JP5044070B2 - 磁界検出デバイス - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の背景）
本発明は、広義には磁界センサに関し、より詳しくは、単一の半導体チップ上に形成され、ドメイン設定、バイアス又はオフセット磁界の形成、フィードバック磁界の供給、センサ伝達特性の測定のような機能、あるいは磁界を必要とする他の機能のために磁界の利用が必要な集積型磁界センサに関する。
【０００２】
本発明の用途は、種々の磁気センサあるいはトランスデューサである。これらの用途には、磁気抵抗トランスデューサ、大型磁気抵抗トランスデューサ、磁気ダイオード、磁気トランジスタやホール効果トランスデューサが含まれるが、これらに限定されるものではない。
【０００３】
磁界検出デバイスは、例えば自動車におけるソリッドステート・コンパス技術、シグナチャー検出、例えば金属検出、偏差検出、例えば位置検出等を含めて多くの用途に用いられるが、これらに限定されるものではない。
【０００４】
ソリッドステート・コンパス技術は、個人向け商品アイテム、例えば腕時計で利用することができる。位置検出は、患者の体内におけるカテーテルのような医療機器の位置を検出するために使用することが可能である。上記及びその他の用途のために、従来のものに比べて小形で電力消費が少ない磁気検出素子が必要とされるようになってきた。
【０００５】
ＰｅｒｍａｌｌｏｙＴＭのようなＮｉＦｅ材料の磁気抵抗膜の細長いストリップを利用して超小型磁界検出デバイスを作ることができる。磁気抵抗膜の磁化は、一般に電流と角度をなし、磁気抵抗膜の抵抗はこの角度によって決まる。磁気抵抗膜の磁化が電流と平行なとき、抵抗は最大になり、電流に対して直角なとき、抵抗は最小になる。これらの膜の磁化は、磁界を検出することが可能になるには、まずシングルドメイン状態にしなければならない。磁気抵抗トランスデューサは、多ドメイン状態にあっても、磁界を検出することができる状況があるかもしれないが、再現性を確保するためには、磁気抵抗トランスデューサの磁気検出素子の磁化がシングルドメイン状態にあることが不可欠である。そのセット−リセット機能については、米国特許第５，２４７，２７８号に記載されている。
【０００６】
磁界検出デバイスは、ホイートストンブリッジの４つの個別素子、すなわち脚を形成する磁気抵抗ストリップで構成することが可能である。そして、これらの脚はストリップに直角な磁界に対して感度を示すように配向され、その結果全てのストリップはブリッジ構造の中で互いに平行になる。スペースが節約されるブリッジ構造には、４つの素子を一平面内で１列または１行に列べる１ｘ４型とも呼ばれる構造、あるいは４つの素子を各々２つの素子からなる２つ互いに並列な組にして列べる２ｘ２型とも呼ばれる構造がある。セット−リセット導体１２及び素子１３を有する１ｘ４型構造が図６ａに示されている。また、セット−リセット導体１４及び素子１５を有する２ｘ２型構造が図６ｂに示されている。これらの構造は両方とも米国特許第５，２４７，２７８号に説明されている。
【０００７】
磁界検出デバイスの試験、セットアップ、補償、あるいは較正は重要な領域になっている。もう一つの重要な領域は、フィードバック制御における検出デバイスの利用である。これらの両領域で必要とされる機能は、磁界センサの位置に既知磁界を作り出す能力である。この既知磁界とその磁界を変化させる機能によって、磁界センサの応答を測定して、セットアップ、感度測定及び較正作業を行い、センサをフィードバック用に利用することが可能になる。
【０００８】
