(57)【要約】【課題】正磁界と負磁界を区別して検出可能であり、かつ、簡易な構成で低コストに製造することが可能な磁気スイッチを提供する。【解決手段】磁気スイッチ１０は、例えばスイッチング動作を行う集積回路（図示略）を備えた半導体基板１１と、この半導体基板１１の一面１１ａ側に設けられ、面内方向に感磁方向を持つ磁気抵抗素子１３と、半導体基板１１の他面１１ｂ側に設けられ、磁気抵抗素子１３に対してバイアス磁界を印加するバイアス磁石とを、少なくとも備えている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、該半導体基板に形成された磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子にバイアス磁界を印加するバイアス磁石と、前記磁気抵抗素子に加わる外部磁界の強弱に応じた電圧を出力する第一出力部および第二出力部とを少なくとも備えたことを特徴とする磁気スイッチ。
【請求項２】
前記第一出力部は、前記磁気抵抗素子に印加される外部磁界のうち、正磁界の磁界強度に対応した電圧を出力し、また、前記第二出力部は、前記磁気抵抗素子に印加される外部磁界のうち、負磁界の磁界強度に対応した電圧を出力することを特徴とする請求項１に記載の磁気スイッチ。
【請求項３】
前記バイアス磁石は、ペースト状の磁性体を塗布してなることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気スイッチ。
【請求項４】
前記バイアス磁石は、焼結した磁性薄膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気スイッチ。
【請求項５】
半導体基板と、該半導体基板に形成された磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子にバイアス磁界を印加するバイアス磁石と、前記磁気抵抗素子に加わる外部磁界の強弱に応じた電圧を出力する第一出力部および第二出力部とを少なくとも備えた磁気スイッチを用い、
前記第一出力部から出力される第一出力信号と、前記第二出力部から出力される第二出力信号のうち、いずれか一方が正磁界、他方が負磁界でそれぞれ出力されるように、前記磁気抵抗素子に前記バイアス磁界を印加し、外部磁界が正磁界か負磁界かを区別して検出することを特徴とする磁界検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気スイッチに関し、詳しくは、磁気抵抗効果を利用して、正磁界、負磁界をそれぞれ判別してスイッチング動作を行う磁気スイッチおよび磁界検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気スイッチは、磁束密度の強弱や磁界の方向を検知するセンサとして使用されている。例えば、図９の上部に示す従来の磁気スイッチ１００は、４つのＭＲ（磁気抵抗）膜１０１〜１０４をホイートストンブリッジ回路を成すように接続される。
【０００３】
そして、磁界の強弱に応じて磁気スイッチ１００から出力される２つの出力信号であるＯＵＴ１およびＯＵＴ２の変化は、例えば、図９の下部に示す波形図のようになる。この波形図では、Ｘ軸方向で磁界の正負を示し、Ｙ軸方向で磁界の強度を示している。この波形図によれば、従来の磁気センサ１００は、出力された電圧値がＹ軸に対して対称となるように出力されるため、磁界の正負が判別できず、単に磁界の強度の絶対値だけを検出できるにとどまる。
【０００４】
このため、正磁界と負磁界を区別して検出可能な磁気センサとして、例えば、正磁界と負磁界にそれぞれ対応する２つのホールＩＣを利用した磁気スイッチ、ＧＭＲセンサによる交換バイアスを利用して磁界の正負を判別可能な磁気スイッチ、あるいは、バイアス磁界を印加するコイルを備えた磁気スイッチ等が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開２０００−３５４７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したような、磁界の正負が判別可能な従来の磁気スイッチでは、次のような課題があった。即ち、２つのホールＩＣを利用した磁気スイッチでは、ホールＩＣを２つ利用する事によって、製造コストが大きくなる。また、ＧＭＲセンサによる交換バイアスを利用した磁気スイッチは、構造が複雑でその製造にあたって多くの工程が必要とされ、やはり製造コストが高くなる。更に、バイアス磁界印加用のコイルを備えた磁気スイッチでは、動作時にコイルに電流を流し続ける必要があるため、消費電力が大きくなってしまう。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、正磁界と負磁界を区別して検出可能であり、かつ、簡易な構成で低コストに製造することが可能な磁気スイッチを提供することを目的とする。
