(57)【要約】【課題】小型化および量産化に適した構造を得る。【解決手段】シリコンの（１００）面を主面とする支持基板１００の上面に、異方性エッチング処理を施し、シリコンの（１１１）面に相当する側面をもった裁頭正四角錐状の溝Ｇを形成する。表面に酸化膜を形成した後、半導体プレーナプロセスにより、溝Ｇの斜面に、３つの異方性磁気抵抗素子Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ１３を形成し、必要な配線層を形成する。各素子Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ１３は、ＩＪＫ非直交座標系における検出軸Ｉ，Ｊ，Ｋに沿った磁気成分Ｈ（ｉ），Ｈ（ｊ），Ｈ（ｋ）を電気信号として出力する。溝Ｇの斜面のなす傾斜角に基く幾何学演算を行うことにより、ＩＪＫ座標系からＸＹＺ三次元直交座標系への座標系変換演算を行い、直交座標系における磁気成分Ｈ（ｘ），Ｈ（ｙ），Ｈ（ｚ）を得る。【選択図】　　　　図３
2004012156.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＸＹＺ三次元直交座標系における磁気の各座標軸方向成分を検出するための三次元磁気センサであって、
主面に対して傾斜した斜面を有する支持基板と、
前記支持基板の所定面上に形成された第１の磁気検出素子、第２の磁気検出素子、第３の磁気検出素子と、
三次元ベクトルについて、第１の座標系から第２の座標系への変換演算を行う機能をもった座標系変換部と、
を備え、
前記第１の磁気検出素子は検出対象磁気のＩ軸方向成分Ｈ（ｉ）を検出する機能を有し、前記第２の磁気検出素子は検出対象磁気のＪ軸方向成分Ｈ（ｊ）を検出する機能を有し、前記第３の磁気検出素子は検出対象磁気のＫ軸方向成分Ｈ（ｋ）を検出する機能を有し、前記３つの磁気検出素子のうちの少なくとも１つを前記斜面上に形成することにより、「Ｉ軸，Ｊ軸，Ｋ軸の３軸すべてが同一平面上に含まれる」ことがないように構成されており、かつ、Ｉ軸，Ｊ軸，Ｋ軸は互いに異なる方向を向いており、
前記座標系変換部は、前記Ｈ（ｉ），Ｈ（ｊ），Ｈ（ｋ）の３軸方向成分で示されるＩＪＫ座標系の三次元磁気ベクトルを、互いに直交するＸ軸方向成分Ｈ（ｘ），Ｙ軸方向成分Ｈ（ｙ），Ｚ軸方向成分Ｈ（ｚ）の３軸方向成分で示されるＸＹＺ三次元直交座標系の三次元ベクトルに変換する演算を行うことを特徴とする三次元磁気センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の三次元磁気センサにおいて、
支持基板上に、傾斜した側面を有する溝が形成されており、この溝の側面に少なくとも１つの磁気検出素子が形成されていることを特徴とする三次元磁気センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の三次元磁気センサにおいて、
支持基板上に、四角錐状もしくは裁頭四角錐状の溝が形成されていることを特徴とする三次元磁気センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の三次元磁気センサにおいて、
（１００）面を主面とするシリコン基板によって支持基板が構成されており、溝の各側面が（１１１）面によって構成されていることを特徴とする三次元磁気センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の三次元磁気センサにおいて、
支持基板の表面のうち、少なくとも磁気検出素子を配置する部分にシリコンの酸化膜もしくは窒化膜が形成されていることを特徴とする三次元磁気センサ。
【請求項６】
請求項５に記載の三次元磁気センサにおいて、
シリコンの酸化膜もしくは窒化膜上に、磁気検出素子に対する配線層が形成されていることを特徴とする三次元磁気センサ。
【請求項７】
請求項３〜６のいずれかに記載の三次元磁気センサにおいて、
溝を形成する四角錐もしくは裁頭四角錐の各側面をそれぞれ第１の側面、第２の側面、第３の側面、第４の側面と定義し、前記第１の側面と前記第３の側面とが対向し、前記第２の側面と前記第４の側面とが対向するような定義を行ったときに、第１の磁気検出素子および第２の磁気検出素子が、前記第１の側面に形成されており、第３の磁気検出素子が、前記第３の側面に形成されており、
前記四角錐もしくは裁頭四角錐を、頂点を通り前記第２の側面の上辺および前記第４の側面の上辺に平行な面で切断した断面を定義したときに、前記断面に対して垂直な方向が前記第１の磁気検出素子の検出軸であるＩ軸となっており、前記断面における前記第１の側面に沿った方向が前記第２の磁気検出素子の検出軸であるＪ軸となっており、前記断面における前記第３の側面に沿った方向が前記第３の磁気検出素子の検出軸であるＫ軸となっていることを特徴とする三次元磁気センサ。
【請求項８】
請求項７に記載の三次元磁気センサにおいて、
溝の第１の側面の上辺の方向にＸ軸、溝の第２の側面の上辺の方向にＹ軸、基板主面に対して垂直な方向にＺ軸、基板主面と溝の各側面とのなす角をθとしたときに、座標系変換部が、
Ｈ（ｘ）＝Ｈ（ｉ）
Ｈ（ｙ）＝（Ｈ（ｊ）−Ｈ（ｋ））／２　ｃｏｓθ
Ｈ（ｚ）＝（Ｈ（ｊ）＋Ｈ（ｋ））／２　ｓｉｎθ
なる演算を実行することによって、ＩＪＫ座標系の三次元磁気ベクトルを、ＸＹＺ三次元直交座標系の三次元磁気ベクトルに変換することを特徴とする三次元磁気センサ。
【請求項９】
請求項３〜６のいずれかに記載の三次元磁気センサにおいて、
溝を形成する四角錐もしくは裁頭四角錐の各側面をそれぞれ第１の側面、第２の側面、第３の側面、第４の側面と定義し、前記第１の側面と前記第３の側面とが対向し、前記第２の側面と前記第４の側面とが対向するような定義を行ったときに、第２の磁気検出素子が前記第１の側面に形成されており、第１の磁気検出素子および第３の磁気検出素子が、前記溝の周囲の基板主面もしくは溝の底面に形成されており、
前記四角錐もしくは裁頭四角錐を、頂点を通り前記第２の側面の上辺および前記第４の側面の上辺に平行な面で切断した断面を定義したときに、前記断面に対して垂直な方向が前記第１の磁気検出素子の検出軸であるＩ軸となっており、前記断面における前記第１の側面に沿った方向が前記第２の磁気検出素子の検出軸であるＪ軸となっており、前記断面における前記基板主面に沿った方向が前記第３の磁気検出素子の検出軸であるＫ軸となっていることを特徴とする三次元磁気センサ。
【請求項１０】
請求項９に記載の三次元磁気センサにおいて、
溝の第１の側面の上辺の方向にＸ軸、溝の第２の側面の上辺の方向にＹ軸、基板主面に対して垂直な方向にＺ軸、基板主面と溝の各側面とのなす角をθとしたときに、座標系変換部が、
Ｈ（ｘ）＝Ｈ（ｉ）
Ｈ（ｙ）＝Ｈ（ｋ）
Ｈ（ｚ）＝（Ｈ（ｊ）−Ｈ（ｋ）　ｃｏｓθ）／　ｓｉｎθ
なる演算を実行することによって、ＩＪＫ座標系の三次元磁気ベクトルを、ＸＹＺ三次元直交座標系の三次元磁気ベクトルに変換することを特徴とする三次元磁気センサ。
【請求項１１】
請求項３〜６のいずれかに記載の三次元磁気センサにおいて、
溝を形成する四角錐もしくは裁頭四角錐の各側面をそれぞれ第１の側面、第２の側面、第３の側面、第４の側面と定義し、前記第１の側面と前記第３の側面とが対向し、前記第２の側面と前記第４の側面とが対向するような定義を行ったときに、第１の磁気検出素子が前記第１の側面に形成されており、第２の磁気検出素子が前記第２の側面に形成されており、第３の磁気検出素子が前記第３の側面に形成されており、
前記第１の側面に垂直な方向が前記第１の磁気検出素子の検出軸であるＩ軸となっており、前記第２の側面に垂直な方向が前記第２の磁気検出素子の検出軸であるＪ軸となっており、前記第３の側面に垂直な方向が前記第３の磁気検出素子の検出軸であるＫ軸となっていることを特徴とする三次元磁気センサ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の三次元磁気センサにおいて、
溝の第１の側面の上辺の方向にＸ軸、溝の第２の側面の上辺の方向にＹ軸、基板主面に対して垂直な方向にＺ軸、基板主面と溝の各側面とのなす角をθとしたときに、座標系変換部が、
Ｈ（ｘ）＝（Ｈ（ｉ）−Ｈ（ｋ））／２　ｓｉｎθ
Ｈ（ｙ）＝（２・Ｈ（ｊ）−（Ｈ（ｉ）＋Ｈ（ｋ）））／２　ｓｉｎθ
Ｈ（ｚ）＝（Ｈ（ｉ）＋Ｈ（ｋ））／２　ｃｏｓθ
なる演算を実行することによって、ＩＪＫ座標系の三次元磁気ベクトルを、ＸＹＺ三次元直交座標系の三次元磁気ベクトルに変換することを特徴とする三次元磁気センサ。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかに記載の三次元磁気センサにおいて、
磁気検出素子としてホール素子を用い、このホール素子について、互いに直交する３つの方向を定義し、第１の方向に電流を流したときに第２の方向に発生する起電力を測定することにより第３の方向を向いた磁気の成分を検出できるようにしたことを特徴とする三次元磁気センサ。
【請求項１４】
請求項１〜１２のいずれかに記載の三次元磁気センサにおいて、
磁気検出素子として磁気抵抗素子を用い、この磁気抵抗素子の抵抗値の変化に基づいて磁気の所定方向成分を検出できるようにしたことを特徴とする三次元磁気センサ。
【請求項１５】
請求項１４に記載の三次元磁気センサにおいて、
磁気検出素子として異方性磁気抵抗素子を用い、この異方性磁気抵抗素子の検出軸に対して直交する方向に所定電圧を印加し、この電圧印加方向に流れる電流の電流値の変化に基づいて磁気の前記検出軸方向成分を検出できるようにしたことを特徴とする三次元磁気センサ。
【請求項１６】
請求項１５に記載の三次元磁気センサにおいて、
異方性磁気抵抗素子の検出軸に沿った所定方向にバイアス磁界を加える磁界発生装置を設け、電流値の基準値に対する増減により、磁気の大きさとともに向きを検出できるようにしたことを特徴とする三次元磁気センサ。
【請求項１７】
請求項１６に記載の三次元磁気センサにおいて、
異方性磁気抵抗素子の近傍にコイルを配置し、このコイルに電流を供給することによりバイアス磁界を発生させるようにしたことを特徴とする三次元磁気センサ。
【請求項１８】
請求項１６または１７に記載の三次元磁気センサにおいて、
４組の異方性磁気抵抗素子を検出軸が共通となるように配置し、第１の異方性磁気抵抗素子および第２の異方性磁気抵抗素子に対しては前記検出軸に沿った第１の向きにバイアス磁界が加えられるようにし、第３の異方性磁気抵抗素子および第４の異方性磁気抵抗素子に対しては前記第１の向きとは逆の第２の向きにバイアス磁界が加えられるようにし、これら４組の異方性磁気抵抗素子によってブリッジ回路が構成されるようにし、このブリッジ回路のブリッジ電圧に基づいて、前記検出軸に沿った磁気成分の大きさと向きを検出できるようにしたことを特徴とする三次元磁気センサ。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれかに記載の三次元磁気センサを製造する方法であって、
（１００）面を基板上面とするシリコン基板を用意する段階と、
