JP2016522897A - 磁界センサ装置 - Google Patents

Abstract

磁界ベクトル成分Ｈｅを測定するための磁界センサ装置（１０）は、チップ基板（１２）に少なくとも１つの抵抗体デバイス（１４）を含み、抵抗体デバイス（１４）は、導電性ストリップ（１８）により直列に接続される抵抗体素子（１６）を含む。磁化軸（２２）を有する少なくとも１つの永久磁化素子（２０）は、磁化素子（２０）の初期着磁磁界Ｈ０が磁化軸（２２）の方向に抵抗体素子（１６）を通過するように、各抵抗体素子（１６）に配置される。第１の導電性ストリップ（１８ａ）と抵抗体素子（１６）との間の接触領域（２４）から抵抗体素子（１６）と第２の導電性ストリップ（１８ｂ）との間の接触領域（２６）まで抵抗体素子（１６）を流れる測定電流Ｉｓは、磁化軸（２２）に対してα＞０°及びα＜９０°の所定の線形角度（３０）で平均電流方向軸（２８）を有する。本発明に係る高感度の磁界センサ装置（１０）は、大量で経済的に製造され得る。【選択図】図３

Description

本発明は、チップ基板に配置される少なくとも１つの異方性磁気抵抗体デバイスを含む少なくとも１つの磁界ベクトル成分を測定するための磁界センサ装置に関する。この抵抗体デバイスは、導電性ストリップによって直列に接続される複数の磁気抵抗ＡＭＲ（異方性磁気抵抗）抵抗体素子を含む。

ＡＭＲ抵抗体層の動作モードに基づく電子磁界センサ装置は、先行技術からよく知られる。ＡＭＲ効果（異方性磁気抵抗効果）は、材料を通じる電流の流れに対する磁界ベクトルの位置によって、材料に流れる電流と外部磁界との角度に応じて電気抵抗を変更する材料の性質である。この効果は特に、非常に薄く細長いパーマロイのストリップにおいて観察され得る。

パーマロイは８１％のニッケル及び１９％の鉄からなる合金である。電流が磁界ベクトル成分の方向に流れる場合、この材料の電気抵抗は最大になる。電流が電磁界ベクトル成分に対して垂直に配置する場合、この材料の電気抵抗は最低になる。分子レベルで、この効果は電気磁化の方向に依存する原子の電子スピンの配向乱れに起因する。一般的に、上記構成において、電気抵抗は式Ｒ＝Ｒ_⊥＋（Ｒ_＝−Ｒ_⊥）ｃｏｓ^２（θ）（式中、θは磁界ベクトル成分とＡＭＲ測定ストリップにおける電流の流れ方向との間の角度である。）によって得られる。上記方程式に示すように、電流が磁界ベクトル成分に対して約４５°で流れる場合、高感度性（すなわち、被測定磁界の変化に伴って抵抗値が大きく変化する）は特に高くなる。電流とベクトル成分との間の角度関係で、磁界の変化に対応する抵抗値変化は線形になる。公式として上記で表される抵抗の変化を引き起こす測定電流Ｉ_ｓと磁界Ｍ（Ｈ）との関係は図１に示される。ここで、抵抗の変化を引き起こす磁界Ｍ（Ｈ）は、被測定外部磁界によって提供され、電流Ｉ_ｓの流れ方向に対して垂直なベクトル成分Ｈ_ｅと、電流Ｉ_ｓの流れ方向に沿う初期磁化Ｍ_０とで表される。

ＡＭＲ測定ストリップに配置される床屋の看板構造（barber's pole structure）、すなわち、薄い導電性構造として知られ、例えば、アルミニウム、銅、金、又は銀のような極導電性材料からなる配置は、磁界センサ装置の設計のために、従来から知られている。

床屋の看板構造は、ＡＭＲ抵抗体ストリップの長手方向に対して４５°で配列し、米国における床屋用の広告看板を連想させるので、床屋の看板構造と呼ばれる。図２に示すように、抵抗体ストリップに流れる電流は、それによって、ストリップの長手方向に対して４５°の方向に流れるようにする。その結果、図１に示される抵抗値の電流ベクトル配向に対する依存性を示す曲線は、磁界ベクトルに対して４５°シフトされるため、図２に示すように、線形化区域にシフトされ得る。床屋の看板構造の配向に依存して、外部磁界がＡＭＲ抵抗体ストリップの長さに対して長手方向又は横方向に配向されると、抵抗体と被測定磁界の大きさとの間の線形化の正又は負のエッジが生じる。

床屋の看板構造に基づく磁界センサ装置は、例えば、ＤＥ３４４２２７８Ａ１から知られる。配向が異なる床屋の看板構造を持つこのような４つの磁界センサ装置は、外部磁界Ｈ_ｅにおける抵抗値の線形化依存性をもたらすために、ホイートストン測定ブリッジで互いに接続され、このホイートストン測定ブリッジにおいて、抵抗体ストリップの内部磁化Ｍ_０の初期磁化は肉眼で見える磁気コイルにより発生する外部磁界によって達成される。この目的のために、磁界は電流に対して垂直又は平行になるように発生し、ＡＭＲ抵抗体測定ストリップの初期磁化を生じさせるので、垂直に配向される被測定磁界Ｈ_ｅは、測定可能な磁界センサ装置の電気抵抗における線形変化を引き起こす。その磁界センサ装置から、外部磁界Ｈ_ｅの大きさが確定できる。

このような設計の改良は、例えば、ドイツ特許第４３１９１４６Ｃ２号に記載されている。ドイツ特許第４３１９１４６Ｃ２号において、フリップ電流導体がＡＭＲ測定ストリップの長手方向に初期磁化Ｍ_０を生じさせながら、床屋の看板構造を持つ一連のＡＭＲ抵抗体デバイスは、フリップ電流（flip current）が流れているコンダクタに沿って配置されることが提案される。フリッピング、すなわち、内部磁化方向の反転によって、抵抗挙動（resistance behavior）の再配向又は較正を実現できる。それに対して垂直な外部磁界Ｈ_ｅは高感度で測定され得る。ＡＭＲ抵抗体ストリップの長手方向に初期磁化Ｍ_０を生じさせるために、フリップコンダクタ（flip conductor）を流れるフリップ電流Ｉｆが使用されることで、増大した電流は、初期磁化を提供するために使用される必要がある。非常に細かい微細構造をＡＭＲ抵抗体ストリップに配置する必要があり、個々のストリップの間の短絡を防止する必要があるので、床屋の看板構造の使用は、プロセス技術の観点から不利である。フリップコンダクタの配置は製造ステップの数を増加させ、フリップ電流の制御は制御電子機器に対する要求を高める。

