JP6506604B2

JP6506604B2 - 磁気センサ

Info

Publication number: JP6506604B2
Application number: JP2015087867A
Authority: JP
Inventors: 広明遠藤; 安藤　秀人; 秀人安藤; 澄人森田; 貴史野口
Original assignee: Alps Electric Co Ltd; Alps Alpine Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2015-04-22
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2019-04-24
Anticipated expiration: 2035-04-22
Also published as: US20160313409A1; US9939498B2; JP2016206006A

Description

本発明は、磁気センサに関する。

たとえば、特許文献１は、垂直磁界成分を簡単且つ適切に検知できる磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサを開示する。当該磁気センサは、基板上に磁性層と非磁性層とが積層されて成る磁気抵抗効果を発揮する磁気抵抗効果素子と、外部からの垂直磁界成分を水平方向への磁界成分に変換し、前記水平方向へ変換された磁界成分を前記磁気抵抗効果素子に与える前記磁気抵抗効果素子と非接触の軟磁性体と、を有する。当該磁気センサによれば、簡単な構成により、垂直磁界成分を検知することが可能な磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサを製造することができ、磁気センサを安価に製造でき、小型化も促進できる、とされている。

国際公開ＷＯ２０１１／０６８１４６号

特許文献１に記載の磁気センサでは、外部からの垂直磁界を、軟磁性体によって水平方向に変換し、これを磁気抵抗効果素子に与えて垂直磁界を検知する。ここで、変換された水平方向の磁界成分は、軟磁性体を平面視した場合の第１側方向とその反対の第２側方向の２成分に分かれる。よって、たとえばＧＭＲ（Giant Magneto Resistive effect）素子等、固定磁性層とフリー磁化層との磁化方向の違いを抵抗値の変化で検出する素子を用いれば、当該素子を、軟磁性体を平面視した場合の第１側方向または第２側方向の何れの側に置くかによって、同じ外部磁界入力に対し、抵抗値変化が逆方向に出力されるよう構成することが可能になる。つまり、第１側方向に配置した素子と第２側方向に配置した素子を組み合わせてブリッジ回路を極めて容易に構成することが可能になる。

ところで、軟磁性体の第１側方向または第２側方向の何れか一方にのみ素子を配置する場合には、他方の磁界は利用されず、素子面積が無駄であり、検出感度の観点からも好ましくない。よって、軟磁性体の第１側方向および第２側方向の両方に素子を配置するような利用が望ましい。

しかしながら、磁気抵抗効果素子の抵抗値を小さくしたい場合等では磁気抵抗効果素子を並列に接続する必要が生じ、このような場合、磁気抵抗効果素子と軟磁性体との配置条件を満足しつつ、磁気抵抗効果素子を適切に配線することが困難になる場合がある。

本発明の目的は、軟磁性体を用いて垂直磁界を検知するような、磁気抵抗効果素子と軟磁性体との相対配置関係に制約が存在するような場合であっても、磁気抵抗効果素子の配線レイアウトの自由度を高め、素子面積を小さくすること、ひいてはコスト削減が可能な技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、基板と、前記基板の表面に配置された複数の磁気抵抗効果素子と、前記基板の表面に配置された第１配線と、前記磁気抵抗効果素子および前記第１配線を覆う絶縁層と、前記絶縁層上に配置された軟磁性体と、前記絶縁層上に配置された第２配線と、を有し、前記基板を平面視した場合に互いに直交する二方向を第１方向および第２方向としたとき、前記複数の磁気抵抗効果素子のそれぞれが、前記第１方向に伸長し、前記第２方向に離間して配置され、前記軟磁性体が、前記第１方向に伸長する第１方向伸長部を有し、平面視した場合に、前記第１方向伸長部が、前記第２方向に離間して配置されている前記磁気抵抗効果素子の間に配置され、前記第２配線が、前記絶縁層に形成されたスルーホールを介して前記第１配線に接続されており、前記第１配線が、前記複数の磁気抵抗効果素子のそれぞれの前記第１方向における端部に接続され、前記第２配線が、前記軟磁性体が配置された軟磁性体配置領域の周辺に配置されている磁気センサを提供する。

