(57)【要約】  磁気センサは、磁気抵抗素子を通る磁力線が基板の平面と実質的に平行であるように基板に配置された磁石（３０）および磁気抵抗素子（２０）を有する。基板の近くで可動透磁性素子（４０）の移動は素子を通る磁力線の本数を変更するときに検出される。磁気センサは、垂直の磁力線と共に配置された装置より感度がよく、容易に製造および集積化され得る。アプリケーションには、アナログポインタ、圧力センサおよびマイクロホンが含まれる。磁気センサは、素子の上方のギャップの変化を検出するため素子の両側に配置された磁石を使用する。ギャップが閉じるとき、平行に向けられた磁界は磁気抵抗素子の中を通る。
2008515043.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気抵抗素子を通過する磁界発生器からの磁力線が基板の平面と実質的に平行であるように基板上に配置された磁界発生器および磁気抵抗素子を備え、
前記磁界発生器の前記磁力線の少なくとも一部を迂回させる可動透磁性素子を備える、
磁気センサ。
【請求項２】
前記可動透磁性素子が前記基板の前記平面と垂直な移動の成分を可能にするため前記基板に連結される、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記可動透磁性素子が前記基板の前記平面と平行な移動の成分を可能にするため前記基板に連結される、請求項１に記載のセンサ。
【請求項４】
前記可動素子が軟磁性材料を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項５】
前記可動素子の透磁性が前記磁気抵抗素子の透磁性より高く、前記発生器からの前記磁力線が少なくとも部分的に前記透磁性素子を通って迂回する、請求項１から４のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項６】
前記磁気発生器が前記基板に対して前記磁気抵抗素子と同じ側に配置されている、請求項１から５のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項７】
前記磁界発生器が前記磁気抵抗素子の両側に１対の磁石を有する、請求項６に記載のセンサ。
【請求項８】
前記磁気抵抗素子が前記磁界発生器の前記磁力線の方向と実質的に垂直である方向を有するストリップ部を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項９】
前記磁気抵抗素子が前記平面と平行である方向における前記可動素子の移動の検知を可能にするため前記可動素子の近傍に配置され、磁気抵抗値が前記可動素子の位置を示す、請求項１、４から８に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記可動素子が回動可能であり、傾斜が前記磁気抵抗素子の前記平面と実質的に垂直である方向における前記可動素子の一部分の移動に変換される、請求項１、４または５に記載のセンサ。
【請求項１１】
ジョイスティックである、請求項１０に記載のセンサ。
【請求項１２】
前記可動透磁性素子が膜としての機能を果たす、請求項１から１１のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項１３】
圧力センサである、請求項１２に記載のセンサ。
【請求項１４】
マイクロホンを形成するため音波を検出するのに適している、請求項１２または１３に記載のセンサ。
【請求項１５】
加速時計を形成するため前記膜上の加速力を検出するのに適している、請求項１２または１３に記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動および／または位置を検知する磁気センサと、このような磁気センサを含むモジュールと、このような磁気センサを有する圧力センサ、マイクロホン、加速度計およびコンピュータ入力装置と、このようなセンサまたはモジュールを製造する方法とに関係する。
【背景技術】
【０００２】
特に、携帯型ＰＣ、ならびに、携帯電話機、ＰＤＡ、デジタルカメラまたはＧＰＳ装置のような小型ハンドヘルド電子装置では、アナログポインティング装置（ジョイスティック）機能が望ましい。このような装置は、たとえば、二つの主方向（ＸおよびＹ）でスイッチとしての機能を果たすだけの離散型ポインティング装置より複雑である。たとえば、圧電装置、光学式ポインティング装置、または、歪みゲージに基づく装置のような様々な装置が既に知られている。圧電ポインティング装置および歪みゲージポインティング装置は、センサのドリフトを補償するため複雑なマイクロコントローラを必要とする。Ｐｈｉｌｉｐｓ  Ｌａｓｅｒ  Ｂｅｅｔｌｅのような光学式ポインティング装置は利用可能であるが、比較的高い消費電力を有する。より簡単な構造が可能であり、比較的簡単なエレクトロニクスを使用可能であり、低消費電力を有する磁気ポインティング装置が知られている。たとえば、独国特許第４３１７５１２号から、基板の下にある固定した永久磁石によって発生させられた、当初は基板に垂直である磁界の方向の変化を測定するために基板上で磁気抵抗センサを使用することが知られている。これは、たとえば、ジョイスティックのような物体の零点、位置、または、角度の非接触測定を可能にする。基板は、２方向に分布し、読み取り回路に接続可能なＡＭＲ（異方性磁気抵抗）センサを有する。透磁性ジョイスティックはＸＹ平面内でセンサ表面上を横方向に移動する。センサはホイートストーンブリッジ構造に一体的に接続された４個のＭＲストライプとして配置される。ブリッジは、ジョイスティックの横方向の移動によって引き起こされた、当初は垂直な磁界の方向の変化によって引き起こされるセンサの抵抗の変化によって不安定になる。
