WO2018198901A1 - 磁気センサー - Google Patents
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- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
- G01R33/09—Magnetoresistive devices
Definitions
- the present invention relates to a magnetic sensor.
- a tunnel magnetoresistive element (TMR (Tunnel Magnet Resistive) element) includes a pinned magnetic layer whose magnetization direction is fixed, a free magnetic layer whose magnetization direction changes under the influence of an external magnetic field, and a pinned magnetic layer. It has an insulating layer arranged between the free magnetic layer and forms a magnetic tunnel junction (MTJ (Magnetic Tunnel Junction)). The resistance of the insulating layer is changed by the tunnel effect according to the angular difference between the magnetization direction of the pinned magnetic layer and the magnetization direction of the free magnetic layer.
- Examples of using the tunnel magnetoresistive element include a magnetic memory, a magnetic head, and a magnetic sensor.
- magnetoresistive element for example, three magnetoresistive elements whose magnetization directions are orthogonal to each other are stacked on each other (for example, see Patent Document 1), or the magnetization directions are tertiary to each other.
- magnetoresistive elements There are provided a plurality of magnetoresistive elements arranged on a single substrate so as to cross each other (see, for example, Patent Document 2).
- JP 2017-26312 A Japanese Patent No. 5157611
- the conventional techniques have the following problems. That is, in the technique described in Patent Document 1, three magnetoresistive elements are stacked, but no matter how the magnetoresistive elements are stacked, The surface on the sensitive part side is arranged away from the surface on the sensitive part side of another magnetoresistive element. Accordingly, the detection positions of the magnetoresistive elements are shifted from each other in the stacking direction, and the measurement accuracy is not sufficient.
- an object of the present invention is to provide a magnetic sensor that can suppress measurement deviation of each magnetoresistive element that detects magnetic field intensities of different components and can perform measurement with high accuracy.
- the invention according to claim 1 is a magnetic sensor, A first planar magnetoresistive element having a first direction as a detection axis; A planar second magnetoresistive element having a detection direction in a second direction different from the first direction, The surface on the sensitive part side of the first magnetoresistive element and the surface on the sensitive part side of the second magnetoresistive element are arranged to face each other.
- the invention according to claim 2 is the magnetic sensor according to claim 1,
- the take-out electrodes of the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element are provided on a substrate to which the first magnetoresistive element or the second magnetoresistive element is fixed.
- the invention according to claim 3 is the magnetic sensor according to claim 1 or 2, An insulating layer provided between the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element is provided.
- the invention according to claim 4 is the magnetic sensor according to any one of claims 1 to 3, A plurality of sets of the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element; The plurality of sets of the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element are one-dimensional or two-dimensional along a plane orthogonal to the stacking direction of the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element. Are arranged in dimensions.
- the present invention it is possible to provide a magnetic sensor capable of performing measurement with high accuracy by suppressing a shift in detection position of each magnetoresistive element that detects magnetic field intensities of different components.
- FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a magnetic sensor 100 of this embodiment.
- FIG. 2 is a schematic diagram showing a laminated configuration of the first magnetoresistive element 1.
- FIG. 3 is a plan view of the first magnetoresistive element 1 and the printed board 4 as viewed from a direction orthogonal to the surface direction.
- FIG. 4 is a schematic sectional view showing a conventional magnetic sensor 300.
- the magnetic sensor 100 includes a planar first magnetoresistive element 1 having a first direction as a detection axis and a planar type having a second direction different from the first direction as a detection axis.
- a second magnetoresistive element 2, an insulating layer 3 provided between the first magnetoresistive element 1 and the second magnetoresistive element 2, and the like are provided.
- the first and second magnetoresistive elements 1 and 2 are provided on the printed circuit board (substrate) 4 and the printed circuit board 5 respectively, and then the sensitive part side of the first magnetoresistive element 1, that is, soft magnetism.
- the surface 1a on the layer 133 side and the surface 2a on the sensitive magnetic layer (not shown) side of the second magnetoresistive element 2 are laminated so as to face each other.
- the first magnetoresistive element 1 is configured by stacking a silicon substrate 12 and an element body 140
- the second magnetoresistive element 2 is configured by stacking a silicon substrate 22 and an element body 240. Yes.
- the specific direction in the plane of the first and second magnetoresistive elements 1 and 2 is the X direction
- the direction orthogonal to the X direction in the plane is the Y direction
- the X direction and the Y direction is taken as the Z direction.
- the X direction is the first direction
- the Y direction is the second direction.
- the first magnetoresistive element 1 includes a fixed magnetic layer 110 whose magnetization direction is fixed, a free magnetic layer 130 whose magnetization direction changes under the influence of an external magnetic field, and fixed.
- a magnetic tunnel junction is formed by the insulating layer 120 disposed between the magnetic layer 110 and the free magnetic layer 130, and tunneling is performed according to the angular difference between the magnetization direction of the pinned magnetic layer 110 and the magnetization direction of the free magnetic layer 130.
- This is a tunnel magnetoresistive element (TMR element) that changes the resistance of the insulating layer 120 by an effect.
- TMR element tunnel magnetoresistive element
- a base layer (Ta) 13 is formed on a silicon substrate (Si, SiO 2 ) 12, and a pinned magnetic layer 110 is formed thereon as an antiferromagnetic layer (IrMn) from below.
- a ferromagnetic layer (CoFe) 112, a magnetic coupling layer (Ru) 113, and a ferromagnetic layer (CoFeB) 114 are stacked, and a free magnetic layer 130 is formed thereon via an insulating layer (MgO) 120.
- ferromagnetic layer (CoFeB) 131 and a soft magnetic layer (NiFe or CoFeSi) 133 are laminated from below.
- the underlayer 13, the pinned magnetic layer 110, the insulating layer 120, and the free magnetic layer 130 constitute an element body 140.
- a magnetic coupling layer (Ru) may be further stacked between the ferromagnetic layer 131 and the soft magnetic layer 133.
- the magnetization direction of the pinned magnetic layer 110 and the magnetization direction of the free magnetic layer 130 are twisted at approximately 90 degrees. stable. This is because each magnetized in the direction of the easy axis. That is, the first magnetoresistive element 1 is formed at a position where the easy axis A2 of the free magnetic layer 130 is twisted by approximately 90 degrees with respect to the easy axis A1 of the pinned magnetic layer 110. .
- the magnetization direction of the free magnetic layer 130 becomes the magnetization direction of the pinned magnetic layer 110.
- Spinning in the reverse direction increases the resistance of the insulating layer 120 due to the tunnel effect.
- the magnetization direction of the free magnetic layer 130 becomes the magnetization direction of the pinned magnetic layer 110.
- the resistance of the insulating layer 120 decreases due to the tunnel effect.
- the size of the sensitive portion of the first magnetoresistive element 1 is generally such that the length of one side in the in-plane direction is within the range of several tens of ⁇ m to several mm, for example.
- the size of the sensitive part affects the S / N ratio and the spatial resolution of the first magnetoresistive element 1.
- the size of the measurement sample that is the measurement object of the magnetic sensor 100 is generally in the range of several centimeters to several meters, for example, when the length of one side is flat.
- the thickness of the measurement sample is generally in the range of several hundred ⁇ m to several cm.
- the length of one side is generally within a range of 10 to 30 cm.
- the length of one side is generally within a range of 20 to 100 cm, and may be several meters.
