JP7262886B2 - 超小型高感度磁気センサ - Google Patents

Description

本発明は、ＧＳＲ素子と特定用途向け集積回路（以下、ＡＳＩＣという。）との一体形成によりＧＳＲセンサのサイズや厚みを超小型化する技術に関するものである。
ここで、ＧＳＲセンサとは超高速スピン回転効果（英語表記；ＧＨｚ Ｓｐｉｎ Ｒｏｔａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ）を基礎にした高感度マイクロ磁気センサである。

高感度マイクロ磁気センサには、横型ＦＧセンサ、縦型ＦＧセンサ、ホールセンサ、ＧＭＲセンサ、ＴＭＲセンサ、ＭＩセンサ、ＧＳＲセンサ、高周波キャリアセンサなどがある。現在、これらのセンサは、スマートフォン、自動車、医療、ロボットなどに広く採用されている。その中でもＧＳＲセンサ（特許文献１）は、感度面とサイズ面において優れており、最も注目されている。

現在、カテーテルなどのような生体内モーションデバイスに磁気センサを搭載して位置や方位を求めて、その測定値を活用したリモートコントロール治療を実現するための研究（特許文献２、３）が進んでいる。
生体内モーションデバイスに搭載するためには、センササイズは小さいほど好ましいが、それに反比例して検出感度が低下するので、必要な検出感度を保ちながら小型化するのは難しい。例えばカテーテルに搭載する場合には、サイズ面では幅０．１ｍｍ、長さ０．３ｍｍ、厚み０．０５ｍｍ程度の超小型サイズで、磁界検出力の面では０．１ｍＧから１ｍＧ程度の優れた超高感度性能を兼ね合わせ持つ磁気センサの開発が期待されている。

特許第５８３９７５号 特開２０１５－１３４１６６号公報 特開２０１７－１２８４０号公報 特開２０１４－１５３３０９号公報 再表２０１４－０４２０５５号公報

ＧＳＲセンサを小型化するために、ＧＳＲ素子の小型化、ＡＳＩＣの小型化および両部品の接合方法（特許文献４）など多面的に取り組まれている。しかし、いずれの取り組みも素子とＡＳＩＣを別々に分けて２部品として製造してから、両者を接合しているために小型化、特に厚みの縮小という点で限界があった（特許文献４および５）。

本発明者は、ＡＳＩＣとＧＳＲ素子との接合について鋭意検討した結果、ＡＳＩＣ本体の絶縁保護被膜上に、ＧＳＲ素子の基板となる皮膜を形成し、その基板皮膜上に磁性ワイヤを配列する溝を取り付け、磁性ワイヤとその磁性ワイヤを周回する検出コイルからなるＧＳＲ素子を一体形成することにより薄型化できることに想到した。

ＧＳＲ素子の基板皮膜としては、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３などの酸化物およびＳｉＮなどの窒化物が可能であることを見出した。
すなわち、これらの基板皮膜を用いた場合には、ＧＳＲ素子をＡＳＩＣ表面上に直接形成する場合に、ＧＳＲ素子の製造プロセスに含まれているマイクロ溝の加工、ＣＦ４ガスプラズマ処理、レジスト加熱キュア処理、酸やアルカリを使う現像処理などの工程があり、ＡＳＩＣ表面の絶縁保護被膜の損傷とその損傷によるＧＳＲ素子基板の下のＡＳＩＣ回路の機能性の低下などは認められなかった。

さらに、絶縁保護被膜を厚く形成して絶縁保護被膜上に素子を形成する、単層構造とすることも可能であることを見出した。

そして、ＡＳＩＣとＧＳＲ素子の接合に基板皮膜及び絶縁保護被膜を貫通するスルーホール式接合を採用することにより、電極のサイズを小さくすることでＧＳＲ素子全体の面積を小さくできることを想到した。

本発明によれば、ＧＳＲセンサの薄型化、超小型化が可能になる。

図１は、実施形態および実施例におけるＧＳＲセンサおよびＧＳＲ素子の平面図である。 図２は、図１のＡ１－Ａ２線における断面図である。 図３は、図１のＢ１－Ｂ２線における断面図である。 図４は、実施形態および実施例における電子回路の図である。 図５は、素子にパルス電流を通電した時の通電時間の経過とパルス電流の印可との関係図である。

