JPH11261130A

JPH11261130A - 磁気センサ

Info

Publication number: JPH11261130A
Application number: JP10058043A
Authority: JP
Inventors: Mineo Wajima; 峰生和島; Takeshi Tanaka; 丈士田中; Hisafumi Tate; 尚史楯; Hideki Sato; 秀樹佐藤
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1998-03-10
Filing date: 1998-03-10
Publication date: 1999-09-24

Abstract

(57)【要約】【課題】感磁部の片側にのみ磁性体を配置する構造であ
りながらセンサ感度が高く、しかも安価に製造すること
ができる磁気センサの構造を提供する。【解決手段】感磁部２ａの片側に配置される磁性体１の
形状を、感磁部２ａ側の面４ａで小さく、反対側の面５
ａで大きくし、磁性体１を通る磁束を感磁部２ａ側で集
束させ、感磁部２ａの磁束密度を高める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ホール素子や磁気
抵抗素子等の磁気センサ、特にその感磁部での感度を向
上させる集磁構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ホール効果や磁気抵抗効果などを利用し
た磁気センサは、磁気を検出媒体とする回転、位置検出
センサ、電流センサ、或いは磁界強度測定用の測定子
（プローブ）などとして広い分野に亘り利用されてい
る。最近では特に小型で高感度な素子であることの要求
が強まっており、このため、磁気センサの構造として
は、磁性材料であるフェライトを用い、感磁面に対して
磁束を集め、感度を向上させる構造が広く用いられてい
るようになってきた。

【０００３】図５は、そのようなホール素子の構造例で
あり、フェライト、パーマロイ、硅素鋼板などの高透磁
率の磁性材料から成る磁性体１の上に、十字形にパター
ニングされた感磁部２ａを有する半導体薄膜２を載置す
ることにより、感磁部２ａに対して磁束を集め、感度を
向上させている。なお、３は金属電極である。

【０００４】また更に、フェライトなどの磁性材料を感
磁部の上下に位置させると、感磁部に磁束が集中し、感
度が大幅に向上することが知られている。図６は、その
ようなホール素子の構造例であり、第１の磁性体１１の
上に、十字形にパターニングされた感磁部２ａを有する
半導体薄膜２を載せると共に、さらにその上に磁気集束
用磁性体チップから成る第２の磁性体１２を載せた構造
となっている。特公昭５１−４５２３４号公報には、こ
のような構造体を得るための方法が開示されており、雲
母等の結晶性基板上に化合物半導体薄膜２を形成した
後、この薄膜をエポキシ等の接着剤を用いて強磁性体基
板（第１の磁性体１１）に接着し、結晶性基板を除去
し、次いで接着剤で該半導体薄膜２の感磁部２ａの上に
磁気集束用磁性体（第２の磁性体１２）を載せることに
よって造られる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図６に
示すような第１の磁性体と第２の磁性体で感磁部を挟み
込む構造は、感磁部の磁束密度は数倍になるものの、第
２の磁性体を感磁部上に載せなければならず、組み立て
が複雑になったり、磁気センサのチップサイズが大きく
なって収得数が少なくなるなど、製造コストが非常に高
くなる。

【０００６】例えば、実際のホール素子の場合、第１の
磁性体には、感磁部面上の第２の磁性体を避けてワイヤ
ーボンディングを行うのに必要なスペースを確保して引
き出し電極を形成する必要がある。このため、例えば感
磁部の面積は、０．３mm×０．３mm程度の大きさのと
き、３インチウェハ１枚当たり約３６，０００個得られ
るのに対し、第１の磁性体については１mm×１mm程度の
面積が必要になり、３インチウェハ１枚当たり約４，５
００個しか得られず、チップ１個当たりのコストが約９
倍も大きくなる。

【０００７】勿論、図５のような磁気センサの裏面側の
みに、つまり片面だけに磁性体を設ける形態にすれば、
ワイヤーボンディングスペースは考えなくて良い。しか
し、この形態における問題点は、従来、集磁効果があま
り高くならず、最大でも１．５倍程度にしか感度が高く
ならないという点にある。また、感磁部と磁性体との距
離が離れると極端に感度が低下するため、感磁部の基板
材料を非常に薄く削ったり、フェライトに転写するなど
の工夫が必要であり、それだけ製造プロセスが複雑にな
るという問題点があった。