- the spatial resolution of the first magnetoresistive element 1 alone depends on the relative size with respect to the abnormal metal present in the measurement sample. For example, when detecting a rough position of a substantially spherical metal abnormality having a diameter ⁇ of about 100 ⁇ m, the length of one side of the first magnetoresistive element 1 is approximately the same as the diameter of the metal abnormality (about 100 ⁇ m). To about 100 times the diameter of the abnormal metal (about 10 mm). Further, for example, when accurately detecting the position of an abnormal metal object having a diameter ⁇ of about 100 ⁇ m, the length of one side of the first magnetoresistive element 1 is approximately the same as the diameter of the abnormal metal object (about 100 ⁇ m). It is preferably set within a range up to about 10 times the diameter of the abnormal metal (about 1 mm).
- the second magnetoresistive element 2 is configured in the same manner as the first magnetoresistive element 1 except that the direction of the detection axis is different. Specifically, the first magnetoresistive element 1 uses the X direction as the detection axis because the magnetization direction of the pinned magnetic layer 110 is the X direction, whereas the second magnetoresistive element 2 Since the magnetization direction of the pinned magnetic layer (not shown) is the Y direction, the Y direction is the detection axis.
- the printed circuit boards 4 and 5 fix and support the first and second magnetoresistive elements 1 and 2, respectively, as shown in FIG.
- Extraction electrodes 43 and 44 for obtaining signals of the magnetoresistive element 2 are provided on the surface of the printed circuit board 4 on which the first magnetoresistive element 1 is provided.
- the surface of the printed circuit board 5 on which the second magnetoresistive element 2 is provided is for electrically connecting the second magnetoresistive element 2 and the extraction electrodes 43 and 44.
- a connecting portion 51 is provided.
- a conducting portion 45 is provided between the connecting portion 51 and the extraction electrodes 43 and 44 for conducting them.
- positioned facing can be easily acquired from the printed circuit board 4 in which the 1st magnetoresistive element 1 is provided.
- the conduction part 45 for example, a ball bump or the like is used.
- the insulating layer 3 is provided between the first magnetoresistive element 1 and the second magnetoresistive element 2, and is formed on both surfaces of an insulating sheet made of an insulating material (for example, SiO 2 ) on the first and second magnetoresistive elements. Adhesive layers are provided to be bonded to the magnetoresistive elements 1 and 2, respectively. As a result, direct contact between the surface 1a of the first magnetoresistive element 1 and the surface 2a of the second magnetoresistive element 2 can be prevented, and the two can be bonded and integrated. Further, interference between the first magnetoresistive element 1 and the second magnetoresistive element 2 can be suppressed, and the detection accuracy by the magnetoresistive elements 1 and 2 can be improved.
- an adhesive bond layer it can comprise, for example using a thermosetting resin. Note that the insulating layer 3 may be formed of an insulating adhesive layer without including an insulating sheet.
- the insulating layer 3 can be composed of, for example, an insulating sheet having a thickness of 200 nm and an adhesive layer having a total thickness of 50 ⁇ m. Therefore, the sensitive part side surface 1a of the first magnetoresistive element 1 and the sensitive part side surface 2a of the second magnetoresistive element 2 are only displaced by about 50 ⁇ m in the Z direction.
- the magnetoresistive element 1 and the second magnetoresistive element 2 can perform measurement at substantially the same position in the Z direction.
- the magnetic sensor 100 of this embodiment can suppress the shift
- the first magnetoresistive element 1 provided on the printed circuit board 4 and the second magnetoresistive element 2 provided on the printed circuit board 5 When the layers 1a and 2a are stacked without facing each other, at least the insulating layer 3, the printed board 5, and the silicon substrate 22 are interposed between the faces 1a and 2a.
- the thickness of the printed circuit board 4 is 1.0 mm and the thickness of the silicon substrate 12 is 0.7 mm
- the surface 1a and the surface 2a are positioned at about 1.75 mm in the Z direction. Deviation occurs, and the two-component magnetic field strength cannot be detected with high accuracy.
- the first magnetoresistive element 1 and the second magnetoresistive element 2 are not arranged to face each other, so that the signal of the second magnetoresistive element 2 is detected.
- An extraction electrode 43 is provided on the surface of the printed circuit board 5 on which the second magnetoresistive element 2 is provided.
- the measurement is performed in a state where the magnetic sensor 100 is close to the measurement sample.
- the magnetic field distribution of the measurement sample can be measured by moving the magnetic sensor 100 in a state of being close to the measurement sample.
- the magnetic sensor 100 is scanned by a predetermined distance in the Y direction, and the magnetic field distribution in the entire Y direction of the measurement sample is acquired by detecting the magnetic field intensity at the measurement positions at every predetermined distance. be able to.
- the spatial resolution in the Y direction can be improved by shortening the distance between the measurement positions.
- the measurement is performed while scanning the X direction for a predetermined distance and then scanning in the Y direction again. Distribution can be measured. Furthermore, the magnetic field distribution of the measurement sample can be measured in more detail by performing the measurement while scanning the magnetic sensor 100 in the Z direction for a predetermined distance and then scanning in the X direction and the Y direction again. The measurement may be performed using a plurality of magnetic sensors 100, or the plurality of magnetic sensors 100 may be moved relative to the measurement sample.
- the magnetic sensor 100 configured as described above can be manufactured, for example, as follows. That is, first, a printed circuit board 4 provided with the first magnetoresistive element 1 and a printed circuit board 5 provided with the second magnetoresistive element 2 are prepared. An insulating layer 3 is provided in advance on the surface 1 a of the first magnetoresistive element 1, and a ball bump or the like is provided in advance on the take-out electrodes 43 and 44 of the printed circuit board 4 as a conducting portion 45. Next, the first magnetoresistive element 1 and the second magnetoresistive element 2 are aligned in the XY direction with the surface 1a and the surface 2a facing each other. Next, in a state where the first magnetoresistive element 1 and the second magnetoresistive element 2 are in contact with each other, the insulating layer 3 and the conduction portion 45 are heated and integrated to manufacture the magnetic sensor 100. can do.
- a method for aligning the first magnetoresistive element 1 and the second magnetoresistive element 2 in the XY directions a known method can be used.
- a soft magnetic layer is formed with a resist on the back surface of the silicon substrate (a surface on which both surfaces of the silicon substrate are not provided with a free magnetic layer) using a double-sided aligner. Patterning corresponding to the shape is performed. Then, a recess for alignment is provided in the silicon substrate by dry etching, and a material such as metal that does not transmit infrared rays is embedded in the recess to form an alignment mark.
- the second magnetoresistive element 2 manufactured in this way is opposed to the first magnetoresistive element 1, and is transmitted from the second magnetoresistive element 2 side through the printed board 5 and the silicon substrate with an infrared optical camera.
- a method for performing alignment while checking alignment marks can be given.
- the second magnetoresistive element 2 the surface opposite to the surface on which the second magnetoresistive element 2 is fixed
- a corresponding alignment mark is formed.
- a method is also possible in which the second magnetoresistive element 2 is opposed to the first magnetoresistive element 1 and alignment is performed while confirming the alignment mark of the printed circuit board 5 with a camera or the like.
- the second magnetoresistive element 2 by providing a through-hole in the printed circuit board 5 that fixes the second magnetoresistive element 2, or by configuring the printed circuit board 5 to have optical transparency, the second magnetoresistive element 2. It is also possible to perform alignment while confirming the position of the first magnetoresistive element 1 from the side with a camera or the like.
- the magnetic sensor 100 includes the planar first magnetoresistive element 1 having the first direction as the detection axis, and the second direction different from the first direction as the detection axis.
