JP4308084B2 - 磁性体検出器 - Google Patents
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磁気抵抗素子は、印加磁界によって素子の抵抗値が変化する素子であるが、磁気抵抗変化率と印加磁界との関係は、1次比例関係にはなく、低磁界では2次曲線となり、高磁界では1次曲線となる。ただし、1次曲線から2次曲線への移行は、徐々に移行するものである(次数が2から1へとデジタル的に移行するのではなく、徐々に2から1へと移行していく(図45参照))。磁気抵抗素子は、一般的に複数の磁気抵抗素子により構成され、複数の磁気抵抗素子が配線によって接続されていることが多い。そして、永久磁石の上に搭載されている各磁気抵抗素子の印加磁界が異なれば、バイアス磁界が異なることになる。図46に示すように2つの磁気抵抗素子111;112を備えた3端子磁気抵抗素子113や図47に示すように4つの磁気抵抗素子120〜123を備えた4端子磁気抵抗素子125では、無磁界における各磁気抵抗素子の素子抵抗値が等しくても、各磁気抵抗素子へのバイアス磁界が異なれば、各磁気抵抗素子抵抗値が異なることになる。例えば、3端子磁気抵抗素子113においては、出力端子114の電位は、磁気抵抗素子111と磁気抵抗素子112の抵抗値が等しい場合には、電源電圧の1/2、つまり、Vin/2となるが、各素子111、112へのバイアス磁界が異なれば、Vin/2からずれてしまうことになる。出力端子114の電位はVin/2近傍にあることが望ましい。歯車回転及び歯車回転方向を検出するような4端子磁気抵抗素子125では、磁気抵抗素子120と磁気抵抗素子121とが直列に接続され、及び磁気抵抗素子122と123とが直列に接続され、これら直列回路が並列接続されていて、磁気抵抗素子120と121や、磁気抵抗素子122と123は、磁石表面101の中心に対して対象に配置されていない。従って、磁気抵抗素子120と磁気抵抗素子121(あるいは磁気抵抗素子122と磁気抵抗素子123)に印加されている磁界が等しくなく、印加磁界が異なると抵抗値が異なる。即ち、磁気抵抗素子120の磁束密度≠磁気抵抗素子121の磁束密度のため、磁気抵抗素子120の抵抗値≠磁気抵抗素子121の抵抗値となる。よって、4端子磁気抵抗素子125では、磁石表面101の反磁界の影響を大きく受け、磁気抵抗素子の出力端子B;Bの電位がVin/2からずれやすい。
そこで、特許文献1では、永久磁石100の磁石表面の磁束密度を平坦にするために、永久磁石100の磁気抵抗素子に対向する部分を凸形状に形成し、その凸形状の縦断面を台形状または円弧状にするとともに、凸状面と磁気抵抗素子との間には、非磁性体よりなるスペーサを介在させることで、複数の磁気抵抗素子を均一な磁界を印加できるようにしている。しかし、永久磁石100の形状を複雑にするほど、永久磁石100のコストは高くなる。さらに、スペーサを介在させるために、永久磁石100と磁気抵抗素子の感磁部との間の距離が大きくなるために、感磁部表面での磁束密度は小さくなり、磁気抵抗素子の感度は小さくなる。
また、一般的には、直列接続された磁気抵抗素子(例えば111)の抵抗値と磁気抵抗素子(例えば112)の抵抗値とは異なる場合が多く、さらに、これら磁気抵抗素子の抵抗値の温度係数は異なっていることが多い。そして、たとえ永久磁石100による感磁部表面における磁束密度を平坦化しても、抵抗値の温度係数が異なっていれば、出力端子の電位は温度変化によってドリフトしていくことになる。
従来のバルク単結晶InSbを薄く研磨して製作された磁気抵抗効果素子は、例えば磁気抵抗素子111と112の抵抗値が異なり、かつ抵抗値の温度係数も異なることが多く、出力端子114の電位は、Vin/2からずれており、出力端子の電位の温度ドリフトも非常に大きかった。
