JP3751500B2

JP3751500B2 - 磁気抵抗効果素子および磁気センサ

Info

Publication number: JP3751500B2
Application number: JP2000103198A
Authority: JP
Inventors: 太好高
Original assignee: Tohoku Ricoh Co Ltd; Ricoh Co Ltd
Current assignee: Tohoku Ricoh Co Ltd; Ricoh Co Ltd
Priority date: 2000-04-05
Filing date: 2000-04-05
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2020-04-05
Also published as: JP2001289926A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、磁気抵抗効果素子および磁気センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の磁気センサとしては、ＭＲセンサ、ＭＩ（磁気インピーダンス）センサ、フラックスゲートセンサ、半導体ホール効果センサが用いられている。
【０００３】
このうち、ＭＩセンサは、ＭＩ素子という磁気抵抗効果素子を用いるものであり、薄膜化でき、小型化が容易であるため、近年開発され、改良されてきた。このＭＩセンサは、磁気抵抗効果素子に高周波電流を流し、その高周波インピーダンスの磁界による変化によって、検出対象である磁界強度を検知するものである。
【０００４】
このＭＩセンサ、ＭＩ素子に関する技術は、特開平9-318719号公報、特開平11-109006号公報、特開平10-307145号公報、特開平7-181239号公報などに開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＭＩセンサは、比較的低周波での検知が目的であったので、周波数帯域は比較的低周波でよかった。しかし、磁界検知においても高周波化が必要となってきており、これを実現するためには、印加する高周波の周波数帯域の増加が必要とされ、従来のＭＩセンサでは不十分であるという不具合がある。
【０００６】
この発明の目的は、通電する電流の高周波化が可能として、磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサの感度を高めることである。
【０００７】
この発明の別の目的は、さらに磁気センサの感度を高めることである。
【０００８】
この発明の別の目的は、装置をコンパクト化することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、磁気抵抗効果材料により形成された磁気抵抗効果部材と、前記磁気抵抗効果部材が一部または全部をなす伝送線路とを備え、前記伝送線路に交流電流を入力して磁界を測定する磁気抵抗効果素子であって、当該磁気抵抗効果素子に前記伝送線路の入射波と反射波との分離を行う方向性結合器が実装され、該入射波と反射波との比に基づいて得られたインピーダンスの変動により磁界を測定することを特徴とする磁気抵抗効果素子である。
【００１０】
したがって、磁気抵抗効果部材は伝送線路の一部または全部をなしているので、通電する電流の高周波化が可能となり、磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサの感度を高めることができる。さらに、方向性結合器を磁気抵抗効果素子に実装することで、装置をコンパクト化することができ、入射波と反射波との比に基づいて、さらに高感度で磁界を測定することができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、磁気抵抗効果材料により形成された磁気抵抗効果部材と、該磁気抵抗効果部材が一部または全部をなす伝送線路とを有する磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に実装された方向性結合器を有し、伝送線路に交流電流を入力する駆動回路とを備え、前記駆動回路は、方向性結合器が伝送線路の入射波と反射波との分離を行い、該入射波と反射波との比に基づいて得られたインピーダンスの変動により磁界を測定する磁気センサである。
【００１２】