【０００３】
さらに米国特許第６５０１２７１号から、温度変化の補償を可能にするため巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサをホイートストーンブリッジ構造に配置することが知られている。
【０００４】
さらに米国出願第２００３／０１０１５５３号から、金属板のバックルのスロットへの挿入の確実な検出のためＧＭＲ検出器を設けることが知られている。永久磁石およびＧＭＲセンサはスロットの片側ずつに設けられる。板の挿入は、スロットを横切る磁力線を遮るシールドとしての機能を果たす。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発明の目的は、改良された装置または方法、特に、移動および／または位置を検知するセンサと、このようなセンサを含むモジュールと、このようなセンサを有する圧力センサ、加速度計、マイクロホンおよびコンピュータ入力装置と、このようなセンサまたはモジュールを製造する方法とを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の態様によれば、発明は、磁気抵抗素子の中を通る磁界発生器からの磁力線が基板の平面と実質的に平行であるように基板上に配置された磁界発生器および磁気抵抗素子を備え、可動透磁性素子を備える磁気センサを提供する。可動透磁性素子は、磁界発生器の磁力線を少なくとも部分的に迂回させるように配置される。したがって、可動透磁性素子の存在と、その移動または変位は、磁気抵抗素子によって検知される磁界に影響を与える。可能素子は磁気シャントとしての機能を果たす。磁気抵抗素子によって感知される磁界は、磁気抵抗素子の特性、特に、その抵抗に影響を与える。したがって、シールドの位置の変化に起因する磁界の変化が測定される。
【０００７】
このセンサ配置は、透磁性素子の静的位置だけでなく、静的位置の変化を検出するため使用される。可動透磁性素子は、基板の平面に垂直な移動の成分を可能にするために、基板から独立していてもよく、または、基板に機械的に連結されていてもよい（たとえば、可動透磁性素子は膜として形成され、膜としての機能を果たす）。これは最も感度のよい配置である。
【０００８】
可動透磁性素子は、さらに、基板の平面に平行な静的位置または静的位置の変化を可能にするために配置され、たとえば、基板に機械的に連結され、または、基板から独立している。この配置はより感度が低いが、有用な装置を製作する付加的な機会を与える。
【０００９】
可動透磁性素子は、好ましくは、軟磁性材料を備える。
【００１０】
可動素子の透磁性は、好ましくは、磁気抵抗素子の透磁性より高いので、発生器からの磁力線は、磁気抵抗素子の中を完全に通過するのではなく、少なくとも部分的に透磁性素子を通って迂回する。
【００１１】
磁界発生器は、基板に対して磁気抵抗素子と同じ側に配置される。これは、特に、永久磁石が薄膜技術で作られるときに、磁石を基板の裏側に設置する場合より容易な製造を可能にし、センサのサイズの縮小を可能にする。磁界発生器は、磁気抵抗素子の両側に１対の電磁石または永久磁石を有する。この配置は、集積化を簡単にするため磁石のサイズを小型に保つと共に、より多くの磁界を基板の平面に平行に保つために役立つ。
【００１２】
センサは、可動透磁性素子がセンサに接近するとき、より多くの磁力線が可動透磁性素子の中を通り、磁気抵抗素子の中を通過する磁力線が少なくなるように、センサの平面の外に位置する可動透磁性素子と共に使用可能である。可動透磁性素子が磁石とセンサとの間にあり、および／または、磁石がセンサの上または下にある、知られている配置と比較すると、この新しい配置は、センサの磁気発生器が同じ基板上にあり、したがって、より容易かつ高い費用効率で製造されることを可能にする。
【００１３】
センサの信号を読み出す様々な方法がある。磁気抵抗素子は、透磁性素子がセンサまでの距離を変化させるときに抵抗値が変化する抵抗器の機能を果たす。この抵抗変化は適当な手段によって読み出される。
【００１４】
別のこのような付加的な特長は、磁気抵抗素子がＮｉ８０Ｆｅ２０またはＣｏ９０Ｆｅ１０のようなＡＭＲ材料を包含することである。これらは、成長とパターン付けが比較的簡単であり、かつ、費用効率がよい。
【００１５】
別のこのような付加的な特長は、磁気抵抗素子がＧＭＲ材料を包含することである。これらの材料は、一般に、より高感度であるが、成長とパターン付けがより複雑である。
【００１６】
磁気抵抗素子は、好ましくは、磁力線の向きと実質的に垂直である縦方向を有するストリップ部を備える。このような配置では、磁気抵抗素子の抵抗は磁界の変化によって直接的に変化させられる。
【００１７】
別のこのような付加的な特長は、ストリップ方向が磁力線の向きに沿って合わされることである。これはセンサの感度を変化させ、ＧＭＲ材料の場合には、間接的に抵抗の変化にもつながる。