【０００７】
また本発明は、外部磁界が正磁界であるか、または負磁界であるかを確実に区別して検出可能な磁界検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の請求項１に記載の磁気スイッチは、半導体基板と、該半導体基板に形成された磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子にバイアス磁界を印加するバイアス磁石と、前記磁気抵抗素子に加わる外部磁界の強弱に応じた電圧を出力する第一出力部および第二出力部とを少なくとも備えたことを特徴とする。
本発明の請求項２に記載の磁気スイッチは、請求項１において、前記第一出力部は、前記磁気抵抗素子に印加される外部磁界のうち、正磁界の磁界強度に対応した電圧を出力し、また、前記第二出力部は、前記磁気抵抗素子に印加される外部磁界のうち、負磁界の磁界強度に対応した電圧を出力することを特徴とする。
本発明の請求項３に記載の磁気スイッチは、請求項１または２において、前記バイアス磁石は、ペースト状の磁性体を塗布してなることを特徴とする。
本発明の請求項４に記載の磁気スイッチは、請求項１または２において、前記バイアス磁石は、焼結した磁性薄膜であることを特徴とする。
本発明の請求項５に記載の磁界検出方法は、半導体基板と、該半導体基板に形成された磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子にバイアス磁界を印加するバイアス磁石と、前記磁気抵抗素子に加わる外部磁界の強弱に応じた電圧を出力する第一出力部および第二出力部とを少なくとも備えた磁気スイッチを用い、前記第一出力部から出力される第一出力信号と、前記第二出力部から出力される第二出力信号のうち、いずれか一方が正磁界、他方が負磁界でそれぞれ出力されるように、前記磁気抵抗素子に前記バイアス磁界を印加し、外部磁界が正磁界か負磁界かを区別して検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、従来のホールＩＣを用いた磁気スイッチや、ＧＭＲセンサによる交換バイアスを利用した磁気スイッチと比較して、磁気抵抗素子にバイアス磁界を印加するための手段として、半導体基板にバイアス磁石を設けるだけでよいため、簡易な製造工程で低コストに正磁界と負磁界を区別して出力可能な磁気スイッチを製造することが可能になる。
【００１０】
しかも、こうしたバイアス磁界を印加するための手段として、ペースト磁石や焼結した薄膜磁石を用いる事によって、従来のバイアス磁界印加用のコイルを備えた磁気スイッチと比較して、動作時にコイルに電流を流し続ける必要もなく、消費電力の小さい磁気スイッチを実現することができる。
【００１１】
また、本発明の磁気スイッチでは、バイアス磁石により磁気抵抗素子にバイアス磁界を印加させることで、正磁界と負磁界とを第一出力部および第二出力部からそれぞれ区別して出力することができる。これにより、正磁界と負磁界を区別してスイッチング動作を行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る磁気スイッチの一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、本発明はこのような実施形態に限定されるものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００１３】
図１は、本発明の磁気スイッチの一例を示す平面図である。また、図２は、図１の磁気スイッチのＡ−Ａ線における断面図である。
磁気スイッチ１０は、例えばスイッチング動作を行う集積回路（図示略）を備えた半導体基板１１と、この半導体基板１１の一面１１ａ側に設けられ、面内方向に感磁方向を持つ磁気抵抗素子１３と、半導体基板１１の他面１１ｂ側に設けられ、磁気抵抗素子１３に対してバイアス磁界を印加するバイアス磁石１２とを、少なくとも備えている。
【００１４】
また、半導体基板１１の例えば一面１１ａ側には、後述する２つの電位の出力電圧をそれぞれ出力する第一出力部２１と第二出力部２２が形成されている。また、磁気抵抗素子１３や、磁気スイッチ１０に接続されるＩＣ（図示略）など、各部にセンス電流を供給する電流供給部２３および接地部２４が形成されている。これら第一出力部２１、第二出力部２２、電流供給部２３、接地部２４は、例えば、ハンダボールなどからなるバンプであればよい。
