(57)【要約】【課題】  ＴＭＲ素子の絶縁破壊を防いで汎用ＩＣを用いることができる磁気センサ装置を提供すること。【解決手段】  基板２と、該基板２上に設けられ一対の電極３ａを有した複数のトンネル磁気抵抗素子３と、基板２上に設けられ複数のトンネル磁気抵抗素子３を直列に接続すると共に両端に接続端子４ａを有する配線４と、トンネル磁気抵抗素子３に電圧を印加して抵抗変化を検出するＩＣを有した検出回路部６とを備え、直列に接続されたトンネル磁気抵抗素子３全体の耐電圧をＶｂとし、ＩＣ５の動作電圧をＶｄｄとしたとき、耐電圧Ｖｂが、Ｖｄｄ／２≦Ｖｂ≦２Ｖｄｄの関係に設定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板上に設けられ一対の電極を有した複数のトンネル磁気抵抗素子と、
前記基板上に設けられ複数の前記トンネル磁気抵抗素子を直列に接続すると共に両端に接続端子を有する配線と、
前記トンネル磁気抵抗素子に電圧を印加して抵抗変化を検出するＩＣを有した検出回路部とを備え、
直列に接続された前記トンネル磁気抵抗素子全体の耐電圧をＶｂとし、前記ＩＣの動作電圧をＶｄｄとしたとき、前記耐電圧Ｖｂが、Ｖｄｄ／２≦Ｖｂ≦２Ｖｄｄの関係に設定されていることを特徴とする磁気センサ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気センサ装置において、
前記配線が、一対の前記接続端子に接続され互いに平行かつ近接して複数の前記トンネル磁気抵抗素子の間に延在した一対の主配線部と、
前記主配線部から前記トンネル磁気抵抗素子に向けて互いに平行かつ近接して延在し一対の前記電極に接続された複数対の接続配線部とを有していることを特徴とする磁気センサ装置。
【請求項３】
請求項２に記載の磁気センサ装置において、
複数の前記トンネル磁気抵抗素子が、複数列に並んで配置され、
一対の前記主配線部が、前記トンネル磁気抵抗素子の列間に配されていると共に、複数対の前記接続配線部が一対の前記主配線部の両側に配されていることを特徴とする磁気センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐電圧の低いトンネル磁気抵抗素子の絶縁破壊を防いで汎用ＩＣで駆動可能な磁気センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子を用いた磁気センサや電流センサが開発されている。このＴＭＲ素子は、薄い絶縁層を挟んで対向した一対の強磁性層を備えた素子構造を有し、一方の強磁性層の磁化の向きが固定されて固定磁化層（いわゆるピン層）とされていると共に、他方の強磁性層の磁化の向きが外部磁界に応じて変化する自由磁化層（いわゆるフリー層）とされている。そして、このＴＭＲ素子では、外部磁界が加わった際に、一対の強磁性層の互いの磁化方向に応じて、一対の強磁性層間のトンネル電流が変化して素子の抵抗値が変化することで、外部磁界を高精度に検出することが可能である。
【０００３】
このＴＭＲ素子は、良好な磁気感度を有するが、絶縁層が極めて薄く素子の耐電圧が低いため、ＴＭＲ素子が静電気等によって絶縁破壊してしまうおそれがあった。
このため、例えば非特許文献１には、ＴＭＲ素子の上下に設けた上部シールド層および下部シールド層にシャント抵抗を接続し、放電原因となる寄生容量を制限して絶縁破壊を抑制する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Anthony Wai Yuen Lai et al.,「Anti-Static Robustness Enhancement and high-Frequency Noise Pickup Immunity by Internal Shunting for Tunneking Magnetoresistive Sensors」IEEE Trans. On Mgn.JANUARY (2008),VOL.44,NO.l,104-106
