JP2021047036A - 磁性体検出センサ - Google Patents

Abstract

【課題】周囲の構造物の影響による、オフセットの発生と感度のずれを抑えることが可能な、磁性体の検出時に動作点がずれにくい磁性体検出センサを提供する。【解決手段】本発明の磁性体検出センサ１００は、第一支持基板１０１と、第一支持基板の一方の主面１０１ａ側に、磁化方向１０２Ｍが第一支持基板の主面１０１ａと平行になるように配置された磁石１０２と、第一支持基板の一方の主面１０１ａ側に配置され、特定方向の磁場成分を検出する磁場検出素子１０３を有する半導体チップ１０４と、第一支持基板の他方の主面１０１ｂに配置され、磁石の磁化方向１０２Ｍと平行な方向に延在した軟磁性体膜１０５と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、磁性体検出センサに関する。

従来から、磁場検出素子と永久磁石を組み合わせた構造により、磁性体の存在を検出する磁性体検出センサが提案されている（例えば、特許文献１）。被検出体となる磁性体としては、永久磁化が小さく、かつ透磁率が大きい、スチール等の金属材料、磁性体粒子を含有する磁性塗料等が挙げられる。磁性体検出センサは、ギヤの回転検出や磁性塗料のパターン検出等に用いられる。永久磁石の近接を検出する一般的な磁気センサと比較すると、磁性体検出センサは、被検出体を磁化させる必要がないため、非接触の近接検出を容易に実現することができる。

米国特許第８０８９２７６号明細書

特許文献１では、永久磁石と磁場検出素子を略同一平面上に隣り合わせに配置し、それらを単一の樹脂で一括して封止した構造を有する磁性体検出センサが開示されている。図４（ａ）、（ｂ）は、これと同様の構成の磁性体検出センサ４００を、非磁性体の壁面Ｗ１、軟磁性体の壁面Ｗ２に近接させたときに、周囲に発生する磁場の分布を例示したものである。磁性体検出センサ４００は、支持基板４０１の一方の主面に、磁石４０２と、磁場検出素子４０３を備えた半導体チップ４０４と、が配置されている。

図４（ａ）、（ｂ）に示すように、従来の磁性体検出センサ周辺の磁場の分布は、周辺に存在する他の構造物の影響を受け、変化してしまうことが知られている。したがって、例えば、特許文献１により開示されているような磁性体検出センサを壁に貼り付けた状態で、壁と反対側から接近する磁性体を検出しようとする場合には、センサの出力信号は、検出対象の磁性体との距離だけではなく、壁面の材質によって変化してしまう。より具体的には、壁面の材質が磁性体である場合と非磁性体である場合とで、検出対象の磁性体がないときでも出力信号に大きなオフセットが発生してしまう。また、壁面の材質が磁性体である場合と非磁性体である場合とで、検出対象が接近した時の磁場変化量の大きさも変化してしまい、感度のずれが発生する。そのため、従来の磁性体検出センサでは、壁の影響により、検出された磁性体までの距離を正確に得ることが難しいことがあった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、周囲の構造物の影響による、オフセットの発生と感度のずれを抑えることが可能な、磁性体の検出時に動作点がずれにくい磁性体検出センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。

本発明の一態様に係る磁性体検出センサは、第一支持基板と、前記第一支持基板の一方の主面側に、磁化方向が前記主面と平行になるように配置された磁石と、前記第一支持基板の一方の主面側に配置され、特定方向の磁場成分を検出する磁場検出素子を有する半導体チップと、前記第一支持基板の他方の主面側に配置され、前記磁石の磁化方向と平行な方向に延在した軟磁性体膜と、を備えている。