本発明においては、基板と、前記基板の表面に配置された複数の磁気抵抗効果素子と、前記基板の表面に配置された第１配線と、前記磁気抵抗効果素子および前記第１配線を覆う絶縁層と、前記絶縁層上に配置された軟磁性体と、前記絶縁層上に配置された第２配線と、を有し、前記基板を平面視した場合に互いに直交する二方向を第１方向および第２方向としたとき、前記複数の磁気抵抗効果素子のそれぞれが、前記第１方向に伸長し、前記第２方向に離間して配置され、前記軟磁性体が、前記第１方向に伸長する第１方向伸長部を有し、平面視した場合に、前記第１方向伸長部が、前記第２方向に離間して配置されている前記磁気抵抗効果素子の間に配置され、前記第２配線が、前記絶縁層に形成されたスルーホールを介して前記第１配線に接続されており、前記第１配線が、平面視した場合に櫛形パターンを呈する櫛形配線と、平面視した場合にラインパターンを呈する直線配線と、を有し、前記直線配線が、前記櫛形配線の櫛歯の間に配置され、前記第２配線が、前記櫛形配線の前記櫛歯を跨いで、複数の前記直線配線を接続されている磁気センサを提供する。この場合、前記櫛形配線と、前記直線配線および前記第２配線とによって、複数の前記磁気抵抗効果素子を並列に接続されてもよい。また、前記櫛形配線と、複数の前記磁気抵抗効果素子と、前記直線配線および前記第２配線とを接続することでブリッジ回路を構成することができる。
平面視した場合の前記第１方向伸長部の前記第２方向における両端部の近傍に前記磁気抵抗効果素子が配置されていてもよい。

前記軟磁性体が、前記第２方向に伸長する第２方向伸長部を有し、前記第１方向伸長部の前記第１方向における両端部が、前記第２方向伸長部で短絡され、前記第１方向伸長部および前記第２方向伸長部によって閉磁界路が構成されてもよい。前記軟磁性体が、外部からの垂直磁界成分を水平方向への磁界成分に変換し、前記水平方向へ変換された磁界成分を前記磁気抵抗効果素子に与えるものであってもよい。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

磁気センサ１００の平面図である。磁気センサ１００の一部断面図である。磁気センサ１００の一部を拡大して示した平面図である。図３におけるＡ−Ａ線断面図を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、磁気センサ１００の平面図を示す。図２は、磁気センサ１００の一部断面図である。図２において、図１の特定の場所における正確な断面を示している訳ではない。説明の都合上、一部概念化して示している。なお、図１中、基板１０２を平面視したときの互いに直交する第１方向および第２方向を、それぞれｘ方向およびｙ方向とし、ｘ方向とｙ方向のどちらにも直交する方向をｚ方向とする。

磁気センサ１００は、基板１０２と、複数の磁気抵抗効果素子１０４と、第１配線１０６と、絶縁層１０８と、軟磁性体１１０と、第２配線１１２と、を有する。

基板１０２は、非磁性材料で構成される。基板１０２は非磁性材料である限り、特に材料等は問われない。基板１０２として、セラミック基板や半導体基板などが例示できる。複数の磁気抵抗効果素子１０４は、基板１０２の表面に形成され、第１配線１０６は、基板１０２の表面に形成されている。絶縁層１０８は、磁気抵抗効果素子１０４および第１配線１０６を覆い、軟磁性体１１０は、絶縁層１０８上に配置される。第２配線１１２は、絶縁層１０８上に形成される。第１配線１０６は、平面視した場合に櫛形パターンを呈する櫛形配線１０６ａと、平面視した場合にラインパターンを呈する直線配線１０６ｂと、を有する。軟磁性体１１０は、第１方向（ｘ方向）に伸長する第１方向伸長部１１０ａと、第２方向（ｙ方向）に伸長する第２方向伸長部１１０ｂとを有する。

磁気抵抗効果素子１０４として、たとえばＧＭＲ（Giant Magneto Resistive effect）素子やＴＭＲ（Tunnel Magneto Resistance Effect）素子等、磁界に応じて抵抗値が変化する素子が例示できる。たとえば磁気抵抗効果素子１０４がＧＭＲ素子である場合、磁気抵抗効果素子１０４は、たとえば、下から反強磁性層、固定磁性層、非磁性層およびフリー磁性層の順に積層されて成膜され、フリー磁性層の表面が保護層で覆われる。磁気抵抗効果素子１０４は例えばスパッタにて成膜される。

反強磁性層は、ＩｒＭｎ合金（イリジウム−マンガン合金）などの反強磁性材料で形成されている。固定磁性層はＣｏＦｅ合金（コバルト−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。固定磁性層は積層フェリ構造で形成されることが好ましい。非磁性層はＣｕ（銅）などである。フリー磁性層は、ＮｉＦｅ合金（ニッケル−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。保護層はＴａ（タンタル）などである。磁気抵抗効果素子の積層構成は他の積層構成であってもよい。