Ｒ┴のＲ─に対する比率は、パーマロイにおいて約３％である。異方形状の結果は、ストリップが特に薄くて、長さが幅より大きくなるように選択される磁気抵抗体であり、長手方向、すなわち、電流方向に平行な方向における異方形状の結果として好ましい磁化方向を示す。初期磁化に電圧を加えて、抵抗体ストリップにおける磁化を安定させるために、磁気抵抗層構造の周辺に取り付けられる巨視的永久磁石をさらに提供することが知られている。これらの永久磁石は、ストリップの内部磁化の反転を防止することを目的とする。このようなさらなる永久磁石は、例えば、ドイツ特許第４２２１３８５Ｃ２号に記載されている。この解決策の特有のデメリットは、得られる構造寸法及び使用される部品のコストとともに、多くの組立手間がかかることである。

欧州特許第０７６６８３０Ｂ号には、デジタル磁気記憶媒体のための磁気抵抗読取ヘッドが記載されている。欧州特許第０５８５００８Ａ２号には、例えば、ハードディスクなどのデジタル磁気記憶媒体の応用のために、磁気抵抗体素子を挟む２つの永久磁石を有する磁気抵抗読取ヘッドがさらに開示されている。その２つの永久磁石素子は、抵抗体素子内の内部磁化方向を提供する。抵抗体素子は、磁化方向に対して約４５°偏移する測定電流が抵抗体素子に流れ得るように、導電性ストリップによって接触される。この構成を選択することにより、例えば、磁気テープ又は磁気記憶ディスクなどの強磁性磁気記憶媒体のビット情報を担持する磁化位置は、抵抗体素子における急峻なエッジ及び小さな空間／時間的偏移のために、所定の長方形及び対称形の抵抗値変化を生じさせるので、磁気ビット記憶密度が増大し、隣接した磁界ビットの間のクロストークが抑制され、アナログサーバデータが対称的に読み出され得る。読取ヘッドは、抵抗体素子そのものと類似している空間範囲で２成分の磁界情報を高速に検出するために最適化され、外部磁界の磁界成分の強さ及び方向の検出に、例えば、コンパス又は電流測定への適用に適さない。

そのため、従来より知られるＡＭＲ磁界センサ装置は、特性抵抗曲線の線形化のために床屋の看板状のストリップを使用することによって問題を引き起こす。すなわち、一方で、プロセス技術では抵抗体ストリップに非常に細かい床屋の看板構造を配置する必要があり、他方で、初期磁化のため、又は内部磁化を維持するために、外部回路及び付加的なフリップコンダクタ又は外部磁石を提供する必要があるので、消費電流を増加させて電子回路の複雑性を増やすことがある。

米国特許第６,８２２,４４３Ｂ１号には、互いに角度をなす２つの磁界成分を測定するための磁界センサ装置が示されている。その磁界センサ装置は、互いに分かれて評価され得る２つのホイートストン測定ブリッジを含む。各測定ブリッジは、２つの磁気中性レジスタ及び２つの磁気抵抗体を含む。その磁気抵抗体は、can be ＡＭＲ／ＳＤＴ／ＧＭＲ又はホールレジスタ（Hall resistor）であってもよい。

磁界に対する感度を高めるために、「自由強磁性層」と呼ばれ、ＮｉＦｅからなる未着磁の磁束集中素子は、磁気抵抗体の領域に配置され得る。

ＷＯ２０１２／１０３９５０Ａ１には、ブリッジレジスタが各抵抗体素子の直列接続で構成されるＡＭＲ抵抗体デバイスが示されている。そのＡＭＲ抵抗体デバイスにおいて、１つのブリッジレジスタにおける抵抗体素子の配置は別のブリッジレジスタの抵抗体素子の配置と櫛状で噛み合うように配置される。

上記した先行技術から始まって、本発明の目的は、安価な磁界センサ装置が得られるために、外部巨視的支持磁石（externalmacroscopic support magnets）、床屋の看板構造、及びフリップ電流コンダクタのデメリットを受け入れることなく、高感度の線形化特性抵抗曲線を達成できるＡＭＲ磁界センサ装置を提供することである。

上記の目的は、請求項１における教示に基づいて、磁界センサ装置によって達成することができる。本発明の有利な実施形態は、従属請求項の対象である。

本発明によれば、チップ基板に配置される１つの異方性磁気抵抗デバイス（ＡＭＲ抵抗体デバイス）を含む、磁界ベクトル成分Ｈ_ｅを測定するための磁界センサ装置であって、その抵抗体デバイスは、導電性ストリップによって接触される複数の磁気抵抗ＡＭＲ抵抗体素子を含む磁界センサ装置である。各抵抗体素子に対して、磁化軸を有する少なくとも１つの永久磁石磁化素子は、磁化素子の初期着磁磁界（initial magnetization field）Ｈ_０が磁化軸の方向に抵抗体素子を通過するように配置される。本発明は、第１の導電性ストリップと抵抗体素子との間の接触領域から抵抗体素子と第２の導電性ストリップとの間の接触領域まで抵抗体素子を流れる測定電流Ｉ_ｓが、磁化軸に対してα＞０°且つα＜９０°の所定の線形角度で平均電流方向軸を有することに基づくものである。