- the surface type 2a of the first magnetoresistive element 1 on the sensitive part side and the surface 2a on the sensitive part side of the second magnetoresistive element 2 are opposed to each other. Therefore, the displacement of the detection positions of the first and second magnetoresistive elements 1 and 2 that detect magnetic field intensities of different components can be suppressed, and measurement can be performed with high accuracy.
- the extraction electrodes 41 to 44 of the first magnetoresistive element 1 and the second magnetoresistive element 2 are provided on the printed circuit board 4 on which the first magnetoresistive element is fixed, The signals of the two magnetoresistive elements 1 and 2 can be obtained more easily.
- the insulating layer 3 provided between the first magnetoresistive element 1 and the second magnetoresistive element 2 is provided, interference between the first magnetoresistive element 1 and the second magnetoresistive element 2 is suppressed. Therefore, measurement can be performed with higher accuracy.
- the first magnetoresistive element 1 and the second magnetoresistive element 2 are tunnel magnetoresistive elements.
- the present invention is not limited to this as long as it is a planar type. Instead, it may be, for example, an anisotropic magnetoresistive element (AMR (Anisotropic Magneto Resistive effect) element), a giant magnetoresistive element (GMR (Giant Magneto Resistive effect) element) or the like.
- AMR anisotropic magnetoresistive element
- GMR Giant Magneto Resistive effect
- the first magnetoresistive element 1 uses the X direction as the detection axis
- the second magnetoresistive element 2 uses the Y direction as the detection axis, that is, the first magnetoresistive element.
- the direction of the detection axis of 1 and the direction of the detection axis of the second magnetoresistive element 2 are twisted 90 degrees in the plane directions of the first and second magnetoresistive elements 1 and 2, but this is not the only case. It is not something that can be done.
- the angle formed by the direction of the detection axis of the first magnetoresistance element 1 and the direction of the detection axis of the second magnetoresistance element 2 may be less than 90 degrees.
- the extraction electrodes 41 to 44 are provided on the printed circuit board 4, but the present invention is not limited to this.
- the extraction electrodes 41 to 44 may be provided on the printed circuit board 5, the extraction electrodes 41 and 42 are provided on the printed circuit board 4, and the extraction electrodes 43 and 44 are provided on the printed circuit board 5. It may be good.
- the insulating layer 3 is provided between the first magnetoresistive element 1 and the second magnetoresistive element 2 that are arranged to face each other. May not be provided. In this case, it is preferable that the first magnetoresistive element 1 and the second magnetoresistive element 2 are fixed with a gap provided so as not to contact each other.
- the magnetic sensor 100 is configured to include the first and second magnetoresistive elements 1 and 2, the insulating layer 3, and the like, but is not limited thereto. Instead, a configuration for removing a noise component due to the external environment may be provided.
- the magnetic sensor 100 detects an external magnetoresistive element (not shown) that detects the magnetic field strength in the external environment of the measurement sample, and a specifying unit (shown) that identifies a noise component due to the external environment based on the detection result of the external magnetoresistive element. (May be omitted).
- the external magnetoresistive element may be configured in the same manner as the first magnetoresistive element 1 and the second magnetoresistive element 2 or may be configured differently.
- the specific unit includes all the first and second magnetoresistive elements 1 and 2 and the outside. Since the magnetoresistive element detects with substantially the same phase and intensity, it is specified that the common signal waveform in these detection results is environmental noise. Furthermore, the specific unit subtracts the environmental noise from the magnetic field strength detected by the first and second magnetoresistive elements 1 and 2 (the magnetic field information of the measurement sample and the magnetic field information as environmental noise are mixed). Accurate magnetic field information can be obtained.
- the intensity of the environmental noise detected by the first and second magnetoresistive elements 1 and 2 and the external magnetoresistive element is different.
- the specific unit weights the outputs of the first and second magnetoresistive elements 1 and 2 and the external magnetoresistive element based on multivariate analysis (for example, principal component analysis, etc.), and calculates the environmental noise component. By specifying and subtracting from the measurement result, more accurate magnetic field information can be obtained.
- the intensity of the environmental noise is large, the signal is saturated when the output signals of the first and second magnetoresistive elements 1 and 2 and the external magnetoresistive element are amplified by an amplification amplifier (not shown).
- the dynamic range of the external magnetoresistive element is set to be wide (specifically, the gain of the amplification amplifier is reduced) so that strong environmental noise falls within the measurement range, and how much environmental noise is mixed. It is preferable to have a configuration that can grasp the above. Moreover, it is preferable that a specific part feeds back the gain of the amplification amplifier of the 1st and 2nd magnetoresistive elements 1 and 2 based on the detection result of an external magnetoresistive element, and resets it to an appropriate gain.
- the laminated body of the first and second magnetoresistive elements 1 and 2 is formed into a cylindrical or box-shaped magnetic shield ( The intensity of the environmental noise detected by the first and second magnetoresistive elements 1 and 2 may be reduced by covering with (not shown).
- the magnetic shield for example, a plate-like or sheet-like member containing an iron mixed system such as NiFe or CoFeSiB having a high magnetic permeability is combined. For example, if current can be applied to the measurement sample, the current is applied to the measurement sample in a frequency band different from that of the environmental noise, and the magnetic field generated by the current is measured.
- the intensity can be distinguished by the frequency.
- the frequency of a commercial power supply often cited as environmental noise is 50 Hz, 60 Hz, and multiples thereof.
- 70 Hz does not overlap with those frequency bands, and therefore, a current of 70 Hz is applied to the measurement sample.
- the environmental noise is always constant, measurement is performed with the magnetic sensor 100 in advance without the measurement sample being set as a reference, and then measurement is performed with the measurement sample being set.
- Environmental noise can be removed by subtracting.
- FIG. 5 is a schematic configuration diagram illustrating the magnetic sensor 200 and the measurement sample 6 according to the second embodiment.
- the magnetic sensor 200 according to the second embodiment includes a plurality of sets of the first magnetoresistive element 1 and the second magnetoresistive element 2, and the plurality of sets of the first magnetoresistive element 1 and the second magnetoresistive element 1.
- the resistance elements 2 are configured to be two-dimensionally arranged along the XY plane. More specifically, the magnetic sensor 200 is configured such that a plurality of the magnetic sensors 100 are two-dimensionally arranged and fixed on a flat support member 201.
- the plurality of magnetic sensors 100 fixed on the support member 201 may have the first magnetoresistive element 1 side surface fixed to the support member 201 or the second magnetoresistive element 2 side surface supported. It may be fixed to the member 201. Further, they may be different for each of the plurality of magnetic sensors 100.
- the magnetic sensor 200 includes a plurality of sets of the first magnetoresistive element 1 and the second magnetoresistive element 2, and the plurality of sets of the first magnetoresistive element 1 and the first magnetoresistive element 1
- the two magnetoresistive elements 2 are two-dimensionally arranged along a plane perpendicular to the stacking direction of the first magnetoresistive element 1 and the second magnetoresistive element 2, so that two components in the plane direction to be arranged It is possible to obtain the magnetic field intensity of the.
- such a magnetic sensor 200 is very useful for detecting an abnormal metal 61 generated inside, for example, in a flat thin lithium ion battery as the measurement sample 6.
- the abnormal metal 61 is often generated inside the battery in a shape extending in the thickness direction of the thin lithium ion battery (in the case shown in FIG. 5, the Z direction).
- the component in the XY direction is mainly used. Therefore, it is possible to detect with high accuracy by using the magnetic sensor 200.
- the magnetic sensor 200 is configured by two-dimensionally arranging a plurality of magnetic sensors 100.
- the present invention is not limited to this, and the magnetic sensor 200 is arranged in one dimension. It is good also as what is comprised.
