JP2022139920A - 磁気センサ及び磁気センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本開示は、磁気センサの高出力化を図ることを目的とする。【解決手段】磁気センサ１は、セラミック基板２と、ＧＭＲ層５と、下地層４と、を備える。セラミック基板２は、基板本体２０と、グレーズ層３と、を有する。基板本体２０は、材料としてセラミックを含む。グレーズ層３は、基板本体２０の表面に形成されている。ＧＭＲ層５は、複数の磁性層６と複数の非磁性層７との積層構造を有する。下地層４は、グレーズ層３とＧＭＲ層５との間に形成されている。下地層４は、ＢＣＣ固溶体を含む。【選択図】図１

Description

本開示は一般に磁気センサ及び磁気センサの製造方法に関し、より詳細には、ＧＭＲ層を備える磁気センサ及びこの磁気センサの製造方法に関する。

特許文献１に記載のＭＲセンサ（磁気センサ）は、ＮｉＦｅを含むＭＲストライプと、ＮｉＦｅＣｒ合金を含みＭＲストライプと結合した第１のスペーサ層（下地層）と、を備える。ＭＲストライプのＭＲ係数と熱安定性とを最適化するように、第１のスペーサ層の組成比が選択される。

米国特許第５７３１９３６号明細書

本開示は、磁気センサの高出力化を図ることを目的とする。

本開示の一態様に係る磁気センサは、セラミック基板と、ＧＭＲ層と、下地層と、を備える。前記セラミック基板は、基板本体と、グレーズ層と、を有する。前記基板本体は、材料としてセラミックを含む。グレーズ層は、前記基板本体の表面に形成されている。前記ＧＭＲ層は、複数の磁性層と複数の非磁性層との積層構造を有する。前記下地層は、前記グレーズ層と前記ＧＭＲ層との間に形成されている。前記下地層は、ＢＣＣ固溶体を含む。

本開示の一態様に係る磁気センサの製造方法は、材料としてセラミックを含む基板本体の表面に、グレーズ層を形成する工程と、前記グレーズ層の表面に、ＢＣＣ固溶体を含む下地層を形成する工程と、前記下地層の表面に、複数の磁性層と複数の非磁性層との積層構造を有するＧＭＲ層を形成する工程と、を有する。

本開示は、磁気センサの高出力化を図ることができるという利点がある。

図１は、一実施形態に係る磁気センサの側断面図である。 図２は、同上の磁気センサの製造方法を示すフローチャートである。 図３は、同上の磁気センサの特性を示すグラフである。 図４は、同上の磁気センサの特性を示すグラフである。

以下、実施形態に係る磁気センサ及び磁気センサの製造方法について、図面を用いて説明する。ただし、下記の実施形態は、本開示の様々な実施形態の１つに過ぎない。下記の実施形態は、本開示の目的を達成できれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。また、下記の実施形態において説明する各図は、模式的な図であり、図中の各構成要素の大きさ及び厚さそれぞれの比が必ずしも実際の寸法比を反映しているとは限らない。

（実施形態）
（概要）
図１に示すように、本実施形態の磁気センサ１は、セラミック基板２と、ＧＭＲ（Giant Magneto Resistive effect：巨大磁気抵抗効果）層５と、下地層４と、を備える。セラミック基板２は、基板本体２０と、グレーズ層３と、を有する。基板本体２０は、材料としてセラミックを含む。グレーズ層３は、基板本体２０の表面に形成されている。ＧＭＲ層５は、複数の磁性層６と複数の非磁性層７との積層構造を有する。下地層４は、グレーズ層３とＧＭＲ層５との間に形成されている。下地層４は、ＢＣＣ（body-centered cubic：体心立方格子構造）固溶体を含む。

本実施形態によれば、グレーズ層３とＧＭＲ層５との間に下地層４を形成したことにより、セラミック基板２とＧＭＲ層５の磁性層６との表面エネルギー差が緩和される。すると、磁性層６を形成する工程において、基板本体２０の表面と平行な方向への磁性層６の結晶成長が促進されるので、厚さの小さい磁性層６を形成できる。これにより、ＧＭＲ層５の高出力化を図ることができる。また、グレーズ層３の表面は、基板本体２０の表面と比較して平坦化されやすい。すなわち、グレーズ層３の存在により、セラミック基板２の表面が平坦化される。これにより、基板本体２０の表面と平行な方向への磁性層６の結晶成長が更に促進される。