【００１５】
磁気抵抗素子１３は、例えば、半導体基板１１の一面１１ａに沿って成膜され、面内方向に感磁方向を持つ異方性磁気抵抗材料（ＭＲ）からなる。こうした異方性磁気抵抗材料としては、例えば、鉄−ニッケル（ＦｅＮｉ）、鉄−ニッケル−コバルト（ＮｉＦｅＣｏ）等の強磁性体からなる磁性膜から構成することができ、好ましくはパーマロイが挙げられる。
【００１６】
図３は磁気抵抗素子の外形形状を示す平面図である。磁気抵抗素子１３は、例えば、それぞれがメアンダ（つづら折れ）形状を成す４組のＭＲ薄膜抵抗１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ、およびＭＲ薄膜抵抗の間に導電体からなる端子ａ，ｂ，ｃ，ｄを設けてホイートストンブリッジ回路としたものである。
【００１７】
それぞれのＭＲ薄膜抵抗１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄを形成する方法としては、例えば、フォトリソグラフィー法によるパターン形成工程と、メッキ法やスパッタリング法による成膜工程とを組み合わせた方法が挙げられる。
【００１８】
こうしたＭＲ薄膜抵抗１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの形成パターンは、それぞれ所定の方向を向いて配置される。図３に示す磁気抵抗素子１３の場合、２つのＭＲ薄膜抵抗１３ａ，１３ｄは、半導体基板１１の一面１１ａ上におけるＸ方向に沿って延びるように配置されており、他の２つのＭＲ薄膜抵抗１３ｂ，１３ｃは、半導体基板１１の一面１１ａ上におけるＸ方向と直交するＹ方向に沿って延びるように配置されている。
【００１９】
Ｘ方向を向いて配置された２つのＭＲ薄膜抵抗１３ａ，１３ｄは、Ｘ方向を長手方向として平行に配置された複数のＭＲ膜が設けられ、隣接するＭＲ膜を端部同士でメアンダ形状（つづら折り形状）になるようにＭＲ膜または導電膜を介してＹ方向に電気的に接続したものである。
また、Ｙ方向を向いて配置された２つのＭＲ薄膜抵抗１３ｂ，１３ｃは、Ｙ方向を長手方向として平行に配置された複数のＭＲ膜が設けられ、隣接するＭＲ膜を端部同士でメアンダ形状（つづら折り形状）になるようにＭＲ膜または導電膜を介してＸ方向に電気的に接続したものである。
【００２０】
４つのＭＲ薄膜抵抗１３ａ〜１３ｄは、同じ材質のＭＲ膜から形成されることが好ましい。これにより、４つの素子は温度に対する特性変動が同等となるので、磁気デバイスとしての温度特性が向上する。折り返し部分を導電膜で形成する場合、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の導体膜が挙げられる。
【００２１】
磁気抵抗素子１３はホイートストンブリッジ回路を構成している。このため、４つのＭＲ薄膜抵抗１３ａ〜１３ｄは、互いに異なる方向（Ｘ方向またはＹ方向）を向いて配置された素子同士が隣接して配置され、配線を介して接続されている。これらの配線は、例えば金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の導体膜から構成することができる。４つのＭＲ薄膜抵抗は、９０°ずつ向きを変えて配置されているほかは、材料、パターン形状や抵抗値が同じものであることが好ましい。４つのＭＲ薄膜抵抗を配列する態様としては、例えば図３に示すように縦横２×２の配列が挙げられるが、ＭＲ薄膜抵抗間を適当な配線で接続することにより、他の配列を採用することも可能である。
【００２２】
このようなホイートストンブリッジ回路においては、端子ａに電源電圧（センス電流）、端子ｂにはグランドレベルがそれぞれ接続されたとき、磁気抵抗素子１３の出力は、他の２つの端子ｃ，ｄ間の電位差（ブリッジ出力）として得ることができる。ブリッジ出力は、印加磁界の大きさを反映して増減するので、このブリッジ出力（電圧）の大きさを所定の閾値と比較して、出力電圧が所定の閾値より大きい（高レベル状態）か、出力電圧が所定の閾値より小さい（低レベル状態）かの判別により、スイッチング動作を行うことができる。スイッチング動作は、例えば、半導体基板１１に形成された集積回路（図示せず）により行われている。
【００２３】
バイアス磁石１２は、図２に示すように、外部磁界が印加されていない状態では、磁気抵抗素子１３が形成された面内方向Ｍに沿ったバイアス磁界Ｂを印加する。バイアス磁石１２としては、半導体基板１１への積層に際し、半導体プロセスと親和性が高いプロセスによって形成することが可能な、ペースト磁石または薄膜磁石が好ましい。磁石を構成する硬磁性体としては、特に限定されるものではないが、サマリウム−コバルト（ＳｍＣｏ）、鉄−白金（ＦｅＰｔ）、コバルト−白金（ＣｏＰｔ）、ネオジム−鉄−ホウ素（ＮｄＦｅＢ）などが利用できる。
