WO2022018978A1 - 磁気センサ - Google Patents

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WO2022018978A1
WO2022018978A1 PCT/JP2021/021020 JP2021021020W WO2022018978A1 WO 2022018978 A1 WO2022018978 A1 WO 2022018978A1 JP 2021021020 W JP2021021020 W JP 2021021020W WO 2022018978 A1 WO2022018978 A1 WO 2022018978A1
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WO
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magnetic
magnetoresistive element
magnetic sensor
insulating layer
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PCT/JP2021/021020
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Inventor
雅彦 鷲平
Original Assignee
株式会社村田製作所
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09Magnetoresistive devices
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10Magnetoresistive devices

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic sensor.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-2297463
  • the magnetic sensor described in Patent Document 1 includes a magnetoresistor made of a ferromagnetic thin film formed on a substrate, and outputs a voltage when a magnetic field is applied to the magnetic resistor from the outside.
  • the ferromagnetic thin film has the same film composition in the region where this thin film is formed.
  • the magnetic sensor includes at least four magnetoresistors, is connected in a bridge shape at at least four connection points, and constitutes a magnetoresistive element unit that takes out an output from each of the opposing connection points.
  • the magnetic sensor described in Patent Document 1 has a magnetic field that can detect a magnetic field, and cannot detect a magnetic field in a non-magnetic direction that is orthogonal to the magnetic field direction.
  • the four magnetic resistors provided in the magnetic sensor have two magnetoresistive bodies whose resistance value changes when a magnetic field in the magnetic field direction acts on them, and two magnetic resistance bodies whose resistance value hardly changes when a magnetic field in the magnetic field direction acts on them. Includes two fixed resistors.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and provides a magnetic sensor capable of suppressing a decrease in detection sensitivity of a magnetic field in the second direction due to the influence of a magnetic field in the first direction.
  • the purpose is a magnetic sensor capable of suppressing a decrease in detection sensitivity of a magnetic field in the second direction due to the influence of a magnetic field in the first direction.
  • the magnetic sensor based on the present invention includes a first magnetoresistive element, a second magnetoresistive element, an insulating layer, and a magnetic material member.
  • the second magnetoresistive element is electrically connected to the first magnetoresistive element to form a bridge circuit.
  • the insulating layer covers the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element.
  • the magnetic member is located above the insulating layer.
  • the first magnetoresistive sensor has an outer peripheral edge and an inner peripheral edge. The magnetic member is located in a region inside the outer peripheral edge of the first magnetoresistive element when viewed from a direction orthogonal to the insulating layer.
  • the second magnetoresistive element is located in a region inside the inner peripheral edge of the first magnetoresistive element when viewed from a direction orthogonal to the insulating layer, and is covered with a magnetic material member.
  • the first magnetoresistive element is provided with a conductive layer on a part of the magnetic member outside the magnetic member so as to sandwich the magnetic member between them in the first direction when viewed from a direction orthogonal to the insulating layer.
  • the present invention it is possible to suppress a decrease in the detection sensitivity of the magnetic field in the second direction of the magnetic sensor due to the influence of the magnetic field in the first direction.
  • FIG. 3 is a plan view of the magnetic sensor of FIG. 1 as viewed from the direction of arrow II. It is an equivalent circuit diagram of the magnetic sensor which concerns on Embodiment 1 of this invention. It is sectional drawing which shows the laminated structure of the circuit board of the magnetic sensor which concerns on Embodiment 1 of this invention. It is a top view which shows each pattern of the 1st magnetic resistance element and the 2nd magnetic resistance element of the magnetic sensor which concerns on Embodiment 1 of this invention.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a magnetic sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view of the magnetic sensor of FIG. 1 as viewed from the direction of arrow II.
  • FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the magnetic sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • the outer edge of the first magnetic material member, which will be described later is shown by a dotted line.
  • the width direction of the circuit board 100 which will be described later, is shown as the X direction
  • the length direction of the circuit board 100 is shown as the Y direction
  • the thickness direction of the circuit board 100 is shown as the Z direction.
  • FIG. 2 does not show a differential amplifier and a temperature compensation circuit, which will be described later.
  • the magnetic sensor 1 As shown in FIGS. 1 and 2, the magnetic sensor 1 according to the first embodiment of the present invention includes a circuit board 100 and two magnetic material members 40 provided on the circuit board 100.
  • the four magnetic resistors are electrically connected to the circuit board 100 of the magnetic sensor 1 according to the first embodiment of the present invention by wiring to form a Wheatstone bridge type bridge circuit.
  • An element is provided.
  • the four magnetoresistive elements consist of two sets of a first magnetoresistive element and a second magnetoresistive element.
  • the magnetic sensor 1 includes a first magnetoresistive element 120a and a second magnetoresistive element 130a, and a first magnetoresistive element 120b and a second magnetoresistive element 130b.
  • the magnetic sensor 1 includes, but is not limited to, two sets of a first magnetoresistive element and a second magnetoresistive element, and at least one set of a first magnetoresistive element and a second magnetic resistance element. It suffices to include a second magnetoresistive element.
  • the circuit board 100 is configured with a half-bridge circuit.
  • Each of the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element is an AMR (Anisotropic Magneto Resistance) element.
  • each of the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element replaces the AMR element with a GMR (Giant Magneto Resistance) element, a TMR (Tunnel Magneto Resistance) element, a BMR (Ballistic Magneto Resistance) element, and a CMR (Colossal). It may be a magnetoresistive element such as a Magneto Resistance) element.
  • the second magnetoresistive element 130a is magnetically shielded by the magnetic material member 40 and becomes a so-called fixed resistance that hardly detects a vertical magnetic field and a horizontal magnetic field.
  • the first magnetoresistive element 120a is a so-called magnetosensitivity resistance whose electric resistance value changes when an external magnetic field is applied.
  • the second magnetoresistive element 130b is magnetically shielded by the magnetic material member 40 and becomes a so-called fixed resistance that hardly detects a vertical magnetic field and a horizontal magnetic field.
  • the first magnetoresistive element 120b is a so-called magnetosensitivity resistance whose electric resistance value changes when an external magnetic field is applied.
  • the four magnetoresistive elements are electrically connected to each other by wiring formed on the semiconductor substrate 110. Specifically, the first magnetoresistive element 120a and the second magnetoresistive element 130a are connected in series by wiring 146. The first magnetoresistive element 120b and the second magnetoresistive element 130b are connected in series by wiring 150.
  • a midpoint 140 On the semiconductor substrate 110 of the circuit board 100, a midpoint 140, a midpoint 141, a power supply terminal (Vcc) 142, a ground terminal (Gnd) 143, and an output terminal (Out) 144 are further provided.
  • Vcc power supply terminal
  • Gnd ground terminal
  • Out output terminal
  • Each of the first magnetoresistive element 120a and the second magnetoresistive element 130b is connected to the midpoint 140. Specifically, the first magnetoresistive element 120a and the midpoint 140 are connected by wiring 145, and the second magnetoresistive element 130b and the midpoint 140 are connected by wiring 152.
  • Each of the first magnetoresistive element 120b and the second magnetoresistive element 130a is connected to the midpoint 141. Specifically, the first magnetoresistive element 120b and the midpoint 141 are connected by wiring 149, and the second magnetoresistive element 130a and the midpoint 141 are connected by wiring 148.
  • the wiring 146 is connected to the power supply terminal (Vcc) 142 to which the current is input.
  • the wiring 150 is connected to the ground terminal (Gnd) 143.
  • the magnetic sensor 1 further includes a differential amplifier 160, a temperature compensation circuit 161, a latch and switch circuit 162, and a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) driver 163.
  • CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
  • the differential amplifier 160 has an input end connected to each of the midpoint 140 and the midpoint 141, and an output end connected to the temperature compensation circuit 161. Further, the differential amplifier 160 is connected to each of the power supply terminal (Vcc) 142 and the ground terminal (Gnd) 143.
  • the output end of the temperature compensation circuit 161 is connected to the latch and the switch circuit 162. Further, the temperature compensation circuit 161 is connected to each of the power supply terminal (Vcc) 142 and the ground terminal (Gnd) 143.
  • the output end of the latch and switch circuit 162 is connected to the CMOS driver 163. Further, the latch and switch circuit 162 are connected to each of the power supply terminal (Vcc) 142 and the ground terminal (Gnd) 143.
