JP3545074B2 - Magnetic detecting element and magnetic detecting module integrated on semiconductor substrate - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体基板に集積される軟磁性コアを用いた磁気検出素子及び磁気検出モジュールに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
軟磁性体とコイルを用いた磁気センサは、古くから非常に感度の高い磁気センサとして用いられている。このような磁気センサは、比較的大きな棒状のコアか、軟磁性リボン(薄帯)をリング状に巻いたコアに、コイルを手作業により巻くことにより作製される。また、測定磁界に比例した電圧を得るためには、電子回路が必要となる。
【0003】
このような磁気センサの磁気検出素子を薄膜軟磁性コアと平面型の薄膜コイルにより実現する方法も考案されている。
【0004】
一方、半導体を用いた磁気センサは、小型で量産も容易であるため、広く用いられている。また、半導体磁気センサと、同じ基板上に空心のコイルを形成し、磁束による負帰還を行う方法も提案されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来の大きな棒状コア、または軟磁性リボンによるリング形状コアに、手巻きによるコイルを巻き、また電子回路を個別部品により構成する磁気センサは、磁気検出部及び装置全体が大がかりとなり、制作費も高くなる。
【0006】
また、従来の薄膜軟磁性コアと平面薄膜コイルを用いた磁気検出素子では、励磁コイルにより発生する磁束変化による大きな誘導波形が、測定磁界の有無に関わらず、検出コイルに現れてしまう。このために、その波形を増幅したり、波形の変化から、測定磁界に比例した成分を抽出するための処理が難しくなる。例えば、波形が飽和したり、オフセットが大きくなったりという問題のために、高感度な検出を困難にする。
【0007】
従来の(半導体基板を用いない)磁気センサでは、測定磁界がないときに誘導波形を打ち消す方法は存在している。
【0008】
また、従来の半導体磁気センサは、感度は、分解能が低く、その用途が限られていた。また、半導体磁気センサと、空心のコイルを同一基板上に形成し、負帰還を行う方法によっても、感度や分解能における著しい改善はみられない。
【0009】
本発明は、上記問題点を除去し、感度が高く、正確な磁気の検出を行うことができ、しかも超小型化が可能な半導体基板上に集積される磁気検出素子及び磁気検出モジュールを提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
(1)半導体基板に集積される磁気検出素子において、半導体基板上に形成される軟磁性膜コアと、この軟磁性膜コアを交流的に励磁するための金属膜により形成される励磁コイルと、金属膜により形成される磁束変化検出用コイルとを形成し、かつ、前記軟磁性膜コアを2個並設し、前記軟磁性膜コアに励磁コイルnターン(nは正の整数)と磁束変化検出用コイルmターン(mは正の整数)を交互に繰り返し巻いた構造を有し、被検出磁界が零のとき、励磁コイルによる誘導波形を打ち消すようにしたものである。
【0011】
(2)半導体基板に集積される磁気検出素子において、半導体基板上に形成される軟磁性膜コアと、この軟磁性膜コアを交流的に励磁するための金属膜により形成される励磁コイルと、金属膜により形成される磁束変化検出用コイルとを形成し、かつ、前記励磁コイルと磁束変化検出用コイルを2つの平面コイルとして重ね、その上に前記軟磁性膜コアを重ねた構造を有するようにしたものである。
【0012】
(3)半導体基板に集積される磁性体を用いた磁気検出モジュールにおいて、前記半導体基板上に形成される軟磁性膜コアと、この軟磁性膜コアを交流的に励磁するための金属膜により形成される励磁コイルと、金属膜により形成される磁束変化検出用コイルとを有し、かつ、前記軟磁性膜コアを2個並設し、前記軟磁性膜コアに励磁コイルnターン(nは正の整数)と磁束変化検出用コイルmターン(mは正の整数)を交互に繰り返し巻いた構造を有し、被検出磁界が零のとき、励磁コイルによる誘導波形を打ち消すようにしたものである。
【0013】
(4)半導体基板に集積される磁性体を用いた磁気検出モジュールにおいて、前記半導体基板上に形成される軟磁性膜コアと、この軟磁性膜コアを交流的に励磁するための金属膜により形成される励磁コイルと、金属膜により形成される磁束変化検出用コイルとを有し、かつ、前記励磁コイルと磁束変化検出用コイルを2つの平面コイルとして重ね、その上に前記軟磁性膜コアを重ねた構造を有する磁気検出素子と、前記励磁コイルに接続され、前記半導体基板上に集積される励磁コイル駆動用集積回路と、前記磁束変化検出用コイルに接続され、前記半導体基板上に集積される磁気検出信号処理用集積回路とを具備するようにしたものである。
【0014】
(5)上記(3)又は(4)記載の磁気検出モジュールにおいて、前記励磁コイル駆動用集積回路は、パルス発振器と分周回路と駆動回路とを具備するようにしたものである。
【0015】
(6)上記(3)又は(4)記載の磁気検出モジュールにおいて、前記磁気検出信号処理用集積回路は、制御信号発生回路と高周波増幅器とクロス結合スイッチと低域通過フィルタとを具備するようにしたものである。
【0016】
(7)半導体基板に集積される磁性体を用いた磁気検出モジュールにおいて、半導体基板上に形成される半導体磁気検出素子と、この半導体磁気検出素子を挟むように配置される一対の軟磁性コアと、この軟磁性コアに巻き回される金属膜により形成される励磁コイルとを設けるようにしたものである。
【0017】
(8)上記(7)記載の磁気検出モジュールにおいて、前記半導体磁気検出素子はホール素子である。
【0018】
(9)上記(7)記載の磁気検出モジュールにおいて、前記半導体磁気検出素子は分割ドレイン型磁気トランジスタである。
【0019】
(10)半導体基板に集積される磁性体を用いた磁気検出モジュールにおいて、半導体基板の中央部に形成される分割ドレイン型磁気トランジスタと、この溝の底部に形成され、前記磁気トランジスタに接続される配線層と、前記溝の下部に形成されるコイルの下層配線と、このコイルの下層配線の上方に形成される軟磁性コアと、この軟磁性コアの上方に配置され、前記コイルの下層配線と接続されるコイルの上層配線とを設けるようにしたものである。
【0020】
【作用】
本発明によれば、上記のように、
(1)半導体基板に集積される磁気検出素子において、半導体基板上に形成される軟磁性膜コアと、この軟磁性膜コアを交流的に励磁するための金属膜により形成される励磁コイルと、金属膜により形成される磁束変化検出用コイルとを形成するようにしたので、感度が高く、しかも正確に微弱な磁気の検出を行うことができ、しかも超小型の半導体基板上に集積される磁気検出素子を得ることができる。
【0021】
(2)特に、モノリシック半導体基板上に薄膜技術を用いて、軟磁性膜コア、励磁コイル、磁束変化検出用コイルを積層することができる磁気検出素子を提供することができる。
【0022】
(3)半導体基板上で、励磁コイルと検出コイルを1ターンずつ交互に巻き、かつ2つの軟磁性膜コアを用いて、外部磁界がないとき、誘起波形の打ち消しを行う巻線構造としているので、超小型で、高感度であり、かつ非常に微弱な磁界が検出できる磁気検出素子を得ることができる。
【0023】
(4)半導体基板に集積される磁性体を用いた磁気検出モジュールにおいて、磁気検出素子、及びその磁気検出素子に必要な電子回路を集積回路として一体化することにより、磁気検出モジュール全体を超小型で実現することにより、超小型で、高感度であり、しかも安価で大量生産に優れた磁気検出モジュールを得ることができる。
【0024】
(5)特に、モノリシック半導体基板上に薄膜技術を用いて、軟磁性膜コア、励磁コイル、磁束変化検出用コイル、その磁気検出素子に必要な電子回路を集積回路として一体化することができる磁気検出モジュールを提供することができる。
【0025】
【実施例】
本発明の実施例について図を参照しながら説明する。
【0026】
図1は本発明の第1実施例の磁気検出素子の概略構成図、図2はその磁気検出素子の動作を示すタイミングチャートであり、図2(a)は軟磁性膜コア2aにおける磁界の波形図、図2(b)は軟磁性膜コア2bにおける磁界の波形図、図2(c)は軟磁性膜コア2aにおける磁束密度の波形図、図2(d)は軟磁性膜コア2bにおける磁束密度の波形図、図2(e)は検出コイル3aに誘起される電圧V1 ,V2 の波形図、図2(f)は検出コイル3aに誘起される電圧V1 +V2 の波形図である。
【0027】
これらの図に示すように、2つの軟磁性膜コア2a,2bに、2つのコイル、つまり、検出コイル(A−A′)3aと、励磁コイル(B−B′)3bを巻いた構造を、半導体基板1上に構成する。なお、集積回路を一体化せず、磁気検出素子のみ実現する場合には、ガラス基板なども利用できる。励磁コイル3bを図のように巻くと、励磁交流電流によって生じるコア内の磁界が、2つのコアで逆向きになる。一方、検出コイル3aは、2つのコアにまたがって巻いており、このようにすると、励磁交流電流により電磁誘導のために発生する検出コイル3aにおける誘起電圧は、2つのコア内の磁界が逆向きなので打ち消される。コア軸方向から外部磁界Hm が加わると、2つのコアに対し同じ向きに加わるので、励磁磁界をHe とすると、2つのコア内の磁界は、それぞれHm +He ,Hm −He となる。このとき、図2に示すように、検出コイル3aに電圧が誘起される。その大きさを求めることにより、外部磁界Hm の大きさを知ることができる。
【0028】
特に、半導体(シリコン)基板1を用いる磁気検出素子において、励磁コイル3bと検出コイル3aを2つの軟磁性膜コア2a,2bに1ターンずつ交互に巻いた構造にすることが重要である。
【0029】
このように、半導体基板1上で、励磁コイル3bと検出コイル3aを1ターンずつ交互に巻き、かつ2つの軟磁性膜コア2a,2bを用いて、外部磁界Hm がないとき、誘起波形の打ち消しを行う巻線構造としている。
【0030】
また、上記の構成とは異なり、1つのコアに励磁コイルと検出コイルを巻いたものでも検出は可能であるが、この場合には、外部磁界がなくても検出コイルに大きな誘起電圧波形が生じてしまい、増幅やフィルタリング等の検出コイル出力に対する信号処理が面倒になる。
