JP5055030B2 - 磁気センシング装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロマシニング技術を利用した磁気センシング装置に関する。

近年、携帯端末の高機能化、高性能化が進展し、地図情報を元に、所望の位置に誘導するいわゆるナビゲーション機能を搭載した携帯電話も急速に普及しつつある。

このようなアプリケーションには、地磁気情報を有効に活用することにより、利便性は飛躍的に向上する。

地磁気はベクトル量であり、その強度は、一般に０．３〜０．５Ｏｅ（エルステッド）と言われており非常に弱いものである。

このように非常に弱い強度の地磁気を高精度に検知するためには、検出素子そのものの特性向上も重要な技術課題となるが、それと同時に、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸のいわゆる３軸の地磁気の検知に対応できるかどうかが重要な技術要素となる。

地磁気は地球上の両磁極から発生する磁力線によるものであるのために、平面ではない地球上でこの地磁気を検知する場合には、水平面のみの情報、つまり２次元情報のみでは不十分であることは言うまでもないことである。

したがって、地磁気に関する情報を有効に活用するためには、地磁気の情報を３次元で検知する必要がある。

従来このような課題の解決のためには、個々に作製した複数の磁気センサを実装によって組み上げてモジュール化し、ひとつの磁気センサがひとつの軸の磁気を検知する構造とすることで全体で多軸に対応した磁気センシング装置としていた。

しかし、このような方法では、一般的に３軸とするには、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸それぞれに対応する磁気センサ素子を実装で組み上げるために、センシング装置全体の小型化、特に高さ方向の小型化には限界がある。

さらには、複数の磁気センサ素子を配線部材やワイヤーなどによる配線で接続していたために、長期の安定性や信頼性に対しては十分な対応はできていないという問題を抱えていた。

ここで、多軸の磁気センサを実現するためにこれまで一般的に提案されてきた技術に関して簡単に説明する。

第９図に示した図は、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の磁界の変化を検知する３つの磁気センサ９０１、９０２、９０３をセンサ支持体９００のそれぞれｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に平行な面に実装技術を用いて配置し、３つの磁気センサで３次元の磁界の変化を検知できるように組み上げた様子を模式的に示したものである。

このようにすれば、３軸方向の磁気情報を得ることができ、使用される場所や姿勢などが特定できない携帯端末などに組み込んだ場合、非常に有効な情報を入手できるものとなる。しかしながら、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の磁界の変化を検知する３つの磁気センサを実装技術で組み上げているために、望まれる小型化に関しては十分な対応ができないという問題を抱えている。

特に、近年の携帯端末は、小型化、薄型化、軽量化が急速に進展し、小型化が困難な部品、装置については早急に改善されることが強く望まれている。

上述した背景に関連する技術を以下に開示する。

特許文献１は、２つ、もしくは３つの磁気センサの出力に基づいて少なくとも直交する２軸もしくは３軸方向の磁界成分を検出する磁界検出装置において、２つもしくは３つの磁気センサの配置について開示されている。
具体的には、２つ、もしくは３つの磁気センサのうち、少なくとも２つの磁気センサの感度方向が、磁気センサがパッケージされている部材の表面に対して斜めに配置されている。
このような配置にすることで互いに直交する３軸方向の磁気センサ成分を検出できるというものである。

図１０を用いて、従来に開示されている技術内容について述べる。

磁気センサＡ、Ｂ、Ｃが配置されている様子を示したものであるが、磁気センサＣはパッケージ表面沿って配置されているのに対し、磁気センサＡ及び磁気センサＢはパッケージ表面に対してそれぞれ、θａの角度、θｂの角度を持つように配置されている様子が示されている。

このように配置すれば、図９に示すがごとく、同じ大きさの磁気センサを配置する場合に比べれば確かに高さ方向の寸法を小さくすることができる。

特許文献２は、支持体と、支持体に対して可動なマイクロメカニカル素片とが具備されていて、マイクロメカニカル素片には第１変換素子、支持体には第２変換素子が設けられており、どちらか一方は、磁界を発生する素子で、他方は、磁気センサとなるＳＱＵＩＤ素子であって、支持体と可動なマイクロメカニカル素片の相対位置変化を磁気的に検知するマイクロメカニカルセンサが開示されている。

さらに、このような支持体と、支持体に対して可動なマイクロメカニカル素片とが複数個具備されていることで、より多くの情報を検知できる構造としたマイクロメカニカルセンサに関するものである。