このように、非常に小さくかつ電力消費が非常に少なくて、センサの磁気ドメインをセット／リセットするため、及び試験、セットアップ及び較正用、さらには磁界センサのフィードバック用の既知磁界を作り出すための磁界が得られる簡単な自蔵型デバイスが必要とされている。
【０００９】
（要旨）
上記及びその他の必要に対応するためになされた本発明は、ブリッジ回路網の形に構成された磁気抵抗型磁界検出素子の磁気ドメインをセット／リセットするための手段と、該ブリッジ回路網の相対向する磁界検出素子の磁化方向を特別な設計に基づき同方向あるいは逆方向に設定するよう構成された電流ストラップと、を具備した非常に小さい低電力用デバイスである。
【００１０】
電流ストラップは磁界検出素子の位置に既知磁界を生じさせる。既知磁界は、試験、セットアップ及び較正のような機能のため、またフィードバックに用いられる。
【００１１】
本発明は、セット／リセット機能、及び独特のコイル配置を用いることによって磁気検出素子の位置に既知磁界を生じさせるという独立した機能の両方を共に具備したものである。磁界センサにこれらの機能が両方とも具備される結果、２つの機能の個別機能を足し合わせたよりもはるかにセンサの機能性が改善される。
【００１２】
（好ましい実施形態の説明）
本発明の磁界を検出するためのデバイスは、添付図面に全体として符号１０で示されている。図１は、本発明の磁界センサ用の集積回路パターンを示したものである。磁界センサ１０は、集積回路技術を用いて半導体基板２２上に形成される。「バーバーポール」バイアス方式を採用した４つの磁気抵抗素子２４、２６、２８及び３０は、ホイートストンブリッジ回路構成で配置されている。各磁気抵抗素子２４、２６、２８及び３０は、互い電気的に直列に接続された９本の互いに平行に配置されれた磁気抵抗ストリップ３２のアレイよりなる。個々の磁気抵抗ストリップ３２は、相互配線（図示省略）によって磁気抵抗素子２４、２６、２８及び３０の内部で接続されている。各アレイの外側の１０番目のストリップは電気的には接続されていない。基板２２は、通常、二酸化ケイ素及び／または窒化ケイ素の絶縁層２４を有する。磁気抵抗センサについての背景情報及び基板２２上に平行配置された磁気ストリップ３２を形成して磁気抵抗素子２４、２６、２８と３０を得る技術の詳細は、１９８９年７月１１日付けでバーラット・ビー・パント（ＢｈａｒａｔＢ．Ｐａｎｔ）に対して許可され、本願と同じ譲受人に譲渡された米国特許第４，８４７，５８４号に記載されている。この米国特許第４，８４７，５８４号は参照によって本願に援用される。１９９３年９月２１日付け発行で、本発明と同じ譲受人に譲渡された米国特許号５，２４７，２７８号は、集積型磁界検出デバイスの利用に関する背景情報が記載されており、参照によって本願に援用される。
【００１３】
相互配線３４は、素子２４と素子２６の接合部をパッド３６に接続する。相互配線３８は、素子２６の端部をパッド４０に接続する。相互配線４２は、パッド４４を素子２４及び素子２８に接続する。相互配線４６は、パッド４８を素子３０に接続する。相互配線５０は、素子２８と素子３０をパッド５２に接続する。
【００１４】
素子２４、２６、２８及び３０はホイートストンブリッジ回路に接続され、組み込まれる。パッド４４と、パッド４０及びパッド４８の共通接続部との間には電圧を印加することができる。すると、パッド３６とパッド５２との間にブリッジ出力が得られる。
【００１５】
