JP2958701B2

JP2958701B2 - 光磁気検出装置

Info

Publication number: JP2958701B2
Application number: JP2123397A
Authority: JP
Inventors: 直樹上山; 良樹山口; 雅哉福井
Original assignee: Glory Ltd
Current assignee: Glory Ltd
Priority date: 1990-05-14
Filing date: 1990-05-14
Publication date: 1999-10-06
Anticipated expiration: 2014-10-06
Also published as: JPH0423360A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、光磁気検出装置に係り、特に光センサと磁
気センサとを、同一基板上にモノリシックまたはハイブ
リッド構造で一体的に組み込んだ光磁気検出装置に関す
る。

（従来技術）紙幣の識別には、光による識別と磁気による識別との
２つが用いられており、従来の紙幣識別装置では、紙幣
の搬送路に、光を識別する光センサと磁気を検出する磁
気センサとが独立的に配置され、それぞれの領域での検
出結果を演算処理回路を用いて重畳し、これを検出結果
とするという方法がとられている。

このため、同一箇所の検出に対して磁気センサと光セ
ンサの出力は時間差を有することになる。従って、例え
ば磁気センサの出力信号を一旦メモリに記憶し、同一箇
所の光センサの出力タイミングに合わせて読み出す等の
処理が必要となり、演算処理に時間を要する上、磁気セ
ンサと光センサが別体として構成されているためこれが
装置の小型化を阻む大きな問題となっていた。

（発明が解決しようとする課題）このように従来の紙幣識別装置では、磁気センサと光
センサが別体として構成されているため、装置の小型化
が困難である上、出力信号の処理が繁雑であるという問
題があった。

これは、紙幣識別装置に限定されることなく、磁気セ
ンサと光センサとを備えた他の検出装置についても同様
の問題であった。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、小型で
かつ容易に光学的検出と磁気的検出との両方を行うこと
のできる光磁気検出装置を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決する手段）そこで本発明の第１では、同一基板上に光センサと磁
気センサとをモノリシック構造で一体的に組み込むよう
にしている。

また本発明の第２では、同一基板上に光センサと磁気
センサとをハイブリッド構造で一体的に組み込むように
している。

さらに本発明の第３では、同一基板上に光センサと磁
気センサとをそれぞれモノリシック構造およびハイブリ
ッドで一体的に組み込むようにしている。

また本発明の第４では、同一基板上に光センサと磁気
センサとをそれぞれハイブリッド構造およびモノリシッ
ク構造で一体的に組み込むようにしている。

（作用）上記構成によれば、光センサと磁気センサとが同一基
板上にモノリシックまたはハイブリッド構造で一体的に
組み込まれているため、装置の小型かをはかることがで
きる上、極めて近接した箇所の光学的検出と磁気的検出
とが同時に行われ得、信号処理が極めて迅速かつ容易と
なる。

（実施例）以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ詳細
に説明する。

実施例１本発明の第１の実施例として、第１図に、紙幣識別の
ための光センサと磁気センサとを同一基板上にモノリシ
ックに配設したモノリシック型多機能センサを示す。

このモノリシック型多機能センサは、ｎ型シリコン基
板１上に、光センサ部２と磁気センサ部３とが一体的に
配設せしめられている。

そして光センサ部２は、基板表面に酸化シリコン膜か
らなる絶縁膜４を介してハイブリッドに搭載された発光
素子としてのLEDチップアレイ５と、基板表面に作り込
まれた受光素子としてのホトダイオードアレイ６とから
構成されており、LEDチップアレイ５を駆動するためのL
ED駆動回路７も、ホトダイオードアレイ６を駆動するた
めのホトダイオード駆動回路８も、ホトダイオードアレ
イ６の出力信号を処理する信号処理回路９もシリコン基
板内に集積化されている。

なお、このLEDチップアレイ５は、第２図（ａ）に示
すように絶縁膜４上に形成されたアルミニウム薄膜から
なる電極パターン5c上にGaAsPまたはAlGaAs系の赤色LED
5aとGaP系の緑色LED5bとが交番配列で接続されており、
上部電極5dはボンディングワイヤ5eを介してアルミニウ
ム薄膜からなる電極パターン5fに接続されている。