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
ＴＭＲ素子の抵抗変化を、例えば動作電圧５Ｖの汎用ＩＣを用いてモニタする場合、上記非特許文献１のように対策したＴＭＲ素子でも、耐電圧が低いために絶縁破壊が生じてしまう不都合があった。すなわち、通常、ＴＭＲ素子は耐圧を考慮して１Ｖ未満の印加電圧で使用されるが、動作電圧５Ｖの汎用ＩＣを用いた場合、通常、端子電圧が動作電圧の１／２程度の電圧となって印加され、ＴＭＲ素子の耐電圧を超えてしまう問題があった。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、ＴＭＲ素子の絶縁破壊を防いで汎用ＩＣを用いることができる磁気センサ装置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】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明の磁気センサ装置は、基板と、該基板上に設けられ一対の電極を有した複数のトンネル磁気抵抗素子と、前記基板上に設けられ複数の前記トンネル磁気抵抗素子を直列に接続すると共に両端に接続端子を有する配線と、前記トンネル磁気抵抗素子に電圧を印加して抵抗変化を検出するＩＣを有した検出回路部とを備え、直列に接続された前記トンネル磁気抵抗素子全体の耐電圧をＶｂとし、前記ＩＣの動作電圧をＶｄｄとしたとき、前記耐電圧Ｖｂが、Ｖｄｄ／２≦Ｖｂ≦２Ｖｄｄの関係に設定されていることを特徴とする。
【０００８】
すなわち、この磁気センサ装置では、直列に接続されたトンネル磁気抵抗素子全体の耐電圧をＶｂとし、ＩＣの動作電圧をＶｄｄとしたとき、耐電圧Ｖｂが、Ｖｄｄ／２≦Ｖｂ≦２Ｖｄｄの関係に設定されているので、ＴＭＲ素子個々の耐電圧が小さくても直列接続された複数のＴＭＲ素子全体としての耐電圧Ｖｂが高くなりＩＣの端子電圧（Ｖｄｄ／２）以上となることで、絶縁破壊を防ぐことができる。
なお、ＴＭＲ素子全体としての耐電圧ＶｂがＶｄｄ／２未満であると、ＩＣの端子に接続した際に絶縁破壊が生じるおそれがあり、またＴＭＲ素子全体としての耐電圧Ｖｂが２Ｖｄｄを超えると、直列にＴＭＲ素子を多く接続したために抵抗が必要以上に増大してＩＣの内部抵抗に比べて無視できない大きさになってしまう。
【０００９】
また、第２の発明の磁気センサ装置は、第１の発明において、前記配線が、一対の前記接続端子に接続され互いに平行かつ近接して複数の前記トンネル磁気抵抗素子の間に延在した一対の主配線部と、前記主配線部から前記トンネル磁気抵抗素子に向けて互いに平行かつ近接して延在し一対の前記電極に接続された複数対の接続配線部とを有していることを特徴とする。
この磁気センサ装置では、配線が、一対の接続端子に接続され互いに平行かつ近接して複数のＴＭＲ素子の間に延在した一対の主配線部と、主配線部からＴＭＲ素子に向けて互いに平行かつ近接して延在し一対の電極に接続された複数対の接続配線部とを有しているので、電磁誘導によるノイズの発生を抑制することができる。すなわち、複数のＴＭＲ素子を接続したことにより多数の配線部分が存在するが、検出すべき磁界に交番磁界が含まれる場合（あるいは交番磁界の場合）、配線で電磁誘導が発生してノイズ電圧となり、Ｓ／Ｎ比が低下するおそれがある。特に、配線がＴＭＲ素子の列の外側に配される場合、一対の配線の間が広がってループ状になり、電磁誘導によりノイズが生じやすい。しかしながら、本発明では、一対の主配線部および複数対の接続配線部において、隣接する配線部同士の電流方向を互い違いにすると共に互いに近接させることで、ループ状の配線を避け、配線での電磁誘導が生じ難くなる。
【００１０】
