JP5152495B2 - 磁気センサーおよび携帯情報端末装置 - Google Patents

Description

本発明は、簡便な方法でＺ軸方向などの基板平面とは異なるベクトル磁界成分を検知する磁気センサーおよび該磁気センサーを搭載した携帯情報端末装置に関する。

この種の従来技術として、例えば特許文献１がある。この装置では、異方性エッチングしたＳｉ基板の傾斜面にＧＭＲ素子とパーマロイ薄膜等を配置し、Ｚ軸方向の磁界成分も検知できる構成とし、他の平面に配置したセンサーを組み合わせて、三軸検知可能としている。

特開２００４−３５４１８２号公報

上記した特許文献１では、平面以外のＺ軸方向などのベクトル磁界成分を検知するために、センサー部を傾斜面に設ける必要がある。しかし、磁気抵抗素子は作製上、斜面の平滑性が厳しく性能を左右するので、優れた傾斜面の製造方法が要求され、また、斜面の素子形成についても、課題が多く存在し、実現が困難である。

本発明は上記した課題に鑑みてなされたもので、
本発明の目的は、よく知られた平面試作による磁気センサーを用いて、簡便な追加加工法のみで、センサーが平面に配置していても、磁界の平面以外のＺ軸方向のベクトル成分を検知可能とする磁気センサーおよび該磁気センサーを搭載した携帯情報端末装置を提供することにある。

本発明は以下のような構成を採る。すなわち、フリー層とピン層を有し、ＴＭＲ素子である場合には絶縁層をその間にもち、ＧＭＲ素子の場合には非磁性金属を有する磁気抵抗効果を用いた検知素子を基板に平面に配置する。また、素子近傍の基板に傾斜面を有する溝部または突起部を設け、フリー層と磁気的なカップリングをさせる軟磁性層を基板の平面部から、傾斜面部に連続して設ける。この軟磁性層と検知素子が一体で一軸の磁界センサーとなる。

この一軸磁界センサーの配置を、複数個、適宜配置して設ける。磁界中の熱処理時において、磁界印加方向を基板面に対して概ね９０度方向とし、軟磁性層で、印加している磁界を曲げることでピン層の磁界印加方向へと導き、ピン層の着磁方向をその方向に合わせて決める。この軟磁性層は傾斜角度が異なるように設定できて、複数のピン層にそれぞれ異なる方向へ着磁を行うことができる。この磁界中の熱処理で設定したピン層の着磁方向はセンサーの各磁界成分検知の基準となるものであって、各方向のピン層を着磁方向に設定することで、多軸検知可能な磁界センサーとすることができる。

本発明のセンサーによる具体的な検知方法について説明すると、検知しようとする３次元の磁界ベクトルのうち、基板面に対して水平な磁界成分は平面部に配置した検知素子のフリー層を用いて検知可能となっている。本発明では傾斜面に連続してあり、フリー層と磁気的にカップリングした軟磁性層が傾斜面に対して平行な磁界成分によって磁化されるので、磁気的にカップリングしたフリー層も磁化される。このため検知素子は抵抗変化となって現れ、Ｚ軸方向も検知可能となる。このように、平面に配置した検知素子であっても傾斜面に配置した軟磁性層によって、基板面に対して、垂直なＺ軸ベクトル成分も検知可能となるので、平面に配置した検知素子によっても、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の３軸センサーとして動作させることができる。

請求項１：検知素子を基板平面に配置しているので、寸法バラツキ、基板平坦性に起因する磁気特性のバラツキ等を抑制することができ、さらには傾斜面上に配置した軟磁性膜を検知素子のフリー層と磁気的に結合させているので、基板面と略直交する方向の磁界を検知することができる。

請求項２：個別の検知素子のピン層の磁化方向とフリー層の磁化方向の直交性が高まることで、一軸検知性能が高まり、磁気センサーの感度が向上する。また、Ｚ軸方向も含めて、複数軸のそれぞれについて検知性能が高まる。

請求項３：磁界中の熱処理によって、さらに直交性を高めることで、センサー感度の向上が実現できる。

請求項４：簡便な工程の追加で平面に配置した検知素子によって、各磁界ベクトル成分の検知と平面内での異なる向きへピン層の磁化方向を固定できるので、Ｚ軸のベクトル磁界成分が容易に検知可能となる。また、複数個のセンサーを設けると多軸センサーとすることができる。

