JP2015194389A - Magnetic field detection device and multi piece substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁界を検出する磁界検出装置および多面取り基板に関するものである。 The present invention relates to a magnetic field detection device for detecting a magnetic field and a multi-sided substrate.
磁気抵抗効果素子(以下、GMR/TMR素子とも称する)が用いられた磁気センサが提案され、実用に供されている。GMR/TMR素子は、磁化の向きが所定の方向にピン止めされたピンド層と、磁化の向きが外部磁場に対応して変化するフリー層とを備えた磁気抵抗効果膜から構成され、外部磁界が加わった際、ピンド層の磁化の向きとフリー層の磁化の向きとの相対関係に応じて抵抗値が変化する。磁気センサでは、GMR/TMR素子の抵抗値を測定することで外部磁場の強さを測定できるようになっている。 Magnetic sensors using magnetoresistive elements (hereinafter also referred to as GMR / TMR elements) have been proposed and put into practical use. The GMR / TMR element includes a magnetoresistive film including a pinned layer whose magnetization direction is pinned in a predetermined direction, and a free layer whose magnetization direction changes corresponding to an external magnetic field. Is added, the resistance value changes according to the relative relationship between the magnetization direction of the pinned layer and the magnetization direction of the free layer. In the magnetic sensor, the strength of the external magnetic field can be measured by measuring the resistance value of the GMR / TMR element.
例えば特許文献1では、フリー層の一軸異方性を維持するために、GMR素子の屈曲部近傍、すなわち磁気抵抗効果膜の両端側に、強磁性体などから構成された永久磁石(バイアス磁石)を備えた電流センサが提案されている。 For example, in Patent Document 1, in order to maintain the uniaxial anisotropy of the free layer, a permanent magnet (bias magnet) composed of a ferromagnetic material or the like in the vicinity of the bent portion of the GMR element, that is, on both ends of the magnetoresistive film. Has been proposed.
また、特許文献2では、磁気抵抗効果素子を4つ用いたホイートストンブリッジと補償電流線を設け、外部磁界中に配置して、その勾配を検出する方法が開示されている。この組み合わせにより、外部からの妨害磁界や環境温度による影響を低減するようにしている。
Further,
しかし、磁界検出装置に関し、全体構成の高精度化に加え、更なる小型化が求められている。本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、小型な磁界検出装置を提供することを目的とする。 However, regarding the magnetic field detection device, in addition to increasing the accuracy of the overall configuration, further miniaturization is required. The present invention has been made in view of such a problem, and an object thereof is to provide a small magnetic field detection device.
本発明は、基板と、基板の主面の法線を法線とする基板の主面上の基板と離間した第1の平面に配置された磁界検出部と、第1の平面とは異なる基板の主面の法線を法線とする基板の主面上の基板と離間した第2の平面に配置された着磁方向を有する永久磁石と、第1および第2の平面とは異なり、第1および第2の平面より基板の主面から離れた基板の主面の法線を法線とする基板の主面上の基板と離間した第3の平面に配置されるとともに、磁界検出部と接続される電極端子と、電極端子および磁界検出部と接続された内部配線とを有し、基板の主面上に磁界検出部と永久磁石と電極端子と内部配線とが一体となって形成されている磁界検出装置である。この様な構成とする事によって、従来の磁界検出装置と比べて、小型化が実現できる。 The present invention relates to a substrate, a magnetic field detector disposed on a first plane separated from the substrate on the main surface of the substrate having a normal to the main surface of the substrate as a normal, and a substrate different from the first plane Unlike the first and second planes, a permanent magnet having a magnetization direction arranged in a second plane spaced from the substrate on the main surface of the substrate having a normal to the main surface of The first and second planes are arranged on a third plane separated from the substrate on the main surface of the substrate having a normal to the main surface of the substrate farther from the main surface of the substrate than the first and second planes; It has an electrode terminal to be connected and an internal wiring connected to the electrode terminal and the magnetic field detection unit, and the magnetic field detection unit, the permanent magnet, the electrode terminal, and the internal wiring are integrally formed on the main surface of the substrate. It is a magnetic field detection device. By adopting such a configuration, the size can be reduced as compared with the conventional magnetic field detection device.
さらに本発明では、磁界検出部と永久磁石と電極端子とはそれぞれ絶縁層で分離されており、各部相互の短絡(電気的)を防止できる。 Furthermore, in the present invention, the magnetic field detection unit, the permanent magnet, and the electrode terminal are separated from each other by an insulating layer, and short-circuiting (electrical) between the respective units can be prevented.