このシリコン基板の上面に、中央部分に正方形状の開口部を有するマスク層を形成する段階と、
前記マスク層が形成された前記シリコン基板に対して異方性エッチングを施し、上面中央部分に、四角錐状もしくは裁頭四角錐状をなし、側面が（１１１）面によって構成された溝を形成する段階と、
前記マスク層を除去する段階と、
前記溝の内部を含む基板上面に絶縁層を形成する段階と、
前記絶縁層の上面の所定箇所に磁気検出素子を形成する段階と、
前記磁気検出素子に対する配線層を形成する段階と、
を有することを特徴とする三次元磁気センサの製造方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の製造方法において、
磁気検出素子を形成する段階を、磁気検出素子を構成するための材料層を酸化シリコン層上に形成した後、前記材料層の所定の領域部分のみを残すようにパターニング処理を施すことにより行うことを特徴とする三次元磁気センサの製造方法。
【請求項２１】
請求項１９または２０に記載の製造方法において、
配線層を形成する段階を、配線層を構成するための導電層を酸化シリコン層上もしくは磁気検出素子上に形成した後、前記導電層の所定の領域部分のみを残すようにパターニング処理を施すことにより行うことを特徴とする三次元磁気センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三次元磁気センサおよびその製造方法に関し、特に、半導体製造技術やマイクロマシニング技術を利用した量産に適した三次元磁気センサおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気は、三次元空間内で大きさと方向をもったベクトル量であり、任意の地点における磁気は、本来、三次元ベクトルとして検出されるべきものである。もっとも、磁気の検出は、必ずしも三次元ベクトル量として行う必要はなく、用途に応じて、必要な方向成分が検出できれば十分である。たとえば、磁性材料の検出を行う用途では、磁気の大きさが検出できれば、厳密な方向の特定は必要はない。また、モータの回転速度の検出を行う用途では、特定方向の磁気成分の検出を行うことができれば十分である。このため、現在利用されている多くの磁気センサは、ほとんどが所定の検出軸方向の磁気成分のみを検出する機能をもった一次元磁気センサである。
【０００３】
磁気の作用は電気的な諸現象と密接に関連しているため、多くの磁気センサは、磁気を電気的な量として検出することが可能な磁気検出素子を利用している。たとえば、ホール効果を利用して磁気を起電力として検出する磁気検出素子や、磁気抵抗効果を利用して磁気を抵抗値の変化として検出する磁気検出素子などが一般に利用されている。
【０００４】
もちろん、用途に応じて、二次元磁気センサや三次元磁気センサが利用される例もあるが、これら多次元磁気センサの多くは、複数の一次元磁気センサを、それぞれの検出軸方向を変えて配置した構成を有する。たとえば、２組の一次元磁気センサを、互いに検出軸が直交するように配置すれば、二次元磁気センサを実現することができ、３組の一次元磁気センサを、互いに検出軸が直交するように配置すれば、三次元磁気センサを実現することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の一般的な三次元磁気センサは、３組の一次元磁気センサを組み合わせたものであるため、その物理的な構造上、小型化を図ることが困難であり、また、量産化にも適していない。しかしながら、ここ数年来、小型で量産に適した三次元磁気センサの需要は高まる一方である。特に、電子コンパスやＧＰＳ機能を内蔵した携帯型情報処理装置では、地磁気を高精度で検出して方位を認識する機能が不可欠であり、小型の三次元磁気センサの開発が望まれている。また、バーチャルリアリティの環境を提供するために用いられるヘッドマウントディスプレイにも、地磁気を検出するための小型の三次元磁気センサが必要とされている。最近では、携帯電話やＰＤＡ機器など、汎用の小型携帯機器にも、電子コンパスやＧＰＳ機能を備えたものが実用化されており、三次元磁気センサの小型化および量産化が急務となってきている。
【０００６】
そこで本発明は、小型化および量産化に適した三次元磁気センサを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）　本発明の第１の態様は、ＸＹＺ三次元直交座標系における磁気の各座標軸方向成分を検出するための三次元磁気センサにおいて、
主面に対して傾斜した斜面を有する支持基板と、
この支持基板の所定面上に形成された第１の磁気検出素子、第２の磁気検出素子、第３の磁気検出素子と、
三次元ベクトルについて、第１の座標系から第２の座標系への変換演算を行う機能をもった座標系変換部と、
を設け、
第１の磁気検出素子は検出対象磁気のＩ軸方向成分Ｈ（ｉ）を検出し、第２の磁気検出素子は検出対象磁気のＪ軸方向成分Ｈ（ｊ）を検出し、第３の磁気検出素子は検出対象磁気のＫ軸方向成分Ｈ（ｋ）を検出するようにし、３つの磁気検出素子のうちの少なくとも１つを支持基板の斜面上に形成することにより、「Ｉ軸，Ｊ軸，Ｋ軸の３軸すべてが同一平面上に含まれる」ことがないように構成し、かつ、Ｉ軸，Ｊ軸，Ｋ軸が互いに異なる方向を向くようにし、
座標系変換部が、Ｈ（ｉ），Ｈ（ｊ），Ｈ（ｋ）の３軸方向成分で示されるＩＪＫ座標系の三次元磁気ベクトルを、互いに直交するＸ軸方向成分Ｈ（ｘ），Ｙ軸方向成分Ｈ（ｙ），Ｚ軸方向成分Ｈ（ｚ）の３軸方向成分で示されるＸＹＺ三次元直交座標系の三次元ベクトルに変換する演算を行うようにしたものである。
【０００８】
（２）　本発明の第２の態様は、上述の第１の態様に係る三次元磁気センサにおいて、
支持基板上に、傾斜した側面を有する溝を形成するようにし、この溝の側面に少なくとも１つの磁気検出素子を形成するようにしたものである。
【０００９】
（３）　本発明の第３の態様は、上述の第２の態様に係る三次元磁気センサにおいて、
支持基板上に、四角錐状もしくは裁頭四角錐状の溝を形成するようにしたものである。
【００１０】
（４）　本発明の第４の態様は、上述の第３の態様に係る三次元磁気センサにおいて、
（１００）面を主面とするシリコン基板によって支持基板を構成し、溝の各側面が（１１１）面となるようにしたものである。
【００１１】
（５）　本発明の第５の態様は、上述の第４の態様に係る三次元磁気センサにおいて、
支持基板の表面のうち、少なくとも磁気検出素子を配置する部分にシリコンの酸化膜もしくは窒化膜を形成するようにしたものである。
【００１２】
（６）　本発明の第６の態様は、上述の第５の態様に係る三次元磁気センサにおいて、
シリコンの酸化膜もしくは窒化膜上に、磁気検出素子に対する配線層を形成するようにしたものである。
【００１３】
（７）　本発明の第７の態様は、上述の第３〜第６の態様に係る三次元磁気センサにおいて、
溝を形成する四角錐もしくは裁頭四角錐の各側面をそれぞれ第１の側面、第２の側面、第３の側面、第４の側面と定義し、第１の側面と第３の側面とが対向し、第２の側面と第４の側面とが対向するような定義を行ったときに、第１の磁気検出素子および第２の磁気検出素子を第１の側面に形成し、第３の磁気検出素子を第３の側面に形成するようにし、
溝を形成する四角錐もしくは裁頭四角錐を、頂点を通り第２の側面の上辺および第４の側面の上辺に平行な面で切断した断面を定義したときに、この断面に対して垂直な方向を第１の磁気検出素子の検出軸であるＩ軸とし、この断面における第１の側面に沿った方向を第２の磁気検出素子の検出軸であるＪ軸とし、この断面における第３の側面に沿った方向を第３の磁気検出素子の検出軸であるＫ軸とするようにしたものである。
【００１４】
（８）　本発明の第８の態様は、上述の第７の態様に係る三次元磁気センサにおいて、
溝の第１の側面の上辺の方向にＸ軸、溝の第２の側面の上辺の方向にＹ軸、基板主面に対して垂直な方向にＺ軸、基板主面と溝の各側面とのなす角をθとしたときに、座標系変換部が、
Ｈ（ｘ）＝Ｈ（ｉ）
Ｈ（ｙ）＝（Ｈ（ｊ）−Ｈ（ｋ））／２　ｃｏｓθ
Ｈ（ｚ）＝（Ｈ（ｊ）＋Ｈ（ｋ））／２　ｓｉｎθ
なる演算を実行することによって、ＩＪＫ座標系の三次元磁気ベクトルを、ＸＹＺ三次元直交座標系の三次元磁気ベクトルに変換するようにしたものである。
【００１５】
（９）　本発明の第９の態様は、上述の第３〜第６の態様に係る三次元磁気センサにおいて、
溝を形成する四角錐もしくは裁頭四角錐の各側面をそれぞれ第１の側面、第２の側面、第３の側面、第４の側面と定義し、第１の側面と第３の側面とが対向し、第２の側面と第４の側面とが対向するような定義を行ったときに、第２の磁気検出素子を第１の側面に形成し、第１の磁気検出素子および第３の磁気検出素子を溝の周囲の基板主面もしくは溝の底面に形成し、
溝を形成する四角錐もしくは裁頭四角錐を、頂点を通り第２の側面の上辺および第４の側面の上辺に平行な面で切断した断面を定義したときに、この断面に対して垂直な方向を第１の磁気検出素子の検出軸であるＩ軸とし、この断面における第１の側面に沿った方向を第２の磁気検出素子の検出軸であるＪ軸とし、この断面における基板主面に沿った方向を第３の磁気検出素子の検出軸であるＫ軸とするようにしたものである。
【００１６】
（１０）　本発明の第１０の態様は、上述の第９の態様に係る三次元磁気センサにおいて、
溝の第１の側面の上辺の方向にＸ軸、溝の第２の側面の上辺の方向にＹ軸、基板主面に対して垂直な方向にＺ軸、基板主面と溝の各側面とのなす角をθとしたときに、座標系変換部が、
Ｈ（ｘ）＝Ｈ（ｉ）
Ｈ（ｙ）＝Ｈ（ｋ）
Ｈ（ｚ）＝（Ｈ（ｊ）−Ｈ（ｋ）　ｃｏｓθ）／　ｓｉｎθ
なる演算を実行することによって、ＩＪＫ座標系の三次元磁気ベクトルを、ＸＹＺ三次元直交座標系の三次元磁気ベクトルに変換するようにしたものである。
【００１７】
（１１）　本発明の第１１の態様は、上述の第３〜第６の態様に係る三次元磁気センサにおいて、
溝を形成する四角錐もしくは裁頭四角錐の各側面をそれぞれ第１の側面、第２の側面、第３の側面、第４の側面と定義し、第１の側面と第３の側面とが対向し、第２の側面と第４の側面とが対向するような定義を行ったときに、第１の磁気検出素子を第１の側面に形成し、第２の磁気検出素子を第２の側面に形成し、第３の磁気検出素子を第３の側面に形成し、
第１の側面に垂直な方向を第１の磁気検出素子の検出軸であるＩ軸とし、第２の側面に垂直な方向を第２の磁気検出素子の検出軸であるＪ軸とし、第３の側面に垂直な方向を第３の磁気検出素子の検出軸であるＫ軸とするようにしたものである。
【００１８】
（１２）　本発明の第１２の態様は、上述の第１１の態様に係る三次元磁気センサにおいて、
溝の第１の側面の上辺の方向にＸ軸、溝の第２の側面の上辺の方向にＹ軸、基板主面に対して垂直な方向にＺ軸、基板主面と溝の各側面とのなす角をθとしたときに、座標系変換部が、
Ｈ（ｘ）＝（Ｈ（ｉ）−Ｈ（ｋ））／２　ｓｉｎθ
Ｈ（ｙ）＝（２・Ｈ（ｊ）−（Ｈ（ｉ）＋Ｈ（ｋ）））／２　ｓｉｎθ
Ｈ（ｚ）＝（Ｈ（ｉ）＋Ｈ（ｋ））／２　ｃｏｓθ
