(57)【要約】【課題】非常に小型であり、高感度かつプルーブ形状の影響のない高精度の磁性粒子濃度検出が行える磁気センサ及び磁気センサの製造方法を提供する、小型かつ高い強度を有する磁気センサを容易に製造できる磁気センサの製造方法を提供する。【解決手段】針状検出部を有する磁気センサであって、針状検出部が、針形状に切断加工された基板と、基板上に形成された少なくとも１つのＭＲ素子と、基板上に形成されており一端が少なくとも１つのＭＲ素子に電気的に接続された少なくとも２つのリード導体と、少なくとも１つのＭＲ素子及び少なくとも２つのリード導体を覆う保護膜とを備えている。【選択図】図１
2007292632.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
針状検出部を有する磁気センサであって、該針状検出部が、針形状に切断加工された基板と、該基板上に一体的に形成された少なくとも１つの磁気抵抗効果素子と、該基板上に一体的に形成されており一端が該少なくとも１つの磁気抵抗効果素子に電気的に接続された少なくとも２つのリード導体と、前記少なくとも１つの磁気抵抗効果素子及び前記少なくとも２つのリード導体を覆う保護膜とを備えていることを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
前記少なくとも１つの磁気抵抗効果素子が、前記基板の先端部に形成された少なくとも１つの磁気抵抗効果素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記少なくとも１つの磁気抵抗効果素子が、前記基板の基部に形成された少なくとも１つの磁気抵抗効果素子をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記少なくとも１つの磁気抵抗効果素子が、前記基板の中間部に形成された少なくとも１つの磁気抵抗効果素子をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の磁気センサ。
【請求項５】
前記少なくとも１つの磁気抵抗効果素子が、前記基板の前記先端部に形成された測定用の１つの磁気抵抗効果素子と前記基板の前記基部に形成された３つの磁気抵抗効果素子とを含んでいることを特徴とする請求項３又は４に記載の磁気センサ。
【請求項６】
前記４つの磁気抵抗効果素子が、ブリッジ接続されていることを特徴とする請求項５に記載の磁気センサ。
【請求項７】
前記少なくとも１つの磁気抵抗効果素子が、前記基板の前記先端部に形成された測定用の１つの磁気抵抗効果素子と前記基板の前記中間部に形成された測定用の少なくとも１つの磁気抵抗効果素子と前記基板の前記基部に形成された少なくとも４つの磁気抵抗効果素子とを含んでいることを特徴とする請求項４に記載の磁気センサ。
【請求項８】
前記基板の前記先端部に形成された測定用の磁気抵抗効果素子と前記基板の前記基部に形成された前記少なくとも４つの磁気抵抗効果素子のうちの３つの磁気抵抗効果素子とがブリッジ接続されており、前記基板の前記中間部に形成された測定用の磁気抵抗効果素子と前記基板の前記基部に形成された前記少なくとも４つの磁気抵抗効果素子のうちの３つの磁気抵抗効果素子とがブリッジ接続されていることを特徴とする請求項７に記載の磁気センサ。
【請求項９】
前記少なくとも１つの磁気抵抗効果素子が、同一の磁化固定方向を有する複数の磁気抵抗効果素子からなることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項１０】
前記基板が、金属材料又はセラミック材料で形成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項１１】
前記金属材料が、ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１０に記載の磁気センサ。
【請求項１２】
前記セラミック材料が、アルチックであることを特徴とする請求項１０に記載の磁気センサ。
【請求項１３】
前記基板の先端が、傾斜加工により尖鋭端となっていることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項１４】
前記基板の前記尖鋭端の傾斜が、該基板の長手方向に対して１０〜４５°であることを特徴とする請求項１３に記載の磁気センサ。
【請求項１５】
前記保護膜が、セラミック層であることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項１６】
前記セラミック層が、アルミナ層からなることを特徴とする請求項１５に記載の磁気センサ。
【請求項１７】
前記針状検出部のほぼ全表面を覆う表面改質層をさらに備えたことを特徴とする請求項１から１６のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項１８】
前記表面改質層が、ダイアモンドライクカーボン層、窒化チタン層又はチタニア層であることを特徴とする請求項１７に記載の磁気センサ。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの磁気抵抗効果素子が、少なくとも１つの巨大磁気抵抗効果素子又はトンネル磁気抵抗効果素子であることを特徴とする請求項１から１８のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項２０】
前記針状検出部が、前記基板上に形成されており前記少なくとも２つのリード導体の他端に電気的に接続された少なくとも２つの接続パッドをさらに備えたことを特徴とする請求項１から１９のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項２１】