さらに本発明では、基板が例えば導電性材料の場合、基板の主面には絶縁層が形成されており、基板を経由した短絡(電気的)を防止できる。 Furthermore, in the present invention, when the substrate is made of, for example, a conductive material, an insulating layer is formed on the main surface of the substrate, so that a short circuit (electrical) via the substrate can be prevented.
さらに本発明では、永久磁石は、概ね直方体であって、その長手方向が磁極の着磁方向であることにより、永久磁石の減磁を防止できる。 Furthermore, in the present invention, the permanent magnet is generally a rectangular parallelepiped, and the longitudinal direction thereof is the magnetization direction of the magnetic pole, so that demagnetization of the permanent magnet can be prevented.
さらに本発明では、永久磁石の基板の主面の法線方向への投影面は、磁界検出部の基板の主面の法線方向への投影面を全て含むことにより、永久磁石を磁界検出部の側部に置く場合と比べて、素子面積を削減できる。 Furthermore, in the present invention, the projection surface in the normal direction of the main surface of the permanent magnet substrate includes all the projection surfaces in the normal direction of the main surface of the substrate of the magnetic field detection unit. Compared with the case where it is placed on the side, the element area can be reduced.
さらに本発明では、基板の主面の法線を法線とし、第1から第3の平面とは異なり、基板の主面と第3の平面との間に存在する第4の平面に配置されるとともに、磁界検出部が検出する外部磁界を打ち消す方向の補償磁界を磁界検出部に付与するための補償電流を流す補償電流線を有する。この様な構成とする事により、環境温度や外部からのノイズに起因する出力電圧の変化をさらに低減できるため、磁界検出精度が向上する。また、永久磁石と永久磁石の長手方向に延在する電極端子とが重なりを有していてもよい。 Furthermore, in the present invention, the normal line of the main surface of the substrate is the normal line, and the first surface is different from the first to third planes, and is disposed on the fourth plane existing between the main surface of the substrate and the third plane. And a compensation current line for supplying a compensation current for applying a compensation magnetic field in a direction to cancel the external magnetic field detected by the magnetic field detection unit to the magnetic field detection unit. By adopting such a configuration, the change in the output voltage caused by the environmental temperature and external noise can be further reduced, so that the magnetic field detection accuracy is improved. Further, the permanent magnet and the electrode terminal extending in the longitudinal direction of the permanent magnet may have an overlap.
さらに本発明では、基板の主面の法線から見て、永久磁石と永久磁石の長手方向に延在する補償電流線に接続された電極端子とが重なりを有してもよく、磁界検出装置が基板の主面上に複数存在する多面取り基板としてもよい。 Further, in the present invention, the permanent magnet and the electrode terminal connected to the compensation current line extending in the longitudinal direction of the permanent magnet as viewed from the normal line of the main surface of the substrate may have an overlap. May be a multi-sided substrate in which a plurality of are present on the main surface of the substrate.
さらに本発明では、多面取り基板に着磁用磁界を印加することにより着磁方向が決定された磁界検出装置としてもよく、多面取り基板に着磁用磁界を印加することにより着磁方向が決定されるため、多面取り基板の切り離し後に着磁する場合と比べて個々の着磁方向のバラツキが生じない。 Furthermore, in the present invention, a magnetic field detection device in which the magnetization direction is determined by applying a magnetizing magnetic field to a multi-sided substrate, or the magnetization direction is determined by applying a magnetizing magnetic field to a multi-sided substrate. Therefore, there is no variation in the individual magnetization directions as compared with the case where magnetization is performed after the multi-sided substrate is separated.
本発明によれば、小型な磁界検出装置を提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a small magnetic field detection device.