なる演算を実行することによって、ＩＪＫ座標系の三次元磁気ベクトルを、ＸＹＺ三次元直交座標系の三次元磁気ベクトルに変換するようにしたものである。
【００１９】
（１３）　本発明の第１３の態様は、上述の第１〜第１２の態様に係る三次元磁気センサにおいて、
磁気検出素子としてホール素子を用い、このホール素子について、互いに直交する３つの方向を定義し、第１の方向に電流を流したときに第２の方向に発生する起電力を測定することにより第３の方向を向いた磁気の成分を検出できるようにしたものである。
【００２０】
（１４）　本発明の第１４の態様は、上述の第１〜第１２の態様に係る三次元磁気センサにおいて、
磁気検出素子として磁気抵抗素子を用い、この磁気抵抗素子の抵抗値の変化に基づいて磁気の所定方向成分を検出できるようにしたものである。
【００２１】
（１５）　本発明の第１５の態様は、上述の第１４の態様に係る三次元磁気センサにおいて、
磁気検出素子として異方性磁気抵抗素子を用い、この異方性磁気抵抗素子の検出軸に対して直交する方向に所定電圧を印加し、この電圧印加方向に流れる電流の電流値の変化に基づいて磁気の検出軸方向成分を検出できるようにしたものである。
【００２２】
（１６）　本発明の第１６の態様は、上述の第１５の態様に係る三次元磁気センサにおいて、
異方性磁気抵抗素子の検出軸に沿った所定方向にバイアス磁界を加える磁界発生装置を設け、電流値の基準値に対する増減により、磁気の大きさとともに向きを検出できるようにしたものである。
【００２３】
（１７）　本発明の第１７の態様は、上述の第１６の態様に係る三次元磁気センサにおいて、
異方性磁気抵抗素子の近傍にコイルを配置し、このコイルに電流を供給することによりバイアス磁界を発生させるようにしたものである。
【００２４】
（１８）　本発明の第１８の態様は、上述の第１６または第１７の態様に係る三次元磁気センサにおいて、
４組の異方性磁気抵抗素子を検出軸が共通となるように配置し、第１の異方性磁気抵抗素子および第２の異方性磁気抵抗素子に対しては検出軸に沿った第１の向きにバイアス磁界が加えられるようにし、第３の異方性磁気抵抗素子および第４の異方性磁気抵抗素子に対しては第１の向きとは逆の第２の向きにバイアス磁界が加えられるようにし、これら４組の異方性磁気抵抗素子によってブリッジ回路が構成されるようにし、このブリッジ回路のブリッジ電圧に基づいて、検出軸に沿った磁気成分の大きさと向きを検出できるようにしたものである。
【００２５】
（１９）　本発明の第１９の態様は、上述の第１〜第１８の態様に係る三次元磁気センサを製造する方法において、
（１００）面を基板上面とするシリコン基板を用意する段階と、
このシリコン基板の上面に、中央部分に正方形状の開口部を有するマスク層を形成する段階と、
マスク層が形成されたシリコン基板に対して異方性エッチングを施し、上面中央部分に、四角錐状もしくは裁頭四角錐状をなし、側面が（１１１）面によって構成された溝を形成する段階と、
マスク層を除去する段階と、
形成された溝の内部を含む基板上面に絶縁層を形成する段階と、
この絶縁層の上面の所定箇所に磁気検出素子を形成する段階と、
形成した磁気検出素子に対する配線層を形成する段階と、
を行うようにしたものである。
【００２６】
（２０）　本発明の第２０の態様は、上述の第１９の態様に係る三次元磁気センサの製造方法において、
磁気検出素子を形成する段階を、磁気検出素子を構成するための材料層を酸化シリコン層上に形成した後、この材料層の所定の領域部分のみを残すようにパターニング処理を施すことにより行うようにしたものである。
【００２７】
（２１）　本発明の第２１の態様は、上述の第１９または第２０の態様に係る三次元磁気センサの製造方法において、
配線層を形成する段階を、配線層を構成するための導電層を酸化シリコン層上もしくは磁気検出素子上に形成した後、この導電層の所定の領域部分のみを残すようにパターニング処理を施すことにより行うようにしたものである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
【００２９】
＜＜＜　§１．　本発明の基本原理　＞＞＞
本発明の目的は、既に述べたとおり、小型化および量産化に適した三次元磁気センサを提供することにある。一般に電子デバイスの小型化および量産化に適した製造技術として、半導体製造技術やマイクロマシニング技術が知られており、これらの技術では、シリコンなどの半導体基板が材料として用いられることが多い。半導体基板上に種々のデバイスを形成する技術は、長年に渡ってＬＳＩ製造プロセスとして培われてきており、特に、半導体プレーナプロセスを経て製造されるＬＳＩ素子は、小型化および量産化に非常に適したものになる。本願発明者が本発明の着想に至った出発点は、ＬＳＩ素子の製造プロセスなどで利用されている小型化および量産化に適した製造技術を用いて、三次元磁気センサを製造できるようにする工夫にある。
【００３０】
いま、図１に示すように、何らかの基板５０（たとえば、シリコン基板）を用いて、三次元磁気センサを構成することを考えてみよう。ここでは、この基板５０の右手前隅に座標系の原点Ｏをとり、図示の方向に、それぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸をとり、ＸＹＺ三次元直交座標系を定義する。その結果、基板５０の主面（基板の上面および下面）はＸＹ平面に平行な面になる。そして、この座標系における各座標軸方向成分の磁気を独立して検出できる三次元磁気センサを構成する場合を考える。磁気の検出には、所定の検出軸方向の磁気成分を電気的に測定することができる磁気検出素子を用いることにする。別言すれば、この磁気検出素子それ自体が、一次元磁気センサとしての機能をもっていることになる。このような性質をもった磁気検出素子として、たとえば、ホール素子や異方性磁気抵抗素子（ＡＭＲ素子：Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ　ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）などが知られている。
【００３１】
さて、図１に示すように、この基板５０の上面５１に、図示のように、磁気検出素子ＭｘおよびＭｙを配置する。ここでは、説明の便宜上、各磁気検出素子を示す太い矢印は、検出素子自身の物理的形状を示すものではなく、その検出軸方向を示すものとする。すなわち、上面５１上に形成された磁気検出素子Ｍｘは、三次元ベクトル量として与えられる磁気のＸ軸方向成分を検出する機能を果たし、磁気検出素子Ｍｙは、同様にＹ軸方向成分を検出する機能を果たす。こうして、基板５０の主面が、ＸＹ平面に平行になるように座標系を定義すれば、上面５１に２組の磁気検出素子Ｍｘ，Ｍｙを形成することにより、磁気のＸ軸方向成分およびＹ軸方向成分を検出可能な二次元磁気センサを実現することができる。このように、基板５０上に二次元磁気センサの各構成要素を形成することは比較的容易であり、基板５０として半導体基板を用いれば、その上面５１に磁気検出素子Ｍｘ，Ｍｙを形成するとともに、これに対する配線層や、検出信号の処理回路などを形成することができる。
【００３２】
一方、三次元磁気センサを実現するためには、更に、磁気のＺ軸方向成分を検出する機能をもった磁気検出素子Ｍｚを設ける必要がある。ところが、磁気検出素子Ｍｘ，Ｍｙと同一種類の素子を用いて、磁気検出素子Ｍｚを基板５０の上面５１に形成することは、実用上、困難である。なぜなら、一般的な半導体プレーナプロセスでは、基板５０上に層状をなすように個々の構成要素を形成してゆくことを基本としているため、実用上は、上面５１上に形成する磁気検出素子は、層状をなす平面的なパターンとならざるを得ず、三次元直交座標系におけるＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の３軸を検出軸とする同一種類の磁気検出素子を同一平面上に形成することができないためである。すなわち、図１において、磁気検出素子Ｍｘ，Ｍｙの検出軸は、いずれもＸＹ平面に平行な方向であり、素子の層方向に検出軸を有している。したがって、磁気検出素子Ｍｘを平面的に９０°回転させたものが、磁気検出素子Ｍｙに相当することになり、同一種類の素子の向きを９０°変えるだけで、磁気検出素子Ｍｘ，Ｍｙを用意することができる。ところが、磁気検出素子Ｍｚは、ＸＹ平面に垂直な軸（Ｚ軸）を検出軸とする必要があるため、素子Ｍｘ，Ｍｙと同一種類の素子（素子の層方向に検出軸を有する素子）によって磁気検出素子Ｍｚを用意するためには、図示のとおり、基板５０の側面５２に素子を配置する必要がある。
【００３３】
結局、従来の手法により、基板５０を用いてＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向成分を検出可能な三次元磁気センサを実現しようとすると、次のようなジレンマに陥ることになる。すなわち、同一種類の磁気検出素子を３つ用意して、それぞれ各座標軸方向成分の検出を担当させるようにすると、図１に示す例のように、２つの素子は基板上面に形成することが可能であるが、第３の素子は、たとえば、基板側面などの垂直な面に形成する必要が生じる。これは、一般的な半導体プレーナプロセスを適用した製造工程を行う上で重大な支障になり、量産化を妨げる要因になる。一方、このような事態を避けるために、３つの磁気検出素子をすべて基板５０の上面５１に形成できるようにするためには、第３の素子を別な種類の素子で構成しなければならなくなる。すなわち、第１の素子および第２の素子が、層方向（基板５０の主面に平行な方向）に検出軸を有する磁気検出素子であったとすると、第３の素子は、層に対して垂直な方向（基板５０の主面に対して垂直な方向）に検出軸を有する磁気検出素子によって構成する必要がある。このように複数種類の磁気検出素子が混在した構成にすると、製造プロセスは複雑になり、信号処理も複雑にならざるを得ない。
【００３４】
本発明は、このような技術的な課題を解決するためのものであり、その最も重要な着想は、主面に対して傾斜した斜面を有する支持基板を用意し、３つの磁気検出素子のうちの少なくとも１つを、この斜面上に配置する、という点にある。たとえば、図２に示すような基板６０を考えてみよう。この基板６０は、図１に示す基板５０の右上辺部分を削り取った形状を有し（破線は、基板５０の輪郭を示す）、上面６１に連なるように斜面６２（上面６１に対して垂直ではない）が形成されている。そして、第１の磁気検出素子Ｍｘおよび第２の磁気検出素子Ｍｙは、いずれも上面６１に配置されているが、第３の磁気検出素子Ｍｖは斜面６２に配置されている。
【００３５】