一端が前記少なくとも２つの接続パッドに電気的に接続された可撓性の配線部材をさらに備えたことを特徴とする請求項２０に記載の磁気センサ。
【請求項２２】
前記配線部材が、フレクシブルプリント回路部材であることを特徴とする請求項２１に記載の磁気センサ。
【請求項２３】
前記針状検出部の基部及び前記配線部材を密封内蔵する筐体をさらに備えたことを特徴とする請求項２１又は２２に記載の磁気センサ。
【請求項２４】
前記筐体が樹脂材料で形成されていることを特徴とする請求項２３に記載の磁気センサ。
【請求項２５】
ウエハ上に、多数の磁気抵抗効果素子と一端が該多数の磁気抵抗効果素子にそれぞれ電気的に接続された多数のリード導体と該多数のリード導体の他端にそれぞれ電気的に接続された多数の接続パッドとを薄膜のフォトリソグラフィ技術によって形成するウエハ工程と、該ウエハ工程の後に、前記ウエハを切断することによって、針形状の基板と、該基板上に形成された少なくとも１つの磁気抵抗効果素子と、前記基板上に形成されており一端が該少なくとも１つの磁気抵抗効果素子に電気的に接続された少なくとも２つのリード導体と、前記基板上に形成されており前記少なくとも２つのリード導体の他端に電気的に接続された少なくとも２つの接続パッドとを備えた針状検出部を作成する加工工程とを備えたことを特徴とする磁気センサの製造方法。
【請求項２６】
前記ウエハ工程が、前記少なくとも１つの磁気抵抗効果素子及び前記少なくとも２つのリード導体を保護膜で覆う工程を含んでいることを特徴とする請求項２５に記載の製造方法。
【請求項２７】
前記保護膜で覆う工程が、前記少なくとも１つの磁気抵抗効果素子及び前記少なくとも２つのリード導体をセラミック層で覆う工程を含んでいることを特徴とする請求項２６に記載の製造方法。
【請求項２８】
前記加工工程が、前記ウエハを複数の針状検出部が一列に配列されたバー部材に切断する工程と、該バー部材の一端を傾斜加工により尖鋭化する工程と、該バー部材を切断して個々の針状検出部に分離する工程とを備えていることを特徴とする請求項２５から２７のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項２９】
前記尖鋭化する工程が、前記針状検出部の先端の傾斜が、該針状検出部の長手方向に対して１０〜４５°となるように加工する工程であることを特徴とする請求項２８に記載の製造方法。
【請求項３０】
前記針状検出部のほぼ全体を表面改質層で覆う工程をさらに含んでいることを特徴とする請求項２５から２９のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項３１】
前記表面改質層が、ダイアモンドライクカーボン層、窒化チタン層又はチタニア層であることを特徴とする請求項３０に記載の製造方法。
【請求項３２】
前記針状検出部の前記少なくとも２つの接続パッドに可撓性の配線部材の一端を電気的に接続する接続工程をさらに備えたことを特徴とする請求項２５から３１のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項３３】
前記針状検出部の基部及び前記配線部材を筐体内に密封収容する収容工程をさらに備えたことを特徴とする請求項３２に記載の製造方法。
【請求項３４】
前記ウエハ工程が、前記多数の磁気抵抗効果素子の磁化方向が同一方向となるように磁化する工程を含んでいることを特徴とする請求項２５から３３のいずれか１項に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無限空間中における磁性物体の存在確率(濃度)を正確に測定するために用いる針状検出部を有する磁気センサ及び磁気センサの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体中の磁気粒子の濃度を測定したり、磁性流体の濃度を正確に測定するために、磁気検出素子として磁気抵抗効果（ＭＲ）素子を備えた磁気センサが用いられる。
【０００３】
特許文献１には、流体中の磁性粒子の体積密度を測定するために、流体を支える層状構造を備えた基板を有するＭＲ検出装置が開示されている。この層状構造は、第一レベルの第一の表面エリアと、別の第二レベルの第二の表面エリアと、流体中の少なくとも１つの磁性粒子の磁場を検出するＭＲ素子とを有しており、このＭＲ素子は、第一の表面エリアと第二の表面エリアの間の移行部近くに配置され、第一及び第二の表面エリアの少なくとも一方の方を向いている。このＭＲ検出装置において、磁性粒子を含む流体を層状構造上に供給し、磁場を掛けながらＭＲ検出素子をセンシングし、ＭＲ検出素子からの出力信号を磁場が掛けられていないときに取得された基準信号と比較して磁性粒子の体積密度を求めることが開示されている。
【０００４】
特許文献２には、鋭利な先端を持つパイプ内部に、固定電解質で隔てた酸素参照物質を設置した注射針状の活性酸素センサが開示されている。
【０００５】
特許文献３には、先端部に熱電対センサによる感温部を有する針状センサを備えた温度測定装置が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特表２００５−５１３４８５号公報
【特許文献２】特開２００２−０５５０７８号公報
【特許文献３】特開２００１−３３６９９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載された磁気センサによれば、ＭＲ素子を用いているので、磁性流体からの磁場を高感度に測定することが可能である。しかしながら、段差を有する平板状の基板に流体を接触させて磁場測定を行っているため、基板の形状効果が測定結果に現れて、磁性粒子の正確な濃度測定が困難となる。即ち、検出素子の周囲に大きな物体、例えば板状の基板が存在すると、基板によって一部磁界が遮断されるため、被検出体が全面均一一様であるとする仮定が成り立たなくなり、測定濃度に影響が生じてしまう。このため、特許文献１では、外部磁場を印加したときと印加しないときとのＭＲ素子の出力を比較して磁性粒子の体積密度を求めるようにしている。