図1は本実施形態の磁界検出装置1の上面図であり、点線で囲まれた部分が磁界検出装置1を示す。図2は図1のA−B面の断面図であり、点線で囲まれた部分が磁界検出装置1を示す。図2に示すとおり、基板5の主面の法線を法線とする基板5の主面上の基板5と離間した第1の平面には、磁気抵抗効果素子20である磁界検出部が配置される。また、第1の平面とは異なり、基板5の主面の法線を法線とする基板5の主面上の基板と離間した第2の平面には、後述するバイアス磁界印加のための着磁方向を有する永久磁石9を配置する。さらに、第1および第2の平面とは異なり、第1および第2の平面より基板5の主面から離れた基板5の主面の法線を法線とする基板5の主面上の基板と離間した第3の平面には、電極端子3が配置される。図3は、第1の平面の平面図であり、磁気抵抗効果素子20及び、内部配線2の一部を示す。図3に示す内部配線2の端部は、基板5の主面の法線方向に立ち上がるビア(内部配線2の一部)によって図1の電極端子3と接続される。以下に各構成について説明する。
FIG. 1 is a top view of a magnetic field detection device 1 according to the present embodiment, and a portion surrounded by a dotted line indicates the magnetic field detection device 1. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line A-B in FIG. 1, and a portion surrounded by a dotted line indicates the magnetic field detection device 1. As shown in FIG. 2, a magnetic
基板5は、シリコンやAlTiC(アルティック)などの半導体や導電体又はアルミナやガラス等の絶縁体から構成されるものであり、その形態は特に問われるものではない。
The
第1の平面に配置された磁界検出装置1が有する磁気抵抗効果素子20は、一般に、一定方向に固着された磁化方向を有する固着層と、非磁性体の導体、または、絶縁体からなる中間層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する自由層とを含み、固着層と自由層で中間層を挟む積層体を有している。なお、中間層が導体の場合は、一般にGMR(巨大磁気抵抗効果素子)と呼ばれ、絶縁体の場合は、TMR(トンネル型磁気抵抗効果素子)と呼ばれる。磁気抵抗効果素子20の抵抗は、固着層の磁化方向と自由層の平均の磁化方向の角度に応じて変化する。自由層は、例えば、NiFe等の軟磁性膜から構成される。中間層は、例えば、Cuなどの導電体膜、または、アルミナ・酸化マグネシウム等の絶縁体膜から構成される。固定層は、反強磁性膜と磁化固定膜からなり、磁化固定膜が中間層と接する。反強磁性膜は例えばIrMnやPtMnなどの反強磁性Mn合金などから構成される。磁化固定層は、例えば、CoFeやNiFeなどの強磁性体から構成されるか、あるいは、Ruの薄膜層をCoFe等で挟む構成をとっても良い。
The
次に、永久磁石9の機能について説明する。自由層を構成する軟磁性膜は、外部磁界がない場合、膜面内で異なる磁化方向を持つ複数の磁区を構成している。それぞれの磁区の磁化方向は、軟磁性膜に印加された外部磁界の履歴に応じて変化する(磁気ヒステリシス)ため、無磁界状態では各磁区の磁化方向の平均値である自由層の磁化方向は一定方向を取らず、ばらつきを持ってしまう。従って、自由層の磁化方向が一定方向を取らない場合、無磁界状態での磁気抵抗効果素子20の抵抗が一定値を取らない事になるため好ましくない。また、外部磁界印加によって自由層の磁化方向は変化するが、磁区毎に変化の様相が異なるため、磁化方向変化が滑らかでなくなる現象、すなわちバルクハウゼンノイズが生じる。これらの事象を避けるために、自由層の磁化方向を安定させる必要がある。ここで、磁化方向の安定化のために、第2の平面に着磁方向を有する永久磁石9を配置する。なお、無磁界状態での自由層の長手方向に磁化方向を揃えるように永久磁石9を配置することが好ましい。ここで、図3に示されるように、基板5の法線方向から見た場合、磁気抵抗素子20と永久磁石9は長方形となっており、それぞれの長手方向は平行となっている。従って、永久磁石9を長手方向に着磁することで、磁気抵抗素子20の自由層の長手方向に磁化を揃えることが可能となる。永久磁石9からの磁界すなわちバイアス磁界によって、自由層の磁区は単磁区状態となるため、特に外部磁界が自由層の長手方向と直交する場合、磁気ヒステリシスやバルクハウゼンノイズの発生を抑制できる。永久磁石9は例えば、Coを主体とした合金や、希土類磁石、またはフェライト磁石などが好ましい。
Next, the function of the
電極端子3は、第3の平面に配置され、内部配線2の一端と接続する。内部配線2の他端は磁気抵抗効果素子20と接続されており、磁気抵抗効果素子20の抵抗変化を出力として外部に取り出せる。電極端子3及び内部配線2は例えばAuやAl、Ag、Cu等の導体金属やこれらの合金などが好ましい。
The
基板5上には、磁気抵抗効果素子20である磁界検出部、永久磁石9、内部配線2を配置し、基板の法線方向から見た場合に、磁気抵抗効果素子20である磁界検出部、永久磁石9、内部配線2の外側に電極端子3を配置する。それぞれの各部は、フォトリソグラフィによる加工を用いる薄膜プロセスにて一体形成することにより、ミクロンオーダーの微細な寸法にて形成できる。さらに、一体形成することにより、永久磁石9と磁界検出部の間隔が決まる。よって、永久磁石9を一体形成せず、電極端子3が配置された第3の平面より上の平面上に永久磁石9を配置する場合に比べて、磁気抵抗効果素子20である磁界検出部に及ぼす永久磁石9の磁界が強くなるため、基板5の主面と平行な面内で永久磁石9を小型化できる。これらの理由により、磁界検出装置1の小型化が実現できる。また、永久磁石9の組み付け誤差が殆ど生じないため、バイアス磁界方向の個体差が抑制できる。