  • the output end of the CMOS driver 163 is connected to the output terminal (Out) 144. Further, the CMOS driver 163 is connected to each of the power supply terminal (Vcc) 142 and the ground terminal (Gnd) 143.
  • the magnetic sensor 1 Since the magnetic sensor 1 has the above circuit configuration, a potential difference depending on the strength of the external magnetic field is generated between the midpoint 140 and the midpoint 141. When this potential difference exceeds the threshold value, a signal is output from the output terminal (Out) 144.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a laminated structure of a circuit board of a magnetic sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 illustrates the periphery of the boundary portion between the region R that functions as a magnetoresistive element and the region L that does not function as a magnetoresistive element.
  • the magnetic material layer 10, the conductive layer 20, and the insulating layer 30 are laminated on the semiconductor substrate 110.
  • the semiconductor substrate 110 such as are composed of Si, SiO 2 or the like or a Si 3 N 4 layer is provided on the surface of the semiconductor substrate 110.
  • the magnetic layer 10 is made of an alloy containing Ni and Fe. The thickness of the magnetic layer 10 is, for example, 0.04 ⁇ m.
  • the conductive layer 20 is made of Au, Al, or the like.
  • a Ti layer (not shown) is provided directly above the conductive layer 20.
  • the insulating layer 30 is made of SiO 2 or the like.
  • Each of the first magnetoresistive elements 120a and 120b and the second magnetoresistive elements 130a and 130b is formed by patterning the magnetic material layer 10 by an ion milling method.
  • Each of the first magnetoresistive elements 120a and 120b and the second magnetoresistive elements 130a and 130b is covered with an insulating layer 30.
  • the wirings 145, 146, 148, 149, 150, 152 are formed by patterning the conductive layer 20 provided on the semiconductor substrate 110 by wet etching. In the wirings 145, 146, 148, 149, 150, 152, the conductive layer 20 is located directly above the magnetic material layer 10.
  • Each of the midpoint 140, the midpoint 141, the power supply terminal (Vcc) 142, the ground terminal (Gnd) 143, and the output terminal (Out) 144 is composed of a conductive layer 20 located directly above the semiconductor substrate 110. That is, each of the midpoint 140, the midpoint 141, the power supply terminal (Vcc) 142, the ground terminal (Gnd) 143, and the output terminal (Out) 144 is a pad provided on the semiconductor substrate 110.
  • FIG. 5 is a plan view showing each pattern of the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element of the magnetic sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • the first magnetoresistive element 120a, the pattern 120 and 120b when viewed from a direction perpendicular to the insulating layer 30, wiring 146,148,150,152 in the circumference of the virtual circle C 1
  • the located portion is arranged along the open virtual C-shaped C 11.
  • the direction orthogonal to the insulating layer 30 is the Z direction, which is parallel to the direction orthogonal to the upper surface of the semiconductor substrate 110.
  • the first magnetoresistive elements 120a and 120b have an outer peripheral edge and an inner peripheral edge. As shown in FIG. 5, in the first embodiment of the present invention, the first magnetic resistance elements 120a and 120b are second, which are orthogonal to the Y direction, which is the first direction, when viewed from the direction orthogonal to the insulating layer 30. A pair of first side portions 121 that extend along the X direction and are spaced apart from each other in the Y direction, and a pair of first side portions 121 that extend along the Y direction and are spaced apart from each other in the X direction. It has a polygonal shape including a pair of second side portions 122.
  • the polygonal shape is an octagonal shape.
  • the first magnetoresistive elements 120a and 120b further include four third side portions 123 that connect a pair of first side portions 121 and a pair of second side portions 122 to each other.
  • Each of the four third side portions 123 has an angle ⁇ formed by the connected first side portion 121 at 135 °.
  • a conductive layer 20 is provided on each magnetic material layer 10 of the pair of first side portions 121.
  • the conductive layer 20 is not provided on the magnetic material layer 10 of each of the pair of second side portions 122 and the four third side portions 123. Therefore, each of the pair of first side portions 121 does not function as a magnetoresistive element, and each of the pair of second side portions 122 and the four third side portions 123 functions as a magnetoresistive element.
  • the conductive layer 20 is formed in the portion located on the other side in the X direction. It is connected to the wiring 145, and the portion located on one side in the X direction is connected to the wiring 146 on which the conductive layer 20 is formed.
  • a conductive layer 20 was formed on the portion of the first side portion 121 located on the other side in the Y direction of the pair of first side portions 121 of the first magnetoresistive element 120b, which is located on the other side in the X direction. It is connected to the wiring 149, and the portion located on one side in the X direction is connected to the wiring 150 on which the conductive layer 20 is formed.
  • the second magnetoresistive element 130a is located on the center side of the virtual circle C 1 when viewed from a direction orthogonal to the insulating layer 30, and is surrounded by the first magnetoresistive element 120a. It is located on the center side of the virtual circle C 1 when viewed from the direction orthogonal to the insulating layer 30, and is surrounded by the first magnetoresistive element 120b. That is, the second magnetoresistive element 130a is located inside the inner peripheral edge of the first magnetoresistive element 120a when viewed from the direction orthogonal to the insulating layer 30, and the second magnetoresistive element 130b is on the insulating layer 30. It is located inside the inner peripheral edge of the first magnetoresistive element 120b when viewed from the orthogonal direction.
  • Second magnetoresistance element 130a, 130b may have a pattern 130 including two arcuate patterns 131 arranged symmetrically so as to align in the radial direction of the virtual circle C 1 along the circumference of the virtual circle C 1 is doing.
  • One end of the two arcuate patterns 131 is connected to each other by a semicircular arcuate pattern 132, and the other end is connected to each other by a semicircular arcuate pattern 133.
  • the arcuate pattern 131 located on the outermost side from the center of the virtual circle C 1 is connected to the wirings 146 and 148 via the linear extending portion 134 having a length shorter than 10 ⁇ m. Has been done.
  • the arcuate pattern 131 located on the outermost side from the center of the virtual circle C 1 is connected to the wirings 150 and 152 via the linear extending portion 134 having a length shorter than 10 ⁇ m. Has been done.
  • the thickness of the magnetic member 40 is, for example, 10 ⁇ m or more, preferably 20 ⁇ m or more and 150 ⁇ m or less. When the thickness of the magnetic member 40 is 10 ⁇ m or more, the vertical magnetic field deflected in the substantially horizontal direction by the magnetic member 40 can be detected by the first magnetoresistive elements 120a and 120b.
  • the thickness of the magnetic member 40 is 20 ⁇ m or more, the vertical magnetic field can be effectively deflected in the substantially horizontal direction by the magnetic member 40, so that the weaker vertical magnetic field is detected by the first magnetoresistive elements 120a and 120b. can.
  • the thickness of the magnetic member 40 is 150 ⁇ m or less, it is possible to suppress the lengthening of the formation time of the magnetic member 40 and maintain the mass productivity of the magnetic sensor 1.
  • the magnetic member 40 has an octagonal outer shape when viewed from a direction orthogonal to the insulating layer 30, and is located in a region inside the outer peripheral edges of the first magnetoresistive elements 120a and 120b. positioned.
  • the region inside the outer peripheral edges of the first magnetoresistive elements 120a and 120b is connected to both ends of the outer peripheral edges of the first magnetoresistive elements 120a and 120b by a virtual straight line when viewed from the direction orthogonal to the insulating layer 30. It is an area surrounded by the edges.
  • the region inside the outer peripheral edges of the first magnetoresistive elements 120a and 120b overlaps with more than half of the magnetic material member 40, and 2 / of the magnetic material member 40. It is more preferable that 3 or more overlap.
  • the magnetic member 40 is located in a region inside the inner peripheral edges of the first magnetoresistive elements 120a and 120b when viewed from a direction orthogonal to the insulating layer 30.
  • the region inside the inner peripheral edges of the first magnetoresistive elements 120a and 120b is connected to both ends of the inner peripheral edges of the first magnetoresistive elements 120a and 120b by a virtual straight line when viewed from the direction orthogonal to the insulating layer 30. It is an area surrounded by the edges.
  • the magnetic member 40 may be located on the inner peripheral edge of the first magnetoresistive elements 120a and 120b and in a region including a region inside the inner peripheral edge when viewed from a direction orthogonal to the insulating layer 30.