したがって、磁気抵抗効果部材は伝送線路の一部または全部をなしているので、通電する電流の高周波化が可能となり、磁気センサの感度を高めることができる。さらに、方向性結合器を磁気抵抗効果素子に実装することで、装置をコンパクト化することができ、入射波と反射波との比に基づいて、さらに高感度で磁界を測定することができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の磁気センサにおいて、前記磁気抵抗効果素子および駆動回路は基板に実装されてなるものである。
【００１６】
したがって、入射波と反射波との比に基づいて、さらに高感度で磁界を測定することができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の磁気センサにおいて、前記駆動回路は、前記入射波と前記反射波との分離を行う方向性結合器と、前記磁気抵抗効果部材および前記伝送線路が形成された磁気抵抗効果素子とを備え、前記方向性結合器は前記磁気抵抗効果素子に実装されているものである。
【００２０】
したがって、磁気抵抗効果素子および駆動回路を基板に実装することで、さらに装置をコンパクト化することができる。
【００２１】
請求項４記載の発明は、請求項２記載の磁気センサにおいて、前記方向性結合器を除く前記駆動回路が形成された半導体装置と、前記半導体装置の一つの面に磁気抵抗効果素子および方向性結合器が形成されてなるものである。
請求項５記載の発明は、請求項２または４記載の磁気センサにおいて、前記方向性結合器を除く前記駆動回路は半導体基板に形成され、前記半導体基板上に絶縁層を介して磁気抵抗効果素子および方向性結合器が設けられ、前記駆動回路、磁気抵抗効果素子、および方向性結合器との間はスルーホールを介して接続されているものである。
【００２２】
したがって、モノリシックに構成することで、装置をコンパクト化することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
［発明の実施の形態１］
この発明の一実施の形態を発明の実施の形態１として説明する。
【００２４】
最初に、この発明の実施の形態１である磁気抵抗効果素子の製造方法について説明する。
【００２５】
まず、図１に示すように、この磁気抵抗効果素子１を製作するためには、まず、石英、ガラスなどの絶縁基板２の表面にＦｅ２０−Ｎｉ８０の膜３をスパッタ成膜する。このＦｅ２０−Ｎｉ８０の膜３は磁気抵抗効果を示すものである。膜３は、金属材料であれば、測定対象である磁界の強度に応じて種々のものを選択することができる。例えば、Ｆｅ２０−Ｎｉ８０以外にも、Ｎｉ−Ｆｅ、ＣｕＭｏパーマロイ、ＣｏＦｅＢアモルファス、ＦｅＳｉＣｏＢアモルファスなどの材料を選択することができる。なお、Ｆｅ２０−Ｎｉ８０を用いる場合はメッキ法を用いることもできる。膜３の膜厚は、例えば、１μｍとすることができるが、これも磁気抵抗効果素子１の感度その他の必要に応じて選択することができる。絶縁基板２としては、石英、ガラス以外の材料を用いてもよいし、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミドなどのフレキシブルな材料を用いてもよい。
【００２６】
次に、図２に示すように、半導体製作工程に用いられる一般的なフォトリソグラフィ技術とＣＦ₄＋Ｈ₂を用いたＲＩＥにより膜３を加工して、コープレーナ伝送線路を構成する、磁気抵抗効果材料からなる磁気抵抗効果部材４のパターンを形成する。この磁気抵抗効果部材４のパターンは直線状に、かつ、磁気抵抗効果素子として機能できるように、例えば、幅１０μｍ×長さ１ｍｍの長方形状にする。この寸法は目的によって様々に選択できる。また、エッチング手法はウエットエッチング手法も取れる。その場合、ニッチング液は王水などを用いることができる。
【００２７】
その後、図３に示すように、磁気抵抗効果部材４上に、絶縁層５としてＳｉＯ₂膜をスパッタで成膜する。ＳｉＯ₂の成膜には、ＥＢ蒸着法やＣＶＤ法など他の成膜手段を用いてもよい。絶縁層５の材料としてはＳｉ₃Ｎ₄など他の絶縁材料を用いることもできる。同様に、一般的なフォトリソグラフィ技術と、ＣＦ₄＋Ｈ₂を用いたＲＩＥにより、絶縁層５にスルーホール６，６を開ける。このスルーホール６，６は中心導体部４ａの両端部分に連通する孔となる。絶縁層５をエッチングする手段としてはウエットエッチングを用いてもよいが、スルーホール６，６の形成のために絶縁基板２もエッチングされる場合には、絶縁基板２の裏面をレジストなどで保護する必要がある。なお、フォトリソ工程によっては絶縁層５の形成を必要としない工程とすることができる。
【００２８】
