WO2023171207A1 - 磁気センサ - Google Patents

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WO2023171207A1
WO2023171207A1 PCT/JP2023/004035 JP2023004035W WO2023171207A1 WO 2023171207 A1 WO2023171207 A1 WO 2023171207A1 JP 2023004035 W JP2023004035 W JP 2023004035W WO 2023171207 A1 WO2023171207 A1 WO 2023171207A1
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WO
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magnetic
sensing element
electrical wiring
substrate
wiring
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Application number
PCT/JP2023/004035
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English (en)
French (fr)
Inventor
冠汰 菊地
英治 梅津
Original Assignee
アルプスアルパイン株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/72—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic sensor with reduced power consumption and equipped with AC electrical wiring and DC electrical wiring that can apply an AC magnetic field to a magnetic sensing element with high efficiency.
  • Patent Document 1 describes a magnetic measurement device that includes a magnetic sensor whose output characteristic of output voltage with respect to a magnetic field is an even function, and a modulation coil that applies a modulated alternating current magnetic field to the magnetic sensor. It is disclosed that an alternating current and a direct current are passed through nearby wiring to generate an alternating current magnetic field and a direct current magnetic field.
  • Patent Document 2 describes a magnetic sensor in which a first electrical resistance of a first sensor element changes according to a first magnetic layer, a current flowing through a first wiring, and a detected magnetic field applied to a first sensor element.
  • Patent Document 3 describes a magnetic sensor including wiring that supplies alternating current to a magnetic sensing element. According to the magnetic sensors described in these documents, it is possible to accurately detect an external magnetic field through modulation by an alternating magnetic field.
  • An object of the present invention is to provide a magnetic sensor with high magnetic resolution that suppresses an increase in power consumption due to an increase in resistance of AC electric wiring when AC current is supplied.
  • the present invention has the following configuration as a means for solving the above-mentioned problems.
  • a DC electric wiring capable of applying a DC magnetic field to the magnetic sensing element, the magnetic sensing element, the AC electric wiring, and the DC electric wiring are insulated from each other, and the AC electric wiring is capable of applying a DC magnetic field to the magnetic sensing element.
  • a magnetic sensor characterized in that at least a portion of the wiring is formed embedded in the substrate.
  • the Joule heat generated in the AC wiring can be efficiently radiated to the board, making it difficult for resistance to increase in the AC electrical wiring. Furthermore, since the AC electrical wiring can be formed with a larger cross-sectional area than when the AC electrical wiring is formed on an insulating film, the resistivity of the AC electrical wiring can be reduced. Furthermore, by forming the AC electric wiring embedded in the substrate, the distance between the magnetic sensing element and the AC electric wiring can be reduced. Thereby, the magnetic field applied to the magnetic sensing element can be increased without increasing the amount of current flowing through the AC electrical wiring.
  • the magnetic sensor may be formed such that at least a portion of the DC electrical wiring is embedded in the substrate.
  • the AC electrical wiring may be disposed between the magnetic sensing element and the DC electrical wiring when viewed from a direction perpendicular to the normal direction of the substrate and the direction of the sensing axis of the magnetic sensing element.
  • the DC electrical wiring may be formed in parallel to the AC electrical wiring when viewed from a direction perpendicular to the normal direction of the substrate and the direction of the sensing axis of the magnetic sensing element.
  • the AC electrical wiring When the AC electrical wiring and the magnetic sensing element are formed in parallel, the AC electrical wiring may be arranged so as to have a portion that overlaps with the magnetic sensing element when viewed from the normal direction of the substrate. .
  • the AC electrical wiring closer to the magnetic sensing element than the DC electrical wiring, the magnetic field from the AC electrical wiring, which may consume relatively more power, can be detected most efficiently. can be applied to the element. Therefore, it is possible to reduce the current flowing through the alternating current electric wiring to which current is continuously applied, so that the power consumption of the entire current sensor can be reduced.
  • the DC electrical wiring may be disposed between the magnetic sensing element and the AC electrical wiring when viewed from a direction perpendicular to the normal direction of the substrate and the direction of the sensing axis of the magnetic sensing element.
  • the cross-sectional area of the AC electric wiring is larger than the cross-sectional area of the DC electric wiring when viewed from a direction perpendicular to the normal direction of the substrate and the direction of the sensing axis of the magnetic sensing element.
  • the magnetic sensor may include a plurality of the magnetic sensing elements, and may include a bridge circuit formed including the plurality of magnetic sensing elements. By using a bridge circuit, noise added to the entire magnetic sensing element can be removed, so the measurement accuracy of the magnetic sensor is improved.
  • the magnetic sensor may include a soft magnetic material provided on the insulating layer further from the substrate than the magnetic sensing element. Since the magnetic field of the object to be measured can be amplified by the soft magnetic material, the measurement accuracy of the magnetic sensor is improved.
  • the substrate may be a silicon substrate, and the AC electrical wiring may be formed by a damascene process.
  • the damascene process By forming a thermal oxidation layer on the silicon substrate in the damascene process, insulation between the AC electrical wiring and the silicon substrate can be ensured. Further, according to the damascene process, it is possible to form deep grooves in a silicon substrate to form electrical wiring having a large cross-sectional area.
  • the magnetic sensor of the present invention has at least a portion of the AC electric wiring buried in the substrate, thereby suppressing heat generation of the AC electric wiring when AC current is supplied, and reducing power consumption of the magnetic sensor without reducing detection performance. It is possible to reduce Therefore, it is possible to provide a magnetic sensor that suppresses an increase in power consumption, has high magnetic resolution, and has good detection performance.
  • FIG. 2 is a plan view schematically showing a magnetic sensor including a bridge circuit.
  • 1A is a plan view schematically showing a bridge circuit that constitutes the magnetic sensor of FIG. 1A.
  • FIG. 1A is a plan view schematically showing electrical wiring for applying an alternating magnetic field, which constitutes the magnetic sensor of FIG. 1A.
  • FIG. 1B is a plan view schematically showing electrical wiring for applying a DC magnetic field, which constitutes the magnetic sensor of FIG. 1A.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a magnetic sensor according to a reference example.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the measurement principle of the magnetic sensor of the present invention. It is a graph in which the magnetic field strength measured by a magnetic sensor is broken down by frequency.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a magnetic sensor according to a first embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a magnetic sensor according to a modification of the first embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a magnetic sensor according to a second embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a magnetic sensor according to a modification of the second embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a method for manufacturing a magnetic sensor according to the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a method for manufacturing a magnetic sensor according to the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a method for manufacturing a magnetic sensor according to the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a method for manufacturing a magnetic sensor according to the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a method for manufacturing a magnetic sensor according to the present invention. It is a top view of the magnetic sensor manufactured by the manufacturing method of FIG. 10A to FIG. 10D.
  • FIG. 2 is a plan view illustrating the configuration of a soft magnetic body of a magnetic sensor according to an example.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating the configuration of each part of the magnetic sensor of the example.
  • FIG. 3 is a plan view illustrating the configuration of AC electrical wiring of the magnetic sensor of the example.
  • FIG. 2 is a plan view illustrating the configuration of DC electrical wiring of the magnetic sensor of the example.
  • FIG. 1A is a plan view schematically showing a magnetic sensor 1 including a bridge circuit 2 formed including a plurality of magnetic sensing elements 11.
  • FIG. 1B is a plan view schematically showing the bridge circuit 2 that constitutes the magnetic sensor 1 of FIG. 1A.
  • FIG. 1C is a plan view schematically showing electric wiring 12AC for applying an alternating magnetic field, which constitutes the magnetic sensors 1 and 10 of FIG. 1A.
  • FIG. 1D is a plan view schematically showing electric wiring 12DC for applying a DC magnetic field, which constitutes the magnetic sensors 1 and 10 of FIG. 1A.
  • the soft magnetic body 15 in the magnetic sensor 10 is omitted in FIGS. 1A and 1B, and each member is simplified and schematically shown in FIGS. 1A, 1B, 1C, and 1D. Therefore, the magnetic sensor 10 shown in FIG. 1A is different from the magnetic sensor 10 shown in FIGS. 6 and 10E in the illustrated members and the relative positional relationship and size of each member.
  • the electrical wiring 12 is shown in thick lines to make it easier to distinguish it from the bridge circuit 2.
  • the bridge circuit 2 is shown larger than the magnetic sensing elements 11 shown in FIG. 10C to show that it is composed of four magnetic sensing elements 11. Note that in FIG.
  • the AC electrical wiring 12AC and the DC electrical wiring 12DC are collectively shown as the electrical wiring 12, but as shown in FIGS. 1C, 1D, 6, and 10A to 10E, the AC electrical wiring 12AC and The DC electric wiring 12DC is configured as a separate member.
  • the AC electrical wiring 12AC and the DC electrical wiring 12DC are arranged so as to overlap when viewed from above (Z1-Z2 direction Z2 side).
  • the DC electrical wiring 12DC is located above the AC electrical wiring 12AC.
  • the magnetic sensor 1 includes two half-bridge circuits in which a magnetic sensing element 11a and a magnetic sensing element 11b are connected in series, and these half-bridge circuits are connected in parallel to a power supply terminal Vdd to form a bridge circuit. 2.
  • a magnetic sensing element 11 magnetic sensing element 11a, magnetic sensing element 11b
  • GMR giant magnetoresistive
  • TMR tunnel magnetoresistive
  • a pinned magnetic layer, a nonmagnetic layer, and a free magnetic layer are sequentially laminated on an insulating underlayer, and the surface of the free magnetic layer is covered with a protective layer.
  • the fixed magnetic layer is made of a soft magnetic material such as CoFe alloy (cobalt-iron alloy), and has a fixed magnetization direction.
  • the pinned direction P of magnetization of the pinned magnetic layer is indicated by an arrow.
  • the direction (X-axis direction) orthogonal to the fixed direction P of magnetization is the sensitivity axis direction of each magnetic sensing element 11.
  • the fixed direction P of magnetization of each magnetic sensing element 11 constituting the bridge circuit 2 is the same, and in the example shown in FIGS. 1A and 1B, both are directed upward in the drawing (Y2 direction).
  • the nonmagnetic layer is made of a nonmagnetic material such as Cu (copper).
  • the free magnetic layer is made of a soft magnetic material such as NiFe alloy (nickel-iron alloy).
