JP2016206021A

JP2016206021A - 磁気センサおよび磁気センサの製造方法

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Publication number: JP2016206021A
Application number: JP2015088331A
Authority: JP
Inventors: 文人小池; Fumito Koike; 一郎徳永; Ichiro Tokunaga
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2015-04-23
Filing date: 2015-04-23
Publication date: 2016-12-08
Anticipated expiration: 2035-04-23
Also published as: JP6711560B2

Abstract

【課題】過大な環境負荷が磁気センサに加わり、主系統のセンサが故障するような場合であっても、全体として高い信頼性を示す磁気センサを提供する。
【解決手段】第１磁気センサ素子と、前記第１磁気センサ素子とは種類が異なる第２磁気センサ素子と、を有し、前記第１磁気センサ素子および前記第２磁気センサ素子の測定対象空間領域が同じであり、第１特性における前記第１磁気センサ素子の性能が、前記第２磁気センサ素子より高く、前記第１特性とは異なる第２特性における前記第２磁気センサ素子の性能が、前記第１磁気センサ素子より高い磁気センサを提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁気センサおよび磁気センサの製造方法に関する。

磁気センサは、複数の磁気抵抗素子等でブリッジ回路を構成し、外部磁界の方向を当該ブリッジ回路の出力で検出する回転角センサ等に応用されている。当該回転角センサが車載用である場合等、高い信頼性が要求される場合には、故障に備えた冗長性を高める必要が生じつつある。

たとえば、特許文献１は、冗長性の向上を目的とした「回転角センサ」の発明が開示されている。当該回転角センサは、回転軸の回転角に応じた検出信号を出力し、当該検出信号は、回転軸の回転角に対して正弦波状に変化するとともに位相がそれぞれ異なる第１〜第４の検出信号からなり、第１〜第４の検出信号のそれぞれの位相差は、その値をφとするとき、「０°＜φ＜１８０°」あるいは「１８０°＜φ＜３６０°」に設定される、とされている。このように構成することで、第１〜第４の検出信号のいずれか一つが異常となった場合には、残りの正常な３つの検出信号に基づいて逆正接値を演算することが可能なため、回転軸の回転角を検出することができ、３つの検出信号のいずれか一つがさらに異常となった場合でも、残りの正常な２つの検出信号に基づいて逆正接値を演算することが可能なため、回転軸の回転角を検出することができ、冗長性がさらに向上する、とされている。

特開２０１３−２５７２３１号公報

特許文献１に記載の方法や、同じ機能を有する磁気センサを、バックアップとして、もう１つ備えることで、故障を速やかに検知し、バックアップの磁気センサを稼働させて、磁気センサとしての機能を全体として維持することができる。

しかし、バックアップのための副系統の磁気センサが、主系統の磁気センサと同じ素子である場合、主系統と副系統の信頼性能は同等であり、同じ環境負荷によって主副二系統がともに故障してしまう可能性が高くなる。

本発明の目的は、過大な環境負荷が磁気センサに加わり、主系統のセンサが故障するような場合であっても、全体として高い信頼性を示す磁気センサを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、第１磁気センサ素子と、前記第１磁気センサ素子とは種類が異なる第２磁気センサ素子と、を有し、前記第１磁気センサ素子および前記第２磁気センサ素子の測定対象空間領域が同じであり、第１特性における前記第１磁気センサ素子の性能が、前記第２磁気センサ素子より高く、前記第１特性とは異なる第２特性における前記第２磁気センサ素子の性能が、前記第１磁気センサ素子より高い磁気センサを提供する。

前記第１特性が、感度（出力）、位相精度、波形歪み（直線性）、耐熱性、磁場中耐熱性、静電破壊耐性、外乱磁場耐性、外乱ノイズ耐性、製造容易性および製造コストからなる特性群から選択された何れかの特性であり、前記第２特性が、前記特性群から選択された前記第１特性以外の特性であってもよい。

前記第１磁気センサ素子が、巨大磁気抵抗効果素子、異方性磁気抵抗効果素子、トンネル磁気抵抗効果素子、ホール素子、磁気インピーダンス素子および渦電流式磁気測定素子からなる素子群から選択された何れかの素子を用いた磁気センサであり、前記第２磁気センサ素子が、前記素子群から選択された前記第１磁気センサ素子で用いる素子以外の素子を用いた磁気センサであってもよい。この場合、前記第１磁気センサ素子で用いる素子が、巨大磁気抵抗効果素子またはトンネル磁気抵抗効果素子であり、前記第２磁気センサ素子で用いる素子が、異方性磁気抵抗効果素子またはホール素子であることが好ましい。