特許文献３は、この従来技術はマイクロマシニング技術を用いてマイクロアクチュエータを形成するものであって、アクチュエータとして磁気コイルと磁気材料からなる可動素子の組み合わせを用いるものである。

具体的には、電磁マイクロアクチュエータは少なくとも部分的に磁気材料からなる可動素子上で作用する磁界を生成するためのコイルと可動素子の動きによって閉じることが可能な隙間のほうに磁束を駆動するための磁気回路を含むものである。

特許文献４は、この従来技術は可動部に磁気要素、固定部に磁気センサという構成、又はその逆の構成を有し、可動部が変位したときの磁気センサの信号変化から、可動部の変位量を求めるものであり、磁気要素として永久磁石、磁気センサとしてホールセンサー、磁気トランジスタ、磁気ダイオード、ＧＭＲセンサなどを用いるものである。

また、これらの構成をマイクロマシニング技術を用いて形成するマイクロデバイスとして実現するものである。

この従来技術の概略について図１１を用いて説明する。

第１１図に示したものは、この従来技術の構成を模式的に示したものである。

固定部分１２に可動部１０が固定されており、可動部１０には磁気要素が設けられており、固定部分１２の対向する箇所に磁気センサ２が設けられている。

動作は、可動部１０が変位した際に磁気センサ２で検出する磁気信号の変化から、その変位量を検知するというものである。

特許文献５は、この従来技術は、磁気センサの高感度化を目的としたものであり、磁気センサをＴＭＲ素子又はＧＭＲ素子を用いて形成するものであり、素子の一面に配されて抗磁力が磁性層の抗磁力よりも低く、かつ、その異方性軸が磁性層の異方性軸とは独立して設定された磁界感知補用軟磁性膜が開示されている。
特開２００５−２４９５５４号公報 特公平８−３１６２４号公報 特開平９−７８２６号公報 特表２００３−５０９７０２号公報 特開２００２−２０７０７１号公報

しかしながら、特許文献１に開示の技術のように、多軸の磁気センサを複合して磁気センシング装置として形成する方法で、個別の磁気センサを実装して組み上げるという手法をとる限り、素子を傾けて実装するという程度の技術では、その効果は軽微なものであり、実装という技術を使用するためには、磁気センサそのものの小型化にも限界がある。

つまり、実装するためには、個別の磁気センサはある程度の機械的強度が必要であり、また、ハンドリングする際の安全性や効率から考えて、小型化という課題に対して、改善すべき問題を有する。

特許文献２から４に開示の技術は、マイクロマシニング技術を利用するという技術分野において、そこで得られるマイクロメカニカル構造体に磁気センサあるいは磁性材料を設けることに関して記載されている。しかしながら、磁気センシング装置そのものに関しての記載がされていない。

詳細には、特許文献２に開示の技術は、可動部にセンサーを設けることに関しては、記載があるが、支持体と可動部とにそれぞれ磁界の発生源と検知素子を設けること、支持体と可動部との相対位置の変化を磁気的に検出することに関しての記載がない。

また、特許文献３に開示の技術は、磁気の作用を利用することに関しては、記載がある。しかしながら、アクチュエータとして磁気の作用を利用しているが、アクチュエータは磁気以外で、検知する物理量が磁気という示唆がされていない。

また、特許文献４に開示の技術は、可動部と、磁気センサとの両方を有することに関する示唆はされているが、可動部に駆動力を与えるアクチュエータを有すること、変位量を磁気的に検知することに関して示唆がされていない。また、これによる効果が示唆されていない。

さらに、特許文献５に開示の技術は、可動部に磁気センサが設置されていることに関しての記載はない。また、これによる効果に関しての示唆がされていない。

そこで、本発明は、マイクロマシニング技術で作製したマイクロメカニカル構造体において、その可動部に磁気センサを設けて磁気情報を得る磁気センシング装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、磁気の検出を行う磁気センシング装置であって、基板と、エネルギーを運動量に変換するアクチュエータと、前記アクチュエータが与える駆動力により、前記基板の基準面に対して所定の傾斜角度をなし、片持ち梁構造で前記基板に連結されている可動部と、前記傾斜角度を検知する傾斜角度検知手段と、を有し、前記可動部に磁気センサが設置されており、前記アクチュエータは、熱エネルギーを与えるヒーターであることを特徴とする磁気センシング装置を提供する。