【００１８】
さらなる特長は、ジョイスティックまたはポインタが構築されることである。ジョイスティックは、回動させられる透磁性表面を備える。少なくとも１個の磁気抵抗素子が回動させられる表面の下に配置されるので、可動透磁性素子の（複数の）一部分は磁気抵抗素子の平面と実質的に垂直に移動する。可動素子は回動可能であるので、傾きは、磁気抵抗素子の平面と実質的に垂直な方向で可動素子の一部分の移動に変換される。
【００１９】
有利な実施形態では、２個以上の磁気抵抗素子が回動させられる表面の下に配置されるので、可動素子の一部分は一方の磁気抵抗素子の方へ接近し、可動素子のもう一方の部分は第２の磁気抵抗素子から離れる。このようにして差動測定が行われる。第１の磁気抵抗素子からの出力と第２の磁気抵抗素子からの出力の差は、１個の磁気抵抗素子だけが使用される場合より正確であり、かつ、高感度である。
【００２０】
別のこのような付加的な特長は、センサがジョイスティック、および、マイクロコントローラのような付加的なチップと共にチップパッケージ内に集積化されることである。
【００２１】
別の態様は、たとえば、膜として構成された可動透磁性素子を有する圧力センサと、圧力によって引き起こされる膜の静的位置または位置変化を検出する上述のようなセンサ構造とを提供する。
【００２２】
付加的な特長は、たとえば、集積化されたマイクロホンを小型に形成するため音波を検出するために適した膜を備える素子である。
【００２３】
付加的な特長は、加速度計を形成するため加速度を検出し測定するために適したある質量を有する膜を備える素子である。
【００２４】
第２の態様は、磁気抵抗素子の中を通る磁気発生器からの磁力線が基板の平面と実質的に平行であるように配置された磁気抵抗素子および磁界発生器を同じ基板上に形成するステップと、可動透磁性素子を形成するステップと、を有する、センサを製造する方法を提供する。可動透磁性素子は、その位置または位置変化が磁気抵抗素子によって検知される磁界に影響を与えるように配置される。磁気抵抗素子によって検知されるこの磁界の変化は、磁気抵抗素子の電気特性、たとえば、磁気抵抗素子の抵抗の測定可能な変化を変更する。
【００２５】
たとえば、可動素子と磁気抵抗素子との間の垂直ギャップ幅の変化は、たとえば、磁石間の磁界が基板の平面と実質的に平行に通過し、磁気抵抗素子の中を通るように、磁気抵抗素子の両側に設置された永久磁石または電磁石のような磁石を有する実施形態によって検出される。垂直ギャップが狭くなると、磁気抵抗素子を通過するこの平行磁界は減少し、可動素子を通過する磁界が増加する。可動素子は磁気シャントとしての機能を果たす。
【００２６】
いずれの付加的な特長も共に組み合わされ、かつ、いずれの態様とも組み合わされることができる。特に、その他の従来技術に対する別の利点は、当業者に明白であろう。多数の変形および変更が本発明の特許請求の範囲から逸脱することなくなされ得る。したがって、本発明の形式は一例に過ぎず、本発明の範囲を制限することを目的としていないことが明らかに理解される。
【００２７】
本発明を実施する形態が一例として添付図面を参照してこれから記載される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明は特定の実施形態に関して一部の図面を参照して説明されるが、発明はそれらの実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲だけによって制限される。記載された図面は概略的であるに過ぎず、限定的ではない。図面中、一部の要素のサイズは、図示するために、誇張され、正しい縮尺で描かれていない。単数名詞を参照するときに不定冠詞または定冠詞、たとえば、「ａ」または「ａｎ」、「ｔｈｅ」が使用されるが、これは、特に断らない限り、その名詞の複数形を含む。
【００２９】
さらに、明細書および特許請求の範囲における第１、第２、第３のような用語は、類似した要素を区別するため使用され、必ずしも連続的な順序または時間順を記述するためではない。このように使用された用語は適切な状況下で交換可能であり、明細書に記載された発明の実施形態は明細書に記載または図示されていない他の順序で動作できることが理解されるべきである。
【００３０】
第１の実施形態を説明する前に、動作の原理の理解を助けるため、ＭＲセンサが簡単に紹介される。ＭＲセンサは、センサの平面を通過する外部磁界の強度および／または向きに依存した値をもつ抵抗を有する。様々のタイプのＭＲセンサが存在する。異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果に基づくセンサは、初期の磁気記録ヘッドにおいて使用され、自動車用のセンサ（ＡＢＳ）に依然として使用されている。ＡＭＲセンサは、異方性磁気特性を有する磁性材料（たとえば、合金Ｎｉ８０Ｆｅ２０）を備える。この材料の磁化方向は外部磁界による影響を受け、この磁化と材料の中を流れる電流との間の角度は抵抗値を決定する。典型的に、抵抗変化は２−４％である。ＧＭＲ（巨大磁気抵抗）センサは、少なくとも１層が固定した磁化方向を有する薄膜の多層スタックと、磁化方向が外部磁界によって容易に影響を受ける少なくとも１層の軟磁性材料とを備える。