請求項５、６：ＩＣや各種センサーと集積化、複合化を行うことで、性能とセンサー面積の最適化が可能となる。

請求項７：小型の素子であって、抵抗変化率が大きく、高感度な磁気センサーを実現できる。また、磁気センサー全体の小型高性能化が実現可能となる。

請求項８：小型、高性能の磁気センサーを搭載した携帯型の情報端末装置を実現できる。

以下、発明の実施の形態について図面により詳細に説明する。

実施例１
図１は、実施例１の構成を示す。図１（ａ）は上面図であり、（ｂ）はＡＢの断面図である。図１において、１はＳｉ基板、２は基板に設けた傾斜面、３ａ〜３ｄは基板１の平面に配置された４個のＴＭＲ素子（トンネル型磁気抵抗素子）である。４はパーマロイ膜、５は傾斜面２に設けた溝である。

ＴＭＲ素子３は、絶縁層をはさんでフリー層とピン層を有し、フリー層の磁化容易方向（実線）と、ピン層の磁化方向（破線）が直交している。すなわち、ＴＭＲ素子３ａ〜３ｄのフリー層の磁化容易方向はその長手方向であり、ＴＭＲ素子３ａでは、ピン層の磁化方向が図の左から右方向であり、ＴＭＲ素子３ｂでは、ピン層の磁化方向が図の下方向から上方向であり、ＴＭＲ素子３ｃでは、ピン層の磁化方向が図の右から左方向であり、ＴＭＲ素子３ｄでは、ピン層の磁化方向が図の上方向から下方向である。

このように直交させる理由は、センサーで用いるには磁性体の磁化困難軸方向の検知特性を使うと直線的な磁気抵抗特性を得ることが可能となるからである。図２は、センサーで用いる磁気抵抗曲線を示す。従って、フリー層の磁化困難軸方向が、センサーの検知方向（感磁軸）となる。ピン層の磁化方向とフリー層の磁化方向を直交させるには、予め、ピン層の磁化を磁界中アニールで決定させた後に、磁化を直交させ、ピン層の磁化に変化を与えない温度に下げて、アニールを行なうことで実現可能となる。ピン層の着磁用磁界の印加方向は、図１に示すように、基板１に垂直方向である。

ＴＭＲ素子３は、フリー層の磁化方向が磁化困難軸方向に向き、かつその方向がピン層の磁化方向と平行である場合、トンネル電流が多く流れることで、低抵抗となり、逆に、反平行である場合、トンネル電流が減少し、高抵抗となる。また、それ以外の場合も抵抗値が両層の磁化の相対角に関して正弦的となる特徴を有する。

また、ＴＭＲ素子３の近傍の基板１に傾斜面２を有する溝部５を設ける。ＴＭＲ素子３のフリー層と磁気的なカップリングをさせるパーマロイ膜（軟磁性層）４を基板１の平面部から、傾斜面部２に連続して設ける。このパーマロイ膜４とＴＭＲ素子３が一体で一軸の磁界センサーとなる。本発明では、この一軸の磁界センサーを複数個（４個）、適宜配置して、３軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の磁界センサーを構成している。

製造プロセスを説明すると、Ｓｉ（１００）基板１に、ＫＯＨ溶液を用いて、フォトリソで設けた開口部より異方性エッチングを行ない、１１１面からなる四面の逆ピラミッド構造を有する傾斜面２を設ける。これにＴＭＲ素子（トンネル型磁気抵抗素子）３の層構成を有する各層を多元高真空スパッタ装置により堆積させる。このうち、フリー層は所望の磁界検知可能な材料を用いる。地磁気検知用途ではパーマロイ（Ｎｉ８０Ｆｅ２０）等を用い、エンコーダなどの応用ではＣｏＦｅ等を用いることもできる。素子の保護層を設けるとともにコンタクトホールを空ける。このうちフリー層の上部に設けるものは磁気的な結合用のものである。