  • the region inside the inner peripheral edges of the first magnetoresistive elements 120a and 120b overlaps with more than half of the magnetic member 40, and 2 / of the magnetic member 40. It is more preferable that 3 or more overlap.
  • the magnetic member 40 is located concentrically with the outer peripheral edges of the first magnetoresistive elements 120a and 120b when viewed from the direction orthogonal to the insulating layer 30.
  • the magnetic member 40 is the second magnetic of the first magnetoresistive elements 120a and 120b and the second magnetoresistive elements 130a and 130b when viewed from the direction orthogonal to the insulating layer 30. It covers only the resistance elements 130a and 130b. Therefore, the magnetic member 40 is surrounded by the first magnetoresistive elements 120a and 120b when viewed from the direction orthogonal to the insulating layer 30.
  • the second magnetoresistive elements 130a and 130b are magnetically shielded by the magnetic material member 40 and hardly detect a vertical magnetic field and a horizontal magnetic field.
  • the magnetic material member 40 is made of a magnetic material having high magnetic permeability and saturation magnetic flux density, such as electromagnetic steel, mild steel, silicon steel, permalloy, supermalloy, nickel alloy, iron alloy or ferrite. Further, it is preferable that these magnetic materials have a low coercive force.
  • the resistance change rate of the first magnetoresistive elements 120a and 120b When a Fe-78Ni alloy or the like, for which the magnetic permeability increases at a high temperature and decreases at a low temperature, is used as the magnetic material constituting the magnetic material member 40, the resistance change rate of the first magnetoresistive elements 120a and 120b. The temperature dependence of can be reduced.
  • the magnetic member 40 is formed by plating, for example.
  • another thin layer may be provided between the insulating layer 30 and the magnetic material member 40.
  • at least one of an adhesion layer containing Ti and an electrode reaction layer containing Au may be formed between the insulating layer 30 and the magnetic member 40.
  • the distance between the inner peripheral edge of the first magnetoresistive element 120a and 120b and the outer peripheral edge of the magnetic material member 40 is such that the first magnetic resistance element 120a is formed even when the formation position varies when the magnetic material member 40 is formed by plating. , 120b and the magnetic member 40 are secured to the extent that they do not overlap.
  • the conductive layer 20 is provided on each magnetic material layer 10 of the pair of first side portions 121 of the first magnetoresistive elements 120a and 120b.
  • the pair of first side portions 121 sandwiches the magnetic material member 40 between each other in the Y direction on the outside of the magnetic material member 40 when viewed from a direction orthogonal to the insulating layer 30. That is, the first magnetoresistive elements 120a and 120b are conductive on a part of the magnetic material member 40 that is sandwiched between the magnetic material members 40 in the first direction on the outside of the magnetic material member 40 when viewed from the direction orthogonal to the insulating layer 30.
  • a layer 20 is provided.
  • the shape of the pattern 120 of the first magnetoresistive elements 120a and 120b is not limited to the above octagonal shape.
  • the magnetic sensor according to each modification of the first embodiment of the present invention will be described. Since the magnetic sensor according to each modification of the first embodiment of the present invention differs only in the pattern of the first magnetoresistive elements 120a and 120b and the shape of each of the magnetic member 40, the first embodiment of the present invention is used. The description of the configuration similar to that of the magnetic sensor 1 will not be repeated.
  • FIG. 6 is a plan view showing each pattern of the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element of the magnetic sensor according to the first modification of the first embodiment of the present invention.
  • the first magnetoresistive elements 120a and 120b have an octagonal shape when viewed from a direction orthogonal to the insulating layer 30.
  • Each of the four third side portions 123 has an angle ⁇ formed by the connected first side portion 121 at 124 °.
  • the magnetic member 40 has an octagonal shape along the inner peripheral edge of the pattern 120x of the first magnetoresistive elements 120a and 120b when viewed from a direction orthogonal to the insulating layer 30.
  • FIG. 7 is a plan view showing each pattern of the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element of the magnetic sensor according to the second modification of the first embodiment of the present invention.
  • the first magnetoresistive elements 120a and 120b have an octagonal shape when viewed from a direction orthogonal to the insulating layer 30.
  • Each of the four third side portions 123 has an angle ⁇ formed by the connected first side portion 121 at 109 °.
  • the magnetic member 40 has an octagonal shape along the inner peripheral edge of the pattern 120y of the first magnetoresistive elements 120a and 120b when viewed from a direction orthogonal to the insulating layer 30.
  • FIG. 8 is a plan view showing each pattern of the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element of the magnetic sensor according to the third modification of the first embodiment of the present invention.
  • the first magnetoresistive elements 120a and 120b have a quadrangular shape when viewed from a direction orthogonal to the insulating layer 30.
  • Each of the pair of second side portions 122 has an angle ⁇ formed by the connected first side portion 121 at 90 °.
  • the magnetic member 40 has a quadrangular shape along the inner peripheral edge of the pattern 120z of the first magnetoresistive elements 120a and 120b when viewed from a direction orthogonal to the insulating layer 30.
  • FIG. 9 is a graph showing the relationship between the magnetic field in the Y direction applied to each magnetic sensor and the magnetic field in the X direction in which each magnetic sensor switches from OFF to ON in an experimental example.
  • the vertical axis shows the magnetic field (mT) in the X direction in which each magnetic sensor switches from OFF to ON
  • the horizontal axis shows the magnetic field in the Y direction (mT) applied to each magnetic sensor.
  • Magnetic sensor 1 according to the present embodiment, magnetic sensor according to the first modification of the present embodiment, magnetic sensor according to the second modification of the present embodiment, and magnetism according to the third modification of the present embodiment.
  • the decrease in the detection sensitivity of the magnetic sensor with respect to the magnetic field in the X direction due to the magnetic field in the Y direction applied to the magnetic sensor was suppressed as compared with the magnetic sensor according to the comparative example.
  • the magnetic field in the X direction in which the magnetic sensor switches from OFF to ON decreases. That is, it was observed that the sensitivity of the magnetic sensor to the magnetic field in the Y direction tended to increase.
  • the magnetic field in the Y direction was 4.5 mT or more
  • the magnetic field in the X direction in which the magnetic sensor was switched from OFF to ON was 0 mT, and the magnetic field was turned on by the magnetic field in the Y direction.
  • the magnetic field in the X direction in which the magnetic sensor switches from OFF to ON is maintained substantially constant until the magnetic field in the Y direction is 4.7 mT. It had been.
  • the magnetic field in the Y direction was 7 mT or more
  • the magnetic field in the X direction in which the magnetic sensor was switched from OFF to ON was 0 mT, and the magnetic field was turned on by the magnetic field in the Y direction.
  • the magnetic field in the X direction switches from OFF to ON as the magnetic field in the Y direction applied to the magnetic sensor increases. Slightly increased, that is, the detection sensitivity of the magnetic sensor to the magnetic field in the X direction was slightly reduced.
  • the magnetic field in the X direction switches from OFF to ON as the magnetic field in the Y direction applied to the magnetic sensor increases. That is, the detection sensitivity of the magnetic sensor to the magnetic field in the X direction gradually decreases.
  • the fluctuation tendency of the detection sensitivity of the magnetic sensor with respect to the magnetic field in the Y direction can be adjusted by changing the angle ⁇ within the range of more than 90 ° and 135 ° or less. That is, by changing the angle ⁇ within a range of more than 90 ° and 135 ° or less, it is possible to expand the range of the magnetic sensor in the magnetic sensing direction.
  • the first magnetoresistive elements 120a and 120b have the magnetic material member 40 first on the outside of the magnetic material member 40 when viewed from a direction orthogonal to the insulating layer 30.
  • the conductive layer 20 is provided on a part sandwiched between the two in the direction. As a result, it is possible to suppress a decrease in the detection sensitivity of the magnetic field in the second direction of the magnetic sensor 1 due to the influence of the magnetic field in the first direction.
  • the first magnetoresistive elements 120a and 120b extend along the second direction orthogonal to the first direction when viewed from the direction orthogonal to the insulating layer 30.
  • a pair of first side portions 121 that are spaced apart from each other in the first direction, and a pair of second sides that extend along the first direction and are spaced apart from each other in the second direction. It has a polygonal shape including the portion 122.
  • the polygonal shape is an octagonal shape.
  • the first magnetoresistive elements 120a and 120b further include four third side portions 123 connecting a pair of first side portions 121 and a pair of second side portions 122 to each other, and four third sides.
