JP2015219061A

JP2015219061A - 磁界検出センサ及びそれを用いた磁界検出装置

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Publication number: JP2015219061A
Application number: JP2014101494A
Authority: JP
Inventors: 明宏小川; Akihiro Ogawa; 笠島　多聞; Tamon Kasashima; 多聞笠島; 圭田邊; Kei Tanabe
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2014-05-15
Filing date: 2014-05-15
Publication date: 2015-12-07
Also published as: US9983273B2; CN105093138B; US20150331072A1; CN105093138A

Abstract

【課題】環境温度の変動による検出精度の低下を防ぎ、製造時の位置ずれや製品の小型化を見据えた形態で微小な磁界の検出が可能な磁界検出センサを提供する。【解決手段】検出磁界の向きに応じて抵抗値が変化する複数の磁気抵抗効果素子１０，２０，３０，４０が接続され、所定の接続点間の差動電圧を出力可能なように構成されたブリッジ回路と、ブリッジ回路の中心付近に、検出磁界を集磁するとともに磁界の向きを変化させる磁性体と、磁気抵抗効果素子に検出磁界の向きとは逆方向となる磁界を与える磁界発生導体１００と、ブリッジ回路の差動電圧が入力され、磁界発生導体に検出磁界の向きとは逆方向となる磁界を発生させる帰還電流を磁界発生導体に流すための差動演算回路と、帰還電流を電圧値として出力するための電圧変換回路と、を備え、磁界発生導体と磁気抵抗効果素子が同じ積層体１内に形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子を用いた微小な磁界を検出する磁界検出センサに関する。

昨今、生体磁場測定、探傷測定や非破壊検査など微弱磁界を測定するニーズが高まっている。

微小な磁界の測定では、検出対象の磁界を効率よく磁気抵抗効果素子の感磁方向に取り込むことが重要であり、また環境温度の変動により当該磁気抵抗効果素子の抵抗変化率が変動し、磁界検出センサの出力が変動する、いわゆる温度ドリフトが問題となってくる。
また、製造コストの削減やセンサの小型化など、一般的な課題も存在する。

特許文献１（特開２００９−２７６１５９号公報）によれば、入力される磁界の向きに応じて出力する抵抗値が変化する複数の磁気抵抗効果素子が接続され、所定の接続点間の差動電圧を検出可能なよう構成されたブリッジ回路を備えている。そして、上記磁気抵抗効果素子は、当該磁気抵抗効果素子の磁化固定方向が全て同一方向を向いて配置されている。さらに、上記ブリッジ回路の周囲に、磁気抵抗効果素子に入力される磁界の向きを変化させる磁性体を配置している。

具体的には、上記ブリッジ回路が、４つの前記磁気抵抗効果素子を備えると共に、当該ブリッジ回路にて相互に隣り合って接続されていない対となる２つの当該磁気抵抗効果素子をほぼ同一箇所に形成した素子形成部を、当該磁気抵抗効果素子の各対に対応して２箇所に形成し、当該２箇所の素子形成部の間に上記磁性体を配置した、という磁界検出センサの構成を採っている。

上記磁性体の配置により、一方向の検出磁界を、上記磁気抵抗効果素子間で異なる方向に変化させることができ、一方に対しては磁化固定方向に、他方に対してはその反対方向に磁界が入射されるようなっている。これにより、当該ブリッジ回路から大きな差動電圧が出力されるため、一方向の検出磁界の検出精度向上を図ることができるとしている。

また、特許文献２（特開２０１０−２７６４２２号公報）によれば、ＧＭＲ素子によるブリッジ回路が構成されており、当該ＧＭＲ素子の磁化固定方向に対して垂直方向の磁界が検出磁界となるように磁性体を配置している。

さらに、検出磁界とは逆方向、すなわち検出磁界を打ち消す方向の他の磁界を発生させるためのソレノイドコイルを備え、当該ソレノイドコイルに他の磁界を発生させるための電流を制御する制御器を備えている。

上記ソレノイドコイルは、上記ブリッジ回路が形成されているセンサを囲み、当該ブリッジ回路が左右の中心に、且つ高さ方向においても中央に位置するように配置される。

上記制御器は、検出磁界の値、すなわち上記ブリッジ回路から出力される差動電圧値が入力され、当該差動電圧値に応じて検出磁界を打ち消す方向の他の磁界を発生させるための電流を制御する。