  • the protective layer covering the free magnetic layer is made of Ta (tantalum) or the like.
  • the magnetization direction of the free magnetic layer is aligned in the same direction as the fixed direction P of magnetization of the pinned magnetic layer.
  • a bias magnetic field may be applied to align the magnetization directions of the free magnetic layer.
  • the magnetic sensing element 11 when an external magnetic field is applied from the outside, the direction of magnetization in the free magnetic layer, which is aligned in the same direction as the fixed direction P of magnetization of the pinned magnetic layer, is tilted toward the X direction.
  • the electrical resistance of the magnetic sensing element 11 increases, and when the angle between the magnetization vector of the free magnetic layer and the magnetization fixed direction P decreases, , the electrical resistance of the magnetic sensing element 11 becomes smaller. Therefore, the magnetic sensing element 11 exhibits an even-function type resistance change with respect to a magnetic field in the direction of the sensing axis S (X-axis direction) orthogonal to the pinned direction P of magnetization of the pinned magnetic layer.
  • the magnetic sensor 1 includes an electric wiring 12 that functions as a magnetic coil capable of applying a magnetic field to the magnetic sensing element 11.
  • the electrical wiring 12 consists of an AC electrical wiring 12AC and a DC electrical wiring 12DC.
  • the AC electric wiring 12AC can apply an AC magnetic field to the magnetic sensing element 11 in the direction of the detection axis S of magnetization of the pinned magnetic layer (X-axis direction).
  • the DC electric wiring 12DC can apply a DC magnetic field to the magnetic sensing element 11 in the direction of the detection axis S of magnetization of the pinned magnetic layer.
  • the AC electric wiring 12AC has wiring connected in parallel, and the direction in which the parallel wiring is arranged is in the direction in which the two half-bridge circuits forming the full-bridge circuit 2 are arranged. It's in line.
  • Each wiring formed in parallel is directed in opposite directions to each other along the Y-axis direction (Y1 side in the Y1-Y2 direction, Y2 side in the Y1-Y2 direction) from the branch point with the common wiring that supplies alternating current to these wirings. It is branched into.
  • the branch point is located between two half-bridge circuits when viewed from above (Z2 side in the Z1-Z2 direction).
  • the AC electrical wiring 12AC arranged to overlap the magnetic sensing element 11a and the AC electrical wiring 12AC arranged to overlap the magnetic sensing element 11b always have currents in opposite directions. flows. Therefore, when an alternating current is passed through the alternating current electric wiring 12AC, an alternating current magnetic field of opposite phase is applied to the magnetic sensing element 11a and the magnetic sensing element 11b that constitute the bridge circuit 2.
  • Solid and broken arrows in the figure indicate the direction of the alternating current flowing through the alternating current electrical wiring 12AC.
  • the direction of the alternating current magnetic field generated in the alternating current electrical wiring 12AC by the alternating current in the direction indicated by the solid line is indicated by a black arrow.
  • the direction of the alternating current magnetic field generated in the alternating current electrical wiring 12AC due to the alternating current in the direction indicated by the broken line is indicated by the white arrow.
  • the DC electrical wiring 12DC has wiring connected in parallel, and the direction in which the parallel wiring is arranged is in the direction in which the two half-bridge circuits forming the full-bridge circuit 2 are arranged. It's in line.
  • Each wiring formed in parallel and the wiring connecting each wiring are arranged in a direction perpendicular to the X-axis direction and the Y-axis direction from the branch point with the common wiring that supplies DC current to these wirings. It's branching out.
  • the branch point is located between the magnetic sensing element 11a and the magnetic sensing element 11b that constitute each half-bridge circuit when viewed from above (Z2 side in the Z1-Z2 direction).
  • the magnetic sensor 1 can detect weak magnetic fields by applying an AC magnetic field to the magnetic sensing element 11 through the AC electric wiring 12AC.
  • weak magnetic fields detected by the magnetic sensor 1 include magnetic fields emitted from living bodies measured in medical procedures, weak magnetic fields emitted from various devices, and the like. Magnetic sensors with high magnetic resolution are required for measuring brain waves in medical settings and testing various devices, and the magnetic sensor 1 is suitable for these uses.
  • FIG. 2 shows a reference example magnetic sensor 50 that includes a magnetic sensing element 11 and AC electrical wiring 12AC.
  • the magnetic sensing element 11 In detecting a magnetic field by applying an alternating magnetic field to the magnetic sensing element 11, the magnetic sensing element 11 has an even function type characteristic, in which the output signal characteristic for a magnetic field having a sensing axis S along the in-plane direction of the substrate is an even function.
  • an AC electric wiring 12AC that applies an AC magnetic field in a direction perpendicular thereto, constitute the basic configuration for detecting magnetism. Therefore, the principle of operation of the magnetic sensor 10 that constitutes the magnetic sensor 1 will be described below with reference to the magnetic sensor 50 as a reference example.
  • an AC electric wiring 12AC is installed in the insulating layer 14 on the substrate 13, below the magnetic sensing element 11.
  • the substrate 13 is made of, for example, a silicon substrate made of silicon.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the measurement principle of the magnetic sensor 50. This figure shows the resistance change of the magnetic sensing element 11 of the single-element magnetic sensor 50.
  • FIG. 4 is a graph in which the magnetic field strength measured by the magnetic sensor 50 is broken down into frequencies. The graph shown in the figure is obtained by performing Fast Fourier Transform (FFT) on the waveform of the resistance change of the magnetic sensing element 11.
  • FFT Fast Fourier Transform
  • the waveform of the resistance change of the magnetic sensing element 11a is output as a wave with twice the frequency (2 ⁇ a) of the alternating current magnetic field applied by the alternating current electric wiring 12AC, as shown by the following equation.
  • the waveform of the resistance change of the magnetic sensing element 11a is expressed by the following equation.
  • the signal indicating the resistance change of the magnetic sensing element 11a consists of a component of twice the frequency ⁇ a of the applied alternating magnetic field (2 ⁇ a), and components of ( ⁇ a + ⁇ b) and ( ⁇ a - ⁇ b). It is output as a wave.
  • the external magnetic field Hb ⁇ sin( ⁇ b ⁇ t) can be extracted as a signal with frequencies ( ⁇ a+ ⁇ b) and ( ⁇ a ⁇ b). That is, a signal obtained by adding the frequency ⁇ b of the external magnetic field to the frequency ⁇ a of the alternating magnetic field is obtained as a signal decomposed by frequency.
  • 1/f noise can be significantly reduced. In this way, the magnetic resolution of the magnetic sensor 50 can be increased by measuring a high frequency region with less randomly generated 1/f noise.
  • the equation showing the change in the resistance R' of the magnetic sensing element 11b and the equation showing the change in the resistance R of the magnetic sensing element 11a are such that the signs of the term including ( ⁇ a + ⁇ b) and the term including ( ⁇ a - ⁇ b) are reversed. , 2 ⁇ a and 2 ⁇ b are not inverted in sign. Therefore, the difference R'-R between the resistance R of the magnetic sensing element 11a and the resistance R' of the magnetic sensing element 11b is expressed by the following equation.
  • the AC electric wirings 12AC are connected in parallel, and the magnetic sensing elements 11a and 11a of the bridge circuit 2 are connected to each other.
  • the frequency ( ⁇ a + ⁇ b) required to extract the external magnetic field Hb ⁇ sin ( ⁇ b ⁇ t) from the resistance R of the magnetic sensing element 11a and the resistance R' of the magnetic sensing element 11b by applying an alternating current magnetic field of opposite phase The magnetic detection sensitivity can be improved by extracting the term ( ⁇ a ⁇ b). By improving the magnetic detection sensitivity in this way, it becomes possible to use, for example, an amplifier with a high amplification factor.
  • FIG. 5 is a graph in which the magnetic field strength measured by the magnetic sensor 50 is broken down into frequencies when a disturbance magnetic field larger than the amplitude of the detected magnetic field is applied.
  • the measurement principle of the magnetic sensor 50 is as described above, but when actually measuring a magnetic field, a disturbance magnetic field Hi is applied to the magnetic sensor. Therefore, the equation showing the change in the waveform of the resistance change of the magnetic sensing element 11 is as follows.
  • the magnetic sensor 50 of the reference example including the magnetic sensing element 11 and the AC electric wiring 12AC has a problem in that the S/N ratio of the detected magnetic field deteriorates when a large disturbance magnetic field Hi is applied. Therefore, the magnetic sensor 10 of this embodiment applies a DC magnetic field to the magnetic sensing element 11 through the DC electric wiring 12DC shown in FIGS. 1A and 1D to cancel the disturbance magnetic field Hi.
  • the magnetic sensing element 11 and the AC electric wiring 12AC are both provided on the insulating layer 14, the Joule heat generated in the AC electric wiring 12AC is released to the substrate 13. difficult to do. Therefore, there is a problem in that the sensitivity of the magnetic sensing element 11 is reduced due to the heat generated by the AC electric wiring 12AC.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the magnetic sensor 10 according to the present embodiment, and schematically shows the configuration of the cross-section of the XZ plane taken along the line AA in FIG. 1A.
  • the magnetic sensor 10 includes a magnetic sensing element 11, an AC electrical wiring 12AC, a DC electrical wiring 12DC, and a soft magnetic body 15.
  • the magnetic sensing element 11, the AC electrical wiring 12AC, and the DC electrical wiring 12DC are insulated from each other by an insulating layer 14.
  • the magnetic sensing element 11 is formed on a substrate 13 via an insulating layer 14 made of an insulating material, and has a sensing axis S along the direction within the XY plane of the substrate 13 (see FIG. 1B).
  • the detection axis S is a direction perpendicular to the pinned direction P of magnetization of the pinned magnetic layer, and is the X-axis direction.
  • the magnetic sensing element 11 has an output signal characteristic that is an even function with respect to the magnetic field in the X-axis direction.
  • the AC electric wiring 12AC applies an AC magnetic field to the magnetic sensing element 11 in the direction of the sensing axis S of the magnetic sensing element 11 by applying AC electricity.
  • an alternating magnetic field to the magnetic sensing element 11
  • a weak magnetic field can be detected with high accuracy based on the measurement principle described with reference to FIGS. 3 to 5.
  • the width of the AC electric wiring 12AC in the X-axis direction is narrower than that of the DC electric wiring 12DC, and wider than the magnetic sensing element 11. Thereby, a strong alternating magnetic field can be generated and a uniform alternating magnetic field can be applied to the magnetic sensing element 11.