【０００８】
このような比較測定を行うことなく、磁性粒子の濃度を精度良く測定するためには、磁気センサ全体を小型化するとともに、磁気検出素子を支持している他の物体の材料や形状の影響をできるだけ低減することが重要となる。
【０００９】
特許文献２及び３のように、検出素子を細い針状のプルーブに取り付ければ、センサの小型化が図れ、基板の形状効果を多少は低減させることが可能である。しかしながら、特許文献２は固定電解質で隔てた酸素参照物質を針状プルーブの先端部に設けた活性酸素センサであり、また、特許文献３は熱電対を針状プルーブの先端部に設けた温度センサであって、いずれも磁性粒子の濃度を検出する磁気センサではない。しかも、これら針状プルーブの外径は最小でも０．７ｍｍ程度であり、従来技術においては、たとえ活性酸素センサや温度センサであっても、より細いプルーブを実現することができなかった。従って、たとえ、特許文献２及び３に記載の針状プルーブを用いて磁気センサを実現したとしても、そのプルーブの太さゆえにある程度の形状効果が生じてしまい、より精度の高い濃度検出を行うことができない。
【００１０】
従って本発明の目的は、非常に小型であり、高感度かつプルーブ形状の影響のない高精度の磁性粒子濃度検出が行える磁気センサ及び磁気センサの製造方法を提供することにある。
【００１１】
本発明の他の目的は、小型かつ高い強度を有する磁気センサを容易に製造できる磁気センサの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、針状検出部を有する磁気センサであって、針状検出部が、針形状に切断加工された基板と、基板上に形成された少なくとも１つのＭＲ素子と、基板上に形成されており一端が少なくとも１つのＭＲ素子に電気的に接続された少なくとも２つのリード導体と、少なくとも１つのＭＲ素子及び少なくとも２つのリード導体を覆う保護膜とを備えている磁気センサが提供される。
【００１３】
針状検出部における基板が針形状に切断加工されており、その基板上に少なくとも１つのＭＲ素子、少なくとも２つのリード導体及びこれらを覆う保護膜を一体的に設けた構成となっているため、針状検出部を１５０μｍ（０．１５ｍｍ）以下の非常に細い針形状とすることができる。このように非常に細い針形状の検出部とすることによって、プルーブ形状の影響のない高精度の磁性粒子の濃度検出を行うことが可能となる。また、このように細い針形状とすると、針状部分の剛性が不足し、容易に曲がったり折れたりすることが多いが、本発明では基板自体を針状に切断加工しているので、その基板材料としてアルチック等の硬質材料を用いることによって細い針形状でも折れにくく、曲がりにくい高い強度の針状検出部を得ることができる。なお、「針形状」とは、一般に、細く先が尖った形状を意味しているが、本明細書においては、充分に細い形状、例えば長さが径の１０倍以上、を示している。先端は尖鋭端となっていることが好ましいが、充分に細ければ鈍端であっても丸状端であってもその他の形状であっても良い。
【００１４】
少なくとも１つのＭＲ素子が、基板の先端部に形成された少なくとも１つのＭＲ素子を含むことが好ましい。「基板の先端部」とは、例えば基板の先端からその全長の１／３の長さの部分までを示している。
【００１５】
少なくとも１つのＭＲ素子が、基板の基部に形成された少なくとも１つのＭＲ素子をさらに含むことも好ましい。「基板の基部」とは、例えば基板の後端からその全長の１／３の長さの部分までを示している。
【００１６】
少なくとも１つのＭＲ素子が、基板の中間部に形成された少なくとも１つのＭＲ素子をさらに含むことも好ましい。「基板の中間部」とは、例えば基板の先端部及び基部以外の部分を示している。
【００１７】
少なくとも１つのＭＲ素子が、基板の先端部に形成された測定用の１つのＭＲ素子と基板の基部に形成された３つのＭＲ素子とを含んでいることも好ましい。この場合、４つのＭＲ素子が、ブリッジ接続されていることがより好ましい。
【００１８】
少なくとも１つのＭＲ素子が、基板の先端部に形成された測定用の１つのＭＲ素子と基板の中間部に形成された測定用の少なくとも１つのＭＲ素子と基板の基部に形成された少なくとも４つのＭＲ素子とを含んでいることも好ましい。この場合、基板の先端部に形成された測定用のＭＲ素子と基板の基部に形成された少なくとも４つのＭＲ素子のうちの３つのＭＲ素子とがブリッジ接続されており、基板の中間部に形成された測定用のＭＲ素子と基板の基部に形成された少なくとも４つのＭＲ素子のうちの３つのＭＲ素子とがブリッジ接続されていることがより好ましい。
【００１９】
少なくとも１つのＭＲ素子が、同一の磁化固定方向を有する複数のＭＲ素子からなることも好ましい。
【００２０】
基板が、金属材料又はセラミック材料で形成されていることが好ましい。この場合、金属材料が、ステンレス鋼であることがより好ましく、セラミック材料が、アルチック（Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＣの焼結体、以下ＡｌＴｉＣと表記）であることがより好ましい。
【００２１】
基板の先端が、傾斜加工により尖鋭端となっていることが好ましい。この場合、基板の尖鋭端の傾斜が、該基板の長手方向に対して１０〜４５°であることがより好ましい。
【００２２】
保護膜が、セラミック層からなることが好ましい。
【００２３】
このセラミック層が、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）層であることがより好ましい。
【００２４】
