(57)【要約】【課題】構成を複雑化することなく、ＭＲ素子を用いて狭い磁極間であっても、一方向磁界の強度を高感度かつ高精度に評価できる磁気センサを提供する。【解決手段】磁気抵抗薄膜の抵抗値変化を検出することによって一方向磁界の強度を測定する磁界強度センサであって、基板上に磁気抵抗薄膜による上下を扁平とした略長方形状の導電パターンを形成してなる磁気抵抗薄膜素子と、前記略長方形状パターンの長辺に直交して上下方向に延長する直線を軸として、前記磁気抵抗薄膜素子の膜面を磁界方向の鉛直面に対して所定角度回転させた状態で保持する保持手段と、を備えている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気抵抗薄膜の抵抗値変化を検出することによって一方向磁界の強度を測定する磁界強度センサであって、
基板上に磁気抵抗薄膜による上下を扁平とした略長方形状の導電パターンを形成してなる磁気抵抗薄膜素子と、
前記略長方形状パターンの長辺に直交して上下方向に延長する直線を軸として、前記磁気抵抗薄膜素子の膜面を磁界方向の鉛直面に対して所定角度回転させた状態で保持する保持手段と、
を備えたことを特徴とする磁界強度センサ。
【請求項２】
請求項１において、前記保持手段は、前記基板面を磁界方向の鉛直面に対して５度〜６０度の角度で回転させた状態で保持することを特徴とする磁界強度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗薄膜素子（以下、ＭＲ素子）を用いたセンサに関し、とくに磁気測定では地磁気以上の磁界強度の評価に適用して有効であり、また、直流電流等の測定にも好適に応用できる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁界強度の評価は磁界強度を定量的に検出できる磁気センサを用いて行われるが、その磁気センサには磁気抵抗薄膜素子またはホール素子が広く使用されている。この場合、地磁気や磁気記録媒体の漏れ磁界評価など、８００Ａ／ｍ以下の小さな磁界強度評価ではＭＲ素子が主流となっている（特許文献１参照）。また、たとえば電磁アクチュエータなど、約８０００Ａ／ｍ以上の磁界強度評価ではホール素子が主流となっている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平９−１４５３７５
【特許文献２】特開平７−２２６６７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ホール素子はＧａＡｓなどの化合物半導体基板を用いて構成され、一定の電流供給下で磁界強度にほぼ比例した起電力いわゆるホール電圧を発生する。このホール電圧から磁界強度を定量検出することができる。
【０００４】
しかし、ホール素子に使用されるＧａＡｓなどの化合物半導体が非常に脆い材料であり、素子表面に数１００μｍ以上の保護皮膜を形成する必要がある。そのため、ホール素子を柔軟に撓ませることができない。また、保護皮膜を含めた素子自体の厚さが５００μｍ以上となるため、たとえば、マイクロ電磁アクチュエータなどのように、非常に狭い磁極間で磁界測定をすることが困難である。
【０００５】
さらに、このホール素子は４端子の能動素子で電流供給が必要なため、センサ部および測定回路の構成が複雑になりやすいという問題もある。温度特性にも問題があり、高温タイプのＩｎＡｓ素子でも最高耐熱温度が１２５℃程度であるため、使用環境の制約が大きい。
【０００６】
一方、ＭＲ素子は基板に磁気抵抗薄膜の導体パターンを形成することにより構成され、その磁気抵抗薄膜の抵抗値変化から磁界強度を検出するものであって、回路構成が簡単であり、薄くかつ柔軟な基板状にも形成できるため、形状の自由度が高い。このため、ホール素子に比べてセンサ部および測定回路の構成を簡単化できるという利点がある。
【０００７】
さらに、磁気抵抗薄膜には、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏなどの強磁性元素からなる合金薄膜を使用することができるが、そのキュリー温度は高く、４００℃以上のキュリー温度を示す。したがって、温度特性や耐熱性にすぐれたものを得やすく、ホール素子の使用が困難な環境下でも使用できるという利点がある。