  • Each of the units 123 has an angle ⁇ formed by the connected first side portion 121 of more than 90 ° and 135 ° or less. This makes it possible to adjust the fluctuation tendency of the detection sensitivity of the magnetic sensor with respect to the magnetic field in the Y direction and widen the range of the magnetic sensor in the magnetic sensing direction.
  • the polygonal shape may be a quadrangular shape. Also in this case, it is possible to suppress a decrease in the detection sensitivity of the magnetic field in the second direction of the magnetic sensor 1 due to the influence of the magnetic field in the first direction.
  • the magnetic sensor according to the second embodiment of the present invention is the same as the magnetic sensor 1 according to the first embodiment of the present invention because only the pattern of the first magnetoresistive element and the shape of each magnetic member are different. The description of the configuration will not be repeated.
  • FIG. 10 is a plan view showing each pattern of the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element of the magnetic sensor according to the second embodiment of the present invention.
  • the first magnetoresistive elements 220a and 220b have a circular shape when viewed from a direction orthogonal to the insulating layer 30.
  • the first magnetoresistive elements 220a and 220b are a pair of first pieces that are a part of sandwiching the magnetic material member 40 between them in the first direction on the outside of the magnetic material member 40 when viewed from a direction orthogonal to the insulating layer 30. It includes one arc portion 221 and a pair of second arc portions 222 connecting a pair of first arc portions 221 to each other.
  • a conductive layer 20 is provided on each magnetic material layer 10 of the pair of first arc portions 221.
  • the conductive layer 20 is not provided on each of the magnetic material layers 10 of the pair of second arc portions 222. Therefore, each of the pair of first arc portions 221 does not function as a magnetoresistive element, and each of the pair of second arc portions 222 functions as a magnetoresistive element.
  • the magnetic member 40 has a circular shape along the inner peripheral edge of the pattern 220 of the first magnetoresistive elements 220a and 220b when viewed from a direction orthogonal to the insulating layer 30.
  • the first magnetoresistive elements 220a and 220b have the magnetic material member 40 in the first direction outside the magnetic material member 40 when viewed from the direction orthogonal to the insulating layer 30.
  • the conductive layer 20 is provided on a part sandwiched between the two. As a result, it is possible to suppress a decrease in the detection sensitivity of the magnetic field in the second direction of the magnetic sensor due to the influence of the magnetic field in the first direction. Further, since the pair of second arc portions 222 functioning as the magnetoresistive element has an arc shape, it is possible to widen the range of the magnetic sensor in the magnetic sensing direction.
  • the magnetic sensor according to the third embodiment of the present invention is the same as the magnetic sensor 1 according to the first embodiment of the present invention because only the pattern of the first magnetoresistive element and the shape of each magnetic member are different. The description of the configuration will not be repeated.
  • FIG. 11 is a plan view showing each pattern of the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element of the magnetic sensor according to the third embodiment of the present invention.
  • the first magnetoresistive elements 320a and 320b have an elliptical shape when viewed from a direction orthogonal to the insulating layer 30. ..
  • the long axis of the pattern 320 of the first magnetoresistive elements 320a and 320b extends in the Y direction.
  • the first magnetoresistive elements 320a and 320b are a pair of first pieces that are a part of sandwiching the magnetic material member 40 between them in the first direction on the outside of the magnetic material member 40 when viewed from a direction orthogonal to the insulating layer 30. It includes one elliptical arc portion 321 and a pair of second elliptical arc portions 322 connecting a pair of first elliptical arc portions 321 to each other.
  • a conductive layer 20 is provided on each magnetic material layer 10 of the pair of first elliptical arc portions 321.