ここで、第１の磁気検出素子Ｍｘの検出軸はＸ軸、第２の磁気検出素子Ｍｙの検出軸はＹ軸であるが、第３の磁気検出素子Ｍｖの検出軸はＺ軸ではなく、斜面６２に沿ったＶ軸となっている点に留意しなければならない。このような３つの磁気検出素子Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｖは、いずれも同一種類の素子によって構成することが可能である。たとえば、層方向に検出軸を有する磁気検出素子を用いたとすれば、第１の磁気検出素子Ｍｘおよび第２の磁気検出素子Ｍｙの検出軸であるＸ軸およびＹ軸は、いずれも各素子の層方向（上面６１に沿った方向）となっており、第３の磁気検出素子Ｍｖの検出軸であるＶ軸も、この素子の層方向（斜面６２に沿った方向）となっている。第３の磁気検出素子Ｍｖの検出軸Ｖは、Ｚ軸に対して傾斜しているため、素子Ｍｖの検出値は、磁気のＺ軸方向成分そのものを示すものにはならないが、その一部には、Ｚ軸方向成分が含まれていることになる。したがって、斜面６２の傾斜角度θや、素子Ｍｘ，Ｍｙの検出値を考慮した幾何学演算を行うことにより、素子Ｍｖの検出値からＺ軸方向成分のみを抽出することが可能になる。別言すれば、図２に示す三次元磁気センサを構成する３つの磁気検出素子Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚは、三次元ベクトルとして与えられる磁気を、ＸＹＶ座標系で表現した検出値として出力する機能を有しているので、この三次元ベクトルについて、ＸＹＶ座標系（三次元非直交座標系）からＸＹＺ座標系（三次元直交座標系）への変換演算を行うようにすれば、ＸＹＺ三次元直交座標系で表現された検出値が得られることになる。
【００３６】
斜面６２の上面６１に対する傾斜角度θは、Ｚ軸方向成分の検出感度と、製造プロセスの容易性とを考慮して、適当な値に設定すればよい。すなわち、Ｚ軸方向成分の検出感度のみを考慮すれば、傾斜角度θは９０°に近い方が好ましいが（θ＝９０°に設定すれば、Ｖ軸はＺ軸に一致し、座標系の変換演算は不要になる）、半導体プレーナプロセスなどの製造プロセスの便宜を考慮すれば、傾斜角度θは０°に近い方が好ましい。実際、θが９０°に近くなればなるほど、斜面６２は垂直面に近くなり、斜面６２上に磁気検出素子Ｍｖとなるべき層を形成するプロセスが困難になる。結局、傾斜角度θの値は、Ｚ軸方向成分の検出感度と製造プロセスの容易性との双方が満足されるような値に設定すればよい。後述する実施例の場合、すべてθ＝５４．７４°なる値を設定している。この角度は、後に詳述するように、シリコン基板の（１００）面のもつ固有の結晶方向性に基づいて設定された角度である。
【００３７】
なお、図２では、斜面６２を基板６０の側面部分に設けているが、実用上は、基板６０の中央付近に、傾斜した側面を有する溝を形成するようにし、この溝の側面に磁気検出素子を形成するようにするのが好ましい。後述する実施例は、いずれもこのような溝を形成した例である。なお、図２に示す例では、３つの磁気検出素子のうち、第３の磁気検出素子Ｍｖのみが斜面６２に形成されているが、本発明の基本思想を実現する上では、３つの磁気検出素子のうちの少なくとも１つが斜面に形成されるようにすればよい。したがって、３つの磁気検出素子のうちの２つを斜面に形成するような構成も可能であるし、３つの磁気検出素子のすべてを斜面に形成するような構成も可能である。もっとも、３つの磁気検出素子のすべてを斜面に形成する構成を採る場合は、複数の斜面を形成するようにし、「同一の斜面上に３つの磁気検出素子のすべてが配置される」という構成になることを避ける必要がある。
【００３８】
要するに、本発明の骨子は、支持基板上に設けられた３つの磁気検出素子のうち、第１の磁気検出素子は検出対象磁気のＩ軸方向成分Ｈ（ｉ）を検出し、第２の磁気検出素子は検出対象磁気のＪ軸方向成分Ｈ（ｊ）を検出し、第３の磁気検出素子は検出対象磁気のＫ軸方向成分Ｈ（ｋ）を検出するようにし、３つの磁気検出素子のうちの少なくとも１つを支持基板の斜面上に形成することにより、「Ｉ軸，Ｊ軸，Ｋ軸の３軸すべてが同一平面上に含まれる」ことがないように構成し、かつ、Ｉ軸，Ｊ軸，Ｋ軸が互いに異なる方向（１８０°反転した方向も同一方向とする）を向くようにする、という点にある。「Ｉ軸，Ｊ軸，Ｋ軸の３軸すべてが同一平面上に含まれる」という設定がなされてしまうと、この同一平面に対して垂直な方向に関する磁気成分の検出を行うことができなくなってしまうので、三次元ベクトル量の検出を行うことができなくなってしまう。したがって、「Ｉ軸，Ｊ軸，Ｋ軸の３軸のうち、任意の２軸は同一平面上に含まれていてもよいが、第３の軸は、この同一平面上に含まれていないようにする」という条件が必要なのは当然である。そして、同一種類の磁気検出素子を３つ用いて、このような条件を満足させるためには、少なくとも１つの素子を基板主面に対して傾斜した斜面上に形成する必要がある。
【００３９】
上述の条件を満たすような３つの検出軸、すなわち、Ｉ軸，Ｊ軸，Ｋ軸について、それぞれ磁気成分Ｈ（ｉ），Ｈ（ｊ），Ｈ（ｋ）が検出できれば、これら３軸方向成分は、検出対象となる三次元磁気ベクトルを、ＩＪＫ座標系で表現した値ということになる。そこで、Ｈ（ｉ），Ｈ（ｊ），Ｈ（ｋ）の３軸方向成分で示されるＩＪＫ座標系の三次元磁気ベクトルを、互いに直交するＸ軸方向成分Ｈ（ｘ），Ｙ軸方向成分Ｈ（ｙ），Ｚ軸方向成分Ｈ（ｚ）の３軸方向成分で示されるＸＹＺ三次元直交座標系の三次元ベクトルに変換する演算を行う機能をもった座標系変換部を用意し、三次元磁気ベクトルについて、ＩＪＫ座標系からＸＹＺ座標系への変換演算を行って出力させれば、従来の一般的な三次元磁気センサと同様に、ＸＹＺ三次元直交座標系の検出値を得ることができる。
【００４０】
＜＜＜　§２．　基本的な実施例　＞＞＞
ここでは、本発明に係る三次元磁気センサを、いくつかの基本的な実施例に基づいて説明する。ここに示す実施例は、いずれもシリコン基板を支持基板とし、その上面中央部分に、裁頭正四角錐状の溝を形成し、この溝の側面からなる傾斜面に、磁気検出素子を配置したものである。
【００４１】
図３は、第１の実施例に係る三次元磁気センサの基本構造を示す斜視図である。シリコンからなる支持基板１００の上面中央部には、開口部分が正方形状の溝Ｇが形成されている。この溝Ｇは、天地を逆にした裁頭正四角錐状（正四角錐の頭部を底面に平行な切断面によって切断除去した形状）をしており、第１の側面１１０，第２の側面１２０，第３の側面１３０，第４の側面１４０はいずれも台形をなし、底面１５０は正方形をしている。この溝Ｇの周囲部１６０は、支持基板１００のもともとの上面であった部分である。この第１の実施例では、図示のとおり、第１の側面１１０に、第１の磁気検出素子Ｍ１１および第２の磁気検出素子Ｍ１２が配置されており、第３の側面１３０に、第３の磁気検出素子Ｍ１３が配置されている。
【００４２】
図４は、図３に示す三次元磁気センサの上面図、図５は、図４に示す三次元磁気センサを切断線５−５に沿って切断した断面図である。ここでは、図３に示すように、支持基板１００の底部の右手前隅に原点Ｏをとり、奥行き方向にＸ軸、左方向にＹ軸、上方向にＺ軸をとり、ＸＹＺ三次元直交座標系を定義する。別言すれば、Ｘ軸は、第１の側面１１０および第３の側面１３０の上辺に沿った方向に定義され、Ｙ軸は、第２の側面１２０および第４の側面１４０の上辺に沿った方向に定義され、Ｚ軸は、支持基板１００の主面（上面および下面）に対して垂直な方向に定義されることになる。したがって、図４では、右下位置に原点Ｏが定義され、図の上方向がＸ軸、図の左方向がＹ軸、紙面に対して垂直な方向がＺ軸となり、図５では、図の上方向がＺ軸、図の左方向がＹ軸、紙面に対して垂直な方向がＸ軸となる。
【００４３】
一方、３つの磁気検出素子Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ１３は、いずれも細長い層状の素子であり、ここでは、これら各素子の検出軸を、それぞれＩ軸，Ｊ軸，Ｋ軸と呼ぶことにする。この実施例では、いずれの磁気検出素子も、長手方向に直交し、かつ、層方向を向いた検出軸を有している。具体的には、図５に示す断面（溝Ｇを形成する裁頭正四角錐を、その頂点を通り第２の側面１２０の上辺および第４の側面１４０の上辺に平行な面で切断した断面）において、この断面に対して垂直な方向（紙面に垂直な方向）が第１の磁気検出素子Ｍ１１の検出軸であるＩ軸となっており、この断面における第１の側面１１０に沿った方向が第２の磁気検出素子Ｍ１２の検出軸であるＪ軸となっており、この断面における第３の側面１３０に沿った方向が第３の磁気検出素子Ｍ１３の検出軸であるＫ軸となっている。第１の磁気検出素子Ｍ１１は、図４の上面図においては、その長手方向がＹ軸に沿っており、幅方向に配置された検出軸Ｉの向きは、Ｘ軸方向に一致する。一方、第２の磁気検出素子Ｍ１２は、その長手方向はＸ軸に沿っているものの、図５に示すように、幅方向に配置された検出軸Ｊの向きは、第１の斜面１１０に沿った斜め左上方向になる。同様に、第３の磁気検出素子Ｍ１３は、その長手方向はＸ軸に沿っているものの、図５に示すように、幅方向に配置された検出軸Ｋの向きは、第３の斜面１３０に沿った斜め右上方向になる。
【００４４】
図６は、３つの磁気検出素子Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ１３の各検出軸Ｉ，Ｊ，Ｋと、三次元直交座標系の各座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚとの幾何学的な位置関係を示す図である。溝Ｇを構成する第１の側面１１０および第３の側面１３０と、支持基板１００の主面（上面もしくは下面）とのなす角をθとすれば、支持基板１００の主面であるＸＹ平面に対して、ＩＪ平面（第１の側面１１０）およびＩＫ平面（第３の側面１３０）はいずれも角度θだけ傾斜した平面になる。ここで、三次元ベクトルＨとして把握される検出対象磁気について、第１の磁気検出素子Ｍ１１によって検出されたＩ軸方向成分をＨ（ｉ）とし、第２の磁気検出素子Ｍ１２によって検出されたＪ軸方向成分をＨ（ｊ）とし、第３の磁気検出素子Ｍ１３によって検出されたＫ軸方向成分をＨ（ｋ）とすれば、三次元磁気ベクトルＨは、ＩＪＫ座標系を用いた３つの検出値Ｈ（ｉ），Ｈ（ｊ），Ｈ（ｋ）によって表現されることになる。ここで、ＩＪＫ座標系も、ＸＹＺ座標系も、不変の固定された座標系であるから、同一の三次元磁気ベクトルＨについて、ＩＪＫ座標系での検出値Ｈ（ｉ），Ｈ（ｊ），Ｈ（ｋ）と、ＸＹＺ座標系での検出値Ｈ（ｘ），Ｈ（ｙ），Ｈ（ｚ）との間には、幾何学的な演算に基づいて一義的な関係が定まる。
【００４５】
図６の上段に示す具体的な幾何学構成の場合、座標軸Ｉは座標軸Ｘと等価であり、座標軸ＪおよびＫは、ＹＺ平面上に含まれ、Ｙ軸に対して角度±θだけ傾斜した軸であるから、三角関数を用いた幾何学演算により、最終的に、図６の下段に示すような関係が一義的に定まる。すなわち、
Ｈ（ｘ）＝Ｈ（ｉ）
Ｈ（ｙ）＝（Ｈ（ｊ）−Ｈ（ｋ））／２　ｃｏｓθ
Ｈ（ｚ）＝（Ｈ（ｊ）＋Ｈ（ｋ））／２　ｓｉｎθ
なる演算を実行することによって、ＩＪＫ座標系の三次元磁気ベクトルＨを、ＸＹＺ三次元直交座標系の三次元磁気ベクトルＨに変換することが可能になる。
【００４６】