針状検出部のほぼ全表面（接続パッドの部分を除く全表面）を覆う表面改質層をさらに備えたたことが好ましい。この場合、表面改質層が、ダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）層、窒化チタン（ＴｉＮ）層又はチタニア（ＴｉＯ２）層であることがより好ましい。
【００２５】
少なくとも１つのＭＲ素子が、少なくとも１つのＧＭＲ素子又はトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子であることも好ましい。
【００２６】
針状検出部が、基板上に形成されており少なくとも２つのリード導体の他端に電気的に接続された少なくとも２つの接続パッドをさらに備えたことも好ましい。
【００２７】
一端が少なくとも２つの接続パッドに電気的に接続された可撓性の配線部材をさらに備えたことも好ましい。この配線部材が、フレクシブルプリント回路（ＦＰＣ）部材であることがより好ましい。
【００２８】
針状検出部の基部及び配線部材を密封内蔵する筐体をさらに備えたことも好ましい。この場合、筐体が樹脂材料で形成されていることがより好ましい。
【００２９】
本発明によれば、さらに、ウエハ上に、多数のＭＲ素子と一端が多数のＭＲ素子にそれぞれ電気的に接続された多数のリード導体と多数のリード導体の他端にそれぞれ電気的に接続された多数の接続パッドとを薄膜のフォトリソグラフィ技術によって形成するウエハ工程と、ウエハ工程の後に、ウエハを切断することによって、針形状の基板と、基板上に形成された少なくとも１つのＭＲ素子と、基板上に形成されており一端が少なくとも１つのＭＲ素子に電気的に接続された少なくとも２つのリード導体と、基板上に形成されており少なくとも２つのリード導体の他端に電気的に接続された少なくとも２つの接続パッドとを備えた針状検出部を作成する加工工程とを備えた磁気センサの製造方法が提供される。
【００３０】
ウエハを切断することによって、尖鋭端を有する針形状の基板並びにこの基板の上に一体的に形成された少なくとも１つのＭＲ素子、少なくとも２つのリード導体及び少なくとも２つの接続パッドを得るようにしているため、針状検出部を１５０μｍ以下の非常に細い針形状とすることができる。このように非常に細い針形状の検出部とすることによって、プルーブ形状の影響のない高精度の磁性粒子の濃度検出を行うことが可能となる。また、このように細い針形状とすると、針状部分の剛性が不足し、容易に曲がったり折れたりすることが多いが、基板自体を針状に切断加工しているので、その基板材料としてアルチック等の硬質材料を用いることによって細い針形状でも折れにくく、曲がりにくい高い強度の針状検出部を得ることができる。しかも、薄膜のウエハ工程及び加工工程によってこのような針状検出部が形成できるため、磁気センサの製造が非常に容易となる。
【００３１】
ウエハ工程が、少なくとも１つのＭＲ素子及び少なくとも２つのリード導体を保護膜で覆う工程を含んでいることが好ましい。
【００３２】
保護膜で覆う工程が、少なくとも１つのＭＲ果素子及び少なくとも２つのリード導体をセラミック層で覆う工程を含んでいることが好ましい。
【００３３】
セラミック層が、Ａｌ２Ｏ３層であることも好ましい。
【００３４】
加工工程が、ウエハを複数の針状検出部が一列に配列されたバー部材に切断する工程と、バー部材の一端を傾斜加工により尖鋭化する工程と、バー部材を切断して個々の針状検出部に分離する工程とを備えていることが好ましい。この場合、傾斜加工する工程が、針状検出部の先端の傾斜が、針状検出部の長手方向に対して１０〜４５°となるように加工する工程であることがより好ましい。
【００３５】
針状検出部のほぼ全体を表面改質層で覆う工程をさらに含んでいることが好ましい。この場合、表面改質層が、ＤＬＣ層、ＴｉＮ層又はＴｉＯ２層であることがより好ましい。
【００３６】
針状検出部の少なくとも２つの接続パッドに可撓性の配線部材の一端を電気的に接続する接続工程をさらに備えたことも好ましい。
【００３７】
針状検出部の基部及び配線部材を筐体内に密封収容する収容工程をさらに備えたことも好ましい。
【００３８】
ウエハ工程が、少なくとも１つのＭＲ素子を、基板の先端部の位置に形成する工程を含んでいることも好ましい。
【００３９】
ウエハ工程が、少なくとも１つのＭＲ素子を、基板の中間部の位置にも形成する工程を含んでいることも好ましい。
【００４０】
ウエハ工程が、少なくとも１つのＭＲ素子を、基板の基部の位置にも形成する工程を含んでいることも好ましい。
【００４１】
ウエハ工程が、多数のＭＲ素子の磁化方向が同一方向となるように磁化する工程を含んでいることも好ましい。
【００４２】
ウエハが、金属材料又はセラミック材料で形成されていることも好ましい。この場合、金属材料が、ステンレス鋼であることがより好ましく、セラミック材料が、ＡｌＴｉＣであることがより好ましい。
【００４３】
ウエハ工程が、少なくとも１つのＭＲ素子として、少なくとも１つのＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子を形成する工程であることも好ましい。
【発明の効果】
【００４４】
本発明によれば、針状検出部を１５０μｍ以下の非常に細い針形状とすることができるから、プルーブ形状の影響のない高精度の磁性粒子の濃度検出を行うことが可能となる。さらに、基板自体を針状に切断加工しているので、その基板材料としてアルチック等の硬質材料を用いることによって細い針形状でも折れにくく、曲がりにくい高い強度の針状検出部を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
図１は本発明の一実施形態における磁気センサの全体構成を概略的に示す斜視図である。
【００４６】
同図において、１０は尖鋭な先端を有し、中実（中空ではない）の針形状に加工された針状検出部、１１は針状検出部１０の基部１０ａ及び配線部材であるＦＰＣ部材１２を内部に収容した筐体、１３は図示しない検出回路に接続されるコネクタをそれぞれ示している。
