JP4893541B2

JP4893541B2 - 磁気センサ

Info

Publication number: JP4893541B2
Application number: JP2007228108A
Authority: JP
Inventors: 克人長野; 真人薄田; 良夫斉田; 潤平林; 萩原　　淳
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2007-09-03
Filing date: 2007-09-03
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2017-07-23
Also published as: JP2008039788A

Description

本発明は、回転数や回転角、トルクなどの機械量を磁気的に検出する磁気センサに関する。

磁気センサは、磁気抵抗効果を発揮する強磁性薄膜を利用して感磁部を構成し、この感磁部を移動物体や回転物体に接近させる際の磁界の変化に基づいて、非接触に移動物体や回転物体の速度や変位、方向などの機械変量を検出する。このような磁気センサは、光センサのように汚れの影響を受けず、使用温度範囲も他のセンサに比べて広いので、例えばモータやエンジンの周囲など、比較的過酷な環境でも使用できるという優点がある。

ここで従来の磁気センサの構成を図５に示す。図５に示す磁気センサにおいては、ガラス基板１２上に磁気検出膜としてのＮｉＦｅやＮｉＣｒなどの磁性層（感磁性薄膜）２が形成され、電極導体層４の端部に電極が設けられた磁気検出素子が樹脂や金属などの強固な保護容器１４に収容されている。

このような磁気センサの製造工程においては、まず、ガラス基板１２の表面に膜厚０．１μｍ程度の感磁性薄膜２を蒸着後、フォトエッチングで加工し、その基板１２の裏面にリード端子７を固着する。そして、電極４に接続片１３を電気的に導通接続した後、接続片１３を介して電極４とリード端子７とを電気的に導通接続する。次に、ガラス基板１２上の感磁性薄膜２のみを覆うように、例えばエポキシ樹脂をスクリーン印刷して膜厚１０μｍ以下の第１の保護層を塗布形成する。さらに、トランスファー成型によって第１の保護層を除く部分（感磁性薄膜２以外の部分）を覆うように、例えば約５０μｍ程度のエポキシ樹脂層からなる第２の保護層を形成する。この第１及び第２の保護層が図５の保護容器１４に対応する。

さらに、図６に示すように、メサ型チップ１５と制御用ＩＣチップ１７を同じ保護容器３０に収容し、保護層１下の感磁性薄膜２をその保護容器３０の外周と同一平面に配置した構成も提案されている。なお、絶縁性樹脂剤からなる絶縁保護層３は、保護容器３０に注入充填されている。この構成では、メサ型チップ１５と制御用ＩＣチップ１７は保護容器３０の底面に並んで配置されているため、それらを結ぶリード線７及び外部接続端子１６との間のリード線７が占める空間が、保護容器３０の小形化を難しくしている。

上記従来技術には、次のような問題点がある。

（１）磁気検出薄膜素子の表面が厚い樹脂の保護容器で覆われているので、検出対象になる磁気発生源と磁気検出薄膜素子との距離が隔たり、検出感度が低下する。また、磁気検出薄膜素子の表面を平坦にするためには十分な研磨工程が必要である。

（２）保護容器を薄くすると、過酷な環境で使用される場合に塵埃や砂などによって磁気検出薄膜素子の表面を保護する容器が短時間で摩耗し、磁気センサの寿命が短くなる。

（３）従来の磁気センサは重く、大型であるため、最近の各種機器における小形軽量で薄型化の傾向に対応しきれず、狭い箇所に設けることが困難である。

（４）従来の磁気センサは検出対象物との距離が隔たることもあり、微小な機械変位量に対する高精度の検出には不向きである。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、このような問題点を改善し、小型で検出対象物に接近して設けることができ、機械変量を高精度に検出するのに好適な磁気センサを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の磁気センサは、磁気検出素子と、Ｂ、ＢＮ、ＳｉＢ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、Ｂ _４Ｃ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、またはダイヤモンド状カーボンのいずれかよりなり、前記磁気検出素子の磁性層を覆う保護層と、前記保護層下で前記磁気検出素子と電気的に接続された電極導体層と、前記保護層下で前記電極導体層を介して前記磁気検出素子と電気的に接続され、前記電極導体層と上下に重ねて配置された周辺回路ユニットと、前記磁気検出素子を支持する支持体と、を有し、前記磁気検出素子の前記磁性層が前記保護層側に突出している、ことを特徴とする。