第３の発明の磁気センサ装置は、第２の発明において、複数の前記トンネル磁気抵抗素子が、複数列に並んで配置され、一対の前記主配線部が、前記トンネル磁気抵抗素子の列間に配されていると共に、複数対の前記接続配線部が一対の前記主配線部の両側に配されていることを特徴とする。
すなわち、この磁気センサ装置では、一対の主配線部が、複数列に並んだトンネル磁気抵抗素子の列間に配されているので、列の外側に配線を配する場合に比べて配線長を短縮でき、さらに配線で生じる電磁誘導を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る磁気センサ装置によれば、直列に接続されたトンネル磁気抵抗素子全体の耐電圧をＶｂとし、ＩＣの動作電圧をＶｄｄとしたとき、耐電圧Ｖｂが、Ｖｄｄ／２≦Ｖｂ≦２Ｖｄｄの関係に設定されているので、複数のＴＭＲ素子全体としての耐電圧Ｖｂが高くなりＩＣの端子電圧以上となることで、絶縁破壊を防ぐことができる。したがって、動作電圧５Ｖの汎用ＩＣを採用しても絶縁破壊が生じず、高い信頼性が得られると共に部材コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る磁気センサ装置の一実施形態を示す構成図である。
【図２】本実施形態において、トンネル磁気抵抗素子を示す概略的な斜視図である。
【図３】本実施形態において、磁気センサ装置の簡易的な等価回路図である。
【図４】本実施形態において、磁気センサ装置の等価回路図である。
【図５】本発明の他の例において、センサ本体を示す平面図である。
【図６】本実施形態の他の例において、センサ本体を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る磁気センサ装置の一実施形態を、図１から図６を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している。
【００１４】
本実施形態の磁気センサ装置１は、図１に示すように、基板２と、該基板２上に設けられ一対の電極３ａを有した複数のトンネル磁気抵抗素子（以下、ＴＭＲ素子とも称す）３と、基板２上に設けられ複数のトンネル磁気抵抗素子３を直列に接続すると共に両端に接続端子４ａを有する配線４と、トンネル磁気抵抗素子３に電圧を印加して抵抗変化を検出するＩＣ５を有した検出回路部６とを備えている。なお、基板２、ＴＭＲ素子３および配線４によりセンサ本体７が構成され、該センサ本体７と検出回路部６とは、配線４の一対の接続端子４ａに接続された一対のリード線８で接続されている。
【００１５】
上記配線４は、一対の接続端子４ａに接続され互いに平行かつ近接して複数のトンネル磁気抵抗素子３の間に延在した一対の主配線部４Ａと、主配線部４Ａからトンネル磁気抵抗素子３に向けて互いに平行かつ近接して延在し一対の電極３ａに接続された複数対の接続配線部４Ｂとを有している。
【００１６】
また、複数の上記トンネル磁気抵抗素子３は、２列に並んで配置され、一対の主配線部４Ａが、トンネル磁気抵抗素子３の列間に配されていると共に、複数対の接続配線部４Ｂが一対の主配線部４Ａの両側に配されている。これら主配線部４Ａおよび接続配線部４Ｂでは、いずれの箇所も隣接する線同士で互い違いに電流が流れる。
上記一対のリード線８は、より対線（いわゆるツイストペアケーブル）である。
【００１７】
さらに、本磁気センサ装置１では、直列に接続されたトンネル磁気抵抗素子３全体の耐電圧をＶｂとし、ＩＣ５の動作電圧をＶｄｄとしたとき、耐電圧Ｖｂが、Ｖｄｄ／２≦Ｖｂ≦２Ｖｄｄの関係に設定されている。例えば、動作電圧Ｖｄｄが５Ｖである汎用ＩＣをＩＣ５として使用した場合、トンネル磁気抵抗素子３全体の耐電圧Ｖｂが、２．５Ｖ≦Ｖｂ≦１０Ｖの範囲内になるように設定される。
【００１８】