複数の磁気抵抗効果素子１０４は、第１方向（ｘ方向）に伸長し、第２方向（ｙ方向）に離間して並設される。軟磁性体１１０の複数の第１方向伸長部１１０ａは、複数の磁気抵抗効果素子１０４の第２方向（ｙ方向）の間にそれぞれ配置される。また、磁気抵抗効果素子１０４は、それぞれの第１方向伸長部１１０ａの第２方向における両端部の近傍に形成される。図３および図４はこれを詳細に示した図であり、複数ある第１方向伸長部１１０ａのうちの一つを拡大した図である。軟磁性体１１０は、平面視した場合の上下方向（ｚ方向）の磁界を第２方向（ｙ方向）に変換する。磁気抵抗効果素子１０４が軟磁性体１１０（第１方向伸長部１１０ａ）の第２方向における両端部の近傍に形成されることで、上下方向の磁界をロスなく有効にとらえることができる。このとき、ある第１方向伸長部１１０ａの両端部近傍に配置された２つの磁気抵抗効果素子１０４は、上下方向（Ｚ方向）の磁界に対して互いに抵抗値変化が逆方向に出力される。

第１配線１０６は、磁気抵抗効果素子１０４の第１方向（ｘ方向）における端部に接続される。ここで、複数の磁気抵抗効果素子１０４は、上下方向（Ｚ方向）の磁界に対して互いに抵抗値変化が逆方向に出力されるものが、Ｙ方向において交互に配置されている。抵抗値変化が同じ方向の磁気抵抗効果素子１０４どうしを電気的に並列接続することで得られる出力を大きくすることができ、さらに一方の抵抗値変化が同じ方向の磁気抵抗効果素子１０４どうしを電気的に並列接続したものと他方の抵抗値変化が同じ方向の磁気抵抗効果素子１０４どうしを電気的に並列接続したものとでブリッジ回路を構成することで外乱磁界の影響を低減し、検出感度を高めることができる。ところが、上下方向（Ｚ方向）の磁界に対して互いに抵抗値変化が逆方向に出力される磁気抵抗効果素子１０４がＹ方向において交互に配置されていることから、抵抗値変化の方向が同じ磁気抵抗効果素子１０４を電気的に接続するには配線が複雑になるとともに、基板１０２の表面における配線の引き回しが長くなり配線領域が広くなってしまうことから磁気センサ全体の大きさを小さくすることが難しいという課題がある。

上記のような課題に対し、本実施形態の磁気センサ１００では、第１配線１０６は、磁気抵抗効果素子１０４が形成された領域には存在せず、磁気抵抗効果素子１０４が形成された領域の周辺にのみ形成されている。このため、磁気抵抗効果素子１０４の密度を高め、磁気センサ全体の大きさを小さくすることができる。この結果、生産性を向上し、コストを下げることができる。

また、第２配線１１２は、軟磁性体１１０が配置された軟磁性体配置領域の周辺に形成されており、第２配線１１２は、絶縁層１０８に形成されたスルーホール１１４を介して第１配線１０６に接続されている。第２配線１１２は、第１配線１０６とは異なる層に形成されるので、絶縁性を保ちながら第１配線１０６を跨いで形成することができ、この結果、基板１０２の表面における配線の引き回しが短くなり、配線領域を狭くすることができ、磁気センサ全体の大きさを小さくすることができる。さらに配線設計の自由度も増すことができる。

第１配線１０６の直線配線１０６ｂは、櫛形配線１０６ａの櫛歯の間に形成され、第２配線１１２は、櫛形配線１０６ａの櫛歯を跨いで、複数の直線配線１０６ｂを接続する。櫛形配線１０６ａを用いることで、容易に磁気抵抗効果素子１０４を並列に接続することができる。また、直線配線１０６ｂを、櫛形配線１０６ａの櫛歯の間に形成し、複数の直線配線１０６ｂを第２配線１１２で接続することで、軟磁性体１１０と磁気抵抗効果素子１０４の配置上の制約を満たしつつ、磁気抵抗効果素子１０４の並列接続を実現することができる。また、櫛形配線１０６ａと、複数の磁気抵抗効果素子１０４と、直線配線１０６ｂおよび第２配線１１２とを接続することでブリッジ回路を構成することができる。