本発明の実施形態について、次の通りである。
本発明の超小型高感度磁気センサは、ＡＳＩＣとＡＳＩＣの配線平面上に形成された絶縁保護被膜と保護被膜上に形成された基板皮膜および基板皮膜上に形成される磁界検出素子とからなり、 磁界検出素子は、基板皮膜の上に磁性ワイヤと磁性ワイヤを周回する検出コイルと電極からなっている。
磁性ワイヤは、導電性と２０Ｇ（２０×１０ ^―４ テスラ（Ｔ））以下の異方性磁界を有し、かつ円周方向スピン配列を持つ表面磁区と軸方向にスピン配列を持つ中央部コア磁区の２相の磁区構造を有している。検出コイルは、コイルピッチ１０μｍ以下である。
電極は、基板皮膜及び絶縁保護被膜を貫いてＡＳＩＣの素子連結用電極とスルーホール方式で直接接合する。

本発明によれば、ＡＳＩＣ表面の絶縁保護被膜上に磁界検出素子の基板としての機能を果たすことができる厚みの皮膜を形成し、その皮膜を基板として用いる。基板皮膜に溝を取り付け、溝に磁性ワイヤを整列させて磁界検出素子を作製する。すなわち、ＡＳＩＣと一体形成した磁界検出素子からなるセンサは薄型化が可能となり、超小型を実現できる。

また、本発明の超小型高感度磁気センサのＡＳＩＣは、磁界検出素子の磁性ワイヤに０．２ＧＨｚ～４．０ＧＨｚの換算周波数のパルス電流を流す手段と、磁性ワイヤにパルス電流を流した時に生じるコイル電圧を検知する手段と、コイル電圧を外部磁界Ｈに比例する電気信号に変換する手段を有する。なお、０．２～４．０ＧＨｚのパルス電流を流すことにより高感度化が実現される。

また、本発明の超小型高感度磁気センサの基板皮膜の厚みは、１μｍ～２０μｍからなる。
本発明によれば、基板皮膜は磁性ワイヤを収める溝を付けられるだけの厚みを必要とする。想定される磁性ワイヤの直径は１μｍ～１０μｍである。また、基板皮膜が厚すぎると絶縁保護被膜との密着性に問題が生ずる。従って、基板皮膜の厚みは１μｍ～２０μｍが望ましい。また絶縁保護被膜に基板としての機能を有するのに十分な厚さを確保すれば、絶縁保護被膜が基板皮膜を兼ねる単層構造も可能である。

さらに、本発明の超小型高感度磁気センサは、磁界検出素子は基板皮膜上面から深さ１μｍ～１０μｍの溝を配置し、検出コイルの一部又は全部が埋設されている。
本発明によれば、磁界検出素子の小型化を図ることができる。

以下に、ＧＳＲセンサとＧＳＲセンサ素子（以下、素子という。）の平面図を図１に示し、その平面図のＡ１－Ａ２線の断面図を図２に、Ｂ１－Ｂ２線の断面図を図３に示して、本発明の実施形態について詳細に説明する。
本説明では、磁性ワイヤは２本からなり、絶縁保護被膜と基板皮膜の２層からなる形態について説明する。
本発明の超小型高感度磁気センサ（以下、センサという。）は、ＧＳＲセンサ素子１（以下、素子という。）とＡＳＩＣ４およびＡＳＩＣ４からの外部配線用電極（４５および４６）からなる。

