(57)【要約】  本発明は、センサの応答を較正して温度依存性感度ドリフトを補償し、さらに磁場センサをリセットしてヒステリシスを削除するため、単一のコイルを利用する磁場検出デバイスを開示する。単一コイルの構成は有利である。というのは、この構成は、チップ上の導体パッドの数を減少することによって、センサチップのサイズを低減するからである。さらなる理由として、この構成は、空間の浪費を少なくし、これによってセンサチップ上の磁気抵抗素子の密度の増加を許すからである。【選択図】  図１
2014532883.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの磁気抵抗センサ素子と、磁場を生成するため前記磁気抵抗センサ素子の近くにある導体とを備える磁場センサであって、前記磁気抵抗センサ素子の保磁力が、前記磁気抵抗センサ素子のオフセット磁場に等しく、前記導体へ印加された電流が、前記磁気抵抗センサ素子の検出軸と平行なバイアス磁場を生成し、前記磁場センサをリセットするためには第１の電流が印加され、前記磁場センサを較正するためには第２の電流が印加される磁場センサ。
【請求項２】
前記第１の電流が前記第２の電流よりも大きい請求項１に記載の磁場センサ。
【請求項３】
前記第１の電流および前記第２の電流が１ｍＡ〜１０ｍＡの範囲内にある請求項１に記載の磁場センサ。
【請求項４】
前記導体が単一の導体層から形成された請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁場センサ。
【請求項５】
前記導体が、蛇行パターンコイルへ形成され、前記磁気抵抗センサ素子の並列行の間を走る復帰リード線、および、前記磁気抵抗センサ素子の上または下に所在する場生成リード線を有する請求項４に記載の磁気センサ。
【請求項６】
前記導体がうず巻きコイルへパターン化された請求項４に記載の磁気センサ。
【請求項７】
ソリッドステートコンパスとして使用され得る請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項８】
少なくとも１つの磁気抵抗センサ素子と、バイアス磁場を生成するため前記磁気抵抗センサ素子の近くにある導体とを備える磁場センサであって、前記磁気抵抗センサ素子の保磁力が、前記磁気抵抗センサ素子のオフセット磁場に等しく、その磁場は、前記磁気抵抗センサ素子の検出軸に平行な第１の磁気成分と、前記磁気抵抗センサ素子の検出軸に垂直な第２の磁気成分とを有し、第１の磁場成分が第２の磁場成分よりも大きく、前記第１の磁場成分はリセットおよび較正のために使用され、前記第２の磁場成分は前記磁気抵抗センサ素子のエッジにマグネティックドメインを整列するために使用され、リセット機能を提供するためには第１の電流が前記導体へ印加され、較正機能を提供するためには第２の電流が前記導体へ印加される磁場センサ。
【請求項９】
前記第１の電流が前記第２の電流よりも大きい請求項８に記載の磁場センサ。
【請求項１０】
前記第１の電流および前記第２の電流が１ｍＡ〜１０ｍＡの範囲内にある請求項８に記載の磁場センサ。
【請求項１１】
前記磁気抵抗素子の長軸に関して前記導体の中心軸の角度が≦２２．５°である請求項８に記載の磁場センサ。
【請求項１２】
前記導体が単一の導体層から形成された請求項８〜１１のいずれか一項に記載の磁場センサ。
【請求項１３】
前記導体が、蛇行パターンコイルへ形成され、前記磁気抵抗センサ素子の並列行の間を走る復帰リード線と、前記センサ素子の上または下に所在する場生成リード線とを有する請求項１２に記載の磁気センサ。
【請求項１４】
前記導体がうず巻きコイルへパターン化された請求項１２に記載の磁気センサ。
【請求項１５】
ソリッドステートコンパスとして使用され得る請求項８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、磁場検出デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気センサは、物理的パラメータを測定または検知するため現代のシステムで広く使用される。物理的パラメータは、磁場の強さ、電流、位置、動き、方位などを含むが、これらに限定されない。先行技術には、磁場を測定する多くの異なるタイプのセンサが存在するが、これらのセンサは、当技術分野で周知の制限、例えば過大なサイズ、不十分な感度および／またはダイナミックレンジ、コスト、信頼性、および他の要因を有する。