  • the conductive layer 20 is not provided on each of the magnetic material layers 10 of the pair of second elliptical arc portions 322. Therefore, each of the pair of first elliptical arc portions 321 does not function as a magnetoresistive element, and each of the pair of second elliptical arc portions 322 functions as a magnetoresistive element.
  • the magnetic member 40 has an elliptical shape along the inner peripheral edge of the pattern 320 of the first magnetoresistive elements 320a and 320b when viewed from a direction orthogonal to the insulating layer 30.
  • the first magnetoresistive elements 320a and 320b place the magnetic member 40 in the first direction outside the magnetic member 40 when viewed from the direction orthogonal to the insulating layer 30.
  • the conductive layer 20 is provided on a part sandwiched between the two. As a result, it is possible to suppress a decrease in the detection sensitivity of the magnetic field in the second direction of the magnetic sensor due to the influence of the magnetic field in the first direction. Further, since the pair of second elliptical arc portions 322 that function as magnetoresistive elements have an elliptical arc shape, it is possible to widen the range of the magnetic sensor in the magnetic sensing direction.
  • Magnetic sensor 10 Magnetic layer, 20 Conductive layer, 30 Insulation layer, 40 Magnetic member, 100 Circuit board, 110 Semiconductor board, 120, 120x, 120y, 120z, 130, 220, 320 pattern, 120a, 120b, 220a , 220b, 320a, 320b 1st magnetoresistive element, 121 1st side, 122 2nd side, 123 3rd side, 130a, 130b 2nd magnetoresistive element, 131 arc pattern, 132, 133 semi-arc Pattern, 134 linear extension, 140, 141 midpoint, 145, 146, 148, 149, 150, 152 wiring, 160 differential amplifier, 161 temperature compensation circuit, 162 switch circuit, 163 driver, 221 first arc , 222 2nd arc part, 321 1st elliptical arc part, 322 2nd elliptical arc part, C 1 virtual circle, C 11 virtual C-shaped.

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Abstract

第1磁気抵抗素子(120a,120b)は、外周縁および内周縁を有する。磁性体部材(40)は、絶縁層(30)に直交する方向から見て、第1磁気抵抗素子(120a,120b)の外周縁より内側の領域に位置している。第2磁気抵抗素子(130a,130b)は、絶縁層(30)に直交する方向から見て、第1磁気抵抗素子(120a,120b)の内周縁より内側の領域に位置して磁性体部材(40)で覆われている。第1磁気抵抗素子(120a,120b)は、絶縁層(30)に直交する方向から見て、磁性体部材(40)の外側において磁性体部材(40)を第1方向において互いの間に挟む一部上に、導電層(20)が設けられている。

Description

磁気センサ
 本発明は、磁気センサに関する。
 磁気センサの構成を開示した先行文献として、特開平7-297463号公報(特許文献1)がある。特許文献1に記載された磁気センサは、基板上に形成された強磁性体薄膜からなる磁気抵抗体を備え、磁気抵抗体に外部から磁界が与えられると電圧を出力する。強磁性体薄膜は、この薄膜が形成された領域で同一の膜構成を有している。磁気センサにおいては、磁気抵抗体を少なくとも4つ備え、少なくとも4つの接続点でブリッジ状に接続され、対向する各接続点より出力を取り出す磁気抵抗素子部が構成されている。
特開平7-297463号公報
 特許文献1に記載された磁気センサは、磁界を検出可能な感磁方向が決まっており、感磁方向と直交する非感磁方向の磁界を検出することはできない。磁気センサが備える4つの磁気抵抗体には、感磁方向の磁界が作用すると抵抗値が変化する2つの感磁抵抗体と、感磁方向の磁界が作用しても抵抗値がほとんど変化しない2つの固定抵抗体とが含まれる。
 特許文献1に記載された磁気センサに非感磁方向である第1方向の磁界が作用した状態においては、固定抵抗体の抵抗値が変化して、第1方向と直交する感磁方向である第2方向の磁界に対する磁気センサの検出感度が低下する。
 本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、第1方向の磁界の影響による第2方向の磁界の検出感度の低下を抑制することができる、磁気センサを提供することを目的とする。
 本発明に基づく磁気センサは、第1磁気抵抗素子と、第2磁気抵抗素子と、絶縁層と、磁性体部材とを備える。第2磁気抵抗素子は、第1磁気抵抗素子と電気的に接続されてブリッジ回路を構成する。絶縁層は、第1磁気抵抗素子および第2磁気抵抗素子を覆う。磁性体部材は、絶縁層の上方に位置する。第1磁気抵抗素子は、外周縁および内周縁を有する。磁性体部材は、絶縁層に直交する方向から見て、第1磁気抵抗素子の外周縁より内側の領域に位置している。第2磁気抵抗素子は、絶縁層に直交する方向から見て、第1磁気抵抗素子の内周縁より内側の領域に位置して磁性体部材で覆われている。第1磁気抵抗素子は、絶縁層に直交する方向から見て、磁性体部材の外側において磁性体部材を第1方向において互いの間に挟む一部上に、導電層が設けられている。
 本発明によれば、第1方向の磁界の影響による磁気センサの第2方向の磁界の検出感度の低下を抑制することができる。
本発明の実施の形態1に係る磁気センサの構成を示す斜視図である。 図1の磁気センサを矢印II方向から見た平面図である。 本発明の実施の形態1に係る磁気センサの等価回路図である。 本発明の実施の形態1に係る磁気センサの回路基板の積層構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態1に係る磁気センサの第1磁気抵抗素子および第2磁気抵抗素子の各々のパターンを示す平面図である。 本発明の実施の形態1の第1変形例に係る磁気センサの第1磁気抵抗素子および第2磁気抵抗素子の各々のパターンを示す平面図である。 本発明の実施の形態1の第2変形例に係る磁気センサの第1磁気抵抗素子および第2磁気抵抗素子の各々のパターンを示す平面図である。 本発明の実施の形態1の第3変形例に係る磁気センサの第1磁気抵抗素子および第2磁気抵抗素子の各々のパターンを示す平面図である。 実験例において、各磁気センサに印加されたY方向の磁界と、各磁気センサがOFFからONに切り替わるX方向の磁界との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態2に係る磁気センサの第1磁気抵抗素子および第2磁気抵抗素子の各々のパターンを示す平面図である。 本発明の実施の形態3に係る磁気センサの第1磁気抵抗素子および第2磁気抵抗素子の各々のパターンを示す平面図である。
 以下、本発明の各実施の形態に係る磁気センサについて図を参照して説明する。以下の実施の形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
 (実施の形態1)
 図1は、本発明の実施の形態1に係る磁気センサの構成を示す斜視図である。図2は、図1の磁気センサを矢印II方向から見た平面図である。図3は、本発明の実施の形態1に係る磁気センサの等価回路図である。図2においては、後述する第1磁性体部材の外縁を点線で記載している。図1および図2においては、後述する回路基板100の幅方向をX方向、回路基板100の長さ方向をY方向、回路基板100の厚さ方向をZ方向として示している。なお、図2においては、後述する差動増幅器および温度補償回路などは図示していない。
 図1,2に示すように、本発明の実施の形態1に係る磁気センサ1は、回路基板100と、回路基板100上に設けられた2つの磁性体部材40とを備える。
 図2,3に示すように、本発明の実施の形態1に係る磁気センサ1の回路基板100には、互いに配線によって電気的に接続されてホイートストンブリッジ型のブリッジ回路を構成する4つの磁気抵抗素子が設けられている。4つの磁気抵抗素子は、2組の第1磁気抵抗素子および第2磁気抵抗素子からなる。具体的には、磁気センサ1は、第1磁気抵抗素子120aおよび第2磁気抵抗素子130aと、第1磁気抵抗素子120bおよび第2磁気抵抗素子130bとを含んでいる。
 本発明の実施の形態1においては、磁気センサ1は、2組の第1磁気抵抗素子および第2磁気抵抗素子を含んでいるが、これに限られず、少なくとも1組の第1磁気抵抗素子および第2磁気抵抗素子を含んでいればよい。磁気センサ1が、1組の第1磁気抵抗素子および第2磁気抵抗素子のみを含む場合には、回路基板100にはハーフブリッジ回路が構成されている。