つまり、少なくとも１つ、特に複数の抵抗体デバイス、すなわち、別々に接続可能なＡＭＲ抵抗体を含む磁界センサ装置であって、各抵抗体デバイスは直列に電気接続される複数のＡＭＲ抵抗体素子を含む磁界センサ装置を提供する。抵抗体素子は、電流がＡＭＲ抵抗体素子を直列に流れるように、導電性ストリップによって接触され、初期着磁磁界Ｈ_０が抵抗体素子内の内部初期磁化Ｍ_０を生じさせる１つ又は２つの磁化素子は、各抵抗体素子に配置される。導電性ストリップの配向及び形状並びに抵抗体素子ヘの接触によって規定される電流の流れ方向に対する磁化素子の配置は、線形角度αが磁化素子の磁化軸と測定電流の流れ方向との間に形成され、０°〜９０°の範囲で調整できるように選ばれる。その結果、図２における特性抵抗曲線で比較的に示すように、特性抵抗曲線の偏移は、外部磁界Ｈ_ｅに応じた抵抗値の線形化特性曲線が得られるように、磁化ベクトルと電流の方向との間で線形領域α＝４５°の方向に調整され得る。抵抗体素子を通過する電流は、導電素子を通過する電流に対して角度をなすように流れることができ、磁化ベクトルは、導電素子を通過する電流の流れ方向と平行又は垂直に配向され得る。または、導電素子と抵抗体素子とを通過する電流の流れ方向は同一であり得る一方、磁化ベクトルは電流の全体的な流れ方向に対して角度αで配向される。

同一方向に配向される別個の磁化素子又は１対の磁化素子が各抵抗体素子に配置され得ることが望ましいが、例えば、単一の磁化素子は、複数の抵抗体素子に初期磁化Ｍ_０を提供することができる。抵抗体素子と導電性ストリップとの接触位置、すなわち、ＡＭＲ抵抗体素子の形状及び導電性ストリップと抵抗体素子との接触部位の位置により、抵抗体素子における電流の流れ方向を設定できる。好ましくは、一連のＡＭＲ抵抗体素子の配向に対して平行でも垂直でもないように調整することができる。抵抗体素子の長手方向又は横方向の配向方向における着磁を有する磁化素子の位置は、抵抗体素子を流れる電流の方向に対して、線形角度αをなす。ＡＭＲ抵抗体素子を通過する電流の流れ方向に対する磁化素子の構造配置により、特性抵抗曲線の偏移は、磁界に応じて抵抗値の線形化を提供するように達成できる。床屋の看板ストリップの配置、及びフリップコンダクタによるフリップ磁界（flip magnetic field）又は初期着磁磁界の人工生成が不要となり、抵抗体素子を通過する永久磁石素子の磁界を均質に誘導することが実現される。センサチップの設計は、製造が容易であり、電気接続及び簡単な設計の制御電子機器が減少するとともに、消費電流を低下させる。

原則として、線形角度は０°〜９０°の間の任意の値であってもよい。本発明の１つの有利な実施形態によれば、線形角度の値は|α|（絶対値）＝４５°である。線形角度αは、任意の所望の値に設定されてもよく、ＡＭＲ抵抗素子を通過する電流の流れの軸に対して磁化素子の磁化軸の配置のみによって定められる。４５°に設定することにより、ＡＭＲ特性抵抗曲線に対してＡＭＲ特性抵抗体曲線の完全な線形化が得られるため、特にＨ_ｅ＜Ｈ_０が適用される限り、外部磁界の値は抵抗値変化から直接確認され得る。そのため、評価電子機器が簡素化され、測定精度が増加する。

原則として、単一の抵抗素子は、磁界ベクトル成分を測定するために十分である。有利な発展にしたがって、各抵抗体デバイスは、好ましくは１つ以上の直線状平行列に沿ってチップ基板に配置される１０以上のＡＭＲ抵抗体素子の直列回路を含んでもよい。磁化素子の磁化軸は、抵抗体デバイスの長手方向に対して平行又は垂直に配向され得る。１０以上のＡＭＲ抵抗体素子の配置によってＡＭＲ抵抗値を増加させるため、消費電流を低減させることで、電気的損失を低下させる。抵抗体素子は直線状列に配置されることが好ましく、複数の平行列は単一の抵抗体デバイスを形成するように電気的に直列接続され得る。このようにして、パッキング密度が増加する。各抵抗体素子は５Ω〜５０Ωの抵抗値を有することが好ましい。直列回路はこのように、少なくとも５０Ωの抵抗値（一般的に、数百Ω〜数ｋΩの値を採用する）が得られる。つまり、測定電流を低下させるため、装置によるエネルギー消費も低減させる。

磁化素子の磁化軸は、直列に配置されるＡＭＲ抵抗体素子の長手方向に対して、平行、垂直、又は４５°になることが好ましい。したがって、導電性ストリップの接触部位及び形状は、電流が抵抗体素子の初期磁化Ｍ_０に対して角度αをなすように配置して設計される。抵抗体デバイスに配置される磁化素子は、ここで、すべての抵抗体素子に対して同じように配向され得る。これにより、チップ基板にコンパクトで省スペースに配置される単一の抵抗体又は抵抗体デバイスを提供することができる。

１つの有利な発展に従って、抵抗体素子はプレートレットとして形成されてもよく、対称なフットプリント、特に正多角形、円形、又は楕円形のフットプリントを有してもよい。プレートレット設計によって、長さ及び幅と比較して厚みの薄い抵抗体素子が得られる一方、対称なフットプリントによって、チップ基板に多数の抵抗体デバイスが配置されるため、チップ基板の有効面積を最適に利用することができる。このようにして、例えば、非常に集中した高感度ＡＭＲ抵抗体装置は、小さなスペースに配置され得る。対称なフットプリントで抵抗体素子を設計することにより、単に抵抗体素子と接触する導電性ストリップの接触点及び形状によって電流の流れ方向が決められる。抵抗体素子の接触点又は接触面に対する対称、及び磁化素子の磁化ベクトルに対する対称は、一方で、抵抗体素子を通過する測定電流Ｉ_ｓの均質な電流分布が得られるという利点を有するが、他方で、抵抗体素子内に均一な初期磁化Ｍ_０が得られる。このようにして、電流の流れ方向及びＡＭＲ抵抗素子に侵入する磁界は正確に定められ、それゆえ線形角度αは、正確に定められる。