セット−リセット導体あるいは電流ストラップ５４がパッド５６とパッド５８の間に接続されている。 導体５４は、パッド５８とパッド５６との間に時計回り方向に引かれたらせん形状を有する。導体５４は、磁気抵抗素子２８及び３０の上方を通るセグメント６０と磁気抵抗素子２４と２６の上方を通るセグメント６２からなる。電流がパッド５６から入ってパッド５８から出るように流れる際、セグメント６０中の電流は、素子２８及び３０にチップ２０の中心部に向かう方向の磁化を生じさせる。セグメント６２中を流れる電流は素子２４及び２６にチップ２０の中心部に向かう方向の磁化を生じさせる。電流の方向が反転すると、セグメント６２中を流れる電流は素子２４及び２６にチップ２０の中心部から離れる方向の磁化を生じさせ、セグメント６０中の電流は素子２８及び３０にチップ２０の中心部から離れる方向の磁化を生じさせる。
【００１６】
導体あるいは電流ストラップ７０は、磁気抵抗素子２４、２６、２８及び３０の有感方向の磁界を生じさせる。導体７０は、パッド６６とパッド６８と間に引かれ、部分７２及び部分７４からなる。部分７２のセグメント７６は、素子２４及び２８から離間して配置され、かつこれらの素子と直線方向が互いに位置合わせされている。部分７４のセグメント７８は、素子２６及び３０から離間して配置され、かつこれらの素子と直線方向が互いに位置合わせされている。
【００１７】
導体７０は、磁気抵抗素子２４、２６、２８及び３０の有感方向に予測可能な磁界を発生させるとともに、そのような磁界を得るのに必要な電流を低減し、かつデバイスのサイズを小さくするよう一意に対応した構成を有する。例えば、部分７２は、パッド６６を始端とする時計回りのらせん形状をなしている。セグメント７６は２本の磁気抵抗ストリップ３２の幅にほぼ等しい幅を有する。部分７４は、パッド６８に終端する反時計回りのらせん形状をなすという点が部分７２と異なっている。直流電流がパッド６８から入ってパッド６６から出るように流れる際、図１に矢印８０で示すような方向に磁界が作り出される。
【００１８】
本発明は、導体７０に必要な占有スペース及び電力消費を低減することを考慮したものである。例えば、部分７２のセグメント７６はその残りの部分より幅が広い。そのためにその残りの部分の抵抗はセグメント７６の抵抗より少し高い。本発明の結果得られる利点は、導体７０の前記残りの部分の必要スペースがより少なくなるということである。本発明の導体７０は、同じ性格の単らせんコイルと比較して必要な占有スペースが約２５％少なく、消費電力が約１０％少ない。
【００１９】
電流がパッド６６から導体７０を通ってパッド６８へ、あるいはこれと反対方向に流れると、この電流は、磁気抵抗ストリップ３２に直角な方向あるいは磁気抵抗ストリップ３２の有感方向に磁界を発生させる。そして、この電流はブリッジを不均衡にし、パッド３６と５２の間に出力電圧が生じる。従って、デバイス１０の幾何学的特徴が既知の場合、導体７０を流れる所与の電流によって磁気抵抗素子２４、２６、２８及び３０にどのような磁界が作り出されるかを計算によって求めることができる。次に、導体７０に所与の電流を流し、パッド３６と５２で出力電圧を測定することによって、既知の入力またはテスト磁界と出力電圧との間の関係を求めることができる。あるいは、導体７０を既知の磁界内に置き、出力電圧をゼロにするのに必要な電流を測定することによって導体７０を較正することができる。
【００２０】
導体７０は、既存の外部磁界を相殺する、あるいはうち消す目的で磁気抵抗素子の位置に磁界を生じさせるために用いることもできる。例えば、デバイス１０が一方向に１．０ガウスの外部磁界が検出されている位置に置かれていて、デバイス１０にかかる磁界が基本的に「０」磁界となるようにこの外部磁界を相殺してゼロにする、すなわち中和することが望ましい場合が考えられる。そのような場合は、逆方向に１．０ガウスの磁界を発生させ、外部磁界をゼロに相殺するように導体７０に通電すればよい。
【００２１】