上記制御器により、上記ブリッジ回路から出力される差動電圧値、すなわち検出磁界の値が零となるように上記ソレノイドコイルに流れる電流は制御される。

また、特許文献３（ＷＯ２０１１／０８１１９７号公報）によれば、磁界検出センサは、ＧＭＲ素子によるブリッジ回路が構成されており、当該ＧＭＲ素子Ｒ１とＲ３のＸ軸方向両側に一対のパーマロイヨークが設けられ，また、当該ＧＭＲ素子Ｒ２とＲ４のＸ軸方向両側にも一対のパーマロイヨークが設けられ、検出磁界とは逆方向の他の磁界を発生する磁界発生導体として当該ＧＭＲ素子の下側に平面スパイラルコイルを配置した構成となっている。

上記ＧＭＲ素子によるブリッジ回路、上記パーマロイヨーク及び上記平面スパイラルコイルは同じ積層体内に形成されている。

特開２００９−２７６１５９号公報特開２０１０−２７６４２２号公報ＷＯ２０１１／０８１１９７号公報

一般に、磁気抵抗効果素子は環境温度の変動で抵抗変化率が変わり易いという特徴をもっている。特許文献１のように磁気抵抗効果素子でブリッジ回路を構成し、当該ブリッジ回路から出力される差動電圧を磁界検出センサの出力とした場合、検出精度を低下させてしまうという欠点がある。微小な磁界を検出するためには、このような環境温度の変動による検出精度の低下を防ぐ必要がある。

また、特許文献２のようにブリッジ回路から出力される差動電圧値に応じて検出磁界を打ち消す方向の他の磁界を発生させるためのソレノイドコイルと、当該ソレノイドコイルに他の磁界を発生させるための電流を制御する制御器を備え、検出磁界の値が零となるように電流を制御することで環境温度の変動による検出精度の低下は防げるものの、当該ソレノイドコイルはブリッジ回路が形成されている磁界検出センサを囲む必要があるため、センサの小型化に不利であり、さらには半田コテによる搭載が必要な部品であるため組立時における位置精度にバラつきが発生し、検出精度に製品の個体差が発生してしまうという問題があった。

また、特許文献３によれば、ブリッジ回路を構成するＧＭＲ素子のＸ軸方向両側にパーマロイヨークを設けることで、当該ＧＭＲ素子の感磁方向に対する集磁効果による検出精度の向上を図っている。

微小な磁界を検出する場合においては、集磁界効果による検出精度の向上が非常に有効である。一般的に、パーマロイヨークなどの磁性体による集磁効果は、磁気抵抗効果素子の感磁方向に対する磁性体の断面積や長さに比例して良くなることが知られている。上記パーマロイヨークの場合、ＧＭＲ素子の感磁方向に対する断面積は成膜プロセスでの膜厚方向に依存している。しかしながら、成膜プロセスで膜厚を厚くすると、膜応力が強くなり、膜のはがれやクラックなどの品質問題を引き起こすリスクが大きくなる。

そこで、本発明は上述のような課題を鑑みてなされたものであり、磁気抵抗効果素子を用いたブリッジ回路であっても環境温度の変動による検出精度の低下を防ぎ、製造時の位置ずれや製品の小型化を見据えた形態で微小な磁界の検出が可能な磁界検出センサを提供する。

上記目的を達成するために、本発明は、検出磁界の向きに応じて抵抗値が変化する複数の磁気抵抗効果素子が接続され、所定の接続点間の差動電圧を出力可能なように構成されたブリッジ回路と、前記ブリッジ回路の中心付近に、前記検出磁界を集磁するとともに前記検出磁界の向きを変化させる磁性体を配置し、前記磁気抵抗効果素子に前記検出磁界の向きとは逆方向となる磁界を与える磁界発生導体と、前記ブリッジ回路の差動電圧が入力され、前記磁界発生導体に前記検出磁界の向きとは逆方向となる前記磁界を発生させる帰還電流を前記磁界発生導体に流すための差動演算回路と、前記帰還電流を電圧値として出力するための電圧変換回路と、を備え、前記磁界発生導体と前記磁気抵抗効果素子が同じ積層体内に形成されている。

本発明によれば、上記磁界発生導体に検出磁界の向きとは逆方向となる磁界を発生させることで上記磁気抵抗効果素子において磁気平衡の状態となり、環境温度による上記磁気抵抗効果素子の抵抗変化率の変化を抑えることができ、検出精度の低下を防ぐことが可能となる。また、上記磁気抵抗効果素子と上記磁界発生導体が同じ積層体内に形成されることで、ソレノイドコイルを用いる場合よりもセンサ製品の小型化に有利になるほか、製造時における位置精度のバラつきを抑えることが可能となる。