【０００８】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、感磁部の片側にのみ磁性体を配置した構造における
感磁部への集磁効果を高めることにより、感度が高く、
しかも安価に製造することができる磁気センサの構造を
提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の磁気センサは、磁性体の上に感磁部を有す
る半導体薄膜を載せた磁気センサにおいて、前記磁性体
の形状を、感磁部側の面よりも、反対側の面の面積が広
い形状とした構成のものである（請求項１）。前記感磁
部を有する半導体薄膜は、ホール効果を利用した半導体
材料で構成されていてもよく（請求項２）、又は磁気抵
抗効果を利用した半導体材料で構成されていてもよい
（請求項３）。

【００１０】本発明は、上記した磁気センサの磁性体の
形状を、感磁部側で小さく、反対側で大きくしたもので
あるので、感磁部を有する半導体薄膜の片側にのみ磁性
体を配置した組み合わせ構造においても、感磁部への集
磁効果が高く、感磁部の磁束密度を非常に高めることが
でき、これにより磁気センサの感度を向上させることが
できる。

【００１１】また、感磁部の磁束密度が高いことから、
感磁部と磁性体との間の間隔設定に余裕が生まれ、従来
必要とされていた感磁部の基板材料を非常に薄く削った
り、フェライトに転写するなどの製造工程をなくすこと
ができる。従って、従来の構造に較べ、その製造が簡単
であり、実用上十分な感度を持つ磁気センサをコストを
抑えて製造することができる。

【００１２】本発明の磁気センサは、具体的には、前記
磁性体が、感磁部側に接する面を持つ第１の磁性体部分
と、反対側の広い面積の面を持つ第２の磁性体部分とを
具備する構成とする（請求項４）。この第１の磁性体部
分及び第２の磁性体部分なる概念は、両部分が一体的で
ある場合と別々に分離されている場合の両者を含み、更
に、両部分の間に更に第３の磁性体部分が介在する形態
をも含むものである。

【００１３】従って、かかる請求項４の構成において、
前記磁性体は、その第１の磁性体部分及び第２の磁性体
部分を含め単一材料で構成されていてもよく（請求項
５）、前記磁性体の第１の磁性体部分及び第２の磁性体
部分が異なる材料（複数の材料）で構成されていてもよ
く（請求項６）、また前記磁性体の第１の磁性体部分及
び第２の磁性体部分が個別の個体（複数の個体）で構成
されていてもよい（請求項７）。

【００１４】特に、磁性体の第１の磁性体部分と第２の
磁性体部分とを個別の個体で構成する形態においては、
第１の磁性体部分及びその上の感磁部を有する半導体薄
膜を一体的に製造し、それを第２の磁性体部分に載せる
という製造方法を採用することができる。この製造方法
の利点は、ウェハからのチップの半導体薄膜を収得する
数が第２の磁性体部分の大きさに影響されず、第１の磁
性体部分の感磁部側の面の大きさにのみ制約され、チッ
プ収得率が極めて高くなるため、磁気センサを極めて安
価に製造することが可能となる点にある。

【００１５】また、これら請求項４、５、６、又は７記
載の形態において、前記磁性体の第１の磁性体部分は必
ずしも同一径である必要はなく、その大きさが、感磁部
側で小さく、感磁部より離れた側でより大きくなってい
る形状とすることもできる（請求項８）。例えば、載頭
角錐形、載頭円錐形などの形状とすることができ、感磁
部に対する同じ集磁作用を営ませることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
用いて説明する。

【００１７】（実施形態１）本発明の第１の実施形態に
おける磁気センサの感磁部と磁性体の関係を図１に示
す。図１で、磁気センサたるホール素子の縦断面図を
（ａ）に、上面から見た図を（ｂ）に示す。