 第1磁気抵抗素子および第2磁気抵抗素子の各々は、AMR(Anisotropic Magneto Resistance)素子である。なお、第1磁気抵抗素子および第2磁気抵抗素子の各々は、AMR素子に代えて、GMR(Giant Magneto Resistance)素子、TMR(Tunnel Magneto Resistance)素子、BMR(Ballistic Magneto Resistance)素子、CMR(Colossal Magneto Resistance)素子などの磁気抵抗素子であってもよい。
 第2磁気抵抗素子130aは、後述するように、磁性体部材40によって磁気シールドされて垂直磁界および水平磁界をほとんど検出しない、いわゆる固定抵抗となる。第1磁気抵抗素子120aは、外部磁界が印加されることによって電気抵抗値が変化するいわゆる感磁抵抗である。
 同様に、第2磁気抵抗素子130bは、後述するように、磁性体部材40によって磁気シールドされて垂直磁界および水平磁界をほとんど検出しない、いわゆる固定抵抗となる。第1磁気抵抗素子120bは、外部磁界が印加されることによって電気抵抗値が変化するいわゆる感磁抵抗である。
 4つの磁気抵抗素子は、半導体基板110上に形成された配線によって互いに電気的に接続されている。具体的には、第1磁気抵抗素子120aと第2磁気抵抗素子130aとが配線146によって直列に接続されている。第1磁気抵抗素子120bと第2磁気抵抗素子130bとが配線150によって直列に接続されている。
 回路基板100の半導体基板110上には、中点140、中点141、電源端子(Vcc)142、接地端子(Gnd)143および出力端子(Out)144がさらに設けられている。
 第1磁気抵抗素子120aおよび第2磁気抵抗素子130bの各々は、中点140に接続されている。具体的には、第1磁気抵抗素子120aと中点140とが配線145によって接続され、第2磁気抵抗素子130bと中点140とが配線152によって接続されている。
 第1磁気抵抗素子120bおよび第2磁気抵抗素子130aの各々は、中点141に接続されている。具体的には、第1磁気抵抗素子120bと中点141とが配線149によって接続され、第2磁気抵抗素子130aと中点141とが配線148によって接続されている。
 配線146は、電流が入力される電源端子(Vcc)142に接続されている。配線150は、接地端子(Gnd)143に接続されている。
 図3に示すように、磁気センサ1は、差動増幅器160、温度補償回路161、ラッチおよびスイッチ回路162、並びに、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)ドライバ163をさらに備える。
 差動増幅器160は、入力端が中点140および中点141の各々に接続され、出力端が温度補償回路161に接続されている。また、差動増幅器160は、電源端子(Vcc)142および接地端子(Gnd)143の各々に接続されている。
 温度補償回路161は、出力端がラッチおよびスイッチ回路162に接続されている。また、温度補償回路161は、電源端子(Vcc)142および接地端子(Gnd)143の各々に接続されている。
 ラッチおよびスイッチ回路162は、出力端がCMOSドライバ163に接続されている。また、ラッチおよびスイッチ回路162は、電源端子(Vcc)142および接地端子(Gnd)143の各々に接続されている。
 CMOSドライバ163は、出力端が出力端子(Out)144に接続されている。また、CMOSドライバ163は、電源端子(Vcc)142および接地端子(Gnd)143の各々に接続されている。
 磁気センサ1が上記の回路構成を有することにより、中点140と中点141との間に、外部磁界の強さに依存する電位差が発生する。この電位差が閾値を超えると、出力端子(Out)144から信号が出力される。
 図4は、本発明の実施の形態1に係る磁気センサの回路基板の積層構造を示す断面図である。図4においては、磁気抵抗素子として機能する領域Rと、磁気抵抗素子として機能しない領域Lとの境界部の周辺を図示している。
 図4に示すように、回路基板100においては、半導体基板110上に、磁性体層10、導電層20および絶縁層30が積層されている。半導体基板110は、Siなどから構成されており、半導体基板110の表面にSiO2層またはSi34層などが設けられている。磁性体層10は、NiとFeとを含む合金からなる。磁性体層10の厚さは、たとえば、0.04μmである。導電層20は、AuまたはAlなどからなる。導電層20の直上には、図示しないTi層が設けられている。絶縁層30は、SiO2などからなる。
 第1磁気抵抗素子120a,120bおよび第2磁気抵抗素子130a,130bの各々は、磁性体層10がイオンミリング法によりパターニングされることにより形成されている。第1磁気抵抗素子120a,120bおよび第2磁気抵抗素子130a,130bの各々は、絶縁層30によって覆われている。
 配線145,146,148,149,150,152は、半導体基板110上に設けられた導電層20が、ウエットエッチングによりパターニングされることにより形成されている。配線145,146,148,149,150,152においては、導電層20が磁性体層10の真上に位置している。
 中点140、中点141、電源端子(Vcc)142、接地端子(Gnd)143および出力端子(Out)144の各々は、半導体基板110の直上に位置する導電層20によって構成されている。すなわち、中点140、中点141、電源端子(Vcc)142、接地端子(Gnd)143および出力端子(Out)144の各々は、半導体基板110上に設けられたパッドである。
 図5は、本発明の実施の形態1に係る磁気センサの第1磁気抵抗素子および第2磁気抵抗素子の各々のパターンを示す平面図である。図2,5に示すように、第1磁気抵抗素子120a,120bのパターン120は、絶縁層30に直交する方向から見て、仮想円C1の円周において配線146,148,150,152が位置する部分が開放した仮想C字形状C11に沿って配置されている。なお、絶縁層30に直交する方向はZ方向であり、半導体基板110の上面に直交する方向と平行である。
 第1磁気抵抗素子120a,120bは、外周縁および内周縁を有する。図5に示すように、本発明の実施の形態1においては、第1磁気抵抗素子120a,120bは、絶縁層30に直交する方向から見て、第1方向であるY方向と直交する第2方向であるX方向に沿って延在しつつY方向において互いに間隔をあけて位置する1対の第1辺部121と、Y方向に沿って延在しつつX方向において互いに間隔をあけて位置する1対の第2辺部122とを含む、多角形形状を有している。
 本発明の実施の形態1においては、上記多角形形状は、八角形形状である。第1磁気抵抗素子120a,120bは、1対の第1辺部121と対応する1対の第2辺部122とを互いに接続する4つの第3辺部123をさらに含む。4つの第3辺部123の各々は、接続されている第1辺部121とのなす角αが、135°である。
 1対の第1辺部121の各々の磁性体層10上には、導電層20が設けられている。1対の第2辺部122および4つの第3辺部123の各々の磁性体層10上には、導電層20は設けられていない。よって、1対の第1辺部121の各々は、磁気抵抗素子として機能せず、1対の第2辺部122および4つの第3辺部123の各々は、磁気抵抗素子として機能する。
 第1磁気抵抗素子120aの1対の第1辺部121のうちのY方向の他方側に位置する第1辺部121において、X方向の他方側に位置する部分は導電層20が形成された配線145と接続されており、X方向の一方側に位置する部分は導電層20が形成された配線146と接続されている。第1磁気抵抗素子120bの1対の第1辺部121のうちのY方向の他方側に位置する第1辺部121における、X方向の他方側に位置する部分は導電層20が形成された配線149と接続されており、X方向の一方側に位置する部分は導電層20が形成された配線150と接続されている。
 第2磁気抵抗素子130aは、絶縁層30に直交する方向から見て、仮想円C1の中心側に位置し、第1磁気抵抗素子120aに囲まれており、第2磁気抵抗素子130bは、絶縁層30に直交する方向から見て、仮想円C1の中心側に位置し、第1磁気抵抗素子120bに囲まれている。すなわち、第2磁気抵抗素子130aは、絶縁層30に直交する方向から見て、第1磁気抵抗素子120aの内周縁より内側に位置しており、第2磁気抵抗素子130bは、絶縁層30に直交する方向から見て、第1磁気抵抗素子120bの内周縁より内側に位置している。
 第2磁気抵抗素子130a,130bは、仮想円C1の円周に沿って仮想円C1の径方向に並ぶように線対称に配置された2個の円弧状パターン131を含むパターン130を有している。2個の円弧状パターン131は、一端を半円弧状パターン132によって互いに接続されており、他端を半円弧状パターン133によって互いに接続されている。第2磁気抵抗素子130aにおいて、仮想円C1の中心から最も外側に位置している円弧状パターン131は、長さが10μmより短い直線状延在部134を介して、配線146,148と接続されている。第2磁気抵抗素子130bにおいて、仮想円C1の中心から最も外側に位置している円弧状パターン131は、長さが10μmより短い直線状延在部134を介して、配線150,152と接続されている。
 本発明の実施の形態1に係る磁気センサ1においては、絶縁層30の上方に2つの磁性体部材40が設けられており、2つの磁性体部材40はY軸方向に並んで配置されている。磁性体部材40の厚さは、たとえば、10μm以上、好ましくは、20μm以上150μm以下である。磁性体部材40の厚さが10μm以上の場合、磁性体部材40によって略水平方向に偏向された垂直磁界を、第1磁気抵抗素子120a,120bにて検出できる。磁性体部材40の厚さが20μm以上の場合、磁性体部材40によって垂直磁界を略水平方向により効果的に偏向できるため、第1磁気抵抗素子120a,120bにて、より微弱な垂直磁界を検出できる。磁性体部材40の厚さが150μm以下の場合、磁性体部材40の形成時間が長くなることを抑制して、磁気センサ1の量産性を維持できる。
 図5に示すように、磁性体部材40は、絶縁層30に直交する方向から見て、八角形の外形を有し、かつ、第1磁気抵抗素子120a,120bの外周縁より内側の領域に位置している。なお、第1磁気抵抗素子120a,120bの外周縁より内側の領域とは、絶縁層30に直交する方向から見て、第1磁気抵抗素子120a,120bの外周縁の両端を仮想直線で結んだ際に囲まれる領域である。絶縁層30に直交する方向から見て、第1磁気抵抗素子120a,120bの外周縁より内側の領域と、磁性体部材40の半分以上が重なっていることが好ましく、磁性体部材40の2/3以上が重なっていることがより好ましい。