- the present invention can be used for a magnetic sensor.
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Abstract
互いに異なる成分の磁場強度を検出する各磁気抵抗素子の検出位置のずれを抑え、精度良く測定を行う。磁気センサー１００は、第１の方向を検出軸とする平面型の第１の磁気抵抗素子１と、第１の方向と異なる第２の方向を検出軸とする平面型の第２の磁気抵抗素子２と、を備え、第１の磁気抵抗素子１の感応部側の面１ａと第２の磁気抵抗素子２の感応部側の面２ａとが対向して配置されている。
Description
本発明は、磁気センサーに関する。
トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ（Tunnel Magneto Resistive）素子）は、磁化の向きが固定された固定磁性層、外部からの磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する自由磁性層、及び固定磁性層と自由磁性層との間に配置された絶縁層を有し、磁気トンネル接合（ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction））を形成する。固定磁性層の磁化の向きと自由磁性層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により絶縁層の抵抗を変化させる。このトンネル磁気抵抗素子を利用したものとして、磁気メモリ・磁気ヘッド・磁気センサーなどが挙げられる。
上記のような磁気抵抗素子を用いた磁気センサーとしては、例えば、磁化の向きが互いに直交する３つの磁気抵抗素子が互いに積層されもの（例えば、特許文献１参照）や、磁化の向きが互いに三次元的に交差するように複数の磁気抵抗素子が一つの基板上に配置されたもの（例えば、特許文献２参照）等が提供されている。
しかしながら、上記従来の技術によれば、それぞれ次のような問題がある。
すなわち、特許文献１に記載の技術にあっては、３つの磁気抵抗素子が積層されて構成されるが、各磁気抵抗素子がどのように積層されているとしても、いずれかの磁気抵抗素子の感応部側の面が他の磁気抵抗素子の感応部側の面から離れて配置される。したがって、各磁気抵抗素子の検出位置はその積層方向において互いにずれることとなるため、測定精度が十分ではない。
すなわち、特許文献１に記載の技術にあっては、３つの磁気抵抗素子が積層されて構成されるが、各磁気抵抗素子がどのように積層されているとしても、いずれかの磁気抵抗素子の感応部側の面が他の磁気抵抗素子の感応部側の面から離れて配置される。したがって、各磁気抵抗素子の検出位置はその積層方向において互いにずれることとなるため、測定精度が十分ではない。
また、特許文献２に記載の技術にあっては、一つの基板上に複数の磁気抵抗素子をそれぞれ配置して構成されるため、各磁気抵抗素子の検出位置は当該基板の面方向において互いにずれることとなり、測定精度が十分ではない。
そこで、本発明は、互いに異なる成分の磁場強度を検出する各磁気抵抗素子の検出位置のずれを抑え、精度良く測定を行うことができる磁気センサーを提供することを目的としている。
以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、磁気センサーであって、
第１の方向を検出軸とする平面型の第１の磁気抵抗素子と、
前記第１の方向と異なる第２の方向を検出軸とする平面型の第２の磁気抵抗素子と、を備え、
前記第１の磁気抵抗素子の感応部側の面と前記第２の磁気抵抗素子の感応部側の面とが対向して配置されている。
第１の方向を検出軸とする平面型の第１の磁気抵抗素子と、
前記第１の方向と異なる第２の方向を検出軸とする平面型の第２の磁気抵抗素子と、を備え、
前記第１の磁気抵抗素子の感応部側の面と前記第２の磁気抵抗素子の感応部側の面とが対向して配置されている。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の磁気センサーにおいて、
前記第１の磁気抵抗素子及び前記第２の磁気抵抗素子の取り出し電極は、前記第１の磁気抵抗素子又は前記第２の磁気抵抗素子が固定される基板上に設けられている。
前記第１の磁気抵抗素子及び前記第２の磁気抵抗素子の取り出し電極は、前記第１の磁気抵抗素子又は前記第２の磁気抵抗素子が固定される基板上に設けられている。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の磁気センサーにおいて、
前記第１の磁気抵抗素子と前記第２の磁気抵抗素子との間に設けられる絶縁層を備える。
前記第１の磁気抵抗素子と前記第２の磁気抵抗素子との間に設けられる絶縁層を備える。
請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気センサーにおいて、
前記第１の磁気抵抗素子と前記第２の磁気抵抗素子の組を複数備え、
複数の組の前記第１の磁気抵抗素子及び前記第２の磁気抵抗素子は、前記第１の磁気抵抗素子及び前記第２の磁気抵抗素子の積層方向に直交する平面に沿って一次元又は二次元に配列されている。
前記第１の磁気抵抗素子と前記第２の磁気抵抗素子の組を複数備え、
複数の組の前記第１の磁気抵抗素子及び前記第２の磁気抵抗素子は、前記第１の磁気抵抗素子及び前記第２の磁気抵抗素子の積層方向に直交する平面に沿って一次元又は二次元に配列されている。
本発明によれば、互いに異なる成分の磁場強度を検出する各磁気抵抗素子の検出位置のずれを抑え、精度良く測定を行うことができる磁気センサーを提供することができる。
以下に、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。
《第１の実施形態》
図１～図４を参照して、第１の実施形態の磁気センサー１００について説明する。図１は、本実施形態の磁気センサー１００を示す概略断面図である。図２は、第１の磁気抵抗素子１の積層構成を示す概略図である。図３は、第１の磁気抵抗素子１及びプリント基板４をその面方向に対する直交方向から見た平面図である。図４は、従来の磁気センサー３００を示す概略断面図である。
図１～図４を参照して、第１の実施形態の磁気センサー１００について説明する。図１は、本実施形態の磁気センサー１００を示す概略断面図である。図２は、第１の磁気抵抗素子１の積層構成を示す概略図である。図３は、第１の磁気抵抗素子１及びプリント基板４をその面方向に対する直交方向から見た平面図である。図４は、従来の磁気センサー３００を示す概略断面図である。
図１に示すように、磁気センサー１００は、第１の方向を検出軸とする平面型の第１の磁気抵抗素子１、第１の方向と異なる第２の方向を検出軸とする平面型の第２の磁気抵抗素子２、第１の磁気抵抗素子１と第２の磁気抵抗素子２との間に設けられる絶縁層３等を備える。また、第１及び第２の磁気抵抗素子１、２は、プリント基板（基板）４及びプリント基板５上にそれぞれ設けられた上で、第１の磁気抵抗素子１の感応部側、すなわち軟磁性層１３３側の面１ａと、第２の磁気抵抗素子２の感応部側、すなわち軟磁性層（図示略）側の面２ａとが対向して配置するように積層されている。第１の磁気抵抗素子１は、シリコン基板１２と素子本体部１４０とが積層されて構成され、第２の磁気抵抗素子２は、シリコン基板２２と素子本体部２４０とが積層されて構成されている。