次に、図４に示すように、非磁性金属であるＡｌでコープレーナ伝送線路の外導体部およびパッド部を作製する。すなわち、図３に示す状態の磁気抵抗効果素子１上にスパッタにより成膜して、その後、磁気抵抗効果部材４のパターンの形成と同様の手段でその膜を加工して、外導体部およびパッド部を作製することができる。なお、Ａｌの成膜法は蒸着法などの他の成膜手段によってもよい。非磁性金属はＣｕ，Ａｇ，Ａｕまたはその合金などを用いてもよい。
【００２９】
この例での伝送線路１５の構造はコープレーナ線路型であり、図４に示すように、絶縁基板２上に中心導体部４ａ用の入力用パッド部７ａ、出力用パッド部７ｂを形成する。この中心導体用の入力用パッド部７ａ、出力用パッド部７ｂは、中心導体部４ａの両端部にスルーホール６，６を介して接続するように形成する。また、絶縁基板２上に外導体部８，８を形成し、この各外導体部８の両端部に連続して外導体パッド部９を形成する。これにより、磁気センサ１１が完成する。
【００３０】
伝送線路１５の構造として、コープレーナ線路型の他にマイクロストリップ型、トリプレート型等の伝送線路を用いてもよい。また、何れのタイプの伝送線路であっても、それぞれの伝送線路部で中心導体部以外にも外導体部（マノクロストリップ型の場合はグラウンドプレーン）も磁気抵抗効果部材とする構成としてもよい。さらに、必要に応じて、中心導体部を非磁性金属薄膜とし、外導体部（マイクロストリップ型の場合はグラウンドプレーン）を磁気低抗効果部とする構成としてもよい。
【００３１】
図１１に示すように、従来の磁気抵抗効果素子の接続用配線の場合には、引回しのために曲がりが形成され、あるいは、ループ状になることが多かった。すなわち、図１１に示すＭＩセンサの素子部１０１では、引出線１０２とパーマロイ膜１０３との間に直角の曲がりが形成されている。符号１０４は、バイアス用およびフィードバック用の巻線である。
【００３２】
これに対し、本発明の実施の形態１では、伝送線路上に配置した磁気抵抗効果部材である磁気抵抗効果部材４が伝送線路の一部をなすために、通電する電流の高周波化を容易に実現することができる。
【００３３】
図５は、本発明の実施の形態１である磁気センサ１１の等価回路の回路図である。この磁気センサ１１は、磁気抵抗効果素子１およびその駆動回路１２とからなる。図５に示すように、駆動回路１２は、一定の高周波電流を磁気抵抗効果素子１に通電する駆動用定電流源１３と、磁気抵抗効果素子１の出力電圧を検出する検波回路１４と、検波回路１４の出力電圧を増幅する増幅器１６とからなる。そして、磁気抵抗効果素子１および駆動回路１２からなる系の各部を概ねインピーダンス整合させることで、磁気センサ１１を駆動できる高周波電流値の周波数をより高くすることができる。その上で、磁気抵抗効果部材４に対する外部磁界の影響による表皮効果の変化によって、伝送線路１５は磁界によりそのインピーダンスが変わる。これにより、伝送線路１５に伝達される高周波電圧が変動する。これを検波回路１４において検知し、磁界に対して検知した電圧変動量により磁界を測定することができる。
【００３４】
以上説明した、この発明の実施の形態１である磁気センサ１１によれば、駆動周波数の高周波数化を可能として、従来に比べて高感度に磁界を検知することができる。
【００３５】
［発明の実施の形態２］
この発明の別の実施の形態を発明の実施の形態２として説明する。
【００３６】
図６は、この発明の実施の形態２である磁気センサ１１の等価回路の回路図である。図６において、図１〜図５と同一符号の部材などは、発明の実施の形態１と同様であり、以下の説明でも同一符号を用い、詳細な説明は省略する。
【００３７】
図６に示すように、この磁気センサ１１は、その駆動回路１２において、磁気抵抗効果部材４の電圧を検知する電圧検知回路２１と、磁気抵抗効果部材４の電流を検知する電流検知回路２２と、電圧検知回路２１で検出した電圧値と電流検知回路２２で検出した電流値との比を求める電圧電流比演算回路部２３とを備えている。
【００３８】
以上のような構成の磁気センサ１１で、電圧検知回路２１および電流検知回路２２で、磁気抵抗効果部材４の電圧値、電流値を検出し、この電圧値、電流値の比を電圧電流比演算回路部２３で求め、この比をもって、磁気抵抗効果部材４のインピーダンスの変化分として、磁界の測定を行うことができる。
【００３９】
以上説明した、この発明の実施の形態２である磁気センサ１１によれば、駆動周波数の高周波化を可能として、従来に比べて高感度に磁界を検知することができる。
【００４０】