本発明によれば、周囲の構造物の影響による、磁性体検出時における動作点のずれを抑えることが可能な、磁性体検出センサを提供することができる。

（ａ）、（ｂ）本発明の第一実施形態に係る磁性体検出センサの平面図、断面図である。 （ａ）、（ｂ）本発明の第二実施形態に係る磁性体検出センサの平面図、断面図である。 （ａ）、（ｂ）本発明の第三実施形態に係る磁性体検出センサの平面図、断面図である。 （ａ）、（ｂ）従来構造の磁性体検出センサに対する周辺の磁場の影響を説明する図である。

以下、本発明を適用した実施形態に係る磁性体検出センサについて、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

＜第一実施形態＞
図１（ａ）は、本発明の第一実施形態に係る磁性体検出センサ１００の平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の磁性体検出センサ１００を、ＬＬ線を通る面で切断した場合の断面図である。磁性体検出センサ１００は、主に、略平坦な主面を有する第一支持基板１０１と、第一支持基板の一方の主面１０１ａの表面に配置された、磁石（永久磁石）１０２、および磁場検出素子１０３を有する半導体チップ１０４と、第一支持基板の他方の主面１０１ｂの表面に配置された軟磁性体膜１０５と、を備えている。磁性体検出センサ１００の表面、特に磁場検出素子１０３の表面は、樹脂膜１０６等で覆って封止されていることが好ましい。第一支持基板１０１は、ガラスエポキシやアルミニウム等の材料からなるプリント基板あるいはリジッド基板であってもよいし、樹脂材料等からなるフレキシブル基板あるいは銅からなるリードフレームであってもよい。

説明の便宜のために、次のように座標軸を設定する。第一支持基板１０１および磁石１０２は直方体であるとする。第一支持基板の一方の主面１０１ａは長方形であり、長辺方向に磁石１０２と半導体チップ１０４が並んで配置される。磁石１０２の表面のうち、一方の主面１０１ａと接している部分を、磁石１０２の底面とする。一方の主面１０１ａに対して平行となる磁石１０２の辺が、それぞれ一方の主面１０１ａの長辺あるいは短辺と平行になるように、磁石１０２が配置される。即ち、磁石１０２の底面を取り囲む４つの側面と、一方の主面１０１ａを取り囲む４つの側面は、各々平行となっている。

第一支持基板の一方の主面１０１ａから垂直に測った磁石１０２の高さを２等分する点を通る、一方の主面１０１ａに平行な平面をＸＹ平面とする。磁石１０２の底面の対角線の交点をＯＭとし、ＯＭを垂直にＸＹ平面に投影した点を原点Ｏとする。Ｘ軸は原点Ｏから前記長辺に平行に伸びる直線であり、Ｙ軸は原点Ｏから前記短辺に平行に伸びる直線である。Ｚ軸は原点Ｏから一方の主面１０１ａと反対の方向に延びる直線となる。Ｘ軸に平行な方向をｘ方向および−ｘ方向とし、両者を含む方向を±ｘ方向と記す。Ｙ軸およびＺ軸に関しても同様である。

磁石１０２は、第一支持基板１０１の一方の主面側に、磁化方向１０２ＭがＸ軸と平行になるように配置されている。ここでの磁化方向１０２Ｍは、±ｘ方向であるとし、Ｓ極からＮ極へ向かう方向だけでなく、Ｎ極からＳ極に向かう方向も含むものとする。

磁石１０２の材料としては、特に限定されることはないが、例えば、ＮｄＦｅＢ、ＳｍＣｏ等が挙げられる。

半導体チップ１０４は、その表面に形成された磁場検出素子１０３が、第一支持基板１０１と反対側（図１では上側）に来るように、第一支持基板の一方の主面１０１ａ側に、直接または非磁性部材を挟んで配置（載置）されている。

磁場検出素子１０３は、単一の検出軸方向を有する素子（ホール素子等）であり、特定方向の磁場成分を検出することができる。本実施形態での特定方向は、第一支持基板の一方の主面１０１ａに対して垂直な方向（ｚ方向）であって、磁石の磁化方向１０２Ｍと直交しているものとする。