ここで、以下の説明において、第１及び第２の磁気抵抗素子１、２の面内の特定方向をＸ方向とし、当該面内のＸ方向に直交する方向をＹ方向、当該Ｘ方向及びＹ方向に直交する方向（第１及び第２の磁気抵抗素子１、２の積層方向）をＺ方向とする。本実施形態では、Ｘ方向を第１の方向とし、Ｙ方向を第２の方向としている。
第１の磁気抵抗素子１は、図２に示すように、磁化の向きが固定された固定磁性層１１０、外部からの磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する自由磁性層１３０、及び固定磁性層１１０と自由磁性層１３０との間に配置された絶縁層１２０により、磁気トンネル接合を形成し、固定磁性層１１０の磁化の向きと自由磁性層１３０の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により絶縁層１２０の抵抗を変化させるトンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）である。
第１の磁気抵抗素子１は、例えば、シリコン基板（Ｓｉ、ＳｉＯ２）１２上に、下地層（Ｔａ）１３が形成され、その上に固定磁性層１１０として、下から反強磁性層（ＩｒＭｎ）１１１、強磁性層（ＣｏＦｅ）１１２、磁気結合層（Ｒｕ）１１３、強磁性層（ＣｏＦｅＢ）１１４が積層され、絶縁層（ＭｇＯ）１２０を介して、その上に、自由磁性層１３０として、下から強磁性層（ＣｏＦｅＢ）１３１、軟磁性層（ＮｉＦｅ又はＣｏＦｅＳｉ）１３３が積層された積層構造を有する。これら下地層１３、固定磁性層１１０、絶縁層１２０及び自由磁性層１３０により素子本体部１４０が構成される。なお、強磁性層１３１と軟磁性層１３３との間には、磁気結合層（Ｒｕ）が更に積層されていても良い。
このように構成される第１の磁気抵抗素子１は、検出磁場ゼロの状態においては、固定磁性層１１０の磁化の向きと自由磁性層１３０の磁化の向きとが略９０度のねじれの位置で安定している。これは、それぞれ磁化容易軸の方向に磁化しているからである。すなわち、第１の磁気抵抗素子１は、自由磁性層１３０の磁化容易軸の方向Ａ２が固定磁性層１１０の磁化容易軸の方向Ａ１に対して略９０度ねじれた位置に形成されたものである。
例えば、固定磁性層１１０の磁化の向きに対して反対方向の外部磁場が第１の磁気抵抗素子１に印加されると、自由磁性層１３０の磁化の向きが固定磁性層１１０の磁化の向きの逆方向側へスピンし、トンネル効果により絶縁層１２０の抵抗が増大する。一方、固定磁性層１１０の磁化の向きに対して同方向の外部磁場が第１の磁気抵抗素子１に印加されると、自由磁性層１３０の磁化の向きが固定磁性層１１０の磁化の向きと同方向側へスピンし、トンネル効果により絶縁層１２０の抵抗が減少する。
ここで、第１の磁気抵抗素子１の感応部の大きさは、面内方向の一辺の長さが例えば数十μｍ～数ｍｍの範囲内であることが一般的である。感応部の大きさは、第１の磁気抵抗素子１のＳ／Ｎ比や空間分解能に影響を与える。
一方、磁気センサー１００の測定対象物である測定試料の大きさは、平板状である場合、例えば一辺の長さが数ｃｍ～数ｍの範囲内であることが一般的である。また、測定試料の厚さは、数百μｍ～数ｃｍの範囲内が一般的である。また、測定試料が、例えばラミネートタイプのリチウムイオンバッテリーである場合、一辺の長さが１０～３０ｃｍの範囲内であることが一般的である。また、測定試料が、例えばアルミ板や炭素鋼板のテストサンプルである場合、一辺の長さが２０～１００ｃｍの範囲内であることが一般的であり、数ｍの場合もある。
一方、磁気センサー１００の測定対象物である測定試料の大きさは、平板状である場合、例えば一辺の長さが数ｃｍ～数ｍの範囲内であることが一般的である。また、測定試料の厚さは、数百μｍ～数ｃｍの範囲内が一般的である。また、測定試料が、例えばラミネートタイプのリチウムイオンバッテリーである場合、一辺の長さが１０～３０ｃｍの範囲内であることが一般的である。また、測定試料が、例えばアルミ板や炭素鋼板のテストサンプルである場合、一辺の長さが２０～１００ｃｍの範囲内であることが一般的であり、数ｍの場合もある。
第１の磁気抵抗素子１単体の空間分解能は、測定試料中に存在する金属異常物に対する相対的な大きさに依存する。例えば、直径Φが１００μｍ程度の略球形状の金属異常物の大まかな位置を検知する場合、第１の磁気抵抗素子１の一辺の長さは、金属異常物の直径と同程度（約１００μｍ）から、金属異常物の直径の１００倍程度（約１０ｍｍ）までの範囲内に設定されていることが好ましい。また、例えば、直径Φが１００μｍ程度の金属異常物の位置を正確に検知する場合、第１の磁気抵抗素子１の一辺の長さは、金属異常物の直径と同程度（約１００μｍ）から、金属異常物の直径の１０倍程度（約１ｍｍ）までの範囲内に設定されていることが好ましい。
第２の磁気抵抗素子２は、検出軸の方向が異なる以外は第１の磁気抵抗素子１と同様に構成されている。具体的には、第１の磁気抵抗素子１は、固定磁性層１１０の磁化の向きがＸ方向であることにより、Ｘ方向を検出軸とするのに対し、第２の磁気抵抗素子２は、固定磁性層（図示略）の磁化の向きがＹ方向であることにより、Ｙ方向を検出軸としている。
プリント基板４、５は、図１に示すように、それぞれ第１及び第２の磁気抵抗素子１、２を固定し、支持している。プリント基板４の第１の磁気抵抗素子１が設けられている面には、図３に示すように、第１の磁気抵抗素子１の信号を取得するための取り出し電極４１、４２と、第２の磁気抵抗素子２の信号を取得するための取り出し電極４３、４４とが設けられている。また、図１に示すように、プリント基板５の第２の磁気抵抗素子２が設けられている面には、第２の磁気抵抗素子２と取り出し電極４３、４４と電気的に接続するための接続部５１が設けられている。また、接続部５１と取り出し電極４３、４４との間には、これらを導通させるための導通部４５が設けられている。これにより、第１の磁気抵抗素子１が設けられるプリント基板４から、対向配置される第１及び第２の磁気抵抗素子１、２の信号を容易に取得することができる。導通部４５としては、例えば、ボールバンプ等が用いられる。
絶縁層３は、第１の磁気抵抗素子１と第２の磁気抵抗素子２との間に設けられ、絶縁材料（例えばＳｉＯ２等）からなる絶縁性シートの両面に、第１及び第２の磁気抵抗素子１、２とそれぞれ接着されるための接着剤層が設けられて構成されている。これにより、第１の磁気抵抗素子１の面１ａと第２の磁気抵抗素子２の面２ａとの直接的な接触を防止するとともに、両者を接着して一体化することができる。また、第１の磁気抵抗素子１と第２の磁気抵抗素子２との干渉を抑制し、各磁気抵抗素子１、２による検出精度を向上させることができる。接着剤層としては、例えば、熱硬化性樹脂を用いて構成することができる。なお、絶縁層３は、絶縁性シートを備えず、絶縁性の接着剤層で構成されるものであっても良い。
ここで、絶縁層３は、例えば、厚さ２００ｎｍの絶縁性シートと、総厚５０μｍの接着剤層とで構成することができる。したがって、第１の磁気抵抗素子１の感応部側の面１ａと第２の磁気抵抗素子２の感応部側の面２ａとはＺ方向において約５０μｍ程度の位置ずれが生じるのみであり、第１の磁気抵抗素子１と第２の磁気抵抗素子２はＺ方向においてほぼ同一の位置にて測定を行うことができる。これにより、本実施形態の磁気センサー１００は、各磁気抵抗素子１、２の検出位置のずれが抑えられ、二成分の磁場強度を精度良く検出することができる。