傾斜面２上にシャドウマスクを用いて、パーマロイ膜（軟磁性膜）４をスパッタ装置により成膜する。このときのスパッタ装置は高真空でないものでもよい。さらに電極部をシャドウマスク法により同じくスパッタ法により成膜し完成する。シャドウマスクによらず、フォトリソ法により形成させることもできるが、そのときの設計ルールは検知素子部に比べ緩やかなものでいいので、より生産性のよい加工法を取れる。すなわち、アライメントのルールが緩いことから、通常の平面試作用の装置での加工で十分であるので、低コストでの試作が可能となる。

傾斜部２に設けた軟磁性膜はパーマロイ、スーパーマロイなどの膜が適する。ＣｏＺｒＮｂなどのアモルファス膜でもよい。傾斜部に設けた軟磁性膜４と検知素子３のフリー層を磁気的に結合させることで、通常、膜面に平行に入射する磁界に対して最大感度をもつ構成であるのに対して、傾斜面に設けた軟磁性膜に平行な方向の磁界をもっとも検知するように磁束を導くように構成することができる。このため、検知素子の膜面に垂直方向の検知が可能となることから、他のセンサーと一体として三軸検知センサーとすることができる。

上記した実施例では、傾斜面を溝方向としているが、ピラミッド型の突起部の傾斜面を用いても同様のセンサーが実現可能である。また、溝および突起部の形状も三角錐や多面体等でも同様に実現可能である。

ピン層の着磁については、着磁の際に基板面に対して、垂直方向に印加することで、傾斜面に設けた軟磁性薄膜によって、磁束が曲げられ、ピン層の所望の方向にフリー層の磁化を向けることが可能となる。垂直方向の磁束の向きを平面基板のそれぞれの向きに平面方向に向けることが可能となり、各磁気ベクトル成分の検知が可能となる。

図３〜５は、本発明の磁気センサーの動作を説明する図である。図３（ａ）は、Ｘ、Ｙ平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡＢ断面図（Ｚ、Ｙ面）である。図３（ａ）のＫ、Ｌ、Ｍは、ＴＭＲ素子３とパーマロイ膜４とを一体として示す。ここでは、一体となったＴＭＲ素子３とパーマロイ膜４が３個の例（３個で３軸の検知が可能）で説明する。

外部磁界がＺ軸方向にあると、図３（ｂ）において磁束の流れが、斜面２に配置したパーマロイ膜４によって変化して、ＴＭＲ素子部３にまで流れる。これにより、素子Ｍのフリー層の磁化方向がピン層の磁化方向に変化し、同様に、素子Ｋ、Ｌのフリー層の磁化方向もピン層の磁化方向に変化し、ＴＭＲ素子が磁界のＺ軸成分を検知することになる。磁束の流れは、Ｚ軸方向からの流れであって、通常は検知しにくいものが斜面に配置したパーマロイ膜によってその磁束の流れが変化して検知される。

それぞれの流れ方は磁束の方向で異なり、３軸の検知が可能となることを以下、説明する。

図４は、磁界の方向と角度（ρ，φ，θ）の関係を示す。また、Ｋ、Ｍセンサーとの位置関係も示す。αは、斜面２の傾斜の角度である。例えば、α＝５４．７度、３０度、６０度である。

角度ρ，φ，θとＫ、Ｍ、Ｌ素子の出力をもとに、ＸＺ平面での各素子Ｋ、Ｍ、Ｌの出力（Ｈｋ、Ｈｍ、Ｈｌ）の角度依存性は図５（ａ）に示すような特性となる。図５（ｂ）は、ＹＺ平面での各素子Ｋ、Ｍ、Ｌの出力（Ｈｋ、Ｈｍ、Ｈｌ）を示す（素子ＭとＫの出力は重なっている）。図５（ｃ）は、Ｘ、Ｙ平面での各素子Ｋ、Ｍ、Ｌの出力（Ｈｋ、Ｈｍ、Ｈｌ）を示す。