また、従来のバルク単結晶InSbを薄く研磨して製作された磁気抵抗効果素子は、抵抗値の温度係数が大きく、かつ各素子の温度係数が異なっていることが多い。
また、前記感磁部表面と前記磁石表面との間の距離Aが0<A≦0.2mmに設定されたことを特徴とする。
また、前記半導体パッケージが裏側に前記感磁部の下に位置する構成部分の除去された磁石固定面を備え、当該磁石固定面と前記磁石表面とが互いに接触して前記距離Aが前記範囲に設定されたことを特徴とする。
また、前記磁石固定面が、研磨された平坦面により形成されたことを特徴とする。
また、前記感磁部表面の面中心と前記磁石表面の面中心とが一致していることを特徴とする。
また、前記半導体パッケージと前記磁石とホルダとで形成された磁気検出体がケース内に樹脂で封止され、前記ホルダが磁石保持孔と外部接続リード保持孔とを備え、前記磁石が前記磁石保持孔に挿入され、前記外部接続リードが前記外部接続リード保持孔に挿入されて、前記磁石と前記外部接続リードとが前記ホルダにより保持された状態で前記磁気検出体が封止されたことを特徴とする。
また、距離Aが上述のように設定されたことで、感磁部表面での磁束密度を大きくできて出力信号振幅を大きくとれる磁性体検出器が得られる。
また、半導体パッケージが裏側に前記感磁部の下に位置する構成部分の除去された磁石固定面を備えたので、前記距離Aを前記範囲に簡単に設定できる。
また、前記磁石固定面が、研磨された平坦面により形成されたことで、距離Aをさらに小さくできる。
また、感磁部表面の面中心と磁石表面の面中心とを一致させたことで、感磁部表面の上側から見て感磁部表面が永久磁石の磁石表面の面領域内に正確に配置され、かつ、前記距離B1;B2及びAを前記範囲に設定された磁性体検出器を提供できる。
また、磁石と外部接続リードとがホルダにより保持された状態で磁気検出体が封止されたことで、磁気検出体のアセンブリを容易にでき、また、正確な位置に磁石を保持でき、かつ、外部接続リード部を保護できる。
以上の図11に示すような4端子磁気抵抗素子46の場合においては、特に、横距離B1(=B2)が小さいと、上述した磁石表面10aの端部の反磁界の影響により、磁気抵抗素子41aと41b(あるいは41cと41d)の感磁部表面91の磁束密度に大きな差が生じる。即ち、各磁気抵抗素子41a〜41dの表面で形成された感磁部表面91の磁束密度が平坦化しない。従って、磁気抵抗素子41aと41bとに印加される磁界(あるいは41cと41dとに印加される磁界)の強さ(磁束密度)に差が生じることで、磁気抵抗素子41aと41b(あるいは41cと41d)の抵抗値が異なってしまい、磁気抵抗素子46の出力端子AやBの電位は、印加電圧の半分(Vin/2)からずれてしまうことになる。つまり、磁気抵抗素子46の出力信号A:Bのオフセット電圧(Vin/2からのずれ)が大きくなってしまう。
オフセット電圧=(R41b/(R41a+R41b))×Vin―Vin/2…(3)
図19に、横距離B1(=B2)とオフセット電圧の関係を示す。図19からわかるように、横距離B1(=B2)を1mm以上にすれば、オフセット電圧は40mV程度以下にできることがわかる。
図21から次のことがわかる。
縦距離A=0mmに近い場合、横距離B1(=B2)を0.2mm程度とすれば、反磁界の影響を少なくてきて、磁束密度はほぼ一定とできること、即ち、磁気抵抗素子46や47の感磁部表面91での磁束密度を平坦化でき、しかも、磁性体検出器1の小型化が図れることになる。
縦距離Aが0.1mm〜0.2mmの場合、磁石端部からの距離Sが0.5mm程度以上離れている位置の上に感磁部表面91があれば感磁部表面91上の磁束密度の変化がほぼなくなることがわかる。即ち、縦距離Aが0.1mm〜0.2mmの場合でも、横距離B1(=B2)を0.5mm程度以上とすれば、磁気抵抗素子46や47の感磁部表面91での磁束密度を平坦化でき、また、磁性体検出器1の小型化が図れることになる。尚、縦距離Aが0.1mm〜0.2mmの場合、横距離B1(=B2)を0.75mm程度以上とすれば、磁束密度をより平坦化できることがわかる。