【００２４】
ペースト磁石は、ペースト状の磁性体、例えば、ＮｄＦｅＢなどの磁性体粉末をバインダー樹脂、例えばフェノールエポキシ樹脂に混合してなる硬磁性体ペーストを塗布などの方法で基板のいずれかの面に形成し、焼成・加熱ののち、所定の方向に着磁して磁化させることによって設けることができる。
【００２５】
また、薄膜磁石は、焼結した磁性薄膜であり、その作製方法は、特に限定されるものではないが、スパッタや蒸着、めっき、ボンド磁石の印刷などが挙げられる。薄膜磁石を任意の形状にするパターニングには、例えばエッチングやリフトオフなどのフォトリソグラフィー技術を利用することができる。作製した薄膜磁石は、必要に応じてアニール処理を行ったのち、磁気センサとしての感磁方向に着磁を行う。
【００２６】
バイアス磁石１２は、半導体基板１１の一面１１ａとは反対側の他面１１ｂ上に設けられている。この場合、バイアス磁石１２と磁気抵抗素子１３との距離は半導体基板１１の厚みによって規定されるので、磁気抵抗素子への印加磁界を、精度良く制御することができる。
【００２７】
なお、半導体基板に対する磁気抵抗素子やバイアス磁石の配置は、図２に示すものに限定されない。例えば、図４に示すように、半導体基板４１の一面４１ａに磁気抵抗素子４２を形成し、この磁気抵抗素子４２に重ねてバイアス磁石４３を配した磁気スイッチ４０であってもよい。また、例えば図５に示すように、例えば、半導体基板５１の一面５１ａにバイアス磁石５３を形成し、このバイアス磁石５３に重ねて磁気抵抗素子５２を配した磁気スイッチ５０であってもよい。
【００２８】
次に、上述したような構成の磁気スイッチの作用として、本発明の磁界検出方法を、図１，２および図６を参照しつつ説明する。磁気スイッチの出力は、磁界の強弱２種類に対応して、低強度での出力を第一出力部（ＯＵＴ１）２１から、また、高強度での出力を第二出力部（ＯＵＴ２）２２から、それぞれ出力させる。図６は、この時の出力波形を示すものであり、第一出力部２１からの出力波形をＯＵＴ１で示し、第二出力部２２からの出力波形をＯＵＴ２で示している。
【００２９】
半導体基板１１の一面１１ａに設けられたバイアス磁石１２は、図６に示すように、第一出力部２１および第二出力部２２からそれぞれ出力される出力信号ＯＵＴ１、ＯＵＴ２をバイアス磁界の方向にシフトさせる。外部磁界が印加されない定常状態で、このバイアス磁界によるシフト量が、出力信号ＯＵＴ１（ａ）と出力信号ＯＵＴ２（ａ）との間になるようにする。これにより、正磁界の領域で動作するのは出力信号ＯＵＴ１（ａ）だけとなり、出力信号ＯＵＴ２（ａ）は負磁界で動作することになる。よって、出力信号ＯＵＴ１（ａ）が正磁界による出力、出力信号ＯＵＴ２（ａ）が負磁界による出力にすることができる。
【００３０】
バイアス磁界が印加されない、つまりバイアス磁石を持たない従来の磁気スイッチでは、図９に示したように、出力信号がＹ軸に対して対称となるため、磁界の正負が判別できず、単に磁界の強度の絶対値だけしか検出できなかった。しかし、本発明の磁気スイッチ１０のようにバイアス磁石１２を設け、このバイアス磁石１２により磁気抵抗素子１３にバイアス磁界を印加させ、バイアス磁界によるシフト量を出力信号ＯＵＴ１と出力信号ＯＵＴ２との間に設定することで、正磁界と負磁界とを第一出力部２１および第二出力部２２からそれぞれ区別して出力することができる。これにより、磁気スイッチ１０は、正磁界と負磁界を区別してスイッチング動作を行うことが可能になる。
【００３１】
また、従来の正磁界と負磁界を区別して出力可能な磁気スイッチのように、ホールＩＣを用いた磁気スイッチや、ＧＭＲセンサによる交換バイアスを利用した磁気スイッチと比較して、磁気抵抗素子１３にバイアス磁界を印加するための手段として、半導体基板１１の一面１１ａにバイアス磁石１２を設けるだけでよいため、簡易な製造工程で低コストに正磁界と負磁界を区別して出力可能な磁気スイッチを製造することが可能になる。
【００３２】
更に、磁気抵抗素子１３にバイアス磁界を印加するための手段として、ペースト磁石や焼結した薄膜磁石を用いる事によって、従来のバイアス磁界印加用のコイルを備えた磁気スイッチと比較して、動作時にコイルに電流を流し続ける必要もなく、消費電力の小さい磁気スイッチを実現することができる。
【００３３】
また、バイアス磁石１２および磁気抵抗素子１３は、いずれも半導体プロセスと親和性の高いプロセスを用いて形成することができるため、磁石と素子との位置関係を精度よく調整することが容易になる。また、いずれも半導体基板に積層されて一体化されるため、磁気スイッチ１０を小型化することができる。