前記第１磁気センサ素子および前記第２磁気センサ素子が単一基板上に形成されているものであってもよい。前記第１磁気センサ素子を構成する層の全部または一部が、前記第２磁気センサ素子を構成する層の全部または一部の形成工程と同様の工程で形成されたものであってもよい。前記第１磁気センサ素子が巨大磁気抵抗効果素子であり、前記第２磁気センサ素子が異方性磁気抵抗効果素子であり、前記巨大磁気抵抗効果素子のフリー層に含まれる強磁性層が、前記異方性磁気抵抗効果素子の強磁性層を形成した工程と同様の工程で形成されたものであってもよい。

本発明の第２の態様においては、上記した磁気センサの製造方法であって、前記第１磁気センサ素子に含まれる強磁性層を形成する第１工程と、前記第２磁気センサ素子に含まれる強磁性層を形成する、前記第１工程と同様の第２工程と、を有する磁気センサの製造方法を提供する。

前記第１磁気センサ素子が巨大磁気抵抗効果素子であり、前記第２磁気センサ素子が異方性磁気抵抗効果素子であり、固定磁性層、非磁性中間層およびフリー磁性層を含む大磁気抵抗効果素子形成用の第１積層膜を形成し、前記第１積層膜をパターニングして前記巨大磁気抵抗効果素子を形成する工程と、前記巨大磁気抵抗効果素子を形成する工程を、印加する磁場の方向を変えて繰り返す工程と、強磁性層を含む異方性磁気抵抗効果素子形成用の第２積層膜を形成し、前記第２積層膜をパターニングして前記異方性磁気抵抗効果素子を形成する工程と、を有し、前記第１積層膜に含まれる前記フリー磁性層の成膜工程と、前記第２積層膜に含まれる前記強磁性層の成膜工程が、成膜時間を除き同一の工程のものであってもよい。前記繰り返す工程で形成された少なくとも４つの前記巨大磁気抵抗素子によってブリッジ回路が構成されてもよく、この場合、前記ブリッジ回路において同一ブリッジに属する巨大磁気抵抗素子は、前記繰り返す工程において連続して形成されてもよい。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

磁気センサ１００を用いた磁気センサモジュールを示す。磁気センサ１００の平面図である。磁気センサ１００の一部断面図である。磁気センサ１００の回路図である。磁気センサ１００の出力の一例を示す。磁気センサ１００の出力の一例を示す。磁気センサ１００の製造途中の一例を示した平面図である。磁気センサ１００の製造途中の一例を示した平面図である。磁気センサ１００の製造途中の一例を示した平面図である。磁気センサ１００の製造途中の一例を示した平面図である。磁気センサ１００の製造途中の一例を示した平面図である。他の磁気センサの例を示した平面図である。磁気センサに用いることができる磁気センサ素子の長所および短所の一例を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、磁気センサ１００を用いた磁気センサモジュールを示す。図１に示す磁気センサモジュール１０は、基板１２上に演算処理装置１４およびチップコンデンサ等の電子部品１６を有し、外部接続用のリード１８を有する。なお基板１２は一般に銅製のリードフレームであり、回路を形成するために、プレスまたはエッチングにより加工されているが、本図では詳細を省略している。また、基板１２の中央部に磁気センサ１００を有する。磁気センサモジュール１０は、たとえば回転磁場中に配置され、あるいは固定磁場中で回転する部材に設置され、磁界の回転状態等を検出する。測定対象である回転磁場等は、磁気センサ１００の全体とほぼ同じであり、磁気センサ１００に複数の磁気センサ素子を備える場合は、各磁気センサ素子の測定対象空間領域は同じであるといえる。

図２は、磁気センサ１００の平面図であり、図３は、磁気センサ１００の一部断面図である。磁気センサ１００は、第１磁気センサ素子１２０と、第１磁気センサ素子１２０とは種類が異なる第２磁気センサ素子１４０とを有する。第１磁気センサ素子１２０および第２磁気センサ素子１４０の測定対象空間領域は、前記したとおり同じである。

第１磁気センサ素子１２０および第２磁気センサ素子１４０として、ここでは、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ：以下単に「ＧＭＲ素子」と言う場合がある。）および異方性磁気抵抗効果素子（ＡＭＲ：以下単に「ＡＭＲ素子」と言う場合がある。）をそれぞれ示す。第１磁気センサ素子１２０および第２磁気センサ素子１４０を構成する各センサ素子は、単一の基板１１０上に形成されている。