（詳細）
以下、本実施形態の磁気センサ１について、より詳細に説明する。以下の説明では、セラミック基板２から見てＧＭＲ層５が設けられた側を上と規定し、ＧＭＲ層５から見てセラミック基板２が設けられた側を下と規定する。ただし、これらの規定は、磁気センサ１の使用方向を限定する趣旨ではない。

（１）セラミック基板
セラミック基板２は、基板本体２０と、グレーズ層３と、導体２１～２６と、を有する。

本実施形態では、セラミック基板２は、アルミナ基板である。つまり、セラミック基板２は、基板本体２０の材料として、アルミナを含んでいる。アルミナ含有率（純度）は、９６％以上９９％以下であることが好ましい。すなわち、基板本体２０は、材料として、アルミナ含有率が９６％以上９９％以下であるアルミナを含むことが好ましい。これにより、高強度なセラミック基板２を実現できる。

基板本体２０は、第１面２０１と、第２面２０２と、を有する。第１面２０１は、基板本体２０の厚さ方向の一方側の面（上面）である。第２面２０２は、基板本体２０の厚さ方向の他方側の面（下面）である。すなわち、第２面２０２は、第１面２０１とは反対側の面である。

第１面２０１は、平状に形成されている。第１面２０１には、グレーズ層３が形成されている。

第２面２０２は、平状に形成されている。第２面２０２には、導体２２、２５が配置されている。導体２２、２５は、ＧＭＲ層５に電気的に接続されている。導体２２、２５はそれぞれ、ＧＭＲ層５の出力信号を取り出す電極８として機能する。すなわち、セラミック基板２は、ＧＭＲ層５に電気的に接続された一対の電極８を有する。

基板本体２０は、複数（図１では２つ）のスルーホール２０３、２０４を有する。各スルーホール２０３、２０４は、第１面２０１と第２面２０２との間を貫通している。各スルーホール２０３、２０４は、ＧＭＲ層５に隣接して設けられている。

グレーズ層３は、第１面２０１の全体に形成されている。グレーズ層３は、材料として、非晶質ガラス等のガラス材料を含む。

導体２１～２６は、銀パラジウム等の導電性材料からなる。導体２１、２４は、グレーズ層３の表面（上面）に形成されている。導体２２、２５は、基板本体２０の第２面２０２に形成されている。導体２３は、スルーホール２０３に通されている。導体２６は、スルーホール２０４に通されている。

導体２１～２３は、互いに電気的に接続されている。導体２１は、ＧＭＲ層５に接触しており、これによりＧＭＲ層５に電気的に接続されている。ＧＭＲ層５は、導体２１、２３を介して、導体２２（電極８）に電気的に接続されている。言い換えると、導体２１、２３は、導体２２（電極８）とＧＭＲ層５とを電気的に接続している。

導体２４～２６は、互いに電気的に接続されている。導体２４は、ＧＭＲ層５に接触しており、これによりＧＭＲ層５に電気的に接続されている。ＧＭＲ層５は、導体２４、２６を介して、導体２５（電極８）に電気的に接続されている。言い換えると、導体２４、２６は、導体２５（電極８）とＧＭＲ層５とを電気的に接続している。

セラミック基板２は、他の基板に実装される。より詳細には、基板本体２０の第２面２０２が、他の基板の表面に対向する。さらに、導体２２、２５（一対の電極８）が、他の基板の上記表面に形成された導体に接触し、かつ、電気的に接続される。

グレーズ層３の厚みは、１０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。また、グレーズ層３のうち下地層４が形成された表面（上面）は、表面粗さが小さいほど好ましい。表面粗さは、例えば、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に規定された算術平均粗さＲａ等の表面性状パラメータにより表される。グレーズ層３のうち下地層４が形成された表面の算術平均粗さＲａは、０．０２μｍ以下であることが好ましい。