結局、図３に示すような構造をもった支持基板１００上に、図示のとおり３つの磁気検出素子Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ１３を配置した上で、図７に示すような信号処理回路を用意すれば、ＸＹＺ三次元直交座標系における三次元磁気ベクトルＨの各軸方向成分を得ることが可能になる。座標系変換部８０は、各磁気検出素子Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ１３から出力されるＩＪＫ座標系の検出値Ｈ（ｉ），Ｈ（ｊ），Ｈ（ｋ）を取り込み、上記関係式に基づく演算を施し、ＸＹＺ座標系の検出値Ｈ（ｘ），Ｈ（ｙ），Ｈ（ｚ）に変換して出力する機能をもった構成要素である。実用上は、各磁気検出素子Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ１３から出力される検出値Ｈ（ｉ），Ｈ（ｊ），Ｈ（ｋ）はアナログ信号となるので、座標系変換部８０は、Ａ／Ｄ変換器を介して、これら検出値をデジタル信号として取り込み、デジタル回路を用いて上記関係式に基づく変換演算を行い、デジタル信号として、ＸＹＺ座標系の検出値Ｈ（ｘ），Ｈ（ｙ），Ｈ（ｚ）を出力する機能を有する構成要素になる。
【００４７】
このように、本発明に係る三次元磁気センサでは、３つの磁気検出素子からの検出値に対して、所定の座標系変換演算を行う必要があり、そのために座標系変換部８０を設ける必要がある。しかしながら、センサ本体の物理的な構造は、図３に示すように、支持基板１００の中央部に掘られた溝Ｇの側面に３つの磁気検出素子を配置した単純な構造になり、従来からの半導体製造プロセスを利用した量産が可能になる。
【００４８】
図８は、第２の実施例に係る三次元磁気センサの基本構造を示す上面図、図９は、図８に示す三次元磁気センサを切断線９−９に沿って切断した断面図である。この第２の実施例に示されている支持基板１００の基本構造は、上述の第１の実施例で示された支持基板１００と全く同じである。ただ、この第２の実施例では、３つの磁気検出素子の配置が異なっている。すなわち、この第２の実施例では、図示のとおり、支持基板１００の上面に相当する周囲部１６０に、第１の磁気検出素子Ｍ２１および第３の磁気検出素子Ｍ２３が配置されており、溝Ｇ内の第１の側面１１０に、第２の磁気検出素子Ｍ２２が配置されている。これら３つの磁気検出素子Ｍ２１，Ｍ２２，Ｍ２３は、いずれも細長い層状の素子であり、長手方向に直交し、かつ、層方向を向いた検出軸を有している。これら各素子の検出軸を、それぞれＩ軸，Ｊ軸，Ｋ軸と呼ぶことにすれば、図９に示す断面において、この断面に対して垂直な方向（紙面に垂直な方向）が第１の磁気検出素子Ｍ２１の検出軸であるＩ軸となっており、この断面における第１の側面１１０に沿った方向が第２の磁気検出素子Ｍ２２の検出軸であるＪ軸となっており、この断面における基板主面に沿った方向が第３の磁気検出素子Ｍ２３の検出軸であるＫ軸となっている。第１の磁気検出素子Ｍ２１は、図８の上面図においては、その長手方向がＹ軸に沿っており、幅方向に配置された検出軸Ｉの向きは、Ｘ軸方向に一致する。一方、第２の磁気検出素子Ｍ２２は、その長手方向はＸ軸に沿っているものの、図９に示すように、幅方向に配置された検出軸Ｊの向きは、第１の斜面１１０に沿った斜め左上方向になる。また、第３の磁気検出素子Ｍ２３は、その長手方向はＸ軸に沿っているものの、図９に示すように、幅方向に配置された検出軸Ｋの向きは、Ｙ軸方向に一致する。
【００４９】
図１０は、３つの磁気検出素子Ｍ２１，Ｍ２２，Ｍ２３の各検出軸Ｉ，Ｊ，Ｋと、三次元直交座標系の各座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚとの幾何学的な位置関係を示す図である。溝Ｇを構成する第１の側面１１０と、支持基板１００の主面（上面もしくは下面）とのなす角をθとすれば、支持基板１００の主面であるＸＹ平面に対して、ＩＪ平面（第１の側面１１０）は角度θだけ傾斜した平面になる。ここで、三次元ベクトルＨとして把握される検出対象磁気について、第１の磁気検出素子Ｍ２１によって検出されたＩ軸方向成分をＨ（ｉ）とし、第２の磁気検出素子Ｍ２２によって検出されたＪ軸方向成分をＨ（ｊ）とし、第３の磁気検出素子Ｍ２３によって検出されたＫ軸方向成分をＨ（ｋ）とすれば、三次元磁気ベクトルＨは、ＩＪＫ座標系を用いた３つの検出値Ｈ（ｉ），Ｈ（ｊ），Ｈ（ｋ）によって表現されることになる。
【００５０】
図１０の上段に示す具体的な幾何学構成の場合、座標軸Ｉは座標軸Ｘと等価であり、座標軸Ｋは座標軸Ｙと等価であり、座標軸Ｊは、ＹＺ平面上に含まれ、Ｙ軸に対して角度θだけ傾斜した軸であるから、三角関数を用いた幾何学演算により、最終的に、図１０の下段に示すような関係が一義的に定まる。すなわち、
Ｈ（ｘ）＝Ｈ（ｉ）
Ｈ（ｙ）＝Ｈ（ｋ）
Ｈ（ｚ）＝（Ｈ（ｊ）−Ｈ（ｋ）　ｃｏｓθ）／　ｓｉｎθ
なる演算を実行することによって、ＩＪＫ座標系の三次元磁気ベクトルＨを、ＸＹＺ三次元直交座標系の三次元磁気ベクトルＨに変換することが可能になる。したがって、図７に示すように、座標系変換部８０による座標系変換処理を施すことにより、ＸＹＺ座標系の検出値Ｈ（ｘ），Ｈ（ｙ），Ｈ（ｚ）を得ることができる。
【００５１】
図１１は、第３の実施例に係る三次元磁気センサの基本構造を示す上面図、図１２は、図１１に示す三次元磁気センサを切断線１２−１２に沿って切断した断面図である。この第３の実施例に示されている支持基板１００の基本構造も、上述の第１の実施例および第２の実施例で示された支持基板１００と全く同じである。ただ、この第３の実施例においても、３つの磁気検出素子の配置がこれまでの実施例の配置とは異なっている。すなわち、この第３の実施例では、図示のとおり、第１の側面１１０に第１の磁気検出素子Ｍ３１が配置され、第２の側面１２０に第２の磁気検出素子Ｍ３２が配置され、第３の側面１３０に第３の磁気検出素子Ｍ３３が配置されている。
【００５２】
これら３つの磁気検出素子Ｍ３１，Ｍ３２，Ｍ３３は、いずれも細長い層状の素子である点は、これまでの磁気検出素子と同様である。ただ、磁気の検出軸の方向は、これまで述べてきた磁気検出素子とは大きく異なっている。すなわち、３つの磁気検出素子Ｍ３１，Ｍ３２，Ｍ３３の検出面は、いずれも層面に対して垂直方向になっている。これら各素子の検出軸を、それぞれＩ軸，Ｊ軸，Ｋ軸と呼ぶことにすれば、第１の側面１１０に対して垂直な方向が第１の磁気検出素子Ｍ３１の検出軸であるＩ軸となっており、第２の側面１２０に対して垂直な方向が第２の磁気検出素子Ｍ３２の検出軸であるＪ軸となっており、第３の側面１３０に対して垂直な方向が第３の磁気検出素子Ｍ３３の検出軸であるＫ軸となっている。これら３軸Ｉ，Ｊ，Ｋは、図１２に示すように原点Ｑ（溝Ｇを構成する裁頭正四角錐の中心軸上の１点）において交差することになる。
【００５３】
図１３は、３つの磁気検出素子Ｍ３１，Ｍ３２，Ｍ３３の各検出軸Ｉ，Ｊ，Ｋと、三次元直交座標系の各座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚとの幾何学的な位置関係を示す図である。溝Ｇを構成する各側面１１０〜１４０と、支持基板１００の主面（上面もしくは下面）とのなす角をθとすれば、三角関数を用いた幾何学演算により、ＩＪＫ座標系で表現された所定の三次元ベクトルＨと、ＸＹＺ座標系で表現された同じ三次元ベクトルＨとの間には、最終的に、図１３の下段に示すような関係が導かれる。すなわち、
Ｈ（ｘ）＝（Ｈ（ｉ）−Ｈ（ｋ））／２　ｓｉｎθ
Ｈ（ｙ）＝（２・Ｈ（ｊ）−（Ｈ（ｉ）＋Ｈ（ｋ）））／２　ｓｉｎθ
Ｈ（ｚ）＝（Ｈ（ｉ）＋Ｈ（ｋ））／２　ｃｏｓθ
なる演算を実行することによって、ＩＪＫ座標系の三次元磁気ベクトルＨを、ＸＹＺ三次元直交座標系の三次元磁気ベクトルＨに変換することが可能になる。したがって、この第３の実施例においても、図７に示すように、座標系変換部８０による座標系変換処理を施すことにより、ＸＹＺ座標系の検出値Ｈ（ｘ），Ｈ（ｙ），Ｈ（ｚ）を得ることができる。
【００５４】
以上、本発明に係る三次元磁気センサの基本構造を、３つの実施例について説明したが、もちろん、本発明はこれらの実施例の形態に限定されるものではない。たとえば、支持基板１００に形成する溝Ｇは、必ずしも裁頭正四角錐状の溝にする必要はなく、正四角錐状、裁頭四角錐状、四角錐状、裁頭三角錐状、三角錐状、その他、任意の形状でもかまわない。ただ、後述するように、支持基板１００として、主面が（１００）面のシリコン基板を用い、異方性エッチングにより溝Ｇを形成する製造方法を採ると、形成される溝Ｇは、自然に裁頭正四角錐状、正四角錐状、裁頭四角錐状、四角錐状になる。また、３つの磁気検出素子の配置位置や検出軸の方向設定も、上述の実施例は代表的な例を示すものであり、この他にも種々の配置方法や検出軸の設定方法を採ることが可能である。たとえば、図４に示す第１の実施例において、第３の磁気検出素子Ｍ１３を第２の側面１２０に配置することもできるし、図８に示す第２の実施例において、第１の磁気検出素子Ｍ２１を底面１５０に配置することもできる。あるいは、図１１に示す第３の実施例では、層面に垂直な方向に検出軸を有する磁気検出素子を用いたが、代わりに、層面に沿った方向に検出軸を有する磁気検出素子を用いることも可能である。
【００５５】
要するに、本発明では、３つの磁気検出素子のうちの少なくとも１つを支持基板の斜面上に形成し、残りがあればそれを支持基板の主面上に形成するようにし、「Ｉ軸，Ｊ軸，Ｋ軸の３軸すべてが同一平面上に含まれる」という事態を避けるように構成し、かつ、Ｉ軸，Ｊ軸，Ｋ軸が互いに異なる方向（１８０°反転した方向も同一方向とする）を向くようにする、という条件が満たされれば、目的を達成することが可能になる。
【００５６】
＜＜＜　§３．　磁気検出素子の具体例　＞＞＞
これまで述べたように、本発明に係る三次元磁気センサでは、互いに検出軸の方向が異なるように配置された３つの磁気検出素子を用意する必要がある。ここで、個々の磁気検出素子は、所定の一検出軸方向の磁気成分を検出する機能をもった素子であれば足りる。このような性質をもった磁気検出素子としては、ホール素子、異方性磁気抵抗素子（ＡＭＲ素子：Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ　ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）、巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ素子：Ｇｉａｎｔ　ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）などが知られており、§２で述べた種々の実施例における磁気検出素子として、これらの素子を利用することが可能である。
【００５７】