縦距離Aが0.5mm〜1.0mmの場合、磁石端部からの距離Sが1.0mm程度以上離れている位置の上に感磁部表面91があれば感磁部表面91上の磁束密度の変化がほぼなくなることがわかる。即ち、縦距離Aが0.5mm〜1.0mmの場合でも、横距離B1(=B2)を1.0mm程度以上とすれば、磁気抵抗素子46や47の感磁部表面91での磁束密度を平坦化できる。尚、縦距離Aが0.1mm〜0.2mmの場合、横距離B1(=B2)を1.5mm程度以上とすれば、磁束密度をより平坦化でき、より好ましい。
以上からして、凹部孔30内に磁石表面10a側を位置決め固定して、磁石表面10aの面領域内上に感磁部表面91を位置させ、かつ、横距離B1(=B2)を1.0mm以上、縦距離Aを0<A≦1mmに設定すれば、磁気抵抗素子46や47の感磁部表面91での磁束密度を平坦化でき、かつ、この磁束密度を大きくできて出力信号振幅を大きくとれる磁性体検出器1が得られることがわかる。
特に、図6;7に示すような4端子磁気抵抗素子46の場合は磁石端部10x;10yの影響を受けやすく、感磁部表面91での磁束密度を平坦にすることが望ましいが、これは、縦距離Aに対応して横距離B1(=B2)を上述したように設定することで可能となる。
SnをドープしたInSb単結晶薄膜で形成された感磁部90を備えた実施サイズのチップ9と磁石10を図11のように配置し、縦距離Aを0.8mmとして、これらチップ9及び磁石10を恒温槽に入れてオフセット電圧の温度依存性を測定した結果を図31、図32に示す。図31は4端子磁気抵抗素子46の信号出力電圧Aのオフセット電圧と温度ドリフトの関係を示す。図32は4端子磁気抵抗素子46の信号出力電圧Bのオフセット電圧と温度ドリフトの関係を示す。測定した素子のサンプル数は7個である。図31、図32からわかるように、4端子磁気抵抗素子46の信号出力電圧A;Bのオフセット電圧の温度ドリフトがほとんど無いことがわかる。このことは、感磁部90の全面に渉り、磁界の印加された状態の抵抗値の温度依存性が均一であること意味している。
一方、Snをドープせずに、InSb単結晶薄膜1μmを形成した以外は、上記と同様にして4端子磁気抵抗素子46(エポキシ樹脂によりパッケージされた状態)を作製した。成膜したアンドープInSb単結晶薄膜の電気特性を測定したところ、電子濃度は1.6×1016cm−3、電子移動度は45,000cm2/Vsであった。
SnをドープせずにInSb単結晶薄膜で形成された感磁部90を備えた実施サイズのチップ9と磁石10を図11のように配置し、縦距離Aを0.8mmとして、これらチップ9及び磁石10を恒温槽に入れてオフセット電圧の温度依存性を測定した結果を図33、図34に示す。図33は4端子磁気抵抗素子46の信号出力電圧Aのオフセット電圧と温度ドリフトの関係を示す。図34は4端子磁気抵抗素子46の信号出力電圧Bのオフセット電圧と温度ドリフトの関係を示す。測定した素子のサンプル数は14個である。Snをドープしない場合、4端子磁気抵抗素子46の信号出力電圧A;Bのオフセット電圧の温度ドリフトが大きいことがわかる。
即ち、SnをドープしたInSb単結晶薄膜で形成された感磁部を用いる場合とSnをドープしないInSb単結晶薄膜で形成された感磁部を用いる場合とでは上記よりあきらかなように、Snをドープすることにより、オフセット電圧の温度ドリフトを格段に改善できることがわかる。これは、InSbは禁制帯が0.17eVと狭いために、半導体磁気抵抗素子の抵抗値の温度依存性が−2%/℃と大きいが、一方、Sn(ドナーアトム)をドープすることにより伝導帯の電子を増加させることにより、抵抗値の温度依存性を−0.24%/℃と劇的に小さくすることが可能となるからである。この大きな抵抗値の温度依存性がオフセット電圧の温度ドリフトの主要な原因である。
