(57)【要約】【課題】絶縁層と磁性体層との間に発生する応力を緩和して磁気センサの特性を安定させる。【解決手段】磁気抵抗素子と、絶縁層１２と、磁性体層１３とを備える。絶縁層１２は、磁気抵抗素子を覆っている。磁性体層１３は、絶縁層１２上に位置し、絶縁層１２に直交する方向から見て、磁気抵抗素子の少なくとも一部を覆っている。絶縁層１２において少なくとも磁性体層１３と接している部分は、樹脂を含んでいる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気抵抗素子と、
前記磁気抵抗素子を覆う絶縁層と、
前記絶縁層上に位置し、前記絶縁層に直交する方向から見て、前記磁気抵抗素子の少なくとも一部を覆う磁性体層とを備え、
前記絶縁層において少なくとも前記磁性体層と接している部分は、樹脂を含んでいる、磁気センサ。
【請求項２】
前記絶縁層は、無機物からなる第１層と、該第１層上に位置し、樹脂を含む第２層とを含み、
前記磁気抵抗素子と前記磁性体層との間において、前記第１層が前記磁気抵抗素子と接して前記磁気抵抗素子を覆い、前記第２層が前記磁性体層と接している、請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記樹脂は、ポリイミド樹脂またはエポキシ樹脂である、請求項１または請求項２に記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記無機物は、珪素を含む、請求項２に記載の磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気センサの構成を開示した先行文献として、特開２０１３−４４６４１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、センサ回路部を備える。センサ回路部は、第１の直列回路と第２の直列回路とを備える。第１の直列回路においては、第１の磁気抵抗素子と第３の磁気抵抗素子とが直列接続されている。第２の直列回路においては、第２の磁気抵抗素子と第４の磁気抵抗素子とが直列接続されている。センサ回路部は、第１の直列回路と第２の直列回路とが並列接続されたブリッジ回路によって構成されている。
【０００３】
第１の磁気抵抗素子、第２の磁気抵抗素子、第３の磁気抵抗素子および第４の磁気抵抗素子の各々の表面は、絶縁層によって覆われている。第３の磁気抵抗素子および第４の磁気抵抗素子の各々の表面上には、絶縁層を挟んで、磁性材料からなる磁性体層が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−４４６４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
絶縁層の熱膨張係数と磁性体層の熱膨張係数との違いによって、絶縁層と磁性体層との間に応力が発生する場合がある。この応力が磁気抵抗素子に負荷された場合、磁気抵抗素子の磁歪により磁気センサの磁気特性が変化する。また、磁気センサの周囲の温度変化によって、磁気抵抗素子に負荷される応力値が変化することにより、磁気センサの温度特性が劣化し、磁気センサの信頼性が低下する。さらに、絶縁層と磁性体層との間に発生した応力によって絶縁層にクラックが発生した場合には、磁気センサの耐久性が低下する。
【０００６】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、絶縁層と磁性体層との間に発生する応力を緩和して安定した特性を有する、磁気センサ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】
【０００７】
本発明に基づく磁気センサは、磁気抵抗素子と、絶縁層と、磁性体層とを備える。絶縁層は、磁気抵抗素子を覆っている。磁性体層は、絶縁層上に位置し、絶縁層に直交する方向から見て、磁気抵抗素子の少なくとも一部を覆っている。絶縁層において少なくとも磁性体層と接している部分は、樹脂を含んでいる。
【０００８】
本発明の一形態においては、絶縁層は、無機物からなる第１層と、第１層上に位置し、樹脂を含む第２層とを含む。磁気抵抗素子と磁性体層との間において、第１層が磁気抵抗素子と接して磁気抵抗素子を覆い、第２層が磁性体層と接している。
【０００９】
本発明の一形態においては、上記樹脂は、ポリイミド樹脂またはエポキシ樹脂である。
本発明の一形態においては、上記無機物は、珪素を含む。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、絶縁層と磁性体層との間に発生する応力を緩和して磁気センサの特性を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態１に係る磁気センサの構成を示す平面図である。