測定された抵抗は、固定した磁性層の磁化方向と軟磁性層の磁化方向との間の角度に依存する。典型的に、ＧＭＲの抵抗変化は５−１５％である。スタックのさらなる説明は、米国特許第６，５０１，２７１Ｂ１号の「Ｒｏｂｕｓｔ  Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  ｅｆｆｅｃｔ  ｔｙｐｅ  ｍｕｌｔｉ  ｌａｙｅｒ  ｓｅｎｓｏｒ」に見られる。幾何学的性質に依存して、ＭＲセンサは、センサの平面内である方向における感度が高く、別の方向における感度が低い。したがって、このようなセンサは感度方向を有する。ＧＭＲセンサは、典型的にＡＭＲセンサより高感度である。センサに電流を通すことにより、抵抗の変化は、たとえば、適当な測定装置を用いて容易に測定可能な電圧変化に変換される。
【００３１】
別のセンサタイプは、大きなトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果を使用する。５０％を超えるまでの振幅を伴うＴＭＲ効果が明らかにされているが、強いバイアス電圧依存性のため、実際のアプリケーションにおける使用可能な抵抗変化は典型的に２５％未満である。ＭＴＪは基本的にフリー磁性層と、絶縁層（トンネルバリア）と、ピン磁性層と、ピン層の磁化を固定した方向に「固定」するため使用される反強磁性ＡＦ層とを含む。下層および動作の原理に関係がないその他の層も存在する。
【００３２】
一般に、ＧＭＲとＴＭＲの両方は、多層内の固定したフリー層の磁化方向が平行であるならば低い抵抗を生じ、磁化の方向が反平行であるときに高い抵抗を生じる。ＴＭＲ多層において、電子は絶縁バリア層の中をトンネリングしなければならないので、センス電流は層平面と垂直に印加されなければならない。ＧＭＲ（およびＴＭＲ）装置において、センス電流は、通常では、層の平面内を流れる。センサは、好ましくは、たとえば、高感度のため、磁界に対して大きな感度を有するべきであり、ヒステリシスを殆どもつべきでない。
【００３３】
上記の原理の一つによる磁気センサは、典型的に、ある種の抵抗を実現するため、１個以上のほぼ長方形のストライプにパターン化され、多くの場合に蛇行の形で一体的に接続された材料で作られている。ＧＭＲ材料の場合、スタック中のフリー磁化層の異方性軸は、通常では、ストライプの軸に沿って選ばれる。フィールド内で最大抵抗変化を得るため、参照層の方向はストリップの軸と垂直に選ばれる。このコンフィギュレーションにおいて、磁界は、同様に、最大抵抗変化を得るため、ストリップの縦軸と垂直に印加される。
【００３４】
図１には、ｙ軸が抵抗Ｒの正規化された変化を表し、ｘ軸が印加された磁界Ｈを表している、このようなＧＭＲセンサ素子１０のＲ−Ｈ出力特性が示されている。抵抗ストリップの縦方向に関する印加された磁界の方向は図１の右半分側の図に示されている。図１から、ＧＭＲ特性の中で最も高感度であり、直線的な部分は、磁界Ｈ＝０の周辺ではなく、ある有限オフセット磁界Ｈ＝Ｈｏｆｆｓｅｔの周辺であることが分かる。Ｒ−Ｈ特性において観察されたこのシフトは、内部磁界とＧＭＲスタック自体のカップリングとによって引き起こされ、特定のアプリケーションに適した特性をもたらすために、ある範囲内で調整または変化させられる。
【００３５】
特性の感度はセンサの幾何学的性質に依存するので、特定のアプリケーションに適合させることも可能である。本明細書では、最大の感度および直線性の点は、図１にも示されているセンサの動作点と呼ばれる。ＧＭＲセンサは、Ｈｏｆｆｓｅｔに等しい磁界強度を伴う一定磁界をＧＭＲセンサに印加することによりその動作点に設定される。このような外部磁界は、たとえば、ＧＭＲストライプと一体化されたコイルのような電磁石によって、または、センサの周りに設置された１組の永久磁石によって発生させられる。これらの永久磁石は、単一部品の（硬）磁性材料でもよいが、チップダイ自体の上に集積化された永久磁石を製作するために薄膜堆積（たとえば、ＣｏＰｔのスパッタ堆積）技術とリソグラフィ（リフトオフ）技術を使用することも可能である。これは、単一の外部磁石より安価であるという利点があり、センサに対する磁石のアライメントははるかに正確になり得る。この集積化された永久磁石の技術は、たとえば、一体化された磁界が磁気抵抗センサ素子のバイアス化または安定化のため使用され得るハードディスクおよび磁気テープの読み取りヘッドにおいて知られている。
【００３６】
この磁界のフィールド強度の変化がＧＭＲ素子の抵抗に変動を引き起こすことは図１から明らかである。低い磁界強度は抵抗を減少させ、一方、高い磁界強度は抵抗を増加させる。したがって、磁界の変調は、センサの出力に変調を生じさせる。本発明の実施形態は、磁界内部の、すなわち、磁気シャントとしての機能を果たす（複数の）透磁性素子の移動によって引き起こされるこのような変調の検知に基づいている。
【００３７】
以下では、発明の実施形態が詳細に説明される。これらの実施形態は、磁気抵抗素子を含む磁気抵抗センサを開示する。本発明の何れの実施形態においても、磁気抵抗素子は、ＡＭＲ装置、ＧＭＲ装置、または、ＴＭＲ装置を備える。
【００３８】