また、磁気抵抗効果部材４のインピーダンスの変化分を直接測定できるので、発明の実施の形態１の場合と比べて測定の感度をさらに向上させることができる。この発明の実施の形態２の場合でも、伝送線路１５は、平行線路型、マイクロストリップ型、トリプレート型、コープレーナ型等の伝送路を用いることができる。
【００４１】
［発明の実施の形態３］
図７は、この発明の実施の形態３である磁気センサ１１の等価回路の回路図である。図７において、図１〜図５と同一符号の部材などは、発明の実施の形態１と同様であり、以下の説明でも同一符号を用い、詳細な説明は省略する。
【００４２】
図７に示すように、この磁気センサ１１は、その駆動回路１２において、駆動用定電流源１３の出力を磁気抵抗効果素子１に印加する伝送線路で入射波と反射波とを分離する方向性結合器３１と、この分離された入射波を検出する高周波検知器３２と、分離された反射波を検出する高周波検出器３３と、検出された入射波と反射波との比を求める入射波／反射波電力比演算回路３４とを備えている。
【００４３】
以上のような構成の磁気センサ１１で、磁気抵抗効果素子１に印加する入射波と反射波とを求め、その比をもって、磁気抵抗効果部材４のインピーダンスの変化分として、磁界の測定を行うことができる。
【００４４】
以上説明した、この発明の実施の形態３である磁気センサ１１によれば、駆動周波数の高周波化を可能として、従来に比べて高感度に磁界を検知することができる。
【００４５】
また、磁気抵抗効果部材４のインピーダンスの変化分を直接測定できるので、発明の実施の形態１の場合と比べて測定の感度をさらに向上させることができる。この発明の実施の形態３の場合でも、伝送線路１５は、平行線路型、マイクロストリップ型、トリプレート型、コープレーナ型等の伝送路を用いることができる。
【００４６】
［発明の実施の形態４］
図８は、この発明の実施の形態４である磁気センサ１１の磁気抵抗効果素子の平面図である。図８において、図１〜図５、図７と同一符号の部材などは、発明の実施の形態１、３と同様であり、以下の説明でも同一符号を用い、詳細な説明は省略する。
【００４７】
図８に示すように、この磁気センサ１１は、その磁気抵抗効果素子１に方向性結合器３１が実装されている構成である。すなわち、発明の実施の形態３と同様に伝送線路１５の中心導体部４ａには、磁気抵抗効果部材４を含んでいる。そして、中心導体部４ａの一部には方向性結合器３１が薄膜で形成されることにより実装されていて、方向性結合器３１で分離した入射波、反射波をそれぞれ外部に出力する入射波検知用パッド４１、反射波検知用パッド４２も実装されている。
【００４８】
したがって、方向性結合器３１が磁気抵抗効果素子１に実装されることで、装置を小型化することができる。
【００４９】
また、図９に示すように、図８に示す磁気抵抗効果素子１、駆動用定電流源１３、高周波検知器３２，３３、入射波／反射波電力比演算回路３４、さらには、終端抵抗４３を、半田付けや導電性接着剤を用いてＰＣＢ基板４４上に実装するようにしてもよい。この場合に、各回路要素は、コネクタ４５，４５，…、接続ケーブル４６，４６，…により接続する。
【００５０】
これにより、各回路要素が一枚のＰＣＢ基板４４上に実装されるので、装置を小型化することができる。
【００５１】
［発明の実施の形態５］
図１０は、この発明の実施の形態５である磁気センサ１１の磁気抵抗効果素子の平面図である。図１０において、図１〜図９と同一符号の部材などは、発明の実施の形態１〜４と同様であり、以下の説明でも同一符号を用い、詳細な説明は省略する。
【００５２】
図１０に示すように、この磁気センサ１１は、あらかじめ、例えば、Ｓｉ，ＧａＡｓ等の半導体基板５１上に、駆動用定電流源１３、高周波検知器３２，３３、入射波／反射波電力比演算回路３４、さらには、検波および増幅用の信号処理回路５２などの駆動回路１２を通常の半導体製造プロセスにより形成する。さらに、これらを形成後の半導体基板５１上に、絶縁層５３およびスルーホール５４，５４，…を形成する。絶縁層５３およびスルーホール５４を形成後の半導体基板５１上に、前記の磁気抵抗効果素子１を構成する回路要素を形成する。すなわち、磁気抵抗効果部材４、中心導体部４ａおよび外導体部８などの伝送線路１５、ならびに、方向性結合器３１などである。そして、磁気抵抗効果素子１を構成する回路要素と駆動回路１２とをスルーホール５４，５４，…を介して接続する。なお、図１０では、伝送線路１５、方向性結合器３１は、コープレーナ線路型の例で示しており、ＤＣ電源や、このＤＣ電源の接続用のパッド部などは省略している。
【００５３】