1つの有利な発展に従って、１つの永久磁化素子が各抵抗体素子に配置されることができ、磁化素子の磁束は少なくとも部分的に抵抗体素子を通過する。好ましくは、永久磁化素子は、鉄、コバルト、ニッケル、フェライトもしくはそれらの合金（例えば、ＣｏＰｔＣｒ）、又はＣｏＳｍもしくはＮｄＦｅＢなどの希土類金属化合物のようなＮ極及びＳ極で静磁界を形成する強磁性材料からなる。磁力線は両磁極端から発生し、外部の漂遊磁界によって再び閉鎖される。漂遊磁界の領域において、抵抗体素子は、漂遊磁界が電流の方向に対して線形角度αでＮ極からＳ極まで抵抗体素子を通過するように配置される。この実施形態において、単一の永久磁化素子、すなわち、要素磁石（elementarymagnet）は、各抵抗体素子に配置される。抵抗体素子と永久磁化素子との組み合わせは、ここで、磁界センサ装置に組み込まれる抵抗体デバイスの可能な限り小さなユニットを表す。

上記の実施形態において、磁化素子が抵抗体素子の全領域を覆うことは、漂遊磁界が広い領域でＡＭＲ抵抗素子を通過するため、特に有利である。このようにして、初期着磁磁界Ｈ_０によってＡＭＲ素子の良好な初期磁化が得られる。

上記の実施形態の代替として、共通の磁化軸に沿って配向される２つの永久磁化素子が抵抗体デバイスの抵抗体素子に配置されることが有利であり、ここで、１つの磁化素子のＮ極から隣接した磁化素子のＳ極までの磁束は少なくとも部分的に抵抗体素子を通過する。そのため、この実施形態において、２以上の磁化素子が一列に配置され、１つの磁化素子の各Ｎ極から隣接した各磁化素子のＳ極までの磁束が得られる。永久磁化素子は、２つの磁化素子の間の漂遊磁界がそれを通過するように、この着磁用磁束に配置される。ここで、抵抗体素子に対する単一の磁化素子が１：１の配置ではないが、むしろ、各抵抗体素子が１対の磁化素子の間のスペースに配置される。つまり、磁化素子と抵抗体素子とは重なり合わないが、互いに対してオフセットして配置される。

上記の典型的な実施形態において、抵抗体素子は２つ磁化素子の端部領域の間に配置されることがさらに有利であり、ここで、抵抗体素子に対向する端部領域は、抵抗体素子を少なくともその周辺部に沿って相補形状で囲む。そのため、各磁化素子の端部領域は、相補形状で抵抗体素子の周辺を囲むように外周線を有する提案が有利である。そのため、平穏な磁束は、１つの磁化素子のＮ極からＡＭＲ抵抗素子を通して隣接した別の磁化素子のＳ極まで通過することができる。したがって、漂遊磁界損失を低下させ、均質な初期着磁磁界Ｈ_０が得られる。

本発明のさらなる有利な実施形態によれば、抵抗体素子の層厚及び磁化素子の層厚は、１０μｍ以下であり、好ましくは１μｍ未満であり、特に好ましくは５０ｎｍ未満である。ここで、特に、磁化素子の層厚は、抵抗体素子の層厚の１０倍以下である。少なくとも１０μｍ未満で、好ましくは１μｍ未満である層厚の大きさによって、肉眼で見える磁界コイル又はその類似物を使用する必要なく、ＡＭＲ磁界センサ装置のためのコンパクトなチップ構造が得られることを保証できる。ＡＭＲ抵抗体ストリップのような永久磁石素子は、チップ基板における同一又は異なる平面に位置し、コンパクトなチップ構造に組み込まれ得る。

本発明のさらなる有利な実施形態によれば、１つの装置に少なくとも２つ、特に数個の抵抗体デバイスを含む。各抵抗体デバイスは、直線状平行列に配置される複数の抵抗体素子を含み、２つの抵抗体デバイスの上記列は、櫛状で互いに噛み合うように配置される。櫛状に配置される抵抗体デバイスの線形角度は、互いに対して９０°偏移することが好ましい。抵抗体デバイスは、特にハーフブリッジ又はフルブリッジの形で相互接続される。
この実施形態において、磁界センサ装置は、２以上、好ましくは４つの抵抗体デバイスを含み、すなわち、互いにコンパクトに入れ子状となるようにチップ基板に配置されるそれぞれ別個に接触可能なＡＭＲ測定抵抗体を含む。各抵抗体デバイスは、直線状列に配置される数個の平行な抵抗体素子の電気的な直列接続からなる。コンパクトな設計を達成するために、抵抗体デバイスに属する抵抗体素子の列は、隣接した抵抗体デバイスの抵抗体素子の列と櫛状で噛み合うように配置される。異なる抵抗体デバイスの列は互いに入れ子状となるように（配置されるので、プロセス技術は、抵抗体デバイスを接続してハーフブリッジ又はフルブリッジを形成するような同様の挙動を実現することができる。そのため、測定ブリッジ回路、すなわち、抵抗体デバイスにおいて相互接続される抵抗体の等質の抵抗挙動を保証することができる。

本発明の有利な発展に従って、磁化素子がチップ基板上における下層に配置され、その上にＡＭＲ抵抗体素子を含む層が配置され、さらにその上に接触ストリップを含む層が配置されることができる。この設計によって、例えば絶縁層が設けられたチップ基板には、ＣｏＰｔＣｒなどの永久磁石材料からなる磁化素子が最初に配置されることも提案する。その上に、抵抗体素子と磁化素子との間に１：１の比率又は１：２の比率を確立するように、抵抗体素子がその上方に位置する層に配置される。原則として、磁化素子は、抵抗体素子よりも大きな表面積を持っている。その後、接触ストリップは、ＡＭＲ抵抗体素子の間に配置され、抵抗体素子の列を流れる電流が抵抗体素子の初期磁化Ｍ_０に対して線形角度をなすように、それらのＡＭＲ抵抗体素子と電気的に接触する。このような設計によって、それらの表面に設計される磁化素子が下面に配置され、それらより小さな形状を有する抵抗体素子及び接触ストリップがチップ基板のより上面に配置されるため、通常の方法で磁界センサ装置を製造できるという利点を有する。