そこで本発明は、磁気センサを高密度に集積することによって、小型で、長期の安定性、信頼性に優れている磁気センシング装置の提供を可能とする。

本発明に係る磁気センシング装置は、以下の目的を有する。

３軸対応磁気センサ等に代表される多軸の磁気センサを高密度に集積することによって、小型で、長期の安定性、信頼性に優れていることを目的とする。

また、可動部のみ磁気センサを設け、外界の磁気を検知し、その測定精度を向上させるために、積極的に可動部を動かす構成を有することを目的とする。

また、マイクロマシニング技術を有効に活用することにより、実装技術で実現するよりもはるかに小型で、長期の安定性、信頼性が高く、多軸対応であることを目的とする。

上記目的を有する磁気センシング装置は、以下の態様を有する。

本発明に係る磁気センシング装置の第１の態様は、
基板の基準面に対して任意の角度をなすように傾斜することができる可動部に磁気センサが設けられている。
上記構成によれば、基板の基準面に支配されず基準面とは異なる方向の磁界強度を独立に検知することが可能である。

本発明に係る磁気センシング装置の第２の態様は、
基板の基準面に対して任意の角度を成すように可動できる可動部が、片持ち梁構造で基板に連結されている構造であることを特徴としている。
上記構成によれば、長期間に亘っての繰り返し再現性や、信頼性が高い状態で可動部の傾斜機能を維持できる。

本発明に係る磁気センシング装置の第３の態様は、
基板の基準面に対して任意の角度を成すように可動できる可動部が、トーションバーにより基板に連結されている平板構造であるために、
上記構成によれば、長期間に亘っての繰り返し再現性や、信頼性が高い状態で可動部の傾斜機能を維持できる。

本発明に係る磁気センシング装置の第４の態様は、
基板の基準面に対する可動部の傾斜角度を検知する手段を設けたことを特徴としている。
上記構成によれば、対象となる磁界の検知精度を大幅に向上させることができる。

本発明に係る磁気センシング装置の第５の態様は、
アクチュエータが熱エネルギーを与えるヒーター機能を有する構造であることを特徴とする。
上記構成によれば、可動部の傾斜角度を制御性よくコントロールできる。

本発明に係る磁気センシング装置の第６の態様は、
アクチュエータがピエゾ抵抗素子であることを特徴とする。
上記構成によれば、可動部の傾斜角度を大きくすることができる。

本発明に係る磁気センシング装置の第７の態様は、
前記アクチュエータが電圧印加可能な櫛歯電極構造であることを特徴としている。
上記構成によれば、傾斜制御の設計自由度が高く、また、制御性よく傾斜角度をコントロールできる。

本発明に係る磁気センシング装置の第８の態様は、
センサーモジュールにおける磁気センサは磁気抵抗素子を利用したものであることを特徴としている。
上記構成によれば、磁気情報を高感度で得ることができる。

本発明に係る磁気センシング装置の第９の態様は、
磁気抵抗素子は薄膜構造で機能を発揮することが可能なＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）素子を利用したものであること特徴としている。
上記構成によれば、非常に小型で、集積度が高い磁気センシング装置を実現でき、さらに磁気情報の検知に必要な電力が非常に小さくて済むという効果が得られる。

本発明に係る磁気センシング装置の第１０の態様は、
基板の基準面に対して任意の角度をなすように傾斜することが可能な可動部とその可動部に設けられた前記磁気センサのユニットが少なくとも２組以上具備されている。
上記構成によれば、それぞれのユニットが傾斜した際にそれぞれ異なる平面状に存在するような位置関係に形成されたことを特徴としているために、２次元以上の磁気情報を正確に、同時に得ることができる。

上述した態様を有する磁気センシング装置の構成について以下に説明する。
なお、以下に示す磁気センシング装置の構成は、一例であって、これに限定されることはなく、趣旨を逸脱しない範囲内において、また、当業者が容易に発想できる範囲内において、変形可能とする。

本発明に係る磁気センシング装置の構成を図１を用いて説明する。
図１は、本発明に係る磁気センシング装置の構成の一例を示す図である。

基板１００に片持ち梁の構造で連結された可動部１０１の表面に磁気センサ１０２およびアクチュエータ１０３が設けられている。

磁気センサ１０２は、検知した信号を読み取るための配線１０４、電極パッド１０５が接続されている。

ただしこの図ではアクチュエータを駆動するための配線は、省略して図示している。

この図に示したとおり、本発明では、マイクロマシニング技術により作製した片持ち梁構造の可動部の表面に、磁気センサ及びアクチュエータを設けることが最小限の構成要件である。

このような構造とすることで、磁気センサ及びアクチュエータは基板の基準面と同レベルの面に形成することが可能となり、なんら特別な製造装置を準備する必要はなく、一般的な半導体製造プロセスを利用して本発明を実施することができる。