【００４７】
筐体１１は針状検出部１０の基部１０ａ、ＦＰＣ部材１２の全体及びコネクタ１３の一部等を密封内蔵するように樹脂材料をモールドして構成されている。樹脂材料としては一般的に使用されるいかなる材料であっても良いが、本実施形態では、ポリエチレンテレフタート（ＰＥＴ）複合系樹脂、例えばユニチカ株式会社の「ユニレート」を使用している。なお、筐体１１は、外部から印加される磁界に影響を与えないような非磁性材料であれば、樹脂材料以外のいかなる材料で構成しても良い。
【００４８】
図２は図１の磁気センサにおける針状検出部の構成を概略的に示す斜視図であり、図３は図１の磁気センサにおける針状検出部の構成を概略的に示す分解斜視図であり、図４は図１の磁気センサにおける針状検出部の先端部の構成を概略的に示す拡大斜視図であり、図５は図１の磁気センサにおける針状検出部のＧＭＲ素子、リード導体及び接続パッド等のパターンを概略的に示す平面図であり、図６及び図７は図１の磁気センサにおける針状検出部のＧＭＲ素子、リード導体及び接続パッド等の電気的構成を示す回路図である。
【００４９】
これらの図に示すように、針状検出部１０は、尖鋭端を有するように針形状に切断加工された基板１００と、この基板１００の１つの面（素子形成面）１００ａ上に形成された薄膜による４つのスピンバルブＧＭＲ素子１０１、１０２、１０３及び１０４と、４つの接続パッド１０５、１０６、１０７及び１０８と、スピンバルブＧＭＲ素子１０１、１０２、１０３及び１０４並びに接続パッド１０５、１０６、１０７及び１０８間を電気的に接続するリード導体１０９、１１０、１１１及び１１２と、接続パッド１０５、１０６、１０７及び１０８の部分を除くスピンバルブＧＭＲ素子１０１、１０２、１０３及び１０４並びにリード導体１０９、１１０、１１１及び１１２を覆う保護膜１１３とから構成されている。
【００５０】
基板１００は、硬質材料である、ステンレス鋼等の金属材料又はＡｌＴｉＣ等のセラミック材料で形成されている。
【００５１】
スピンバルブＧＭＲ素子１０１、１０２、１０３及び１０４の各々は、基本的には、反強磁性材料によるピン層及び強磁性材料によるピンド層からなる磁化固定層と、非磁性中間層と、強磁性材料による磁化自由層（フリー層）とを積層した多層構造を有しており、ピンド層がフリー層の延在方向と垂直な方向に磁化固定されている。全てのスピンバルブＧＭＲ素子１０１、１０２、１０３及び１０４の磁化固定方向は同一方向である。本実施形態において、各スピンバルブＧＭＲ素子は、図５に示すように、互いに平行に配列された４つのスピンバルブＧＭＲ多層膜をリード導体で互いに直列に接続して構成されている。変更態様においては、１本のスピンバルブＧＭＲ多層膜を折り返したパターンとしても良い。
【００５２】
接続パッド１０５、１０６、１０７及び１０８並びにリード導体１０９、１１０、１１１及び１１２は、例えば銅（Ｃｕ）等の導電材料で形成されている。接続パッド１０５、１０６、１０７及び１０８の部分は、Ｃｕによるバンプ層の上に金（Ａｕ）によるボンディングパッド層が積層されている。
【００５３】
保護膜１１３は、本実施形態においては、Ａｌ２Ｏ３層等のセラミック層単体で構成されている。針状検出部１０の接続パッド１０５、１０６、１０７及び１０８の部分を除く全表面は、ＤＬＣ層、ＴｉＮ層若しくはＴｉＯ２層等の表面改質層で覆われている。表面改質層がＤＬＣ層の場合は生体に対して親和性が高いことから、医療分野における計測、検査等の用途に有用である。ＴｉＮ層の場合は硬質層であることから表面を硬質化することができる。ＴｉＯ２層は光触媒反応により汚れを分解する機能を持たせることができる。
【００５４】
接続パッド１０５は出力電圧Ｖｏｕｔ用であり、接続パッド１０６は参照電圧Ｖｒｅｆ用であり、接続パッド１０７は電源電圧Ｖｃｃ用であり、接続パッド１０８はグランドＧＮＤ用である。リード導体１０９はＶｏｕｔ用接続パッド１０５とスピンバルブＧＭＲ素子１０１及び１０２の一端とを電気的に接続しており、リード導体１１０はＧＮＤ用接続パッド１０８とスピンバルブＧＭＲ素子１０１の他端及びスピンバルブＧＭＲ素子１０４の一端とを電気的に接続しており、リード導体１１１はＶｃｃ用接続パッド１０７とＧＭＲ素子１０２の他端及びスピンバルブＧＭＲ素子１０３の一端とを電気的に接続しており、リード導体１１２はＶｒｅｆ用接続パッド１０６とスピンバルブＧＭＲ素子１０３及び１０４の他端とを電気的に接続している。従って、図７からも分かるように、４つのスピンバルブＧＭＲ素子１０１、１０２、１０３及び１０４は、ホイートストンブリッジ接続されていることとなり、スピンバルブＧＭＲ素子１０１は磁気検出用（測定用）として動作し、他のスピンバルブＧＭＲ素子１０２、１０３及び１０４は温度補償用として動作する。
【００５５】
本実施形態において、基板１００の先端は、素子形成面１００ａとは反対側の面が斜めに切り落とされており、即ち傾斜加工されており、尖鋭となっている。この基板１００の先端の基板長手方向に対する傾斜角θは、θ＝１０〜４５°となっている。この角度範囲とすることで、プルーブ形状の影響の無い磁性粒子濃度の検出が可能な磁気センサを高い加工歩留りで生産することができる。
【００５６】
測定用のスピンバルブＧＭＲ素子１０１は基板１００の先端部１００ｂに形成されており、温度補償用のスピンバルブＧＭＲ素子１０２、１０３及び１０４は基板１００の基部１００ｃに形成されている。
【００５７】
本実施形態の磁気センサは、流体中の磁性粒子の濃度や磁性流体の濃度を測定する場合に非常に有効である。例えば、動物検体等の温熱療法に使用されるフェライトや金属微粒子の濃度測定に用いて非常に有効である。
【００５８】