＜センサ＞
センサを構成する素子１は、ＡＳＩＣ４の絶縁保護被膜１０ａの上に形成される基板皮膜１０ｂの上に２本の磁性ワイヤ２（２１および２２）とその磁性ワイヤを周回する１個のコイル３およびワイヤ通電用の２個の電極（２４および２５）とコイル電圧検出用の２個の電極（３４および３５）ならびに磁性ワイヤとワイヤ通電用電極との接続部（２６および２７）、コイルとコイル検出電極との接続部および素子側のコイル電極とＡＳＩＣ側のコイル電極とのスルーホール方式の接合部、素子側のワイヤ電極とＡＳＩＣ側のワイヤ電極とのスルーホール方式の接合部（４３および４４）からなる。
また、素子２には磁性ワイヤ２本に逆向きのパルス電流を流す手段としてワイヤ連結部２３からなる。
そして、ＡＳＩＣ４は、素子１との間は２個のコイル電極および２個のワイヤ電極がそれぞれスルーホール方式の電極接合部により接続されて、素子にパルス電流を流したときに検出コイルに生じるコイル電圧を検知し、コイル電圧を外部磁界に変換する電子回路からなる。また、ＡＳＩＣには外部配線用電極（４５および４６）が配置されている。

ここで、ＧＳＲセンサにおける検知したコイル電圧から外部磁界を求める方法について説明する。
外部磁界Ｈとコイル電圧Ｖｓは、次式（１）のような数学的関係で表され、本関係式を使って外部磁界Ｈに変換するものである。
Ｖｓ＝Ｖ０・２Ｌ・πＤ・ｐ・Ｎｃ・ｆ・ｓｉｎ（πＨ／２Ｈｍ） （１）
ここで、Ｖｓはコイル出力電圧、Ｖ０は比例定数、Ｌはワイヤの長さ、Ｄはワイヤの直径、ｐはパルス電流の表皮深さ、Ｎｃはコイルの巻き数、ｆはパルス周波数、Ｈｍはコイル出力電圧が最大値を取る時の外部磁界強度である。

＜素子の構造＞
素子１の構造は、図１～図３に示すとおりである。
素子１のサイズは、基板１０のサイズである幅０．０７ｍｍ～０．４ｍｍ、長さ０．２５ｍｍ～１ｍｍである。厚みは１０μｍ～１５μｍである。よって、ＡＳＩＣ４の厚みが３０μｍ～１００μｍであることからセンサの厚みは４０μｍ～１１５μｍとなる。
素子１の中央部には、磁性ワイヤ２本（２１および２２）が平行に整列配置できるように幅２０μｍ～６０μｍ、深さ１μｍ～１０μｍの溝１１が基板皮膜１０ｂに形成されている。２本の磁性ワイヤ（２１および２２）は近接しており、２本の磁性ワイヤの間隔は１μｍ～１０μｍである。そして、磁性ワイヤ２１と磁性ワイヤ２２とは絶縁材料で隔離されおり、例えば絶縁性分離壁１２による隔離が好ましい。

＜磁性ワイヤ＞
磁性ワイヤ２は、ＣｏＦｅＳｉＢ合金の直径１μｍ～１０μｍである。磁性ワイヤ２の周囲は絶縁性材料、例えば絶縁性ガラス材料で被覆されていることが好ましい。長さは０．０７ｍｍ～１ｍｍである。
磁性ワイヤ２の異方性磁界は２０Ｇ（２０×１０ ^―４ Ｔ）以下で、円周方向スピン配列を持つ表面磁区と軸方向にスピン配列を持つ中央部コア磁区の２相の磁区構造を有する。

＜コイル＞
コイル３は、コイル巻き数は６回～１８０回、コイルピッチは０．２μｍ～１０μｍである。コイル３と磁性ワイヤ２との間隔は０．２μｍ～３μｍである。コイル平均内径は２μｍ～３５μｍである。

＜素子の製造方法＞
ＡＳＩＣの表面の絶縁保護被膜１０ａ上に基板皮膜１０ｂを形成し、その基板皮膜１０ｂに深さ１μｍ～１０μｍの溝を取り付け、溝面に沿ってコイルの一部～全部を埋設するように素子を形成することによってＡＳＩＣ表面から素子部１の厚みを２０μｍ以下にすることができる。さらにＡＳＩＣの厚みを３０μｍ程度とすることによりセンサ全体の厚みを５０μｍ程度とすることができる。