一般に、多軸の磁気センサを形成するためには、それぞれ違った方向の磁気を検知する磁気センサが必要であり、すべての方向の磁界を検知するためには、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の３軸の磁気情報を検知する磁気センサが必要である。

このとき、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の３軸といっても、必ずしもそれぞれ９０度向きが違っている必要はなく、それぞれの磁気センサの向いている角度がわかっていれば、その角度を元に各磁気センサから得られた信号を演算処理することで、３軸の磁気センサとして機能させることが可能である。

本発明に係る磁気センシング装置の機能について図２を用いて説明する。
図２は、実際に磁気センシング装置として機能させるときの様子を模式的に示した図である。

アクチュエータ１０３の作用により、可動部１０１が下方に反り、可動部先端に設けられた磁気センサ１０２が、基板１００の基準面に対してある角度をもって傾斜している様子を示している。

図２は、ひとつの磁気センサ素子についての説明図であるが、図２に示した構造と同じ要領で複数の磁気センサ素子を設けることで、多軸対応が可能となる。

このときに、磁気センサ素子を設けた可動部を向きが異なるように設け、３次元配列することが望ましい。

磁気センサとして利用できるものは、磁気抵抗変化素子（ＭＲ素子）、磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）、フラックスゲートセンサなどが挙げられる。

本発明に係る磁気センシング装置の構成においては、磁気センサとしてＴＭＲ素子を利用していることを大きな特徴としているが、１Ｂ ＴＭＲ素子は、薄い絶縁層を二つの磁性体層で挟み込んだ構造を有する。

一方の磁性体層の磁界の向きを固定し、もう一方の磁性体層の磁界を外部の磁界に従って変化する構造としている。

このとき、二つの磁性体層の磁界の向きが、互いに平行であるか、反平行であるかによって、膜厚方向に電流を流した場合の抵抗が大きく変化する現象を利用して磁界強度を高感度に検出する。

絶縁層を通しての電流から抵抗値を算出するために、実際に流れる電流は微弱なもので、結果的に消費電力が非常に小さくて済む。

本発明に係る磁気センシング装置の構成においては、ＴＭＲ素子などに代表される地磁気センサを２軸以上の地磁気に対応するように３次元配置されていることを特徴とするために、水平方向のみならず全方位の磁気情報を得ることができる。

さらに、これらの磁気センサをマイクロマシニング技術を利用して作製したマイクロメカニカル構造体に一括して作製することを特徴としているために、モノリシック化が容易であり、個別の素子を実装技術により３次元化する方法と比べてはるかに小型化が容易で、信頼性の高い磁気センシング装置を実現することができるという特徴を有している。

次に本発明に係る磁気センシング装置におけるアクチュエータについて説明する。

本発明に係る磁気センシング装置の構成で使用できるアクチュエータの一例として、ヒーターを用いる。

ヒーターで加熱する対象物は、基板と同材質で形成された可動部１０１であっても問題ないが、可動部１０１を熱膨張係数の異なる２層の材料で構成した場合、例えば、基板と同材質で形成された可動部１０１に基板と熱膨張係数の異なる材料を積層した構造を有する可動部１０１を加熱対象物とすることで、少ない熱エネルギーで、より大きな傾斜角度を実現することができる。

つまり、熱膨張係数の大きい材料側にアクチュエータとなるヒーターを設けて加熱することによって膨張する現象利用して、熱膨張係数の大きい材料とは反対側へそらせることができる。

例えば、基板として単結晶Ｓｉウエハを用いる場合には、熱膨張係数の大きい材料として、アルミニウムを積層すれば、アルミニウムの線熱膨張係数は、単結晶Ｓｉウエハの約１０倍であるので、組み合わせとしては好適である。

また、さらにアルミニウムは非磁性体であるので、磁気センサが近傍に設置されても、磁気的にノイズとなることはない。

また、ヒーターとしては、タングステンなどの非磁性の高抵抗金属材料が望ましい。また、金属以外の材料としてセラミック抵抗体もヒーター材料の候補となりうる。

ヒーター以外のアクチュエータとしては、ピエゾ抵抗素子を用いることができる。可動部表面に設けたピエゾ抵抗素子に電圧を印加して、発生する電歪効果を利用して可動部をそらせることができる。