たとえば、磁気検出素子としてホール素子を用いれば、このホール素子について、互いに直交する３つの方向を定義し、第１の方向に電流を流したときに第２の方向に発生する起電力を測定することにより第３の方向を向いた磁気成分の検出が可能になる。具体的には、たとえば、図１４に示すように、細長い層状のホール素子Ｍｈを用意し、その長手方向に電流ｉを流した場合を考える。この場合、層面に平行で、かつ、電流ｉの方向に直交する方向に磁気Ｈが作用すると、層面に垂直な方向（厚み方向）に起電力Ｖを生じる現象（ホール効果）が現れるので、この起電力Ｖを測定するようにすれば、作用した磁気Ｈの向きおよび大きさを検出することが可能になる。このような検出機能をもったホール素子は、前述した第１の実施例（図４）や第２の実施例（図８）における磁気検出素子として利用可能である。
【００５８】
あるいは、図１５に示すように、細長い層状のホール素子Ｍｈの長手方向に電流ｉを流した状態で、幅方向に生じる起電力Ｖを測定するようにすれば、厚み方向の磁気Ｈの向きおよび大きさの検出が可能になる。このような検出機能をもったホール素子は、前述した第３の実施例（図１１）における磁気検出素子として利用可能である。
【００５９】
一方、磁気検出素子として、異方性磁気抵抗素子（以下、ＡＭＲ素子という）を用いても、同様の検出が可能である。このＡＭＲ素子は、特定の検出軸方向に磁気が作用すると、電気抵抗が変化する性質をもっている。そこで、たとえば、図１６に示すように、細長い層状のＡＭＲ素子Ｍａを用意し、その長手方向に電流ｉを流した場合を考える。このとき、層面に平行で、かつ、電流ｉの方向に直交する方向が検出軸となるような設定がなされていたとすると、この検出軸方向に磁気Ｈが作用すると、ＡＭＲ素子Ｍａの電気抵抗Ｒに変化が生じる。そこで、このＡＭＲ素子Ｍａの長手方向に所定電圧を印加しておき、そのときに流れる電流ｉを測定するようにすれば、電流ｉの変動として磁気Ｈを検出することが可能になる。このような検出機能をもったＡＭＲ素子は、前述した第１の実施例（図４）や第２の実施例（図８）における磁気検出素子として利用可能である。また、検出軸が層面に垂直な方向（厚み方向）となるようなＡＭＲ素子を用いれば、前述した第３の実施例（図１１）における磁気検出素子として利用可能である。
【００６０】
ただ、このＡＭＲ素子は、特定の検出軸方向に作用した磁気の絶対値を検出することは可能であるが、符号の検出を行うことができない。すなわち、図１６において、ＡＭＲ素子Ｍａの手前から向こう側へ向かう磁力が作用した場合も、逆に、向こう側から手前へ向かう磁力が作用した場合も、作用した磁力の絶対値が同じであれば、抵抗値Ｒの変化は同一になる。そのため、正負の符号（磁力の向き）を考慮した磁気検出を行うことができない。この点は、ホール素子に比べると大きな欠点である（ホール素子の場合は、発生する起電力Ｖの符号により、作用した磁力の向きが認識可能になる）。
【００６１】
ＡＭＲ素子のこのような欠点を補うためには、ＡＭＲ素子の検出軸に沿った所定方向にバイアス磁界を加える磁界発生装置を設け、電流値の基準値に対する増減により、磁気の大きさとともに向きを検出する方法を採ればよい。図１７は、このような方法の原理を説明するための平面図である。まず、図１７（ａ）に示すように、ＡＭＲ素子Ｍａの長手方向に一定の電圧を印加し、電流ｉが流れるようにする。このとき、検出軸に沿った方向（図における長手方向に垂直な方向）から所定の大きさをもったバイアス磁界Ｈ０を加えておくようにする。図では、バイアス磁界Ｈ０を、図の上方から下方に向かう方向に加えているが、逆に下方から上方に向かう方向に加えるようにしてもよい。このようなバイアス磁界Ｈ０を加えると、当然、ＡＭＲ素子Ｍａの抵抗値に変化が生じるが、ここでは、このバイアス磁界Ｈ０に起因する変化後の抵抗値Ｒ０を基準値に設定しておく。
【００６２】
ここで、図１７（ｂ）に示すように、図の上方から下方に向かう方向に、検出対象となる磁界Ｈが作用したとすると、ＡＭＲ素子Ｍａに作用する磁界は、バイアス磁界Ｈ０と検出対象磁界Ｈとの和になり、ＡＭＲ素子Ｍａの抵抗値はＲ０＋ΔＲに変化することになる。ここで、ΔＲは、検出対象磁界Ｈに起因する抵抗の変化分である。ところが、図１７（ｃ）に示すように、図の下方から上方に向かう方向に、検出対象となる磁界Ｈが作用したとすると、ＡＭＲ素子Ｍａに作用する磁界は、バイアス磁界Ｈ０と検出対象磁界Ｈとの差になり、ＡＭＲ素子Ｍａの抵抗値はＲ０−ΔＲに変化することになる。結局、基準の抵抗値Ｒ０に対して、実際の抵抗値が増えたか減ったかによって、検出対象となる磁界Ｈの向きを認識することができ、基準の抵抗値Ｒ０からの隔たりによって、検出対象となる磁界Ｈの大きさを認識することができる（実際には、電流ｉの基準値に対する増減を測定することになる）。
【００６３】
ＡＭＲ素子Ｍａに対して、バイアス磁界Ｈ０を加えるためには、その近傍に、永久磁石（たとえば、希土類永久磁石）やコイル（たとえば、薄膜コイルや電磁コイル）を配置しておけばよい。コイルを配置した場合には、このコイルに電流を供給することにより、バイアス磁界Ｈ０を発生させることができる。図１８は、より精度の高い検出が可能になるように、４組のＡＭＲ素子の集合体によって、１つの磁気検出素子を構成した例である。ここで、ＡＭＲ１〜ＡＭＲ４は、いずれも図のＤの方向を共通の検出軸とするＡＭＲ素子である。図示のとおり、ＡＭＲ１，２の左端ａ側には、コイルＣ１が配置されており、ＡＭＲ３，４の右端ｂ側には、コイルＣ１と同等のコイルＣ２が配置されている。ここで、コイルＣ１に流す電流ｉ１とコイルＣ２に流す電流ｉ２とが、大きさが等しく向きが逆になるようにすれば、たとえば、ＡＭＲ１，２に対しては図に破線で示すように、図の下方から上方へ向かう方向（検出軸Ｄに沿った第１の向き）にバイアス磁界Ｆ１が加えられ、ＡＭＲ３，４に対しては図に破線で示すように、図の上方から下方へ向かう方向（検出軸Ｄに沿った第２の向き）にバイアス磁界Ｆ２が加えられる。このように、左半分に配置されたＡＭＲ１，２に加えられるバイアス磁界Ｆ１と、右半分に配置されたＡＭＲ３，４に加えられるバイアス磁界Ｆ２とは、大きさは等しいが向きは逆のものになる。
【００６４】
さて、このような４組のＡＭＲ素子に対して、図１９の回路図に示すような配線を施してみよう。図示のとおり、ＡＭＲ１およびＡＭＲ３の右端ｂは端子Ｔ１に接続され、ＡＭＲ２およびＡＭＲ４の左端ａは端子Ｔ４（接地）に接続されている。また、ＡＭＲ１の左端ａおよびＡＭＲ４の右端ｂは端子Ｔ２に接続され、ＡＭＲ２の右端ｂおよびＡＭＲ３の左端ａは端子Ｔ３に接続されている。また、図示のとおり、ＡＭＲ１，２にはバイアス磁界Ｆ１が加えられており、ＡＭＲ３，４にはバイアス磁界Ｆ２が加えられている。結局、この図１９に示す回路は、図２０に示すようなブリッジ回路になっていることがわかる。しかも、バイアス磁界Ｆ１，Ｆ２は、大きさが等しく向きが逆であるため、バイアス磁界に起因するＡＭＲ１，２の抵抗値の変化とＡＭＲ３，４の抵抗値の変化とは相補的なものになる。結局、図２０のブリッジ回路において、端子Ｔ１，Ｔ４間に所定の電圧を印加した状態において、端子Ｔ２，Ｔ３間のブリッジ電圧を測定すれば、このブリッジ電圧の符号をもった値は、検出軸Ｄに沿った磁気成分の大きさと向きを示すものになる。
【００６５】
一般に、ＡＭＲ素子は、磁気の影響のみならず、温度の影響によっても抵抗値が変化する性質を有している。上述のように、４組のＡＭＲ素子によってブリッジ回路を構成するようにすると、温度の影響に起因する抵抗値の変化分を相殺することができ、より精度の高い磁気検出が可能になる。本発明に係る三次元磁気センサには、３つの磁気検出素子が必要になるので、個々の磁気検出素子をすべて４組のＡＭＲ素子からなるブリッジ回路によって構成した場合、合計１２組のＡＭＲ素子が必要になる。
【００６６】
＜＜＜　§４．　本発明に係る三次元磁気センサの製造方法　＞＞＞
続いて、本発明に係る三次元磁気センサの具体的な製造方法、特に、図３に示すような物理的構造をもったセンサの本体部を、半導体製造プロセスを利用して形成するのに適した方法を述べる。図３に示す支持基板１００には、既に述べたとおり、裁頭正四角錐状の溝Ｇが形成されている。実は、このような形状をもった溝Ｇは、（１００）面を主面とするシリコン基板に対する異方性エッチング（エッチング速度が、結晶方位面によって異なる性質をもったエッチング）を行うことにより自然に形成できる。その際の溝Ｇ内の各側面１１０〜１４０と、基板主面とのなす角θは、シリコン結晶の方位性から、θ＝５４．７４°になり、溝Ｇの各側面はシリコンの（１１１）面となる。このように、本発明に係る三次元磁気センサを製造する上で、（１００）面を主面とするシリコン基板を支持基板１００として用いることは非常に好都合である。また、シリコン基板は、表面を酸化させる工程を行うことにより、表面に酸化膜を形成することができるので、この酸化膜を絶縁膜として利用し、その上に磁気検出素子を配置すれば都合がよい。少なくとも磁気検出素子を配置する部分にシリコン酸化膜を形成しておけば、磁気検出素子を電気的に絶縁された状態に保つことができる。また、このシリコン酸化膜上に、磁気検出素子に対する配線層を形成することも容易にできる。なお、絶縁膜としては、ＣＶＤ法で形成したシリコン窒化膜を用いることもできる。
【００６７】
以下、具体的な製造プロセスを、側断面図を参照しながら説明する。まず、図２１に示すように、（１００）面を基板上面とするシリコン基板２００を用意し、その上面に、中央部分に正方形状の開口部（溝Ｇを形成するための開口部）を有するマスク層２１０を形成する。続いて、このマスク層２１０が形成されたシリコン基板２００に対して異方性エッチングを施し、図２２に示すように、上面中央部分に、裁頭正四角錐状をなし、側面が（１１１）面によって構成された溝Ｇを形成する。このとき、（１１１）面と（１００）面とのなす角が、θ＝５４．７４°となることは既に述べたとおりである。シリコン基板２００に対する異方性エッチングは、たとえば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）の溶液や、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）の溶液をエッチング液とした化学エッチングを行えばよい。なお、シリコン基板２００として、より厚い基板を用意しておき、エッチング時間をより長く確保すれば、図２２に示す溝Ｇの形成を更に進行させ、最終的に先が尖った正四角錐状の溝を形成することも可能である。
【００６８】
続いて、マスク層２１０を除去する工程を行った後、形成された溝Ｇの内部を含む基板２００の上面を酸化することにより、図２３に示すように、表面に酸化シリコン層２２０を形成する。そして、この酸化シリコン層２２０の上面の所定箇所に磁気検出素子を形成し、図２４に示す状態にする。なお、図２４では便宜上、２組の磁気検出素子Ｍ１，Ｍ２のみが示されているが、実際には、３組の磁気検出素子を形成する必要がある。もちろん、前述したようにＡＭＲ素子によりブリッジ回路を構成するような場合には、個々のＡＭＲ素子を構成するための層を形成する必要がある。実用上、この工程は、磁気検出素子を構成するための材料層を、酸化シリコン層２２０上の全面にスパッタ法や蒸着法により薄膜状に形成した後、この材料層の所定の領域部分のみを残すようにパターニング処理を施すことにより行うことができる。なお、バイアス磁界を加えるためのコイルを用いる場合には、この段階で所定位置にコイルを配置する作業を行うようにすればよい。