Ｈｋ、Ｈｍ、Ｈｌの値が得られると、ＸＹＺ軸方向の磁界成分は次の関係式から求められる。

Ｈｘ＝−Ａ＊Ｈｋ／２ｃｏｓα＋Ｂ＊Ｈｍ／２ｃｏｓα
Ｈｙ＝−Ａ＊Ｈｋ／２ｃｏｓα＋Ｃ＊Ｈｌ／ｃｏｓα−Ｂ＊Ｈｍ／２ｃｏｓα
Ｈｚ＝Ａ＊Ｈｋ／２ｓｉｎα＋Ｂ＊Ｈｍ／２ｓｉｎα
ここで、Ａ、Ｂ、Ｃは感度と角度に応じて補正する補正値であり、図５（ａ）〜（ｃ）の出力値と各角度の値ρ、φ、θから求めることができる。

Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚが得られれば、方位方向の特定は立体角として求めることができ、その方向での磁界の特定が可能となり、センサーを取り付けた例えば、情報端末における方向を地磁気に対する方向として特定することが可能となる。

図６は、本発明の磁気センサーによりブリッジ回路を構成した例を示す。対向する磁気センサーを差動ブリッジに接続し、ノイズ分の低減を行なう。さらに、各差動ブリッジの出力の和と差をとることにより、各軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の信号が出力される。上記ブリッジはフルブリッジでもハーフブリッジでもよい。なお、例えばＫ素子を（ほぼ同等でも可能）複数設け、ブリッジとすることももちろん可能であり、ノイズ分の低減を行なう効果が期待できる。

実施例２
図７は、本発明の実施例２の構成を示す。実施例１と同様に平坦部にＴＭＲ素子などで構成される検知素子３ａ〜３ｄを設ける。傾斜部２に軟磁性膜４を設ける。検知素子３ａ〜３ｄのピン層を図のように傾斜面に対して、傾斜に垂直方向に着磁を行なったのちに、ピン層の着磁方向と直交するように検知素子の膜面に対して磁化容易軸方向を与えるために、フリー層の磁化容易方向の設定用磁界の印加方向として、概ね平行であって、かつ長方形の形状をもつ検知素子の長手方向のそれぞれの角度方向の平均値に対して、概ね近い値の方向とする。

すなわち、図７においては、各検知素子は図の基準に対して、０度と９０度にあるので、その平均である４５度付近が最適である。必要に応じて、０度より大きく、９０度より小さな方向を取ることも可能である。

実施例３
図８は、本発明の実施例３の構成を示す。図８（ａ）は、ＴＭＲ素子の層構成の一例を示す。ＴＭＲ素子は、フリー層、絶縁層、磁性層（ピン層）、反強磁性体、基板からなる。本発明は、ＴＭＲ素子以外に他の磁気抵抗素子で構成してもよい。トンネル層の代わりに、非磁性金属層を設けたＧＭＲ（巨大磁気抵抗）素子（ｂ）や電流を膜面に対して縦に流す縦型ＧＭＲ素子（ｃ）でもよい。目的の磁界強度と必要とされる磁界に対する変化率や信号処理回路に必要な抵抗値によって、各素子を選択し設定することができる。

実施例４
図９は、本発明の実施例４の構成を示す。実施例４は、本発明の磁気センサーと信号処理用のＩＣ回路とを基板に形成した実施例である。図９（ａ）はその平面図であり、（ｂ）はＣＤの断面を示す。図９において、１１は基板、１２は傾斜面からなる溝、１３ａ〜１３ｄはＴＭＲ素子、１４はパーマロイ膜（軟磁性膜）、１５は信号処理ＩＣである。実施例４の磁気センサーは、信号処理ＩＣの外周に、直交するように、ＴＭＲ素子を配置している。実施例４の磁気センサーの動作は実施例１と同様である。

実施例４では、溝部を別に設けることで各素子に求められる寸法の自由度が増す。本発明の磁気センサーは、特性を発揮しやすい各素子形状が矩形であり、かつ長手が大きな寸法比を持つ方が形状異方性によるフリー層の磁化容易方向が確定しやすいというメリットを有している。この各軸のセンサーの感度を同一にするためには通常、面積等を一定し、形状の同一である方が加工上も有利である。このため、図９のように各軸センサーを外縁部に配置し、それぞれが長手の大きな、矩形形状で構成される。溝部を分離して形成され、省素子面積のメリットを増し、かつ基板の中央部に平坦部を大きくとれて、磁気センサーの信号処理回路用ＩＣや加速度センサー、ジャイロセンサーなどの磁気センサー以外の他のセンサー、一般的な制御ＩＣ等を配置することが可能となり、同一基板面積を有効に使うことが可能となる。