 本発明の実施の形態1においては、磁性体部材40は、絶縁層30に直交する方向から見て、第1磁気抵抗素子120a,120bの内周縁より内側の領域に位置している。なお、第1磁気抵抗素子120a,120bの内周縁より内側の領域とは、絶縁層30に直交する方向から見て、第1磁気抵抗素子120a,120bの内周縁の両端を仮想直線で結んだ際に囲まれる領域である。磁性体部材40は、絶縁層30に直交する方向から見て、第1磁気抵抗素子120a,120bの内周縁上および内周縁より内側の領域を含む領域に位置していてもよい。絶縁層30に直交する方向から見て、第1磁気抵抗素子120a,120bの内周縁より内側の領域と、磁性体部材40の半分以上が重なっていることが好ましく、磁性体部材40の2/3以上が重なっていることがより好ましい。
 本発明の実施の形態1においては、磁性体部材40は、絶縁層30に直交する方向から見て、第1磁気抵抗素子120a,120bの外周縁と同心状に位置している。
 本発明の実施の形態1においては、磁性体部材40は、絶縁層30に直交する方向から見て、第1磁気抵抗素子120a,120bおよび第2磁気抵抗素子130a,130bのうちの第2磁気抵抗素子130a,130bのみを覆っている。よって、絶縁層30に直交する方向から見て、磁性体部材40は、第1磁気抵抗素子120a,120bに囲まれている。第2磁気抵抗素子130a,130bは、磁性体部材40により磁気シールドされて、垂直磁界および水平磁界をほとんど検出しない。
 磁性体部材40は、電磁鋼、軟鉄鋼、ケイ素鋼、パーマロイ、スーパーマロイ、ニッケル合金、鉄合金またはフェライトなどの、透磁率および飽和磁束密度の高い磁性体材料で構成されている。また、これらの磁性体材料は、保磁力が低いことが好ましい。
 磁性体部材40を構成する磁性体材料として、透磁率が、高温で大きくなり、低温で小さくなる、たとえば、Fe-78Ni合金などを用いた場合、第1磁気抵抗素子120a,120bの抵抗変化率の温度依存性を低減することができる。
 磁性体部材40は、たとえば、めっきにより形成される。なお、絶縁層30と磁性体部材40との間に、他の薄層が設けられていてもよい。たとえば絶縁層30と磁性体部材40との間に、Tiを含む密着層、および、Auを含む電極反応層の少なくとも一方が形成されていてもよい。第1磁気抵抗素子120a,120bの内周縁と磁性体部材40の外周縁との間隔は、磁性体部材40をめっきで形成する際に形成位置がばらついた場合にも、第1磁気抵抗素子120a,120bと磁性体部材40とが重ならない程度に確保されている。
 上記のように、第1磁気抵抗素子120a,120bの1対の第1辺部121の各々の磁性体層10上には、導電層20が設けられている。1対の第1辺部121は、絶縁層30に直交する方向から見て、磁性体部材40の外側において磁性体部材40をY方向において互いの間に挟んでいる。すなわち、第1磁気抵抗素子120a,120bは、絶縁層30に直交する方向から見て、磁性体部材40の外側において磁性体部材40を第1方向において互いの間に挟む一部上に、導電層20が設けられている。
 なお、第1磁気抵抗素子120a,120bのパターン120の形状は、上記の八角形形状に限られない。ここで、本発明の実施の形態1の各変形例に係る磁気センサについて説明する。なお、本発明の実施の形態1の各変形例に係る磁気センサは、第1磁気抵抗素子120a,120bのパターンおよび磁性体部材40の各々の形状のみ異なるため、本発明の実施の形態1に係る磁気センサ1と同様である構成については説明を繰り返さない。
 図6は、本発明の実施の形態1の第1変形例に係る磁気センサの第1磁気抵抗素子および第2磁気抵抗素子の各々のパターンを示す平面図である。図6に示すように、本発明の実施の形態1の第1変形例に係る磁気センサにおいては、第1磁気抵抗素子120a,120bは、絶縁層30に直交する方向から見て、八角形形状を有しており、4つの第3辺部123の各々は、接続されている第1辺部121とのなす角αが、124°である。磁性体部材40は、絶縁層30に直交する方向から見て、第1磁気抵抗素子120a,120bのパターン120xの内周縁に沿う八角形形状を有している。
 図7は、本発明の実施の形態1の第2変形例に係る磁気センサの第1磁気抵抗素子および第2磁気抵抗素子の各々のパターンを示す平面図である。図7に示すように、本発明の実施の形態1の第2変形例に係る磁気センサにおいては、第1磁気抵抗素子120a,120bは、絶縁層30に直交する方向から見て、八角形形状を有しており、4つの第3辺部123の各々は、接続されている第1辺部121とのなす角αが、109°である。磁性体部材40は、絶縁層30に直交する方向から見て、第1磁気抵抗素子120a,120bのパターン120yの内周縁に沿う八角形形状を有している。
 図8は、本発明の実施の形態1の第3変形例に係る磁気センサの第1磁気抵抗素子および第2磁気抵抗素子の各々のパターンを示す平面図である。図8に示すように、本発明の実施の形態1の第3変形例に係る磁気センサにおいては、第1磁気抵抗素子120a,120bは、絶縁層30に直交する方向から見て、四角形形状を有しており、1対の第2辺部122の各々は、接続されている第1辺部121とのなす角αが、90°である。磁性体部材40は、絶縁層30に直交する方向から見て、第1磁気抵抗素子120a,120bのパターン120zの内周縁に沿う四角形形状を有している。
 ここで、非感磁方向であるY方向の磁界が、感磁方向であるX方向の磁界を検出する磁気センサの感度に与える影響についてシミュレーションにより検証した実験例について説明する。実験例においては、比較例として、特許文献1に記載のようにミアンダ状の4つの磁気抵抗素子を有する磁気センサと、α=135°である本実施の形態に係る磁気センサ1と、α=124°である本実施の形態の第1変形例に係る磁気センサと、α=109°である本実施の形態の第2変形例に係る磁気センサと、α=90°である本実施の形態の第3変形例に係る磁気センサとの、5種類の磁気センサについてシミュレーション解析を行なった。
 図9は、実験例において、各磁気センサに印加されたY方向の磁界と、各磁気センサがOFFからONに切り替わるX方向の磁界との関係を示すグラフである。図9においては、縦軸に、各磁気センサがOFFからONに切り替わるX方向の磁界(mT)、横軸に、各磁気センサに印加されたY方向の磁界(mT)を示している。
 図9に示すように、比較例に係る磁気センサにおいては、磁気センサに印加されるY方向の磁界が大きくなるにしたがって、磁気センサがOFFからONに切り替わるX方向の磁界が急激に大きくなり、すなわち、X方向の磁界に対する磁気センサの検出感度が急激に低下していた。
 本実施の形態に係る磁気センサ1、本実施の形態の第1変形例に係る磁気センサ、本実施の形態の第2変形例に係る磁気センサおよび本実施の形態の第3変形例に係る磁気センサの各々においては、比較例に係る磁気センサよりも、磁気センサに印加されるY方向の磁界による、X方向の磁界に対する磁気センサの検出感度の低下が抑制されていた。
 α=135°である本実施の形態に係る磁気センサ1においては、磁気センサに印加されるY方向の磁界が大きくなるにしたがって、磁気センサがOFFからONに切り替わるX方向の磁界が小さくなり、すなわち、Y方向の磁界に対する磁気センサの感度が高くなる傾向が認められた。Y方向の磁界が4.5mT以上では、磁気センサがOFFからONに切り替わるX方向の磁界が0mTとなり、Y方向の磁界によって磁気センサがONになっていた。
 α=124°である本実施の形態の第1変形例に係る磁気センサにおいては、Y方向の磁界が4.7mTまでは、磁気センサがOFFからONに切り替わるX方向の磁界が略一定に維持されていた。Y方向の磁界が7mT以上では、磁気センサがOFFからONに切り替わるX方向の磁界が0mTとなり、Y方向の磁界によって磁気センサがONになっていた。
 α=109°である本実施の形態の第2変形例に係る磁気センサにおいては、磁気センサに印加されるY方向の磁界が大きくなるにしたがって、磁気センサがOFFからONに切り替わるX方向の磁界がわずかに大きくなり、すなわち、X方向の磁界に対する磁気センサの検出感度がわずかに低下していた。
 α=90°である本実施の形態の第3変形例に係る磁気センサにおいては、磁気センサに印加されるY方向の磁界が大きくなるにしたがって、磁気センサがOFFからONに切り替わるX方向の磁界が緩やかに大きくなり、すなわち、X方向の磁界に対する磁気センサの検出感度が緩やかに低下していた。
 上記の実験結果から、角度αを90°より大きく135°以下の範囲内で変更することにより、Y方向の磁界に対する磁気センサの検出感度の変動傾向を調整することができることが確認できた。すなわち、角度αを90°より大きく135°以下の範囲内で変更することにより、磁気センサの感磁方向の範囲を広げることが可能となる。
 本発明の実施の形態1に係る磁気センサ1においては、第1磁気抵抗素子120a,120bは、絶縁層30に直交する方向から見て、磁性体部材40の外側において磁性体部材40を第1方向において互いの間に挟む一部上に、導電層20が設けられている。これにより、第1方向の磁界の影響による磁気センサ1の第2方向の磁界の検出感度の低下を抑制することができる。
 本発明の実施の形態1に係る磁気センサ1においては、第1磁気抵抗素子120a,120bは、絶縁層30に直交する方向から見て、第1方向と直交する第2方向に沿って延在しつつ第1方向において互いに間隔をあけて位置する1対の第1辺部121と、第1方向に沿って延在しつつ第2方向において互いに間隔をあけて位置する1対の第2辺部122とを含む、多角形形状を有している。1対の第1辺部121の各々の上に導電層20が設けられていることにより、1対の第1辺部121の各々を磁気抵抗素子として機能しないようにして、第1方向の磁界の影響による磁気センサ1の第2方向の磁界の検出感度の低下を抑制することができる。
 本発明の実施の形態1に係る磁気センサにおいては、上記多角形形状は、八角形形状である。第1磁気抵抗素子120a,120bは、1対の第1辺部121と対応する1対の第2辺部122とを互いに接続する4つの第3辺部123をさらに含み、4つの第3辺部の各々123は、接続されている第1辺部121とのなす角αが、90°より大きく135°以下である。これにより、Y方向の磁界に対する磁気センサの検出感度の変動傾向を調整して、磁気センサの感磁方向の範囲を広げることが可能となる。