（２）下地層
下地層４は、グレーズ層３の表面のうち、一部の領域に形成されている。下地層４の形状は、例えば、長方形状である。下地層４の表面（上面）は、平状に形成されている。下地層４の厚さは、３～５ｎｍ程度である。

下地層４は、ＢＣＣ固溶体を含む。ＢＣＣ固溶体は、体心立方構造を有する固溶体である。ＢＣＣ固溶体は、Ｎｉ－Ｆｅ－Ｃｒ（ニッケル－鉄－クロム）と、Ｆｅ－Ｓｉ（鉄－ケイ素）と、のうち少なくとも一方を含むことが好ましい。また、Ｎｉ－Ｃｒ（ニッケル－クロム）も下地層４を構成するＢＣＣ固溶体として採用できる。

（３）ＧＭＲ層
ＧＭＲ層５は、下地層４の表面（上面）の全体に形成されている。ＧＭＲ層５は、複数の磁性層６と、複数の非磁性層７と、を有する。磁性層６と非磁性層７とは、交互に積層している。複数の磁性層６のうちの１つは、ＧＭＲ層５のうち最も下の層（下地層４と直接接触している層）である。複数の磁性層６の数と複数の非磁性層７の数との和は、例えば、１０以上、又は、２０以上である。複数の磁性層６と複数の非磁性層７との積層方向（上下方向）から見て、複数の磁性層６及び複数の非磁性層７の各々の寸法は等しいことが望ましい。ただし、複数の磁性層６及び複数の非磁性層７のうち少なくとも１つの寸法が、他とは異なっていてもよい。

磁性層６は、強磁性体の層である。磁性層６は、非磁性層７と比較して磁化されやすい。磁性層６は、例えば、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｎｉ（コバルト－鉄－ニッケル）を有している。非磁性層７は、非磁性体の層である。非磁性層７は、例えば、Ｃｕ（銅）を有している。

磁性層６及び非磁性層７の各々の厚さは、数ｎｍ程度である。本実施形態では、磁性層６の厚さは、２ｎｍ程度である。また、非磁性層７の厚さは、１ｎｍ程度である。

ＧＭＲ層５の電気抵抗は、印加される磁界の大きさ及び向きに応じて変化する。ＧＭＲ層５の電気抵抗を測定することで、磁界が検知される。一対の電極８は、ＧＭＲ層５の電気抵抗を、電気抵抗に対応する大きさの電圧信号として出力する。

（製造方法）
次に、磁気センサ１の製造方法について、図２のフローチャートを参照して説明する。

まず、基板本体２０を用意する。次に、基板本体２０の第１面２０１に、グレーズ層３を形成する（工程ＳＴ１）。より詳細には、ガラスペーストを第１面２０１に印刷し、ガラスペーストを焼成することにより、グレーズ層３を形成する。

ガラスペーストは、ガラスと、フィラーと、を含む。ガラスとしては、アルカリ金属酸化物Ｒ_２Ｏを含むＳｉＯ_２－Ｂ_２Ｏ_３－ＺｎＯ－Ｒ_２Ｏ系ガラス、またはＳｉＯ_２－Ｂ_２Ｏ_３－Ｒ_２Ｏ系ガラスが好適である。フィラーとしては、グレーズ層３の熱膨張係数を基板本体２０の熱膨張係数に近づけるために、アルミナ粉末が好適である。

次に、スルーホール２０３、２０４を形成する。さらに、スルーホール２０３、２０４に導体２３、２６を形成する（工程ＳＴ２）。

次に、グレーズ層３の表面に下地層４を形成する（工程ＳＴ３）。例えば、スパッタリングにより下地層４を形成する。

次に、下地層４の表面にＧＭＲ層５を形成する（工程ＳＴ４）。すなわち、下地層４の表面に磁性層６と非磁性層７とを交互に形成する。例えば、スパッタリングにより磁性層６及び非磁性層７を形成する。