磁界センサ装置の上記層構造から始まって、実質的に磁気中性の中間層は、抵抗体素子の層と磁化素子の層との間に配置され、その中間層は、導電性磁化素子を介した抵抗体素子の間の短絡を防止する電気絶縁体で構成されることが有利である。磁化素子及び抵抗体素子と比較して非常に薄く形成されるこのレイアウトは、磁束を妨害しないために、磁気中性であり、すなわち、透磁性μ＝１（常磁性）を持っていることが好ましい。

絶縁被覆層は、接触ストリップとチップ表面とが被覆層によって絶縁されるように、接触ストリップを含む層の上に設けられていることをさらに提案する。このようにして、非常にコンパクトで簡単に製造される磁界センサ装置を特徴付けるチップ基板のために、層構造が提案される。

上記チップ構造のさらなる発展に従って、補償導線が１つ以上の平面層、特に上面層に配置され、補償磁界を初期磁化Ｍ_０の磁化軸に垂直に、従って被測定外部磁界Ｈ_ｅの方向と反対に発生させるために、コンダクタの補償電流Ｉ_ｃが補償導線を流れることが有利である。補償導線の補償電流Ｉ_ｃは、センサの磁気感応領域で外部磁界の被測定成分を補償することができる。このように、補償電流Ｉ_ｃは、例えば補償導線を流れて磁界Ｈ_ｅ被測定の方向と反対の磁界を発生させることができるため、被測定外部磁界Ｈ_ｅを補償するか、その影響を減らすので、高感度、すなわち特性抵抗曲線と外部磁界との線形性を達成できる。この補償磁界によると、スケール大きさ（scalemagnitude）の異なる磁界を測定して、かつ磁界センサ装置の測定範囲を調整又は較正することができる。このように、補償電流Ｉ_ｃ大きさは、外部磁界の大きさに関する情報を提供する。補償導線が抵抗体素子の位置で初期磁化Ｍ_０の方向に配向され、そして、補償電流Ｉ_ｃの流れ方向は、外部磁界Ｈ_ｅの方向に関する情報を提供する。

補助的な面では、磁界に対して一次元、二次元、又は三次元の測定を行うことができる１つ、２つ、又は３つの磁界センサ装置が互いに角度、好ましくは互いに９０°の角度で配置されるコンパスシステムを提供する。上記の磁界センサ配置を使用することによって、特に電子モジュールにおいて、磁界、特に地磁界の方向的大きさ（directionalmagnitude）を取得できる。このようなコンパスシステムは、様々な用途及び装置、例えば、ナビゲーションシステム、スマートフォン、タブレットコンピュータ、又は他の磁界（特に地磁界）の方向が示される用途に存在する。また、上記の磁界センサ装置が取り付けられるこのようなコンパスシステムは、その利点を利用して、特に、低下した消費電流、長い耐用寿命、及び低い部品コストが図られる。

さらに、補助的な面では、電流測定システムは、１つ以上のコンダクタの電流の大きさを測定するために、上記した説明に係る少なくとも１つの装置を含む。電流が流れるコンダクタは、それを囲んでいる磁界を発生させる。コンダクタを囲んでいる磁界の強度を測定することにより、接触せずにコンダクタを流れる電流を測定することができる。このような電流測定システムは、可搬型システムとして広く使われる以外、静止の形で、例えば、電気配布施設（electricitydistribution installations）などの機器や設備における電流の流れを検査するためにも使用される。ＡＭＲ抵抗体デバイスを流れる測定電流のための接続、及び補償導線のための可能な電流接続は別として、提案される受動的な磁界センサ装置は、それ以外の接続を含まず、特にフリップ電流コンダクタのための接続がないため、比較的簡単な電子評価ユニットによって非接触電流測定を行うことができる。その電流測定システムは、このような複数の測定装置を含むことにより、電流の高精度な測定を行うことができる。

更なる利点は、以下の図面の説明から現れる。本発明の典型的な実施形態は、図面に示される。図面、説明、及び特許請求の範囲は、組み合わせて多くの特徴を含む。当業者は、それらの特徴を個別に考慮するとともに、それらの特徴を有用なさらなる組み合わせに結合し得る。図面において、同一種類の素子に同一の参照番号を付する。
図１は、従来のＡＭＲ抵抗体素子の外部磁界Ｈ_ｅに対する特性抵抗曲線である。 図２は、先行技術から知られる床屋の看板構造を有するＡＭＲ抵抗ストリップの特性抵抗曲線である。 図３は、抵抗体デバイスの第１の例示的な実施形態の平面図及び層断面図である。 図４は、補償導線を有する磁界センサ装置のさらなる典型的な実施形態の層断面図である。 図５は、ＡＭＲ抵抗体デバイスの典型的な実施形態の特性抵抗曲線である。 図６は、本発明に係る抵抗体デバイスの実施形態を示す。 図７は、本発明に係る抵抗体デバイスのさらなる実施形態を示す。 図８は、本発明に係る抵抗体デバイスの実施形態を示す。 図９は、ＡＭＲ抵抗体デバイスの典型的な実施形態のチップレイアウトを示す。 図１０は、ＡＭＲ抵抗体素子及び磁化素子が異なる変形において互いに対して配向される、磁界センサ装置の様々な典型的な実施形態を示す。

図１は、磁界センサ装置１００のＡＭＲ抵抗ストリップ１０２を通過する測定電流Ｉ_ｓの流れ方向に対する磁界Ｍ（Ｈ）による特性抵抗曲線を示す。特性抵抗曲線Ｒ（Ｍ）は、式Ｒ＝Ｒ_⊥＋（Ｒ_＝−Ｒ_⊥）ｃｏｓ^２（θ）（式中、θは、電流Ｉ_ｓの方向と全体的な磁界Ｍ（Ｈ））との間の角度を示す。）によって定義される。全体的な磁界Ｍ（Ｈ）は、内部初期磁化Ｍ_０の磁界と被測定外部磁界Ｈ_ｅで構成されている。小さな磁界Ｈ_ｅ＜Ｍ_０の場合、外部磁界Ｈ_ｅが変わると、抵抗Ｒに起きる変化は少ないことが分かる。小さな磁界に対する感度が比較的低いから、この区域における特性抵抗曲線の傾きは小さいので、このような構成は不利である。