【0031】
次に、図1に示される磁気検出素子を半導体基板上に形成する場合の例を図3及び図4に示す。
【0032】
図3は本発明の第1実施例を示す磁気検出素子の概略平面図、図4は図3のC−C′線断面図である。
【0033】
これらの図に示すように、半導体基板(シリコン基板)11上にはシリコン酸化膜などの絶縁膜(シリコン酸化膜)12を形成し、その上に、2層の金属配線、つまり、コイルの下層配線13とコイルの上層配線18とをスルーホール17を介して接続することにより、図1に示したと同様な巻線構造の励磁コイル(B−B′)3b、検出コイル(A−A′)3aを実現する。コイルの上層配線18とコイルの下層配線13間に、絶縁膜(ポリイミドなど)14,16を介して軟磁性膜コア15を挟んでいる。
【0034】
従来型の(半導体基板を用いない)磁気検出素子においても、2つのコアに励磁コイルと検出コイルを巻いて、外部磁界がないときに、電磁誘導による誘起波形を打ち消すようにしたものは存在している。半導体基板を用いる場合は、励磁コイルと検出コイルを1ターンずつ交互に巻いた構造とすることが重要である。そうしないと、軟磁性膜コアは、漏れ磁束が大きく、励磁コイルによる磁束の変化を検出コイルで十分ピックアップできなくなる。半導体基板上で、励磁コイルと検出コイルを1ターンずつ交互に巻き、かつ2つのコアを用いて、外部磁界がないときと誘起波形の打ち消しを行う巻線構造が発明の1つ特徴点である。
【0035】
以下、上記した第1実施例を示す磁気検出素子の製造方法について、図5を参照しながら説明する。
【0036】
図5は本発明の第1実施例を示す磁気検出素子の製造工程断面図である。ここでは、半導体シリコン基板を用いた場合で説明する。
【0037】
(1)まず、図5(a)に示すように、シリコン基板11上に基板との絶縁のため、熱酸化により絶縁膜(シリコン酸化膜)12を形成する。
【0038】
(2)次に、図5(b)に示すように、コイルの下層配線13となる金属材料を堆積し、ICプロセスのホトリソグラフィとエッチングによってパターニングを行う。金属材料としては、AlやCuを用いる。堆積法は、スパッタ、蒸着など様々であるが、Cuを厚く堆積する場合、電気めっき、無電解めっきが有効である。
【0039】
(3)次に、図5(c)に示すように、絶縁をとるための絶縁膜(ポリイミドなど)14を堆積する。これは、スパッタやCVD(化学気相成長)によるシリコン酸化膜、ハードキュアを行ったホトレジスト、ポリイミドなどが利用できる。また、このとき、配線パターンによって磁性膜の下地に凹凸ができないよう平坦化を行う。
【0040】
(4)次に、図5(d)に示すように、軟磁性材料をを堆積し、パターニングし、軟磁性膜コア15を形成する。この堆積法としては、電気めっき法やスパッタ法、蒸着法等が利用できる。また、軟磁性材料としては、パーマロイ(NiとFeの合金)、各種のアモルファス磁性合金、及びこれらと非磁性材料を交互に積み重ねた多層軟磁性膜が利用できる。
【0041】
(5)次に、図5(e)に示すように、絶縁をとるための絶縁膜(ポリイミドなど)16を堆積する。
【0042】
(6)次に、図5(f)に示すように、スルーホール17をホトリソグラフィとエッチングによって形成する。
【0043】
(7)次に、図5(g)に示すように、コイルの上層配線18となる金属材料を堆積し、パターニングを行う。このとき磁性膜によって、大きな段差を生じるので、ホトリソグラフィにおいては、厚膜レジストを用いるか、または多層レジスト工程などを応用する。
【0044】
次に、本発明の第2実施例について説明する。
【0045】
図6は本発明の第2実施例を示す磁気検出素子の概略構成図である。
【0046】
この図に示すように、半導体基板上に、同一平面に形成される2つの平面コイルからなる検出コイル21a,21bと、その上方に配置される1つの平面コイルからなる励磁コイル22と、その上方であって、同一平面に形成される2つの軟磁性膜コア23a,23bを配置する。すなわち、励磁コイル22と2つの軟磁性膜コア23a,23bを図6のように重ねて励磁すると、2つの軟磁性膜コア23a,23bは、互いに逆向きに励磁される。これに、検出コイル21a,21bを重ねると、各軟磁性膜コア23a,23bの下の検出コイル21a,21bには、交流励磁電流により、互いに逆極性の電圧波形が誘起される。そこで、検出コイル21a,21bを図6のように巻けば、2つの軟磁性膜コア23a,23b内の励磁磁束による誘起電圧が打ち消され、第1実施例1と同様な作用効果が期待される。
【0047】
図7は本発明の第2実施例を示す磁気検出素子の概略平面図、図8は図7のD−D′線断面図である。
【0048】
図7及び図8において、半導体基板31上にはシリコン酸化膜などの絶縁膜32を形成し、その上に、2つの平面コイルからなる検出コイル(コイルの下層配線)33を形成し、絶縁膜(ポリイミドなど)34を介して、その上方に励磁コイル(コイルの上層配線)35形成し、更に、絶縁膜(ポリイミドなど)36を介して、同一平面に形成される2つの軟磁性膜コア37を成形する。38はコンタクトである。
【0049】
以下、上記した第2実施例を示す磁気検出素子の製造方法について、図9を参照しながら説明する。
【0050】
図9は本発明の第2実施例を示す磁気検出素子の製造工程断面図である。ここでは、半導体シリコン基板を用いた場合で説明する。
【0051】
(1)まず、図9(a)に示すように、シリコン基板31上に基板との絶縁のため、熱酸化により絶縁膜(シリコン酸化膜)32を形成する。
【0052】
(2)次に、図9(b)に示すように、コイルの下層配線33となる金属材料を堆積し、ICプロセスのホトリソグラフィとエッチングによってパターニングを行う。金属材料としては、AlやCuを用いる。堆積法は、スパッタ、蒸着など様々であるが、Cuを厚く堆積する場合、電気めっき、無電解めっきが有効である。
【0053】
(3)次に、図9(c)に示すように、絶縁をとるための絶縁膜(ポリイミドなど)34を堆積する。これは、スパッタやCVD(化学気相成長)によるシリコン酸化膜、ハードキュアを行ったホトレジスト、ポリイミドなどが利用できる。また、このとき、配線パターンによって磁性膜の下地に凹凸ができないよう平坦化を行う。
【0054】
(4)次に、図9(d)に示すように、コイルの上層配線35となる金属材料を堆積し、ICプロセスのホトリソグラフィとエッチングによってパターニングを行う。金属材料としては、AlやCuを用いる。堆積法は、スパッタ、蒸着など様々であるが、Cuを厚く堆積する場合、電気めっき、無電解めっきが有効である。
【0055】
(5)次に、図9(e)に示すように、絶縁をとるための絶縁膜(ポリイミドなど)36を堆積する。これは、スパッタやCVD(化学気相成長)によるシリコン酸化膜、ハードキュアを行ったホトレジスト、ポリイミドなどが利用できる。
【0056】
(6)次に、図9(f)に示すように、軟磁性材料を堆積し、パターニングを行い、軟磁性膜コア37を形成する。この堆積法としては、電気めっき法やスパッタ法、蒸着法等が利用できる。また、軟磁性材料としては、パーマロイ(NiとFeの合金)、各種のアモルファス磁性合金、及びこれらと非磁性材料を交互に積み重ねた多層軟磁性膜が利用できる。
【0057】
このように構成することにより、第1実施例に比べて、製作工程が簡単であり、スルーホールの数も非常に少なくて済むので、歩留まりが向上する。
【0058】
更に、上層配線の形成の際、大きな段差がないので、通常のホトリソグラフィプロセスが適用できる。
【0059】
また、軟磁性膜コアを一番最後に形成できるので、素子を製作する過程において発生する熱的なストレスが軟磁性膜コアに発生せず、軟磁性膜コアの特性が向上できる。
【0060】
次に、本発明の第3実施例について説明する。
【0061】
図10は本発明の第3実施例を示す磁気検出モジュールの概略構成図である。
【0062】
この図に示すように、半導体(シリコン)基板41上に励磁コイル駆動用集積回路42、磁気検出素子43及び磁気検出信号処理用集積回路44を組み合わせ、磁気検出モジュールを構成している。
【0063】
ここで、磁気検出素子43としては、上記第1実施例及び第2実施例で述べた検出素子を用い、この磁気検出素子と必要な電子回路を同一半導体基板41上に集積化する。
【0064】
図11は本発明の第3実施例を示す磁気検出モジュールとして組み込まれる集積回路のブロック図、図12はその磁気検出モジュールの回路動作を示すタイミングチャートである。
【0065】
図11において、この磁気検出モジュールは、大別すると、励磁コイル駆動用集積回路51、磁気検出素子55と磁気検出信号処理用集積回路56からなる。
【0066】
そして、励磁コイル駆動用集積回路51は、パルス発振器52、分周回路53及び駆動回路54からなる。
【0067】
また、磁気検出素子55は、コア55c、励磁コイル55a、検出コイル55bからなる。
【0068】
更に、磁気検出信号処理用集積回路56は、高周波増幅器57、クロス結合スイッチ回路58、低域通過フィルタ59、位相調整及び制御信号発生部60を有している。
【0069】
まず、パルス発振器52で電圧パルスP1 (4f0 )を発生し、この電圧パルスP1 (4f0 )を、まず分周回路(第1段)53に通して、周波数が1/2でデューティ比が50%のパルスP2 (2f0 )に変換する。このパルスの周波数(2f0 )は、十分高い感度が得られるよう1MHz程度以上の高い周波数とする。さらに、分周回路(第2段)53により、周波数がその1/2のパルスP3 (f0 )を生成する。駆動回路54では、このパルスP3 (f0 )を3角波に変換し、磁気検出素子55の励磁コイル55aを3角波状の電流P4 で駆動する。このとき、磁気検出素子55の検出コイル55bには、外部磁界がなければ、電圧は現れず、外部磁界が加わったとき、図12(e)に示すような波形が現れる。ここで、磁界の向きが順方向のとき、実線のような波形であるとすると、逆方向の磁界に対しては、破線のような波形となる。この波形を高周波増幅器57により増幅した後、クロス結合スイッチ回路58に通す。ここでは、初段の分周回路の出力をもとにして発生した図12(a)と図12(b)のような2つのパルスを用いて、電圧の極性を切り替えることにより、図12(f)のような波形に変換する。
【0070】