ピエゾ抵抗素子によって可動部を変位させる構造は、周囲の環境温度などの外乱に左右されず、制御性よく変位量をコントロールできるメリットがある。

本発明に係る磁気センシング装置の可動部の傾斜角度の検知方法について図３、図７を用いて説明する。
図３は、平板がトーションバーによって基板に連結されているような構造とした場合には、平板及び基板に櫛歯電極を設けて、そこに電界を印加して静電力で平板を傾斜させるといういわゆるマイクロミラー構造とすることもできる。このような構造を模式的に示したものが第３図である。
図７は、本実施例に係る磁気センシング装置の傾斜角度検知手段を模式的に示す図である。
傾斜角度検知手段は、可動部が基板の基準面に対してどの程度傾斜しているかを検知する。
図８は、このようなマイクロミラー構造であっても、前述の方持ち梁構造の可動部を設けたものと同様に、傾斜角度を検出する機構を設けることができ、同様の効果、すなわち、可動部がどのような角度に傾斜しているかを知ることができる。

図７に示すように、基板７００に連結した３つの可動部７０１ａ、７０１ｂ、７０１ｃにそれぞれ磁気センサ７０２ａ、７０２ｂ、７０２ｃとアクチュエータ７０３ａ、７０３ｂ、７０３ｃ及び傾斜角度検知手段７０４ａ、７０４ｂ、７０４ｃが設けられている。

ここで、傾斜角度を検出する機構としては、ピエゾ抵抗素子を設けてその抵抗変化を読み取るなどの方法をとることができる。

全く別のアクチュエータとして、可動部がこれまで述べたような方持ち梁構造ではなく、平板がトーションバーによって基板に連結されているような構造とした場合には、平板及び基板に櫛歯電極を設けて、そこに電界を印加して静電力で平板を傾斜させるといういわゆるマイクロミラー構造とすることもできる。このような構造を模式的に示したものが第３図である。

第３図においては、平板状の可動部３０１がトーションバー３０２によって基板３００に連結されており、可動部３０１の両端とそれに対峙する基板３００には櫛歯電極３０３が形成されている。そして可動部３０１の中央部に磁気センサ３０４が設けられている。

さらに磁気センサ３０４からの信号を取り出すための配線３０５及び配線パッド３０６が設けられている様子を示している。

トーションバーの形状、長さは、保持する平板上可動部の大きさや、厚さによって適宜設計されるべきものであるが、本発明においては、一般的なマイクロミラー構造体が動作するような共振モードでの高速運動は求められないので、高速運動対応のための強度重視の考え方よりも、むしろ、アクチュエータによってもたらされる小さな駆動力で、安定に姿勢を制御できることを重視して設計すべきである。

また、第４図は断面を模式的に表した図であり１Ａ櫛は電極に電圧が印加されて、可動部４０１がトーションバー４０２を回転中心として回転している様子を示している。

このように櫛歯電極４０３に電圧を印加することで可動部４０１を傾斜させたり、揺動させたりすることができ、磁気センサ４０４を基板４００の基準面に対して制御された角度で傾斜させることができる。

このようなマイクロミラー構造であっても、前述の方持ち梁構造の可動部を設けたものと同様に、傾斜角度を検出する機構を設けることができ、同様の効果、すなわち、可動部がどのような角度に傾斜しているかを知ることができる。

その様子を示したものが第８図である。この図では配線及び配線パッド部は図示していない。

第８図においては、平板状の可動部８０１ａ、８０１ｂ、８０１ｃがトーションバー８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃによって基板８００ａ、８００ｂ、８００ｃに連結されており、可動部８０１ａ、８０１ｂ、８０１ｃの両端とそれに対峙する基板８００ａ、８００ｂ、８００ｃには櫛歯電極８０３ａ、８０３ｂ、８０３ｃが形成されている。

そして可動部８０１ａ、８０１ｂ、８０１ｃの中央部に磁気センサ８０４ａ、８０４ｂ、８０４ｃが設けられている。さらに可動部８０１ａ、８０１ｂ、８０１ｃの傾斜角度を検知する手段可動部８０７ａ、８０７ｂ、８０７ｃが設けられている様子を示している。

ここでも、傾斜角度を検出する機構としては、ピエゾ抵抗素子を設けてその抵抗変化を読み取るなどの方法をとることができる。

上述した磁気センシング装置の構成において、好適に実施を行う実施例について以下に説明する。
なお、以下に示す実施例は、一例であって、これに限定されることはなく、趣旨を逸脱しない範囲内において、また、当業者が容易に発想できる範囲内において、その実施を変形可能とする。