軟磁性体膜１０５は、第一支持基板の他方の主面１０１ｂの表面に配置され、磁石の磁化方向１０２Ｍと平行な方向に延在している。Ｚ軸方向の平面視において、軟磁性体膜１０５は、少なくとも磁石１０２の全体と重なっていることが好ましい。軟磁性体膜１０５の材料としては、例えば、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｕ、ＮｉＦｅＭｏ等が挙げられ、透磁率が高くかつ保磁力が小さい材料が好ましい。

本実施形態の磁性体検出センサの動作について説明する。被検出対象の磁性体（不図示）が磁場検出素子１０３から十分に離れている場合、磁場検出素子１０３は、主に磁石１０２から発生する磁場のｚ軸方向成分Ｂ０を検出する。ここで、磁場検出素子１０３がホール素子である場合、磁場検出素子１０３の出力は、磁場のｚ軸方向成分Ｂ０に比例する電圧信号として得ることができる。

磁石１０２に対し、第一支持基板１０１と反対側（ここではｚ方向）から被検出対象の磁性体が接近した場合、その磁性体の影響によって磁場検出素子１０３の周囲の磁場が変化する。その結果として、磁場検出素子１０３が検出する磁場Ｂｚは、磁性体が十分に離れている場合の磁場Ｂ０とは異なったものとなる。

磁性体の影響下において、磁場検出素子１０３が検出する磁場Ｂｚは、磁性体と磁性体検出センサ１００との距離に応じて変化するため、磁場の変化量（Ｂｚ−Ｂ０）が、磁性体と磁性体検出センサ１００の距離を示す指標になる。なお、磁場検出素子１０３の出力信号は、必要に応じて、所定の回路で処理することができる。ここでの出力信号の処理は、例えば、所定の磁場Ｂｃとの大小判定であっても良いし、出力電圧の増幅であっても良い。

従来の磁性体検出センサでは、周辺の構造物の材質等によって、磁性体検出センサの動作点がずれてしまい、得られる検出距離がばらついてしまうことが問題となる。より詳細には、周辺の構造物が磁性体であるか、非磁性体であるかによって、磁場検出素子１０３が検出する磁場ＢｚとＢ０の両方が変化してしまうことが問題となる。これに対し、本実施形態の磁性体検出センサ１００では、第一支持基板１０１を挟んで磁石１０２と反対側に、軟磁性体膜１０５が配置されていることにより、周辺の構造物の材質等の影響を遮蔽することができる。そのため、実施例として後述するように、磁場検出素子１０３が検出する磁場は、周辺の構造物の材質等によらない安定したものとなる。

以上により、本実施形態では、軟磁性体膜１０５を磁石１０２の磁化方向に平行に配置し、軟磁性体膜１０５を壁面側、すなわち、被検出体を軟磁性体膜とは反対側に配置することで、壁面の材質等の周囲の構造物の影響によって動作点がずれることを抑え、磁性体の近接を正しく検出することが可能な、磁性体検出センサ１００を実現することができる。

本実施形態の磁性体検出センサ１００を構成する半導体チップ１０４は、シリコン等のウェハを半導体基板に用いた一般的なＣＭＯＳプロセスにより、製造することができる。磁場検出素子１０３は、半導体基板の一方の主面側から、リン原子等の不純物イオンを注入することによって、形成することができる。磁場検出素子１０３の出力を処理する回路についても、同じ半導体基板上に、共通のＣＭＯＳプロセスによって形成することができる。ウェハ工程の後に、バックグラインド、ダイシングを行うことにより、半導体チップ１０４が得られる。

次に、プリント基板等の第一支持基板の一方の主面１０１ａに、半導体チップ１０４と磁石１０２を接着し、他方の主面１０１ｂに、軟磁性体膜１０５を接着する。軟磁性体膜１０５は、他方の主面１０１ｂのうち、磁石１０２と重なる領域だけでなく、全域に形成してもよい。その後、必要に応じて、磁石１０２、半導体チップ１０４、軟磁性体膜１０５を樹脂膜１０６で封止してもよい。