図２および３に示された発明の第１の実施形態は、センサと磁界発生器が同一平面上にあり、可動透磁性素子の移動または変位が平面の外にあり、磁力線がセンサ素子の中を通らないように磁力線を迂回させる様子を明らかにする。移動または変位は一つの方向でもよく、または、何れの方向でもよく、可動透磁性素子がどの程度センサに接近しているかに大きく依存して、センサを通過する磁力線に影響を与える。第１の実施形態はＧＭＲテクノロジーを使用可能であるが、その他の磁気抵抗テクノロジーが本発明の範囲内に包含される。センサ素子自体における磁界強度はセンサ素子の中を通る磁束線の密度によって決められる。センサ素子から磁束線の一部を迂回させることにより、センサ素子内の磁束密度は低減され、それ故に、素子内の磁界強度が低減され、素子の抵抗を変える。このような磁束線の迂回は、これらの磁力線の近傍における１個の軟磁性材料、すなわち、優れた透磁性を伴う磁気シールドまたは磁気シャントの存在によって確立される。軟磁性シールドの透磁性および／または体積がセンサの透磁性および／または体積より大きいので、軟磁性シールドの磁気抵抗はセンサの磁気抵抗より低く、その結果、磁束線は部分的に軟磁性シールドの方を通る。したがって、シャント動作である。これは、センサ内の磁束密度を減少させ、よって、センサ内の磁界を減少させる効果を有する。
【００３９】
この効果を実現するための構造が図２に概略的に描かれている。センサは、基板１００上にＭＲ素子２０と１個以上の一体化された電磁石または永久磁石３０との組み合わせを有する。用語「基板」は、使用される下にある一つまたは複数の材料を含むか、基板の上に、装置、回路、または、エピタキシャル層が形成される。その他の代替的な実施形態では、この「基板」は、たとえば、ドープトシリコン、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、ガリウム砒素リン（ＧａＡｓＰ）、インジウムリン（ＩｎＰ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、または、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）基板のような半導体基板を含む。「基板」は、半導体基板部に加えて、たとえば、ＳｉＯ２またはＳｉ３Ｎ４層のような絶縁層を含む。よって、用語基板は、ガラス、プラスチック、セラミック、シリコン・オン・グラス、シリコン・オン・サファイア基板をさらに含む。用語「基板」は、よって、層または着目部分の下にある層のための素子を概ね画定するために使用される。さらに、「基板」は層が形成されるその他のベース、たとえば、ガラスまたは金属層でもよい。
【００４０】
永久磁石が磁界発生器のため使用されるが、残留磁化を伴う適当な永久磁気材料が使用されてもよい。実例は、Ｃｏ、ＣｏＰｔ、あらゆる種類の硬磁性フェライト、または、バリウムヘキサフェライトのような印刷可能な磁石でさえ含む。
【００４１】
たとえば、シールドまたはシャントを形成するために軟磁性層４０を有する可動素子と組み合わされたとき、この組み合わせは本明細書においてモジュールと呼ばれる。本発明の実施形態の何れかにおいて、たとえば、軟磁性層４０として使用するため適した軟磁性材料は、容易に磁化され、消磁される材料である。その材料は、典型的に１０００Ａｍ−１未満の固有保磁力を有する。発明で使用され得る軟磁性材料の実例は、たとえば、鉄−シリコン合金、ニッケル−鉄合金、たとえば、ホウ素、炭素、リン、または、シリコンのうちの一つ以上を伴う鉄、ニッケル、および／または、コバルトを含むアモルファス非晶質合金、一般式ＭＯＦｅ２Ｏ３をもつ軟フェライト（ここで、Ｍは、たとえば、ニッケル、マンガン、または、亜鉛のような遷移金属である）、または、たとえば、Ｎｉ２０Ｆｅ８０若しくはＮｉｘＦｅｙからなるその他の組成物、Ｃｏ１０Ｆｅ９０、Ｆｅ、ＣｏＮｂＺｒ、軟磁性フェライト、および、その他の適当な軟磁性材料のような何れかの軟磁性材料である。たとえば、スパッタリングまたは電着などの適当な堆積技術が軟磁性材料のため使用される。
【００４２】
上記のモジュールは本発明の実施形態の何れにおいても使用され得る。これらの実施形態のそれぞれにおいて、永久磁石または電磁石とセンサ素子と相対的な軟磁性シールドの近接性は、磁界を変更するように、何らかの方法で変更される。センサ素子へのこの影響は、垂直近接性に対して最も高感度であるが、特に、シールドが磁石およびセンサに関して小さいならば、他の方向への移動に対しても高感度である。永久磁石、シールド、および、センサ素子のある種の幾何学的構造を仮定すると、磁気シールドの平衡位置は、センサ素子がその望ましい動作点で動作するように設定される。図３に示されているように、軟磁性シールドがよりＭＲセンサの近くに位置付けられるとき、より多くの磁束線がシールドの中を通り、それにより、センサによって感知される磁界を減少させる。センサの抵抗は減少するであろう。シールドとセンサとの間の距離を増加させることは逆の効果があり、より多くの磁束線がセンサ素子の中を通り、磁界の増加と抵抗の増加とを生じさせる。
【００４３】