さらにホトダイオードアレイ６は第２図（ｂ）に示す
ように、ｎ型シリコン基板１とこの表面に形成されたｐ
型拡散層6aとで形成されるpn接合を用いたもので表面に
酸化インジウム錫（ITO）からなる透明電極6bを形成す
ると共に、該ｎ型シリコン基板１の裏面にアルミニウム
層からなる金属電極6cを形成してなるものである。ここ
で6dはパッシベーション膜、6eは受光面積を規定するた
めのクロム薄膜からなる遮光膜である。またこのホトダ
イオードアレイ６を駆動すためのホトダイオード駆動回
路８もシリコン基板内に集積化されている。

さらにまた、磁気センサ部３は、第３図（ａ）および
第３図（ｂ）に（第３図（ｂ）は第３図（ａ）の上面
図）示すように基板表面に酸化シリコン膜からなる絶縁
膜４を介して基板表面に作り込まれた磁気検出素子とし
ての磁気抵抗素子アレイ10と、基板裏面にハイブリッド
に固着されたバイアス磁石11とから構成されており、磁
気抵抗素子アレイ10を駆動するための磁気抵抗素子駆動
回路12も、磁気抵抗素子アレイ10の出力信号を処理する
信号処理回路13もシリコン基板内に集積化されている。

そして、磁気抵抗素子アレイ10は、絶縁膜４上に蒸着
法によって形成されたInSb磁気抵抗体10aとその両端に
形成されたIn層からなる電極10bとから構成されてい
る。10cはパシベーション膜である。

また、バイアス磁石11は磁気抵抗素子の直下に垂直方
向に均一に磁化された薄型磁石であり、磁気抵抗素子の
全面に均一に磁束がとおるように構成されている。

この装置によれば、光センサと磁気センサとが同一基
板上にモノリシックに配設されているため装置の小型化
をはかることができる上、極めて近接した箇所の光学的
検出と磁気的検出とが同時に実時間で行われ得、紙幣検
出の際に信号処理が極めて容易となる。

また、高密度にセンサを配置することができ、検出精
度を大幅に向上することができる。

なお、ここでは紙幣識別装置について説明したが、紙
幣の識別のみならず、光センサと磁気センサとの両方を
必要とする他の分野にも適用可能である。

また、第３図（ａ）および第３図（ｂ）に示した磁気
ダイオードアレイを構成する磁気抵抗素子の変形例とし
て、第４図（ａ）乃至第４図（ｅ）に示すような差動型
磁気抵抗素子を用いるようにしても良い。

すなわち第４図（ｅ）に等価回路を示すように、イン
ジウムアンチモン（InSb）などの磁気抵抗体43と多結晶
シリコンなどの磁気抵抗効果をもたない抵抗体42とを直
列接続し、この分圧を測定することにより、磁場の大き
さを測定するようにしたものである。

第４図（ａ）乃至第４図（ｄ）はこの差動型磁気抵抗
素子を示す図である。第４図（ｂ）は第４図（ａ）のＡ
−Ａ′断面図、第４図（ｃ）は第４図（ａ）のＢ−Ｂ′
断面図、第４図（ｄ）は基準抵抗素子の電極配置を示す
図である。

この差動型磁気抵抗素子は、シリコン基板上（図示せ
ず）に形成された酸化シリコン膜41上に磁気抵抗効果を
もたない多結晶シリコンからなる基準抵抗素子42と、磁
気抵抗効果をもつインジウムアンチモン（InSb）からな
る磁気抵抗素子43とが層間絶縁膜44を介して積層されて
いることを特徴とするものである。

この基準抵抗素子は、酸化シリコン膜41上に形成され
た長方形の多結晶シリコンパターンからなる抵抗体42a
と、この両端部に形成されたアルミニウム層からなる第
１および第２の電極42b,42cとから構成されている。そ
してこの第１の電極42bは、素子幅の半分に形成されて
いる。また、これらの電極は層間絶縁膜としての酸化シ
リコン膜44に形成されたスルーホールＨを介して磁気抵
抗体42aに接続されるように形成されている。さらに、
この第１の電極42bに並設され、磁気抵抗体43aとは離間
して第３の電極42dが形成されている。