  • An insulating layer 16 is formed between the AC electrical wiring 12AC and the substrate 13.
  • the insulating layer 16 is formed, for example, by thermally oxidizing the surface of the silicon substrate 13 when forming the AC electric wiring 12AC by a damascene process.
  • the AC electrical wiring 12AC of the magnetic sensor 10 is formed embedded in the substrate 13.
  • the entire AC electrical wiring 12AC is buried in the substrate 13, but a configuration in which a portion of the AC electrical wiring 12AC is buried in the substrate 13 may also be used.
  • the heat of the AC electric wiring 12AC can be efficiently radiated to the substrate 13.
  • the AC electric wiring 12AC can be buried near the magnetic sensing element 11. can be installed. Since the AC electrical wiring 12AC can be formed with a larger cross-sectional area than when the AC electrical wiring 12AC is formed in the insulating layer 14, the resistivity of the AC electrical wiring 12AC can be reduced. Therefore, it is possible to increase the AC magnetic field applied to the magnetic sensing element 11 without increasing the amount of AC current flowing through the AC electric wiring 12AC.
  • the AC electric wiring 12AC is connected to the magnetic field provided in the insulating layer 14.
  • Each part constituting the magnetic sensor 10 can be formed with higher precision than the sensor 50 (see FIG. 2).
  • the magnetic sensor 10 includes, in addition to the AC electric wiring 12AC, a DC electric wiring 12DC that can apply a DC magnetic field to the magnetic sensing element 11.
  • a DC electric wiring 12DC that can apply a DC magnetic field to the magnetic sensing element 11.
  • the width of the DC electric wiring 12DC in the X-axis direction is wider than that of the magnetic sensing element 11 and the AC electric wiring 12AC. Thereby, the cross-sectional area of the DC electric wiring 12DC can be increased and the resistance can be lowered.
  • the width of the DC electrical wiring 12DC By widening the width of the DC electrical wiring 12DC, the cross-sectional area of the DC electrical wiring 12DC can be increased, and the thickness can be made smaller than the DC electrical wiring 12DC, which has the same cross-sectional area but is narrower. Therefore, the distance between the AC electric wiring 12AC and the magnetic sensing element 11 can be reduced, and the AC magnetic field can be efficiently applied from the AC electric wiring 12AC to the magnetic sensing element 11.
  • the width of the DC electric wiring 12DC in the X-axis direction is approximately twice that of the magnetic sensing element 11 (for example, 1.5 times or more and 2.5 times or less). is preferred.
  • a DC electric wiring 12DC is connected to the plurality of magnetic sensing elements 11 in order to cancel a disturbance magnetic field. Apply a unidirectional DC magnetic field.
  • the direction of the DC magnetic field applied by the DC electric wiring 12DC is the same between the magnetic sensing elements 11a and 11b.
  • a DC current that generates a DC magnetic field that cancels out the measured disturbance magnetic field is applied to the magnetic sensor in the state where the DC current is flowing. This is done by feeding back the measured magnetic field strength to the direct current.
  • a known method can be used for feedback control.
  • the DC electric wiring 12DC of the magnetic sensor 10 is viewed from the direction (Y-axis direction) perpendicular to the normal direction of the substrate 13 (Z-axis direction) and the direction of the detection axis S of the magnetic sensing element 11 (X-axis direction). , is arranged between the magnetic sensing element 11 and the AC electric wiring 12AC.
  • the cross-sectional area of the AC electrical wiring 12AC can be increased without considering the arrangement of the DC electrical wiring 12DC, and the magnetic sensor No. 10 can easily enjoy the effect of efficient heat dissipation and the effect of reducing resistivity.
  • the magnetic field applied to the magnetic sensing element 11 can be applied without increasing the amount of current flowing through the DC electric wiring 12DC. can be made larger. This shortening of the distance of the DC electric wiring 12DC may contribute to improving the responsiveness of the magnetic sensor 10. Note that, from the viewpoint of ease of manufacture, it may be preferable that the DC electrical wiring 12DC does not have a portion buried in the substrate 13.
  • the cross-sectional area of the AC electric wiring 12AC of the magnetic sensor 10 is measured from the direction (Y-axis direction) perpendicular to the normal direction of the substrate 13 (Z-axis direction) and the direction of the detection axis S (X-axis direction) of the magnetic sensing element 11. When viewed, it is larger than the cross-sectional area of the DC electrical wiring 12DC.
  • the current is continuously applied to the AC electrical wiring 12AC, it may be preferable to reduce the power consumption of the AC electrical wiring 12AC preferentially from the viewpoint of reducing the overall power consumption. Therefore, if the cross-sectional area of the AC electric wiring 12AC is made larger than the cross-sectional area of the DC electric wiring 12DC, the resistivity of the AC electric wiring 12AC can be made lower than that of the DC electric wiring 12DC, and the AC electric wiring 12AC power consumption can be efficiently reduced.
  • the magnetic sensor 10 has a soft magnetic material 15 provided on the insulating layer 14 further from the substrate 13 than the magnetic sensing element 11 is.
  • the measurement accuracy of the magnetic sensor 10 can be improved by amplifying the magnetic field of the measurement object using the soft magnetic body 15 made of a MFC (Magnetic Flux Concentrator) or the like.
  • the magnetic sensor 10 has the AC electrical wiring 12AC embedded in the substrate 13, the AC electrical wiring 12AC can be formed thickly, and the DC electrical wiring 12DC can be formed in a layer above the AC electrical wiring 12AC. Therefore, power consumption can be suppressed while suppressing heat generation of the magnetic sensor 10. Furthermore, it is possible to form the AC electrical wiring 12AC in a groove provided in the substrate 13 to increase the cross-sectional area of the AC electrical wiring 12AC. Therefore, it is possible to prevent the sensitivity of the magnetic sensing element 11 from decreasing due to heat generation, reduce the power consumption of the magnetic sensor 10, and reduce the total film thickness.
  • FIG. 7 is a sectional view of a magnetic sensor 20 according to a modification of the magnetic sensor 10 of the first embodiment.
  • the magnetic sensor 20 differs from the magnetic sensor 10 in that the DC electrical wiring 12DC is embedded in the substrate 13.
  • An insulating layer 16 is provided between the DC electrical wiring 12DC and the substrate 13.
  • At least a portion of the DC electrical wiring 12DC is formed embedded in the substrate 13, and by forming the DC electrical wiring 12DC to have a portion embedded in the substrate 13, as in the case of the AC electrical wiring 12AC, The effects of efficient heat dissipation, resistivity reduction, and distance shortening can also be obtained for the DC electrical wiring 12DC. Therefore, it is possible to reduce the power consumption of both the AC electrical wiring 12AC and the DC electrical wiring 12DC.
  • the AC electrical wiring 12AC is connected to the magnetic sensing element when viewed from the direction (Y-axis direction) perpendicular to the normal direction of the substrate 13 (Z-axis direction) and the direction of the sensing axis S (X-axis direction) of the magnetic sensing element 11. 11 and the DC electrical wiring 12DC. Since the DC electrical wiring 12DC is configured to be distanced from the magnetic sensing element 11, the power consumption of the DC electrical wiring 12DC increases, but the power consumption of the AC electrical wiring 12AC can be reduced. Therefore, the power consumption of the magnetic sensor 20 can be suppressed as a whole.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the magnetic sensor 30 according to this embodiment.
  • the magnetic sensor 30 is formed by embedding a DC electric wiring 12DC in a substrate 13.
  • the DC electric wiring 12DC is the AC electric wiring 12AC. are formed in parallel. Note that in FIG. 8, the entire DC electric wiring 12DC is buried in the substrate 13, but a portion thereof may be buried.
  • DC electrical wiring 12DC is arranged, one on each side in the X-axis direction, with respect to AC electrical wiring 12AC.
  • the DC electrical wiring 12DC may be provided only on one side of the AC electrical wiring 12AC, but from the viewpoint of uniforming the DC magnetic field applied from the DC electrical wiring 12DC to the magnetic sensing element 11, it is preferable to provide one on each side. It is preferable that From a similar point of view, the two DC electric wirings 12DC are arranged symmetrically with respect to the center line L1, which passes through the center of the magnetic sensing element 11 and is parallel to the Z-axis, when viewed from the Y-axis direction. More preferred.
  • the AC electric wiring 12AC is arranged so as to have a portion overlapping with the magnetic sensing element 11 when viewed from the normal direction of the substrate 13 (Z-axis direction).
  • the magnetic field from the AC electrical wiring 12AC which may have a relatively large power consumption, can be used most efficiently. can be applied to the magnetic sensing element 11 in a similar manner.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of a magnetic sensor 40 according to a modification of the magnetic sensor 30 of this embodiment.
  • the magnetic sensor 40 differs from the magnetic sensor 30 in that the positions of the DC electrical wiring 12DC and the AC electrical wiring 12AC are reversed.
  • two AC electric wirings 12AC are arranged, one on each side of the DC electric wiring 12DC, in the X-axis direction.
  • the two AC electric wirings 12AC are arranged symmetrically with respect to a center line L1 passing through the center of the magnetic sensing element 11 and parallel to the Z-axis direction, when viewed from the Y-axis direction.
  • An alternating current that applies an alternating magnetic field of the same phase to the magnetic sensing element 11 flows through the two alternating current electric wirings 12AC.
  • FIGS. 10A to 10D are schematic diagrams illustrating the method of manufacturing a magnetic sensor of the present invention
  • FIG. 10E is a plan view of a magnetic sensor manufactured by the same manufacturing method.
  • the plan view on the left side shows the main members formed in each step.
  • the cross-sectional view on the right side shows the cross section along line AA in FIG. 10E step by step after each member is formed in each step.
  • AC electrical wiring 12AC is formed on a substrate 13 made of a silicon substrate by a damascene process.
  • a groove 131 corresponding to the shape of the AC electric wiring 12AC is formed on the substrate 13, and the AC electric wiring 12AC is formed on the substrate 13 in which the groove 131 is formed.
  • a layer for the AC electrical wiring 12AC including the AC electrical wiring 12AC is formed on the surface of the substrate 13 in which the groove 131 is formed, and portions other than the AC electrical wiring 12AC are scraped off from the surface to form the AC electrical wiring 12AC. Good too.