したがって、半導体基板５１上に、駆動回路１２を半導体製造プロセスで形成し、その上に磁気抵抗効果素子１および前記方向性結合器３１が絶縁層５３を介して薄膜で形成されていて、駆動回路１２と磁気抵抗効果素子１および方向性結合器３１との間はスルーホール５４，５４，…を介して接続されているので、装置を小型化することができる。
【００５４】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明は、磁気抵抗効果部材は伝送線路の一部または全部をなしているので、通電する電流の高周波化が可能となり、磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサの感度を高めることができる。さらに、方向性結合器を磁気抵抗効果素子に実装することで、装置をコンパクト化することができ、入射波と反射波との比に基づいて、さらに高感度で磁界を測定することができる。
【００５５】
請求項２に記載の発明は、磁気抵抗効果部材は伝送線路の一部または全部をなしているので、通電する電流の高周波化が可能となり、磁気センサの感度を高めることができる。さらに、方向性結合器を磁気抵抗効果素子に実装することで、装置をコンパクト化することができ、入射波と反射波との比に基づいて、さらに高感度で磁界を測定することができる。
【００５９】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の磁気センサにおいて、磁気抵抗効果素子および駆動回路を基板に実装することで、さらに装置をコンパクト化することができる。
【００６０】
請求項５に記載の発明は、請求項２または４に記載の磁気センサにおいて、モノリシックに構成することで、装置をコンパクト化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１である磁気抵抗効果素子の製造方法の説明図である。
【図２】同説明図である。
【図３】同説明図である。
【図４】同説明図である。
【図５】前記磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサの等価回路の回路図である。
【図６】この発明の実施の形態２である磁気センサの等価回路の回路図である。
【図７】この発明の実施の形態３である磁気センサの等価回路の回路図である。
【図８】この発明の実施の形態４である磁気センサの磁気抵抗効果素子の平面図である。
【図９】この発明の実施の形態４である磁気センサの平面図である。
【図１０】この発明の実施の形態５である磁気センサの平面図である。
【図１１】従来のＭＩセンサの説明図である。
【符号の説明】
１磁気抵抗効果素子
４磁気抵抗効果部材
１１磁気センサ
１２駆動回路
１５伝送線路
３１方向性結合器
４４基板
５１半導体基板
５３絶縁層
５４スルーホール

Claims

磁気抵抗効果材料により形成された磁気抵抗効果部材と、
前記磁気抵抗効果部材が一部または全部をなす伝送線路とを備え、
前記伝送線路に交流電流を入力して磁界を測定する磁気抵抗効果素子であって、
当該磁気抵抗効果素子に前記伝送線路の入射波と反射波との分離を行う方向性結合器が実装され、該入射波と反射波との比に基づいて得られたインピーダンスの変動により磁界を測定することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
磁気抵抗効果材料により形成された磁気抵抗効果部材と、該磁気抵抗効果部材が一部または全部をなす伝送線路とを有する磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子に実装された方向性結合器を有し、伝送線路に交流電流を入力する駆動回路とを備え、
前記駆動回路は、方向性結合器が伝送線路の入射波と反射波との分離を行い、該入射波と反射波との比に基づいて得られたインピーダンスの変動により磁界を測定する磁気センサ。
前記磁気抵抗効果素子および駆動回路は基板に実装されてなることを特徴とする請求項２記載の磁気センサ。
前記方向性結合器を除く前記駆動回路が形成された半導体装置と、
前記半導体装置の一つの面に磁気抵抗効果素子および方向性結合器が形成されてなることを特徴とする請求項２記載の磁気センサ。
前記方向性結合器を除く前記駆動回路は半導体基板に形成され、
前記半導体基板上に絶縁層を介して磁気抵抗効果素子および方向性結合器が設けられ、
前記駆動回路と、前記磁気抵抗効果素子および前記方向性結合器との間はスルーホールを介して接続されていることを特徴とする請求項２または４記載の磁気センサ。