図13はそのクロス結合スイッチ回路の動作の説明図であり、電圧の極性の切り替えの原理を示している。
【0071】
この図において、制御信号φが“1”の場合、ストレートに接続されるようスイッチが制御され、入出力の電圧の極性は同じであるが、φが“0”の場合、接続がクロスするようスイッチが制御され、電圧の極性が反転する。したがって、図12のようなタイミングで制御すれば、図12(f)のような波形が得られる。この後、これを低域通過フィルタ59に通せば、図12(g)の波形の直流成分が得られるが、その大きさは、外部直流磁界の大きさに比例しており、外部磁界が測定できる。なお、逆方法の磁界の場合には、図12(g)の波形は破線の通りとなり、低域通過フィルタの通過後は、逆極性の電圧が得られる。すなわち、方向性を持った検出を行うことができる。
【0072】
上記のクロス結合スイッチ回路をMOSトランジスタ回路で実現すると、図14に示すような回路となる。
【0073】
次に、本発明の第4実施例について説明する。
【0074】
図15は本発明の第4実施例を示す磁気検出モジュールの概略構成図である。
【0075】
この実施例では、検出コイルの代わりに、半導体磁気センサを用いるようにしたものである。より具体的には、図15(a)においては、中央にホール素子を用いた半導体磁気検出素子61を配置し、これを軟磁性コア62,63と励磁コイル64,65を組み合わせて構成した磁気検出モジュールである。
【0076】
また、図15(b)においては、中央に分割ドレイン型磁気トランジスタを用いた半導体磁気検出素子71を配置し、これを軟磁性コア72,73と励磁コイル74,75を組み合わせて構成した磁気検出モジュールである。
【0077】
これらは軟磁性コアによって磁束を収束し、半導体磁気検出素子の感度を高めたものと考えることができる。十分な効果を得るために、まず、反磁界の影響を考慮して十分に長いコアを用いる。2つのコアのギャップ部に半導体磁気検出素子を配置し、ギャップをできる限り狭くする。また、コアにコイルを巻き、コアの磁化が飽和する程度に十分大きな振幅の交流信号で励磁する。半導体磁気検出素子は、この交流励磁電流による磁界と外部磁界の和により生じたコアの磁束密度波形の変化を検出する。外部磁界によって、磁束密度波形が変化し、適当な信号処理を行うことによって、外部磁界に比例した電圧を得ることができる。
【0078】
このような交流励磁を用いないと、コアが磁化してしまい、感度が下がったり、検出特性にヒステリシスを持つようになる。
【0079】
図16は本発明の第4実施例を示す磁気検出モジュールを半導体基板上に実現する場合の概略平面図、図17は図16のA−A′線断面図である。
【0080】
ここでは、半導体磁気検出素子としては、分割ドレイン型磁気トランジスタを2つ用いている。これは、単結晶シリコン基板を用いて、結晶軸異方性エッチング台形状の溝を作り、溝の斜面に、2つの磁気トランジスタを構成する。また溝の斜面を利用して、下層の金属配線を形成し、また、溝の中に磁性材料を埋め込む。その上に上層配線を形成して、スルーホールを経由して、下層配線と螺旋状に接続することにより、コイルを形成する。このようにして、図15(b)と類似の構造が実現できる。
【0081】
図16及び図17において、81はp型単結晶シリコン基板、84は深い部位に形成されるチャネルとなるn型不純物層、85は浅い部位に形成される上部ゲートとなるp型不純物層、87はnチャネル接合型電解効果トランジスタを利用した分割ドレイン型磁気トランジスタのドレイン(n+ )拡散層、88はnチャネル接合型電解効果トランジスタを利用した分割ドレイン型磁気トランジスタのソース(n+ )拡散層、89はシリコン酸化膜、90はコイルの下層配線、91は絶縁膜(ポリイミドなど)、92は溝に埋め込まれた軟磁性材料からなる軟磁性コア、93は絶縁膜(ポリイミドなど)、94はコンタクトホール、95はコイルの上層配線、96はコンタクト、97は金属電極を示している。
【0082】
図18は本発明の第4実施例を示す半導体磁気センサ部の動作原理を示す図であり、この図を用いて半導体磁気センサ部の動作原理について説明すると、分割ドレイン型磁気検出素子は、チャネルの面に垂直に磁界が加わったとき、キャリアである電子が、磁界によるローレンツ力を受けて軌道が曲げられることにより、2つのドレイン間に電流差が生じ、その差が磁界の大きさに比例することを利用するものである。
【0083】
このような2つの磁気トランジスタが、図18のような角度で配置され、接続されていると、図のような方向の磁界に対して、Ia1,Ib1が増加し、逆に、Ia2,Ib2は、減少する。したがって、単純に2つの磁気トランジスタを図18のように接続することによって、2つの磁気トランジスタの電流変化の和を求めることができる。また、各磁気トランジスタは、面に垂直な方向に最大感度を持つが、これらは、コアの軸に対して傾いている。しかし、2つの和を求めることによって、その合成出力はコアの軸方向に最大感度を持つようになる。
【0084】
図19は本発明の第4実施例を示す磁気検出モジュールの製造工程断面図である。ここでは、半導体シリコン基板を用いた場合で説明する。
【0085】
(1)まず、図19(a)に示すように、面方位100のp型の単結晶シリコン基板81を用い、その上にシリコン酸化膜を成長させ、ホトリソによりシリコン酸化膜82を形成する。
【0086】
(2)次に、シリコン酸化膜82をマスクとして、図19(b)に示すように、結晶軸異方性エッチングにより、台形状の溝を形成する。これは、アルカリ系の特殊なエッチング液を用いると、100方向に比べて111方向のエッチング速度が極端に遅くなることを利用するものである。これによって111面に相当する面が斜面となる正確な台形状の立体構造が得られる。その溝の斜面にnチャネル接合型電解効果トランジスタをベースにした分割ドレイン型磁気トランジスタを作成する。まず、パターニングされたフォトレジスト83をマスクとして、イオン注入によりn型不純物を深く導入して、チャネルとなるn型不純物層84を形成する。次いで、p型不純物を浅く導入し、上部ゲートとなるp型不純物層85を形成する。
【0087】
(3)次に、図19(c)に示すように、熱処理を兼ねてシリコン酸化膜86を熱酸化により成長させる。
【0088】
(4)次に、図19(d)に示すように、ソース、ドレインの部分の酸化膜を除去し、この部分に電極をとるため、高濃度のn型不純物を導入し、nチャネル接合型電解効果トランジスタを利用した分割ドレイン型磁気トランジスタのドレイン(n+ )拡散層87と、nチャネル接合型電解効果トランジスタを利用した分割ドレイン型磁気トランジスタのソース(n+ )拡散層88とを形成する。これは、熱拡散、イオン注入いずれでも可能である。
【0089】
(5)次に、図19(e)に示すように、シリコン酸化膜89を再度全体的に成長させた後、コイルの下層配線90となる金属材料を堆積し、パターニングを行う。
【0090】
(6)次に、図19(f)に示すように、絶縁材料からなる絶縁膜(ポリイミドなど)91を堆積した後、溝の中に埋め込まれた形に軟磁性材料を堆積した後、パターニングし、軟磁性コア92を形成する。
【0091】
(7)次に、再度絶縁膜(ポリイミドなど)93を堆積し、コンタクトホール94を形成した後、コイルの上層配線95を堆積してパターニングし、コイルの上層配線95とコイルの下層配線90とをコンタクト96で接続してコイルの構造を完成するとともに、磁気トランジスタのソース、ドレインへの金属電極97を形成する。
【0092】
図20に、図16に示した磁気検出モジュールの構成を示す。その動作を図21のタイミングチャートを用いて説明する。
【0093】
パルス発振器101から出力され、図21(a)に示す基準クロックaを分周回路102に通し、図21(b)に示す1/2の周波数でデューティ比が50%のパルスbを生成する。コイルの駆動回路103で、図21(c)に示す3角波状の波形cに変換し、コアの磁化が十分飽和する程度に大きな振幅でコアを駆動する。このとき、コア内の磁束密度波形は、磁界の振幅が大きくなったところで飽和し、これを2つのコアのギャップ部に挟んだ磁気トランジスタで検出すると磁気トランジスタには、コア内の磁束密度波形と同様な、図21(d)に示す電圧波形dが発生する。外部磁界がない場合は、対称的な波形であるが、外部直流磁界が重畳すると、破線のように波形が変化する。磁気トランジスタの出力を、AC(交流)アンプ108で増幅するとともに、直流成分をカットすると、図21(e)のようになり、外部磁界がない場合変化はないが、外部磁界が加わった場合では、破線のように変化する。そこで、台形状の波形の正と負のピーク値をそれぞれサンプルし、これらの和を求めることで台形の高さの差を求めることができる。この値は、外部の磁界に比例している。このような演算は、スイッチトキャパシタ方式の減算器110とS/H(サンプル/ホールド)回路120により行うことができる。まず、図21(f)のようなパルスを生成してこれによって負のピーク値のサンプリングを行い、その電圧でキャパシタC1 を充電する。次に、図21(g)のパルスで正のピーク値のサンプリングを行うと、キャパシタC1 にその電圧が充電されるとともに、正負のピーク値の差に比例した電荷がキャパシタC2 に転送される。これにより生じた図21(h)に示す電圧(h)をS/H回路120でサンプルして保持することにより、図21(i)のような直流電圧が得られる。その大きさは、外部磁界に比例している。
【0094】
なお、図20において、105は直流電源、106及び107は抵抗、109は制御信号発生回路、111,112,116及び121はスイッチ、C 1 ,C 2 ,C3 はキャパシタ113,115,122である。なお、104は検出コイル、114,123はMOS型オペアンプである。
【0095】
このような電子回路は、第3実施例の場合と同様、検出素子とともに同一シリコン基板上に作製し、集積化することができる。
【0096】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【0097】
【発明の効果】
以上、詳細に述べたように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【0098】
(1)半導体基板に集積される磁気検出素子において、半導体基板上に形成される軟磁性膜コアと、この軟磁性膜コアを交流的に励磁するための金属膜により形成される励磁コイルと、金属膜により形成される磁束変化検出用コイルとを形成するようにしたので、感度が高く、しかも正確な磁気の検出を行うことができ、しかも超小型の半導体基板上に集積される磁気検出素子を得ることができる。