【００１８】このホール素子は、フェライト、パーマロ
イ、硅素鋼板などの高透磁率の磁性材料から成る磁性体
１の上に、十字形にパターニングされた感磁部２ａを有
する半導体薄膜２を載置した構成であるという点では、
従来の図５のものと同じであり、磁性体１により、感磁
部２ａに対して磁束を集め、感度を向上させている。な
お、３は金属電極である。

【００１９】しかし、従来と異なり、磁性体１は、感磁
部２ａ側に接する面を持つ第１の磁性体部分４と、反対
側の広い面積の面を持つ第２の磁性体部分５とを具備し
た構成となっている。即ち、磁性体１の形状が、感磁部
２ａ側の面４ａよりも、反対側の面５ａの面積が広い形
状となっている。また感磁部２ａ上には、従来の図６で
用いられている磁気集束用磁性体チップのような第２の
磁性体は設けられていない。

【００２０】感磁部２ａの片側にのみ磁性体を配置した
構成ではあるが、磁性体１の形状が、感磁部２ａ側で小
さく反対側で大きくなっているので、磁性体１を通る磁
束は感磁部２ａ側で集束され、感磁部２ａに対して磁束
が集められて、感磁部２ａの磁束密度が非常に高まる。
この結果、ホール素子の感度が従来の図５の形態よりも
大きくなる。また、感磁部２ａの磁束密度が高いことか
ら、感磁部２ａと磁性体１との間の間隔設定に余裕が生
まれ、従来必要とされていた感磁部２ａの基板材料を非
常に薄く削ったり、フェライトに転写するなどの製造工
程をなくすことができる。従って、従来の構造に較べ、
その製造が簡単であり、実用上十分な感度を持つ磁気セ
ンサをコストを抑えて製造することができる。

【００２１】磁性体１の第１の磁性体部分４及び第２の
磁性体部分５は、同じ磁性材料、ここではＮｉ−Ｚｎ系
のフェライトから成る２つの直方体ブロックを接着剤で
固定したものから成る。しかし、磁性体１は、異なる磁
性材料の２つの直方体ブロックを接着剤で固定した構成
としたり、第１の磁性体部分４及び第２の磁性体部分５
を含めて全体を単一材料から成る直方体ブロックとして
構成することもできる。

【００２２】次に、試作したホール素子デバイスの作成
プロセスを説明する。

【００２３】まず、磁性体１の第１の磁性体部分４上
に、ＩｎＳｂを厚さ１μｍに真空蒸着し半導体薄膜２を
形成した。この試作例では、半導体薄膜２の形成方法と
して、直方体ブロックから成る第１の磁性体部分４上に
直接に真空蒸着して形成しているが、別の基板材料に成
膜、転写したものでも、或いは結晶をスライス、研磨し
て薄膜化したものなどでも良く、その形成方法は問わな
い。また半導体薄膜２の材料としては、ホール素子、磁
気抵抗素子で一般的な半導体材料のＩｎＳｂを用いた
が、磁場に対して特性の変化する材料を用いている形態
であれば、同様に本発明を適用してその感度向上を図る
ことができる。ホール素子用の半導体材料としてはシリ
コン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）などの元素半導体
の他、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、ヒ化イン
ジウム（ＩｎＡｓ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）等の元
素周期律表の第III 族に属する元素と第Ｖ族に属する二
つの元素を化合させてなるIII −Ｖ族２元化合物半導体
も使用される。

【００２４】次に、上記のＩｎＳｂ薄膜を、フォトリソ
プロセスを用いて、ホール素子の動作層として図１に示
す十字形にパターニングして、感磁部２を形成した。

【００２５】次いで、この十字の端に通常のオーミック
電極形成プロセスを用い、金属電極３を形成した。金属
電極３の材質は導電性の良好な金属であればその種類を
問わないが、ＴｉなどＩｎＳｂと密着性の良い金属を用
いる方がよい。また、金属電極３は、ワイヤーボンディ
ングの相性から、Ａｕが最表面にくる多層構造の金属膜
とした方が良い。また電極材料は素子化後の動作条件、
使用環境に十分耐えられるのであれば、導電性有機材料
であっても良い。