また、前記支持体は樹脂からなることを特徴とする。

また、前記周辺回路ユニットと外部との間の接続配線は前記支持体と前記保護層との間に設けられることを特徴とする。

以上のように、本発明によれば、磁気センサを小型に形成でき、検出対象物に近接して高精度に微小な機械変位量を検出することができる。

より具体的には、例えば磁性層（感磁面）に凸部を設けるなど、感磁面を所望の形状に形成できる。また、ガラス基板を十分に平坦に形成することにより、保護層のガラス基板側の面も平坦に形成されるので、ガラス基板除去後の保護層表面（感磁面）が荒れることはなく、高精度の磁気センサを得ることができる。さらに、感磁面を突出させて配置し、その裏面（保護層下の電極導体層あるいはその他の導体層の下側）に端子を含めた周辺回路ユニットを設ける構成としたので、磁気センサを小型化することができる。このような優れた点は、特にプローブ型磁気センサに適する。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態である磁気センサの構造を示す断面図である。図１において、保護層１は、ＳｉＢ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＢＮ、Ｂ4 Ｃ、Ｂ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、ダイヤモンド状カーボンなどの耐摩耗性膜からなる。磁性層２は、ＮｉＦｅの薄膜からなり、磁気検出膜として磁気検出薄膜素子を構成するものであり、その薄膜上にはつづら折りパターンが形成される。絶縁保護層３は、磁性層２の表面にプラズマＣＶＤ法によりＳｉＮ膜を堆積して形成され、その膜厚は１μｍ以下である。なお、前記つづら折りパターンの長手方向が互いに直交するようにしてブリッジ回路を構成することもできる。外部への導出電極を含む電極導体層４はＡｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉなどを用いて構成される。リード線７は電極導体層４と半田バンプ５でボンディングされている。被覆体８は、膜厚５０μｍ程度のエポキシ樹脂層からなり、保護層１の裏面の絶縁保護層３に覆われた範囲及びボンディングされたリード線７と、磁気検出薄膜素子を支持する支持体９との間を充填接着するものである。

（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態である磁気センサの構造を示す断面図であって、概ね図１と同様であるが、特に保護層１の裏面に積層された磁気検出薄膜素子の感磁面である磁気層２を突出させ、また、周辺回路ユニット６を保護層１の裏面に設けた構成を示すものである。図２において、周辺回路ユニット６は、磁気検出薄膜素子の出力を検出するための回路であり、半田バンプ５にて電極導体層４及び他の導体層１０とボンディングされている。図２の構成によれば、磁性層２（感磁面）が突出しているので、磁気センサを設ける際、検出対象物１１に感磁面を一段と接近させることができ、機械変量を高精度に検出することが可能である。

次に、図３を用い、図２に示した磁気センサの製造工程を説明する。

（イ）予め、厚さ０．７〜１．１ｍｍ程度のガラス基板（基体）１２を準備し、そこにフォトエッチングで凹部を設け、さらにガラス基板１２の表面にＳｉＢなどの耐摩耗性膜をプラズマＣＶＤ法により堆積し、膜厚１０μｍ程度の保護層１を形成する。なお、ガラス基板１２は、後述する製造工程（ヘ）においてフッ酸を用いたウェットエッチングにより除去されるので、ガラス基板１２のエッチングレートが保護層１のエッチングレートより大きくなるように材料を選択する必要がある。また、ガラス基板１２の除去後は保護層１がセンサ表面となるので、保護層１が形成されるガラス基板１２の表面は、平坦であることが望ましい。このようにガラス基板１２に凹部を形成するのは、感磁面を突出させ検出対象物１１により近接させて配置するためであり、磁気センサ完成時には、前記凹部は図２に示したように保護層１の凸部となる。

（ロ）前記凹部を有する保護層１の表面に、ＮｉＦｅを蒸着し、フォトエッチングでパターン加工し、膜厚０．１μｍの磁性層２（感磁面）を形成する。この磁性層２には前記つづら折りパターンを形成する。