【0099】
(2)特に、モノリシック半導体基板上に薄膜技術を用いて、軟磁性膜コア、励磁コイル、磁束変化検出用コイルを積層することができる磁気検出素子を提供することができる。
【0100】
(3)半導体基板上で、励磁コイルと検出コイルを1ターンずつ交互に巻き、かつ2つの軟磁性膜コアを用いて、外部磁界がないとき、誘起波形の打ち消しを行う巻線構造としているので、超小型で、高感度であり、しかも極めて微弱な磁界を検出できる磁気検出素子を得ることができる。
【0101】
(4)半導体基板に集積される磁性体を用いた磁気検出モジュールにおいて、磁気検出素子、及びその磁気検出素子に必要な電子回路を集積回路として一体化することにより、磁気検出モジュール全体を超小型で実現することにより、超小型で、高感度であり、しかも安価で大量生産の容易な磁気検出モジュールを得ることができる。
【0102】
(5)特に、モノリシック半導体基板上に薄膜技術を用いて、軟磁性膜コア、励磁コイル、磁束変化検出用コイル、その磁気検出素子に必要な電子回路を集積回路として一体化することができる磁気検出モジュールを提供することができる。
【0103】
このようにして得られる磁気検出素子及び磁気検出モジュールは、例えば、地磁気検出によるナビゲーションシステム、地磁気変動モニタ(地震予知)、一部の生体磁気計測、金属材料の欠陥検出、間接的な応用として、磁気エンコーダ、無接点ポテンションメータ、電流センサ、トルクセンサ、変位センサ等として、広汎な利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例の磁気検出素子の概略構成図である。
【図2】本発明の第1実施例の磁気検出素子の動作を示すタイミングチャートである。
【図3】本発明の第1実施例を示す磁気検出素子の概略平面図である。
【図4】図3のC−C′線断面図である。
【図5】本発明の第1実施例を示す磁気検出素子の製造工程断面図である。
【図6】本発明の第2実施例を示す磁気検出素子の概略構成図である。
【図7】本発明の第2実施例を示す磁気検出素子の概略平面図である。
【図8】図7のD−D′線断面図である。
【図9】本発明の第2実施例を示す磁気検出素子の製造工程断面図である。
【図10】本発明の第3実施例を示す磁気検出モジュールの概略構成図である。
【図11】本発明の第3実施例を示す磁気検出モジュールとして組み込まれる集積回路のブロック図である。
【図12】本発明の第3実施例を示す磁気検出モジュールの回路動作を示すタイミングチャートである。
【図13】本発明の第3実施例を示す磁気検出モジュールのクロス結合スイッチ回路の動作の説明図である。
【図14】本発明の第3実施例を示す磁気検出モジュールのクロス結合スイッチ回路をMOSトランジスタ回路で実現した回路図である。
【図15】本発明の第4実施例を示す磁気検出モジュールの概略構成図である。
【図16】本発明の第4実施例を示す磁気検出モジュールを半導体基板上に実現する場合の概略平面図である。
【図17】図16のA−A′線断面図である。
【図18】本発明の第4実施例を示す半導体磁気センサ部の動作原理を示す図である。
【図19】本発明の第4実施例を示す磁気センサの製造工程断面図である。
【図20】本発明の第4実施例を示す磁気検出モジュールの構成図である。
【図21】本発明の第4実施例を示す磁気検出モジュールのタイミングチャートである。
【符号の説明】
1,11,31,41 半導体基板(シリコン基板)
2a,2b,15,23a,23b,37 軟磁性膜コア
3a,21a,21b,55b,104 検出コイル
3b,22,55a,64,65,74,75 励磁コイル
12,32 絶縁膜(シリコン酸化膜)
13,33,90 コイルの下層配線
14,16,34,36,91,93 絶縁膜(ポリイミドなど)
17 スルーホール
18,35,95 コイルの上層配線
38 コンタクト
42,51 励磁コイル駆動用集積回路
43,55 磁気検出素子
44,56 磁気検出信号処理用集積回路
52,101 パルス発振器
53,102 分周回路
54,103 駆動回路
55c コア
57 高周波増幅器
58 クロス結合スイッチ回路
59 低域通過フィルタ
60 位相調整及び制御信号発生部
61,71 半導体磁気検出素子
62,63,72,73,92 軟磁性コア
81 p型単結晶シリコン基板
82,86,89 シリコン酸化膜
83 フォトレジスト
84 チャネルとなるn型不純物層
85 上部ゲートとなるp型不純物層
87 分割ドレイン型磁気トランジスタのドレイン(n+ )拡散層
88 分割ドレイン型磁気トランジスタのソース(n+ )拡散層
94 コンタクトホール
96 コンタクト
97 金属電極
105 直流電源
106,107 抵抗
108 AC(交流)アンプ
109 制御パルス発生回路
110 減算器
111,112,116,121 スイッチ
113,115,122 キャパシタ
114,124 MOS型オペアンプ
120 S/H(サンプル/ホールド)回路[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a magnetic detection element and a magnetic detection module using a soft magnetic core integrated on a semiconductor substrate.
[0002]
[Prior art]
A magnetic sensor using a soft magnetic material and a coil has been used as an extremely sensitive magnetic sensor for a long time. Such a magnetic sensor is manufactured by manually winding a coil around a relatively large rod-shaped core or a core obtained by winding a soft magnetic ribbon (thin ribbon) in a ring shape. In addition, an electronic circuit is required to obtain a voltage proportional to the measurement magnetic field.
[0003]
A method of realizing such a magnetic sensor element of a magnetic sensor with a thin film soft magnetic core and a planar thin film coil has also been devised.
[0004]
On the other hand, magnetic sensors using semiconductors are widely used because they are small and easy to mass-produce. Further, there has been proposed a method of forming an air-core coil on the same substrate as a semiconductor magnetic sensor and performing negative feedback by magnetic flux.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional magnetic sensor, in which a manually wound coil is wound around a large rod-shaped core or a ring-shaped core made of a soft magnetic ribbon, and the electronic circuit is composed of individual components, the magnetic detection unit and the entire device become large, and the production cost is high. Become.
[0006]
Further, in a conventional magnetic detecting element using a thin-film soft magnetic core and a planar thin-film coil, a large induced waveform due to a change in magnetic flux generated by the exciting coil appears in the detecting coil regardless of the presence or absence of the measurement magnetic field. This makes it difficult to amplify the waveform or extract a component proportional to the measured magnetic field from the change in the waveform. For example, high-sensitivity detection is difficult due to problems such as saturation of the waveform and a large offset.
[0007]
In a conventional magnetic sensor (without using a semiconductor substrate), there is a method for canceling an induced waveform when there is no measurement magnetic field.
[0008]