【実施例】
【００３４】
以下、バイアス磁石としてペースト磁石を用いた本発明の磁気スイッチの具体的な作成例を列記する。
１．まず、磁界の強さに応じて２つのスイッチ出力を持つＭＲセンサウエハを作製し、ウエハレベルパッケージ加工を行う。
２．次に、ウエハ裏面にペースト状の磁性体を印刷する。ペースト磁石の成分は、ＮｄＦｅＢ磁石粉末とフェノールエポキシ樹脂との混合物であり、磁石と樹脂の配合比は重量比で７５：２５程度であればよい。
３．１５０℃のオーブンで３０分間加熱する。加熱後のペースト磁石の膜厚は３５〜４０ｕｍであり、実装の妨げとならない程度の厚みが保たれている。
４．素子ごとに個片化（ダイシング）する。ここで、バンプを含んだチップの大きさは、例えば、０．９７×０．９７×０．５ｍｍ程度である。
５．各チップのスイッチング磁界を測定する。
６．印加磁界のコイル中でペースト磁石を着磁する。
７．着磁後のスイッチング磁界を測定する。
【００３５】
また、バイアス磁石として焼結した薄膜磁石を用いた本発明の磁気スイッチの具体的な作成例を列記する。なお、薄膜磁石は着磁済みのものを用いる場合である。
１．まず、磁界の強さに応じて２つのスイッチ出力を持つＭＲセンサウエハを作製し、ウエハレベルパッケージ加工を行う。
２．素子ごとに個片化（ダイシング）する。ここで、バンプを含んだチップの大きさは、例えば、０．９７×０．９７×０．５ｍｍ程度である。
３．各チップのスイッチング磁界を測定する。
４．チップ上にダイボンダー等を用い、焼結薄膜磁石をダイボンドする。焼結薄膜磁石の材料は例えば、ＮｄＦｅＢ系、寸法は、例えば、０．８×０．６×０．３ｍｍ程度である。接着剤としては、例えば銀ペーストが好ましく使用可能である。
５．着磁後のスイッチング磁界を測定する。
【００３６】
本発明の磁気スイッチの着磁前後でのスイッチング磁界の動作比較を図７に示す。図７に示す波形図によれば、着磁前では、ＯＵＴ１、ＯＵＴ２は正磁界領域、負磁界領域にそれぞれ一対づつ存在するが、バイアス磁界印加により、着磁後は、負磁界で動作するのはＯＵＴ２だけとなり、正磁界と負磁界とを区別してスイッチング動作を行なえることが確認された。
【００３７】
次に、本発明の磁気スイッチの着磁後のスイッチング磁界の動作を図８に示す。図８に示す波形図によれば、負磁界（−１〜−２ｍＴ）ではＯＵＴ２が動作し、正磁界（０．１〜０．５ｍＴ）では、ＯＵＴ１が動作することから、磁界の強さに応じて２つのスイッチ出力を持つ磁気スイッチを用いて、正磁界および負磁界の判別が可能であることが確認された。適切なバイアス磁界を設定することにより、ＯＵＴ１とＯＵＴ２のスイッチング磁界動作の絶対値を等しくすることが可能となる。
【００３８】
適切なバイアス磁界の設定方法は、例えば、着磁磁界や材料の変更等により可能である。また、図８では、ＯＵＴ１は磁界が３．５ｍＴでスイッチングしていることから、３．５ｍＴ以上の磁界印加で、誤動作が生じることがわかる。一方、負磁界方向では、誤動作は生じない。バイアス磁石無しの状態でのＯＵＴ１とＯＵＴ２のスイッチング磁界を高磁界側に設定することで、誤動作を生じる磁界を高磁界側に設定することが可能となることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の磁気スイッチの一例を示す平面図である。
【図２】図１の磁気スイッチのＡ−Ａ線での断面図である。
【図３】磁気抵抗素子の細部を示す平面図である。
【図４】本発明の磁気センサの作用を説明する波形図である。
【図５】本発明の磁気スイッチの他の一例を示す断面図である。
【図６】本発明の磁気スイッチの他の一例を示す断面図である。
【図７】本発明の検証結果を示す波形図である。
【図８】本発明の検証結果を示す波形図である。
【図９】従来の磁気センサの作用を説明する説明図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０  磁気スイッチ、１１  半導体基板、１２  バイアス磁石、１３  磁気抵抗素子、２１  第一出力部、２２  第二出力部。
【図１】
2010056260.tif 000003
【図２】
2010056260.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010056260.tif 000009
【図８】
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【図９】
2010056260.tif 000011