磁性微粒子の濃度測定は、均一な外部磁界を印加した状態で磁性微粒子を含む流体からの磁界を磁気センサで検出することによって行われる。均一磁界中の球状磁性体内の磁界は均一であり、その磁界は印加磁界と磁性体の透磁率とから表され、磁性体の比透磁率と体積濃度との間には一定の関係があることから、検出した磁界及び印加磁界が分かれば、これに比例する磁性流体の濃度を知ることができる。ただし、磁性微粒子の形状、磁性微粒子が均一に分布していること、磁性流体が球状に分布していること等の仮定が含まれる。実際に濃度測定を行う場合には、磁気センサの針状検出部１０を測定すべき流体中に挿入して得られる出力電圧Ｖｏｕｔを抽出することによって行われる。具体的には、例えば、この出力電圧Ｖｏｕｔと参照電圧Ｖｒｅｆとの差動電圧を抽出する。
【００５９】
上述したように、本実施形態の磁気センサによれば、基板１００自体が尖鋭な先端を有する針状の中実体に切断加工されており、その上にスピンバルブＧＭＲ素子等を一体的に設けた構成となっているため、針状検出部１０全体を１５０μｍ以下の非常に細い針形状とすることができる。このように非常に細い針形状の検出部とすることによって、測定対象（検体）の任意の部分に刺入してプルーブ形状の影響のない高精度の濃度検出を行うことが可能となる。また、基板１００をＡｌＴｉＣ等の硬質材料で形成しているので、細い針形状でも折れにくくかつ曲がりにくい高い強度の針状検出部１０となっている。さらに、針状検出部１０は、Ａｌ２Ｏ３層等のセラミック層を含む無機の保護膜１１３で覆われているため、どのような検体にも安全にかつ安心して用いることができる。さらにまた、この磁気センサは、環境に負荷を与えるような物質は用いていないため、使い捨てとすることができる。また、検出素子としてスピンバルブＧＭＲ素子を用いているので、小型化でき非常に高感度の検出を行うことができる。
【００６０】
なお、以上の説明は、電源が直流電源の場合であるが、電源が交流電源であり交流駆動しても良いことは明らかである。
【００６１】
また、磁気検出素子としてスピンバルブＧＭＲ素子を用いる代わりにＴＭＲ素子を用いても良いことも明らかである。
【００６２】
図８〜図２９は本実施形態における磁気センサの製造工程を説明するための図であり、以下これらの図を用いて磁気センサの製造方法を説明する。
【００６３】
まず、図８（Ｂ）に示すようなＡｌＴｉＣウエハ（基板）８０上に図８（Ａ）及び（Ｃ）に示すように、Ａｌ２Ｏ３による下地層８１を成膜する。
【００６４】
次いで、図９（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、下地層８１上にスピンバルブＧＭＲ素子用の多層膜８２を成膜する。
【００６５】
次いで、図１０（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、多層膜８２をパターニングして多数のスピンバルブＧＭＲ素子８２′を得る。
【００６６】
次いで、図１１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、これらスピンバルブＧＭＲ素子８２′を保護するための例えばＡｌ２Ｏ３等による保護層８３を成膜する。
【００６７】
次いで、図１２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、スピンバルブＧＭＲ素子８２′の両端に対応する位置の保護層にスルーホール８４を形成する。
【００６８】
次いで、図１３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、その上にＣｕ等の導電材料層８５を成膜する。
【００６９】
次いで、図１４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、導電材料層８５をパターニングして、一端がスピンバルブＧＭＲ素子８２′に電気的に接続されたリード導体８５′を形成する。
【００７０】
次いで、図１５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、リード導体８５′の他端の部分にＣｕ等の導電材料によるバンプ８６を形成する。
【００７１】
次いで、図１６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、その上にＡｌ２Ｏ３等による保護膜８７を成膜する。Ａｌ２Ｏ３に代えてその他のセラミック材料による層を成膜しても良い。
【００７２】
次いで、図１７（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、保護膜８７及びバンプ８６の表面をラッピングして平坦化し、バンプ８６を露出させる。
【００７３】
次いで、図１８（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、バンプ８６上にＡｕ等によるボンディングパッド層８８を形成する。
【００７４】
その後、図１９に示すように、このように多数のスピンバルブＧＭＲ素子、リード導体及び接続パッドを形成したウエハ８０の裏面を研磨し、厚さを２５０〜３００μｍ程度に薄くしたウエハ８０′を得る。
【００７５】
次いで、図２０に示すように、薄くしたウエハ８０′を複数の針状検出部が一列に配列された複数のバー部材８９に切断する。図２１はこのようにして得られた１つのバー部材８９を示している。
【００７６】
次いで、針状検出部の先端に対応するバー部材８９の一端８９ａを傾斜加工により鋭角化し、図２２に示すバー部材８９′を得る。この傾斜加工は、分離された後の針状検出部の先端が、その長手方向に対して１０〜４５°となるように加工するものである。
【００７７】
次いで、図２３に示すように、傾斜加工したバー部材８９′を切断し、個々の針状検出部９０に分離する。
【００７８】
次いで、図２４に示すように、必要に応じて針状検出部９０の長手方向に沿った角を面取りし、針状検出部９０′を得る。その後、針状検出部１０の接続パッド１０５、１０６、１０７及び１０８の部分を除く全表面を、ＤＬＣ層、ＴｉＮ層若しくはＴｉＯ２層等の表面改質層で覆う。