The conventional semiconductor magnetic sensor has low sensitivity and low resolution, and its use is limited. Further, even when the semiconductor magnetic sensor and the air-core coil are formed on the same substrate and negative feedback is performed, no remarkable improvement in sensitivity or resolution is found.
[0009]
The present invention eliminates the above-mentioned problems, and provides a magnetic detection element and a magnetic detection module integrated on a semiconductor substrate capable of performing high-sensitivity, accurate magnetic detection and miniaturization. The purpose is to.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention, in order to achieve the above object,
(1) In a magnetic sensing element integrated on a semiconductor substrate, a soft magnetic film core formed on the semiconductor substrate, an exciting coil formed of a metal film for exciting the soft magnetic film core in an alternating current; And a magnetic flux change detection coil formed by a metal film.And two soft magnetic film cores are arranged side by side, and the soft magnetic film core is provided with an excitation coil n-turn (n is a positive integer) and a magnetic flux change detection coil m-turn (m is a positive integer) alternately. It has a repeatedly wound structure and cancels the induced waveform by the exciting coil when the detected magnetic field is zero.It is like that.
[0011]
(2A) a magnetic sensing element integrated on a semiconductor substrate, a soft magnetic film core formed on the semiconductor substrate, an exciting coil formed by a metal film for exciting the soft magnetic film core in an alternating current; And a magnetic flux change detection coil formed byAnd the excitation coil and the magnetic flux change detection coil are stacked as two planar coils, and the soft magnetic film core is stacked thereon.It is like that.
[0012]
(3A) a magnetic detection module using a magnetic material integrated on a semiconductor substrate, wherein the soft magnetic layer is formed on the semiconductor substrate;filmCore and this soft magnetismfilmIt has an excitation coil formed of a metal film for exciting the core in an alternating current and a magnetic flux change detection coil formed of the metal film.And two soft magnetic film cores are arranged side by side, and the soft magnetic film core alternately has an excitation coil n-turn (n is a positive integer) and a magnetic flux change detection coil m-turn (m is a positive integer). Has a structure wound repeatedly to cancel the induced waveform by the excitation coil when the detected magnetic field is zero.Things.
[0013]
(4) In a magnetic detection module using a magnetic material integrated on a semiconductor substrate, a soft magnetic layer formed on the semiconductor substratefilmCore and this soft magnetismfilmIt has an excitation coil formed of a metal film for exciting the core in an alternating current and a magnetic flux change detection coil formed of the metal film.And the excitation coil and the magnetic flux change detection coil are stacked as two plane coils, and the soft magnetic film core is stacked thereon.A magnetic detection element, an excitation coil driving integrated circuit connected to the excitation coil and integrated on the semiconductor substrate, and a magnetic detection signal connected to the magnetic flux change detection coil and integrated on the semiconductor substrate And a processing integrated circuit.
[0014]
(5) Above(3) or(4) In the magnetic detection module described in (4), the excitation coil driving integrated circuit includes a pulse oscillator, a frequency dividing circuit, and a driving circuit.
[0015]
(6) Above(3) or(4) The magnetic detection module according to (4), wherein the integrated circuit for processing magnetic detection signals includes a control signal generation circuit, a high-frequency amplifier, a cross-coupling switch, and a low-pass filter.
[0016]
(7) In a magnetic detection module using a magnetic material integrated on a semiconductor substrate, a semiconductor magnetic detection element formed on the semiconductor substrate, and a pair of soft magnetic cores arranged so as to sandwich the semiconductor magnetic detection element are provided. And an excitation coil formed of a metal film wound around the soft magnetic core.
[0017]
(8) In the magnetic detection module according to (7), the semiconductor magnetic detection element is a Hall element.
[0018]
(9) In the magnetic detection module according to (7), the semiconductor magnetic detection element is a split drain type magnetic transistor.