実施例１と同様に、傾斜面を溝方向としているが、ピラミッド型の突起部の傾斜面を用いても同様のセンサーが実現可能である。また、溝および突起部の形状も三角錐や多面体等でも同様に実現可能である。また、矩形形状の寸法については、長手方向の長さをＬ、幅方向をＷとしたとき、寸法比をＬ／Ｗとすると６以上が最適である。実用的な寸法としてはＬ／Ｗは1000以下までは作製は特殊な工法によらず可能であり、Ｌ／Ｗは100以下がより好適である。この他、矩形形状以外に全体に楕円形状を持つものや、部分的に楕円、円などの形状をもつものでもよい。楕円形状および一部に楕円形状を持つものにおいても、矩形形状に準じて、寸法についても長径Ａと短径Ｂの比が（および全体の長手Ａ’および短手Ｂ’）の比Ａ／Ｂ（Ａ’/Ｂ‘）が６以上１００以下が適する。

実施例５
図１０は、本発明の実施例５の構成を示す。実施例５は、本発明の磁気センサーを携帯電話に搭載した例を示す。磁気センサーを表示画面上の背後に配置し、折り畳んだ場合でも表示の差が小さいようにした例を示す(点線部で２つ折れの可能な例で示す。折れない形でも十分性能を発揮できる)。本発明の磁気センサーは小型化が可能であり、また設置場所を選ばない特性があるので、携帯電話などのモバイル情報端末への搭載が可能となる。

本発明の実施例１の構成を示す。 センサーで用いる磁気抵抗曲線を示す。 本発明の磁気センサーの動作を説明する図である。 磁界の方向と角度（ρ，φ，θ）の関係を示す。 各平面での各素子Ｋ、Ｍ、Ｌの出力の角度依存性を示す。 本発明の磁気センサーによりブリッジ回路を構成した例を示す。 本発明の実施例２の構成を示す。 本発明の実施例３の構成を示す。 本発明の実施例４の構成を示す。 本発明の実施例５の構成を示す。

符号の説明

１ Ｓｉ基板
２ 傾斜面
３ ＴＭＲ素子
４ パーマロイ膜
５ 溝

Claims (8)

1. 基板の複数の傾斜面上に、磁界の大きさに応じて磁化される軟磁性膜をそれぞれ配置し、前記傾斜面以外の平面に、フリー層とピン層を持ち、その磁化状態に応じた検知出力を発生させる検知素子を複数設け、かつ、前記軟磁性膜と前記検知素子のフリー層を磁気的に結合させ、かつ、前記複数の検知素子のピン層の磁化方向がそれぞれ異なることを特徴とする磁気センサー。
2. 前記フリー層の磁化容易軸を形状異方性により長手方向とし、前記ピン層の磁化方向を前記フリー層の磁化容易軸と概ね直交させることを特徴とする請求項１記載の磁気センサー。
3. 基準となる座標軸を設け、複数の検知素子のピン層の磁化方向を前記検知素子の膜面の長手方向に対して直交させ、それぞれの検知素子の、長手方向と基準となる座標軸となす角度を求めたのち、それらの角度の平均値を求め、着磁の磁界方向を、前記平均値に概ね近い値の角度で磁界を与えることを特徴とする請求項１記載の磁気センサー。
4. 前記ピン層の磁化方向を決める着磁を、基板面に対してほぼ垂直に磁界を印加しながら熱処理して行なうことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１記載の磁気センサー。
5. 多軸磁気センサーと所定機能の集積回路とを同一基板上に配置し、前記集積回路の外周部に、請求項１記載の傾斜面に配置した軟磁性膜と検知素子からなる一軸磁気センサーを複数配置することにより前記多軸磁気センサーを構成することを特徴とする磁気センサー。
6. 前記磁気センサーはモノリシック型であることを特徴とする請求項５記載の磁気センサー。
7. 前記検知素子は、ＴＭＲ素子またはＧＭＲ素子からなる磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項１、３または５記載の磁気センサー。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の磁気センサーを搭載したことを特徴とする携帯情報端末装置。
   

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