図35〜図39に示すように、外部接続リードが半導体パッケージ80から出ないタイプ、即ち、ノンリードタイプのリードフレーム70を用いて半導体パッケージ80を作製し、リードフレーム70のパッド部72(入出力端子部)と外部接続リード73とをプリント配線基板74を介して互いに電気的に接続させた。パッド部72と外部接続リード73はそれぞれプリント配線基板74の接続パッド75;76にはんだ付けされる。図35は本例の磁性体検出器1の断面図、図36はパッケージ80の断面図、図37はパッケージの裏面図、図38は磁石表面10aをパッケージ80の裏面81に密着させるための貫通孔77が形成されたプリント配線基板を示す平面図、図39は貫通孔77に磁石10を通した状態のプリント配線基板を示す平面図である。この場合、パッケージ80の裏面81、即ち、磁石位置固定面にリードフレーム70のアイランド71とパッド部72とを露出させたので、上記と同様に縦距離Aを小さくできる。この例では、縦距離Aを0.50mmとした(GaAs基板:0.35mm、リードフレーム0.15mm)。この構成を採用して作製した磁性体検出器1を用いて、歯車回転検出測定を行った。歯車48と感磁部表面91と距離を0.7mmにして、出力信号振幅を測定した結果、480mVであり、上記と同様の出力信号振幅を確認できた。
図40に示すような形状のリードフレーム200を用いて半導体パッケージ201を作製した後、図41に示すように、研磨により、パッケージ201の裏側(化合物半導体薄膜13の形成されてない基板12側)からパッケージ樹脂203、リードフレーム200のアイランド205のすべて、及び、半導体薄膜13の形成されてなるGaAs基板(絶縁性基板12)の裏面側を図41の点線Gの箇所まで除去した半導体パッケージ210とした。リードフレーム200の末端側は上方に折曲されている。このように半導体パッケージが裏側に、前記感磁部の下に位置する構成部分の除去された磁石固定面、即ち、図41の点線Gの箇所まで除去された平坦面211を備えた半導体パッケージ210を用いることにより、縦距離Aを0.05mm以下にできる。即ち、基板12の厚さを0に近くする。このような構造とすることで、縦距離Aを例えば0<A≦1mmに設定でき、出力信号振幅を大きくとれる磁性体検出器1を提供できる。
図42に示すように、リードフレーム20のアイランド21の下から樹脂部分の高さ、即ち、裏面251からリードフレーム20のアイランド21までの高さが磁石10の高さZ以上の寸法に形成され、、裏面251の中心に裏面251からアイランド21の下面まで到達する磁石挿入孔252が形成された半導体パッケージ250を用いてもよい。即ち、磁石挿入孔252内に磁石10全体が入り込んで外に突出しないような磁石挿入孔252を備えた半導体パッケージ250を用いてもよい。つまり、ホルダ11を用いずに半導体パッケージ250の磁石挿入孔252内に磁石10全体を嵌め込んだ後に磁石挿入孔252の開口253側から接着剤等の固定手段を用いて磁石挿入孔252に磁石10を直接的に固定して磁性体検出器1を構成してもよい。
絶縁性基板12は、表面が絶縁性の若しくは絶縁化された半導体の絶縁層を持つ半導体基板が好ましい。半導体基板の中でもGaAs、InP、GaPなどの基板を用いると特に化合物半導体薄膜13の高い電子移動度が得られるようになり、特に好ましいものとなる。
化合物半導体薄膜13中にキャリアを増加させるためのドナー不純物を添加する方法としては、化合物半導体薄膜13を形成する際に同時に行ってもよいが、成膜後にイオン注入法を用いて打ち込んでもよい。使用するドナー不純物は、例えば、InSbやInAsのようなIII−V族化合物半導体の場合は、C、Si、Ge、SnのようなIV族元素やS、Se、Teに代表されるVI族元素を添加するとよい。その中でも特にSi、Snが好ましい。
