともに増加し、Ｂがある閾値を超えてからは一定値となる。そのため、磁気抵抗素子は、図中に示すＢ１〜Ｂ２の検出範囲Ｄにおいて磁界の強さＢを検出できる。

従って、図１（ａ）に示すように永久磁石２と組み合わせてスイッチ等として使用する場合、永久磁石２が再接近した状態（距離ｄ＝ｄ_１）において磁気抵抗素子１００〜１０７を通過する磁界の強さがＢ_２を超えないようにする必要がある。

（第１の実施の形態の効果）
上記した第１の実施の形態によると、ＡＭＲ効果によって抵抗値が変化する磁気抵抗素子をその感磁方向が直交する方向に配置し、磁界の方向に依存しないように回路を構成したことで、外部磁界に対して等方的に磁界を検出することができる。また、磁気抵抗素子に平行であって、距離に応じて磁界の強さが変化するように永久磁石を配置したことで、永久磁石との距離に応じた出力をブリッジ回路から得ることができ、磁気検出装置１をスイッチや距離センサ等に用いることができる。

［第２の実施の形態］
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る磁気検出装置の表面に形成される回路Ｒ_２のパターン例を示す平面図である。

回路Ｒ２は、第１の実施の形態と同様に、基板１１の表面１１ａに形成される２つの磁気抵抗素子１０８及び１０９からなる。磁気抵抗素子１０８及び１０９は、それぞれの長手方向と平行な磁界に対して抵抗率が変化するが、直径の異なる半円弧状のパターンを連続的につなげた形状であるため、等方的な感磁方向を有する。また、磁気抵抗素子１０８及び１０９は、図６に示す等価回路となるよう互いに金属配線によって電気的に接続され、回路Ｒ_２を構成する。

図６は、回路Ｒ_２の等価回路図である。

回路Ｒ２は、磁気抵抗素子１０８及び１０９を並列に接続して構成される。なお、磁気抵抗素子１０８及び１０９の半円弧形状は感磁方向を示す。なお、磁気抵抗素子１０８及び１０９をそれぞれ２分割して、４つの磁気抵抗素子によってブリッジ回路を構成してもよい。また、螺旋状の磁気抵抗素子を１つ用意してもよい。

（第２の実施の形態の効果）
上記した第２の実施の形態によると、回路Ｒ_２を図１（ｂ）に示した磁気検出装置１の回路Ｒ_１に代えて用いることで第１の実施の形態の磁気検出装置と同様に、外部磁界に対して等方的に磁界を検出することができる。また、第１の実施の形態の構成と比べて磁気抵抗素子１０８と１０９とを電気的に接続するのが容易となる。

なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱あるいは調整しない範囲内で種々の変形が可能である。

１磁気検出装置
２永久磁石
１１基板
１１ａ表面
１００-１０９磁気抵抗素子
Ｒ_０抵抗
Ｒ_１回路
Ｐ_ｉｎ、Ｐ_ｏｕｔ、Ｐ_ｃｃ、Ｐ_ＧＮＤ電極
Ｔ_ａ、Ｔ_ｂ端子

Claims

基板上に設けられ、感磁方向のベクトル和が相殺されるようなパターン形状を有する磁気抵抗素子と、
前記磁気抵抗素子の最小抵抗値と同値の抵抗と、
前記磁気抵抗素子と前記抵抗とから構成されるブリッジ回路とを有する磁気検出装置。
前記磁気抵抗素子との距離に応じた磁界の強さを前記磁気抵抗素子の形成面に平行に印加する磁石をさらに有する請求項１に記載の磁気検出装置。
前記磁石は、前記磁気抵抗素子との距離の最小値において、当該磁気抵抗素子の抵抗値が飽和する磁界の強さより弱い磁界を発生する請求項２に記載の磁気検出装置。