【０００３】
そのため、改善された磁気センサ、特に、半導体デバイスおよび集積回路と共に容易に集積され得るセンサ、および、その製造方法の必要性が存在する。
【０００４】
磁気トンネル接合（ＭＴＪ）センサは、高感度、小サイズ、低コスト、および低電力消費の点で利点を有する。ＭＴＪデバイスは標準の半導体製作プロセスと両立し得るが、高性能ＭＴＪ線形磁場センサを作る方法は十分に開発されてはいない。特に、温度依存性およびヒステリシスに起因する性能問題は、コントロールが容易ではない。
【０００５】
磁場センサは、単一の磁気抵抗素子から構築されてもよいが、実際には、オフセットを削除し、感度を増加し、或るレベルの温度補償を提供するため、幾つかの磁気抵抗素子をホイートストンブリッジへ構成するのが有利である。ブリッジ構成は温度補償を改善するが、センサの磁気抵抗および磁気特性の内在的温度依存性は完全には抑圧されない。高い精度を得るためには動作中に感度を較正することが望ましく、この目的のために、センサの検出方向に沿って既知の磁場を形成するオンチップ較正コイルがよく提供される。較正は、度々、低振幅電流パルスシーケンスを較正コイルへ定期的に印加することによって遂行される。較正コイルは既知の磁場パルスシーケンスを提供し、この磁場パルスシーケンスから、磁気抵抗センサの感度が磁力計の動作中に定められる。
【０００６】
磁気抵抗センサは強磁性検出素子から構成されるため、センサ素子または他のコンポーネント、例えば磁気シールドおよび磁束集中器の内部の磁壁の形成と動きに起因して、センサ応答が非線形性、オフセット及びヒステリシスに左右される。この問題を解消するため、高性能の磁気抵抗センサには、較正コイルと直交した他のコイルが度々設けられる。この較正コイルは、センサ素子を定期的に飽和してマグネティックドメインを一掃するために使用される。これはセット／リセットコイルと呼ばれる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
較正コイルおよびセット／リセットコイルの双方の存在は、センサの製造に要求されるプロセスステップ数を増やすことにより、磁気抵抗センサの製作に対する複雑度を付加し、より多くの導体パッドを必要とすることによって、センサダイのサイズを増大させ、直交する較正場およびセット／リセット場を形成するための形状制約への順応が要求される。
【０００８】
較正コイルを有しない磁気抵抗センサは可能である。このアプローチの欠点は、センサの感度が電気手段によって測定され得ないという事実である。すなわち、もし磁気抵抗センサが較正コイルを有していない場合には、センサの応答が感度についてモニタおよび解析されることはない。さらに、センサ内の標準自己テストの実現が煩雑になる。
【０００９】
線電流によって生成される磁場は、線からの距離に反比例して減少する。電力の最適化は、センサと較正コイルとの間の距離、および、センサとリセットコイルとの間の距離が、できるだけ小さくあるべきことを示す。理想的には、双方のコイルは、できるだけセンサの近くに置かれるべきである。しかしながら、これは物理的に不可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、簡単なコイル設計を使用して、線形磁気抵抗センサブリッジの大量生産を行う方法を提供する。開示されるセンサは、較正およびセット／リセット動作のための単一のオンチップコイルと組み合わせられたＭＴＪまたは巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子を使用する。磁力計は、較正動作のためには低い単極性または両極性電流パルスサイクルを使用し、リセット動作のためには大きな単極性電流パルスを使用する。
【００１１】
本発明は、磁気抵抗検出素子と、その磁気抵抗検出素子の近くに置かれたコイルとを含む磁場検出デバイスを開示する。その検出素子の保磁力は、この検出素子のオフセット場に等しく、そのコイルは磁気抵抗素子の検出軸に平行な磁場を生成する。その検出素子をリセットするために、このコイルを通る第１の電流が使用され、この検出素子の応答を較正するために第２の電流が使用される。
【００１２】
好ましくは、コイルを通る前記第１の電流が前記第２の電流よりも大きい。
【００１３】