また、磁気抵抗素子は、層間絶縁膜44としての酸化シ
リコン膜上に形成されたシアンダ状のパターンからなる
磁気抵抗体43aと、一端がこの磁気抵抗体に重なるよう
に形成されると共に、他端が第３および第２の電極上に
重なるようにインジウムからなる接続電極43bがこの磁
気抵抗体43aの両端に形成されて、電気的接続を達成し
ている。この磁気抵抗体43aはInSb層内にNiSb針状金属
ｓが電流方向と垂直となるように配向して混在してお
り、大電流を流すことができるようになっている。

この第１の電極と第２の電極との間に所定の電圧を印
加し、第３の電極の電位の変化を測定するものである。

このようにして形成された差動型磁気抵抗素子は極め
て高感度を有している。

さらに、この差動型磁気抵抗素子に、第５図（ａ）お
よび第５図（ｂ）に示すように（第５図（ａ）は等価回
路図、第５図（ｂ）は配置例を示す断面図）温度補償回
路を付加したものも適用可能である。

すなわち、基準抵抗素子Ｒに並列にサーミスタThを接
続し温度上昇に伴う抵抗値変化を補償するようにしたも
のである。

なお、実際の部品配置としては、基準抵抗素子Ｒと並
行するように正方向の温度特性を有するサーミスタThを
形成し、このサーミスタThの両端子を前記第１および第
２の電極に接続するようにしてもよい。ここで磁気抵抗
素子はMRで示す。

他の部分については前記第１の実施例と同様である。

また、第５図（ｃ）に示すよに基準抵抗素子と磁気抵
抗素子と正方向の温度特性を有するサーミスタThとを互
いに並行するように形成しても良い。

また前記実施例では、LEDアレイはLEDチップアレイ５
で構成したが、第６図に変形例を示すようにSOI構造でL
EDアレイをシリコン基板上に直接作り込むようにしても
よい。すなわち信号処理回路や駆動回路８等、他の素子
の作り込まれたシリコン基板１の表面を覆う酸化シリコ
ン膜４上に、帯域溶融再結晶化法（ZMR）法によって形
成されたゲルマニウム（Ge）島領域51上に高濃度のn⁺型
AlxGa_1-xAs層52（ｘ＝0.35）が形成され、この上層に、
例えば櫛歯状をなすようにGaAs層とAlxGa_1-xAs層とのλ
/4多層膜53からなる反射膜、ｎ型AlxGa_1-xAs層54、ｐ型
AlxGa_1-xAs層55、高濃度のｐ型AlxGa_1-xAs層56が順次形
成され、この上層に櫛歯状をなすように上部電極57が形
成され、さらにこの上部電極下のｐ型領域の櫛歯の間に
位置するようにn⁺型AlxGa_1-xAs層52上に直接同様の櫛歯
状の下部電極58が配設され、発光波長λ＝660nmの発光
ダイオードを構成してなるものである。

なお、ｐ型AlxGa_1-xAs層上に形成される上部電極57は
金−ゲルマニウム（Au−Ge）で構成され、n⁺型AlxGa_1-x
As層52上に形成される下部電極58は金−亜鉛（Au−Zn）
で構成されている。

また、反射膜としてのλ/4多層膜53は、膜厚λ/4のn⁺
型GaAs層とn⁺型AlxGa_1-xAs層（ｘ＝0.35）とを交互に30
層積層して形成したもので、膜厚の４倍の波長を持つ光
を選択的に反射する性質を持つものである。