次に、導体２１、２２、２４、２５を形成する（工程ＳＴ５）。すなわち、グレーズ層３の表面及び基板本体２０の第２面２０２にそれぞれ導体を印刷する。

以上の工程により、磁気センサ１が製造される。

このように、一態様に係る磁気センサ１の製造方法は、材料としてセラミックを含む基板本体２０の表面に、グレーズ層３を形成する工程と、グレーズ層３の表面に、ＢＣＣ固溶体を含む下地層４を形成する工程と、下地層４の表面に、複数の磁性層６と複数の非磁性層７との積層構造を有するＧＭＲ層５を形成する工程と、を有する。

（利点）
次に、本実施形態の磁気センサ１の利点について述べる。

上述の通り、磁気センサ１では、下地層４を形成したことにより、基板本体２０の表面と平行な方向への磁性層６の結晶成長が促進されるので、厚さの小さい磁性層６を形成し、ＧＭＲ層５の高出力化を図ることができる。また、グレーズ層３の存在により、セラミック基板２の表面が平坦化されることで、基板本体２０の表面と平行な方向への磁性層６の結晶成長が更に促進される。

また、本実施形態の磁気センサ１では、導体２１、２４は、ＧＭＲ層５の下層に接触している。そのため、一対の表面電極がＧＭＲ層５の上面に形成されていてワイヤボンディングにより一対の表面電極と導体２１、２４とを電気的に接続する場合と比較して、ワイヤを設けるスペースが不要なので、磁気センサ１が占めるスペースを小さくできる。

また、本実施形態の磁気センサ１の利点について、第１比較例の磁気センサと比較して説明する。第１比較例の磁気センサは、グレーズ層３を有するセラミック基板２に代えてシリコン基板を用いている点で、本実施形態の磁気センサ１と相違する。シリコン基板は、グレーズ層３を有していないが、グレーズ層３に代えて、熱酸化膜の絶縁層が形成されている。すなわち、第１比較例の磁気センサのシリコン基板は、熱酸化シリコン基板である。その他の構成は、本実施形態の磁気センサ１と同じである。熱酸化シリコン基板と下地層４との表面エネルギー差は、グレーズ層３を有するセラミック基板２と下地層４との表面エネルギー差よりも大きいと考えられ、第１比較例の磁気センサでは、本実施形態の磁気センサ１に対し、ＧＭＲ層５の平坦性及び結晶配向に差異が生じる。これにより、本実施形態の磁気センサ１と第１比較例の磁気センサとで、ＧＭＲ層５の特性に差異が生じる。

図３に、本実施形態の磁気センサ１のＭＲ比を実線で示し、第１比較例の磁気センサのＭＲ比を破線で示す。ＭＲ比とは、磁界による磁気抵抗効果素子の電気抵抗の変化率である。実施形態の磁気センサ１では、第１比較例の磁気センサと比較して、ＭＲ比が大きい。ＭＲ比のピークは、第１比較例の磁気センサでは１７．１％であるのに対して、本実施形態の磁気センサ１では２４．０％である。このように、本実施形態の磁気センサ１では、グレーズ層３を有するセラミック基板２を用いることにより、ＭＲ比が向上する。

また、図４に、本実施形態の磁気センサ１のＭＲ比を実線で示し、第２比較例の磁気センサのＭＲ比を破線で示す。第２比較例の磁気センサは、下地層４を備えていない点で、本実施形態の磁気センサ１と相違する。セラミック基板２とＧＭＲ層５との表面エネルギー差は、下地層４とＧＭＲ層５との表面エネルギー差よりも大きいと考えられ、第２比較例の磁気センサでは、本実施形態の磁気センサ１に対し、ＧＭＲ層５の平坦性及び結晶配向に差異が生じる。これにより、本実施形態の磁気センサ１と第２比較例の磁気センサとで、ＧＭＲ層５の特性（ＭＲ比）に差異が生じる。

実施形態の磁気センサ１では、第２比較例の磁気センサと比較して、ＭＲ比が大きい。ＭＲ比のピークは、第２比較例の磁気センサでは１０．７％であるのに対して、本実施形態の磁気センサ１では２４．０％である。このように、本実施形態の磁気センサ１では、セラミック基板２の表面に下地層４を形成することにより、ＭＲ比が向上する。