第１磁気センサ素子１２０は、固定磁性層の磁化方向が異なる４種のＧＭＲ素子１２０ａ〜ｄを有し、第２磁気センサ素子１４０は、基板１１０上に配置された角度が異なる４種のＡＭＲ素子１４０ａ〜ｄを有する。ＧＭＲ素子１２０ａ〜ｄおよびＡＭＲ素子１４０ａ〜ｄのそれぞれは、配線１５０によって接続され、ブリッジ回路が構成される。

図３に示すように、第１磁気センサ素子１２０は、シード層１２２、固定磁性層１２４、非磁性中間層１２６、フリー磁性層１２８およびキャップ層１３０を有し、第２磁気センサ素子１４０は、シード層１４２、強磁性層１４４およびキャップ層１４６を有する。固定磁性層１２４は、Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ−Ｆｅｒｒｉ−Ｐｉｎ構造を有し、第１強磁性層１２４ａ、非磁性中間層１２４ｂおよび第２強磁性層１２４ｃを有する。フリー磁性層１２８は、エンハンス層１２８ａおよびフリー層１２８ｂを有する。フリー層１２８ｂと強磁性層１４４とは同一の材料で構成されてもよい。

固定磁性層１２４は、セルフピン止め型の固定磁性層であり、図２および後に示す図面における白抜き矢印は、固定磁性層１２４の磁化方向である。フリー磁性層１２８は、外部磁場によって磁化方向が変化し、固定磁性層１２４の磁化方向とフリー磁性層１２８の磁化方向の角度に応じて第１磁気センサ素子１２０であるＧＭＲ素子の抵抗値が変化する。第２磁気センサ素子１４０であるＡＭＲ素子は、ミアンダ形状に形成された強磁性層１４４の長手方向に一軸磁気異方性の容易軸を有し、配置方向が異なるＡＭＲ素子の組み合わせによって外部磁界を検知する。

図４は、磁気センサ１００の回路図を示す。図４は、第１磁気センサ素子１２０であるＧＭＲ素子についてのみ示すが、第２磁気センサ素子１４０であるＡＭＲ素子の回路も同様である。固定磁性層の磁化方向が異なる８個のＧＭＲ素子１２０ａ〜ｄで２つのブリッジ回路を構成し、Ｏｕｔ４端子およびＯｕｔ１端子間に出力されるＯｕｔ４−Ｏｕｔ１差動出力と、Ｏｕｔ３端子およびＯｕｔ２端子間に出力されるＯｕｔ３−Ｏｕｔ２差動出力とから、外部磁界の回転角を計算することができる。図５は、磁気センサ１００の出力の一例であり、図２における紙面水平右方向を基準とした場合の回転角に対する図４のブリッジ回路の出力を示す。Ｏｕｔ４−Ｏｕｔ１差動出力とＯｕｔ３−Ｏｕｔ２差動出力とからアークタンジェントを計算すれば、外部磁界の角度を知ることができる。

なお、第２磁気センサ素子１４０であるＡＭＲ素子についても同様に８個のＡＭＲ素子１４０ａ〜ｄで２つのブリッジ回路を構成し、Ｏｕｔ６端子およびＯｕｔ５端子間に出力されるＯｕｔ６−Ｏｕｔ５差動出力と、Ｏｕｔ８端子およびＯｕｔ７端子間に出力されるＯｕｔ８−Ｏｕｔ７差動出力とから、外部磁界の回転角を計算することができる。図６は、磁気センサ１００の出力の一例であり、図２における紙面水平右方向を基準とした場合の回転角に対する図４同様のブリッジ回路からの出力を示す。Ｏｕｔ６−Ｏｕｔ５差動出力とＯｕｔ８−Ｏｕｔ７差動出力とからアークタンジェントを計算すれば、外部磁界の角度を知ることができる。

上記したように、本実施形態の磁気センサ１００は、第１磁気センサ素子１２０および第２磁気センサ素子１４０から、同じ外部磁界について、独立に二つの出力が得られる。この結果、磁気センサ１００の信頼性が高まる。しかも、第１磁気センサ素子１２０と第２磁気センサ素子１４０とは種類が異なるので、故障モードが異なり、同時に故障するリスクが極めて小さい。このため、磁気センサ１００の信頼性はより高くなる。