ＡＳＩＣ上面の絶縁保護被膜１０ａの上に基板皮膜１０ｂを形成して素子１を形成できる。絶縁保護被膜と基板皮膜の２層の膜を形成するが、絶縁保護被膜に基板としての機能を有するのに十分な厚さを確保すれば１層の膜でも可能である。２層の膜の例として、ＳｉＯ２（二酸化珪素）膜を０．５μｍ～２μｍの厚みでＡＳＩＣ表面上に真空蒸着法などにより形成し、その膜の上面にさらにＳｉＮ（窒化珪素）膜を１μｍ～１０μｍの厚みで形成する。ＳｉＮ膜に深さ１μｍ～１０μｍの溝を取り付け、溝面に沿ってコイルの一部あるいは全部を埋設するように素子を形成する。

基板皮膜１０ｂに形成されている溝１１に沿って下コイル３１と基板皮膜面上に電極配線を行う。その後、溝１１の中央部に絶縁性分離壁１２を形成して２つの溝形状とし、そこに２本のガラス被覆した磁性ワイヤ（２１および２２）をそれぞれ整列配置する。
次いで、基板皮膜全面に絶縁性レジストを塗布する。こうして磁性ワイヤ（２１および２２）は溝１１内に固定される。この塗布の際に磁性ワイヤ（２１および２２）の上部は薄く塗布する。そこに上コイル３２をフォトリソ技術で形成する。

ここで、基板皮膜および絶縁保護被膜の特性として、素子１の製造プロセスにおけるマイクロ溝加工、ＣＦ４ガスプラズマ処理、レジスト加熱キュア処理、酸やアルカリを使う現像処理などの工程における耐性とＡＳＩＣ回路の機能性低下の防止が求められる。従って、ここで求められる特性を満たせば、基板皮膜の材質は酸化物及び窒化物に限るものではない。
なお、ガラス被覆していない磁性ワイヤ２を用いる場合には、下コイル３１と磁性ワイヤ（２１および２２）とが電気的な接触が生じないように予め絶縁性材料を塗布する。

コイルの作製は、基板皮膜１０ｂに形成された溝１１の溝面および溝１１の両側に沿って凹形状の下コイル３１が形成される。凸形状の上コイル３２はジョイント部３３を介して下コイル３１と電気的接合がされ、らせん状のコイル３となる。

２本の磁性ワイヤ（２１および２２）の端部については、絶縁性被膜材のガラスを除去して金属蒸着による電気的接続をできるようにする。

＜磁性ワイヤとコイルの配線構造＞
磁性ワイヤ２とコイル３の配線構造について、図１を用いて説明する。
磁性ワイヤ２の配線構造は、ワイヤ入力電極（＋）２４は上部の磁性ワイヤ２１と接続され、ワイヤ連結部２３を介して下部の磁性ワイヤ２２に接続されている。下部の磁性ワイヤ２２はワイヤ出力電極（－）２５に接続されている。
このワイヤ連結部により、磁性ワイヤ２１では右部から左部への左向きのパルス電流が流れ、磁性ワイヤ２２では左部から右部への右向き（磁性ワイヤ２１とは逆向きになる。）のパルス電流を流すことができる。

コイル３の配線構造は、コイル出力電極（＋）３４はコイル３の上端部と接続され、コイルグランド電極（－）はコイル３の下端部と接続されている。

素子側の電極とＡＳＩＣ側の電極とは、図３の例に示すように絶縁保護被膜１０ａおよび基板皮膜１０ｂを貫通するスルーホール方式の接合部（４３および４４）を介して電気的に接続される。
図３は、素子側の磁性ワイヤ入力電極（＋）２４は絶縁保護被膜１０ａおよび基板皮膜１０ｂを貫通するスルーホール方式の電極接合部（＋）４３を介してＡＳＩＣ側のワイヤ電極（＋）４１と接続され、素子側の磁性ワイヤ出力電極（－）２５は絶縁性保護被膜１０ａおよび基板皮膜１０ｂを貫通するスルーホール方式の電極接合部（－）４４を介してＡＳＩＣ側のワイヤ電極（－）４２に接続されていること示している。
同様に、素子側のコイル電極とＡＳＩＣ側のコイル電極とは絶縁保護被膜１０ａおよび基板皮膜１０ｂを貫通する電極接合部を介して接続されている。