（実施形態の変形例）
以下、実施形態の変形例を列挙する。以下の変形例は、適宜組み合わせて実現されてもよい。

セラミック基板２は、アルミナ基板に限定されない。セラミック基板２は、例えば、窒化アルミニウム基板であってもよい。すなわち、基板本体２０は、材料として窒化アルミニウムを含んでいてもよい。

下地層４は、単一の層でなくてもよく、複数の層を含んでいてもよい。

本開示での２値の比較において、「以上」としているところは、２値が等しい場合、及び２値の一方が他方を超えている場合との両方を含む。ただし、これに限らず、ここでいう「以上」は、２値の一方が他方を超えている場合のみを含む「より大きい」と同義であってもよい。つまり、２値が等しい場合を含むか否かは、基準値等の設定次第で任意に変更できるので、「以上」か「より大きい」かに技術上の差異はない。同様に、「以下」においても「未満」と同義であってもよい。

（まとめ）
以上説明した実施形態等から、以下の態様が開示されている。

第１の態様に係る磁気センサ（１）は、セラミック基板（２）と、ＧＭＲ層（５）と、下地層（４）と、を備える。セラミック基板（２）は、基板本体（２０）と、グレーズ層（３）と、を有する。基板本体（２０）は、材料としてセラミックを含む。グレーズ層（３）は、基板本体（２０）の表面に形成されている。ＧＭＲ層（５）は、複数の磁性層（６）と複数の非磁性層（７）との積層構造を有する。下地層（４）は、グレーズ層（３）とＧＭＲ層（５）との間に形成されている。下地層（４）は、ＢＣＣ固溶体を含む。

上記の構成によれば、グレーズ層（３）とＧＭＲ層（５）との間に下地層（４）を形成したことにより、セラミック基板（２）とＧＭＲ層（５）の磁性層（６）との表面エネルギー差が緩和される。すると、磁性層（６）を形成する工程において、基板本体（２０）の表面と平行な方向への磁性層（６）の結晶成長が促進されるので、厚さの小さい磁性層（６）を形成できる。これにより、ＧＭＲ層（５）の高出力化を図ることができる。また、グレーズ層（３）の表面は、基板本体（２０）の表面と比較して平坦化されやすい。グレーズ層（３）の存在により、セラミック基板（２）の表面が平坦化されることで、基板本体（２０）の表面と平行な方向への磁性層（６）の結晶成長が更に促進される。

また、第２の態様に係る磁気センサ（１）では、第１の態様において、基板本体（２０）は、材料として、アルミナ含有率が９６％以上９９％以下であるアルミナを含む。

上記の構成によれば、高強度なセラミック基板（２）を使用できる。

また、第３の態様に係る磁気センサ（１）では、第１の態様において、セラミック基板（２）は、窒化アルミニウム基板である。

上記の構成によれば、高強度なセラミック基板（２）を使用できる。

また、第４の態様に係る磁気センサ（１）では、第１～３の態様のいずれか１つにおいて、ＢＣＣ固溶体は、Ｎｉ－Ｆｅ－Ｃｒと、Ｆｅ－Ｓｉと、のうち少なくとも一方を含む。

上記の構成によれば、セラミック基板（２）とＧＭＲ層（５）の磁性層（６）との表面エネルギー差が緩和される。

また、第５の態様に係る磁気センサ（１）では、第１～４の態様のいずれか１つにおいて、セラミック基板（２）は、ＧＭＲ層（５）に電気的に接続された電極（導体２２、２５）と、電極に電気的に接続された導体（２１、２３、２４、２６）と、を更に有する。基板本体（２０）は、グレーズ層（３）が形成された第１面（２０１）と、第１面（２０１）とは反対側の面であって電極が配置された第２面（２０２）と、を含む。基板本体（２０）は、第１面（２０１）と第２面（２０２）との間を貫通しているスルーホール（２０３、２０４）を有する。導体（２３、２６）は、スルーホール（２０３、２０４）に通されており電極とＧＭＲ層（５）とを電気的に接続している。

上記の構成によれば、電極がセラミック基板（２）の第２面（２０２）に配置されているので、第２面（２０２）に対向する他の基板と、電極と、の電気的接続を容易に実現できる。また、基板として、比較的強度が高い基板であるセラミック基板（２）を用いているので、スルーホール（２０３、２０４）を設けても、セラミック基板（２）の強度が必要な強度を下回る可能性が低い。