フィードバック用途においては、例えば、導体７０はデバイス１０を「０」出力状態に保つような形態で使用することができる。その場合は、導体７０に変動外部磁界に抗するのに十分な可変電流を流すことになろう。そして、導体７０に流すことが必要な電流を測定すれば、その電流が変動外部磁界を表すはずである。フィードバック回路に必要な電子回路は、デバイス１０の外部に設けることもできるし、あるいはデバイス１０に集積した形で設けることも可能である。
【００２２】
図１ａは、切断線ａ−ａに沿って切断した図１の拡大断面図である。デバイス１０は、シリコン基板１００、磁気抵抗ストリップ３２、第１の誘電体１０２、導体７０のセグメント７８、第２の誘電体１０４、セグメント６０の中の１つ、及びパッシベーション層１０６を有する。検出素子、セット−リセット・ストラップ及びオフセット・ストラップを含む層の相対位置は、ストラップにより生じる磁界を考慮して、様々に変わり得る。
【００２３】
本発明は、４脚ホイートストンブリッジ構成によって説明したが、単一電流源あるいは２つの電流源を用いた２素子型ブリッジを使用することも可能であることは理解されよう。
【００２４】
必要電流が従来の電流ストラップの必要電流と比較して格段に小さいことに加えて、本発明には他にも非常に重要な長所がいくつかある。第１の長所は、ヌル電圧に関連したものである。方向８０の磁界がゼロ磁界の場合にパッド３６と５２の間に電圧があれば、それは素子２４、２６、２８及び３０の抵抗の何らかの不整合によるヌル電圧である。
【００２５】
次に、図５を参照して、磁気抵抗センサはＮｉＦｅ材料８２及び８４のような磁気抵抗材料を使用する。ＮｉＦｅ材料は非線形伝達関数を有する。短絡バー、例えばＡｌＣｕのような高良導体の短絡バー８６及び８８を約４５度の角度でＮｉＦｅ材料８２及び８４の上に置くことにより、ハーバーポール技術を用いてこの材料を線形領域においてバイアスする。すると、材料８２と８４の抵抗は、ＮｉＦｅストリップの大きさ、バーバーポールの数と大きさ、及びバーバーポールと磁気抵抗材料との間の間隔によって決まる。磁化方向は、最初方向９０及び９２に設定される。符号９４の方向に磁界が存在すると、磁化は方向９６及び９８へ回転し、材料８２及び８４がホイートストンブリッジの上半部を形成するよう接続された２つの素子を表すとすると、ブリッジから出力電圧が生じることになる。
【００２６】
磁界がない場合、ブリッジから何らかの電圧出力があれば、それはブリッジ素子の抵抗の不整合に起因するものである。この不整合は、ＮｉＦｅ材料の厚さとＮｉＦｅ及びバーバーポール材料の線幅の変動によって生じる。この抵抗の不整合は０．２％以下と推定される。しかしながら、例えば１×４型構造のブリッジの上半部の脚についてバーバーポールの配向が異なっている場合、抵抗の不整合が約０．７％になることもある。
【００２７】
第２の長所は、交差磁界効果の低減に関連したものである。交差磁界は、センサのチップ平面内の磁界で、このセンサの有感方向を横切る方向に形成される。磁気センサはこの方向に無感であるが、既存の交差磁界はセンサの感度とヌル電圧の変化を生じさせることが起こり得る。１×４型構造あるいは２×２型構造の出力電圧Ｖｏｕｔは、例えば次式で表すことができる：
【００２８】
Ｖｏｕｔ＝Ｖｂｒｉｄｇｅ・Ｓ・Ｈ
式中、Ｖｂｒｉｄｇｅはセンサの供給電圧であり、Ｓは感度、Ｈは有感方向の磁界である。感度は、結晶と形状異方性磁界との組合せによりセンサ材料のＭＲ比ΔＲ／Ｒと飽和磁界Ｈｓによって決まり、次式で与えられる：
Ｓ＝（ΔＲ／Ｒ）／Ｈｓ
【００２９】
デバイス１０は２×２型設計であり、このことはブリッジの２組の脚、２４と２８あるいは２６と３０がそれぞれ互いに逆方向の飽和磁界を持つことを意味する。交差磁界はこれらの飽和磁界に平行であり、一方向の飽和磁界を強め反対方向の飽和磁界を弱めるように作用する。センサの感度Ｓは交差磁界Ｈｃ によって変化する。交差磁界１エルステッド（Ｏｅ）に対して、感度は約０．３％変化することが明らかにされている。