図２は先行技術に係るＡＭＲ抵抗体デバイス１００を示す。ＡＭＲ抵抗体デバイス１００において、ＡＭＲ抵抗体ストリップ１０２は床屋の看板構造１０４を有し、すなわち、金又は銅による金属化などの高導電性金属化ストリップが４５°でＡＭＲ抵抗体ストリップ１０２に配列される。その概略図に示すように、抵抗体ストリップ１０２の長手方向に対して約４５°の角度をなす方向においてＡＭＲ抵抗体ストリップ１０２を通過する電流Ｉ_ｓの流れは、電流の流れが平行な内部磁化Ｍ_０又は垂直な外部磁界Ｈ_ｅに対して４５°の線形角度αを取るように、ＡＭＲ抵抗体ストリップ１０４を通して展開する。図１に示される抵抗曲線は、これと伴って、曲線のエッジが急峻である区域において偏移する。そこに、抵抗と磁界との間で線形関係が見られるため、外部磁界Ｈ_ｅの小さな変化はＡＭＲ磁界センサ装置の抵抗値の総抵抗値Ｒの線形変化を引き起こす。磁界センサ装置の感度は、床屋の看板構造を使用する線形化によって大幅に増加できる。

図３は、磁界センサ装置１４の第１の典型的な実施形態を示す。ここで、抵抗体デバイス１４の最小の素子は、八角形のＡＭＲ抵抗体素子１６からなり、ＡＭＲプレートレットとして形成され、２つの導電性ストリップ１８ａ、１８ｂによって接触される。測定電流Ｉ_ｓがＡＭＲ抵抗体素子１６に出入りする、抵抗体ストリップ１８の端部領域及びその接触領域２４、２６の所定の設計のために、ＡＭＲ抵抗体素子１６を通過する電流の流れは、総電流流れ（total flow of current）に対して４５°の角度でコンダクタストリップ１８を流れるようにする。永久磁石素子２０がＡＭＲ抵抗体素子１６の下方に配置され、初期磁化Ｍ_０が導電性ストリップ１８を通過する測定電流Ｉ_ｓの方向に、すなわち、導電性ストリップ１８によって接続される隣接抵抗体素子１６の列の長手方向に配向される。磁化素子２０のＮ極からＳ極への外部の漂遊磁束は、抵抗体素子１６を通過して内部初期磁化Ｍ_０を生じさせる。抵抗体素子を通過する電流Ｉ_ｓの流れが外部磁界Ｈ_ｅに対して４５°の角度になすので、初期磁化と垂直する外部磁界Ｈ_ｅの大きさの変化は、抵抗体デバイス１４によって電気抵抗の線形化変化を引き起こす効果がある。これは、図２に示される特性抵抗曲線に従って、肉眼で見える補助磁石によって床屋の看板構造又は外部磁化を提供する必要なく、外部磁界の小さな変化があったときに抵抗値の線形変化が得られることを意味する。

図３ｂは、抵抗体デバイス１４のチップ基板１２を通して図３ａにおけるＡ−Ａ断面を示す。まず、絶縁層５２はチップ基板１２に配置される。永久磁化素子２０は、この絶縁層５２に配置され、円盤状ＡＭＲ抵抗体素子１６より大きな面積に形成される。永久磁化素子２０は、電気絶縁性かつ磁気中性の中間層４２により、ＡＭＲ抵抗体素子１６から分離される。ＡＭＲ抵抗体素子１６が中間層４２に配置され、第１及び第２の接触領域２４、２６で導電性ストリップ１８によって電気的に接触される。接触領域２４、２６の形状及び位置は、磁化素子２０の磁界Ｈ_０に起因する初期磁化Ｍ_０からの線形角度αによって異なる、ＡＭＲ抵抗体素子１６を流れる電流の方向を決める。最後に、電気絶縁性かつ磁気中性の材料からなる被覆層３６は、抵抗体デバイス１４を環境から取り囲むために設けられている。

図３、図４に基づく手順は、磁界センサ装置１４の典型的な実施形態を示す。図３に係る実施形態に加えて、補償電流Ｉ_ｃが流れ得る補償導線４４は、導電性ストリップ１８の上面に配置される。補償電流Ｉ_ｃによって、被測定外部磁界Ｈ_ｅを打消して弱める補償磁界を生じさせることができる。このようにして、被測定外部磁界の補償を実現でき、被測定磁界の大きさのオーダー（the order of magnitude）の調整又は設定を可能にする。これにより、磁界センサ装置１４は強度の異なる磁界の測定に使用できるようになる。抵抗体デバイスの抵抗値が補償電流によって一定値に調整されると、補償電流Ｉ_ｃの大きさは外部磁界の強度に関する情報を提供する。

図４ｂは、図３ｂと同様に、図４ａに示される磁界センサ装置１４のチップ基板の層構造を通すＢ−Ｂ断面図を示す。図４ｂにおいて、補償導線４４が被覆層３６の上方に配置されている。チップレイアウトを外部環境の影響から取り囲むために、さらなる被覆層が補償導線４４の上に再度配置され得る。図３ｂ、４ｂの断面図に示される大小関係は、実物大ではなく、その寸法が単に説明のために選ばれるものである。

図５は、図２と同様に、磁界センサ装置１４の実施形態の特性抵抗曲線を示す。図５において、抵抗値は外部磁界Ｈ_ｅの変化に対して線形的に変化する。外部磁界Ｈ_ｅに対してＡＭＲ抵抗体素子１６を通過する電流Ｉ_ｓの流れ方向によって、特性抵抗曲線Ｒの正又は負の傾斜が得られる。