また、第６の態様に係る磁気センサ（１）では、第１～５の態様のいずれか１つにおいて、グレーズ層（３）の厚みは、１０μｍ以上１００μｍ以下である。

上記の構成によれば、グレーズ層（３）を、その表面を平坦化しやすい厚さとすることができる。

また、第７の態様に係る磁気センサ（１）では、第１～６の態様のいずれか１つにおいて、グレーズ層（３）のうち下地層（４）が形成された表面の算術平均粗さは、０．０２μｍ以下である。

上記の構成によれば、グレーズ層（３）の表面粗さが比較的小さい、すなわち、グレーズ層（３）の表面が平坦化されているので、セラミック基板（２）の表面と平行な方向への磁性層（６）の結晶成長が促進される。

第１の態様以外の構成については、磁気センサ（１）に必須の構成ではなく、適宜省略可能である。

また、第８の態様に係る磁気センサ（１）の製造方法は、材料としてセラミックを含む基板本体（２０）の表面に、グレーズ層（３）を形成する工程と、グレーズ層（３）の表面に、ＢＣＣ固溶体を含む下地層（４）を形成する工程と、下地層（４）の表面に、複数の磁性層（６）と複数の非磁性層（７）との積層構造を有するＧＭＲ層（５）を形成する工程と、を有する。

上記の構成によれば、ＧＭＲ層（５）の高出力化を図ることができる。

上記態様に限らず、実施形態に係る磁気センサ（１）の種々の構成（変形例を含む）は、磁気センサ（１）の方法にて具現化可能である。

１ 磁気センサ
２ セラミック基板
３ グレーズ層
４ 下地層
５ ＧＭＲ層
６ 磁性層
７ 非磁性層
２０ 基板本体
２２、２５ 導体（電極）
２１、２３、２４、２６ 導体
２０１ 第１面
２０２ 第２面
２０３、２０４ スルーホール

Claims (8)

1. 材料としてセラミックを含む基板本体と、前記基板本体の表面に形成されたグレーズ層と、を有するセラミック基板と、
   複数の磁性層と複数の非磁性層との積層構造を有するＧＭＲ層と、
   前記グレーズ層と前記ＧＭＲ層との間に形成されており、ＢＣＣ固溶体を含む下地層と、を備える、
   磁気センサ。
2. 前記基板本体は、材料として、アルミナ含有率が９６％以上９９％以下であるアルミナを含む、
   請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記セラミック基板は、窒化アルミニウム基板である、
   請求項１に記載の磁気センサ。
4. 前記ＢＣＣ固溶体は、Ｎｉ－Ｆｅ－Ｃｒと、Ｆｅ－Ｓｉと、のうち少なくとも一方を含む、
   請求項１～３のいずれか一項に記載の磁気センサ。
5. 前記セラミック基板は、前記ＧＭＲ層に電気的に接続された電極と、前記電極に電気的に接続された導体と、を更に有し、
   前記基板本体は、前記グレーズ層が形成された第１面と、前記第１面とは反対側の面であって前記電極が配置された第２面と、を含み、さらに、前記第１面と前記第２面との間を貫通しているスルーホールを有し、
   前記導体は、前記スルーホールに通されており前記電極と前記ＧＭＲ層とを電気的に接続している、
   請求項１～４のいずれか一項に記載の磁気センサ。
6. 前記グレーズ層の厚みは、１０μｍ以上１００μｍ以下である、
   請求項１～５のいずれか一項に記載の磁気センサ。
7. 前記グレーズ層のうち前記下地層が形成された表面の算術平均粗さは、０．０２μｍ以下である、
   請求項１～６のいずれか一項に記載の磁気センサ。
8. 材料としてセラミックを含む基板本体の表面に、グレーズ層を形成する工程と、
   前記グレーズ層の表面に、ＢＣＣ固溶体を含む下地層を形成する工程と、
   前記下地層の表面に、複数の磁性層と複数の非磁性層との積層構造を有するＧＭＲ層を形成する工程と、を有する、
   磁気センサの製造方法。

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