【００３０】
１×４型構成の場合、交差磁界は飽和磁界に加算される磁界であり、その極性によって感度を増加あるいは低下させる。このように交差磁界Ｈｃ ともにセンサの感度は変化する。交差磁界１ Ｏｅに対して、感度は約１２％変化することが明らかにされている。セット／リセット・パルスを用いて各測定毎にセンサ出力極性を切り換え、それらの各測定における２つの測定値を互いに減算するならば、１×４型構造のブリッジにおける交差磁界誤差は大きく低減される。
【００３１】
以上説明したように、本願出願人等は、磁化方向を設定して、磁界センサの有感方向に磁界を生じさせる簡単な構成を達成したものである。本願の構成は、容易に集積型磁界センサの設計に取り入れられる。本願の磁化方向設定及び磁界発生のための構成を例示説明のために特定実施例により詳細に説明したが、当業者にとっては多くの変形態様及び修正態様が自明であろう。従って、本発明の範囲は、本願で開示した実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載するところによってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の開示技術に従って磁界検出デバイスの上面図である。
【図１ａ】 図１のデバイスの一部を線ａ−ａに沿って切断した拡大断面図である。
【図２】 図１に示す磁界検出デバイスの一部の平面図である。
【図３】 図１に示す磁界検出デバイスの一部の平面図である。
【図４】 図１に示す磁界検出デバイスの一部の平面図である。
【図５】 磁気抵抗ストリップと磁化方向を示す概略図である。
【図６】 ａ及びｂは、ブリッジ構造の概略図である。

Claims (6)

1. 外部磁界を検出するための集積型デバイスにおいて、
   少なくとも第１及び第２の磁界検出素子と出力終端領域を有し、第１の方向の磁界成分に対して有感となりかつ前記出力終端領域で出力信号を供給するよう構成された磁界検出手段と、
   前記第１の磁界検出素子の磁化方向を第２の方向に設定し、前記第２の磁界検出素子の磁化方向を前記第２の方向と逆方向をなす第３の方向に設定するとともに、前記第１及び第２の磁界検出素子の前記磁化方向を反転する磁化方向設定手段と、 そして
   前記第１の磁界検出素子から離間して配置されていて時計回り方向に第１の電流を導通させる第１のコイルと、前記第２の磁界検出素子から離間して配置されていて反時計回り方向に前記第１の電流を導通させる第２のコイルとを含み、前記磁界検出手段の所に前記第１の方向に磁界を発生する磁界発生手段と
   を具備し、
   前記磁界検出手段は、第１のレベルの出力信号を供給し、かつ、前記第１及び第２の磁界検出素子の磁化方向の反転に応じて第２のレベルの出力信号を供給し、前記第１のレベルの出力信号と前記第２のレベルの出力信号との差が第１の方向の前記外部磁界成分を表す
   ことを特徴とする集積型デバイス。
2. 上記磁界検出手段が鉄−ニッケル合金製であることを特徴とする請求項１記載の集積型デバイス。
3. 上記磁界発生手段が、磁化方向を設定するための、上記磁化方向設定手段よりなる層と上記磁界検出手段よりなる層との間に設けられていることを特徴とする請求項２記載の集積型デバイス。
4. 外部磁界を検出する集積型デバイスにおいて、