【図２】図１の磁気センサをＩＩ−ＩＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図３】本発明の実施形態２に係る磁気センサの構成を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態２の変形例に係る磁気センサの構成を示す断面図である。
【図５】比較例に係る磁気センサの構成を示す断面図である。
【図６】比較例に係る磁気センサにおいて、磁気抵抗素子に負荷される応力の大きさによる磁気センサの磁気特性の変化を示すグラフである。
【図７】磁気センサの周囲の温度変化によって、磁気抵抗素子に負荷される応力値が変化した際の、磁気センサの磁気感度のばらつきを示すグラフである。
【図８】比較例に係る磁気センサにおいて、絶縁層と磁性体層との間に発生した応力によって絶縁層にクラックが発生した状態を示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の各実施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。
【００１３】
(実施形態１)
図１は、本発明の実施形態１に係る磁気センサの構成を示す平面図である。図２は、図１の磁気センサをＩＩ−ＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図１および図２に示すように、本発明の実施形態１に係る磁気センサ１は、磁気抵抗素子と、絶縁層１２と、磁性体層１３とを備える。本実施形態においては、磁気センサ１は、磁気抵抗素子として、第１磁気抵抗素子Ｒ１、第２磁気抵抗素子Ｒ２、第３磁気抵抗素子Ｒ３および第４磁気抵抗素子Ｒ４を備える。
【００１４】
磁気抵抗素子は、互いに直交したＸ方向およびＹ方向に沿って広がる基板４の表面上に形成されている。基板４を構成する材料としては、シリコン、ガラス、または、サファイアなどを用いることができる。
【００１５】
本実施形態においては、磁気抵抗素子は、ＡＭＲ(Anisotropic Magneto Resistance)素子であるが、ＡＭＲ素子に限られず、ＧＭＲ(Giant Magneto Resistance)素子またはＴＭＲ(Tunnel Magneto Resistance)素子であってもよい。
【００１６】
第１磁気抵抗素子Ｒ１、第２磁気抵抗素子Ｒ２、第３磁気抵抗素子Ｒ３および第４磁気抵抗素子Ｒ４の各々は、長い短冊状パターンと、短い短冊状パターンとが交互に接続されたミアンダ状に形成されている。なお、磁気抵抗素子の形状は、ミアンダ状に限られない。
【００１７】
第１磁気抵抗素子Ｒ１および第２磁気抵抗素子Ｒ２の各々においては、長い短冊状パターンがＸ方向に沿って延びている。第１磁気抵抗素子Ｒ１および第２磁気抵抗素子Ｒ２の各々は、Ｙ方向の磁界が印加されている時に抵抗値が最も小さくなる。
【００１８】
第３磁気抵抗素子Ｒ３および第４磁気抵抗素子Ｒ４の各々においては、長い短冊状パターンがＹ方向に沿って延びている。第３磁気抵抗素子Ｒ３および第４磁気抵抗素子Ｒ４の各々は、Ｘ方向の磁界が印加されている時に抵抗値が最も小さくなる。
【００１９】
本実施形態においては、磁気抵抗素子は、パーマロイ(ＮｉＦｅ)で構成されている。ただし、磁気抵抗素子の構成材料は、ＮｉＦｅに限られず、ＮｉＦｅＣｏまたはＦｅＣｏなどの軟磁性体であってもよい。
【００２０】
本実施形態においては、シリコン基板上にパーマロイを成膜し、フォトリソグラフィ技術などの微細加工技術を用いてミアンダ状の磁気抵抗素子を形成している。
【００２１】
たとえば、基板４を１００℃に加熱した状態で、電子ビーム蒸着によって、基板４の表面上の全体にパーマロイからなる膜を形成する。パーマロイ膜の厚さは、たとえば、３０ｎｍである。パーマロイ膜上にポジ型のフォトレジストを形成した後、露光装置であるマスクアライナを用いて、フォトレジストを露光した後、現像する。その後、ウエットエッチングすることにより、パーマロイ膜をパターニングする。パターニングされたパーマロイ膜の線幅は、たとえば、１０μｍである。
【００２２】
基板４上には、ワイヤボンド用のパッドが形成されている。磁気センサ１は、ワイヤボンド用のパッドである、グランド端子８、駆動電圧端子９、第１出力端子１０および第２出力端子１１を備える。ワイヤボンド用のパッドは、たとえば、リフトオフ法によって形成される。