本実施形態では、第一支持基板１０１に対し、半導体チップ１０４を直接接着している場合について例示しているが、パッケージに封止した状態の半導体チップ１０４を接着してもよい。この場合、第一支持基板１０１として例えばプリント基板を用い、半導体チップ１０４を含むパッケージをリフロー実装した後、エポキシ樹脂を用いて磁石１０２を第一支持基板１０１に接着すればよい。軟磁性体膜１０５は、例えば、エポキシ樹脂やプリプレグ等による成形された膜の接着、スパッタリングによる膜の成膜等によって形成することができる。

＜第二実施形態＞
図２（ａ）は、本発明の第二実施形態に係る磁性体検出センサ２００の平面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）の磁性体検出センサ２００を、ＬＬ線を通る面で切断した場合の断面図である。磁性体検出センサ２００では、第一支持基板の他方の主面１０１ｂに、軟磁性体膜１０５を挟んで、第二支持基板１０７の一方の主面１０７ａが接合されている。その他の構成については、第一実施形態の磁性体検出センサ１００と同様であり、対応する箇所については、形状の違いによらず、同じ符号で示している。

第二実施形態では、軟磁性体膜１０５が、第一支持基板１０１と第二支持基板１０７とで挟まれて保護されており、樹脂膜が不要となる分、磁性体検出センサ２００を薄型化することができる。第二支持基板１０７としては、例えばベーク板やアルミニウム基板等を用いることができる。第二支持基板１０７の接合は、例えば、第二支持基板１０７の表面に、軟磁性体膜１０５を接着、またはスパッタリング成膜した上で、この軟磁性体膜１０５を挟むように、第一支持基板１０１に貼り合わせることによって行うことができる。

＜第三実施形態＞
図３（ａ）は、本発明の第三実施形態に係る磁性体検出センサ３００の平面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の磁性体検出センサ３００を、ＬＬ線を通る面で切断した場合の断面図である。磁性体検出センサ３００は、第一支持基板の一方の主面１０１ａに凹部１０１ｃを有している。第一支持基板１０１のうち、凹部１０１ｃの側壁を構成する部分は、他の部分と一体であってもよいし、別体であってもよい。磁石１０２は凹部１０１ｃ内に配置され、半導体チップ１０４は凹部１０１ｃ外に配置されている。その他の構成については、第一実施形態の磁性体検出センサ１００と同様であり、対応する箇所については、形状の違いによらず、同じ符号で示している。

本実施形態では、磁石１０２の厚み方向（ｚ方向）における一部が、凹部１０１ｃ内に収容されることになり、その分、磁石１０２を厚くすることができ、その結果として、磁性体検出素子１０３で検出される磁場を増加させることができる。

また、ｚ方向において被検出体である磁性体（不図示）が接近または離間する場合、磁場検出素子１０３が検出する磁場変化量（Ｂｚ−Ｂ０）は、磁性体検出素子１０３が、Ｘ軸から、ｚ方向に離れるほど大きくなり、磁性体検出センサ３００としての感度を高めることができる。

また、本実施形態では、凹部１０１ｃに沿って磁石１０２を配置することができるようになるため、第一実施形態、第二実施形態に比べて、ｘｙ面内における配置精度を向上させることができる。その結果、磁性体検出センサとしての磁性体検出の精度を、さらに向上させることが可能となる。

第一支持基板の凹部１０１ｃは、単一のプリント基板の切削、あるいは、第一の基板に凹部１０１ｃに相当する貫通孔を形成し、それを第二の基板に貼り合わせることによって、得ることができる。ここで、第一の基板としては、例えばリジッド基板またはフレキシブル基板を用いることができ、第二の基板としては、例えばリジッド基板を用いることができる。