本実施例に係る磁気センシング装置について図５を用いて説明する。
図５は、本実施例に係る磁気センシング装置を示す図である。

基板として、Ｓｉ熱酸化膜（膜厚＝５００ｎｍ）付きの単結晶Ｓｉウエハを用いた。最初に、アクチュエータを形成する領域のみにアルミニウムを５μｍ形成した。

このような構造とすることで、アクチュエータが形成される領域がいわゆるバイメタル構造とすることができる。

つまり、アルミニウムの線熱膨張係数は基板であるＳｉウエハの熱膨張係数の１０倍程度であるのでアクチュエータとしてヒーターを用いた場合、アルミニウムを形成した側が熱膨張し、アルミニウムを形成した側と反対側に反るようにできる。

なお、ＴＭＲ素子を形成するための磁性体膜を成膜する領域は絶縁性を保つためにＳｉ熱酸化膜が露出したままとした。

この領域にマグネトロンスパッタリング法により、ＴＭＲ素子を形成するための磁性体膜を成膜した。

トンネリング層として、アルミニウムを成膜した後に、酸素プラズマに晒して酸化させたものを用いた。

すべての磁性体膜を成膜した後に所望の形状となるように、フォトマスクを用いてフォトリソグラフィーを行ない、その後にドライエッチング技術を用いて磁性体膜の微細加工を行ない、ＴＭＲ素子による磁気センサを形成した後に、アルミニウムを用いて、配線、及び配線パッドを形成した。

本実施例では、アクチュエータとして、タングステン薄膜で形成したヒーターを用いた。

また、タングステン薄膜はＳＵＳ製のステンシルマスクを用いてスパッタリング法で形成し、アルミニウムで配線を形成した。

以上の工程により、磁気センサ及び、アクチュエータを形成した後に、Ｓｉのドライエッチング技術を用いて、方持ち梁構造の可動部を形成した。

このとき、エッチングマスクとしてレジストフィルムを用いて、ドライエッチングの際に、すでに形成してある磁気センサ及びアクチュエータ周辺がエッチングによるダメージを受けないように保護した。

可動部を形成後、レジストフィルムを剥離して、磁気センシング装置を完成させた。 図５に示したように、本実施例では、３個の可動部それぞれに磁気センサ、アクチュエータが形成されるようにした。

予め、ヒーターに印加する電力量と可動部の傾斜角度を事前の実験で確認しておき、磁気センサ５０２ｂ及び５０２ｃを基板の基準面に対して６度傾斜するように制御した。

磁気センサ５０２ａが設けられた可動部５０１ａは、ヒーターを動作させず可動部の表面は基板の基準面と同一平面とした。

このときの磁気センサから出力される信号について、各磁気センサの角度情報を考慮して演算処理を行ない、３次元の磁気情報を正しく得ることができた。

本実施例に係る磁気センシング装置について図６を用いて説明する。
図６は、本実施例に係る磁気センシング装置において、可動部の構造がマイクロミラー構造である構成を示す図である。

基板としてＳｉ熱酸化膜（膜厚＝５００ｎｍ）付きの単結晶Ｓｉウエハを用いた。

本実施例では、マイクロミラー構造を有するマイクロメカニカル構造体を３組形成した。（図中の番号に付加したサフィックスが−ａ、−ｂ、−ｃの３組）ここでは、便宜上３組のマイクロミラー構造のユニットをａ、ｂ、ｃと表現する。

図６に示すように、本実施例では、マイクロミラー構造のユニットａと、マイクロミラー構造のユニットｂとはそれぞれ平行な位置関係となるように形成する。

これら２組のマイクロミラー構造のユニットは、マイクロミラー構造のユニットａに対して９０度の角度を持つように形成した。

図６を基に、本実施例に係る磁気センシング装置のさらに簡潔な構造、動作を説明する。

平板上の可動部６０１ａ、６０１ｂ、６０１ｃがそれぞれトーションバー６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃによって基板６００に連結されている。

そして、可動部６０１ａ、６０１ｂ、６０１ｃの両端部、及び、それに対峙する基板６００には櫛歯電極６０３ａ、６０３ｂ、６０３ｃが形成されている。

ここに波形を制御された電圧を印加することにより静電力駆動で、可動部６０１ａ、６０１ｂ、６０１ｃを傾斜させることができる。

第６図においては、櫛歯電極６０３ａ、６０３ｂ、６０３ｃに電圧を印加するための配線は図示していないがマイクロマシニングの技術で一般的に用いられる配線形成技術を用いて配線を形成した。