[0019]
(10) In a magnetic detection module using a magnetic material integrated on a semiconductor substrate, a divided drain type magnetic transistor formed at the center of the semiconductor substrate, and formed at the bottom of the groove and connected to the magnetic transistor A wiring layer, a lower wiring of a coil formed below the groove, a soft magnetic core formed above the lower wiring of the coil, and a lower wiring of the coil disposed above the soft magnetic core. An upper layer wiring of a coil to be connected is provided.
[0020]
[Action]
According to the present invention, as described above,
(1) In a magnetic sensing element integrated on a semiconductor substrate, a soft magnetic film core formed on the semiconductor substrate, an exciting coil formed of a metal film for exciting the soft magnetic film core in an alternating current; Since the magnetic flux change detection coil formed by the metal film is formed, the sensitivity is high, the weak magnetism can be detected accurately, and the magnetism integrated on the ultra-small semiconductor substrate. A detection element can be obtained.
[0021]
(2) In particular, it is possible to provide a magnetic sensor capable of laminating a soft magnetic film core, an exciting coil, and a magnetic flux change detecting coil on a monolithic semiconductor substrate by using a thin film technique.
[0022]
(3) Since the excitation coil and the detection coil are alternately wound one turn at a time on the semiconductor substrate, and two soft magnetic film cores are used to cancel the induced waveform when there is no external magnetic field, the winding structure is used. It is possible to obtain a magnetic detecting element which is ultra-small, has high sensitivity, and can detect a very weak magnetic field.
[0023]
(4) In a magnetic detection module using a magnetic material integrated on a semiconductor substrate, the magnetic detection element and an electronic circuit necessary for the magnetic detection element are integrated as an integrated circuit, so that the entire magnetic detection module is extremely small. Thus, it is possible to obtain a magnetic detection module that is ultra-small, highly sensitive, inexpensive, and excellent in mass production.
[0024]
(5) In particular, using a thin film technology on a monolithic semiconductor substrate, a soft magnetic film core, an exciting coil, a magnetic flux change detecting coil, and an electronic circuit required for the magnetic detecting element can be integrated as an integrated circuit as a magnetic. A detection module can be provided.
[0025]
【Example】
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0026]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a magnetic sensing element according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a timing chart showing the operation of the magnetic sensing element, and FIG. 2A is a waveform of a magnetic field in a soft magnetic film core 2a. FIG. 2B is a waveform diagram of a magnetic field in the soft magnetic film core 2b, FIG. 2C is a waveform diagram of a magnetic flux density in the soft magnetic film core 2a, and FIG. 2D is a magnetic flux in the soft magnetic film core 2b. FIG. 2E shows a voltage waveform induced in the detection coil 3a.1, VTwoFIG. 2F shows the voltage V induced in the detection coil 3a.1+ VTwoFIG.
[0027]
As shown in these figures, a structure in which two coils, that is, a detection coil (AA ′) 3a and an excitation coil (BB ′) 3b are wound around two soft magnetic film cores 2a and 2b. , On the
[0028]
In particular, in a magnetic detecting element using the semiconductor (silicon)
[0029]
As described above, on the
[0030]
Also, unlike the above configuration, detection can be performed by winding the excitation coil and the detection coil around one core, but in this case, a large induced voltage waveform is generated in the detection coil even without an external magnetic field. As a result, signal processing for the output of the detection coil such as amplification and filtering becomes complicated.
[0031]
Next, FIGS. 3 and 4 show an example in which the magnetic sensing element shown in FIG. 1 is formed on a semiconductor substrate.
[0032]
FIG. 3 is a schematic plan view of a magnetic sensor according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a sectional view taken along line CC 'of FIG.
[0033]
As shown in these figures, an insulating film (silicon oxide film) 12 such as a silicon oxide film is formed on a semiconductor substrate (silicon substrate) 11, and two layers of metal wiring, ie, a lower layer of the coil, are formed thereon. By connecting the
[0034]
Even in a conventional magnetic detecting element (without using a semiconductor substrate), an exciting coil and a detecting coil are wound around two cores to cancel the waveform induced by electromagnetic induction when there is no external magnetic field. ing. When a semiconductor substrate is used, it is important that the excitation coil and the detection coil are alternately wound by one turn. Otherwise, the soft magnetic film core has a large leakage magnetic flux, and the detection coil cannot sufficiently pick up a change in magnetic flux due to the exciting coil. One feature of the invention is a winding structure in which an exciting coil and a detecting coil are alternately wound on a semiconductor substrate by one turn, and two cores are used to cancel an induced magnetic field and an induced waveform when there is no external magnetic field. .
[0035]
Hereinafter, a method of manufacturing the magnetic sensing element according to the first embodiment will be described with reference to FIG.
[0036]
FIG. 5 is a sectional view showing the manufacturing process of the magnetic sensing element according to the first embodiment of the present invention. Here, a case where a semiconductor silicon substrate is used will be described.
[0037]
(1) First, as shown in FIG. 5A, an insulating film (silicon oxide film) 12 is formed on a
[0038]
(2) Next, as shown in FIG. 5B, a metal material to be the
[0039]
(3) Next, as shown in FIG. 5C, an insulating film (polyimide or the like) 14 for insulating is deposited. For this, a silicon oxide film formed by sputtering or CVD (Chemical Vapor Deposition), a hard-cured photoresist, polyimide, or the like can be used. At this time, flattening is performed so that the wiring pattern does not have irregularities on the underlayer of the magnetic film.
[0040]
(4) Next, as shown in FIG. 5D, a soft magnetic material is deposited and patterned to form a soft
[0041]
(5) Next, as shown in FIG. 5E, an insulating film (polyimide or the like) 16 for insulating is deposited.
[0042]
(6) Next, as shown in FIG. 5F, through
[0043]
(7) Next, as shown in FIG. 5G, a metal material to be the
[0044]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
[0045]
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a magnetic sensor according to a second embodiment of the present invention.
[0046]
As shown in this figure, on a semiconductor substrate, detection coils 21a and 21b composed of two planar coils formed on the same plane, an
[0047]
FIG. 7 is a schematic plan view of a magnetic sensor according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a sectional view taken along line DD 'of FIG.
[0048]
7 and 8, an insulating
[0049]
Hereinafter, a method of manufacturing the magnetic sensor according to the second embodiment will be described with reference to FIG.
[0050]
FIG. 9 is a sectional view showing the manufacturing process of the magnetic sensing element according to the second embodiment of the present invention. Here, a case where a semiconductor silicon substrate is used will be described.
[0051]
(1) First, as shown in FIG. 9A, an insulating film (silicon oxide film) 32 is formed on a
[0052]
(2) Next, as shown in FIG. 9B, a metal material to be the
[0053]
(3) Next, as shown in FIG. 9C, an insulating film (polyimide or the like) 34 for insulating is deposited. For this, a silicon oxide film formed by sputtering or CVD (Chemical Vapor Deposition), a hard-cured photoresist, polyimide, or the like can be used. At this time, flattening is performed so that the wiring pattern does not have irregularities on the underlayer of the magnetic film.
[0054]
(4) Next, as shown in FIG. 9D, a metal material to be the
[0055]
(5) Next, as shown in FIG. 9E, an insulating film (polyimide or the like) 36 for insulating is deposited. For this, a silicon oxide film formed by sputtering or CVD (Chemical Vapor Deposition), a hard-cured photoresist, polyimide, or the like can be used.
[0056]
(6) Next, as shown in FIG. 9 (f), a soft magnetic material is deposited and patterned to form a soft
[0057]
With this configuration, the manufacturing process is simpler than in the first embodiment, and the number of through holes is very small, so that the yield is improved.
[0058]
Further, when forming the upper layer wiring, since there is no large step, a normal photolithography process can be applied.
[0059]
In addition, since the soft magnetic film core can be formed last, no thermal stress is generated in the process of manufacturing the element in the soft magnetic film core, and the characteristics of the soft magnetic film core can be improved.
[0060]
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
[0061]
FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a magnetic detection module according to a third embodiment of the present invention.
[0062]
As shown in this figure, an excitation coil driving
[0063]
Here, as the magnetic detecting element 43, the detecting element described in the first and second embodiments is used, and the magnetic detecting element and necessary electronic circuits are integrated on the
[0064]
FIG. 11 is a block diagram of an integrated circuit incorporated as a magnetic detection module according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 12 is a timing chart showing circuit operation of the magnetic detection module.
[0065]
In FIG. 11, this magnetic detection module is roughly divided into an excitation coil driving integrated circuit 51, a magnetic detection element 55, and a magnetic detection signal processing integrated circuit 56.