上記磁界発生導体は、上記積層体において上記磁気抵抗効果素子よりも下層に配置されていることが望ましい。

本発明によれば、上記磁界発生導体を上記積層体において上記磁気抵抗効果素子よりも下層に配置することで、当該磁気抵抗効果素子を上記磁性体へ近づけることができ、当該磁性体からの磁束に当該磁気抵抗効果素子が効率よく応答することが可能となる。

また、本発明では、上記磁界発生導体は、成膜プロセスにより形成されてもよい。

微小な磁界を検出する場合において、検出磁界とは逆方向となる帰還電流磁界を発生させる上記磁界発生導体には大きな電流が流れることがないため、当該磁界発生導体の膜厚を薄くしても検出精度に影響がないことが分かっている。

本発明によれば、当該磁界発生導体を、成膜プロセスを用いて膜厚を薄くすることで、当該磁界発生導体が形成される層での平坦度が上がるため、上記積層体において、次の上層部との絶縁を保持するための絶縁層を成膜する工程で、当該絶縁層の平坦度を確保することが容易になり、当該絶縁層における平坦化のための材料や積層工程が必要なくなり、延いては製品の小型化や製造コストの削減が可能になる。

また、本発明の他の形態である磁界検出装置は、前記検出磁界の交流磁界成分を検出する前記磁界検出センサを備えた磁界検出装置であってもよい。上記磁界検出センサと微小信号測定を可能にする計測器を備えて構成される。本発明によれば、微小な磁界を検出できる上記磁界検出センサと微小信号測定を可能にする計測器によって、生体磁気などの微小磁界を被検出部に非接触で検出することが可能となる。

環境温度の変動による磁気抵抗効果素子の抵抗変化率の変化による影響を抑えるとともに、微小な検出磁界の測定を可能にする検出精度が確保でき、製品コストを抑えることが可能である。

実施形態１のブリッジ回路の模式図実施形態１のブリッジ回路に磁性体を配置した積層体の側面の模式図実施形態１のブリッジ回路に磁性体を配置した積層体の上面の模式図実施形態１の磁界発生導体の配線パターンの模式図実施形態１の磁性体による検出磁界の変化と磁気抵抗効果素子の抵抗変化を表した模式図実施形態１の電気回路の概要図実施形態２の脳磁場測定装置の概要図実施形態２の心磁場測定装置の概要図

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。なお、図面は、模式的なものであり、説明の便宜上、厚みと平面寸法との関係、及びデバイス相互間の厚みの比率は、本実施形態の効果が得られる範囲内で現実のセンサ構造とは異なっていてもよい。

（実施形態１）
図１は、本実施形態１の磁界検出センサを構成するブリッジ回路の概要図である。ブリッジ回路は、第１の磁気抵抗効果素子１０、第２の磁気抵抗効果素子２０、第３の磁気抵抗効果素子３０、及び第４の磁気抵抗効果素子４０を備えている。第１から第４の磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）が有する固定磁化方向は同じである。第１の磁気抵抗効果素子１０の一端と第２の磁気抵抗効果素子２０の一端は電源供給端子Ｖｃへ接続される。第１の磁気抵抗効果素子１０の他端は第４の磁気抵抗効果素子４０の一端に接続され、第２の磁気抵抗効果素子２０の他端は第３の磁気抵抗効果素子３０の一端に接続される。第３の磁気抵抗効果素子３０の他端と第４の磁気抵抗効果素子４０の他端はＧＮＤ端子へ接続される。第１の磁気抵抗効果素子１０と第３の磁気抵抗効果素子３０、第２の磁気抵抗効果素子２０と第４の磁気抵抗効果素子４０は同一直線上に配置される。また、第１の磁気抵抗効果素子１０と第２の磁気抵抗効果素子２０、第３の磁気抵抗素子３０と第４の磁気抵抗効果素子４０においても同一直線上に配置される。

なお、第２の磁気抵抗効果素子２０と第３の磁気抵抗効果素子３０の接続点に出力される電圧をＶａとし、第１の磁気抵抗効果素子１０と第４の磁気抵抗効果素子４０の接続点に出力される電圧をＶｂとする。