【０００８】
しかし、このＭＲ素子には磁界強度に対する抵抗値変化の直線性が悪いという問題があり、このため、精度を要求される磁界強度測定ではホール素子に大きく劣っていた。また、磁気センサとしての感度が低く、大きな磁界強度の評価には適さないという問題もあった。
【０００９】
ＭＲ素子の検出感度を高める方法としては、磁気バイアスをかける方法が提案されているが、この場合は、その磁気バイアスをかけるために構成が大幅に複雑化し、ＭＲ素子を用いることの利点が損なわれてしまう。
【００１０】
本発明は以上のような背景を鑑みてなされたもので、その目的は、構成を複雑化することなく、ＭＲ素子を用いて狭い磁極間であっても、一方向磁界の強度を高感度かつ高精度に評価できる磁気センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するための本発明は、磁気抵抗薄膜の抵抗値変化を検出することによって一方向磁界の強度を測定する磁界強度センサであって、
基板上に磁気抵抗薄膜による上下を扁平とした略長方形状の導電パターンを形成してなる磁気抵抗薄膜素子と、前記略長方形状パターンの長辺に直交して上下方向に延長する直線を軸として、前記磁気抵抗薄膜素子の膜面を磁界方向の鉛直面に対して所定角度回転させた状態で保持する保持手段と、
を備えたことを特徴としている。
【００１２】
好ましくは、前記保持手段が、前記基板面を磁界方向の鉛直面に対して５度〜６０度の角度で回転させた状態で保持する磁界強度センサとすることである。
【発明の効果】
【００１３】
構成を複雑化することなく、ＭＲ素子を用いて一方向磁界の強度を高感度かつ高精度に評価できるようになる。上記以外の作用／効果については、本明細書の記述および添付図面にて明らかにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
＝＝＝磁気センサの基本的な構造＝＝＝
本発明に係る磁界強度センサは、磁気抵抗薄膜を基板表面にパターンニングしてなるＭＲ素子を主体として構成され、磁気抵抗薄膜の抵抗値変化を検出することによって一方向磁界の強度を測定するものである。図１に、本発明の実施例における磁界強度センサを構成するＭＲ素子１０の一例を平面図として示した。なお、以下では、図１に基づいてＭＲ素子１０の左右方向（一点鎖線矢印）と上下方向（二点鎖線矢印）を規定することとする。ＭＲ素子１０は、非磁性で絶縁性の薄い素子基板１１に磁気抵抗薄膜１２による導電パターンを上下に扁平した長方形状、すなわち横長の短冊形状に形成してなっている。磁気抵抗薄膜１２はスパッタリングにより形成され、フォトリソグラフィ技術によって短冊形状の導電路にパターニングされる。磁気抵抗薄膜１２は、主としてＮｉ，Ｆｅ，Ｃｏなどの強磁性元素からなる合金薄膜が使用されている。この種の合金薄膜は磁歪定数が非常に小さいとともに、４００℃以上の高キュリー温度を示す。本実施例では、厚さ１２５μｍのポリイミドフィルムを基板とし、その基板１１上に横長の短冊形状にパターンを抜いたレジスト膜をフォトリソグラフィにより形成し、Ｔｉの下地層（１０ｎｍ厚）にＮｉ８０Ｆｅ２０合金層（１００ｎｍ厚）を無磁場でスパッタリングにより積層して磁気抵抗薄膜を形成する。そして、レジストを剥離して短冊形状の磁気抵抗薄膜を得る。本実施例では、短冊形状のパターンは、幅ｗ＝２ｍｍ，高さｈ＝２０μｍのサイズで形成されている。
【００１５】
さらに、フォトリソグラフィとスパッタリングにより、素子基板１１の下方に左右対称に配置される矩形状の端子パッド１３と、短冊形状をなす磁気抵抗薄膜１２からそれぞれ端子パッド部１３とを接続するための２本の端子配線１４とを形成する。２本の端子配線１４は、僅かに離間して左右対称に上下方向に平行に延長し、上端は、短冊形状の磁気抵抗薄膜を横断し、当該薄膜の上方へ突出し、下端は、左右方向にそれぞれ屈曲してそれぞれの端子パッドの内側上方に接続している。なお、本実施例において、２本の端子配線１４の上下延長部の端子間距離Ｌは、１００μｍとなっている。