これにより、さらに高密度のLEDアレイを容易に形成
することが可能となる。

さらに、フォトダイオードアレイの変形例として、ア
モルファスシリコンを用いたサンドイッチ構造の光電変
換素子等を用いるようにしても良い。

さらにまた、光センサ部２の配置変形例として、第７
図（ａ）に示すように、シリコン基板１内にLED駆動回
路７を形成し、その両側に赤色LEDアレイ5aおよび緑色L
EDアレイ5bをオンチップで配列し、さらにその外側にそ
れぞれ上層に赤色フィルタRFおよび緑色フィルタGFを形
成したフォトダイオードアレイ６をモノリシックに形成
するようにしてもよい。

また第７図（ｂ）に示すように、上層に赤色フィルタ
RFおよび緑色フィルタGFを形成したフォトダイオードア
レイ６をモノリシックに形成しその外側にそれぞれ赤色
LEDアレイ5aおよび緑色LEDアレイ5bをオンチップで配列
するようにしてもよい。なお、LED駆動回路７もシリコ
ン基板１内にモノリシックに形成されている。

さらに第７図（ｃ）に示すように、オンチップの赤色
LEDアレイ5a、上層に赤色フィルタRFを形成したモノリ
シックのフォトダイオードアレイ６、オンチップの緑色
LEDアレイ5b、上層に緑色フィルタGFを形成したモノリ
シックのフォトダイオードアレイ６の順に配列しても良
い。

実施例２次に、本発明の第２の実施例について説明する。

第８図は、紙幣識別のための光センサと磁気センサと
を同一基板上にハイブリッドに集積化したハイブリッド
型多機能センサを示す。

このハイブリッド型多機能センサは、アルミナ基板21
上に、光センサ部22と磁気センサ部23と、信号処理回路
部24とがハイブリッドに一体的に配設せしめられてい
る。

そして光センサ部22は、基板表面に発光素子としての
LEDチップアレイ25と、LEDチップアレイ25を駆動するた
めのLED駆動回路チップ27と、受光素子としてのホトダ
イオードアレイ26とホトダイオード駆動回路28とが同一
チップ内に作り込まれたホトダイオードチップとがハイ
ブリッドに集積化されて構成されている。

また、磁気センサ部23は、磁気検出素子としての磁気
抵抗素子アレイ30と磁気抵抗素子アレイ30を駆動するた
めの磁気抵抗素子駆動回路31とが同一の基板32内に作り
込まれた磁気抵抗素子チップと、バイアス磁石11とが、
それぞれ基板の表面および裏面にハイブリッドに固着さ
れて構成されている。

そして光センサ部の出力も磁気センサ部の出力も基板
表面にハイブリッドに固着された信号処理回路29に入力
されるようになっている。

上記構造によれば、各種デバイスはチップ状で用いる
ため必要実装空間が小さく集積化が容易である。

またセンサチップおよび信号処理装置チップの交換に
よりセンシング対象に汎用性を持たせることができると
いう効果がある。

なお、光センサ部22の配置変形例として、第９図
（ａ）に示すように、基板61として透光性の石英あるい
はサファイア基板等を用い、この基板上に、それぞれ上
層に赤色フィルタRFおよび緑色フィルタGFを形成したフ
ォトダイオードアレイ26を２列にハイブリッドに固着
し、基板61の裏面側の両フォトダイオードアレイ26の間
に相当する位置に、放熱用ボンディングフレーム62を用
いて赤色LEDアレイ25aおよび緑色LEDアレイ25bをオンチ
ップで交番配列で設置するようにしてもよい。第９図
（ｂ）はLEDアレイ25a,25bの拡大図である。

また、第９図（ｃ）および第９図（ｄ）に示すよう
に、放熱用ボンディングフレーム62を用いて赤色LEDア
レイ25aおよび緑色LEDアレイ25bを２列に設置するよう
にしてもよい。第９図（ｄ）はLEDアレイ25a,25bの拡大
図である。

さらに、第９図（ｅ）および第９図（ｆ）に示すよう
に、放熱用ボンディングフレーム62を２個用いて赤色LE
Dアレイ25aおよび緑色LEDアレイ25bをそれぞれ独立して
２列に設置するようにしてもよい。ここで第９図（ｅ）
は、赤色LEDアレイ25aおよび緑色LEDアレイ25bの間にフ
ォトダイオードアレイ26を配設した例であり、第９図
（ｆ）は赤色LEDアレイ25a、フォトダイオードアレイ2
6、緑色LEDアレイ25b、フォトダイオードアレイ26の順
に交互に配設した例である。