【００６９】
最後に、形成した磁気検出素子に対する配線層を形成する。図２５は、磁気検出素子Ｍ１，Ｍ２に対する配線層Ｗ１，Ｗ２を形成した状態を示している。もちろん、実際には、より複雑な配線層が多数形成されることになる。この配線層を形成する工程は、配線層を構成するための銅やアルミニウムなどの金属導電層を、酸化シリコン層２２０上もしくは磁気検出素子上にスパッタ法や蒸着法により薄膜状に形成した後、この金属導電層の所定の領域部分のみを残すようにパターニング処理を施すことにより行うことができる。コイルを配置した場合には、コイルに対する配線も行われる。以上の各工程は、一般的な半導体プレーナプロセスによって実施することができるため、小型化および量産化を図る上では非常に好都合である。
【００７０】
＜＜＜　§５．　方位表示機能をもった装置への応用　＞＞＞
これまで述べたように、本発明に係る三次元磁気センサは、小型化および量産化に適した装置であり、製造コストを大幅に低減させることができる。このため、携帯電話やＧＰＳ装置など、方位表示機能をもった携帯型情報処理装置に内蔵する地磁気センサとしての利用には最適である。ここでは、本発明に係る三次元磁気センサを、方位表示機能をもった携帯型情報処理装置に内蔵させたユニークな利用形態を述べておく。
【００７１】
最近の携帯電話には、自己の現在地をＧＰＳを利用して認識し、現在地周辺の地図の配信を受けた上で、これをディスプレイ画面上に表示する機能が備わりつつある。また、二次元磁気センサを内蔵することによって、地磁気の方向を検出し、地図表示とともに、方位表示を行う機能をもった携帯電話も開発されている。たとえば、図２６に示す携帯電話１０は、液晶からなるディスプレイ画面１１、操作ボタン１２、アンテナ１３を備えており、ディスプレイ画面１１には、現在地周辺の地図が表示されている。また、内蔵した二次元磁気センサにより地磁気の方向を検出し、ディスプレイ画面１１上に、北を示す指標１４を表示する機能を有している。図示の例は、携帯電話１０を水平に寝かして保持した状態を示しており、ユーザは、ディスプレイ画面１１上に表示された北を示す指標１４により、アンテナ１３の示す方向が北であることを認識することができ、その結果、東西南北の方位が図示の方向であることを認識することができる。
【００７２】
図２７は、内蔵された二次元磁気センサの検出値に基いて、北を示す指標１４を表示する原理を示す平面図である。いま、地磁気の磁力線Ｈが図の一点鎖線で示す方向を向いていたとする。ここで、携帯電話１０を図のように水平に寝かした状態（ディスプレイ画面１１が水平面を維持する状態）にすると、内蔵された二次元磁気センサによって、この地磁気の方向を認識することができる。すなわち、ディスプレイ画面１１の横方向をＸ軸、縦方向（アンテナ１３の伸びる方向）をＹ軸として、内蔵の二次元磁気センサが、互いに直交するＸ軸およびＹ軸方向の磁気成分を検出する機能をもっていたとすれば、この二次元磁気センサが検出した地磁気のＸ軸方向成分Ｈ（ｘ）およびＹ軸方向成分Ｈ（ｙ）は、図示のとおり、磁力線Ｈの各軸方向成分を示すものになる。ここで、携帯電話１０に定義したＹ軸方向（アンテナ１３の伸びる方向）と磁力線Ｈとのなす角をφとすれば、
φ＝ａｒｃ　ｔａｎ（Ｈ（ｘ）／Ｈ（ｙ））
なる演算により、地磁気の方向のＹ軸に対する変位角φを求めることができ、この変位角φに基いて、ディスプレイ画面１１上に方位表示を行うことができる。図示の例では、北を示す指標１４がＹ軸方向に対して角度φだけ変位した向きに表示されており、携帯電話が電子コンパスとしての機能を果たしていることになる。
【００７３】
このような方位表示は、本来、携帯電話１０を水平状態にした場合にのみ意味をもつものである。すなわち、図２８の側面図に示すように、地面Ｅに対してディスプレイ画面１１が平行になるような状態にすれば、ディスプレイ画面１１の表示面であるＸＹ平面は、地面Ｅと平行になる。したがって、内蔵の磁気センサ１５の検出値に基いて、図２７に示すように北を示す指標１４を表示すれば、この指標１４の向きと磁力線Ｈの向きとが一致することになる。ところが、図２９の側面図に示すように、携帯電話１０が水平面に対して所定角ξだけ傾斜していると、ディスプレイ画面１１の表示面（ＸＹ平面）も地面Ｅ（水平面）に対して角ξだけ傾斜することになるので、北を示す指標１４も、地面Ｅに対して角ξだけ斜め上方を向くことになり、本来の磁力線Ｈの向き（北の方角）からずれてしまう。傾斜角ξが比較的小さい場合には、図２９のように傾斜した状態においてディスプレイ画面１１上に表示された方位表示を、図２８のように水平に寝かした場合の状態を示す仮想的な方位表示として認識すれば、それなりの意味のある表示として把握することはできる。しかしながら、傾斜角ξが大きくなると、ディスプレイ画面１１上の方位表示と、実際の地理的な方角との対応関係は著しく失われることになる。
【００７４】
一般ユーザは、携帯電話の本来の機能である通信機能を利用する際に、携帯電話１０をある程度立てた状態にして、操作ボタン１２を操作するのが習慣となっている。このため、電子コンパスとしての機能を利用する際にも、携帯電話１０をある程度立てた状態にして、ディスプレイ画面１１を確認することも少なくない。ところが、上述したように、ディスプレイ画面１１の傾斜角ξが大きくなればなるほど、ディスプレイ画面１１上の方位表示のもつ意味は失われることになる。また、携帯電話１０を立てた状態にすればするほど、磁気センサ１５によって検出可能な磁力線Ｈの成分（図２７に示すＸ軸方向成分およびＹ軸方向成分）は小さくなり、地磁気の検出感度は低下する。特に、図３０に示すように、傾斜角ξ＝９０°となるように携帯電話１０を完全に立てた状態にすると、ディスプレイ画面１１の表示面（ＸＹ平面）は地面Ｅに対して直交することになるため、磁力線Ｈを検出することができなくなる。
【００７５】
なお、ここでは便宜上、地磁気を示す磁力線Ｈが、地面Ｅに対して平行な方向を向いているという前提で説明を行ったが、実際には、地磁気を示す磁力線Ｈは、地面Ｅに対して完全には平行になっていない。しかも、磁力線Ｈの地面Ｅに対する角度は、地球上の個々の場所ごとにそれぞれ異なっている。このため、上述の理論は、厳密には、地球上の個々の地点で実際に生じる現象そのものではなく、若干の誤差を含んだ理論ということになるが、ここに示す実施形態の説明では、地磁気を示す磁力線Ｈは、便宜的に、地面Ｅに対して平行なものとして取り扱うことにする。
【００７６】
このように、従来の携帯電話、ＧＰＳ装置、ＰＤＡ装置など、方位表示を行う機能をもった携帯型情報処理装置は、二次元磁気センサを利用して方位表示を行っていたため、ディスプレイ画面１１の傾斜具合により、最適な方位表示が行われていないにもかかわらず、それをユーザに報知することはできなかった。ところが、本発明に係る三次元磁気センサをこのような携帯電話などに内蔵させるようにすると、このような問題を解決することができるようになる。以下、本発明に係る三次元磁気センサを内蔵した方位表示を行う機能をもった携帯電話の実施例を述べる。
【００７７】
ここで述べる実施例に係る携帯電話の外観は、上述した従来の携帯電話１０の外観と全く同じであり、図２６に示すように、ディスプレイ画面１１、操作ボタン１２、アンテナ１３が設けられている。また、図２７に示すように、北を示す指標１４を表示する機能を有している。ただ、携帯電話１０に内蔵されている磁気センサ１５は、従来のようなＸＹ二次元座標系の磁気センサではなく、たとえば、図３に示すようなＩＪＫ座標系の磁気センサとなっている。もっとも、このＩＪＫ座標系の磁気センサ１５による検出値は、ＸＹＺ三次元直交座標系の検出値に変換されることになる。
【００７８】
図３１は、この実施形態に係る携帯電話における、方位表示に直接関連する構成要素を示すブロック図である。もちろん、この携帯電話には、本来の通信機能を果たす構成要素が備わっているが、図３１では、方位表示に直接関連しない構成要素については図示を省略してある。ＩＪＫ座標系磁気センサ１５は、既に述べてきたように、それぞれＩ軸、Ｊ軸、Ｋ軸を検出軸とする３つの磁気検出素子を有しており、各軸方向の地磁気の検出値Ｈ（ｉ），Ｈ（ｊ），Ｈ（ｋ）を出力する機能を有する。座標系変換部１６は、このようなＩＪＫ座標系の検出値を、ＸＹＺ三次元直交座標系の検出値Ｈ（ｘ），Ｈ（ｙ），Ｈ（ｚ）に変換する機能を有している。このとき、ＸＹＺ三次元直交座標系は、ＸＹ平面がディスプレイ画面１１と平行になり、Ｚ軸がディスプレイ画面１１に直交するように、携帯電話１０に固定された座標系として定義されることになる。もちろん、このＸＹＺ三次元直交座標系は、図２８，図２９，図３０の側面図に示されているとおり、携帯電話１０の傾斜とともに傾斜する座標系になる。
【００７９】
こうして得られたＸＹＺ三次元直交座標系の検出値のうち、検出値Ｈ（ｘ），Ｈ（ｙ），Ｈ（ｚ）は、傾斜度認識部１７へ与えられる。また、検出値Ｈ（ｘ），Ｈ（ｙ）は、方位表示部１８にも与えられる（後述するように、方位表示部１８は、Ｚ軸方向成分Ｈ（ｚ）を必要としない）。
【００８０】
方位表示部１８は、与えられた検出値Ｈ（ｘ），Ｈ（ｙ）に基いて、ディスプレイ画面１１上に方位表示を行う機能を有する。この機能は、上述した従来の二次元磁気センサを内蔵した携帯電話における方位表示機能と同等である。すなわち、検出されたＸ軸方向成分Ｈ（ｘ）およびＹ軸方向成分Ｈ（ｙ）に基いて、
φ＝ａｒｃ　ｔａｎ（Ｈ（ｘ）／Ｈ（ｙ））
なる演算により、地磁気の方向のＹ軸に対する変位角φを求め、図２７に示すように、変位角φに基いてディスプレイ画面１１上に方位表示を行う。
【００８１】
一方、傾斜度認識部１７は、３つの検出値Ｈ（ｘ），Ｈ（ｙ），Ｈ（ｚ）に基いて、ディスプレイ画面１１の水平面に対する傾斜度を認識する構成要素である。傾斜度認識部１７による傾斜度認識を行うようにした目的は、ディスプレイ画面１１上に、方位表示部１８による方位表示が行われている際に、傾斜度認識部１７によって認識された傾斜度の程度をユーザに報知する機能を設け、方位表示が正しいものであるか否かの判断材料をユーザに提供できるようにする点にある。ここに示す実施例の場合、方位表示部１８に、傾斜度認識部１７による認識結果に基いて、方位表示の形態を異ならせる機能をもたせ、傾斜度の程度をユーザに報知するようにしている。具体的には、たとえば、傾斜度が所定のしきい値を越えていた場合に、ユーザに対する警告表示を行うようにしておけばよい。警告表示は、ディスプレイ画面１１上に所定の方法で行うようにする。もっとも、ユーザに対する警告は、必ずしも視覚的認識が可能な表示という形式で行う必要はなく、音などによる警告を行ってもよい。
【００８２】