  • the insulation resistance of the AC electric wiring 12AC is improved. Furthermore, the damascene process is suitable for forming deep grooves 131 in the substrate 13 and forming AC electrical wiring 12AC having a large cross-sectional area.
  • the AC electrical wiring 12AC is formed by a damascene process.
  • members other than the AC electrical wiring 12AC are also formed by the damascene process.
  • AC electrical wiring 12AC and DC electrical wiring 12DC are formed by a damascene process.
  • AC electrical wiring 12AC and DC electrical wiring 12DC are formed by a damascene process. Since the AC electrical wiring 12AC and the DC electrical wiring 12DC are arranged in parallel, at least some of them can be formed at the same time.
  • each member can be formed by a sputtering process or the like. Through these steps, it is possible to manufacture the magnetic sensor 1 including the magnetic sensor 10 shown in FIG. 10E.
  • the alternating current (drive current) of the alternating current electric wiring 12AC and the magnitude of the direct current (cancellation current) of the direct current electric wiring 12DC was determined by calculation.
  • FIG. 11A to 11D show the configuration of the magnetic sensor simulated in the example, where FIG. 11A is a plan view showing the size of the soft magnetic body 15, and FIG. 11B shows the size and arrangement of each part.
  • 11C is a plan view showing the shape and size of AC electrical wiring 12AC
  • FIG. 11D is a plan view showing the shape and size of DC electrical wiring 12DC.
  • the resistivity of the AC electrical wiring 12AC and the DC electrical wiring 12DC was set to 0.0345 ⁇ /m.
  • the resistance value is as follows. ((1300+1600+1200) ⁇ 2 +(2170+4140)/2)/30/0.23 ⁇ 0.0345 ⁇ 57 ⁇
  • the resistance value is as follows. (215+850+1600+2785+2450+(2570+4140)/2)/50/0.23 ⁇ 0.0345 ⁇ 34 ⁇
  • Example 1 the DC electrical wiring 12DC is arranged closer to the magnetic sensing element 11 than the AC electrical wiring 12AC, and in Examples 2 to 4, the AC electrical wiring 12AC is arranged closer to the magnetic sensing element 11 than the DC electrical wiring 12DC. placed in the position.
  • Example 5 one DC electric wiring 12DC was arranged on each side of the AC electric wiring 12AC in the X-axis direction.
  • the distance in the Z-axis direction between the AC electrical wiring 12AC and the DC electrical wiring 12DC and the magnetic sensing element 11 was set to 0.20 ⁇ m.
  • the distance in the X-axis direction between the AC electrical wiring 12AC and the DC electrical wiring 12DC on both sides thereof was each 0.30 ⁇ m.
  • Example 6 one AC electric wiring 12AC was arranged on each side of the DC electric wiring 12DC in the X-axis direction.
  • the distance in the Z-axis direction between the AC electric wiring 12AC and the DC electric wiring 12DC and the magnetic sensing element 11 was set to 0.2 ⁇ m.
  • the distance in the X-axis direction between the DC electrical wiring 12DC and the AC electrical wiring 12AC on both sides thereof was each 0.30 ⁇ m.
  • Table 1 shows the AC current and power consumption of the AC electrical wiring 12AC
  • Table 2 shows the DC current and power consumption of the DC electrical wiring 12DC, which were determined by simulation calculations for the current sensors of Examples 1 to 6.
  • the present invention is useful as a magnetic sensor with high magnetic resolution that can detect weak magnetic fields with high precision and is used in the medical field and testing of various devices.
  • Magnetic sensor 2 Bridge circuit 10: Magnetic sensor 11: Magnetic sensing element 11a: Magnetic sensing element 11b: Magnetic sensing element 12: Electrical wiring 12AC: AC electric wiring 12DC: DC electric wiring 13: Substrate (silicon substrate) 14: Insulating layer 15: Soft magnetic material 16: Insulating layer 20: Magnetic sensor 30: Magnetic sensor 40: Magnetic sensor 50: Magnetic sensor 131: Groove Ha: Amplitude Hi: Disturbing magnetic field Hi': Magnetic field Hs: Magnetic field L1: Center line P: Fixed direction S: Detection axis TAC: Film thickness TDC: Film thickness Vdd: Power supply terminal ⁇ a: Frequency ⁇ b: Frequency R: Resistance R': Resistance WAC: Width WDC: Width

Abstract

本発明に係る磁気センサ１０は、基板１３と、基板１３上に絶縁層１４を介して形成され、基板１３の面内方向に沿ったＸ軸方向に検知軸を有する磁界に対する出力信号特性が偶関数である磁気検知素子１１と、磁気検知素子１１に交流磁界を印加可能な交流電気配線１２ＡＣと、磁気検知素子１１に直流磁界を印加可能な直流電気配線１２ＤＣと、を備え、磁気検知素子１１、交流電気配線１２ＡＣおよび直流電気配線１２ＤＣは互いに絶縁され、交流電気配線１２ＡＣの少なくとも一部は基板１３に埋設して形成されているため、交流電流を供給した際に、交流電気配線の抵抗が上昇することによる消費電力の増加が抑えられ、磁気分解能が高い。

Description

磁気センサ
　本発明は、高効率で交流磁界を磁気検知素子に印加可能な交流電気配線および直流電気配線を備えた消費電力が抑えられた磁気センサに関する。
　高感度な磁界検出を可能とするために、磁気検知素子と、磁気検知素子に交流磁界を印加する交流電気配線とを備えた磁気センサが提案されている。