【００１６】
そして、ウエハーをダイシングにて所用の形状・サイズに切断後、３００℃で１時間、真空中にて熱枯らし処理を行いＭＲ素子１０を完成させる。なお、素子基板１１の上下および左右の辺と、短冊形状の磁気抵抗薄膜１２の上下および左右の辺は平行であるものとする。
【００１７】
本発明の磁界強度センサは、測定対象となる磁界の方向とＭＲ素子１０のパターン１２が形成されている基板面とを直交させるのではなく、磁界に対し、基板面を短冊形状のパターンの短辺１５に平行な方向（上下延長方向）を軸として所定角度回転させた状態で保持されることに特徴がある。図２に、当該磁界強度センサの評価対象となる磁界と、ＭＲ素子１０との配置関係を示した。（Ａ）は、ＭＲ素子を上方から見たときの平面図であり、（Ｂ）は斜視図である。短冊形状パターンの短辺１５の延長方向と平行な線（二点鎖線）、すなわち上下方向の線を軸ｚとして、磁気抵抗薄膜１２の膜面（素子基板面）Ｐ２を磁界方向Ｍｘに対して回転させ、磁界方向Ｍｘと素子基板面Ｐ２の法線Ｎとの角度θを回転角度としている。すなわち、素子基板面Ｐ２が磁界方向Ｍｘと直交する鉛直面Ｐ１に対して角度θをなして傾斜している。図中では、素子基板１１を左右対称に、かつ厚さ方向に２分割する上下方向の線を軸ｚとして示している。
【００１８】
図３に、本実施例の磁気センサを示した。（Ａ）はその平面図であり、（Ｂ）は左上方からの斜視図である。磁気センサ１は、ＭＲ素子１０と、ＭＲ素子１０を保持するとともに、端子バッド１３間の抵抗値を外部の測定装置などの外部回路に案内・出力するためのリード配線２１が印刷配線されたリード基板２０と、ＭＲ素子１０の素子基板面Ｐ２を被測定磁界方向Ｍｘに対して所定の角度で傾斜させるための保持手段４０とを備えている。
【００１９】
本実施例において、リード基板２０は、高耐熱性の非磁性絶縁材であるポリイミドフィルムを用いて構成され、ＭＲ素子１０の基板１１とほぼ同じ幅の長形のプレート状をなし、保形性と可撓性を有する。つまり、長形の薄い板バネ状をなしている。そして、プレートの先端部に上記ＭＲ素子２０を接着等により装着・保持している。
【００２０】
リード基板２０上には４本のリード配線２１が印刷配線されている。このリード配線２１の上方先端部２２はボンディングワイヤ３０を介して上記端子パッド部１３に接続されている。リード配線２１の下方基端部２３は、ケーブルなどを介して外部回路に接続されるようになっている。本実施例では、４端子法によって抵抗値を測定するように、各パッド部から、それぞれ２本ずつ、ボンディングワイヤを介してリード配線２１の先端部２２に接続されている。
【００２１】
保持手段は、素子基板１１とリード基板２１との間に介装されるくさび形のスペーサ部材４０であり、くさびは、素子基板１１の左右一方の辺から他方の辺に向かって傾斜するように介装される。したがって、スペーサ部材４０の高さを適宜に設定することで、磁界方向に対し、ＭＲ素子面Ｐ２を上下方向に延長する軸ｚを中心として所定の傾斜角度に回転させた状態で保持することができる。そして、以上の構成を備えた本実施例の磁気センサは、リード基板２０におけるＭＲ素子１０の保持面を被測定磁界方向Ｍｘの鉛直面Ｐ１に一致させるように設置される。
【００２２】
＝＝＝特性評価＝＝＝
＜評価方法＞
本実施例の磁気センサ１について、磁界方向Ｍｘに対する回転角度θをパラメータとして、磁界強度に対する抵抗値を測定する。図４にその磁気センサ１の磁気抵抗変化特性を測定するための装置の概略を示した。測定装置１００は、加工された円筒棒状のプローブ１０１を付属し、そのプローブ１０１の先端に磁気センサ１を取り付けるようになっている。（Ａ）は測定装置１００の構成図であり、（Ｂ）は磁気センサ１を取り付けた状態にあるプローブ１０１の拡大図である。プローブ１０１は、その円筒棒状の先端が直径平坦に切り欠かれ、この平坦部１０２に磁気センサ１を載置・固定するようになっている。なお、ここで用いられる特性評価用の磁気センサ１は、ＭＲ素子１０とリード基板２０との間にくさび形スペーサ部材４０を介装しない構成であり、プローブ１０１は、円筒軸Ｚｐ中心に回転自在となっている。それによって、磁気センサのＭＲ素子面を磁界方向に対して任意の角度で傾斜させることができる。