【００２３】
図１に示すように、第１磁気抵抗素子Ｒ１は基板４の左下に位置し、第２磁気抵抗素子Ｒ２は基板４の右上に位置し、第３磁気抵抗素子Ｒ３は基板４の左上に位置し、第４磁気抵抗素子Ｒ４は基板４の右下に位置している。
【００２４】
第１磁気抵抗素子Ｒ１、第２磁気抵抗素子Ｒ２、第３磁気抵抗素子Ｒ３および第４磁気抵抗素子Ｒ４は、フルブリッジで互いに接続されて、ブリッジ回路５を構成している。
【００２５】
具体的には、第１磁気抵抗素子Ｒ１と第３磁気抵抗素子Ｒ３とが、第１接続点Ｐ１にて直列に接続され、第１直列回路６が構成されている。第２磁気抵抗素子Ｒ２と第４磁気抵抗素子Ｒ４とが、第２接続点Ｐ２にて直列に接続され、第２直列回路７が構成されている。第１直列回路６の第１磁気抵抗素子Ｒ１側の端部と、第２直列回路７の第４磁気抵抗素子Ｒ４の端部とが、第３接続点Ｐ３にて互いに接続されている。第１直列回路６の第３磁気抵抗素子Ｒ３の端部と、第２直列回路７の第２磁気抵抗素子Ｒ２側の端部とが、第４接続点Ｐ４にて互いに接続されている。
【００２６】
これにより、第１直列回路６と第２直列回路７が並列に接続され、ブリッジ回路５が構成されている。なお、磁気センサ１は、フルブリッジ回路を備えている構成に限られず、ハーフブリッジ回路を備えていてもよい。
【００２７】
第３接続点Ｐ３は、外部のグランド(ＧＮＤ)と接続されるグランド端子８と接続されている。第４接続点Ｐ４は、駆動電圧(Ｖｄｄ)が供給される駆動電圧端子９に接続されている。これにより、ブリッジ回路５に、駆動電圧(Ｖｄｄ)が印加可能とされている。
【００２８】
第１接続点Ｐ１は、出力電圧Ｖ１を取り出すための第１出力端子１０と接続されている。第２接続点Ｐ２は、出力電圧Ｖ２を取り出すための第２出力端子１１と接続されている。第１出力端子１０および第２出力端子１１の各々は、図示しない差動増幅器の入力端子に接続される。差動増幅器は、出力電圧Ｖ１と出力電圧Ｖ２との電位差(Ｖ１−Ｖ２)を増幅して検出信号Ｖｏｕｔとして出力する。
【００２９】
絶縁層１２は、磁気抵抗素子を覆っている。絶縁層１２には、ワイヤボンド用のパッドが露出するように開口部が設けられている。絶縁層１２は、開口部を除いて基板４の表面全体の上方に形成されている。絶縁層１２を構成する材料としては、ポリイミド樹脂またはエポキシ樹脂などを用いることができる。エポキシ樹脂として、たとえば、永久フォトレジスト(ＳＵ−８)を用いることができる。
【００３０】
本実施形態においては、絶縁層１２を形成する際に、まず、感光性ポリイミド樹脂を、磁気抵抗素子が形成された基板４上に塗布する。ポリイミド層の厚さは、たとえば、３μｍである。その後、ポリイミド層が形成された積層体を、温度が８０℃のオーブン内に入れて１０分間維持してプリベークする。マスクアライナを用いて、ポリイミド層を露光した後、温度が１２０℃のオーブン内に入れて６分間維持してＰＥＢ(Post exposure bake)を行なう。次に、ポリイミド層を、現像して開口部を設けた後、温度が２００℃のオーブン内に入れて６０分間維持して硬化させる。これにより、開口部が設けられた絶縁層１２が形成される。
【００３１】
磁性体層１３は、絶縁層１２上に位置している。本実施形態においては、磁性体層１３は、第３磁気抵抗素子Ｒ３および第４磁気抵抗素子Ｒ４の各々の全体を覆うように形成されている。絶縁層１２に直交する方向から見て、第３磁気抵抗素子Ｒ３を覆っている部分の磁性体層１３は、矩形状である。絶縁層１２に直交する方向から見て、第４磁気抵抗素子Ｒ４を覆っている部分の磁性体層１３は、矩形状である。なお、磁性体層１３の形成位置は、上記に限られず、絶縁層１２に直交する方向から見て、磁気抵抗素子の少なくとも一部を覆っていればよい。
【００３２】
本実施形態においては、磁性体層１３は、パーマロイ(ＮｉＦｅ)で構成されている。ただし、磁性体層１３の構成材料は、ＮｉＦｅに限られず、ＮｉＦｅＣｏまたはＦｅＣｏなどの軟磁性体を含む材料であればよい。
【００３３】
磁性体層１３は、たとえば、蒸着、スパッタ、または、めっきなどにより形成された金属層若しくはセラミック層で構成されていてもよく、磁性体粉末を含有する樹脂が塗布されて形成された樹脂層であってもよい。
【００３４】
本実施形態においては、電解めっきにより絶縁層１２上にパーマロイからなる磁性体層１３を形成する。まず、電子ビーム蒸着によって絶縁層１２上に、厚さが３００ｎｍのＴｉからなる給電層を形成する。給電層上にフィルムレジストを形成し、フォトリソグラフィ技術を用いて、フィルムレジストにおける絶縁層１２の形成位置に対応する箇所に開口部を形成する。給電層を用いて電解めっきを行ない、フィルムレジストを剥離後、エッチングによって給電層を除去することにより、パターニングされた磁性体層１３が形成される。磁性体層１３の厚さは、たとえば、１０μｍである。