たとえば、方位表示部１８が、図２７に示すように、北を示す指標１４をディスプレイ画面１１上に表示する処理を実行しているときに、傾斜度が所定のしきい値を越えた場合、この方位表示の指標１４を点滅させることにより、ユーザに対して警告を行うようにしておけば、ユーザは、携帯電話１０全体を寝かせるようにしないと、正しい方位表示が行われない可能性があることを認識することができる。あるいは、傾斜度が所定のしきい値を越えた場合に、ユーザに対する何らかのメッセージを表示するようにしてもよい。たとえば、図２７のディスプレイ画面１１上に、北を示す指標１４とともに、「正確な方位表示を行うために、装置を寝かせてください！」といったメッセージを表示するようにすれば、ユーザに対して適切な警告を行うことが可能になる。もちろん、上記メッセージを音声で発し、警告を行うようにしてもよい。
【００８３】
傾斜度に関するしきい値は、たとえば、図２９に示すような傾斜角ξを定義しておき、ξ＝４５°のように、絶対的な角度値として設定することも可能であるが、三次元磁気センサ１５の出力に基いて相対的なしきい値を設定してもよい。具体的には、傾斜度認識部１７に、検出された地磁気のＸ軸方向成分Ｈ（ｘ）およびＹ軸方向成分Ｈ（ｙ）を合成した大きさと、Ｚ軸方向成分Ｈ（ｚ）の大きさと、を比較することにより傾斜度の認識を行う機能を設けておけばよい。ここに示す実施例では、図３１の傾斜度認識部１７のブロック内に示されているとおり、次の２とおりの比較方法を用意している。第１の比較方法は、（Ｈ（ｘ）２＋Ｈ（ｙ）２）の平方根と、Ｈ（ｚ）の絶対値と、を比較する方法である。第２の比較方法は、Ｈ（ｘ）の絶対値とＨ（ｙ）の絶対値との和と、Ｈ（ｚ）の絶対値と、を比較する方法である。いずれの場合も、後者が前者よりも大きい場合には、傾斜度がしきい値を越えたものと判断し、傾斜度認識部１７から方位表示部１８に対して、その旨を示す報知信号が出力されるようにする。実用上は、いずれか一方の比較方法を採るか、あるいは、２つの比較方法を併用し、いずれか一方の比較方法においてしきい値を越えた場合には報知信号を出力するようにすればよい。方位表示部１８は、このような報知信号を受け取ったときに、上述した種々の方法により、ディスプレイ画面１１上に何らかの警告表示を行う。
【００８４】
以上述べた方法は、傾斜度認識部１７によって、傾斜度がしきい値を越えたか否かを認識し、越えた場合には、方位表示部１８によって所定の警告表示を行う、という手法であり、ユーザには、傾斜度がしきい値を越えたか否かという二値情報のみが報知されることになる。これに対して、認識された傾斜度に関するより詳しい情報をユーザに報知することも可能である。たとえば、傾斜度が所定のしきい値を越えた場合には、上述したように、方位表示を点滅させるようにし、更に、傾斜度が大きくなるほど、点滅速度を速めるような設定を行うことも可能である。あるいは、方位表示の指標の全長を変えることにより、ユーザに傾斜度の程度を報知するようにしてもよい。具体的には、方位表示の指標の全長を、傾斜度が大きくなるほど短く表示するようにしておけば、ユーザは、指標の長さによって傾斜度を認識することができ、指標が短くなっていた場合には、携帯電話１０を水平になるように傾けることにより、指標を伸ばす操作を行うことができるようになる。
【００８５】
なお、傾斜度認識部１７によって認識された傾斜度の程度をユーザに報知する方法としては、必ずしも視覚的な報知方法を採る必要はない。ここに示す実施形態では、図３１のブロック図に示すように、振動機能駆動部１９を更に設け、傾斜度が所定のしきい値を越えていた場合に、携帯電話１０全体を振動させることにより、振動により傾斜度の程度をユーザに報知できるようにしてある。すなわち、傾斜度認識部１７により、傾斜度がしきい値を越えたものと判断された場合、その旨を示す報知信号が、方位表示部１８と振動機能駆動部１９との双方に与えられる。この報知信号を受け取った方位表示部１８は、既に述べたように、ディスプレイ画面１１上に何らかの警告表示を行うことにより、ユーザに視覚的な報知を行う。一方、この報知信号を受け取った振動機能駆動部１９は、携帯電話１０を振動させることにより、ユーザに触覚的な報知を行うことになる。一般的な携帯電話には、ユーザに着信を知らせるための振動機能が備わっているものが多い。振動機能駆動部１９は、このような着信を知らせるための既存の振動機能を利用して構成するようにすればよい。
【００８６】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明に係る三次元磁気センサによれば、支持基板上に形成した斜面に磁気検出素子を配置するようにしたため、小型化および量産化に適した構造を得ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の一般的な三次元磁気センサにおける３つの磁気検出素子の配置例を示す斜視図である。
【図２】本発明に係る三次元磁気センサにおける３つの磁気検出素子の配置例を示す斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施例に係る三次元磁気センサの基本構造を示す斜視図である。
【図４】図３に示す三次元磁気センサの上面図である。
【図５】図４に示す三次元磁気センサを切断線５−５に沿って切断した断面図である。
【図６】図５に示す三次元磁気センサにおいて、３つの磁気検出素子Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ１３の各検出軸Ｉ，Ｊ，Ｋと、三次元直交座標系の各座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚとの幾何学的な位置関係を示す図である。
【図７】本発明に係る三次元磁気センサにおいて直交座標系の検出値を得るために必要な信号処理回路を示すブロック図である。
【図８】本発明の第２の実施例に係る三次元磁気センサの基本構造を示す上面図である。
【図９】図８に示す三次元磁気センサを切断線９−９に沿って切断した断面図である。
【図１０】図９に示す三次元磁気センサにおいて、３つの磁気検出素子Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ１３の各検出軸Ｉ，Ｊ，Ｋと、三次元直交座標系の各座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚとの幾何学的な位置関係を示す図である。
【図１１】本発明の第３の実施例に係る三次元磁気センサの基本構造を示す上面図である。
【図１２】図１１に示す三次元磁気センサを切断線１２−１２に沿って切断した断面図である。
【図１３】図１２に示す三次元磁気センサにおいて、３つの磁気検出素子Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ１３の各検出軸Ｉ，Ｊ，Ｋと、三次元直交座標系の各座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚとの幾何学的な位置関係を示す図である。
【図１４】本発明に係る三次元磁気センサの磁気検出素子として利用可能なホール素子の第１の利用形態を示す図である。
【図１５】本発明に係る三次元磁気センサの磁気検出素子として利用可能なホール素子の第２の利用形態を示す図である。
【図１６】本発明に係る三次元磁気センサの磁気検出素子として利用可能な異方性磁気抵抗素子の利用形態を示す図である。
【図１７】異方性磁気抵抗素子によって、磁界の向きまでも検出する手法を示す平面図である。
【図１８】図１７に示す手法に基いて、異方性磁気抵抗素子にバイアス磁界を加える方法を示す平面図である。
【図１９】図１８に示す４つの異方性磁気抵抗素子によりブリッジ回路を構成する配線を示す配線図である。
【図２０】図１９に示す配線によって構成されたブリッジ回路を示す回路図である。
【図２１】図３に示す三次元磁気センサを製造する第１段階として、シリコン基板上にレジスト層を形成した状態を示す側断面図である。
【図２２】図３に示す三次元磁気センサを製造する第２段階として、異方性エッチングにより、溝Ｇを形成した状態を示す側断面図である。
【図２３】図３に示す三次元磁気センサを製造する第３段階として、溝Ｇを含むシリコン基板の上面に酸化膜を形成した状態を示す側断面図である。
【図２４】図３に示す三次元磁気センサを製造する第４段階として、酸化膜上に磁気検出素子の層を形成した状態を示す側断面図である。
【図２５】図３に示す三次元磁気センサを製造する第５段階として、磁気抵抗素子に対する配線層を形成した状態を示す側断面図である。
【図２６】地図および方位表示の機能をもった一般的な携帯電話の外観を示す平面図である。
【図２７】一般的な携帯電話において、北を示す指標を表示する原理を示す平面図である。
【図２８】一般的な携帯電話を水平に寝かした状態を示す側面図である。
【図２９】一般的な携帯電話を傾斜角ξだけ傾斜させた状態を示す側面図である。
【図３０】一般的な携帯電話を垂直に立てた状態を示す側面図である。
【図３１】本発明に係る三次元磁気センサを携帯電話に内蔵させ、方位表示を行う場合の関連構成要素を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０…装置本体
１１…ディスプレイ画面
１２…操作ボタン
１３…アンテナ
１４…北を示す指標（方位表示）
１５…磁気センサ
１６…座標系変換部
１７…傾斜度認識部
１８…方位表示部
１９…振動機能駆動部
５０…基板
５１…基板の上面
５２…基板の側面
６０…基板
６１…基板の上面
６２…基板の斜面
８０…座標系変換部
１００…支持基板
１１０…溝Ｇの第１の側面
１２０…溝Ｇの第２の側面
１３０…溝Ｇの第３の側面
１４０…溝Ｇの第４の側面
１５０…溝Ｇの底面
１６０…支持基板の上面
２００…シリコン基板
２１０…レジスト層
２２０…シリコン酸化膜
ＡＭＲ１〜ＡＭＲ４…磁気抵抗素子
ａ，ｂ…磁気抵抗素子の両端
Ｃ１，Ｃ２…コイル
Ｅ…地面
Ｆ１，Ｆ２…バイアス磁界の磁力線
Ｇ…溝
Ｈ…検出対象磁気
Ｈ０…バイアス磁界
Ｈ（ｘ）…磁気のＸ軸方向成分
Ｈ（ｙ）…磁気のＹ軸方向成分
Ｈ（ｚ）…磁気のＺ軸方向成分
Ｈ（ｉ）…磁気のＩ軸方向成分
Ｈ（ｊ）…磁気のＪ軸方向成分
Ｈ（ｋ）…磁気のＫ軸方向成分
Ｉ，Ｊ，Ｋ，Ｖ…非直交座標系の座標軸
ｉ，ｉ１，ｉ２…電流
Ｍ１，Ｍ２…磁気検出素子
Ｍ１１〜Ｍ１３…磁気検出素子
Ｍ１２〜Ｍ２３…磁気検出素子
Ｍ３１〜Ｍ３３…磁気検出素子
Ｍａ…異方性磁気抵抗素子
Ｍｈ…ホール素子
Ｍｖ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ…磁気検出素子
Ｏ，Ｑ…座標系の原点
Ｒ，Ｒ０，ΔＲ…抵抗値
Ｔ１〜Ｔ４…端子
Ｖ…検出電圧
Ｗ１，Ｗ２…配線層
Ｘ，Ｙ，Ｚ…直交座標系の座標軸
θ…支持基板の主面に対する斜面の傾斜角
φ…水平面上での磁力線の変位角
ξ…水平面に対する傾斜角
【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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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