【００２６】この図１の実施形態では、磁性体１の第１
の磁性体部分４及び第２の磁性体部分５の双方の磁性材
料として、電気的に高抵抗であるＮｉ−Ｚｎ系のフェラ
イトを用いた。しかし、その他に透磁率の高いフェライ
トであればどのような材料でも使用することができ、同
様の集磁束効果を得ることができものである。但し、導
電性のフェライト、例えば、Ｍｎ−Ｚｎ等を用いる場合
には、絶縁性の高い薄膜を感磁部の半導体薄膜２との間
に挟む必要がある。磁性体１は、同一材料の単一ブロッ
クから成る形態であってもよいし、感磁部２や電極３が
形成された側に位置する第１の磁性体部分４と、その下
に位置する第２の磁性体部分５とが同一材料の別ブロッ
クから成り、両者を薄い接着層で接着した形態のもので
あってもよい。

【００２７】更に、ワイヤーボンディング、モールドな
どの工程を経て、ホール素子が完成される。

【００２８】この試作したホール素子の形状は、図１の
如く磁性体１を直方体ブロックの二段重ねの形状とし、
またその各ブロックの大きさは、感磁部２ａが乗ってい
る第１の磁性体部分４については感磁部側の面４ａの面
積を０．３５mm×０．３５mm、厚さを０．３mmとし、下
側の第２の磁性体部分５については反対側の面５ａの面
積を１mm×１mm、厚さを０．３mmとした。

【００２９】この試作ホール素子の特性を評価したとこ
ろ、入力電圧を１Ｖ、印加磁束密度を０．０５Ｔとした
場合で、ホール電圧の出力９８mVが得られた。これは磁
性体１が無いときに出力が５０mVであった場合と較べる
と、約２倍の高い感度を示した。

【００３０】（実施形態２）上記第１の実施形態（図
１）における試作ホール素子においては、第１の磁性体
部分４及び第２の磁性体部分５に直方体ブロックを使用
して構成したが、磁性体１の第１の磁性体部分４や第２
の磁性体部分５は感磁部２ａからの遠近方向に必ずしも
同一径である必要はない。

【００３１】図２は、第２の実施形態として、磁性体１
を載頭角錐形の第１の磁性体部分４１と、直方体ブロッ
クの第２の磁性体部分５１で構成し、その第１の磁性体
部分４１の頂面（感磁部側の面）４２に半導体薄膜２を
載せた形態を示したものである。ここでの第１の磁性体
部分４１の大きさは、その横断面積が、感磁部２ａより
遠い側で大きく、感磁部２ａに近い側でより小さくなっ
ているため、磁性体１を通る磁束は感磁部２ａに集束さ
れ、その磁束密度が高められる。従って、図２のように
第１の磁性体部分４１の大きさを感磁部２ａ側に近づく
ほど小さくした形でも、図１の場合と同様に、感磁部２
ａに対する同じ集磁作用を営ませ、磁気センサの感度を
向上させることができる。

【００３２】この第２の実施形態の場合も、磁性体１
は、同一材料の単一ブロックから成る形態であってもよ
いし、第１の磁性体部分４と第２の磁性体部分５とが別
ブロックから成り、両者を接着層で接着した形態のもの
であってもよい。また、第１の磁性体部分４１の形状
は、第２の磁性体部分５１から感磁部２ａにかかて、厳
密に面積が常に漸減する形態である必要はなく、第２の
磁性体部分５１から感磁部２ａに至るまでの斜面領域４
３において、途中がくびれる等の変化を伴うものでも良
い。

【００３３】（変形例）上記実施形態では、第１の磁性
体部分４、４１と第２の磁性体部分５、５１を長方形断
面とし、その辺が互いに平行になるように配置したが、
本発明はかかる形態に限定されない。

【００３４】例えば、図３、図４に示すように、上記実
施形態（図１、図２）において、感磁部２ａ直下の第１
の磁性体部分４、４１をそれぞれ下部の第２の磁性体部
分５、５１に対して４５°ずらせ、角の方向が一致しな
い形態であっても良い。勿論、感磁部２ａ側が小さけれ
ば、磁性体１の第１の磁性体部分４、４１の形は、横断
面で見て角がない形であっても良い。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、次
のような優れた効果が得られる。