これに対して、図４に示す従来技術のように、プリント基板４上に設けられた第１の磁気抵抗素子１とプリント基板５上に設けられた第２の磁気抵抗素子２とが、面１ａと面２ａを対向させることなく積層された場合には、面１ａと面２ａとの間には少なくとも絶縁層３、プリント基板５及びシリコン基板２２が介在することとなる。例えば、プリント基板４の厚さを１．０ｍｍ、シリコン基板１２の厚さを０．７ｍｍとすると、従来の磁気センサー３００においては、面１ａと面２ａとはＺ方向において約１．７５ｍｍの位置ずれを生じ、二成分の磁場強度を精度良く検出することができない。
なお、図４に示す磁気センサー３００においては、第１の磁気抵抗素子１と第２の磁気抵抗素子２とが対向配置されていないため、第２の磁気抵抗素子２の信号を検出するための取り出し電極４３が、プリント基板５の第２の磁気抵抗素子２が設けられている面上に設けられている。
なお、図４に示す磁気センサー３００においては、第１の磁気抵抗素子１と第２の磁気抵抗素子２とが対向配置されていないため、第２の磁気抵抗素子２の信号を検出するための取り出し電極４３が、プリント基板５の第２の磁気抵抗素子２が設けられている面上に設けられている。
上記のように構成される磁気センサー１００を用いて測定を行う際には、磁気センサー１００を測定試料に近接させた状態で行う。また、当該測定試料が磁気センサー１００に対して大きい場合においては、磁気センサー１００を測定試料に近接させた状態で相対移動させることによって測定試料の磁場分布を測定することができる。
具体的には、例えば、磁気センサー１００をＹ方向に所定距離ずつ走査させて、当該所定距離おきの測定位置における磁場強度をそれぞれ検出することで、測定試料のＹ方向全域の磁場分布を取得することができる。この場合、各測定位置間の距離を短くすることで、Ｙ方向の空間分解能を向上させることができる。また、磁気センサー１００をＹ方向に走査させて測定試料のＹ方向全域を測定した後、Ｘ方向に所定距離走査させてから、再びＹ方向に走査させつつ測定を行うことで、より広域の磁場分布を測定できる。さらに、磁気センサー１００をＺ方向に所定距離走査させてから、再びＸ方向及びＹ方向に走査させつつ測定を行うことで、測定試料の磁場分布をより詳細に測定することが可能となる。
なお、複数の磁気センサー１００を用いて測定を行うものとしても良いし、それらの複数の磁気センサー１００を測定試料に対してそれぞれ相対移動させるものとしても良い。
具体的には、例えば、磁気センサー１００をＹ方向に所定距離ずつ走査させて、当該所定距離おきの測定位置における磁場強度をそれぞれ検出することで、測定試料のＹ方向全域の磁場分布を取得することができる。この場合、各測定位置間の距離を短くすることで、Ｙ方向の空間分解能を向上させることができる。また、磁気センサー１００をＹ方向に走査させて測定試料のＹ方向全域を測定した後、Ｘ方向に所定距離走査させてから、再びＹ方向に走査させつつ測定を行うことで、より広域の磁場分布を測定できる。さらに、磁気センサー１００をＺ方向に所定距離走査させてから、再びＸ方向及びＹ方向に走査させつつ測定を行うことで、測定試料の磁場分布をより詳細に測定することが可能となる。
なお、複数の磁気センサー１００を用いて測定を行うものとしても良いし、それらの複数の磁気センサー１００を測定試料に対してそれぞれ相対移動させるものとしても良い。
上記のように構成される磁気センサー１００は、例えば、次のようにして製造することができる。
すなわち、まず、第１の磁気抵抗素子１が設けられたプリント基板４と、第２の磁気抵抗素子２が設けられたプリント基板５とを準備する。第１の磁気抵抗素子１の面１ａ上には、あらかじめ絶縁層３が設けられ、プリント基板４の取り出し電極４３、４４上には、あらかじめ導通部４５としてボールバンプ等が設けられている。次に、面１ａと面２ａとを対向させた状態で、第１の磁気抵抗素子１と第２の磁気抵抗素子２とをＸＹ方向に位置合わせする。次に、第１の磁気抵抗素子１と第２の磁気抵抗素子２とを接触させた状態で、絶縁層３及び導通部４５を加熱し、両者を一体化することで、磁気センサー１００を製造することができる。
すなわち、まず、第１の磁気抵抗素子１が設けられたプリント基板４と、第２の磁気抵抗素子２が設けられたプリント基板５とを準備する。第１の磁気抵抗素子１の面１ａ上には、あらかじめ絶縁層３が設けられ、プリント基板４の取り出し電極４３、４４上には、あらかじめ導通部４５としてボールバンプ等が設けられている。次に、面１ａと面２ａとを対向させた状態で、第１の磁気抵抗素子１と第２の磁気抵抗素子２とをＸＹ方向に位置合わせする。次に、第１の磁気抵抗素子１と第２の磁気抵抗素子２とを接触させた状態で、絶縁層３及び導通部４５を加熱し、両者を一体化することで、磁気センサー１００を製造することができる。
ここで、第１の磁気抵抗素子１と第２の磁気抵抗素子２のＸＹ方向の位置合わせ方法としては、公知の方法を用いることができる。
例えば、第２の磁気抵抗素子２を作製する際に、両面アライナーを用いてシリコン基板の裏面（シリコン基板の両面のうち、自由磁性層等が設けられていない面）に、レジストにより軟磁性層形状に対応するパターニングを行う。そして、ドライエッチングにより当該シリコン基板に位置合わせ用の凹部を設け、当該凹部に赤外線を通さない金属等の材料を埋め込んで、位置合わせマークを形成しておく。このようにして作製した第２の磁気抵抗素子２を第１の磁気抵抗素子１と対向させ、第２の磁気抵抗素子２側から赤外線光学カメラにてプリント基板５やシリコン基板を透過して位置合わせマークを確認しながら、位置合わせを行う方法を挙げることができる。
例えば、第２の磁気抵抗素子２を作製する際に、両面アライナーを用いてシリコン基板の裏面（シリコン基板の両面のうち、自由磁性層等が設けられていない面）に、レジストにより軟磁性層形状に対応するパターニングを行う。そして、ドライエッチングにより当該シリコン基板に位置合わせ用の凹部を設け、当該凹部に赤外線を通さない金属等の材料を埋め込んで、位置合わせマークを形成しておく。このようにして作製した第２の磁気抵抗素子２を第１の磁気抵抗素子１と対向させ、第２の磁気抵抗素子２側から赤外線光学カメラにてプリント基板５やシリコン基板を透過して位置合わせマークを確認しながら、位置合わせを行う方法を挙げることができる。
また、例えば、第２の磁気抵抗素子２を固定するプリント基板５の裏面（第２の磁気抵抗素子２が固定される面と反対側の面）に、第２の磁気抵抗素子２の位置に対応する位置合わせマークを形成しておく。そして、第２の磁気抵抗素子２を第１の磁気抵抗素子１と対向させ、カメラ等でプリント基板５の位置合わせマークを確認しながら位置合わせを行う方法も挙げられる。
さらには、例えば、第２の磁気抵抗素子２を固定するプリント基板５に貫通孔を設けたり、プリント基板５を光透過性を有するように構成したりすることで、第２の磁気抵抗素子２側からカメラ等で第１の磁気抵抗素子１の位置を確認しながら、位置合わせを行うことも可能である。
以上、第１の実施形態によれば、磁気センサー１００が、第１の方向を検出軸とする平面型の第１の磁気抵抗素子１と、第１の方向と異なる第２の方向を検出軸とする平面型の第２の磁気抵抗素子２と、を備え、第１の磁気抵抗素子１の感応部側の面１ａと第２の磁気抵抗素子２の感応部側の面２ａとが対向して配置されているので、互いに異なる成分の磁場強度を検出する第１及び第２の磁気抵抗素子１、２の検出位置のずれが抑えられ、精度良く測定を行うことができる。
また、第１の磁気抵抗素子１及び第２の磁気抵抗素子２の取り出し電極４１～４４が、第１の磁気抵抗素子が固定されるプリント基板４上に設けられているので、第１及び第２の磁気抵抗素子１、２の信号をより容易に取得することができる。
また、第１の磁気抵抗素子１と第２の磁気抵抗素子２との間に設けられる絶縁層３を備えるので、第１の磁気抵抗素子１と第２の磁気抵抗素子２との干渉を抑制し、より精度良く測定を行うことができる。