＜電子回路＞
電子回路５は、特許文献１に記載のパルス対応型バッファー回路を参照し、図４に示す。
電子回路５は、コイル電圧を出力する素子５２が接続されており、その素子５２にパルス電流を発信するパルス発振回路５１、コイル電圧を入力する入力回路５３、パルス対応型バッファー回路５４、コイルの立ち上がりパルス出力波形のピーク電圧を検波する電子スイッチ５６とピーク電圧を保持する容量４ｐＦ～１００ｐＦのコンデンサ５７からなるサンプルホールド回路５５、および増幅器５８のプログラミングアンプにて増幅してＡＤ変換を行なう。２本のワイヤにて信号を外部の信号処理装置に転送する。

ＡＤ変換は１４ビット～１６ビットである。電子スイッチのｏｎ－ｏｆｆを細かくするためにはコンデンサ容量は４ｐＦ～８ｐＦが好ましい。

パルス電流の換算周波数は０．２ＧＨｚ～４ＧＨｚにて、パルス電流の強度は５０ｍＡ～２００ｍＡ、パルス通電時間は２ｎｓｅｃ以下である。図５には、素子にパルス電流を通電した時の通電時間の経過とパルス電流の印可との関係を表している。この図５の例では、０．５ｎｓｅｃで立ち上がり、その印可状態で所定のパルス時間０．５ｎｓｅｃを保持し、０．５ｎｓｅｃで立ち下がる。

コイル出力は正弦波出力にて測定レンジ３Ｇ～１００Ｇ（３×１０ ^―４ ～１００×１０ ^―４ Ｔ）で、その感度は５０ｍV／Ｇ～３Ｖ／Ｇ（５０×１０ ^４ ｍＶ／Ｔ～３×１０ ^４ Ｖ／Ｔ）である。そのコイル出力の直線性は０．３％以下である。

実施例に係るＧＳＲセンサとＧＳＲセンサ素子の平面図を図１に示し、その平面図のＡ１－Ａ２線の断面図を図２に、Ｂ１－Ｂ２線の断面図を図３に示して、本発明の実施例について説明する。
ここで、ＧＳＲセンサの構成および素子の構成、電子回路は上述の実施形態による。

素子１のサイズは、幅０．１０ｍｍ、長さ０．４０ｍｍからなる。厚みはＡＳＩＣ４の厚み４０が５０μｍ、絶縁保護被膜１０ａおよび基板皮膜１０ｂの厚み１４が８μｍで、素子の凸部の厚みが２μｍ、これらを合計したセンサの厚みは６０μｍである。
素子１の中央部は、磁性ワイヤ２本（２１および２２）が平行に整列配置できるように幅２０μｍ、深さ３μｍの溝１１が基板皮膜１０ｂに形成されている。２本の磁性ワイヤ（２１および２２）は近接しており磁性ワイヤの間隔は３μｍであり、磁性ワイヤ（２１および２２）同士は厚さ３μｍの絶縁性分離壁１２で隔離されている。

磁性ワイヤ２は、ＣｏＦｅＳｉＢアモルファス合金の直径５μｍである。磁性ワイヤ２の周囲は絶縁性ガラスで被覆されている。長さは０．４０ｍｍである。
磁性ワイヤ２の異方性磁界は１５Ｇで、円周方向スピン配列を持つ表面磁区と軸方向にスピン配列を持つ中央部コア磁区の２相の磁区構造を有している。

コイル３は、コイル巻き数は１００回、コイルピッチは３μｍである。コイル３と磁性ワイヤ２との間隔は２μｍで、コイル平均内径は８μｍである

ＡＳＩＣ上面の絶縁保護被膜１０ａに厚み７μｍの基板皮膜１０ｂを形成し、そこに深さ３μｍの溝を取り付け、素子１を作製する。

電子回路５のコンデンサ５７の静電容量は６ｐＦである。パルス電流の換算周波数は０．４ＧＨｚにて、パルス電流の強度は５０ｍＡ、パルス時間は１ｎｓｅｃである。立ち上がりパルスのピーク電圧のタイミングを検波する。電子スイッチはｏｎ－ｏｆｆからなりその開閉時間は０．１ｎｓｅｃで繰り返す。電子回路５のＡＤ変換は１６ビットである。