【００３５】
集磁効果を高くするためには、磁性体層１３の透磁率が大きく、磁性体層１３が厚いことが好ましい。第３磁気抵抗素子Ｒ３および第４磁気抵抗素子Ｒ４の各々が磁性体層１３に覆われていることにより、磁束が磁性体層１３を通過するため、第３磁気抵抗素子Ｒ３および第４磁気抵抗素子Ｒ４の各々に検出磁界が印加されることを抑制できる。
【００３６】
本実施形態に係る磁気センサ１は、絶縁層１２が樹脂で構成されているため、絶縁層１２と磁性体層１３との間に発生する応力を緩和することができる。その結果、磁気センサ１の特性を安定させることができる。具体的には、磁気抵抗素子に応力が負荷されることを抑制して、磁気センサ１の磁気特性を安定させることができる。また、磁気センサ１の周囲の温度変化によって、磁気抵抗素子に負荷される応力値が変化することを抑制して、磁気センサ１の温度特性を安定させて、磁気センサ１の信頼性を向上できる。さらに、絶縁層１２にクラックが発生しにくくし、磁気センサ１の耐久性が低下することを抑制できる。
【００３７】
(実施形態２)
以下、本発明の実施形態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、本発明の実施形態２に係る磁気センサは、絶縁層の構成のみ実施形態１に係る磁気センサ１と異なるため、実施形態１に係る磁気センサ１と同様の構成については説明を繰り返さない。
【００３８】
図３は、本発明の実施形態２に係る磁気センサの構成を示す断面図である。なお、図３においては、図２と同一の断面視にて図示している。
【００３９】
図３に示すように、本発明の実施形態２に係る磁気センサ１ａにおいては、絶縁層１２は、無機物からなる第１層１２ａと、第１層１２ａ上に位置し、樹脂を含む第２層１２ｂとを含む。磁気抵抗素子と磁性体層１３との間において、第１層１２ａが磁気抵抗素子と接して磁気抵抗素子を覆い、第２層１２ｂが磁性体層１３と接している。
【００４０】
第１層１２ａを構成する無機物は、珪素を含む。第１層１２ａを構成する無機物として、ＳｉＯ２またはＳｉＮなどを用いることができる。なお、第１層１２ａが、ＳｉＯ２上にＳｉＮが設けられた積層構造で構成されていてもよい。
【００４１】
第２層１２ｂは、第１層１２ａの表面上に形成され、第１層１２ａの表面全体を覆っている。第２層１２ｂを構成する材料としては、ポリイミド樹脂またはエポキシ樹脂などを用いることができる。
【００４２】
本実施形態に係る磁気センサ１ａにおいては、絶縁層１２が無機物からなる第１層１２ａと樹脂を含む第２層１２ｂとで構成されているため、第１層１２ａによって、磁気抵抗素子を安定して絶縁被覆しつつ、第２層１２ｂによって、絶縁層１２と磁性体層１３との間に発生する応力を緩和することができる。その結果、磁気センサ１ａの特性を安定させることができる。
【００４３】
なお、第２層１２ｂは、必ずしも第１層１２ａの表面全体を覆っていなくてもよい。図４は、本発明の実施形態２の変形例に係る磁気センサの構成を示す断面図である。なお、図４においては、図２と同一の断面視にて図示している。
【００４４】
図４に示すように、本発明の実施形態２の変形例に係る磁気センサ１ｂにおいては、第２層１２ｂは、磁性体層１３の直下の位置のみに形成されている。このように、磁性体層１３と接する部分のみに、第２層１２ｂが設けられていてもよい。
【００４５】
また、絶縁層１２において少なくとも磁性体層１３と接している部分が、樹脂を含んでいればよく、たとえば、絶縁層１２において、磁性体層１３と接していない部分は無機物のみで構成され、磁性体層１３と接している部分が無機物と樹脂との混合体で構成されていてもよい。
【００４６】
(実験例)
以下、絶縁層が無機物のみで構成された比較例に係る磁気センサと実施例に係る磁気センサとを用いて行なった実験例について説明する。
【００４７】
図５は、比較例に係る磁気センサの構成を示す断面図である。なお、図５においては、図２と同一の断面視にて図示している。なお、比較例に係る磁気センサは、絶縁層の構成のみ実施形態１に係る磁気センサ１と異なるため、実施形態１に係る磁気センサ１と同様の構成については説明を繰り返さない。
【００４８】
図５に示すように、比較例に係る磁気センサ１ｚにおいては、絶縁層９２が、磁気抵抗素子を覆っている。磁性体層１３は、絶縁層９２上に位置している。絶縁層９２は、ＳｉＯ２などの無機物で構成されている。
【００４９】