上記ＴＭＲ素子３は、図２に示すように、例えば固定側電極層１１、固定磁化層１２、絶縁層１３、自由磁化層１４および自由側電極層１５の順に積層された構造を有している。例えば、固定側電極層１１は、Ｔａ層（厚さ３０ｎｍ）／ＣｏＦｅ層（厚さ３ｎｍ）／ＩｒＭｎ層（厚さ１５ｎｍ）の積層で構成され、固定磁化層１２は、ＣｏＦｅ層（厚さ２ｎｍ）／Ｒｕ層（厚さ０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ層（厚さ３ｎｍ）の積層で構成されている。また、絶縁層１３は、ＭｇＯ層（厚さ１．２ｎｍ）であり、自由磁化層１４は、ＣｏＦｅＢ層（厚さ３ｎｍ）である。さらに、自由側電極層１５は、Ｔａ層（厚さ１０ｎｍ）／Ｒｕ層（厚さ１５ｎｍ）の積層で構成されている。なお、固定側電極層１１および自由側電極層１５は、直接一対の接続配線部４Ｂに接続されて一対の電極３ａとされるか、ワイヤーボンディング等の他の配線を介して別途設けた一対の電極３ａに電気的に接続されている。
【００１９】
上記基板２は、複数のＴＭＲ素子３が実装可能なプリント基板であり、ガラスエポキシ樹脂等で形成された絶縁材料の基板本体の実装面に銅パターン等で配線４が形成されたものである。本実施形態では、この基板２上に６つのＴＭＲ素子３が２列に実装されている。
上記配線４は、一対の接続端子４ａに接続され互いに平行かつ近接して複数のＴＭＲ素子３の間に延在した一対の主配線部４Ａと、主配線部４ＡからＴＭＲ素子３に向けて互いに平行かつ近接して延在し一対の電極３ａに接続された複数対の接続配線部４Ｂとを有している。
【００２０】
上記検出回路部６は、図３および図４に示すように、例えばＶｄｄ：５Ｖで動作するＩＣ５と、ＴＭＲ素子３（直列に接続された全ＴＭＲ素子３）に直列に接続された参照抵抗Ｒとを備えている。ＩＣ５は、ＴＭＲ素子３と参照抵抗Ｒとの間に接続され検出した信号を増幅するＡＭＰ１６と、増幅した信号をアナログからデジタルへ変換するＡ／Ｄコンバータ１７とを備えている。
【００２１】
このＡ／Ｄコンバータ１７は、例えば０．５〜４．５Ｖの範囲について１２８ｂｉｔの分解能を有している。したがって、直列に接続したＴＭＲ素子３全体の電圧を０．５〜４．５Ｖの範囲に設定することで、Ａ／Ｄコンバータ１７を有効に使用することが可能になる。このため、磁界が印加されていない状態におけるＴＭＲ素子３全体の抵抗Ｒ０を、０．５〜４．５Ｖの中点になるように参照抵抗Ｒを設定することが好ましい。
【００２２】
なお、ＴＭＲ素子３全体としての耐電圧ＶｂがＶｄｄ／２未満であると、ＩＣ５の端子に接続した際に絶縁破壊が生じるおそれがあり、またＴＭＲ素子３全体としての耐電圧Ｖｂが２Ｖｄｄを超えると、直列にＴＭＲ素子３を多く接続したために抵抗が必要以上に増大してＩＣの内部抵抗に比べて無視できない大きさになってしまう。例えば、１個のＴＭＲ素子３の耐電圧が１Ｖであるとすると、２Ｖｄｄ：１０Ｖを超えるように１１個のＴＭＲ素子３を直列に接続した場合、ＴＭＲ素子３全体の抵抗値が１１０ｋΩと必要以上に大きくなり、ＩＣ５の内部抵抗が１０ＭΩであるとすると、その１％を超えるため、Ｓ／Ｎ比に影響を与える無視できない大きさとなってしまう。
【００２３】
このように本実施形態の磁気センサ装置１では、直列に接続されたＴＭＲ素子３全体の耐電圧をＶｂとし、ＩＣ５の動作電圧をＶｄｄとしたとき、耐電圧Ｖｂが、Ｖｄｄ／２≦Ｖｂ≦２Ｖｄｄの関係に設定されているので、ＴＭＲ素子３個々の耐電圧が小さくても直列接続された複数のＴＭＲ素子３全体としての耐電圧Ｖｂが高くなりＩＣ５の端子電圧（Ｖｄｄ／２）以上となることで、絶縁破壊を防ぐことができる。
【００２４】
また、配線４が、一対の接続端子４ａに接続され互いに平行かつ近接して複数のＴＭＲ素子３の間に延在した一対の主配線部４Ａと、主配線部４ＡからＴＭＲ素子３に向けて互いに平行かつ近接して延在し一対の電極３ａに接続された複数対の接続配線部４Ｂとを有しているので、電磁誘導によるノイズの発生を抑制することができる。すなわち、複数のＴＭＲ素子３を接続したことにより多数の配線部分が存在するが、検出すべき磁界に交番磁界が含まれる場合（あるいは交番磁界の場合）、配線４で電磁誘導が発生してノイズ電圧となり、Ｓ／Ｎ比が低下するおそれがある。