図２と図３は、本実施形態１の磁界検出センサを構成する上記ブリッジ回路に上記磁性体を配置した積層体１の側面と上面の模式図である。第１の磁気抵抗効果素子１０と第３の磁気抵抗効果素子３０の配置と、第２の磁気抵抗効果素子２０と第４の磁気抵抗効果素子４０の配置と、が線対称となるＸ軸方向の中心線をＡとし、第１の磁気抵抗効果素子１０と第２の磁気抵抗効果素子２０の配置と、第３の磁気抵抗効果素子３０と第４の磁気抵抗効果素子４０の配置と、が線対称となるＹ軸方向の中心線をＢとすると、当該磁性体は、当該磁性体のＸ軸方向の中心線とＹ軸方向の中心線がそれぞれＡとＢに合致する位置に配置されるのが好ましい。また、当該磁性体のＹ軸方向の長さは、当該ブリッジ回路のＹ軸方向の長さよりも長くなっていることが好ましい。さらに、当該磁性体のＺ軸方向に対しては、当該ブリッジ回路に最も近づいた位置が好ましい。このように配置にすることで、検出磁界の変化に応じた第１から第４の磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）の抵抗変化が、効率良く、さらに均等に応答することが可能となる。また、磁界発生導体１００を形成する層は、第１から第４の磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）が形成される層よりも下層に配置される方が好ましい。磁界発生導体１００を第１から第４の磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）が形成される層より下層に配置することで、当該磁性体と第１から第４の磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）のＺ軸方向の距離を近づけることができ、これにより当該磁性体からの当該検出磁界の磁束に第１から第４の磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）が効率よく応答することが可能になる。

上記磁性体は軟磁性体であってもよい。また、当該磁性体は、当該ブリッジ回路からみて垂直方向の検出磁界を集磁し、集磁された当該検出磁界を、当該ブリッジ回路を構成する第１から第４の磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）が有する固定磁化方向と概ね平行になる方向へ変化させる。

図４は、本実施形態１の磁界検出センサにおける、磁界発生導体１００の配線パターンの模式図である。磁界発生導体１００は、第１から第４の磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）と同じ積層体内で、且つ複数の層に跨いで形成されることなく、U字形状が好ましいが、巻線形状でもよい。

図５は、本実施形態１の磁界検出センサにおける、上記磁性体の上記ブリッジ回路に面していない垂直方向から検出磁界が入射した場合の、当該磁性体によって当該検出磁界が変化する方向と、当該ブリッジ回路を構成する第１から第４の磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）が有する固定磁化方向と、当該検出磁界に応じて変化する第１から第４の磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）の抵抗変化を表した模式図である。当該検出磁界は、当該磁性体への入射方向から見て左右の、第１から第４の磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）が有する固定磁化方向と概ね平行になる方向へ変化する。第１の磁気抵抗効果素子１０においては、当該検出磁界の方向は固定磁化方向と同一方向となるため、第１の磁気抵抗効果素子１０の抵抗値は、無磁界時の抵抗値Ｒ０から＋ΔＲ分変化する。同様に、第２の磁気抵抗効果素子２０では−ΔＲ分変化し、また、第３の磁気抵抗効果素子３０では＋ΔＲ分変化し、さらに、第４の磁気抵抗効果素子４０では−ΔＲ分変化する。

上記ブリッジ回路を構成する第１から第４の磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）の抵抗変化が上述のように変化した場合、Ｖａの出力電圧比は、（Ｒ０＋ΔＲ）／２＊Ｒ０であり、Ｖｂの出力電圧比は、（Ｒ０−ΔＲ）／２＊Ｒ０となるので、無磁界時の出力電圧値をＶａ、及びＶｂともにゼロと仮定すると、Ｖａの出力電圧は正値に変動し、Ｖｂの出力電圧は負値に変動する。ゆえに、当該ブリッジ回路は、検出磁界に応じてＶａの電圧とＶｂの電圧により差動出力が可能となっている。

上記ブリッジ回路から検出磁界の変化に応じて差動電圧が出力される回路であれば、第１から第４の磁気抵抗素子（１０、２０、３０、４０）の相互の接続回路と第１から第４の磁気抵抗素子（１０、２０、３０、４０）が有する固定磁化方向との組み合わせはこれに限ったものではない。

例えば図５（ｂ）のような構成であってもよい。

図６は、本実施形態１の、磁界検出センサの電気回路の概要図である。検出磁界に応じて変動する、上記ブリッジ回路から出力される電圧Ｖａ及びＶｂは、差動演算回路４００の入力端子に接続される。差動演算回路４００の出力端子は、検出抵抗３００の一端に接続され、検出抵抗３００の他端は、第１から第４の磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）に、当該磁性体によって変化した当該検出磁界の向きとは逆方向の帰還電流磁界を発生させる磁界発生導体１００の一端に接続され、磁界発生導体１００の他端はＧＮＤへ接続される。