コイル出力は、測定レンジ３Ｇで、その感度は１０００ｍＶ／Ｇである。直線性は０．３％以下である。

本発明は、素子とＡＳＩＣとを一体化してＧＳＲセンサの超小型化を実現するもので、生体内のモーションデバイスのように超小型で高性能を要求される用途での使用が期待される。

本発明は、自動車用あるいはウェアラブルコンピュータ用などの小型・超高感度ＧＳＲセンサに応用可能である。

１：ＧＳＲセンサ素子
１０ａ：絶縁保護被膜ａ、１０ｂ：基板皮膜ｂ、１１：溝、１２：絶縁性分離壁、１３：絶縁性レジスト、１４：素子の厚み
２：磁性ワイヤ
２１：対をなす磁性ワイヤの一つ、２２：対をなす磁性ワイヤの他の一つ、２３：ワイヤ連結部、２４：ワイヤ入力電極（＋）、２５：ワイヤ出力電極（－）、２６：ワイヤ―電極接続部（＋）、２７：ワイヤ―電極接続部（－）
３：コイル
３１：下コイル、３２：上コイル、３３：ジョイント部、３４：コイル出力電極（＋）、３５：コイルグランド電極（－）
４：ＡＳＩＣ
４０：ＡＳＩＣの厚み、４１：ＡＳＩＣ側ワイヤ電極（＋）、４２：ＡＳＩＣ側ワイヤ電極（－）、４３：スルーホール方式電極接合部（＋）、４４：スルーホール方式電極接合部（－）、４５：外部配線用電極、４６：外部配線用アース電極、４７：外部配線
５：電子回路
５１：パルス発信回路（パルス発信器）、５２：素子、５３：入力回路、５４：バッファー回路、５５：サンプルホールド回路、５６：電子スイッチ、５７：コンデンサ、５８：増幅器

Claims (5)

1. 特定用途向け集積回路（ 以下、ＡＳＩＣという。） と前記ＡＳＩＣの配線平面上に形成された絶縁保護被膜と前記保護被膜上に形成された基板皮膜および前記基板皮膜上に形成される磁界検出素子とからなる超小型高感度磁気センサにおいて、
   前記磁界検出素子は、前記基板皮膜の上に磁性ワイヤと前記磁性ワイヤを周回する検出コイルと電極とを備えており、
   前記磁性ワイヤは、導電性と２０Ｇ以下の異方性磁界を有し、かつ円周方向スピン配列を持つ表面磁区と軸方向にスピン配列を持つ中央部コア磁区の２ 相の磁区構造を有しており、
   前記基板皮膜上に溝を形成して前記磁性ワイヤを配列し、
   前記電極は、前記基板皮膜及び前記絶縁保護被膜を貫いて前記ＡＳＩＣの素子連結用電極と直接接合することを特徴とする超小型高感度磁気センサ。
2. 請求項１に記載されている磁気センサにおいて、
   前記ＡＳＩＣは、前記サンプルホールド回路に入力された前記誘起電流に対応するコイル電圧を外部磁界Ｈに比例する電気信号に変換する手段を有することを特徴とする磁気センサ。
3. 請求項１に記載されている磁気センサにおいて、
   前記基板皮膜は、厚み１μｍ～２０μｍを有することを特徴とする磁気センサ。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載されている磁気センサにおいて、
   前記基板皮膜に形成される前記溝は上面から深さ１μｍ～１０μｍとされ、前記磁界検出素子の前記検出コイルの一部又は全部が前記溝に埋設されていることを特徴とする磁気センサ。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載されている磁気センサにおいて、
   前記検出コイルのコイルピッチは１０μｍ以下であることを特徴とする磁気センサ。
   

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