【００２５】
特に、図５に示す本発明の他の例のように、配線４がＴＭＲ素子３の列の外側を回って配される場合、一対の配線４の間が広がってループ状になり、電磁誘導によりノイズが生じやすい。しかしながら、本実施形態では、一対の主配線部４Ａおよび複数対の接続配線部４Ｂにおいて、隣接する配線部同士の電流方向を互い違いにすると共に互いに近接させることで、ループ状の配線を避け、配線４での電磁誘導が生じ難くなる。
さらに、主配線部４Ａが、複数列に並んだＴＭＲ素子３の列間に配されているので、列の外側に配線を配する場合に比べて配線長を短縮でき、さらに配線で生じる電磁誘導を抑制することができる。
【実施例】
【００２６】
次に、本発明に係る磁気センサ装置を、実際に作製して評価した結果を説明する。
本実施例として、動作電圧Ｖｄｄ：５Ｖの汎用ＩＣに耐電圧Ｖｂ：１ＶのＴＭＲ素子を接続数を変えて直列に接続し、絶縁破壊が生じるか否かについて評価した。なお、ＴＭＲ素子の素子抵抗は１０ｋΩである。
【００２７】
＜実施例１＞
ＴＭＲ素子４個を直列接続した場合、ＴＭＲ素子全体の抵抗は４０ｋΩ、耐電圧が４Ｖとなり、汎用ＩＣの動作電圧Ｖｄｄ：５Ｖの１／２である２．５Ｖよりも高くなることから、絶縁破壊は生じなかった。
＜実施例２＞
ＴＭＲ素子１０個を直列接続した場合、ＴＭＲ素子全体の抵抗は１００ｋΩ、耐電圧が１０Ｖとなり、汎用ＩＣの動作電圧Ｖｄｄ：５Ｖの１／２である２．５Ｖよりも高くなることから、絶縁破壊は生じなかった。また、汎用ＩＣの内部抵抗１０ＭΩに比べてＴＭＲ素子全体の抵抗が１％以下であるため無視でき、Ｓ／Ｎ比に大きな影響はない。
【００２８】
＜比較例１＞
ＴＭＲ素子２個を直列接続した場合、ＴＭＲ素子全体の抵抗は２０ｋΩ、耐電圧が２Ｖとなり、汎用ＩＣの動作電圧Ｖｄｄ：５Ｖの１／２である２．５Ｖよりも低くなることから、絶縁破壊が生じた。
＜比較例２＞
ＴＭＲ素子２０個を直列接続した場合、ＴＭＲ素子全体の抵抗は２００ｋΩ、耐電圧が２０Ｖとなり、汎用ＩＣの動作電圧Ｖｄｄ：５Ｖの１／２である２．５Ｖよりも高くなることから、絶縁破壊は生じなかった。しかしながら、汎用ＩＣの内部抵抗１０ＭΩに比べてＴＭＲ素子全体の抵抗が１％を超えてしまう無視できない大きさとなり、Ｓ／Ｎ比に影響を与え、高精度な測定が困難になった。
【００２９】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態および上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【００３０】
例えば、上記実施形態では、プリント基板上に複数のＴＭＲ素子を実装してパターン配線で直列に接続しているが、集積回路技術、リソグラフィー技術等を用いて１チップに複数のＴＭＲ素子をまとめて作り込み、微細な配線パターンにより電気的に直列に接続しても構わない。
また、上記実施形態では、６つのＴＭＲ素子を２列に配列して直列接続しているが、他の配置において直列接続しても構わない。例えば、他の例として図６に示すように、基板２上に１５個のＴＭＲ素子３を５個ずつの３つに分けてデンドライト状（樹枝状）に配して実装し、配線４で全てを直列に接続したものでも構わない。
【符号の説明】
【００３１】
１…磁気センサ装置、２…基板、３…トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子、３ａ…電極、４…配線、４ａ…接続端子、４Ａ…主配線部、４Ｂ…接続配線部、５…ＩＣ、６…検出回路部
【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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