検出磁界が変化すると、上記ブリッジ回路から電圧Ｖａ及び電圧Ｖｂによって差動電圧が出力され、この差動電圧が差動演算回路４００に入力される。差動演算回路４００は入力の差動電圧に応じて出力端子から検出抵抗３００を介して磁界発生導体１００に帰還電流を流す。当該帰還電流によって磁界発生導体１００では、当該磁性体によって変化した当該検出磁界の向きとは逆方向の帰還電流磁界が発生する。差動演算回路４００は、第１から第４の磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）において、当該検出磁界と当該帰還電流磁界の合成磁界が磁気平衡、すなわちゼロ磁界になるように帰還電流を制御する。この時、当該検出磁界と当該帰還電流磁界は等しくなっており、当該検出磁界の測定は当該帰還電流磁界を発生させる帰還電流を測定することで可能となる。このように、当該帰還電流磁界により磁気平衡を保持することにより、第１から第４の磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）における環境温度による抵抗変化率の変化を抑え、検出精度を維持することが可能となっている。

差動演算回路４００が出力する帰還電流の変化は、検出抵抗３００の電圧値として出力を可能にしている。

上記ブリッジ回路を構成する第１から第４の磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）及び磁界発生導体１００は同じ積層体１内に形成されるのが好ましい。同じ積層体１内に形成されることで、別体のソレノイドコイルを用いる場合よりもセンサ製品の小型化に有利になるほか、製造時における位置精度のバラつきを抑えることが可能となる。

また、第１から第４の磁気抵抗素子（１０、２０、３０、４０）の検出精度をさらに向上させるために、当該磁性体と第１から第４の磁気抵抗素子（１０、２０、３０、４０）の間にヨークを形成してもよい。

微小な検出磁界を検出する場合において、当該検出磁界とは逆方向となる帰還電流磁界を発生させる磁界発生導体１００には大きな電流が流れることがないため、磁界発生導体１００の膜厚を薄くしても検出精度に影響がないことが分かっている。ゆえに、スパッタリングなどの成膜プロセスにより薄膜化してもよい。

成膜プロセスを用いて薄膜化することで、磁界発生導体１００が形成される層での平坦度が上がるため、積層体において、次の上層部との絶縁を保持するための絶縁層を成膜する工程で、当該絶縁層の平坦度を確保することが容易になり、当該絶縁層における平坦化のための材料や積層工程が必要なくなり、延いては製品の小型化や製造コストの削減が可能になる。

（実施形態２）
図７と図８は、本実施形態２の、上記磁界検出センサを用いた磁界検出装置の一例となる生体場測定装置である。上記磁界検出センサを１つないし複数個、被検出部に接触させて配置し、それぞれの出力は微小信号であるため、計測部にはロックインアンプ回路などを用いて測定する。また、外部磁場や自発磁場など不定期な繰り返し信号を除くために、バンドパスフィルタなどのアナログフィルタや加算平均法などのデジタル処理を適宜用いてもよい。

１積層体
１０２０３０４０５０６０磁気抵抗効果素子
１００磁界発生導体
２００２１０端子パッド
３００検出抵抗
４００差動演算回路

Claims

検出磁界の向きに応じて抵抗値が変化する複数の磁気抵抗効果素子が接続され、所定の接続点間の差動電圧を出力可能なように構成されたブリッジ回路と、前記ブリッジ回路の中心付近に、前記検出磁界を集磁するとともに前記検出磁界の向きを変化させる磁性体を配置し、前記磁気抵抗効果素子に前記検出磁界の向きとは逆方向となる磁界を与える磁界発生導体と、前記ブリッジ回路の差動電圧が入力され、前記磁界発生導体に前記検出磁界の向きとは逆方向となる前記磁界を発生させる帰還電流を前記磁界発生導体に流すための差動演算回路と、前記帰還電流を電圧値として出力するための電圧変換回路と、を備え、前記磁界発生導体と前記磁気抵抗効果素子が同じ積層体内に形成されていることを特徴とする磁界検出センサ。
前記磁界発生導体は、前記積層体において前記磁気抵抗効果素子よりも下層に配置されていることを特徴とする請求項１記載の磁界検出センサ。
前記磁界発生導体は、成膜プロセスにより形成されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の磁界検出センサ。
前記検出磁界の交流磁界成分を検出する請求項１乃至３に記載の前記磁界検出センサを備えたことを特徴とする磁界検出装置。