上記では、ウェットエッチング法を用いて動作層のエッチングを行った例を紹介したが、イオンミリングや反応性イオンエッチング法のドライエッチングによってメサエッチングを行ってもよい。尚、ウェットエッチングによって所望の形状にInSb薄膜をメサエッチングすることが多いが、ウェットエッチングは膜厚方向のエッチングともに、膜厚方向とは垂直方向のサイドエッチングが進む。膜厚が厚過ぎると、膜厚方向のエッチングは終了する時点ではサイドエッチングもかなり進むため、素子抵抗値の設計値と実際の素子抵抗値がずれるだけでなく、素子抵抗値の個体差も大きくなる。そのため、化合物半導体薄膜の膜厚は0.1〜4.0μmに設定することが好ましい。
また、磁性体検出器は、磁界によって抵抗値が変化する磁気抵抗素子を形成する化合物半導体薄膜が、結晶粒界を有しないInSb単結晶薄膜で形成されたので、感度が高くSN比の良い磁気抵抗素子を形成できる。
9 チップ、10 永久磁石、10a 磁石表面、11 ホルダ、
13 化合物半導体薄膜、20 リードフレーム、21 アイランド、
24 外部接続リード、30 磁石位置決め凹部孔(磁石位置決め固定部)、
32 磁石保持孔、33 外部接続リード保持孔、90 感磁部、
91 感磁部表面、A 縦距離(感磁部表面と磁石表面との間の距離)、
B1(=B2) 横距離(感磁部表面の端と前記磁石表面の端との間の距離)。
Claims (6)
- 感磁部を形成する半導体磁気抵抗素子を備えたチップが樹脂により封止された半導体パッケージと、該半導体パッケージの裏側に配置された磁石とを備え、感磁部表面と該感磁部表面に対向する磁石表面とが互いに平行に配置された磁性体検出器において、前記感磁部表面が前記磁石表面の面領域内上に配置され、かつ検出対象磁性体の走査方向に沿った方向において互いに対応する前記感磁部表面の端と前記磁石表面の端との間の距離B1とB2とがそれぞれ0.5mm以上に設定され、前記チップがリードフレーム上にダイボンドされ、前記半導体パッケージの裏面に露出させた前記リードフレームと当該リードフレームとは別体の外部接続リードとがプリント配線基板を介して電気的に接続され、前記プリント配線基板が前記磁石表面を前記半導体パッケージの裏面に密着させるための貫通孔を備えたことを特徴とする磁性体検出器。
- 前記感磁部表面と前記磁石表面との間の距離Aが0<A≦0.2mmに設定されたことを特徴とする請求項1に記載の磁性体検出器。
- 前記半導体パッケージが裏側に前記感磁部の下に位置する構成部分の除去された磁石固定面を備え、当該磁石固定面と前記磁石表面とが互いに接触して前記距離Aが前記範囲に設定されたことを特徴とする請求項2に記載の磁性体検出器。
- 前記磁石固定面が、研磨された平坦面により形成されたことを特徴とする請求項3に記載の磁性体検出器。
- 前記感磁部表面の面中心と前記磁石表面の面中心とが一致していることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の磁性体検出器。
- 前記半導体パッケージと前記磁石とホルダとで形成された磁気検出体がケース内に樹脂で封止され、前記ホルダが磁石保持孔と外部接続リード保持孔とを備え、前記磁石が前記磁石保持孔に挿入され、前記外部接続リードが前記外部接続リード保持孔に挿入されて、前記磁石と前記外部接続リードとが前記ホルダにより保持された状態で前記磁気検出体が封止されたことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の磁性体検出器。
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