好ましくは、前記第１および第２の電流が１〜１０ｍＡの範囲内にある。
【００１４】
好ましくは、前記コイルが単一の導体層である。
【００１５】
好ましくは、コイルが蛇行形状である。
【００１６】
代替として、コイルがうず巻き形状である。
【００１７】
センサは、コンパスとして使用されても構わない。
【００１８】
他の実施において、磁気センサは磁気検出素子を含み、この磁気検出素子は、自己のオフセット場に等しい保磁力を有し、コイルの近くに置かれる。コイルは、磁気抵抗センサの検出軸に平行な第１の磁場、および、磁気抵抗センサの検出軸に垂直な第２の磁場成分を生成する。第１の磁場成分は第２の磁場成分よりも大きく、前記第１の磁場成分はセット／リセットおよび較正機能のために使用され、前記第２の磁場成分は磁気抵抗センサ素子のエッジにドメインを適切に整列するために使用される。さらに、セット／リセット機能のために、コイルを通る第１の電流が使用され、磁気抵抗検出素子の較正のために第２の電流が使用される。
【００１９】
好ましくは、コイルを通る前記第１の電流が前記第２の電流よりも大きい。
【００２０】
好ましくは、前記第１および第２の電流が１〜１０ｍＡの範囲内にある。
【００２１】
好ましくは、電流方向と磁気抵抗検出素子の長軸との間の角度が、２２．５°よりも小さいか等しい。
【００２２】
好ましくは、前記コイルが単一の導体層である。
【００２３】
好ましくは、コイルが蛇行形状である。
【００２４】
代替として、コイルがうず巻き形状である。
【００２５】
センサは、コンパスとして使用されても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】センサ素子とコイルの構成の概略図
【図２】磁気センサ性能メトリクスの定義
【図３】リセット動作の説明
【図４】較正動作の説明。
【図５】傾けられた磁気抵抗素子の中のエッジドメイン
【図６】傾けられていない磁気抵抗素子の中のエッジドメイン
【図７】磁力計チップのサイズを減少するために使用され得る蛇行コイル形状の概略図
【図８】うず巻きコイル形状の概略図
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明は、低コストや場合によっては低電力の応用で使用される高精度な磁気抵抗センサを有する電子デバイスに関する。低電力センサは、携帯電話や腕時計、ポータブルコンピュータ、パーソナル・タッチ・スクリーン・デバイスといったモバイル電子デバイスで特別の関心事となる。特に、磁気抵抗センサは、地球磁場に対するナビゲーションの参照を提供するべく、電子コンパスを実現するのに使用され得る。
【００２８】
図１は、検出素子とコイル形状の簡単なコンセプトを示す。ここで、磁気抵抗センサ素子１０は、導体１１の上または下に所在する。電流１２は、導体１１を通して供給される。電流１２は、電流の流れと垂直な方向に磁場Ｂ（Ｉ）１３を形成する。センサ１０と導体１１は、センサ１０の検出方向１５に対して磁場１３が垂直にならないようにして、任意選択的に角度１４で設定される。
【００２９】
図２は、保磁力（ＨＣ）２１およびオフセット（Ｈｏｆｆｓｅｔ）２２のパラメータを定義するため、磁気抵抗センサの伝達曲線２０を描いている。伝達曲線２０は、印加された磁場２４の関数としての、センサ出力電圧２３の測度である。理想的には、プロットの原点２５を通過する伝達曲線２０の腕の上で検出が行われる。それ故、センサが点２６を超えて飽和へ駆動されないとすれば、センサは線形応答に近づく。これは過剰な単純化である。というのは、センサは温度変化および低い場値と共にドリフトするからである。しかし、センサが定期的に初期化されるとすれば、センサは伝達曲線の部分２５に残留し得る。
【００３０】
次の条件、
ＨＣ＝Ｈｏｆｆｓｅｔ                      （１）
が満たされ、点２７を超えて伝達曲線を駆動する検出方向１５の場を使用して、デバイスが定期的に飽和されるならば、センサは、この低いヒステリシスモードで作動され得る。
【００３１】
簡単な初期化手順が図３に示される。ここで、場値Ｈｒｅｓｅｔ３０がセンサへ印加され、伝達曲線上の点２７に関連づけられた場よりも大きい場で、センサは飽和へ進ませられる。Ｈｒｅｓｅｔ３０が除去されると、センサは経路３１〜３２をたどって動作点２５へ戻る。この簡単なリセット手順は、おそらく保磁力を除去する最も電力効率的な手段であるが、場３０または場３０よりも大きい場で、磁気抵抗センサを飽和する場を最後のパルスが常に供給するとすれば、両極性パルスシーケンスまたはマルチショット単極性パルスを使用することが、より良好な結果を作り出し得る。