【００３６】（１）請求項１〜８に記載の発明によれ
ば、磁気センサの磁性体の形状を、感磁部側で小さく、
反対側で大きくしているので、感磁部を有する半導体薄
膜の片側にのみ磁性体を配置した組み合わせ構造におい
ても、感磁部への集磁効果が高く、感磁部の磁束密度を
非常に高めることができ、これにより磁気センサの感度
を向上させることができる。

【００３７】また、感磁部の磁束密度が高いことから、
感磁部と磁性体との間の間隔設定に余裕が生まれ、従来
必要とされていた感磁部の基板材料を非常に薄く削った
り、フェライトに転写するなどの製造工程をなくすこと
ができる。従って、従来の構造に較べ、その製造が簡単
であり、実用上十分な感度を持つ磁気センサをコストを
抑えて製造することができる。

【００３８】（２）また、請求項７に記載の磁気センサ
は、特に、磁性体の第１の磁性体部分と第２の磁性体部
分とを個別の個体で構成する形態であるため、第１の磁
性体部分及びその上の感磁部を有する半導体薄膜を一体
的に製造し、それを第２の磁性体部分に載せるという製
造方法を採用することができる。この製造方法によれ
ば、ウェハからのチップの半導体薄膜を収得する数が第
２の磁性体部分の大きさに影響されず、第１の磁性体部
分の感磁部側の面の大きさにのみ制約され、チップ収得
率が極めて高くなるため、磁気センサを極めて安価に製
造することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態における磁気センサを示し
たもので、（ａ）はその縦断面図、（ｂ）はその上面図
である。

【図２】本発明の他の実施形態における磁気センサを示
したもので、（ａ）はその縦断面図、（ｂ）はその上面
図である。

【図３】本発明の図１の実施形態の変形例を示したもの
で、（ａ）はその磁気センサ縦断面図、（ｂ）はその上
面図である。

【図４】本発明の図２の実施形態の変形例を示したもの
で、（ａ）はその磁気センサ縦断面図、（ｂ）はその上
面図である。

【図５】従来の磁気センサの構造を示す図である。

【図６】従来の磁気センサの他の構造を示す図である。

【符号の説明】

１磁性体２半導体薄膜２ａ感磁部３金属電極４、４１第１の磁性体部分４ａ感磁部側の面４２頂面（感磁部側の面）４３斜面領域５、５１第２の磁性体部分５ａ反対側の面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐藤秀樹茨城県土浦市木田余町3550番地日立電線株式会社アドバンスリサーチセンタ内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁性体の上に感磁部を有する半導体薄膜を
載せた磁気センサにおいて、前記磁性体の形状を、感磁
部側の面よりも、反対側の面の面積が広い形状としたこ
とを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】前記感磁部を有する半導体薄膜がホール効
果を利用した半導体材料で構成されていることを特徴と
する請求項１記載の磁気センサ。
【請求項３】前記感磁部を有する半導体薄膜が磁気抵抗
効果を利用した半導体材料で構成されていることを特徴
とする請求項１記載の磁気センサ。
【請求項４】前記磁性体が、感磁部側に接する面を持つ
第１の磁性体部分と、反対側の広い面積の面を持つ第２
の磁性体部分とを具備することを特徴とする請求項１、
２又は３記載の磁気センサ。
【請求項５】前記磁性体がその第１の磁性体部分及び第
２の磁性体部分を含め単一材料で構成されていることを
特徴とする請求項４記載の磁気センサ。
【請求項６】前記磁性体の第１の磁性体部分及び第２の
磁性体部分が異なる材料で構成されていることを特徴と
する請求項４記載の磁気センサ。
【請求項７】前記磁性体の第１の磁性体部分及び第２の
磁性体部分が個別の個体で構成されていることを特徴と
する請求項４記載の磁気センサ。
【請求項８】前記磁性体の第１の磁性体部分は、その大
きさが、感磁部側で小さく、感磁部より離れた側でより
大きくなっていることを特徴とする請求項４、５、６、
又は７記載の磁気センサ。