図６は、互いに接続されて抵抗体デバイス１４を構成するＡＭＲ抵抗体素子１６の列の線形配列を示す。抵抗体素子１６の初期磁化Ｍ_０に対して約４５°の線形角度αをなす電流Ｉ_ｓの流れが得られるように、磁化素子２０が各抵抗体素子１６に配置され、導電性ストリップ１８が抵抗体素子１６に接触する。ＡＭＲ抵抗体素子１６の数が多いほど、総抵抗値及び外部磁界Ｈ_ｅに対する抵抗変化が大きくなる。１つの抵抗体デバイス１４に複数の抵抗体素子１６を配置することによって消費電流が低くなるため、特にバッテリで動作するデバイスのバッテリ寿命を延長させる。

図７ａ、７ｂは、図３と同様に、抵抗体デバイス１４のさらなる典型的な実施形態を示す。その抵抗体デバイス１４は、簡略化した形で、１つの抵抗体素子１６と、１つの磁化素子２０と、２つの導電性ストリップ１８ａ、１８ｂとからなる。図８は、１つのチップ基板１２に配置され得る４個の図７ａに係る抵抗体デバイス１４の直列接続を示す。原則として、１つの抵抗体デバイス１４は、直列に電気接続される数個、特に１０個以上の図７に係る実施形態を含む。図３に係る実施形態と対照的に、ＡＭＲ抵抗体素子１６は四角形状であり、図７ａに示すように、それが配置される長方形の磁化素子２０に対して４５°で回転する。図７ｂに示すように、ＡＭＲ抵抗体素子１６は磁化素子２０の横縁と平行に配列されてもよい。導電性ストリップ１８は略長方形の形状を有し、重複接触領域２４、２６において抵抗体デバイス１４を覆う。磁化素子２０は抵抗体素子１６の全領域を覆う。この構成において、磁化軸２２は、導電性ストリップ１８ａ、１８ｂ及び抵抗体デバイス１４と平行に配向されて導電性ストリップ１８ａ、１８ｂ及び抵抗体デバイス１４において同一方向に流れる直線的な電流ベクトル２８に対して４５°の角度をなす。したがって、このような実施形態は、図８に示される磁界抵抗体デバイス１４の長手方向に対して４５°の角度をなす外部磁界成分Ｈ_ｅを測定することができる。これは、このような抵抗体デバイス１４の列が、被測定外部磁界Ｈ_ｅに対して線形角度でチップ基板１２に配列されることを意味する。図３、７ａ又は７ｂに係る各配置は、電流ベクトル２８及び磁化軸２２に対して対称に示されるため、抵抗体デバイス１４において均質な磁気初期磁化及び電流分布が得られる。

図９は、直列に接続する複数の抵抗体素子１６で構成される４つの抵抗体デバイス１４からなる磁界センサ装置１０のレイアウトの典型的な実施形態を示す。２つの抵抗体デバイス１４の抵抗体素子１６の各列は、抵抗体の均質化を達成するために、櫛状で互いに噛み合うように配置される。抵抗体デバイス４０の各列は、図６に示される典型的な実施形態にしたがって構成される。４つの抵抗体デバイス１４ａ〜１４ｄは、チップレイアウトにホイートストン測定ブリッジを形成するように相互接続されている。そのチップレイアウトにおいて、電圧はＶＳＳ及びＧＮＤ接点を通してホイートストン測定ブリッジの２つの分岐に印加され得る。その２つの分岐のセンタータップＶ０は、測定パッチＶ０として実装される。図７に示される磁界センサ装置１０を使用することで、外部磁界Ｈ_ｅの成分が測定され得る。

三次元磁界、例えば磁界コンパス装置の三次元磁界を測定するために、互いに対して９０°で打消す３つの磁界センサ装置１０が必要である。各磁界センサ装置１０が他の磁界センサ装置１０に対して９０°の角度で配置される。二次元で磁界を測定するために９０°で打消す２つの磁界センサ装置は、チップ基板に配置され得る。

最後に、図１０は、抵抗体素子１６を導電性ストリップ１８及び磁化素子２０に対して配置する方法の異なる１８個の典型的な実施形態を示す。最初の典型的な実施形態１０ａ〜１０ｃにおいて、２つの磁化素子２０ａ、２０ｂが八角形又は円形の１つの抵抗体素子１６に配置される。磁化素子２０ａ、２０ｂの各端部が抵抗体素子１６の周辺領域と相補的な形状で形成されるため、できるだけ小さい漂遊磁束を生じさせ、１つの磁化素子のＮ極から他の磁化素子のＳ極までの磁界による抵抗体素子１６の可能な限り最良の侵入を発生することができる。

図１０ｄ、１０ｅにおいて、磁化素子２０が同一形状で形成されるが、抵抗体素子１６の形状と比較してわずかに大きいため、小さいサイズが達成され、使用される磁化材料が少量で済む。

図１０ｆ〜１０ｏ、１０ｒは、抵抗体素子１６と磁化素子２０との１：１の比率を示す。図１０ｆ〜１０ｏ、１０ｒにおいて、磁化素子２０は常に被覆サイズの異なる長方形であってもよく、抵抗体素子１６は様々なサイズの円形又は八角形であってもよい。

最後に、図１０ｐ〜１０ｑは、着磁磁界（magnetization field）がＡＭＲ抵抗体素子１６の列を通過する測定電流の流れ方向に対して平行又は垂直に配向され得る楕円形状の磁化素子２０を示す。これらの典型的な実施形態のさらなる変化又は組み合わせは、必要に応じて可能である。

チップ基板は、ＳｉＯ_２で構成される基板であることが好ましい。中間層は、層厚１０ｎｍ〜１０００ｎｍのＳｉＮ（ｓｉｌｉｃｏｎｍｏｎｏｎｉｔｒｉｄｅ）材料で構成され得る。永久磁石素子の厚みは１０ｎｍ〜１００ｎｍであってもよく、永久磁石素子はＣｏＰｔＣｒ（ｃｏｂａｌｔ−ｐｌａｔｉｎｕｍ−ｃｈｒｏｍｉｕｍ）複合物で構成され得る。ＡｌＯｘ複合物は、中間材料としても考慮され得る。好ましくは、磁気抵抗ＡＭＲ構造が対称形状であり、永久磁石素子は、永久磁石素子の漂遊磁界がＡＭＲ抵抗体素子を通過するように、磁気抵抗ＡＭＲ構造の全領域を覆うか、周辺部に沿って磁気抵抗ＡＭＲ構造を覆う。