なお、上記した第１の実施形態では、第１の磁気抵抗素子１及び第２の磁気抵抗素子２がトンネル磁気抵抗素子であるものとしたが、平面型のものであればこれに限られるものではなく、例えば、異方向性磁気抵抗素子（ＡＭＲ（Anisotropic Magneto Resistive effect）素子）や、巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ（Giant Magneto Resistive effect）素子）等であっても良い。
また、上記した第１の実施形態では、第１の磁気抵抗素子１がＸ方向を検出軸とし、第２の磁気抵抗素子２がＹ方向を検出軸としている、すなわち、第１の磁気抵抗素子１の検出軸の方向と第２の磁気抵抗素子２の検出軸の方向が、第１及び第２の磁気抵抗素子１、２の面方向において９０度ねじれているものとしたが、これに限られるものではない。例えば、第１の磁気抵抗素子１の検出軸の方向と第２の磁気抵抗素子２の検出軸の方向とのなす角度は９０度未満であっても良い。
また、上記した第１の実施形態では、取り出し電極４１～４４がプリント基板４上に設けられているものとしたが、これに限られるものではない。例えば、取り出し電極４１～４４がプリント基板５上に設けられているものとしても良いし、取り出し電極４１、４２がプリント基板４上に設けられ、取り出し電極４３、４４がプリント基板５上に設けられているものとしても良い。
また、上記した第１の実施形態では、対向配置される第１の磁気抵抗素子１と第２の磁気抵抗素子２との間に絶縁層３が設けられているものとしたが、絶縁層３が設けられていなくても良い。この場合には、第１の磁気抵抗素子１と第２の磁気抵抗素子２とが互いに接触しないように、隙間を設けた状態で固定されていることが好ましい。
また、上記した第１の実施形態では、磁気センサー１００が、第１及び第２の磁気抵抗素子１、２、絶縁層３等を備えて構成されているものとしたが、これに限られるものではなく、外部環境によるノイズ成分を除去するための構成を備えているものとしても良い。
例えば、磁気センサー１００が、測定試料の外部環境における磁場強度を検出する外部磁気抵抗素子（図示略）と、当該外部磁気抵抗素子による検出結果に基づき外部環境によるノイズ成分を特定する特定部（図示略）を備えているものとしても良い。外部磁気抵抗素子は、上記第１の磁気抵抗素子１や第２の磁気抵抗素子２と同様に構成されていても良いし、異なる構成であっても良い。特定部は、例えば、測定試料の外部を発信源とする外部環境によるノイズ（環境ノイズ）が発生している場合、当該環境ノイズは全ての第１及び第２の磁気抵抗素子１、２及び外部磁気抵抗素子でほぼ等しい位相と強度で検出されるため、これらの検出結果において共通する信号波形が環境ノイズであることを特定する。さらに、特定部が、第１及び第２の磁気抵抗素子１、２で検出された磁場強度（測定試料の磁場情報と環境ノイズとしての磁場情報が混在）から環境ノイズを差し引くことで、より高精度な磁場情報を得ることができる。
また、測定試料に近い位置に環境ノイズの発信源が存在する場合、第１及び第２の磁気抵抗素子１、２及び外部磁気抵抗素子で検出される環境ノイズの強度は異なる。その場合は、特定部は、多変量分析（例えば主成分分析等）を元に、第１及び第２の磁気抵抗素子１、２及び外部磁気抵抗素子の出力に重み付けを行い、環境ノイズ成分を特定し、測定結果から差し引くことで、より高精度な磁場情報を得ることができる。
ここで、環境ノイズの強度が大きいと、第１及び第２の磁気抵抗素子１、２及び外部磁気抵抗素子の出力信号を増幅アンプ（図示略）で増幅したときに信号が飽和してしまい、測定が行えなかったり精度が低下したりする場合がある。そこで、外部磁気抵抗素子のダイナミックレンジを広く設定して（具体的には増幅アンプのゲインを小さくする）、強度の強い環境ノイズも測定範囲に収まるようにし、どの程度の環境ノイズが混在したかを把握できる構成にしておくことが好ましい。また、特定部は、外部磁気抵抗素子の検出結果に基づき、第１及び第２の磁気抵抗素子１、２の増幅アンプのゲインにフィードバックをかけ、適正な増幅率に再設定することが好ましい。
例えば、磁気センサー１００が、測定試料の外部環境における磁場強度を検出する外部磁気抵抗素子（図示略）と、当該外部磁気抵抗素子による検出結果に基づき外部環境によるノイズ成分を特定する特定部（図示略）を備えているものとしても良い。外部磁気抵抗素子は、上記第１の磁気抵抗素子１や第２の磁気抵抗素子２と同様に構成されていても良いし、異なる構成であっても良い。特定部は、例えば、測定試料の外部を発信源とする外部環境によるノイズ（環境ノイズ）が発生している場合、当該環境ノイズは全ての第１及び第２の磁気抵抗素子１、２及び外部磁気抵抗素子でほぼ等しい位相と強度で検出されるため、これらの検出結果において共通する信号波形が環境ノイズであることを特定する。さらに、特定部が、第１及び第２の磁気抵抗素子１、２で検出された磁場強度（測定試料の磁場情報と環境ノイズとしての磁場情報が混在）から環境ノイズを差し引くことで、より高精度な磁場情報を得ることができる。
また、測定試料に近い位置に環境ノイズの発信源が存在する場合、第１及び第２の磁気抵抗素子１、２及び外部磁気抵抗素子で検出される環境ノイズの強度は異なる。その場合は、特定部は、多変量分析（例えば主成分分析等）を元に、第１及び第２の磁気抵抗素子１、２及び外部磁気抵抗素子の出力に重み付けを行い、環境ノイズ成分を特定し、測定結果から差し引くことで、より高精度な磁場情報を得ることができる。
ここで、環境ノイズの強度が大きいと、第１及び第２の磁気抵抗素子１、２及び外部磁気抵抗素子の出力信号を増幅アンプ（図示略）で増幅したときに信号が飽和してしまい、測定が行えなかったり精度が低下したりする場合がある。そこで、外部磁気抵抗素子のダイナミックレンジを広く設定して（具体的には増幅アンプのゲインを小さくする）、強度の強い環境ノイズも測定範囲に収まるようにし、どの程度の環境ノイズが混在したかを把握できる構成にしておくことが好ましい。また、特定部は、外部磁気抵抗素子の検出結果に基づき、第１及び第２の磁気抵抗素子１、２の増幅アンプのゲインにフィードバックをかけ、適正な増幅率に再設定することが好ましい。
また、例えば、測定試料の磁場強度が微小で、環境ノイズが測定の阻害要素である場合、第１及び第２の磁気抵抗素子１、２の積層体を円筒形状や箱型形状の磁気シールド（図示略）で覆うことで、第１及び第２の磁気抵抗素子１、２により検出される環境ノイズの強度を低減させるものとしても良い。当該磁気シールドとしては、例えば、透磁率の高いＮｉＦｅやＣｏＦｅＳｉＢ等の鉄混合系を含有する板状又はシート状部材が組み合わされて構成される。
また、例えば、測定試料に電流を印加可能であれば、環境ノイズとは異なる周波数帯で測定試料に電流を印加し、その電流によって発生した磁場を測定することで、環境ノイズと測定試料の磁場強度とを周波数によって区別することができる。例えば、環境ノイズとして良く挙げられる商用電源の周波数は５０Ｈｚ、６０Ｈｚ、及びそれらの倍数であり、例えば７０Ｈｚはそれらの周波数帯とは重ならないため、測定試料に７０Ｈｚの電流を印加することが挙げられる。
また、例えば、環境ノイズが常に一定である場合、あらかじめリファレンスとして測定試料を設置しない状態で磁気センサー１００により測定を行った後、測定試料を設置した状態で測定を行い、その測定結果からリファレンス分を差し引くことで環境ノイズを除去することができる。