図７〜図１１は、磁気センサ１００の製造途中の一例を示した平面図である。図７に示すように、まず紙面垂直下方向に磁界を加えた状態で、ＧＭＲ素子１２０ａを形成する。ＧＭＲ素子１２０ａは、図３に示したシード層１２２、固定磁性層１２４、非磁性中間層１２６、フリー磁性層１２８およびキャップ層１３０の各層を、たとえばスパッタ法で成膜し、マスクをパターニングした後にエッチングする方法あるいは、予めパターニングされたマスクをリフトオフする方法によってパターニングし、形成する。

次に図８に示すように、紙面垂直上方向に磁界を加えた状態で、ＧＭＲ素子１２０ｃをＧＭＲ素子１２０ａと同様な方法で形成する。さらに、図９に示すように、紙面水平右方向に磁界を加えた状態で、ＧＭＲ素子１２０ｂをＧＭＲ素子１２０ａ、ｃと同様な方法で形成し、図１０に示すように、紙面水平左方向に磁界を加えた状態で、ＧＭＲ素子１２０ｄをＧＭＲ素子１２０ａ〜ｃと同様な方法で形成する。

以上の通り、ＧＭＲ素子１２０ａ〜ｄは、印加する磁場の方向を変えて繰り返す工程により形成され、当該ＧＭＲ素子１２０ａ〜ｄによってブリッジ回路が構成される。当該ブリッジ回路において、ＧＭＲ素子１２０ａとＧＭＲ素子１２０ｃは同一ブリッジに属し、ＧＭＲ素子１２０ｂとＧＭＲ素子１２０ｄは他の同一ブリッジに属することになるが、同一ブリッジに属するＧＭＲ素子（ＧＭＲ素子１２０ａとＧＭＲ素子１２０ｃ、および、ＧＭＲ素子１２０ｂとＧＭＲ素子１２０ｄ）は、前記した繰り返す工程において連続して形成することができる。同一ブリッジに属するＧＭＲ素子を連続して形成することで、磁気特性を揃えることができ、センサ特性のバラツキを低く抑えることができる。

次に、図１１に示すように、ＡＭＲ素子１４０ａ〜ｄを形成する。ＡＭＲ素子１４０ａ〜ｄは、図３に示したシード層１４２、強磁性層１４４およびキャップ層１４６の各層を、たとえばスパッタ法で成膜し、マスクをパターニングした後にエッチングする方法あるいは、予めパターニングされたマスクをリフトオフする方法によってパターニングし、形成する。

ここで、強磁性層１４４の成膜は、フリー磁性層１２８のフリー層１２８ｂの成膜と同じプロセスを利用することができる。この結果、プロセスに必要な装置等が共用でき、製造コストの低減を図ることができる。

最後に配線１５０を形成し、パッド領域等にメッキを施して、パッド領域以外には保護膜を施して、図２に示す磁気センサ１００を製造することができる。

以上説明した磁気センサ１００によれば、同一の故障モードで全てが故障するようなことが生じない高い信頼性を有する磁気センサを得ることができる。たとえば、過大な環境負荷が磁気センサに加わり、主系統のセンサが故障するような場合であっても、全体として高い信頼性を示す磁気センサを提供することができる。また、製造プロセスの一部を共用して、コストを削減することができる。

なお、上記した実施形態では、第１磁気センサ素子１２０としてＧＭＲ素子を、第２磁気センサ素子１４０としてＡＭＲ素子を例示したが、図１２に示すように、第２磁気センサ素子２１０として、ホール素子を用いることもできる。その他、ＧＭＲ素子と組み合わせる磁気センサ素子として、トンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）、磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）、渦電流式磁気測定素子を挙げることができる。また、第１磁気センサ素子および第２磁気センサ素子として、上に示した素子から任意に二つの磁気センサ素子を選択してもよい。さらに３種以上の磁気センサ素子を組み合わせてもよい。この場合、さらに信頼性を高めることができる。

図１３は、選択可能な磁気センサ素子の例を示し、各磁気センサ素子の長所および短所を示す。これら磁気センサ素子は、互いに性能を補完する関係にあるものを選択することが好ましい。つまり、ある特性（第１特性）における第１磁気センサ素子１２０の性能が、第２磁気センサ素子１４０より高く、他の特性（第２特性）における第２磁気センサ素子１４０の性能が、第１磁気センサ素子１２０より高いことが好ましい。第１特性および第２特性として、感度（出力）、位相精度、波形歪（直線性）、耐熱性、磁場中耐熱性、静電破壊耐性、外乱磁場耐性、外乱ノイズ耐性、製造容易性および製造コストを示すことができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１０…磁気センサモジュール、１２…基板、１４…演算処理装置、１６…電子部品、１８…リード、１００…磁気センサ、１１０…基板、１２０…第１磁気センサ素子、１２０ａ〜ｄ…ＧＭＲ素子、１２２…シード層、１２４…固定磁性層、１２４ａ…第１強磁性層、１２４ｂ…非磁性中間層、１２４ｃ…第２強磁性層、１２６…非磁性中間層、１２８…フリー磁性層、１２８ａ…エンハンス層、１２８ｂ…フリー層、１３０…キャップ層、１４０…第２磁気センサ素子、１４０ａ〜ｄ…ＡＭＲ素子、１４２…シード層、１４４…強磁性層、１４６…キャップ層、１５０…配線、２１０…第２磁気センサ素子