図２および３に示された原理は、たとえば、携帯電話機および携帯情報端末（ＰＤＡ）のようなディスプレイ付きの装置のための、磁気センサを使用するアナログジョイスティックのようなポインティング装置に適用され得る。その他の磁気装置では、垂直磁力線は、センサダイの下に設置された外部永久磁石によって発生させられ、透磁性ジョイスティックを用いてそれらの垂直方向から曲げられる。これらの曲げられた磁力線の水平成分はセンサによって測定される。これは、ダイに一体化され得ない単一の永久磁石を使用する点で不利である。さらに、ダイに対する永久磁石の正確なアライメントが必要である。その代わりに、図２および３からのモジュールは、チップパッケージの外部に永久磁石を必要とすることなく、アナログ磁気ジョイスティックを製作するため使用され得る。可能な構造が、２個の同一のセンサモジュール１および２と組み合わせて、本発明の可動透磁性素子またはシールドを形成する軟磁性下層を有するジョイスティック５０を示す図４に概略的に描かれている。センサモジュール１および２は、ジョイスティックの傾斜に反動する。適切な配置によって、差動信号が取得される。このモジュールの組は、たとえば、Ｘ方向の傾斜に応答する。第２のモジュールの組は、ジョイスティックのＹ方向の傾斜に応答するようにさせられる。ジョイスティックはセンサ間で回動させられるので、横方向移動は、矢印によって示されるように、軟磁性下層のセンサまでの垂直近接性の差に変換される。４個の同一のモジュールと組み合わせて同じジョイスティックを使用すると、Ｘ移動とＹ移動の両方を独立に検出することが可能である。ジョイスティックの実施形態では、軟磁性シールドは、軟磁性ジョイスティックとして、または、少なくとも下側に軟磁性部を有するジョイスティックとして実施される。ジョイスティックが完全な垂直位置、すなわち、その平衡位置に設置されるとき、ジョイスティックの下層によって形成された軟磁性シールドからセンサ１までの距離は軟磁性シールドからセンサ２までの距離と等しい。したがって、両方のセンサ内に得られる磁界強度は同じであり、よって、それらの抵抗は同じである。センサの抵抗を適当なトランスデューサ内で電圧に変換し、減算回路内で２個のセンサの電圧を減算することにより、一方向の出力信号が得られる。ジョイスティックが傾斜するとき、シールドとセンサとの間の距離は変化する。抵抗に最も大きな差が現れる方向はジョイスティックの傾斜の方向を示す。ジョイスティックの傾斜の方向に依存して、出力電圧は正または負である。ジョイスティックが完全に垂直である限り、両方のセンサ素子の抵抗は同じであり、出力はゼロである。抵抗の絶対値は、ジョイスティックの底面とセンサ素子との間の平衡距離に依存する。当然ながら、この距離はジョイスティック内の構造的な余裕に起因して少しだけ変化するが、動作点がＲ−Ｈ特性の直線勾配上にある限り、これはジョイスティックの機能に影響を与えない。
【００４４】
Ｘ−Ｙポインティング装置では、Ｘ方向とＹ方向の移動のための独立した信号が発生させられるべきである。各方向（Ｘ，Ｙ）に関して、ＭＲ材料で作られた４個の抵抗により構成されたホイートストーンブリッジ構造が使用される。一実施形態では、ＭＲセンサは、同じ基板、たとえば、Ｓｉ／ＳｉＯ２基板上に堆積させられ、パターン化される。センサ素子は、互いに９０°で位置付けられたＸ方向とＹ方向の２個のホイートストーンブリッジ内にある。Ｙ方向に沿って位置するブリッジＹは、（たとえば、センサの上に位置付けられたポインティング装置のスティックによって引き起こされた）Ｙ方向における磁界の変化に敏感であり、ブリッジＸはＸ方向における磁界の変化に敏感である。
【００４５】
実際には、二つの機能がこのジョイスティックによって実施される。
１．  ジョイスティックを傾斜させることにより、両方のセンサの抵抗の合計は同じ状態のままであり、抵抗間の差はジョイスティックの傾斜の指標である。
２．  ジョイスティックを垂直方向に押すことにより、両方のセンサの抵抗の合計は減少し、抵抗間の差はゼロのままである。
【００４６】
本発明の態様は、３次元ジョイスティック機能の作成、または、マウスボタン機能付きのジョイスティックの作成のどちらかを含む。
【００４７】
図５には、パッケージに一体化されたポインティング装置の実施形態の断面図が示されている。ポインティング装置は、チップパッケージ内に一体化された、ＭＲ素子２０およびそれらの電磁石または永久磁石３０をそれぞれに有するセンサ１、２とフェライトスティック１４０の形をしたジョイスティックとを有する。２個以上のセンサモジュールがジョイスティックピボットの周りに、たとえば、リング状に配置されることがある。センサモジュールは、以下で詳述されるようにホイートストーンブリッジ内、または、その他の構造内で電気的に接続される。パッケージは、センサを取り付けるためにも使用される、集積回路素子を有するチップのような基板１００を有する。上記の材料は何れもが基板材料として使用される。基板は電気接続のためのワイヤボンド１２０でリードフレーム１１０に取り付けられる。パッケージは、スティックがフレキシブルグルー１３０、Ｏリングのようなエラストマー・リング、または、その他の機械バネを用いてパッケージ材料内の止まり穴に取り付けられるように変更される。このようにして、パッケージ内のチップは、標準のパッケージであるかのように、湿気、埃、スクラッチから保護される。その上、標準のリフロー・ソルダリングプロセスが依然として可能である。フェライトスティックは、ある種の運動が可能であるように取り付けられ、止まり穴の底で回動させられるので、スティックの上端付近の横方向運動は角度α（アルファ）によってスティックを回動させる。