　特許文献１には、磁界に対する出力電圧の出力特性が偶関数となる磁気センサと、この磁気センサに変調交流磁界を印加する変調コイルとを備えた、磁気計測装置が記載されており、ＧＭＲ素子近傍の配線に交流電流と直流電流とを流して、交流磁界と直流磁界を発生させることが開示されている。
　特許文献２には、第１磁性層と、第１配線に流れる電流、及び、第１センサ素子に加わる被検出磁界に応じて、第１センサ素子の第１電気抵抗が変化する磁気センサにおける、第１配線に交流の電流を供給することが記載されている。特許文献３には、磁気検知素子に交流電流を供給する配線を備えた磁気センサが記載されている。これらの文献に記載されている磁気センサによれば、交流磁界による変調によって外部磁界を精度よく検出することができる。
特開２０１７－３３３６号公報 特開２０１８－１５５７１９号公報 特開２０１９－２０７１６７号公報
　磁気検知素子と、交流磁界を発生させる交流電気配線とを備えた磁気センサでは、磁気検知素子に交流磁界を印加する交流電流を供給することで交流電気配線にジュール熱が発生し、抵抗上昇が生じ交流電気配線の消費電力が大きくなるという問題がある。また、交流電気配線の発熱の影響によって磁気検知素子の感度が低下し、磁気センサの検出性能が低下するという問題もある。
　本発明は、交流電流を供給した際に、交流電気配線の抵抗が上昇することによる消費電力の増加が抑えられた、磁気分解能の高い磁気センサを提供することを目的とする。
　本発明は上述した課題を解決するための手段として、以下の構成を備えている。
　基板と、前記基板上に絶縁層を介して形成され、前記基板の面内方向に沿った検知軸を有する磁界に対する出力信号特性が偶関数である磁気検知素子と、前記磁気検知素子に交流磁界を印加可能な交流電気配線と、前記磁気検知素子に直流磁界を印加可能な直流電気配線と、を備え、前記磁気検知素子、前記交流電気配線および前記直流電気配線は互いに絶縁され、前記交流電気配線の少なくとも一部は前記基板に埋設して形成されることを特徴とする磁気センサ。
　交流電気配線を基板に埋設することにより、交流電気配線において発生するジュール熱を基板に効率的に放熱できるため、交流電気配線に抵抗上昇が生じにくい。また、交流電気配線が絶縁膜に形成される場合に比べて断面積が大きな交流電気配線を形成できるため、交流電気配線の抵抗率を低減できる。さらに、交流電気配線が基板に埋設して形成されることによって、磁気検知素子と交流電気配線との距離を小さくすることができる。これにより、交流電気配線を流れる電流量を増やすことなく、磁気検知素子に印加される磁界を大きくすることができる。
　磁気センサは、前記直流電気配線の少なくとも一部が前記基板に埋設されて形成されてもよい。
　この構成により、交流電気配線の場合と同様に、直流電気配線についても、効率的放熱、抵抗率低減および距離短縮の効果を得ることができ、交流電気配線、直流電気配線の両方の消費電力を低減可能である。
　前記基板の法線方向および前記磁気検知素子の検知軸の方向に直交する方向からみたときに、前記交流電気配線は前記磁気検知素子と前記直流電気配線との間に配置されてもよい。
　交流電気配線を磁気検知素子の近位に配置することにより、電流印加が継続的に行われる交流電気配線に流す電流を低減できるから、磁気センサ全体の消費電力を低減させることができる。
　前記基板の法線方向および前記磁気検知素子の検知軸の方向に直交する方向からみたときに、前記直流電気配線は前記交流電気配線に並列して形成されてもよい。
　直流電気配線と交流電気配線とを並列に配置することにより、２種の電気配線の少なくとも一部を同一の配線形成プロセスで製造することが可能である。
　交流電気配線と前記磁気検知素子とが並列して形成される場合、前記基板の法線方向からみたときに、前記交流電気配線は前記磁気検知素子と重なる部分を有するように配置されてもよい。
　並列配置において、交流電気配線を直流電気配線よりも磁気検知素子の近位に配置することにより、消費電力が相対的に大きくなる可能性がある交流電気配線からの磁界を最も効率的に磁気検知素子に印加することができる。したがって、電流印加が継続的に行われる交流電気配線に流す電流を低減できるから、電流センサ全体の消費電力を低減させることができる。
　前記基板の法線方向および前記磁気検知素子の検知軸の方向に直交する方向からみたときに、前記直流電気配線は前記磁気検知素子と前記交流電気配線との間に配置されてもよい。
　上記の構成により、交流電気配線からの磁界を最も効率的に磁気検知素子に印加することができる。したがって、直流電気配線に流す電流の低減が可能である。
　前記基板の法線方向および前記磁気検知素子の検知軸の方向に直交する方向からみたときに、前記交流電気配線の断面積は前記直流電気配線の断面積よりも大きいことが好ましい。
　上記の構成により、電流印加が継続的に行われる交流電気配線の消費電力を優先的に低減させて、磁気センサ全体の消費電力を低減させることができる。
　磁気センサは、前記磁気検知素子を複数有し、当該複数の前記磁気検知素子を含んで形成されたブリッジ回路を備えていてもよい。
　ブリッジ回路とすることで、磁気検知素子の全体に加わるノイズを除去できるため、磁気センサの測定精度が向上する。
　磁気センサは、前記絶縁層上に、前記磁気検知素子よりも前記基板から遠位に設けられた軟磁性体を有していてもよい。
　軟磁性体により測定対象の磁界を増幅させることができるため、磁気センサの測定精度が向上する。
　磁気センサは、前記基板がシリコン基板であり、前記交流電気配線がダマシンプロセスによって形成されたものでもよい。
　ダマシンプロセスにおいてシリコン基板に熱酸化層を形成することで、交流電気配線とシリコン基板との絶縁性を担保できる。また、ダマシンプロセスによれば、シリコン基板に深い溝を形成して大きな断面積を有する電気配線を形成可能である。
　本発明の磁気センサは、交流電気配線の少なくとも一部を基板に埋設することにより、交流電流を供給した際における交流電気配線の発熱を抑え、検出性能を低下させることなく磁気センサの消費電力を低減可能である。したがって、消費電力の増加が抑えられた、磁気分解能が高く検出性能の良い磁気センサを提供することができる。
ブリッジ回路を備えた磁気センサを模式的に示す平面図である。 図１Ａの磁気センサを構成するブリッジ回路を模式的に示す平面図である。 図１Ａの磁気センサを構成する交流磁界印加用の電気配線を模式的に示す平面図である。 図１Ａの磁気センサを構成する直流磁界印加用の電気配線を模式的に示す平面図である。 参考例に係る磁気センサの断面図である。 本発明の磁気センサの測定原理を説明する図である。 磁気センサにより測定される磁界強度を周波数で分解したグラフである。 外乱磁界が加わったときに磁気センサにより測定される磁界強度を周波数で分解したグラフである。 第１の実施形態に係る磁気センサの断面図である。 第１の実施形態の変形例に係る磁気センサの断面図である。 第２の実施形態に係る磁気センサの断面図である。 第２の実施形態の変形例に係る磁気センサの断面図である。 本発明の磁気センサの製造方法を説明する模式図である。 本発明の磁気センサの製造方法を説明する模式図である。 本発明の磁気センサの製造方法を説明する模式図である。 本発明の磁気センサの製造方法を説明する模式図である。 図１０Ａから図１０Ｄの製造方法で製造された磁気センサの平面図である。 実施例の磁気センサの軟磁性体の構成を説明する平面図である。 実施例の磁気センサの各部の構成を説明する断面図である。 実施例の磁気センサの交流電気配線の構成を説明する平面図である。 実施例の磁気センサの直流電気配線の構成を説明する平面図である。
　本発明を実施する態様について、以下、図面を参照して説明する。同じ部材については、各図面において同じ番号を付して、適宜、説明を省略する。また、各図に示した座標は、参照用である。
＜第１の実施形態＞
　図１Ａは、複数の磁気検知素子１１を含んで形成されたブリッジ回路２を備える磁気センサ１を模式的に示す平面図である。図１Ｂは、図１Ａの磁気センサ１を構成するブリッジ回路２を模式的に示す平面図である。図１Ｃは、図１Ａの磁気センサ１、１０を構成する交流磁界印加用の電気配線１２ＡＣを模式的に示す平面図である。図１Ｄは、図１Ａの磁気センサ１、１０を構成する直流磁界印加用の電気配線１２ＤＣを模式的に示す平面図である。
　説明の便宜上、図１Ａおよび図１Ｂでは、磁気センサ１０における軟磁性体１５を省略し、図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃおよび図１Ｄでは、各部材を簡略化して模式的に示している。このため、図１Ａに示す磁気センサ１０は、図６および図１０Ｅに示す磁気センサ１０と、図示した部材および各部材の相対的な位置関係や大きさが異なっている。図１Ａでは、電気配線１２を太線で示し、ブリッジ回路２との識別性を高めてある。図１Ｂでは、ブリッジ回路２が４つの磁気検知素子１１により構成されていることを示すために、図１０Ｃに示す磁気検知素子１１よりも大きく表した。なお、図１Ａでは、交流電気配線１２ＡＣおよび直流電気配線１２ＤＣをまとめて電気配線１２として示したが、図１Ｃ、図１Ｄ、図６および図１０Ａ～図１０Ｅに示すように、交流電気配線１２ＡＣと直流電気配線１２ＤＣとは、別の部材として構成されている。具体的には、図６に示されるように、本実施形態に係る磁気センサ１では、交流電気配線１２ＡＣおよび直流電気配線１２ＤＣは上方（Ｚ１－Ｚ２方向Ｚ２側）からみて重複するように配置され、直流電気配線１２ＤＣの方が交流電気配線１２ＡＣよりも上側に位置する。
　磁気センサ１は、磁気検知素子１１ａと磁気検知素子１１ｂとが直列に接続されたハーフブリッジ回路を２つ備え、これらのハーフブリッジ回路は、給電端子Ｖｄｄに対して並列に接続されて、ブリッジ回路２を構成している。磁気検知素子１１（磁気検知素子１１ａ、磁気検知素子１１ｂ）は、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子、トンネル型磁気抵抗（ＴＭＲ）素子などが用いられる。磁気検知素子１１としてＧＭＲ素子を用いる場合について以下に説明する。
　ＧＭＲ素子は、絶縁下地層の上に、固定磁性層と非磁性層とフリー磁性層が順に積層され、フリー磁性層の表面が保護層で覆われている。
　固定磁性層は、ＣｏＦｅ合金（コバルト－鉄合金）などの軟磁性材料で形成されており、磁化方向が固定されている。図１Ｂには、固定磁性層の磁化の固定方向Ｐが矢印で示されている。磁化の固定方向Ｐに直交する方向（Ｘ軸方向）が、それぞれの磁気検知素子１１の感度軸方向である。ブリッジ回路２を構成する各磁気検知素子１１は磁化の固定方向Ｐが同じであり、図１Ａおよび図１Ｂに示す例では、共に図示上向き（Ｙ２方向）である。