【００３２】
初期化の後、図４に示されるように、デバイスは動作中に較正または自己テストされる。ここで、導体を介して小さい較正パルスが印加され、検出軸と共線的に小さい場Ｈｃａｌ４０を形成する。場は、印加された磁場内の既知の変化ΔＨ４２に応答して、磁気抵抗センサ内の電圧変化ΔＶ４１を形成し、感度は、
感度＝ΔＨ ／ΔＶ                    （２）
から定められる。較正手順は、或る特定の周波数または形状でのパルス列を使用して達成され、このパルス列をバックグラウンド信号から識別することが可能である。磁気抵抗センサ素子の温度依存性を除去するため、較正は定期的に遂行され得る。パルス列は、単極性または両極性であり得、単一のパルスまたは連続方形波または正弦トーンであってもよい。
【００３３】
多くの場合、図１で示されるように、センサ素子１０をコイル１１に関して角度α１４だけ回転することが有利である。この理由は、図５および図６に示されている。
【００３４】
図５は、センサ素子１０がコイル１１に関して角度α１４だけ回転される場合を示す。この構成において、Ｈｒｅｓｅｔ３０は、センサ素子１０のエッジに平行な成分Ｈｅｄｇｅ５１ を有する。十分に大きなＨｅｄｇｅ５１ が存在する場合、エッジドメイン５１は同じ方向へ整列することを強制され、磁気抵抗センサ１０の磁化について良好に定められた初期状態を提供する。コイル内の第１の電流が印加されたとき、磁気リセット動作が行われ、コイル内の第２の電流が印加されたとき、較正動作が行われる。第１の電流は第２の電流よりも大きく、第１および第２の電流は１〜１０ｍＡの範囲内にある。
【００３５】
図６は、センサ１０〜導体１１の配列について、センサエッジと平行なリセット場成分Ｈｅｄｇｅ を形成しない可能なエッジドメイン配列を示す。この場合、センサ５１のエッジにドメインを整列する駆動力は存在せず、頭を突き合わせるドメインがエッジ６１で形成されることが可能である。これは確率論的プロセスであり、デバイスを予測不可能にし、動作中のドメインの動きはヒステリシスを形成し得る。
【００３６】
較正は、次のように補正される。
Ｈｔｒｕｅ≒ＨｃａｌＣｏｓ（α）                    （３）
これは、２２．５度の角度の大きさまで、９０％を超える良好な精度を提供する。もし必要であれば、Ｈｅｄｇｅ 成分から生じる感度の減少について、より大きい角度を調整し得る。代替として、もしオンチップ磁石またはインスタックバイアスを使用してセンサがバイアスされるならば、較正中に存在するＨｅｄｇｅ成分は、較正への如何なる有意の影響を有しない。
【００３７】
コイルの好ましいレイアウトが図７に示される。伝統的なレイアウトが図８に示される。好ましいレイアウトでは、コイルが蛇行パターンであり、センサ素子１０の間を走る復帰リード線７１を有する。この配列は、センサ素子が、図８で示される従来のうず巻き形状よりも緊密に詰め込まれることを許す。蛇行コイル形状に伴う潜在的問題は、高い抵抗である。コイルの抵抗は、次の式で与えられる。
【００３８】
【数４】
2014532883.tif 000003
【００３９】
次の式、
【数５】
2014532883.tif 000004
が成り立つならば、
【００４０】
【数６】
2014532883.tif 000005
となる。
【００４１】
センサ素子の上または下を走る蛇行コイルの部分によって形成される場は、次の式により与えられる。
【００４２】
【数７】
2014532883.tif 000006
ここで、「Ｗ」は導体の幅であり、「ｔ」は導体の厚さであり、「ｙ」は上（または導体表面の下）の高さであり、「ｘ」は、導体の中心からの、検出軸に沿った位置である。
【００４３】
Ｉｒｅｓｅｔ＜Ｖｍａｘ／Ｒ（Ｌ，Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，ｔ，ρ）        （８）
にも注意のこと。
幾何学的パラメータが図７で定義される場合、ρはコイル材料の導電率であり、Ｖｍａｘは磁力計システムが引き渡し得る最大可能電圧である。
【００４４】