【００４８】
磁気センサ付きのチップは、信号処理回路と同じチップ上にあってもよく、または、たとえば、同じパッケージ内で、ワイヤボンドによって連結されたマイクロコントローラと共に、別の信号処理チップの近くに設置されてもよい。チップ間の短い距離は雑音の影響を低減することが可能である。マイクロコントローラを使用する別の利点は、たとえば、フィルタリング、スレッショルドとの比較、増幅、または、誤差の補償といった希望のタイプのＩ／Ｏ信号処理を実行するためにプログラムされ得ることである。
【００４９】
提案されたモジュールは、たとえば、携帯電話機またはＰＤＡ用の磁気マイクロホンとしての用途を含む種々のアプリケーションのための圧力センサ、または、圧力センサ、若しくは、加速度計を構築するためにも使用され得る。この特定の実施形態では（図６を参照）、軟磁性シールド４０は、可動透磁性部材を実現するため弾性ヒンジ６０またはバネを用いて所定の位置に保持される。このようなヒンジまたはバネは、たとえば、小さな寸法を実現するためＭＥＭＳテクノロジーを用いて製作され、確実なバイアス力を提供し、集積化を可能にする。ヒンジの剛性、および、軟磁性シールド４０の質量は、たとえば、音声によって生成された音波がマイクロホンのある種の膜としての機能を果たす軟磁性シールドを刺激することができるようにされるべきである。軟磁性シールドの振動に起因して、抵抗変調がセンサのＭＲ素子２０に引き起こされ、この抵抗変調は容易に出力電圧に変換され、よって、音の再生を可能にする。
【００５０】
類似したレイアウトは、軟磁性シールドに加えられた外部機械力を測定するか、または、軟磁性シールドとセンサとの間のスペースが低い方の基準圧力であるとき、たとえば、気圧計機能または高度測定といった大気圧を測定するある種の圧力センサとして使用され得る。本発明は、アネロイドベローズの寸法の変化を読み出す本発明によるモジュールによって提供される読み出しを伴うアネロイド気圧計を含む。基準モジュールとしての機能を果たす第２のモジュールは、たとえば、温度変動を補償するため追加され得る。
【００５１】
前述されたものと同じ概念は、ＡＭＲセンサのＲ−Ｈ特性がＧＭＲセンサのＲ−Ｈ特性と全く異なるにもかかわらず、ＧＭＲテクノロジーの代わりに、ＡＭＲテクノロジーと共に使用することも可能である。図７は、Ｎｉ８０Ｆｅ２０材料が剥き出しになった、すなわち、通常は特性を直線化するために使用されるバーバーポールストライプを用いない、ＡＭＲ効果を表すストリップのＲ−Ｈ特性を示す。剥き出しのＡＭＲセンサは、零磁界（放物線の頂点における零勾配）の周りで感度を示さないが、永久バイアス磁界が使用されるとき、センサの適切な動作点が選ばれる。動作点の周りの特性は、ＧＭＲセンサの場合より直線性が低い。
【００５２】
センサは多数のＡＭＲ抵抗により構成できる。抵抗値は、好ましくは、消費電力を制限するためにキロオームの範囲内に収まるように定められる。
【００５３】
上記の実施形態では、印加された磁界は、センサを形成する磁気抵抗材料のストリップの方向と垂直方向に選択されている。本実施形態による構造では、印加された磁界は、センサの特性をシフトさせるバイアス磁界として作用する。バイアス磁界の磁界強度を変化させることにより、動作点はＲ−Ｈ特性に沿って移動する。しかし、ストリップの縦方向に沿って磁界を印加することも可能である。これは、センサの感度を変える効果を有する。磁界の変調はセンサの感度の変調を生じさせる。その他の有効な磁界が存在しないので、感度の変化は零磁界点（Ｈ＝０ｋＡ／ｍ）におけるセンサの抵抗に影響を与える。磁界を変調する効果は図８に示されている。動作点は白丸によって表されている。
【００５４】
本発明の実施形態の何れかによるセンサの信号を読み出す種々の方法がある。基本的に、検知素子は、透磁性シールドがセンサまでの距離を変化させるときに抵抗値が変化する抵抗である。したがって、抵抗の変化を検出し得る回路であれば本発明と共に使用され得る。実例は図９を参照して後述される。
【００５５】
図９Ａには、シールド、磁石、および、抵抗Ｒ１として挙動する磁気抵抗素子（単一ストライプまたは蛇行状のストライプ）を備えた単一モジュールが示されている。電流源からの電流が抵抗Ｒ１を通されるならば、抵抗Ｒ１の両端間の電圧降下は直接的に測定可能である。抵抗変化は絶対電圧変化になる。
【００５６】
図９Ｂには、シールド、磁石、および、それぞれが抵抗Ｒ１またはＲ２として挙動する２個の磁気抵抗素子を備えた２個のモジュールが示されている。抵抗Ｒ１およびＲ２が差動的に変化するならば、たとえば、シールドが移動するときに一方が増加し、他方が減少するならば、抵抗は分圧回路に収容される。２個の抵抗Ｒ１およびＲ２は直列に配置され、固定絶対電圧が直列回路の両端に加えられる。抵抗間で、絶対出力電圧が取得される。この回路は、出力電圧の変化が項目１において上述された回路における変化の２倍であるという利点を有する。
【００５７】
図９Ｃには、磁石、シールド、および、抵抗Ｒ１−４をそれぞれに有する４個の磁気抵抗素子を備えた４個のモジュールが示されている。抵抗Ｒ１〜Ｒ４は、たとえば、抵抗Ｒ１およびＲ４が増加し、抵抗Ｒ２およびＲ３が減少するように、ホイートストーンブリッジ構造に収容される。この回路は、電圧変化が項目１において上述された回路における変化の２倍であるという利点を有する。項目２に記載された回路に対する利点は、出力電圧が、ある絶対電圧レベルの代わりに、零ボルトの周りで変化することである。これは電子信号処理を簡略化する。