軟磁性体１１０の第１方向伸長部１１０ａの第１方向における両端部は、第２方向伸長部１１０ｂで短絡され、第１方向伸長部１１０ａおよび第２方向伸長部１１０ｂによって閉磁界路が構成される。軟磁性体１１０の第２方向伸長部１１０ｂを設けることで、横方向（ｘ方向またはｙ方向）からの外部磁界の影響を軽減することができる。

本実施形態の磁気センサ１００によれば、磁気抵抗効果素子１０４と軟磁性体１１０との相対配置関係に制約があるような場合でも、磁気抵抗効果素子１０４の配線レイアウトの自由度を高め、素子面積を小さくすることができる。その結果、コスト削減を実現できる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１００…磁気センサ、１０２…基板、１０４…磁気抵抗効果素子、１０６…第１配線、１０６ａ…櫛形配線、１０６ｂ…直線配線、１０８…絶縁層、１１０…軟磁性体、１１０ａ…第１方向伸長部、１１０ｂ…第２方向伸長部、１１２…第２配線、
１１４…スルーホール

Claims

基板と、
前記基板の表面に配置された複数の磁気抵抗効果素子と、
前記基板の表面に配置された第１配線と、
前記磁気抵抗効果素子および前記第１配線を覆う絶縁層と、
前記絶縁層上に配置された軟磁性体と、
前記絶縁層上に配置された第２配線と、を有し、
前記基板を平面視した場合に互いに直交する二方向を第１方向および第２方向としたとき、
前記複数の磁気抵抗効果素子のそれぞれが、前記第１方向に伸長し、前記第２方向に離間して配置され、
前記軟磁性体が、前記第１方向に伸長する第１方向伸長部を有し、平面視した場合に、前記第１方向伸長部が、前記第２方向に離間して配置されている前記磁気抵抗効果素子の間に配置され、
前記第２配線が、前記絶縁層に形成されたスルーホールを介して前記第１配線に接続されており、
前記第１配線が、前記複数の磁気抵抗効果素子のそれぞれの前記第１方向における端部に接続され、
前記第２配線が、前記軟磁性体が配置された軟磁性体配置領域の周辺に配置されている
磁気センサ。
基板と、
前記基板の表面に配置された複数の磁気抵抗効果素子と、
前記基板の表面に配置された第１配線と、
前記磁気抵抗効果素子および前記第１配線を覆う絶縁層と、
前記絶縁層上に配置された軟磁性体と、
前記絶縁層上に配置された第２配線と、を有し、
前記基板を平面視した場合に互いに直交する二方向を第１方向および第２方向としたとき、
前記複数の磁気抵抗効果素子のそれぞれが、前記第１方向に伸長し、前記第２方向に離間して配置され、
前記軟磁性体が、前記第１方向に伸長する第１方向伸長部を有し、平面視した場合に、前記第１方向伸長部が、前記第２方向に離間して配置されている前記磁気抵抗効果素子の間に配置され、
前記第２配線が、前記絶縁層に形成されたスルーホールを介して前記第１配線に接続されており、
前記第１配線が、平面視した場合に櫛形パターンを呈する櫛形配線と、平面視した場合にラインパターンを呈する直線配線と、を有し、
前記直線配線が、前記櫛形配線の櫛歯の間に配置され、
前記第２配線が、前記櫛形配線の前記櫛歯を跨いで、複数の前記直線配線を接続する
磁気センサ。
前記櫛形配線と、前記直線配線および前記第２配線とによって、複数の前記磁気抵抗効
果素子を並列に接続する
請求項２に記載の磁気センサ。
前記櫛形配線と、複数の前記磁気抵抗効果素子と、前記直線配線および前記第２配線と
を接続することでブリッジ回路を構成する
請求項２または請求項３に記載の磁気センサ。
平面視した場合の前記第１方向伸長部の前記第２方向における両端部の近傍に前記磁気抵抗効果素子が配置されている
請求項１から請求項４の何れか一項に記載の磁気センサ。
前記軟磁性体が、前記第２方向に伸長する第２方向伸長部を有し、
前記第１方向伸長部の前記第１方向における両端部が、前記第２方向伸長部で短絡され、
前記第１方向伸長部および前記第２方向伸長部によって閉磁界路が構成される
請求項１から請求項５の何れか一項に記載の磁気センサ。
前記軟磁性体が、外部からの垂直磁界成分を水平方向への磁界成分に変換し、前記水平
方向へ変換された磁界成分を前記磁気抵抗効果素子に与える
請求項１から請求項６の何れか一項に記載の磁気センサ。