[0066]
The excitation coil driving integrated circuit 51 includes a
[0067]
The magnetic detection element 55 includes a core 55c, an excitation coil 55a, and a detection coil 55b.
[0068]
Further, the magnetic detection signal processing integrated circuit 56 includes a high-
[0069]
First, the voltage pulse P1(4f0), And this voltage pulse P1(4f0) Is first passed through a frequency dividing circuit (first stage) 53 to generate a pulse P having a frequency of 1/2 and a duty ratio of 50%.Two(2f0). The frequency of this pulse (2f0) Is a high frequency of about 1 MHz or more to obtain a sufficiently high sensitivity. Further, the frequency dividing circuit (second stage) 53 generates a pulse P having a frequency of 1/2Three(F0). In the drive circuit 54, the pulse PThree(F0) Is converted to a triangular wave, and the exciting coil 55a of the magnetic detection element 55 is turned into a triangular wave current P.FourDrive with At this time, if there is no external magnetic field, no voltage appears in the detection coil 55b of the magnetic detection element 55, and when an external magnetic field is applied, a waveform as shown in FIG. Here, when the direction of the magnetic field is the forward direction, if the waveform is as shown by the solid line, the waveform as shown by the broken line is obtained with respect to the magnetic field in the reverse direction. After this waveform is amplified by the high-
[0070]
FIG. 13 is an explanatory diagram of the operation of the cross-coupling switch circuit, showing the principle of switching the polarity of the voltage.
[0071]
In this figure, when the control signal φ is “1”, the switches are controlled so that they are connected straight, and the polarities of the input and output voltages are the same, but when φ is “0”, the connections are crossed. The switch is controlled, and the polarity of the voltage is inverted. Therefore, if control is performed at the timing as shown in FIG. 12, a waveform as shown in FIG. 12 (f) can be obtained. Thereafter, when this is passed through a low-pass filter 59, a DC component having the waveform shown in FIG. 12 (g) is obtained, but its magnitude is proportional to the magnitude of the external DC magnetic field. it can. In the case of the magnetic field of the reverse method, the waveform of FIG. 12 (g) is as shown by the broken line, and after passing through the low-pass filter, a voltage of the opposite polarity is obtained. That is, it is possible to perform directional detection.
[0072]
If the above cross-coupling switch circuit is realized by a MOS transistor circuit, a circuit as shown in FIG. 14 is obtained.
[0073]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.
[0074]
FIG. 15 is a schematic configuration diagram of a magnetic detection module according to a fourth embodiment of the present invention.
[0075]
In this embodiment, a semiconductor magnetic sensor is used in place of the detection coil. More specifically, in FIG. 15 (a), a semiconductor magnetic detecting
[0076]
Further, in FIG. 15B, a semiconductor magnetic detecting
[0077]
It can be considered that these converge the magnetic flux by the soft magnetic core and increase the sensitivity of the semiconductor magnetic detection element. In order to obtain a sufficient effect, first, a sufficiently long core is used in consideration of the influence of the demagnetizing field. A semiconductor magnetic sensing element is arranged in the gap between the two cores, and the gap is made as narrow as possible. In addition, a coil is wound around the core, and the core is excited with an AC signal having a sufficiently large amplitude to saturate the magnetization of the core. The semiconductor magnetic detecting element detects a change in the magnetic flux density waveform of the core caused by the sum of the magnetic field due to the AC exciting current and the external magnetic field. The magnetic flux density waveform changes due to the external magnetic field, and by performing appropriate signal processing, a voltage proportional to the external magnetic field can be obtained.
[0078]
If such AC excitation is not used, the core is magnetized, the sensitivity is reduced, and the detection characteristics have hysteresis.
[0079]
FIG. 16 is a schematic plan view when a magnetic detection module according to a fourth embodiment of the present invention is realized on a semiconductor substrate, and FIG. 17 is a sectional view taken along line AA 'of FIG.
[0080]
Here, two split-drain magnetic transistors are used as the semiconductor magnetic detecting elements. In this method, a trapezoidal groove with a crystal axis anisotropic etching is formed using a single crystal silicon substrate, and two magnetic transistors are formed on the slope of the groove. Utilizing the slope of the groove, a lower metal wiring is formed, and a magnetic material is embedded in the groove. A coil is formed by forming an upper layer wiring thereon and spirally connecting the lower layer wiring via a through hole. In this way, a structure similar to that of FIG. 15B can be realized.
[0081]
16 and 17,
[0082]
FIG. 18 is a view showing the operation principle of the semiconductor magnetic sensor unit according to the fourth embodiment of the present invention. The operation principle of the semiconductor magnetic sensor unit will be described with reference to FIG. When a magnetic field is applied perpendicular to the surface of the surface, the electrons that are carriers are bent by the Lorentz force due to the magnetic field, causing a current difference between the two drains. The difference is proportional to the magnitude of the magnetic field. It is to take advantage of that.
[0083]
If these two magnetic transistors are arranged and connected at an angle as shown in FIG. 18, the magnetic field in the direction shown in FIG.a1, Ib1Increases, and conversely, Ia2, Ib2Decreases. Therefore, by simply connecting the two magnetic transistors as shown in FIG. 18, the sum of the current changes of the two magnetic transistors can be obtained. Also, each magnetic transistor has a maximum sensitivity in a direction perpendicular to the plane, but they are inclined with respect to the axis of the core. However, by calculating the sum of the two, the combined output has the maximum sensitivity in the axial direction of the core.
[0084]
FIG. 19 is a sectional view showing the manufacturing process of the magnetic detection module according to the fourth embodiment of the present invention. Here, a case where a semiconductor silicon substrate is used will be described.
[0085]
(1) First, as shown in FIG. 19A, a silicon oxide film is grown on a p-type single
[0086]
(2) Next, using the
[0087]
(3) Next, as shown in FIG. 19C, a
[0088]
(4) Next, as shown in FIG. 19D, a high concentration n-type impurity is introduced to remove the oxide film at the source and drain portions and to take an electrode at these portions. The drain (n) of a split drain type magnetic transistor using a field effect transistor+) The source (n) of the split drain type magnetic transistor using the
[0089]
(5) Next, as shown in FIG. 19 (e), after the
[0090]
(6) Next, as shown in FIG. 19 (f), after depositing an insulating film (polyimide or the like) 91 made of an insulating material, depositing a soft magnetic material in a form buried in the groove, and then patterning. Thus, a soft
[0091]
(7) Next, an insulating film (polyimide or the like) 93 is deposited again, a
[0092]
FIG. 20 shows the configuration of the magnetic detection module shown in FIG. The operation will be described with reference to the timing chart of FIG.
[0093]
A reference clock a output from the
[0094]
In FIG. 20, 105 is a DC power supply, 106 and 107 are resistors, and 109 is a control.signalGenerating circuit, 111, 112, 116 and 121 are switches,C 1 , C Two ,CThreeIs a capacitor113, 115, 122It is. In addition, 104 is a detection coil, 114,123Is a MOS type operational amplifier.
[0095]
Such an electronic circuit can be manufactured and integrated on the same silicon substrate together with the detection element as in the case of the third embodiment.
[0096]
It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible based on the spirit of the present invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
[0097]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained.
[0098]
(1) In a magnetic sensing element integrated on a semiconductor substrate, a soft magnetic film core formed on the semiconductor substrate, an exciting coil formed by a metal film for exciting the soft magnetic film core in an alternating current; Since a magnetic flux change detection coil formed of a metal film is formed, a highly sensitive and accurate magnetic detection can be performed, and the magnetic detection element is integrated on a very small semiconductor substrate. Can be obtained.
[0099]
(2) In particular, it is possible to provide a magnetic sensor capable of laminating a soft magnetic film core, an exciting coil, and a magnetic flux change detecting coil on a monolithic semiconductor substrate by using a thin film technique.
[0100]
(3) Since the excitation coil and the detection coil are alternately wound one turn at a time on the semiconductor substrate, and two soft magnetic film cores are used to cancel the induced waveform when there is no external magnetic field, the winding structure is used. Thus, it is possible to obtain a magnetic detecting element which is ultra-small, has high sensitivity, and can detect an extremely weak magnetic field.
[0101]
(4) In a magnetic detection module using a magnetic substance integrated on a semiconductor substrate, the magnetic detection element and an electronic circuit necessary for the magnetic detection element are integrated as an integrated circuit, so that the entire magnetic detection module is ultra-small. Thus, it is possible to obtain a magnetic detection module that is ultra-compact, has high sensitivity, is inexpensive, and can be easily mass-produced.