（ハ）その磁性層２の表面に、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉなどを用いて構成された電極導体層４及び他の導体層１０をスパッタリングあるいは蒸着によって形成する。さらに、磁性層２、電極導体層４及び他の導体層１０の表面や保護層１の表面にプラズマＣＶＤ法によりＳｉＯ2 膜を堆積し、図示していない膜厚１μｍの絶縁保護層（図２の絶縁保護層３に相当）を形成する。

（ニ）さらに、磁気検出薄膜素子の出力を検出するための周辺回路ユニット６を、電極導体層４及び他の導体層１０に半田バンプ５にてボンディングする。なお、ボンディングは周知のフェースダウン実装を用いる。更にリード線７を半田づけする。

（ホ）こうしてガラス基板１２上に積層された保護層１、磁性層２、電極導電体層４、その他の導体層１０、及び周辺回路ユニット６の全てを被覆体８で覆う。すなわち、ガラス基板１２上に積層された膜と、この積層された膜を支持するための図示していない支持体（図２の支持体９に相当）との間に、エポキシ樹脂を注入充填し、膜厚５０μｍ程度の樹脂等からなる被覆体８を形成する。

（ヘ）最後に、ガラス基板１２をウェットエッチングによって除去し、凸部を有する保護層１及び磁性層２（感磁面）をセンサ表面側にする。なお、ウェットエッチングの際は、ガラス基板１２以外をエッチングマスクで覆った後、基板上に積層された膜全体を５０％のフッ酸溶液に浸してエッチングを行う。その後、エッチングマスクを除去する。なお、エッチングマスクとしては日化精工製のブラックマスクやプロテクトワックス等を用いている。

あるいは、ウェットエッチングによらず、剥離によってガラス基板１２を除去してもよい。

（実施の形態３）
図４は前記工程を適用して製造した位相検出型磁気センサが、検出対象物の機械的変位を検出する様子を示している。本実施の形態の感磁面パターン２´は、保護層１の下で検出対象物１１に十分接近して配置されており、機械的変位を高精度に検出できる。

なお、本実施の形態ではガラス基板１２を磁気センサ形成後にエッチングあるいは剥離によって全て除去したが一部を残すように構成してもよい。例えば周辺回路ユニット６の下の部分のガラス基板１２を残した場合、周辺回路ユニット６は残したガラス基板１２の一部と支持体によって支えられるので、機械的に補強される。

本発明の第１の実施の形態である磁気センサの構成を示す図本発明の第２の実施の形態である磁気センサの構成を示す図図２に示した磁気センサの製造工程を示す図本発明の第３の実施の形態である位相検出型磁気センサが対象物の機械的変位を検出する様子を示す図従来の磁気センサの構成を示す斜視図従来の磁気センサ（メサ型）の構成を示す図

符号の説明

１…保護層
２…磁性層
３…絶縁保護層
４…電極導体層
５…半田バンプ
７…リード線
８…被覆体
９…支持体
１２…ガラス基板

Claims

磁気検出素子と、
Ｂ、ＢＮ、ＳｉＢ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、Ｂ_４Ｃ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、またはダイヤモンド状カーボンのいずれかよりなり、前記磁気検出素子の磁性層を覆う保護層と、
前記保護層下で前記磁気検出素子と電気的に接続された電極導体層と、
前記保護層下で前記電極導体層を介して前記磁気検出素子と電気的に接続され、前記電極導体層と上下に重ねて配置された周辺回路ユニットと、
前記磁気検出素子を支持する支持体と、
を有し、
前記磁気検出素子の前記磁性層が前記保護層側に突出し、
前記支持体は樹脂からなることを特徴とする磁気センサ。
前記周辺回路ユニットと外部との間の接続配線は前記支持体と前記保護層との間に設けられることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
磁気検出素子と、
Ｂ、ＢＮ、ＳｉＢ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、Ｂ_４Ｃ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、またはダイヤモンド状カーボンのいずれかよりなり、前記磁気検出素子の磁性層を覆う保護層と、
前記保護層下で前記磁気検出素子と電気的に接続された電極導体層と、
前記保護層下で前記電極導体層を介して前記磁気検出素子と電気的に接続され、前記電極導体層と上下に重ねて配置された周辺回路ユニットと、
前記磁気検出素子を支持する支持体と、
を有し、
前記磁気検出素子の前記磁性層が前記保護層側に突出し、
前記周辺回路ユニットと外部との間の接続配線は前記支持体と前記保護層との間に設けられることを特徴とする磁気センサ。