【００５８】
好ましい実施形態、特定の構成および構造が材料と共に、明細書中において本発明による装置のために説明されているが、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、形式および詳細において種々の変形または変更がなされることが理解されるべきである。たとえば、図１０AおよびＢは、過大な面積を要することなく、センサの抵抗を増加させるために考えられるセンサの形状、すなわち、磁気抵抗材料の単一のストライプ２０（図１０Ａ）、または、たとえば、蛇行の形をした一連のストライプ（図１０Ｂ）を示している。
【００５９】
本発明の実施形態によれば、基板に対するシールドの水平位置または移動を検出することも可能であるが、この方法はシールドの垂直移動を伴う方法より遙かに感度が低い−図１０Ａを参照。センサが大きな蛇行（図１０Ｂを参照）のように配置され、比較的大きな面積を占めるならば、その蛇行の抵抗は、シールドによって覆われたセンサ面積のサイズに依存するであろう（シールドは全センサ面積より大きい）。抵抗は覆われた面積に直線的に依存する。したがって、センサは、シールドの水平位置に敏感である。この場合も、シールドは、弾性ヒンジによって基板から解放され、基板に拘束される。
【００６０】
図１０Ｃおよび１０Ｄは、たとえば、膜としての可動軟磁性要素４０の移動の二つの可能な方法を示している。図１０Ｃでは、移動は基板上のセンサ２０および磁石３０と垂直である。図１０Ｄでは、移動は基板上のセンサ２０および磁石３０と平行である。
【００６１】
図１０Ｅは、磁気抵抗素子２０が代替する装置を製作する別の実施形態である。シールド４０は、磁気抵抗素子２０と磁石３０の２個のバンクの間に埋め込まれる。シールド４０は、それぞれのバンクへ向かって、または、バンクから離れる方へ移動し得る。一方のバンクまでの距離が短くなるとき、もう一方のバンクまでの距離が長くなる。したがって、磁気抵抗素子の一方のバンクの抵抗は増加／減少し、もう一方が減少／増加する。
【００６２】
前述の通り、磁気センサは、磁気抵抗素子を通る磁力線が基板の平面と実質的に平行であるように基板に配置された、磁界発生器（３０）および磁気抵抗素子（２０）を有する。センサ付近での透磁性素子（４０）の移動は、センサ素子を通る磁界強度を変化させるときに検出される。磁界発生器が一体化されるので、磁気センサは容易に製造し、集積化することができる。アプリケーションには、グラフィカルディスプレイ用のアナログポインタ若しくはジョイスティック、圧力センサ、加速度計、および、マイクロホンが含まれる。磁気センサは、センサ素子の何れかの側に設置された磁界発生器を使用可能であり、センサ素子と透磁性素子との間の垂直ギャップのサイズの変化、または、センサに対する透磁性素子の水平移動を検出することができる。垂直ギャップが狭くなるか、または、透磁性素子のオーバーラップが変化するとき、磁気抵抗素子を通過する平行向きの磁界が増減する。特許請求の範囲に包含されるその他の変形が当業者によって着想され得る。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】ＧＭＲ素子の抵抗の正規化された変化のグラフである。
【図２】２個の（オンチップ）永久磁石の間に囲まれたＭＲ素子を有する実施形態を示す図である。
【図３】２個の（オンチップ）永久磁石の間に囲まれたＭＲ素子を有する実施形態を示す図である。
【図４】回動させられたアナログジョイスティックの実施形態を示す図である。
【図５】パッケージに一体化されたジョイスティックの実施形態を示す図である。
【図６】オンチップ永久磁石付きのＧＭＲセンサモジュールを使用する磁気マイクロホンまたは加速度計の実施形態を示す図である。
【図７】ＡＭＲ素子の抵抗の正規化された変化のグラフである。
【図８】磁力線と揃えられたストリップ方向を有するＧＭＲ素子の抵抗の正規化された変化のグラフである。
【図９Ａ】電気信号（単一抵抗）を得るための配置を示す図である。
【図９Ｂ】電気信号（分圧器）を得るための配置を示す図である。
【図９Ｃ】電気信号（ホイートストーンブリッジ）を得るための配置を示す図である。
【図１０Ａ】磁気抵抗センサと磁気シールドの配置を示す図である。
【図１０Ｂ】磁気抵抗センサと磁気シールドの配置を示す図である。
【図１０Ｃ】磁気抵抗センサと磁気シールドの配置を示す図である。
【図１０Ｄ】磁気抵抗センサと磁気シールドの配置を示す図である。
【図１０Ｅ】磁気抵抗センサと磁気シールドの配置を示す図である。
【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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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【国際調査報告】
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