また、例えば、測定試料に電流を印加可能であれば、環境ノイズとは異なる周波数帯で測定試料に電流を印加し、その電流によって発生した磁場を測定することで、環境ノイズと測定試料の磁場強度とを周波数によって区別することができる。例えば、環境ノイズとして良く挙げられる商用電源の周波数は５０Ｈｚ、６０Ｈｚ、及びそれらの倍数であり、例えば７０Ｈｚはそれらの周波数帯とは重ならないため、測定試料に７０Ｈｚの電流を印加することが挙げられる。
また、例えば、環境ノイズが常に一定である場合、あらかじめリファレンスとして測定試料を設置しない状態で磁気センサー１００により測定を行った後、測定試料を設置した状態で測定を行い、その測定結果からリファレンス分を差し引くことで環境ノイズを除去することができる。
《第２の実施形態》
本発明の磁気センサーの第２の実施形態について図５を参照して以下説明する。以下に説明する以外の構成は上記第１の実施形態の磁気センサー１００と略同様であるため、同一の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
本発明の磁気センサーの第２の実施形態について図５を参照して以下説明する。以下に説明する以外の構成は上記第１の実施形態の磁気センサー１００と略同様であるため、同一の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図５は、第２の実施形態の磁気センサー２００及び測定試料６を示す概略構成図である。
第２の実施形態に係る磁気センサー２００は、第１の磁気抵抗素子１と第２の磁気抵抗素子２の組を複数備え、当該複数の組の第１の磁気抵抗素子１及び第２の磁気抵抗素子２が、ＸＹ平面に沿って二次元に配列されて構成されている。より具体的には、磁気センサー２００は、複数の上記磁気センサー１００が、平板状の支持部材２０１上に二次元に配列され、固定されて構成されている。支持部材２０１上に固定される複数の磁気センサー１００は、第１の磁気抵抗素子１側の面が支持部材２０１に固定されていても良いし、第２の磁気抵抗素子２側の面が支持部材２０１に固定されていても良い。また、それらは複数の磁気センサー１００ごとに異なっていても良い。
第２の実施形態に係る磁気センサー２００は、第１の磁気抵抗素子１と第２の磁気抵抗素子２の組を複数備え、当該複数の組の第１の磁気抵抗素子１及び第２の磁気抵抗素子２が、ＸＹ平面に沿って二次元に配列されて構成されている。より具体的には、磁気センサー２００は、複数の上記磁気センサー１００が、平板状の支持部材２０１上に二次元に配列され、固定されて構成されている。支持部材２０１上に固定される複数の磁気センサー１００は、第１の磁気抵抗素子１側の面が支持部材２０１に固定されていても良いし、第２の磁気抵抗素子２側の面が支持部材２０１に固定されていても良い。また、それらは複数の磁気センサー１００ごとに異なっていても良い。
以上、第２の実施形態によれば、磁気センサー２００が、第１の磁気抵抗素子１と第２の磁気抵抗素子２の組を複数備え、複数の組の第１の磁気抵抗素子１及び第２の磁気抵抗素子２が、第１の磁気抵抗素子１及び第２の磁気抵抗素子２の積層方向に直交する平面に沿って二次元に配列されているので、配列される平面方向の二成分の磁場強度を精度良く取得することができる。また、このような磁気センサー２００は、例えば、測定試料６としての平面型の薄型リチウムイオン電池において、内部に生じる金属異常物６１の検出に非常に有用である。当該金属異常物６１は、薄型リチウムイオン電池の厚さ方向（図５に示す場合においてはＺ方向）に延在する形状で電池内部に発生することが多く、この場合、主にＸＹ方向の成分を持つ磁場を発生するため、磁気センサー２００を用いることで精度良く検出することが可能である。
なお、上記した第２の実施形態では、磁気センサー２００が、複数の磁気センサー１００が二次元に配列されて構成されているものとしたが、これに限られるものではなく、一次元に配列されて構成されているものとしても良い。
本発明は、磁気センサーに利用することができる。
１ 第１の磁気抵抗素子
１ａ 面
２ 第２の磁気抵抗素子
２ａ 面
３ 絶縁層
４ プリント基板（基板）
４１、４２、４３、４４ 取り出し電極
１００、２００ 磁気センサー
１３３ 軟磁性層（感応部）
１ａ 面
２ 第２の磁気抵抗素子
２ａ 面
３ 絶縁層
４ プリント基板（基板）
４１、４２、４３、４４ 取り出し電極
１００、２００ 磁気センサー
１３３ 軟磁性層（感応部）
Claims (4)
- 第１の方向を検出軸とする平面型の第１の磁気抵抗素子と、
前記第１の方向と異なる第２の方向を検出軸とする平面型の第２の磁気抵抗素子と、を備え、
前記第１の磁気抵抗素子の感応部側の面と前記第２の磁気抵抗素子の感応部側の面とが対向して配置されている磁気センサー。 - 前記第１の磁気抵抗素子及び前記第２の磁気抵抗素子の取り出し電極は、前記第１の磁気抵抗素子又は前記第２の磁気抵抗素子が固定される基板上に設けられている請求項１に記載の磁気センサー。
- 前記第１の磁気抵抗素子と前記第２の磁気抵抗素子との間に設けられる絶縁層を備える請求項１又は２に記載の磁気センサー。
- 前記第１の磁気抵抗素子と前記第２の磁気抵抗素子の組を複数備え、
複数の組の前記第１の磁気抵抗素子及び前記第２の磁気抵抗素子は、前記第１の磁気抵抗素子及び前記第２の磁気抵抗素子の積層方向に直交する平面に沿って一次元又は二次元に配列されている請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気センサー。
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| JP2017-086358 | 2017-04-25 | ||
| JP2017086358A JP2020106270A (ja) | 2017-04-25 | 2017-04-25 | 磁気センサー |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2018198901A1 true WO2018198901A1 (ja) | 2018-11-01 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/JP2018/015985 WO2018198901A1 (ja) | 2017-04-25 | 2018-04-18 | 磁気センサー |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102021127346A1 (de) | 2021-10-21 | 2023-04-27 | Infineon Technologies Ag | Magnetfeldsensor, verfahren zu dessen herstellung und verfahren zum messen eines magnetfelds |
| WO2023223428A1 (ja) * | 2022-05-17 | 2023-11-23 | 三菱電機株式会社 | 電流センサ |
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2017
- 2017-04-25 JP JP2017086358A patent/JP2020106270A/ja active Pending
-
2018
- 2018-04-18 WO PCT/JP2018/015985 patent/WO2018198901A1/ja active Application Filing
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