【００７９】
以後、磁気センサの組み立てが行われる。図２５に示すように、面取り加工した針状検出部９０′と、配線部材であるＦＰＣ部材９１と、例えばステンレス鋼板等の硬い板部材からなるベースプレート９２とを用意する。
【００８０】
まず、図２６に示すようにベースプレート９２にＦＰＣ部材９１を接着固定し、さらに図２７に示すようにこのベースプレート９２に針状検出部９０′の接続パッド側の後端部を接着固定する。
【００８１】
次いで、図２８に示すように、針状検出部９０′の４つの接続パッドとＦＰＣ部材の接続パッドとをワイヤ９３を用いたワイヤボンディングによりそれぞれ電気的に接続する。
【００８２】
次いで、図２９に示すように、ワイヤボンディングによる接続部を保護接着剤９４によって被覆する。
【００８３】
その後、図１に示すように、針状検出部９０′（１０）の基部及びＦＰＣ部材９１（１２）を筐体１１内に密封収容して、磁気センサが完成する。
【００８４】
図３０は本発明の他の実施形態の磁気センサにおける針状検出部の構成を概略的に示す斜視図であり、図３１は図３０の磁気センサにおける針状検出部の構成を概略的に示す分解斜視図であり、図３２は図３０の磁気センサにおける針状検出部のＧＭＲ素子、リード導体及び接続パッド等の電気的構成を示す回路図である。本実施形態においては、針状検出部が、３つの測定用スピンバルブＧＭＲ素子を基板の先端部、中間部及び後端部（基部）に備えたマルチ検出素子構成となっている。なお、本実施形態におけるＦＰＣ部材、コネクタ、筐体等の構成は、配線部材の導体数及びコネクタ数を除いて、図１に示したものとほぼ同様のである。
【００８５】
図３０〜図３２に示すように、本実施形態における針状検出部３０は、尖鋭端を有するように針形状に切断加工された基板３００と、この基板３００の１つの面（素子形成面）３００ａ上に形成された薄膜による８つのスピンバルブＧＭＲ素子３０１、３０２、３０３、３０４、３０５、３０６、３０７及び３０８と、６つの接続パッド３０９、３１０、３１１、３１２、３１３及び３１４と、スピンバルブＧＭＲ素子３０１、３０２、３０３、３０４、３０５、３０６、３０７及び３０８並びに接続パッド３０９、３１０、３１１、３１２、３１３及び３１４間を電気的に接続するリード導体３１５と、接続パッド３０９、３１０、３１１、３１２、３１３及び３１４の部分を除くスピンバルブＧＭＲ素子３０１、３０２、３０３、３０４、３０５、３０６、３０７及び３０８並びにリード導体３１５を覆う保護膜３１６とから構成されている。
【００８６】
基板３００は、硬質材料である、ステンレス鋼等の金属材料又はＡｌＴｉＣ等のセラミック材料で形成されている。
【００８７】
スピンバルブＧＭＲ素子３０１、３０２、３０３、３０４、３０５、３０６、３０７及び３０８の各々は、基本的には、反強磁性材料によるピン層及び強磁性材料によるピンド層からなる磁化固定層と、非磁性中間層と、強磁性材料によるフリー層とを積層した多層構造を有しており、ピンド層がフリー層の延在方向と垂直な方向に磁化固定されている。全てのスピンバルブＧＭＲ素子３０１、３０２、３０３、３０４、３０５、３０６、３０７及び３０８の磁化固定方向は同一方向である。本実施形態において、各スピンバルブＧＭＲ素子は、図５に示したものと同様に、互いに平行に配列された４つのスピンバルブＧＭＲ多層膜をリード導体で互いに直列に接続して構成されている。変更態様においては、１本のスピンバルブＧＭＲ多層膜を折り返したパターンとしても良い。
【００８８】
接続パッド３０９、３１０、３１１、３１２、３１３及び３１４並びにリード導体３１５は、例えばＣｕ等の導電材料で形成されている。接続パッド３０９、３１０、３１１、３１２、３１３及び３１４の部分は、Ｃｕによるバンプ層の上にＡｕによるボンディングパッド層が積層されている。
【００８９】
保護膜３１６は、本実施形態においては、Ａｌ２Ｏ３層等のセラミック層単体で構成されている。針状検出部３０の接続パッド３０９、３１０、３１１、３１２、３１３及び３１４の部分を除く全表面は、ＤＬＣ層、ＴｉＮ層若しくはＴｉＯ２層等の表面改質層で覆われている。表面改質層がＤＬＣ層の場合は親和性が高いことから、医療分野における計測、検査等の用途に有用である。ＴｉＮ層の場合は硬質層であることから表面を硬質化することができる。ＴｉＯ２層は光触媒反応により汚れを分解する機能を持たせることができる。
【００９０】
接続パッド３０９、３１０及び３１１は出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２及びＶｏｕｔ３用であり、接続パッド３１２は参照電圧Ｖｒｅｆ用であり、接続パッド３１３は電源電圧Ｖｃｃ用であり、接続パッド３１４はグランドＧＮＤ用である。
【００９１】
リード導体３１５はこれら接続パッドとスピンバルブＧＭＲ素子とを電気的に接続している。従って、図３２からも分かるように、４つのスピンバルブＧＭＲ素子３０１、３０４、３０７及び３０８はホイートストンブリッジ接続されていることとなり、スピンバルブＧＭＲ素子３０１は磁気検出用（測定用）として動作し、他のスピンバルブＧＭＲ素子３０４、３０７及び３０８は温度補償用として動作する。また、４つのスピンバルブＧＭＲ素子３０２、３０５、３０７及び３０８もホイートストンブリッジ接続されていることとなり、スピンバルブＧＭＲ素子３０２は磁気検出用（測定用）として動作し、他のスピンバルブＧＭＲ素子３０５、３０７及び３０８は温度補償用として動作する。さらに、４つのスピンバルブＧＭＲ素子３０３、３０６、３０７及び３０８もホイートストンブリッジ接続されていることとなり、スピンバルブＧＭＲ素子３０３は磁気検出用（測定用）として動作し、他のスピンバルブＧＭＲ素子３０６、３０７及び３０８は温度補償用として動作する。
【００９２】