図６は、比較例に係る磁気センサにおいて、磁気抵抗素子に負荷される応力の大きさによる磁気センサの磁気特性の変化を示すグラフである。図６においては、磁気抵抗素子に負荷される応力が大きいときのデータを実線で、磁気抵抗素子に負荷される応力が小さいときのデータを点線で示している。また、図６においては、縦軸に、磁気センサの出力電圧(Ｖｏｕｔ)、横軸に磁界強度(Ｈ)を示している。
【００５０】
図６に示すように、比較例に係る磁気センサ１ｚにおいては、磁気抵抗素子に負荷される応力が大きいときは、磁気抵抗素子に負荷される応力が小さいときに比較して、磁気センサ１ｚの出力電圧が小さくなっている。このように、比較例に係る磁気センサ１ｚにおいては、磁気抵抗素子に負荷される応力値によって出力値が変化するため、磁気センサ１ｚの磁気特性を安定せず、信頼性が低くなる。
【００５１】
図７は、磁気センサの周囲の温度が変化した際の、磁気センサの磁気感度のばらつきを示すグラフである。図７においては、縦軸に磁気感度(Ｈｏｎ)、横軸にサンプル名を示している。
【００５２】
比較例１は、図６に示す構造を有する磁気センサであり、比較例２は、図６に示す構造とは磁性体層が設けられていない点のみ異なる磁気センサである。実施例１は、図２に示す構造を有する磁気センサであり、実施例２は、図３に示す構造を有する磁気センサである。
【００５３】
図７に示すように、磁性体層１３が設けられていない比較例２に係る磁気センサの磁気感度は、比較例１、実施例１および実施例２に係る磁気センサの各々の磁気感度に比較して、著しく低かった。比較例１に係る磁気センサの磁気感度のばらつきは、実施例１および実施例２に係る磁気センサの各々の磁気感度のばらつきに比較して大きかった。
【００５４】
この結果から、絶縁層１２において磁性体層１３と接している部分が樹脂を含んでいることにより、磁気センサの周囲の温度変化によって磁気抵抗素子に負荷される応力値が変化することを抑制して、磁気センサの温度特性を安定させて、磁気センサの信頼性を向上できることが確認できた。
【００５５】
図８は、比較例に係る磁気センサにおいて、絶縁層と磁性体層との間に発生した応力によって絶縁層にクラックが発生した状態を示す部分断面図である。なお、図８においては、図５と同一の断面視にて図示している。
【００５６】
図８に示すように、比較例に係る磁気センサ１ｚにおいては、絶縁層９２と磁性体層１３との間に発生した応力によって、磁性体層１３の縁の直下の位置の絶縁層９２からクラックＣが発生した。このように、絶縁層９２にクラックＣが発生したには、磁気センサ１ｚの耐久性が低下する。仮に、クラックＣが磁気抵抗素子に及んだ場合には、磁気センサ１ｚの出力が不安定となり信頼性が低下する。
【００５７】
本実験例によって、絶縁層１２と磁性体層１３との間に発生する応力を緩和することが、磁気センサの特性を安定させるうえで重要であることが確認できた。
【００５８】
上述した実施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。
【００５９】
今回開示された実施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特許請求の範囲によって示され、特許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。
【符号の説明】
【００６０】
１，１ａ，１ｂ，１ｚ  磁気センサ、４  基板、５  ブリッジ回路、６  第１直列回路、７  第２直列回路、８  グランド端子、９  駆動電圧端子、１０  第１出力端子、１１  第２出力端子、１２，９２  絶縁層、１２ａ  第１層、１２ｂ  第２層、１３  磁性体層、Ｃ  クラック、Ｐ１  第１接続点、Ｐ２  第２接続点、Ｐ３  第３接続点、Ｐ４  第４接続点、Ｒ１  第１磁気抵抗素子、Ｒ２  第２磁気抵抗素子、Ｒ３  第３磁気抵抗素子、Ｒ４  第４磁気抵抗素子、Ｖ１，Ｖ２  出力電圧、Ｖｏｕｔ  検出信号。
【図１】
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【図２】
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【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】
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【図８】
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