　非磁性層はＣｕ（銅）などの非磁性材料で形成されている。フリー磁性層は、ＮｉＦｅ合金（ニッケル－鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。フリー磁性層を覆う保護層はＴａ（タンタル）などで形成されている。フリー磁性層の磁化方向は、固定磁性層の磁化の固定方向Ｐと同じ向きに揃えられている。フリー磁性層の磁化方向を揃えるために、バイアス磁界が印加されることがある。
　磁気検知素子１１では、外部から外部磁界が与えられると、フリー磁性層において固定磁性層の磁化の固定方向Ｐと同じ向きに揃えられている磁化の向きがＸ方向へ向けて傾けられる。フリー磁性層の磁化のベクトルと磁化の固定方向Ｐとの角度が大きくなると、磁気検知素子１１の電気抵抗が大きくなり、フリー磁性層の磁化のベクトルと磁化の固定方向Ｐとの角度が小さくなると、磁気検知素子１１の電気抵抗が小さくなる。このため、磁気検知素子１１は、固定磁性層の磁化の固定方向Ｐに直交する検知軸Ｓの方向（Ｘ軸方向）の磁界に対し、偶関数型の抵抗変化を示す。
　磁気センサ１は、磁気検知素子１１に対して磁界を印加可能な磁気コイルとして機能する電気配線１２を備えている。電気配線１２は、交流電気配線１２ＡＣと直流電気配線１２ＤＣとからなる。交流電気配線１２ＡＣは、磁気検知素子１１に対して、固定磁性層の磁化の検知軸Ｓの方向（Ｘ軸方向）に交流磁界を印加可能である。直流電気配線１２ＤＣは、磁気検知素子１１に対して、固定磁性層の磁化の検知軸Ｓの方向に直流磁界を印加可能である。
　図１Ｃに示すように、交流電気配線１２ＡＣは、並列に接続された配線を有し、並列に形成された配線の並び方向は、フルブリッジ回路２を構成する２つのハーフブリッジ回路の並び方向に沿っている。並列に形成された各配線は、これらの配線に交流電流を供給する共通配線との分岐点から、Ｙ軸方向に沿って互いに反対向き（Ｙ１－Ｙ２方向Ｙ１側、Ｙ１－Ｙ２方向Ｙ２側）に分岐している。当該分岐点は、図１Ａに示すように、上方（Ｚ１－Ｚ２方向Ｚ２側）からみて、２つのハーフブリッジ回路の間に位置している。このため、上方からみて、磁気検知素子１１ａに重複するように配置された交流電気配線１２ＡＣと、磁気検知素子１１ｂに重複するように配置された交流電気配線１２ＡＣとには、常に反対向きの電流が流れる。それゆえ、交流電気配線１２ＡＣに交流電流を流した際に、ブリッジ回路２を構成する磁気検知素子１１ａと、磁気検知素子１１ｂとに逆位相の交流磁界が印加される。同図における実線および破線の矢印は、交流電気配線１２ＡＣに流れる交流電流の方向を示している。実線で示す方向の交流電流によって交流電気配線１２ＡＣに生じる交流磁界の方向を、黒塗り矢印で示している。破線で示す方向の交流電流によって交流電気配線１２ＡＣに生じる交流磁界の方向を、白抜き矢印で示している。
　図１Ｄに示すように、直流電気配線１２ＤＣは、並列に接続された配線を有し、並列に形成された配線の並び方向は、フルブリッジ回路２を構成する２つのハーフブリッジ回路の並び方向に沿っている。並列に形成された各配線と、各配線を接続する配線とは、これらの配線に直流電流を供給する共通配線との分岐点から、Ｘ軸方向とＹ軸方向とに沿って直交する方向に分岐している。当該分岐点は、図１Ａに示すように、上方（Ｚ１－Ｚ２方向Ｚ２側）からみて、各ハーフブリッジ回路を構成する磁気検知素子１１ａと磁気検知素子１１ｂとの間に位置している。このため、上方からみて、フルブリッジ回路２を構成する全ての磁気検知素子１１ａおよび磁気検知素子１１ｂに重複するように配置された直流電気配線１２ＤＣには、常に同じ向きの電流が流れる。それゆえ、直流電気配線１２ＤＣに直流電流を流した際に、ブリッジ回路２を構成する全ての磁気検知素子１１ａおよび磁気検知素子１１ｂに同方向の直流磁界が印加される。同図における実線および破線の矢印は、直流電気配線１２ＤＣに流れる直流電流の方向を示している。実線で示す方向の直流電流によって直流電気配線１２ＤＣに生じる直流磁界の方向を、黒塗り矢印で示している。破線で示す方向の直流電流によって直流電気配線１２ＤＣに生じる直流磁界の方向を、白抜き矢印で示している。
　磁気センサ１は、交流電気配線１２ＡＣにより磁気検知素子１１に交流磁界を印加することで、微弱な磁界の検知が可能になる。磁気センサ１が検知対象とする微弱な磁界としては、例えば、医療行為において測定される生体から発せられる磁界や、各種のデバイスから発せられる微弱な磁界などが挙げられる。医療形態における脳波の測定や、各種のデバイスの検査などにおいては、磁気分解能が高い磁気センサが求められており、磁気センサ１はこれらの用途に好適である。
　図２は、磁気検知素子１１と交流電気配線１２ＡＣとを備えた参考例の磁気センサ５０である。磁気検知素子１１に交流磁界を印加する磁界の検知では、基板の面内方向に沿った検知軸Ｓを有する磁界に対する出力信号特性が偶関数である、偶関数型の特性を持つ磁気検知素子１１と、それに直交する方向の交流磁界を印加する交流電気配線１２ＡＣとが磁気を検知するための基本構成となる。そこで、参考例の磁気センサ５０を参照して、磁気センサ１を構成する磁気センサ１０の動作の原理について、以下に説明する。
　図２に示すように、磁気センサ５０では、基板１３上の絶縁層１４の磁気検知素子１１の下層に交流電気配線１２ＡＣが設置されている。基板１３は、例えばシリコンから形成されたシリコン基板からなる。交流電気配線１２ＡＣに交流電流を流すことにより、磁気検知素子１１に対して、固定磁性層の磁化の固定方向Ｐ（Ｙ軸方向、１Ｂ参照）に直交する、検知軸Ｓの方向（Ｘ軸方向）に交流磁界が印加される（図１Ｃ参照）。図２および、図６～図９に示す破線の両矢印は、交流磁界を示している。
　図３は、磁気センサ５０の測定原理を説明する図である。同図は、単素子の磁気センサ５０の磁気検知素子１１の抵抗変化を示している。
　図４は、磁気センサ５０により測定される磁界強度を周波数で分解したグラフである。同図に示すグラフは、磁気検知素子１１の抵抗変化の波形を高速フーリエ変換（ＦＦＴ、Ｆａｓｔ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）することにより得られる。
　磁気検知素子１１（具体的には例えば磁気検知素子１１ａ）に外部磁界が与えられていない状態において、交流電気配線１２ＡＣにより振幅Ｈａ、周波数ωａの交流磁界（Ｈａ×ｓｉｎ（ωａ×ｔ））を磁気検知素子１１ａに加えた場合、磁気検知素子１１ａの抵抗変化領域が２次関数であると仮定すると、抵抗変化の波形は、以下の式により表される。ｄＲ/ｄＨ×(Ｈａ×ｓｉｎ(ωａ×ｔ))2＝ｄＲ/ｄＨ×Ｈａ2×(１－ｃｏｓ(２ωａ×ｔ))
　このため、磁気検知素子１１ａの抵抗変化の波形は、以下の式で示されるように、交流電気配線１２ＡＣによって印加された交流磁界の周波数の２倍（２ωａ）の波として出力される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　交流磁界に交流の外部磁界（Ｈｂ×ｓｉｎ（ωｂ×ｔ））が加わると、磁気検知素子１１ａの抵抗変化の波形は、以下の式で示される。この式に示すように、磁気検知素子１１ａの抵抗変化を示す信号は、印加された交流磁界の周波数ωａの２倍（２ωａ）の成分と、（ωａ＋ωｂ）および（ωａ－ωｂ）の成分とをもった波として出力される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　磁気検知素子１１ａの抵抗変化を示す信号の出力にフィルターをかけることにより、周波数（ωａ＋ωｂ）、（ωａ－ωｂ）の信号として外部磁界Ｈｂ×ｓｉｎ（ωｂ×ｔ）を取り出すことができる。すなわち、周波数で分解された信号として、交流磁界の周波数ωａに外部磁界の周波数ωｂを加えた信号が得られる。交流信号として外部磁界を検出することにより、１／ｆノイズを大幅に減らすことができる。このように、ランダムに発生する１／ｆノイズが少ない高周波領域を測定対象とすることにより、磁気センサ５０の磁気分解能を高くすることができる。
　ここで、図１Ｃに示すように、交流電気配線１２ＡＣに交流電流を流すと、図１Ａおよび図１Ｂに示す磁気検知素子１１ｂには、磁気検知素子１１ａとは逆位相の交流磁界が印加される。すなわち、磁気検知素子１１ｂには（Ｈａ×ｓｉｎ（－ωａ×ｔ）＝－Ｈａ×ｓｉｎ（ωａ×ｔ））で表される交流磁界が加わっている。このため、磁気検知素子１１ｂの抵抗Ｒ'は下記の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　磁気検知素子１１ｂの抵抗Ｒ'の変化を示す式と、磁気検知素子１１ａの抵抗Ｒの変化を示す式とは、（ωａ＋ωｂ）を含む項および（ωａ－ωｂ）を含む項の符号が反転し、２ωａを含む項および２ωｂを含む項の符号が反転しない。よって、磁気検知素子１１ａの抵抗Ｒと、磁気検知素子１１ｂの抵抗Ｒ'との差Ｒ'－Ｒは、以下の式のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　したがって、差Ｒ'－Ｒを求めることにより、外部磁界Ｈｂ×ｓｉｎ（ωｂ×ｔ）を取り出すために必要な周波数（ωａ＋ωｂ）、（ωａ－ωｂ）の項を取り出し、不要な２ωａの２ωｂの項を取り除くことができる。このように、ブリッジ回路２が有する磁気検知素子１１ａと磁気検知素子１１ｂとに逆位相の交流磁界を印加し、ブリッジ回路２の差動出力を磁気の検出に用いることにより、不要な２ωａの２ωｂの項を効率的に取り除くことができる。
　以上説明したように、図１Ａから図１Ｄに示す本実施形態に係る磁気センサ１では、交流電気配線１２ＡＣを並列に接続し、ブリッジ回路２の磁気検知素子１１ａと磁気検知素子１１ａとで、互いに逆の位相の交流磁界を加えることにより、磁気検知素子１１ａの抵抗Ｒおよび磁気検知素子１１ｂの抵抗Ｒ'から、外部磁界Ｈｂ×ｓｉｎ（ωｂ×ｔ）を取り出すために必要な周波数（ωａ＋ωｂ）、（ωａ－ωｂ）の項を取り出して、磁気の検出感度を向上させることができる。こうして磁気の検出感度を向上させることにより、例えば、増幅率の高いアンプを使用することが可能になる。
　図５は、検出磁界の振幅より大きい外乱磁界が加わったときに磁気センサ５０により測定される磁界強度を周波数で分解したグラフである。