On the
ここで、第1の平面と第2の平面とは第1の平面が第2の平面より基板側に存在することとして説明したが、第2の平面が第1の平面より基板5側に存在していてもよい。つまり、基板5の主面から永久磁石9、磁気抵抗効果素子20である磁界検出部の順に基板の主面の上部に存在することとしても良い。この場合であっても、永久磁石9と磁気抵抗効果素子20である磁界検出部の距離を電極端子3が配置された第3の平面より上の平面上に永久磁石9を配置する場合に比べて、電極端子3の厚みは十分厚いので、永久磁石9と磁界検出部との距離を小さい値に設定することが可能となり、永久磁石9の小型化が可能となる。
Here, the first plane and the second plane have been described on the assumption that the first plane exists on the substrate side with respect to the second plane, but the second plane exists on the
なお、実際の製造上の制約からは、基板5の主面から磁気抵抗効果素子20である磁界検出部、永久磁石9の順に基板の主面の上部に存在することが好ましい。これは、製造時に永久磁石9の磁界の影響を磁気抵抗効果素子20である磁界検出部が受ける場合があるので、磁気抵抗効果素子20である磁界検出部を形成した後に、永久磁石9を形成する方が望ましいためである。
In terms of actual manufacturing restrictions, it is preferable that the magnetic
図2には示していないが、磁界検出部と永久磁石9と電極端子3とはそれぞれ絶縁層で分離されており、各部相互の電気的な短絡を防止できる。又、基板が導電性材料の場合、基板5の主面には絶縁層が形成されており、基板を経由した電気的短絡を防止できる。絶縁層としては、例えばアルミナ、窒化アルミ、酸化シリコン、窒化シリコン等の無機物や、ポリイミド等の有機物が好ましい。
Although not shown in FIG. 2, the magnetic field detection part, the
永久磁石9は、図1、図2に例示されるように、概ね直方体であって、その長手方向が磁極の着磁方向であることが好ましい。これにより、永久磁石9の減磁を防止できる。又、一方の磁極から生じる磁界を打ち消す他方の磁極からの影響を抑制できる。又、自由層の長手方向と磁極の着磁方向とが平行であることが好ましい。これにより、自由層の磁化方向を安定させるこが可能となる。ちなみに、図1、2には、N極、S極を例示しているが、両極はこの逆でも良い。なお、永久磁石9の着磁については、基板5に磁界検出装置1が複数個存在する多面取り基板(図示せず)に対して、同時に一括して行う事が好ましい。この場合、複数の磁界検出装置1に対応する永久磁石9の着磁方向が同時に一括して決定されるため、多面取り基板(図示せず)の切り離し後に着磁する場合と比べてバイアス磁界方向の個体差が低減できる。なお、同時に一括しての着磁は、磁界検出装置1を製造する工程上、永久磁石9がパターニング形成された後の多面取り基板の切り離し前であれば、特に順番が問われるものではない。具体的な着磁方法としては、常温で、多面取り基板全面に着磁用磁界を印加する。着磁用磁界の印加は、多面取り基板全面に均一にかつ同一方向になるように印加する。着磁用磁界の印加方向は自由層の長手方向と平行であることが好ましい。つまり、自由層の長手方向と磁極の着磁方向とが平行であることが好ましい。
As illustrated in FIGS. 1 and 2, the
図1〜図3に例示されるように、永久磁石9の基板5の主面の法線方向への投影面は、磁界検出部の基板5の主面の法線方向への投影面を全て含むように配置する事が好ましい。これにより、永久磁石9を磁界検出部の側部に置く場合と比べて、磁界検出装置1全体の面積を削減できる。なお、永久磁石9の投影面に含まれないように磁界検出部を配置した場合、磁界検出部に及ぼす永久磁石9の磁界が均一でなくなったり、弱くなったりするため好ましくない。つまり、永久磁石9の基板5の主面の法線方向への投影面は、磁界検出部が有する磁界検出素子である磁気抵抗素子20の基板5の主面の法線方向への投影面を全て含むように配置することにより、永久磁石9が発生する磁界を磁界検出部に対して効率的に利用することが可能となっている。
As illustrated in FIGS. 1 to 3, the projection surface in the normal direction of the main surface of the
さらに本実施形態では、図4に例示する補償電流線4を配置すると良い。補償電流線4は、基板5の主面の法線を法線とし、第1から第3の平面とは異なり、基板5の主面と第3の平面との間に存在する第4の平面に配置されるとともに、磁界検出部が検出する外部磁界を打ち消す方向の補償磁界を磁界検出部に付与するための補償電流を流す。なお、磁界検出部が検出する外部検出磁界の方向と、永久磁石9が発生するバイアス磁界とは概ね直交する。つまり、磁界検出部である磁気抵抗効果素子20の長手方向と概ね直交する外部磁界を磁界検出部が検出する。補償電流線4の一端は、基板5の主面の法線方向に立ち上がる内部配線2(図示せず)の一部であるビアによって、電極端子3Aと接続される。補償電流線4の他端は、図示しない内部配線2によって電極端子3Bと接続される。この様な構成とする事により、環境温度や外部からのノイズに起因する磁気抵抗効果素子の抵抗の予期せぬ変化による悪影響を低減できるため、磁界検出精度が向上する。補償電流線4は、例えば、Cu等の導体から構成され、磁気抵抗効果素子20とは図示されない絶縁層で隔てられる。絶縁層としては、例えばアルミナ、窒化アルミ、酸化シリコン、窒化シリコン等の無機物や、ポリイミド等の有機物が好ましい。