Claims (15)

1. 少なくとも１つの磁界ベクトル成分Ｈ_ｅを測定するための磁界センサ装置（１０）であって、
   チップ基板（１２）に配置される少なくとも１つの異方性磁気抵抗体（ＡＭＲ抵抗体）デバイス（１４）を含み、
   前記抵抗体デバイス（１４）は、導電性ストリップ（１８）によって直列に接続される複数の磁気抵抗ＡＭＲ抵抗体素子（１６）を含み、
   前記抵抗体素子（１６）のそれぞれに対して、磁化軸（２２）を有する少なくとも１つの永久磁石磁化素子（２０）は、該磁化素子（２０）の初期着磁磁界Ｈ_０が前記磁化軸（２２）の方向に前記抵抗体素子（１６）を通過するように配置され、
   第１の導電性ストリップ（１８ａ）と前記抵抗体素子（１６）との間の接触領域（２４）から前記抵抗体素子（１６）と第２の導電性ストリップ（１８ｂ）との間の接触領域（２６）まで前記抵抗体素子（１６）を流れる測定電流Ｉ_ｓは、前記磁化軸（２２）に対してα＞０°且つα＜９０°の線形角度（３０）で平均電流方向軸（２８）を有する、
   ことを特徴とする磁界センサ装置（１０）。
2. 前記線形角度（３０）の絶対値|α|は４５°である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁界センサ装置（１０）。
3. 前記抵抗体デバイス（１４）のそれぞれは、１つ以上の直線状列（３４）に沿って前記チップ基板（１２）に配置される１０以上の前記ＡＭＲ抵抗体素子（１６）の直列回路（３２）を含み、
   前記磁化素子（２０）の前記磁化軸（２２）は、前記抵抗体デバイス（１４）の長手方向に対して、平行、垂直、又は４５°になるように配向される、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁界センサ装置（１０）。
4. 前記抵抗体素子（１６）は、プレートレットとして形成され、対称なフットプリント、特に正多角形、円形、又は楕円形のフットプリントを有する、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁界センサ装置（１０）。
5. 前記磁化素子（２０）は、前記抵抗体デバイス（１４）の前記抵抗体素子（１６）のそれぞれに配置され、
   前記磁化素子（２０）の磁束は、少なくとも部分的に前記抵抗体素子（１６）を通過する、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁界センサ装置（１０）。
6. 前記磁化素子（２０）は、前記抵抗体素子（１６）の全領域を覆う、
   ことを特徴とする請求項５に記載の磁界センサ装置（１０）。
7. 共通の磁化軸（２２）に沿って配向される２つの前記磁化素子（２０）は、前記抵抗体デバイス（１４）の前記抵抗体素子（１６）のそれぞれに配置され、
   １つの磁化素子（２０ａ）のＮ極から隣接した磁化素子（２０ｂ）のＳ極までの磁束は、少なくとも部分的に前記抵抗体素子（１６）を通過する、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁界センサ装置（１０）。
8. 前記抵抗体素子（１６）は、前記磁化素子（２０）の端部領域（４０）同士の間に配置され、
   前記抵抗体素子（１６）に対向する前記端部領域（４０）は、前記抵抗体素子（１６）を少なくともその周辺部に沿って相補形状で囲む、
   ことを特徴とする請求項７に記載の磁界センサ装置（１０）。
9. 前記抵抗体素子（１６）の層厚及び前記磁化素子（２０）の層厚は、１０μｍ以下であり、好ましくは１μｍ未満であり、
   前記磁化素子（２０）の層厚は、前記抵抗体素子（１６）の層厚の１０倍以下である、
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の磁界センサ装置（１０）。
10. 少なくとも２つ、特に複数個の前記抵抗体デバイス（１４）を含み、
    前記抵抗体デバイス（１４）のそれぞれは、互いに平行な直線状列（３４）に配置される複数の前記抵抗体素子（１６）を含み、
    ２つの前記抵抗体デバイス（１４）の前記平行な直線状列（３４）は、櫛状で互いに噛み合うように配置され、
    櫛状に配置される前記抵抗体デバイス（１４）の線形角度（３０）は、互いに対して９０°偏移し、
    前記抵抗体デバイス（１４）は、ハーフブリッジ又はフルブリッジの形で相互接続される、
    ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の磁界センサ装置（１０）。
11. 磁化素子（２０）は前記チップ基板（１２）上における下層に配置され、その上に前記抵抗体素子（１６）を含む層が配置され、さらにその上に前記導電性ストリップ（１８）を含む層が配置される、
    ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の磁界センサ装置（１０）。
12. 前記抵抗体素子（１６）の層と前記磁化素子（２０）の層との間に、実質的に磁気中性の中間層（４２）が配置され、
    前記中間層（４２）は、電気絶縁体で構成され、
    前記導電性ストリップ（１８）を含む層に絶縁被覆層（３６）が設けられている、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の磁界センサ装置（１０）。
13. 補償導線（４４）は、１つ以上の平面層、特に上面層に配置され、
    初期磁化Ｍ_０の磁化軸（２２）に垂直な補償磁界を発生させるために、コンダクタの補償電流Ｉ_ｃは、センサの磁気感応領域で外部磁界の被測定成分を補償するように前記補償導線（４４）を流れる、
    ことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の磁界センサ装置（１０）。
14. コンパスシステムであって、
    互いに角度、好ましくは互いに９０°の角度で配置される請求項１〜１３のいずれか１項に記載の１つ、２つ、又は３つの磁界センサ装置（１０）を含み、
    磁界、特に地磁界の方向及び強度を測定するために電子アセンブリに組み込まれる、
    ことを特徴とするコンパスシステム。
15. 電流測定システムであって、
    請求項１〜１３のいずれか１項に記載の少なくとも１つの磁界センサ装置（１０）を含み、
    コンダクタを囲んでいる磁界の強度を測定することにより１つ以上のコンダクタの電流強度を測定するために、電子アセンブリに組み込まれる、
    ことを特徴とする電流測定システム。