 本発明の実施の形態1に係る磁気センサにおいては、上記多角形形状は、四角形形状であってもよい。この場合も、第1方向の磁界の影響による磁気センサ1の第2方向の磁界の検出感度の低下を抑制することができる。
 (実施の形態2)
 以下、本発明の実施の形態2に係る磁気センサについて図を参照して説明する。なお、本発明の実施の形態2に係る磁気センサは、第1磁気抵抗素子のパターンおよび磁性体部材の各々の形状のみ異なるため、本発明の実施の形態1に係る磁気センサ1と同様である構成については説明を繰り返さない。
 図10は、本発明の実施の形態2に係る磁気センサの第1磁気抵抗素子および第2磁気抵抗素子の各々のパターンを示す平面図である。図10に示すように、本発明の実施の形態2に係る磁気センサにおいては、第1磁気抵抗素子220a,220bは、絶縁層30に直交する方向から見て、円形形状を有している。
 第1磁気抵抗素子220a,220bは、絶縁層30に直交する方向から見て、磁性体部材40の外側において磁性体部材40を第1方向において互いの間に挟む一部である1対の第1円弧部221と、1対の第1円弧部221を互いに接続する1対の第2円弧部222とを含む。
 1対の第1円弧部221の各々の磁性体層10上には、導電層20が設けられている。1対の第2円弧部222の各々の磁性体層10上には、導電層20は設けられていない。よって、1対の第1円弧部221の各々は、磁気抵抗素子として機能せず、1対の第2円弧部222の各々は、磁気抵抗素子として機能する。
 磁性体部材40は、絶縁層30に直交する方向から見て、第1磁気抵抗素子220a,220bのパターン220の内周縁に沿う円形形状を有している。
 本発明の実施の形態2に係る磁気センサにおいても、第1磁気抵抗素子220a,220bは、絶縁層30に直交する方向から見て、磁性体部材40の外側において磁性体部材40を第1方向において互いの間に挟む一部上に、導電層20が設けられている。これにより、第1方向の磁界の影響による磁気センサの第2方向の磁界の検出感度の低下を抑制することができる。また、磁気抵抗素子として機能する1対の第2円弧部222が円弧状であるため、磁気センサの感磁方向の範囲を広げることが可能である。
 (実施の形態3)
 以下、本発明の実施の形態3に係る磁気センサについて図を参照して説明する。なお、本発明の実施の形態3に係る磁気センサは、第1磁気抵抗素子のパターンおよび磁性体部材の各々の形状のみ異なるため、本発明の実施の形態1に係る磁気センサ1と同様である構成については説明を繰り返さない。
 図11は、本発明の実施の形態3に係る磁気センサの第1磁気抵抗素子および第2磁気抵抗素子の各々のパターンを示す平面図である。図11に示すように、本発明の実施の形態3に係る磁気センサにおいては、第1磁気抵抗素子320a,320bは、絶縁層30に直交する方向から見て、楕円形形状を有している。第1磁気抵抗素子320a,320bのパターン320の長軸は、Y方向に延びている。
 第1磁気抵抗素子320a,320bは、絶縁層30に直交する方向から見て、磁性体部材40の外側において磁性体部材40を第1方向において互いの間に挟む一部である1対の第1楕円弧部321と、1対の第1楕円弧部321を互いに接続する1対の第2楕円弧部322とを含む。
 1対の第1楕円弧部321の各々の磁性体層10上には、導電層20が設けられている。1対の第2楕円弧部322の各々の磁性体層10上には、導電層20は設けられていない。よって、1対の第1楕円弧部321の各々は、磁気抵抗素子として機能せず、1対の第2楕円弧部322の各々は、磁気抵抗素子として機能する。
 磁性体部材40は、絶縁層30に直交する方向から見て、第1磁気抵抗素子320a,320bのパターン320の内周縁に沿う楕円形形状を有している。
 本発明の実施の形態3に係る磁気センサにおいても、第1磁気抵抗素子320a,320bは、絶縁層30に直交する方向から見て、磁性体部材40の外側において磁性体部材40を第1方向において互いの間に挟む一部上に、導電層20が設けられている。これにより、第1方向の磁界の影響による磁気センサの第2方向の磁界の検出感度の低下を抑制することができる。また、磁気抵抗素子として機能する1対の第2楕円弧部322が楕円弧状であるため、磁気センサの感磁方向の範囲を広げることが可能である。
 上述した実施の形態の説明において、組み合わせ可能な構成を相互に組み合わせてもよい。
 今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
 1 磁気センサ、10 磁性体層、20 導電層、30 絶縁層、40 磁性体部材、100 回路基板、110 半導体基板、120,120x,120y,120z,130,220,320 パターン、120a,120b,220a,220b,320a,320b 第1磁気抵抗素子、121 第1辺部、122 第2辺部、123 第3辺部、130a,130b 第2磁気抵抗素子、131 円弧状パターン、132,133 半円弧状パターン、134 直線状延在部、140,141 中点、145,146,148,149,150,152 配線、160 差動増幅器、161 温度補償回路、162 スイッチ回路、163 ドライバ、221 第1円弧部、222 第2円弧部、321 第1楕円弧部、322 第2楕円弧部、C1 仮想円、C11 仮想C字形状。

Claims (6)

  1.  第1磁気抵抗素子と、
     前記第1磁気抵抗素子と電気的に接続されてブリッジ回路を構成する第2磁気抵抗素子と、
     前記第1磁気抵抗素子および前記第2磁気抵抗素子を覆う絶縁層と、
     前記絶縁層の上方に位置する磁性体部材とを備え、
     前記第1磁気抵抗素子は、外周縁および内周縁を有し、
     前記磁性体部材は、前記絶縁層に直交する方向から見て、前記第1磁気抵抗素子の前記外周縁より内側の領域に位置しており、
     前記第2磁気抵抗素子は、前記絶縁層に直交する方向から見て、前記第1磁気抵抗素子の前記内周縁より内側の領域に位置して前記磁性体部材で覆われており、
     前記第1磁気抵抗素子は、前記絶縁層に直交する方向から見て、前記磁性体部材の外側において前記磁性体部材を第1方向において互いの間に挟む一部上に、導電層が設けられている、磁気センサ。
  2.  前記第1磁気抵抗素子は、前記絶縁層に直交する方向から見て、前記第1方向と直交する第2方向に沿って延在しつつ前記第1方向において互いに間隔をあけて位置する1対の第1辺部と、前記第1方向に沿って延在しつつ前記第2方向において互いに間隔をあけて位置する1対の第2辺部とを含む、多角形形状を有している、請求項1に記載の磁気センサ。
  3.  前記多角形形状は、八角形形状であり、
     前記第1磁気抵抗素子は、前記1対の第1辺部と対応する前記1対の第2辺部とを互いに接続する4つの第3辺部をさらに含み、
     前記4つの第3辺部の各々は、接続されている第1辺部とのなす角が、90°より大きく135°以下である、請求項2に記載の磁気センサ。
  4.  前記多角形形状は、四角形形状である、請求項2に記載の磁気センサ。
  5.  前記第1磁気抵抗素子は、前記絶縁層に直交する方向から見て、円形形状を有している、請求項1に記載の磁気センサ。
  6.  前記第1磁気抵抗素子は、前記絶縁層に直交する方向から見て、前記第1方向に延びる長軸を有する楕円形形状を有している、請求項1に記載の磁気センサ。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023162584A1 (ja) * 2022-02-24 2023-08-31 株式会社村田製作所 磁気センサ

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090155932A1 (en) * 2007-12-14 2009-06-18 Jeongdae Suh Method of manufacturing magnetic field detector
JP2009222650A (ja) * 2008-03-18 2009-10-01 Ricoh Co Ltd 磁気センサーおよび携帯情報端末装置
JP2015118067A (ja) * 2013-12-20 2015-06-25 アルプス電気株式会社 磁気検知装置
US20180372511A1 (en) * 2017-06-26 2018-12-27 Texas Instruments Incorporated Tilted segmented anisotropic magneto-resistive angular sensor
WO2019111766A1 (ja) * 2017-12-04 2019-06-13 株式会社村田製作所 磁気センサ
JP2019163935A (ja) * 2018-03-19 2019-09-26 Tdk株式会社 磁気センサ

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090155932A1 (en) * 2007-12-14 2009-06-18 Jeongdae Suh Method of manufacturing magnetic field detector
JP2009222650A (ja) * 2008-03-18 2009-10-01 Ricoh Co Ltd 磁気センサーおよび携帯情報端末装置
JP2015118067A (ja) * 2013-12-20 2015-06-25 アルプス電気株式会社 磁気検知装置
US20180372511A1 (en) * 2017-06-26 2018-12-27 Texas Instruments Incorporated Tilted segmented anisotropic magneto-resistive angular sensor
WO2019111766A1 (ja) * 2017-12-04 2019-06-13 株式会社村田製作所 磁気センサ
JP2019163935A (ja) * 2018-03-19 2019-09-26 Tdk株式会社 磁気センサ

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023162584A1 (ja) * 2022-02-24 2023-08-31 株式会社村田製作所 磁気センサ

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