   各々第１及び第２の終端領域を有し、第１の方向の磁界成分に対して有感である第１、第２、第３、及び第４の磁気抵抗素子を有する磁界検出手段であって、第１の磁気抵抗素子の第１の終端領域が第３の磁気抵抗素子の第１の終端領域に接続されており、第１の磁気抵抗素子の第２の終端領域が第２の磁気抵抗素子の第２の終端領域に接続されており、第３の磁気抵抗素子の第２の終端領域が第４の磁気抵抗素子の第２の終端領域に接続されており、第２の磁気抵抗素子の第１の終端領域が第４の磁気抵抗素子の第１の終端領域に接続されている磁界検出手段と、
   螺旋形状を有して、前記第１及び第２の磁気抵抗素子の磁化方向を第２の方向に設定する磁界を発生させ、かつ前記第３及び第４の磁気抵抗素子の磁化方向を前記第２の方向と逆方向をなす第３の方向に設定する磁界を発生させるとともに、前記第１、第２、第３、及び第４の磁気抵抗素子の前記磁化方向を反転させるような位置に設けられた第１のコイルと、そして
   前記第１及び第３の磁気抵抗素子から離間して配置されていて、時計回り方向に第１の電流を導通させる第２のコイル及び前記第２及び第４の磁気抵抗素子から離間して配置されていて、前記第１の電流を反時計回り方向に導通させる第３のコイルを含み、前記磁界検出手段の所に前記第１の方向に磁界を発生する磁界発生手段と
   を具備したことを特徴とする集積型デバイス。
5. 外部磁界を検出する集積型デバイスにおいて、
   基板と、
   少なくとも第１及び第２の磁界検出素子と出力終端領域を具備し、第１の方向の磁界成分に対して有感となりかつ前記出力終端領域において出力信号を供給するよう構成された磁界検出層と、
   前記第１の磁界検出素子の磁化方向を第２の方向に設定し、前記第２の磁界検出素子の磁化方向を第２の方向と逆方向に設定するとともに、前記第１及び第２の磁界検出素子の前記磁化方向を反転する磁化設定層と、そして
   前記第１の磁界検出素子から離間して配置されていて、時計回り方向に第１の電流を導通させる第１のコイルと、前記第２の磁界検出素子から離間して配置されていて、反時計回り方向に前記第１の電流を導通させる第２のコイルとを具備し、前記第１及び第２の磁界検出素子に前記第１の方向の磁界を生じさせる磁界発生層と
   を具備し、
   前記磁界検出層、磁化設定層あるいは磁界発生層の中の１つが前記基板上に形成されていることを特徴とする集積型デバイス。
6. 外部磁界を検出するための集積型デバイスにおいて、
   各々第１及び第２の終端領域を有し、第１の方向の磁界成分に対して有感である第１、第２、第３、及び第４の磁気抵抗素子を有する磁界検出層であって、第１の磁気抵抗素子の第１の終端領域が第３の磁気抵抗素子の第１の終端領域に接続されており、第１の磁気抵抗素子の第２の終端領域が第２の磁気抵抗素子の第２の終端領域に接続されており、第３の磁気抵抗素子の第２の終端領域が第４の磁気抵抗素子の第２の終端領域に接続されており、第２の磁気抵抗素子の第１の終端領域が第４の磁気抵抗素子の第１の終端領域に接続されている磁界検出層と、
   前記第１及び第３の磁界検出素子の磁化方向を第２の方向に設定し、前記第２及び第４の磁界検出素子の磁化方向を第２の方向と逆方向に設定するとともに、前記第１、第２、第３、及び第４の前記磁化方向を反転させるための磁化設定層と、そして
   前記第１の磁界検出素子から離間して配置されていて、時計回り方向に第１の電流を導通させる第１のコイルと、前記第２の磁界検出素子から離間して配置されていて、反時計回り方向に前記第１の電流を導通させる第２のコイルを含み、前記第１、第２、第３、及び第４の磁界検出素子に前記第１の方向の磁界を生じさせる磁界発生層と
   を具備し、
   前記磁界検出層、前記磁化設定層あるいは前記磁界発生層の中の１つが基板上に形成されている
   ことを特徴とする集積型デバイス。

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