また、第９図（ｇ）および第９図（ｈ）に示すよう
に、放熱用ボンディングフレーム62に、赤色LEDアレイ2
5aおよび緑色LEDアレイ25bを２列に設置するとともに両
者の間にLED駆動回路27を配置し、この放熱用ボンディ
ングフレーム62を透光性基板61の裏面に固着し、表面に
は、同一基板内モノリシックにフォトダイオードアレイ
26および駆動回路27、信号処理回路等を組み込んだ基板
63を固着するようにしてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、本発明によれば、光センサ
と磁気センサとが同一基板上にモノリシックまたはハイ
ブリッド構造で一体的に組み込まれているため、装置の
大幅な小型化をはかることができる上、極めて近接した
箇所の光学的検出と磁気的検出とが同時に行われ得、信
号処理が極めて容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例のモノリシック型多機能
センサを示す図、第２図（ａ）および第２図（ｂ）は同
センサの光センサ部を示す図、第３図（ａ）および第３
図（ｂ）は同センサの磁気センサ部を示す図、第４図
（ａ）乃至第４図（ｄ）は本発明の第１の実施例の磁気
抵抗素子の変形例を示す図、第５図（ａ）および第５図
（ｂ）は本発明の第１の実施例の磁気抵抗素子のさらに
他の変形例を示す図、第５図（ｃ）はさらに他の変形例
を示す図、第６図は同センサのLEDアレイの変形例を示
す図、第７図（ａ）乃至第７図（ｃ）は光センサ部の変
形例、第８図は本発明の第２の実施例のハイブリッド型
多機能センサを示す図、第９図（ａ）乃至第９図（ｈ）
は同センサの光センサ部の変形例である。１……ｎ型シリコン基板、２……光センサ部、３……磁
気センサ部、４……絶縁膜、５……LEDチップアレイ、
６……ホトダイオードアレイ、７……LED駆動回路、８
……ホトダイオード駆動回路、９……信号処理回路、10
……磁気抵抗素子アレイ、11……バイアス磁石、12……
磁気抵抗素子駆動回路、13……信号処理回路、21……ア
ルミナ基板、22……光センサ部、23……磁気センサ部、
24……信号処理回路部、25……LEDチップアレイ、26…
…ホトダイオードアレイ、27……LED駆動回路チップ、2
8……ホトダイオード駆動回路、29……信号処理回路、3
0……磁気抵抗素子アレイ、31……磁気抵抗素子駆動回
路、32……基板、41……酸化シリコン膜、42……基準抵
抗素子、43……磁気抵抗素子、４……層間絶縁膜、42a
……抵抗体、42b……第１の電極、42c……第２の電極、
42d……第３の電極、44……磁気抵抗素子、61……基
板、62……フレーム、63……基板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭54−143299（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−201177（ＪＰ，Ａ) 特開平１−23386（ＪＰ，Ａ) 実開昭61−125764（ＪＰ，Ｕ) 実開平２−12708（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 27/22 H01L 27/14 G07D 7/00 G11B 13/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上にモノリシック構造で一体的に形成
された光センサと前記基板上にモノリシック構造で一体的に形成された磁
気センサとを具備したことを特徴とする光磁気検出装
置。
【請求項２】基板上にハイブリッド構造で一体的に形成
された光センサと前記基板上にハイブリッド構造で一体的に形成された磁
気センサとを具備したことを特徴とする光磁気検出装
置。
【請求項３】基板上にモノリシック構造で一体的に形成
された光センサと前記基板上にハイブリッド構造でで一体的に形成された
磁気センサとを具備したことを特徴とする光磁気検出装
置。
【請求項４】基板上にハイブリッド構造で一体的に形成
された光センサと前記基板上にモノリシック構造で一体的に形成された磁
気センサとを具備したことを特徴とする光磁気検出装
置。