以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。

本発明の実施例として、第一実施形態の磁性体検出センサ１００を用い、軟磁性体膜１０５側に存在する壁の材質が非磁性体である場合と、軟磁性体である場合における、磁場検出素子１０３が検出する磁場の大きさについて、二次元有限要素法によるシミュレーションを行った。また、本発明の比較例として、軟磁性体膜１０５を備えていない従来構造の磁性体検出センサに対しても、同様のシミュレーションを行った。磁石の寸法を、ｘ方向に４ｍｍ、、ｚ方向に１ｍｍとした。磁場検出素子として、ｚ方向の磁場成分にのみ感度を有する素子（例えばホール素子）を用いた。また、軟磁性体膜の厚みを０．５ｍｍとし、磁石の底面から軟磁性体膜までの距離を１．５ｍｍとした。磁石の底面から壁面までの距離を２．５ｍｍとした。それぞれのシミュレーション結果を、表１に示す。

比較例の磁性体検出センサでは、壁面材質が非磁性体である場合と軟磁性体である場合とで、検出される磁場Ｂｚ、磁場Ｂ０の両方が約１０ｍＴ変化している。これに対し、実施例の磁性体検出センサでは、壁面材質の違いによらず、検出される磁場は一定となっている。より詳しくは、壁面材質が非磁性の場合も軟磁性の場合も、磁場Ｂｚと磁場Ｂ０は同一の値が得られており、その結果同一の磁場変化量が得られている。このことは磁性体の検出において動作点がずれないことを示しており、壁面材質によらない安定した検出ができることを示している。

また、被検出体である磁性体の有無による磁場変化（Ｂｚ−Ｂ０）は、比較例では、壁面が非磁性の場合に３．５ｍＴ、壁面が軟磁性の場合に２．８ｍＴとなっており、壁面の材質によって磁性体検出センサの感度が変化する。これに対し、実施例では、壁面の材質によらず３．１ｍＴであり、軟磁性体膜１６を配置することによって、磁性体検出センサの感度が壁面材質の影響を受けなくなっている。

これらの結果から、軟磁性体膜１０５を、壁面側に、磁石１０２の磁化方向に平行に配置することで、壁面の材質等の違い等による周辺の磁場への影響があっても、磁性体検出において動作点のずれることが抑制された、磁性体検出センサを実現し得ることが分かる。

１００、２００、３００、４００・・・磁性体検出センサ
１０１・・・第一支持基板
１０１ａ・・・第一支持基板の一方の主面
１０１ｂ・・・第一支持基板の他方の主面
１０１ｃ・・・凹部
１０２・・・磁石
１０２Ｍ・・・磁化方向
１０３・・・磁場検出素子
１０４・・・半導体チップ
１０５・・・軟磁性体膜
１０６・・・樹脂膜
１０７・・・第二支持基板
１０７ａ・・・第二支持基板の一方の主面

Claims (4)

1. 第一支持基板と、
   前記第一支持基板の一方の主面側に、磁化方向が前記主面と平行になるように配置された磁石と、
   前記第一支持基板の一方の主面側に配置され、特定方向の磁場成分を検出する磁場検出素子を有する半導体チップと、
   前記第一支持基板の他方の主面側に配置され、前記磁石の磁化方向と平行な方向に延在した軟磁性体膜と、を備えていることを特徴とする磁性体検出センサ。
2. 前記磁場検出素子の検出可能な磁場の方向が、前記磁石の磁化方向と直交していることを特徴とする請求項１に記載の磁性体検出センサ。
3. 前記第一支持基板の他方の主面に、前記軟磁性体膜を挟んで、第二支持基板の一方の主面が接合されていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の磁性体検出センサ。
4. 前記第一支持基板の一方の主面に凹部を有し、
   前記磁石が前記凹部内に配置され、前記半導体チップが前記凹部外に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁性体検出センサ。

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