Claims

第１磁気センサ素子と、前記第１磁気センサ素子とは種類が異なる第２磁気センサ素子と、を有し、
前記第１磁気センサ素子および前記第２磁気センサ素子の測定対象空間領域が同じであり、
第１特性における前記第１磁気センサ素子の性能が、前記第２磁気センサ素子より高く、
前記第１特性とは異なる第２特性における前記第２磁気センサ素子の性能が、前記第１磁気センサ素子より高い
磁気センサ。
前記第１特性が、感度（出力）、位相精度、波形歪（直線性）、耐熱性、磁場中耐熱性、静電破壊耐性、外乱磁場耐性、外乱ノイズ耐性、製造容易性および製造コストからなる特性群から選択された何れかの特性であり、
前記第２特性が、前記特性群から選択された前記第１特性以外の特性である
請求項１に記載の磁気センサ。
前記第１磁気センサ素子が、巨大磁気抵抗効果素子、異方性磁気抵抗効果素子、トンネル磁気抵抗効果素子、ホール素子、磁気インピーダンス素子および渦電流式磁気測定素子からなる素子群から選択された何れかの素子を用いた磁気センサであり、
前記第２磁気センサ素子が、前記素子群から選択された前記第１磁気センサ素子で用いる素子以外の素子を用いた磁気センサである
請求項１または請求項２に記載の磁気センサ。
前記第１磁気センサ素子で用いる素子が、巨大磁気抵抗効果素子またはトンネル磁気抵抗効果素子であり、
前記第２磁気センサ素子で用いる素子が、異方性磁気抵抗効果素子またはホール素子である
請求項３に記載の磁気センサ。
前記第１磁気センサ素子および前記第２磁気センサ素子が単一基板上に形成されている
請求項１から請求項４の何れか一項に記載の磁気センサ。
前記第１磁気センサ素子を構成する層の全部または一部が、前記第２磁気センサ素子を構成する層の全部または一部の形成工程と同様の工程で形成されたものである
請求項５に記載の磁気センサ。
前記第１磁気センサ素子が巨大磁気抵抗効果素子であり、前記第２磁気センサ素子が異方性磁気抵抗効果素子であり、
前記巨大磁気抵抗効果素子のフリー層に含まれる強磁性層が、前記異方性磁気抵抗効果素子の強磁性層を形成した工程と同様の工程で形成されたものである
請求項６に記載の磁気センサ。
請求項１から請求項７の何れか一項に記載の磁気センサの製造方法であって、
前記第１磁気センサ素子に含まれる強磁性層を形成する第１工程と、
前記第２磁気センサ素子に含まれる強磁性層を形成する、前記第１工程と同様の第２工程と、を有する磁気センサの製造方法。
前記第１磁気センサ素子が巨大磁気抵抗効果素子であり、前記第２磁気センサ素子が異方性磁気抵抗効果素子であり、
固定磁性層、非磁性中間層およびフリー磁性層を含む巨大磁気抵抗効果素子形成用の第１積層膜を形成し、前記第１積層膜をパターニングして前記巨大磁気抵抗効果素子を形成する工程と、
前記巨大磁気抵抗効果素子を形成する工程を、印加する磁場の方向を変えて繰り返す工程と、
強磁性層を含む異方性磁気抵抗効果素子形成用の第２積層膜を形成し、前記第２積層膜をパターニングして前記異方性磁気抵抗効果素子を形成する工程と、を有し、
前記第１積層膜に含まれる前記フリー磁性層の成膜工程と、前記第２積層膜に含まれる前記強磁性層の成膜工程が、成膜時間を除き同一の工程である
請求項８に記載の磁気センサの製造方法。
前記繰り返す工程で形成された少なくとも４つの前記巨大磁気抵抗素子によってブリッジ回路が構成され、
前記ブリッジ回路において同一ブリッジに属する巨大磁気抵抗素子は、前記繰り返す工程において連続して形成される
請求項９に記載の磁気センサの製造方法。