本実施形態において、基板３００の先端は、素子形成面３００ａとは反対側の面が斜めに切り落とされており、即ち傾斜加工されており、尖鋭となっている。この基板３００の先端の基板長手方向に対する傾斜角は、１０〜４５°となっている。
【００９３】
測定用のスピンバルブＧＭＲ素子３０１は基板３００の先端部に形成されており、温度補償用のスピンバルブＧＭＲ素子３０２、３０７及び３０８は基板３００の基部に形成されている。また、測定用のスピンバルブＧＭＲ素子３０２は基板３００の先端部に形成されており、温度補償用のスピンバルブＧＭＲ素子３０５、３０７及び３０８は基板３００の基部に形成されている。さらに、測定用のスピンバルブＧＭＲ素子３０３は基板３００の先端部に形成されており、温度補償用のスピンバルブＧＭＲ素子３０６、３０７及び３０８は基板３００の基部に形成されている。
【００９４】
本実施形態の磁気センサは、マルチ検出素子構成のため、広範囲で磁性流体の濃度を検出できることを除いて、図１における磁気センサと同様の作用効果及び変更態様を有している。
【００９５】
本実施形態においては、マルチ検出素子構成として、基板３００の先端部、中間部及び後端部に３つの測定用スピンバルブＧＭＲ素子が形成されているが、変更態様においては、基板３００の先端部及び中間部のみに２つの測定用スピンバルブＧＭＲ素子をそれぞれ設けても良く、また、４つ以上の測定用スピンバルブＧＭＲ素子を基板上に設けても良い。
【００９６】
以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の一実施形態における磁気センサの全体構成を概略的に示す斜視図である。
【図２】図１の磁気センサにおける針状検出部の構成を概略的に示す斜視図である。
【図３】図１の磁気センサにおける針状検出部の構成を概略的に示す分解斜視図である。
【図４】図１の磁気センサにおける針状検出部の先端部の構成を概略的に示す拡大斜視図である。
【図５】図１の磁気センサにおける針状検出部のＧＭＲ素子、リード導体及び接続パッド等のパターンを概略的に示す平面図である。
【図６】図１の磁気センサにおける針状検出部のＧＭＲ素子、リード導体及び接続パッド等の電気的構成を示す回路図である。
【図７】図１の磁気センサにおける針状検出部のＧＭＲ素子、リード導体及び接続パッド等の電気的構成を示す回路図である。
【図８】図１の磁気センサにおける製造工程の一部を説明するための図である。
【図９】図１の磁気センサにおける製造工程の一部を説明するための図である。
【図１０】図１の磁気センサにおける製造工程の一部を説明するための図である。
【図１１】図１の磁気センサにおける製造工程の一部を説明するための図である。
【図１２】図１の磁気センサにおける製造工程の一部を説明するための図である。
【図１３】図１の磁気センサにおける製造工程の一部を説明するための図である。
【図１４】図１の磁気センサにおける製造工程の一部を説明するための図である。
【図１５】図１の磁気センサにおける製造工程の一部を説明するための図である。
【図１６】図１の磁気センサにおける製造工程の一部を説明するための図である。
【図１７】図１の磁気センサにおける製造工程の一部を説明するための図である。
【図１８】図１の磁気センサにおける製造工程の一部を説明するための図である。
【図１９】図１の磁気センサにおける製造工程の一部を説明するための図である。
【図２０】図１の磁気センサにおける製造工程の一部を説明するための図である。
【図２１】図１の磁気センサにおける製造工程の一部を説明するための図である。
【図２２】図１の磁気センサにおける製造工程の一部を説明するための図である。
【図２３】図１の磁気センサにおける製造工程の一部を説明するための図である。
【図２４】図１の磁気センサにおける製造工程の一部を説明するための図である。
【図２５】図１の磁気センサにおける製造工程の一部を説明するための図である。
【図２６】図１の磁気センサにおける製造工程の一部を説明するための図である。
【図２７】図１の磁気センサにおける製造工程の一部を説明するための図である。
【図２８】図１の磁気センサにおける製造工程の一部を説明するための図である。
【図２９】図１の磁気センサにおける製造工程の一部を説明するための図である。
【図３０】本発明の他の実施形態における磁気センサの針状検出部の構成を概略的に示す斜視図である。
【図３１】図３０の磁気センサにおける針状検出部の構成を概略的に示す分解斜視図である。
【図３２】図３０の磁気センサにおける針状検出部のＧＭＲ素子、リード導体及び接続パッド等の電気的構成を示す回路図である。
【符号の説明】
【００９８】
１０、３０、９０、９０′  針状検出部
１０ａ  基部
１１  筐体
１２、９１  ＦＰＣ部材
１３  コネクタ
８０、８０′  ウエハ
８１  下地層
８２  多層膜
８３  保護層
８４  スルーホール
８５  導電材料層
８５′  リード導体
８６  バンプ
８７、１１３、３１６  保護膜
８８  ボンディングパッド層
８９、８９′  バー部材
９２  ベースプレート
９３  ワイヤ
９４  保護接着剤
１００、３００  基板
１００ａ、３００ａ  素子形成面
１００ｂ  先端部
１００ｃ  基部
８２′、１０１、１０２、１０３、１０４、３０１、３０２、３０３、３０４、３０５、３０６、３０７、３０８  スピンバルブＧＭＲ素子
１０５、１０６、１０７、１０８、３０９、３１０、３１１、３１２、３１３、３１４  接続パッド
１０９、１１０、１１１、１１２、３１５  リード導体
【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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【図３２】
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