さらに可動部６０１ａ、６０１ｂ、６０１ｃそれぞれの中央部に磁気センサ６０４ａ、６０４ｂ、６０４ｃを形成した。

本実施例では、可動部の中心に磁気センサを設けたが、必ずしも可動部の中心に磁気センサを配置する必要はない。
磁気センサからの配線のしやすさや、慣性モーメントをできるだけ小さくするためなどの理由により変形実施できる。

続いて磁気センサ６０４ａ、６０４ｂ、６０４ｃからの信号を外部に取り出すための配線６０５ａ、６０５ｂ、６０５ｃ及び配線パッド６０６ａ、６０６ｂ、６０６ｃを形成した。

本実施例では、実施例１と同様に、印加する電圧と可動部の傾斜角度を事前の実験で確認しておき、そのデータをもとに所望の角度に可動部を傾斜させるように制御する。

本実施例では、磁気センサ６０２ａが設けられた可動部６０１ａは、ヒーターを動作させず可動部の表面は基板の基準面と同一平面とした。

それに対して、マイクロミラー構造のユニットｂと、マイクロミラー構造のユニットｃとは、それぞれ櫛歯電極６０３ｂ、６０３ｃに印加する電圧の極性を制御して、互いに反対の傾斜角度を持つように制御し、傾斜角度は７度となるように制御する。

本実施例のように、３組の磁気センサがすべて同一平面になく、且つ、傾斜している角度を把握することにより、それぞれの磁気センサから出力される信号について、各磁気センサの角度情報を考慮して演算処理を行ない、３次元の磁気情報を正しく得ることが可能である。

本発明に係る磁気センシング装置について実施を行う第３の実施例について図７を用いて説明をする。
本実施例は、実施例２で説明した可動部が方持ち梁構造である磁気センシング装置に加えて、傾斜角度検知手段を設けた実施例である。
図７は、本実施例に係る磁気センシング装置を模式的に示す図である。

図７に示すように、可動部７０１ａ、７０１ｂ、７０１ｃの長手方向に沿って傾斜角度検知部７０４ａ、７０４ｂ、７０４ｃが形成されている様子を示してある。

本実施例では、傾斜角度を検知する手段としてピエゾ抵抗素子を用いた。

ピエゾ抵抗素子は引っ張りや圧縮の応力が加わったときに素子の抵抗が増減するという特性を有するために、本発明のように、可動部を反らせるように力を加えた場合、その変位量に応じた抵抗値の変化を示すので傾斜角度の検知手段として利用することができる。

本実施例におけるピエゾ抵抗素子は、ボロンを注入したものを用いたが、このようなピエゾ抵抗素子の製造工程では、ボロンを注入したあとの熱拡散工程で、９００℃という高温プロセスを経ることになる。

しかしながら、本実施例で磁気センサとして用いたＴＭＲ素子は３５０℃以上の高温では特性を失ってしまうので、ＴＭＲ素子の形成する前にピエゾ抵抗素子を形成した。

この点が実施例１と異なる部分であり、それ以外の部分つまり、磁気センサ７０２ａ、７０２ｂ、７０２ｃ、アクチュエータ７０３ａ、７０３ｂ、７０３ｃの形成方法は実施例１に示した内容と同様の手法で形成した。

本実施例では、傾斜角度検知部７０４ａ、７０４ｂ、７０４ｃを有するために、予め傾斜角度検知部からの信号と、実際の可動部の傾斜角度の関係についてキャリブレーションしておけば、可動部７０１ａ、７０１ｂ、７０１ｃがどの程度の傾斜角度を有しているかが、リアルタイムで検知することができる。

傾斜角度検知部７０４ｂ、７０４ｃからの信号が８度の傾斜角度を示すようにアクチュエータ７０３ｂ、７０３ｃに印加する電力を制御した。

つまりこの状態では磁気センサ７０２ｂ及び７０２ｃを基板の基準面に対して８度傾斜した状態に制御されている。

一方、可動部７０１ａは傾斜させない状態とするために、アクチュエータ７０３ａには電力を印加しなかった。

このときの磁気センサから出力される信号について、各磁気センサの角度情報を考慮して演算処理を行ない、３次元の磁気情報を正しく得ることができた。

本発明に係る磁気センシング装置について実施を行う第４の実施例について図８を用いて説明をする。
本実施例では、実施例２で説明したような可動部がマイクロミラー構造である磁気センシング装置に加えて、傾斜角度検知手段を設けた例について説明する。
図８は、本実施例に係る磁気センシング装置を模式的に示す図である。

基板８００と可動部８０１ａ、８０１ｂ、８０１ｃを連結しているトーションバー８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃの軸方向に沿って傾斜角度検知部８０７ａ、８０７ｂ、８０７ｃが形成されている様子を示してある。