Ｖｍａｘよりも小さい電圧を使用してＨｒｅｓｅｔが達成され得るように、注意しなければならないことは明らかである。スイッチド・キャパシタ・スキームを使用して、十分な電圧を達成することは可能であるが、５Ｖまたはそれより小さい範囲に電圧を保つことが好ましい。電圧制約およびコイル抵抗は、磁気抵抗素子１０および磁力計の設計に制限を置く。それらは達成可能なＨｒｅｓｅｔに上限を置き、リセットコイルのサイズを限定する。
【００４５】
本発明の範囲または趣旨から逸脱することなく、提案された発明へ様々な修正を行い得ることは、当業者に明らかであろう。さらに、本発明は、本発明の修正および変形をカバーすることが意図されるが、そのような修正および変形は添付の請求項およびそれらの均等物の範囲の中に入ることを条件とする。
【図１】
2014532883.tif 000007
【図２】
2014532883.tif 000008
【図３】
2014532883.tif 000009
【図４】
2014532883.tif 000010
【図５】
2014532883.tif 000011
【図６】
2014532883.tif 000012
【図７】
2014532883.tif 000013
【図８】
2014532883.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成26年7月11日(2014.7.11)
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
初期化の後、図４に示されるように、デバイスは動作中に較正または自己テストされる。ここで、導体を介して小さい較正パルスが印加され、検出軸と共線的に小さい場Ｈｃａｌ４０を形成する。場は、印加された磁場内の既知の変化ΔＨ４２に応答して、磁気抵抗センサ内の電圧変化ΔＶ４１を形成し、感度は、
感度＝ΔＶ／ΔＨ                    （２）
から定められる。較正手順は、或る特定の周波数または形状でのパルス列を使用して達成され、このパルス列をバックグラウンド信号から識別することが可能である。磁気抵抗センサ素子の温度依存性を除去するため、較正は定期的に遂行され得る。パルス列は、単極性または両極性であり得、単一のパルスまたは連続方形波または正弦トーンであってもよい。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
図５は、センサ素子１０がコイル１１に関して角度α１４だけ回転される場合を示す。この構成において、Ｈｒｅｓｅｔ３０は、センサ素子１０のエッジに平行な成分Ｈｅｄｇｅ５０を有する。十分に大きなＨｅｄｇｅ５０が存在する場合、エッジドメイン５１は同じ方向へ整列することを強制され、磁気抵抗センサ１０の磁化について良好に定められた初期状態を提供する。コイル内の第１の電流が印加されたとき、磁気リセット動作が行われ、コイル内の第２の電流が印加されたとき、較正動作が行われる。第１の電流は第２の電流よりも大きく、第１および第２の電流は１〜１０ｍＡの範囲内にある。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
図６は、センサ１０〜導体１１の配列について、センサエッジと平行なリセット場成分Ｈｅｄｇｅ５０を形成しない可能なエッジドメイン配列を示す。この場合、センサ５１のエッジにドメインを整列する駆動力は存在せず、頭を突き合わせるドメインがエッジ６１で形成されることが可能である。これは確率論的プロセスであり、デバイスを予測不可能にし、動作中のドメインの動きはヒステリシスを形成し得る。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
較正は、次のように補正される。
Ｈｔｒｕｅ≒ＨｃａｌＣｏｓ（α）                    （３）
これは、２２．５度の角度の大きさまで、９０％を超える良好な精度を提供する。もし必要であれば、Ｈｅｄｇｅ５０成分から生じる感度の減少について、より大きい角度を調整し得る。代替として、もしオンチップ磁石またはインスタックバイアスを使用してセンサがバイアスされるならば、較正中に存在するＨｅｄｇｅ５０成分は、較正への如何なる有意の影響を有しない。
【国際調査報告】
2014532883.tif 000015
2014532883.tif 000016
2014532883.tif 000017
2014532883.tif 000018