　磁気センサ５０の測定原理は、上述したとおりであるが、実際に磁界を測定する場合、磁気センサに外乱磁界Ｈｉが加わる。このため、磁気検知素子１１の抵抗変化の波形の変化を示す式は以下のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　式に示すとおり、実際の測定では、波形の出力を周波数で分解した信号には、（ωａ＋ωｂ）および（ωａ－ωｂ）に加えて、ωａとωｂの成分が同時に存在する。このため、外乱磁界Ｈｉが検出磁界の振幅より大きい場合、図５に示すようにωａ信号のすそ引きが大きくなる。外乱磁界Ｈｉの信号が重なることにより、周波数ωａ、（ωａ＋ωｂ）および（ωａ－ωｂ）の信号の検出精度が低下する。したがって、磁気検知素子１１と交流電気配線１２ＡＣとを備えた参考例の磁気センサ５０には、大きい外乱磁界Ｈｉが加わったときに検出磁界のＳ／Ｎ比が悪化するという問題がある。そこで、本実施形態の磁気センサ１０は、図１Ａおよび図１Ｄに示す直流電気配線１２ＤＣにより直流磁界を磁気検知素子１１に印加して、外乱磁界Ｈｉをキャンセルする。
　また、磁気センサ５０は、図２に示すように、磁気検知素子１１および交流電気配線１２ＡＣがいずれも絶縁層１４に設けられているから、交流電気配線１２ＡＣに生じたジュール熱を基板１３に放出することが困難である。このため、交流電気配線１２ＡＣの発熱により磁気検知素子１１の感度が低下するという問題がある。
　図６は、本実施形態に係る磁気センサ１０の断面図であり、図１ＡのＡＡ線におけるＸＺ平面の断面の構成を模式的に示している。
　磁気センサ１０は、磁気検知素子１１と、交流電気配線１２ＡＣと、直流電気配線１２ＤＣと、軟磁性体１５とを備えている。磁気検知素子１１、交流電気配線１２ＡＣおよび直流電気配線１２ＤＣは互いに絶縁層１４により絶縁されている。
　磁気検知素子１１は、基板１３上に絶縁性物質からなる絶縁層１４を介して形成されており、基板１３のＸＹ平面内方向に沿って検知軸Ｓを有する（図１Ｂ参照）。検知軸Ｓは、固定磁性層の磁化の固定方向Ｐに直交する方向であり、Ｘ軸方向である。磁気検知素子１１は、Ｘ軸方向の磁界に対する出力信号特性が偶関数である。
　交流電気配線１２ＡＣは、交流電気を通電することにより、磁気検知素子１１に対して、磁気検知素子１１の検知軸Ｓ方向に交流磁界を印加する。磁気検知素子１１に交流磁界を印加することで、図３から図５を参照して説明した測定原理により、微弱な磁界を精度よく検知できる。
　交流電気配線１２ＡＣは、Ｘ軸方向の幅が、直流電気配線１２ＤＣよりも狭く、磁気検知素子１１よりも広く形成されている。これにより、強い交流磁界を発生させて、磁気検知素子１１に均一な交流磁界を印加することができる。
　交流電気配線１２ＡＣと基板１３との間には、絶縁層１６が形成されている。絶縁層１６は、例えば、ダマシンプロセスにより交流電気配線１２ＡＣを形成する際に、シリコンの基板１３の表面を熱酸化することによって形成される。
　磁気センサ１０の交流電気配線１２ＡＣは、基板１３に埋設して形成されている。図６では交流電気配線１２ＡＣの全体が基板１３に埋設されているが、交流電気配線１２ＡＣの一部が基板１３に埋設された構成としてもよい。交流電気配線１２ＡＣの少なくとも一部を基板１３に埋設することにより、交流電気配線１２ＡＣの熱を基板１３に効率的に放熱することができ、また、磁気検知素子１１の近くに交流電気配線１２ＡＣを設置することができる。交流電気配線１２ＡＣが絶縁層１４に形成される場合に比べて断面積が大きな交流電気配線１２ＡＣを形成できるため、交流電気配線１２ＡＣの抵抗率を低減できる。したがって、交流電気配線１２ＡＣを流れる交流電流量を増やすことなく、磁気検知素子１１に印加される交流磁界を大きくすることが可能である。
　また、交流電気配線１２ＡＣを基板１３に埋設し、その上に、磁気検知素子１１、直流電気配線１２ＤＣ、絶縁層１４などを形成することによって、交流電気配線１２ＡＣが絶縁層１４に設けられた磁気センサ５０（図２参照）に比べて、磁気センサ１０を構成する各部を精度よく形成できる。
　磁気センサ１０は、交流電気配線１２ＡＣに加えて、磁気検知素子１１に直流磁界を印加可能な直流電気配線１２ＤＣを備えている。直流電気配線１２ＤＣにより、外乱磁界をキャンセルする直流磁界を磁気検知素子１１に印加することで、外部磁界の影響によって検出磁界のＳ／Ｎ比が悪化することを低減できる。
　直流電気配線１２ＤＣは、Ｘ軸方向の幅が、磁気検知素子１１および交流電気配線１２ＡＣよりも広く形成されている。これにより、直流電気配線１２ＤＣの断面積を大きくして、抵抗を低くすることができる。直流電気配線１２ＤＣの幅を広くすることにより、直流電気配線１２ＤＣの断面積を大きくし、かつ、断面積が同じでより幅の狭い直流電気配線１２ＤＣよりも厚みを小さくできる。このため、交流電気配線１２ＡＣと磁気検知素子１１との距離を小さくして、交流電気配線１２ＡＣから磁気検知素子１１への交流磁界を効率よく印加することができる。磁気検知素子１１に対して、均一な直流磁界を印加する観点から、直流電気配線１２ＤＣのＸ軸方向の幅は磁気検知素子１１の２倍程度（例えば１．５倍以上２．５倍以下）が好ましい。
　図１Ａに示す、複数の磁気検知素子１１を含んで形成されたブリッジ回路２を備える磁気センサ１では、直流電気配線１２ＤＣが、外乱磁界をキャンセルするために、複数の磁気検知素子１１に対して一方向の直流磁界を印加する。直流電気配線１２ＤＣが印加する直流磁界の方向は、磁気検知素子１１ａと１１ｂとで同じである。
　磁気検知素子１１に直流磁界を印加するための直流電気配線１２ＤＣに流す電流の制御は、計測された外乱磁界を打ち消す直流磁界を発生させる直流電流を流し、直流電流を流した状態における磁気センサに測定される磁界強度の測定値を直流電流にフィードバックすることにより行う。フィードバック制御には、公知の方法を用いることができる。
　磁気センサ１０の直流電気配線１２ＤＣは、基板１３の法線方向（Ｚ軸方向）および磁気検知素子１１の検知軸Ｓの方向（Ｘ軸方向）に直交する方向（Ｙ軸方向）からみたときに、磁気検知素子１１と交流電気配線１２ＡＣとの間に配置されている。
　直流電気配線１２ＤＣを磁気検知素子１１と交流電気配線１２ＡＣとの間に配置することにより、直流電気配線１２ＤＣの配置を考慮することなく交流電気配線１２ＡＣの断面積を大きくすることができ、磁気センサ１０は効率的放熱の効果および抵抗率低減の効果を享受しやすい。
　また、この配置の場合には、直流電気配線１２ＤＣと磁気検知素子１１との距離が相対的に小さくなるため、直流電気配線１２ＤＣに流す電流量を増やすことなく磁気検知素子１１に印加される磁界を大きくすることができる。この直流電気配線１２ＤＣの距離短縮は、磁気センサ１０としての応答性を高めることに寄与する場合がある。なお、製造容易性の観点から、直流電気配線１２ＤＣは基板１３に埋設された部分を有していないことが好ましい場合がある。
　磁気センサ１０の交流電気配線１２ＡＣの断面積は、基板１３の法線方向（Ｚ軸方向）および磁気検知素子１１の検知軸Ｓの方向（Ｘ軸方向）に直交する方向（Ｙ軸方向）からみたときに、直流電気配線１２ＤＣの断面積よりも大きい。
　交流電気配線１２ＡＣへの電流印加は継続的に行われるため、交流電気配線１２ＡＣの消費電力を優先的に低減させることが、全体の消費電力を低減させる観点から好ましい場合がある。そこで、交流電気配線１２ＡＣの断面積を直流電気配線１２ＤＣの断面積よりも大きく形成すれば、交流電気配線１２ＡＣの抵抗率を直流電気配線１２ＤＣの抵抗率よりも低くすることができ、交流電気配線１２ＡＣの消費電力を効率的に低減できる。
　磁気センサ１０は絶縁層１４上に、磁気検知素子１１よりも基板１３から遠位に設けられた軟磁性体１５を有している。ＭＦＣ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｆｌｕｘ　Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ）などで構成される軟磁性体１５により、測定対象の磁界を増幅させて、磁気センサ１０の測定精度を向上させることができる。
　磁気センサ１０は交流電気配線１２ＡＣが基板１３に埋め込まれているため、交流電気配線１２ＡＣを厚く形成し、直流電気配線１２ＤＣを交流電気配線１２ＡＣの上の層（レイヤー）に形成することができる。このため、磁気センサ１０の発熱を抑えつつ、消費電力を抑えることができる。
　また、交流電気配線１２ＡＣを基板１３に設けた溝に形成し、交流電気配線１２ＡＣの断面積を増大させることが可能である。したがって、発熱による磁気検知素子１１の感度低下を防止するとともに、磁気センサ１０の消費電力を低下させ、トータルの膜厚も抑えることができる。
　図７は、第１の実施形態の磁気センサ１０の変形例に係る磁気センサ２０の断面図である。
　磁気センサ２０は、直流電気配線１２ＤＣが基板１３に埋設されて形成されている構成において、磁気センサ１０と異なっている。直流電気配線１２ＤＣと基板１３との間には、絶縁層１６が設けられている。
　直流電気配線１２ＤＣの少なくとも一部が基板１３に埋設されて形成され、直流電気配線１２ＤＣが基板１３に埋設された部分を有するように形成されることにより、交流電気配線１２ＡＣの場合と同様に、直流電気配線１２ＤＣについても、効率的放熱、抵抗率低減および距離短縮の効果を得ることができる。したがって、交流電気配線１２ＡＣおよび直流電気配線１２ＤＣの両方の消費電力を低減することが可能である。
　交流電気配線１２ＡＣは、基板１３の法線方向（Ｚ軸方向）および磁気検知素子１１の検知軸Ｓの方向（Ｘ軸方向）に直交する方向（Ｙ軸方向）からみたときに、磁気検知素子１１と直流電気配線１２ＤＣとの間に配置されている。
　直流電気配線１２ＤＣが磁気検知素子１１から距離が遠ざかる構成になるため、直流電気配線１２ＤＣの消費電力が増加するが、交流電気配線１２ＡＣの消費電力を小さくすることができる。このため、全体として、磁気センサ２０の消費電力を抑えることができる。
＜第２の実施形態＞
　図８は、本実施形態に係る磁気センサ３０の断面図である。
　同図に示すように、磁気センサ３０は、直流電気配線１２ＤＣが基板１３に埋設されて形成されている。基板１３の法線方向（Ｚ軸方向）および磁気検知素子１１の検知軸Ｓの方向（Ｘ軸方向）に直交する方向（Ｙ軸方向）からみたときに、直流電気配線１２ＤＣは交流電気配線１２ＡＣに並列して形成されている。なお、図８では、直流電気配線１２ＤＣの全部が基板１３に埋設されているが、その一部が埋設されていてもよい。
　磁気センサ３０では、交流電気配線１２ＡＣに対して、Ｘ軸方向の両脇に１本ずつ、直流電気配線１２ＤＣが配列されている。直流電気配線１２ＤＣは、交流電気配線１２ＡＣの一方側にのみ設けられてもよいが、直流電気配線１２ＤＣから、磁気検知素子１１に加わる直流磁界を均一にする観点から、両脇に１本ずつ設けられることが好ましい。同様の観点から、２つの直流電気配線１２ＤＣは、Ｙ軸方向から見たときに、磁気検知素子１１の中心を通るＺ軸に平行な中心線Ｌ１に対して線対称に配置されていることがより好ましい。