[0102]
(5) In particular, using a thin film technology on a monolithic semiconductor substrate, a soft magnetic film core, an exciting coil, a magnetic flux change detecting coil, and an electronic circuit required for the magnetic detecting element can be integrated as an integrated circuit as a magnetic. A detection module can be provided.
[0103]
The magnetic detection element and the magnetic detection module obtained in this way are, for example, a navigation system based on geomagnetic detection, a geomagnetic fluctuation monitor (earthquake prediction), some biomagnetic measurements, metal material defect detection, indirect applications, It can be widely used as a magnetic encoder, a contactless potentiometer, a current sensor, a torque sensor, a displacement sensor, and the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a magnetic sensing element according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a timing chart showing the operation of the magnetic sensor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic plan view of a magnetic sensor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a sectional view taken along line CC ′ of FIG. 3;
FIG. 5 is a sectional view showing the manufacturing process of the magnetic sensing element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a magnetic sensor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic plan view of a magnetic sensor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a sectional view taken along line DD ′ of FIG. 7;
FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the magnetic sensing element according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a magnetic detection module according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a block diagram of an integrated circuit incorporated as a magnetic detection module according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a timing chart illustrating a circuit operation of the magnetic detection module according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 13 is an explanatory diagram of an operation of the cross-coupling switch circuit of the magnetic detection module according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a circuit diagram in which a cross-coupling switch circuit of a magnetic detection module according to a third embodiment of the present invention is realized by a MOS transistor circuit.
FIG. 15 is a schematic configuration diagram of a magnetic detection module showing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a schematic plan view when a magnetic detection module according to a fourth embodiment of the present invention is realized on a semiconductor substrate.
FIG. 17 is a sectional view taken along line AA ′ of FIG. 16;
FIG. 18 is a diagram illustrating the operation principle of a semiconductor magnetic sensor unit according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a sectional view showing the manufacturing process of the magnetic sensor according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a configuration diagram of a magnetic detection module showing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a timing chart of a magnetic detection module according to a fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1,11,31,41 Semiconductor substrate (silicon substrate)
2a, 2b, 15, 23a, 23b, 37 Soft magnetic film core
3a, 21a, 21b, 55b, 104 Detection coil
3b, 22, 55a, 64, 65, 74, 75 Excitation coil
12,32 insulating film (silicon oxide film)
13,33,90 Lower layer wiring of coil
14, 16, 34, 36, 91, 93 Insulating film (polyimide etc.)
17 Through hole
18,35,95 Upper layer wiring of coil
38 contacts
42,51 Integrated circuit for driving excitation coil
43,55 Magnetic sensing element
44,56 Magnetic detection signal processing integrated circuit
52,101 pulse oscillator
53,102 frequency divider circuit
54,103 drive circuit
55c core
57 High frequency amplifier
58 Cross-coupled switch circuit
59 Low-pass filter
60 Phase adjustment and control signal generator
61,71 semiconductor magnetic sensing element
62, 63, 72, 73, 92 Soft magnetic core
81 p-type single crystal silicon substrate
82,86,89 Silicon oxide film
83 Photoresist
84 channel n-type impurity layer
85 P-type impurity layer serving as upper gate
87 The drain (n) of the split-drain magnetic transistor+) Diffusion layer
88 Source (n+) Diffusion layer
94 Contact hole
96 contacts
97 metal electrode
105 DC power supply
106,107 resistance
108 AC (AC) Amplifier
109 Control pulse generation circuit
110 Subtractor
111,112,116, 121 switch
113, 115, 122 Capacitor
114,124 MOS operational amplifier
120 S / H (sample / hold) circuit
Claims (10)
(a)前記半導体基板上に形成される軟磁性膜コアと、該軟磁性膜コアを交流的に励磁するための金属膜により形成される励磁コイルと、金属膜により形成される磁束変化検出用コイルとを有し、かつ、前記軟磁性膜コアを2個並設し、前記軟磁性膜コアに励磁コイルnターン(nは正の整数)と磁束変化検出用コイルmターン(mは正の整数)を交互に繰り返し巻いた構造を有し、被検出磁界が零のとき、励磁コイルによる誘導波形を打ち消すようにした磁気検出素子と、
(b)前記励磁コイルに接続され、前記半導体基板上に集積される励磁コイル駆動用集積回路と、
(c)前記磁束変化検出用コイルに接続され、前記半導体基板上に集積される磁気検出信号処理用集積回路とを具備する磁気検出モジュール。In a magnetic detection module using a magnetic material integrated on a semiconductor substrate,
(A) said a soft magnetic film core formed on a semiconductor substrate, an excitation coil formed of a metal film for AC-excited soft magnetic film core, magnetic flux change detection formed by the metal film It has a coil, and the soft magnetic film core was 2 Konami設exciting coil n turns in the magnetically soft film core (n is a positive integer) and the magnetic flux change detecting coil m turn (m is a positive A magnetic sensing element having a structure in which an integer is alternately and repeatedly wound, and when the detected magnetic field is zero, the induced waveform by the exciting coil is canceled .
(B) an excitation coil driving integrated circuit connected to the excitation coil and integrated on the semiconductor substrate;
(C) a magnetic detection module comprising: a magnetic detection signal processing integrated circuit connected to the magnetic flux change detection coil and integrated on the semiconductor substrate.
(a)前記半導体基板上に形成される軟磁性膜コアと、該軟磁性膜コアを交流的に励磁するための金属膜により形成される励磁コイルと、金属膜により形成される磁束変化検出用コイルとを有し、かつ、前記励磁コイルと磁束変化検出用コイルを2つの平面コイルとして重ね、その上に前記軟磁性膜コアを重ねた構造を有する磁気検出素子と、
(b)前記励磁コイルに接続され、前記半導体基板上に集積される励磁コイル駆動用集積回路と、
(c)前記磁束変化検出用コイルに接続され、前記半導体基板上に集積される磁気検出信号処理用集積回路とを具備する磁気検出モジュール。In a magnetic detection module using a magnetic material integrated on a semiconductor substrate,
(A) said a soft magnetic film core formed on a semiconductor substrate, an excitation coil formed of a metal film for AC-excited soft magnetic film core, magnetic flux change detection formed by the metal film a magnetic sensing element have a coil, and overlaid the excitation coil and the magnetic flux change detecting coil as two planar coils, to have a structure of repeating the soft magnetic film core thereon,
(B) an excitation coil driving integrated circuit connected to the excitation coil and integrated on the semiconductor substrate;
(C) a magnetic detection module comprising: a magnetic detection signal processing integrated circuit connected to the magnetic flux change detection coil and integrated on the semiconductor substrate.
(a)半導体基板上に形成される半導体磁気検出素子と、
(b)該半導体磁気検出素子を挟むように配置される一対の軟磁性コアと、
(c)該軟磁性コアに巻き回される金属膜により形成される励磁コイルとを具備する磁気検出モジュール。In a magnetic detection module using a magnetic material integrated on a semiconductor substrate,
(A) a semiconductor magnetic sensing element formed on a semiconductor substrate;
(B) a pair of soft magnetic cores arranged so as to sandwich the semiconductor magnetic sensing element;
(C) an excitation coil formed of a metal film wound around the soft magnetic core.
(a)半導体基板の中央部に形成される分割ドレイン型磁気トランジスタと、
(b)該磁気トランジスタの両側に形成される溝と、
(c)該溝の底部に形成され、前記磁気トランジスタに接続される配線層と、
(d)前記溝の下部に形成されるコイルの下層配線と、
(e)該コイルの下層配線の上方に形成される軟磁性コアと、
(f)該軟磁性コアの上方に配置され、前記コイルの下層配線と接続されるコイルの上層配線とを具備する磁気検出モジュール。In a magnetic detection module using a magnetic material integrated on a semiconductor substrate,
(A) a split-drain magnetic transistor formed at the center of a semiconductor substrate;
(B) grooves formed on both sides of the magnetic transistor;
(C) a wiring layer formed at the bottom of the groove and connected to the magnetic transistor;
(D) lower-layer wiring of a coil formed below the groove;
(E) a soft magnetic core formed above the lower wiring of the coil;
(F) A magnetic detection module which is disposed above the soft magnetic core and includes an upper wiring of the coil connected to a lower wiring of the coil.
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