本実施例では、傾斜角度を検知する手段として、実施例３と同様にピエゾ抵抗素子を用いた。

ピエゾ抵抗素子の形成方法も実施例３に記述した内容と同一である。本実施例では、３組の可動部をすべて傾斜させた。

櫛歯電極８０３ａ、８０３ｂ、８０３ｃに対して、電圧印加用配線（図示せず）を用いて、電圧、及び波形の制御された電圧を印加し、可動部８０１ａ、８０１ｂ、８０１ｃが基板８００の基準面に対してすべて傾斜するように制御した。

本実施例では、実施例３と同様に予め傾斜角度検知部からの信号と、実際の可動部の傾斜角度の関係についてキャリブレーションしておくことにより、可動部７０１ａ、７０１ｂ、７０１ｃがどの程度の傾斜角度を有しているかを把握した。

マイクロミラー構造のユニットaの可動部８０１ａは６度の傾斜角度を持つように制御し、マイクロミラー構造のユニットbの可動部８０１ｂとマイクロミラー構造のユニットｃの可動部８０１ｃは、互いに対称となるように６度傾斜させた。

このような状態における磁気センサから出力される信号について、各磁気センサの角度情報を考慮して演算処理を行ない、３次元の磁気情報を正しく得ることができた。

本発明に係る磁気センシング装置は、磁気センサに限らず、傾斜センサやモーションセンサなどに応用可能である。

また、マイクロマシニング技術を利用しているために、多軸に対応した複数の磁気センサを高密度に集積することが可能であり、小型化、軽量化、高信頼性化が強く望まれている携帯端末にも適応できる磁気センシング装置を実現する。

本発明に係る磁気センシング装置の構成の一例を示す図である。 本発明に係る磁気センシング装置の機能を説明する模式的な図である。 本発明に係る磁気センシング装置におけるマイクロミラー構造を示す上面模式図である。 本発明に係る磁気センシング装置におけるマイクロミラー構造を示す断面模式図である。 第１の実施例に係る磁気センシング装置の構成を模式的に示す図である。 第２の実施例に係る磁気センシング装置の構成を模式的に示す図である。 第３の実施例に係る磁気センシング装置の構成を模式的に示す図である。 第４の実施例に係る磁気センシング装置の構成を模式的に示す図である。 従来技術に係る磁気センサを説明するために用いる第１の模式図である。 従来技術に係る磁気センサを説明するために用いる第２の模式図である。 従来技術に係る磁気センサを説明するために用いる第３の模式図である。

符号の説明

１ 磁気要素
２ 磁気センサ
１２ 固定部分
１０、４０１ 可動部
１０１、１０２、 可動部
５０１ａ、５０１ｂ、５０１ｃ 可動部
６０１ａ、６０１ｂ、６０１ｃ 可動部
７０１ａ、７０１ｂ、７０１ｃ 可動部
８０１ａ、８０１ｂ、８０１ｃ 可動部
１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００ 基板
１０２、２０２ 磁気センサ
１０３、２０３ アクチュエータ
５０３ａ、５０３ｂ、５０３ｃ アクチュエータ
６０３ａ、６０３ｂ、６０３ｃ アクチュエータ
７０３ａ、７０３ｂ、７０３ｃ アクチュエータ
８０３ａ、８０３ｂ、８０３ｃ アクチュエータ
１０４ 配線
１０５ 電極パッド

Claims (4)

1. 磁気の検出を行う磁気センシング装置であって、
   基板と、
   エネルギーを運動量に変換するアクチュエータと、
   前記アクチュエータが与える駆動力により、前記基板の基準面に対して所定の傾斜角度をなし、片持ち梁構造で前記基板に連結されている可動部と、
   前記傾斜角度を検知する傾斜角度検知手段と、を有し、
   前記可動部に磁気センサが設置されており、
   前記アクチュエータは、熱エネルギーを与えるヒーターであることを特徴とする磁気センシング装置。
2. 前記磁気センサは、磁気抵抗素子を利用したものであることを特徴とする請求項１に記載の磁気センシング装置。
3. 前記磁気抵抗素子は、ＴＭＲ素子を利用したものであることを特徴とする請求項２に記載の磁気センシング装置。
4. 前記可動部と、
   前記磁気センサとを有するユニットが少なくとも２つ具備され、
   各ユニットが傾斜した際には、各々が異なる平面状に存在するような位置関係に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の磁気センシング装置。

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