　基板１３の面内方向から見たときに、直流電気配線１２ＤＣと交流電気配線１２ＡＣとが並列になるように配置することにより、２種の電気配線の少なくとも一部を同一の配線形成プロセスで製造することが可能になるため、製造効率が向上する。
　交流電気配線１２ＡＣは、基板１３の法線方向（Ｚ軸方向）からみたときに、磁気検知素子１１と重なる部分を有するように配置されている。
　並列配置において、交流電気配線１２ＡＣを直流電気配線１２ＤＣよりも磁気検知素子１１の近位に配置することにより、消費電力が相対的に大きくなる可能性がある交流電気配線１２ＡＣからの磁界を最も効率的に磁気検知素子１１に印加することができる。
　図９は、本実施形態の磁気センサ３０の変形例に係る磁気センサ４０の断面図である。磁気センサ４０は、直流電気配線１２ＤＣと交流電気配線１２ＡＣとの位置が逆になっている構成において、磁気センサ３０と異なっている。
　磁気センサ４０は、Ｙ軸方向から見たときに、２つの交流電気配線１２ＡＣが、直流電気配線１２ＤＣに対して、Ｘ軸方向の両脇に１本ずつ配列されている。２つの交流電気配線１２ＡＣは、Ｙ軸方向から見たときに、磁気検知素子１１の中心を通るＺ軸方向に平行な中心線Ｌ１に対して線対称に配置されている。２つの交流電気配線１２ＡＣには、磁気検知素子１１に同位相の交流磁界を印加する交流電流が流れる。
　図１０Ａ～図１０Ｄは本発明の磁気センサの製造方法を説明する模式図であり、図１０Ｅは同製造方法により製造された磁気センサの平面図である。図１０Ａ～図１０Ｄでは、向かって左側の平面図に各工程において形成される主な部材を示している。向かって右側の断面図は、各工程において各部材が形成された後における、図１０ＥのＡＡ線の断面を段階的に示している。
　図１０Ａに示すように、シリコン基板からなる基板１３に交流電気配線１２ＡＣがダマシンプロセスによって形成される。交流電気配線１２ＡＣの形状に対応する溝１３１を基板１３に形成し、溝１３１が形成された基板１３に交流電気配線１２ＡＣを形成する。交流電気配線１２ＡＣを含む交流電気配線１２ＡＣ用の層を、溝１３１が形成された基板１３の表面に形成し、交流電気配線１２ＡＣ以外の部分を表面から削り取って、交流電気配線１２ＡＣを形成してもよい。
　交流電気配線１２ＡＣ用の層を製膜する前に基板１３の表面を熱酸化して、絶縁層１６を形成することにより、交流電気配線１２ＡＣの絶縁耐性が向上する。また、ダマシンプロセスは、基板１３に深い溝１３１を形成し、大きな断面積を有する交流電気配線１２ＡＣを形成するのに適している。
　図１０Ａ～図１０Ｅで説明する磁気センサ１０では、ダマシンプロセスによって形成されるのは、交流電気配線１２ＡＣである。しかし、磁気センサ２０、３０、４０では、交流電気配線１２ＡＣ以外の部材もダマシンプロセスによって形成される。
　磁気センサ２０（図７参照）では、交流電気配線１２ＡＣと直流電気配線１２ＤＣとが、ダマシンプロセスによって形成される。
　磁気センサ３０、４０（図８、図９参照）では、ダマシンプロセスによって交流電気配線１２ＡＣと直流電気配線１２ＤＣとが形成される。交流電気配線１２ＡＣと直流電気配線１２ＤＣとは、並列配置されているため、少なくとも一部を同時に形成することができる。
　続いて、図１０Ｂに示す絶縁層１４および直流電気配線１２ＤＣ、図１０Ｃに示す絶縁層１４および磁気検知素子１１、図１０Ｄに示す絶縁層１４および軟磁性体１５を順次形成する。図１０Ｂ～図１０Ｄに示す工程では、スパッタ工程などにより各部材を形成することができる。これらの各工程により、図１０Ｅに示す、磁気センサ１０を備えた磁気センサ１を製造することができる。
　図１Ａ～図１Ｄに示すブリッジ回路２を備えた磁気センサ１において、磁気検知素子１１に加わる磁界Ｈｓおよび磁界Ｈｉ'を発生させるために必要な、交流電気配線１２ＡＣの交流電流（ドライブ電流）および直流電気配線１２ＤＣの直流電流（キャンセル電流）の大きさを計算により求めた。
　図１１Ａ～図１１Ｄは、実施例においてシミュレーションを行った磁気センサの構成を示しており、図１１Ａが軟磁性体１５のサイズを示す平面図であり、図１１Ｂが各部の大きさおよび配置を示す断面図であり、図１１Ｃが交流電気配線１２ＡＣの形状とサイズを示す平面図であり、図１１Ｄが直流電気配線１２ＤＣの形状とサイズを示す平面図である。
　磁気検知素子１１、交流電気配線１２ＡＣ、直流電気配線１２ＤＣおよび軟磁性体１５について、図１１Ａ～図１１Ｄに示したサイズおよび配置として、シミュレーション計算を行った。
　実施例１～６における、交流電気配線１２ＡＣの幅ＷＡＣおよび厚み（膜厚）ＴＡＣ、ならびに直流電気配線１２ＤＣの幅ＷＤＣおよび厚み（膜厚）ＴＤＣは、表１および表２に示す大きさとした。表１に記載した相違する構成以外は、各実施例で共通とした。
　シミュレーション計算においては、交流電気配線１２ＡＣおよび直流電気配線１２ＤＣの抵抗率を０．０３４５μΩ／ｍとした。
　例えば、交流電気配線１２ＡＣが、幅：３０μｍ、厚さ：０．２３μｍの場合、抵抗値は以下のようになる。
（（１３００＋１６００＋１２００）×２
　＋（２１７０＋４１４０）／２）／３０／０．２３×０．０３４５≒５７Ω
　また、直流電気配線１２ＤＣが、幅：５０μｍ、厚さ：０．２３μｍの場合、抵抗値は以下のようになる。
（２１５＋８５０＋１６００＋２７８５＋２４５０＋（２５７０＋４１４０）／２）／５０／０．２３×０．０３４５≒３４Ω
　実施例１では、直流電気配線１２ＤＣを交流電気配線１２ＡＣより磁気検知素子１１の近位に配置し、実施例２～４では、交流電気配線１２ＡＣを直流電気配線１２ＤＣよりも磁気検知素子１１の近位に配置した。
　実施例５では、交流電気配線１２ＡＣのＸ軸方向の両側に直流電気配線１２ＤＣを一つずつ配置した。交流電気配線１２ＡＣおよび直流電気配線１２ＤＣと、磁気検知素子１１とのＺ軸方向の距離を０．２０μｍとした。交流電気配線１２ＡＣと、その両側の直流電気配線１２ＤＣとのＸ軸方向の距離を各０．３０μｍとした。
　実施例６では、直流電気配線１２ＤＣのＸ軸方向の両側に交流電気配線１２ＡＣを一つずつ配置した。交流電気配線１２ＡＣおよび直流電気配線１２ＤＣと、磁気検知素子１１とのＺ軸方向の距離を０．２μｍとした。直流電気配線１２ＤＣと、その両側の交流電気配線１２ＡＣとのＸ軸方向の距離を各０．３０μｍとした。
　実施例１～６の電流センサについてシミュレーション計算によって求めた、表１に交流電気配線１２ＡＣの交流電流および消費電力を示し、表２に直流電気配線１２ＤＣの直流電流および消費電力を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006

Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　表１および表２に示す結果から、交流電気配線１２ＡＣおよび直流電気配線１２ＤＣのいずれも、断面積を大きくすることで消費電力を抑制できるといえる。このため、交流電気配線１２ＡＣの少なくとも一部を基板１３に埋設して、断面積を大きくすることは、磁気センサ１の低消費電力化に有効といえる。
　本発明は、微弱な磁界を高精度で検知することができる、医療分野や各種デバイスの検査に用いられる、磁気分解能の高い磁気センサとして有用である。
１　　　　：磁気センサ
２　　　　：ブリッジ回路
１０　　　：磁気センサ
１１　　　：磁気検知素子
１１ａ　　：磁気検知素子
１１ｂ　　：磁気検知素子
１２　　　：電気配線
１２ＡＣ　：交流電気配線
１２ＤＣ　：直流電気配線
１３　　　：基板（シリコン基板）
１４　　　：絶縁層
１５　　　：軟磁性体
１６　　　：絶縁層
２０　　　：磁気センサ
３０　　　：磁気センサ
４０　　　：磁気センサ
５０　　　：磁気センサ
１３１　　：溝
Ｈａ　　　：振幅
Ｈｉ　　　：外乱磁界
Ｈｉ’　　：磁界
Ｈｓ　　　：磁界
Ｌ１　　　：中心線
Ｐ　　　　：固定方向
Ｓ　　　　：検知軸
ＴＡＣ　　：膜厚
ＴＤＣ　　：膜厚
Ｖｄｄ　　：給電端子
ωａ　　　：周波数
ωｂ　　　：周波数
Ｒ　　　　：抵抗
Ｒ’　　　：抵抗
ＷＡＣ　　：幅
ＷＤＣ　　：幅

Claims (10)

  1. 　基板と、
    　前記基板上に絶縁層を介して形成され、前記基板の面内方向に沿った検知軸を有する磁界に対する出力信号特性が偶関数である磁気検知素子と、
    　前記磁気検知素子に交流磁界を印加可能な交流電気配線と、
    　前記磁気検知素子に直流磁界を印加可能な直流電気配線と、を備え、
    　前記磁気検知素子、前記交流電気配線および前記直流電気配線は互いに絶縁され、
    　前記交流電気配線の少なくとも一部は前記基板に埋設して形成されることを特徴とする磁気センサ。
  2. 　前記直流電気配線の少なくとも一部が前記基板に埋設されて形成される、
    請求項１に記載の磁気センサ。
  3. 　前記基板の法線方向および前記磁気検知素子の検知軸の方向に直交する方向からみたときに、前記直流電気配線は前記磁気検知素子と前記交流電気配線との間に配置される、
    請求項１に記載の磁気センサ。
  4. 　前記基板の法線方向および前記磁気検知素子の検知軸の方向に直交する方向からみたときに、前記交流電気配線は前記磁気検知素子と前記直流電気配線との間に配置される、
    請求項２に記載の磁気センサ。
  5. 　前記基板の法線方向および前記磁気検知素子の検知軸の方向に直交する方向からみたときに、前記直流電気配線は前記交流電気配線に並列して形成される、
    請求項２に記載の磁気センサ。
  6. 　前記基板の法線方向からみたときに、前記交流電気配線は前記磁気検知素子と重なる部分を有するように配置される、
    請求項５に記載の磁気センサ。
  7. 　前記基板の法線方向および前記磁気検知素子の検知軸の方向に直交する方向からみたときに、前記交流電気配線の断面積は前記直流電気配線の断面積よりも大きい、
    請求項１に記載の磁気センサ。
  8. 　前記磁気検知素子を複数有し、当該複数の前記磁気検知素子を含んで形成されたブリッジ回路を備える、
    請求項１に記載の磁気センサ。
  9. 　前記絶縁層上に、前記磁気検知素子よりも前記基板から遠位に設けられた軟磁性体を有する、
    請求項１に記載の磁気センサ。
  10. 　前記基板がシリコン基板であり、前記交流電気配線がダマシンプロセスによって形成されたものである、
    請求項１に記載の磁気センサ。
PCT/JP2023/004035 2022-03-09 2023-02-07 磁気センサ WO2023171207A1 (ja)

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