Furthermore, in this embodiment, it is preferable to arrange the compensation current line 4 illustrated in FIG. The compensation current line 4 has a normal line of the main surface of the
ここで、図1において、基板5の主面の法線から見て永久磁石9は電極端子3と重なりを有していないが、永久磁石9のX方向に延在させ、電極端子3と重なるように配置してもよい。この場合、永久磁石9のX方向の端部が磁気抵抗素子20より離れることになるので、永久磁石9がX方向に着磁されている場合、磁気抵抗素子20はよりX方向に平行な磁界が永久磁石20から付与されることになるので、磁気抵抗素子20の自由層がより安定となる。また、永久磁石9をX方向に延在させることなく、永久磁石9と電極端子3が重なりを有していてもよく、磁界検出装置1の小型化が可能となる。例えば、補償電流線4の下部(基板5側)に永久磁石9を配置することで、基板5の主面の法線から見て容易に永久磁石9と図4に示される補償電流線4に接続された電極端子(3A、3B)とが重なりを有する構造とすることが可能となる。
Here, in FIG. 1, the
なお、磁界検出部は磁気抵抗素子20であるとして説明したが、磁界検出部は一定方向に固着された磁化方向を有する固着層を有さないAMR素子でもよい。なお、本実施形態における磁界検出部は磁界に感応する素子を指す。
Although the magnetic field detection unit has been described as being the
磁界検出装置、および、磁界検出装置を使用する機器に適用可能である。 The present invention is applicable to a magnetic field detection device and a device that uses the magnetic field detection device.
1 磁界検出装置
2 内部配線
3 電極端子
4 補償電流線
5 基板
9 永久磁石
20 磁気抵抗効果素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (9)
前記基板の主面の法線を法線とする前記基板の主面上の前記基板と離間した第1の平面に配置された磁界検出部と、
前記第1の平面とは異なる前記基板の主面の法線を法線とする前記基板の主面上の前記基板と離間した第2の平面に配置された着磁方向を有する永久磁石と、
前記第1および第2の平面とは異なり、前記第1および第2の平面より前記基板の主面から離れた前記基板の主面の法線を法線とする前記基板の主面上の前記基板と離間した第3の平面に配置されるとともに、前記磁界検出部と接続される電極端子と、
前記電極端子および前記磁界検出部と接続された内部配線とを有し、
前記基板の主面上に前記磁界検出部と前記永久磁石と前記電極端子と前記内部配線とが一体となって形成されている磁界検出装置。 A substrate,
A magnetic field detector disposed on a first plane spaced apart from the substrate on the main surface of the substrate having a normal to the main surface of the substrate;
A permanent magnet having a magnetization direction disposed on a second plane spaced from the substrate on the main surface of the substrate, the normal line being different from the first plane and having a normal to the main surface of the substrate as a normal line;
Unlike the first and second planes, the normal on the main surface of the substrate having a normal to the main surface of the substrate that is further away from the main surface of the substrate than the first and second planes. An electrode terminal disposed on a third plane separated from the substrate and connected to the magnetic field detector;
An internal wiring connected to the electrode terminal and the magnetic field detector;
The magnetic field detection apparatus in which the magnetic field detection unit, the permanent magnet, the electrode terminal, and the internal wiring are integrally formed on the main surface of the substrate.
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JP2018054460A (en) * | 2016-09-29 | 2018-04-05 | 大同特殊鋼株式会社 | Thin film magnetic sensor |
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