【００２３】
測定装置本体１１０は、プローブ１０１の回転角度、すなわち、測定磁界方向Ｍｘに対するＭＲ素子１０の基板面Ｐ２の傾斜角度を検出する角度検出回路１０３、ＭＲ素子１０の磁気抵抗を測定する抵抗測定回路１０４、測定された磁気抵抗を磁界強度に変換するデータ変換回路１０５、および磁気抵抗から変換された磁界強度を表示器等に出力する出力回路１０６などによって構成される。
【００２４】
＜評価結果＞
本発明の磁界強度センサ１は、ＭＲ素子１０の抵抗値変化を検出することによって一方向磁界Ｍｘの強度を定量検出するに際し、磁気抵抗薄膜面（素子基板面）Ｐ２を磁界方向の鉛直面（Ｐ１）に対して所定角度θだけ傾斜させた状態で上記抵抗値変化を検出することができるように構成されている。図５〜図１１に上記測定装置１００を用いて本実施例の磁気センサ１における特性を評価した結果をグラフにして示した。評価方法は、−１１００ｋＡ／ｍから＋１１００ｋＡ／ｍまでの一方向磁界を往復走査させながら、４端子法にてＭＲ素子１０の抵抗を検出した。図５〜図１１に示すグラフは、それぞれ、傾斜角度θを０゜、５゜、１０゜、３０゜、４５゜、６０゜、７５゜にしたときの磁界強度の変化に対するＭＲ素子１０の磁気抵抗変化状態を示している。傾斜角度θが０゜の場合（図５）は、磁気抵抗薄膜が磁界方向Ｍｘの鉛直面Ｐ１に平行な場合であり、この場合、印加磁界の強度が±３００ｋＡ／ｍ以下、すなわち、一方向磁界が−３００ｋＡ／ｍ以上、＋３００ｋＡ／ｍ以下で磁気抵抗の変化に乱れが見られる。このため、磁気抵抗変化の乱れ領域では磁界強度検出の感度が低下し、ヒステリシス領域では検出の精度が悪化してしまう。
【００２５】
さらに、印加磁界の強度が±５００ｋＡ／ｍ付近で抵抗変化曲線の急な折れ曲がりが生じている。このため、印加磁界の強度が±５００ｋＡ／以上の場合は、磁界強度に対する抵抗値変化の直線性が悪く、高精度の検出が行えないという問題が生じる。すなわち、精度よく測定できる磁界強度の範囲が狭いことになる。
【００２６】
ところが、磁気抵抗薄膜面Ｐ２を磁界方向の鉛直面Ｐ１に対して傾けると、つまり、上記傾斜角度θをゼロよりも大きい有意な角度にすると、図６〜図１１にそれぞれ示すように、印加磁界強度が小さい領域での磁気抵抗変化の直線性が改善されるとともに、抵抗変化曲線の急な折れ曲がりが解消あるいは緩和され、広い磁気強度範囲で磁気抵抗変化が直線的になる。これにより、検出の感度および精度が共に大幅に改善されることが判明した。
【００２７】
また、５゜≦θ≦６０゜の場合（図５〜図１０）、磁界強度が０ｋＡ／ｍのときと１０００ｋＡ／ｍのときの２点間の抵抗値の変化率が約０．５％以上あり、例えば、一般的な電磁アクチュエータの磁界を評価する用途などでは、十分に抵抗変化を読み取ることができる。しかし、θ＝７５゜の場合（図１１）では、磁界強度の絶対値が０ｋＡ／ｍのときと１０００ｋＡ／ｍのときの抵抗値の変化率が０．２％以下となり、上記の電磁アクチュエータの磁界を評価する用途には不向きである。したがって、より精度の高い評価を要する用途では、５≦θ≦６０とすることが望ましい。
【００２８】
＝＝＝本発明の特徴＝＝＝
ＭＲ素子では、たとえば、Ｎｉ８０Ｆｅ２０合金薄膜のように、１０ｐｐｍ以下の非常に小さな磁歪定数の磁気抵抗薄膜を用いたとしても、歪による薄膜の磁化変化により、異方性分散が生じる。この異方性分散が磁気抵抗変化に乱れを生じさせると考えられる。しかし、上記評価結果より、この異方性分散の影響は、磁気抵抗薄膜面を磁界方向の鉛直面に対して傾斜させることにより軽減されることが判明した。さらに、その異方性分散の影響を無くすためには、上記傾斜角度θは、５゜≦θ≦６０゜となるような範囲とすることがより望ましいことも判明した。
【００２９】
本発明は、耐熱性が高いＭＲ素子を用いた磁界強度センサであり、耐熱性を有する基板にＭＲ素子を形成することで、ホール素子における耐熱性に関わる問題を解決することができる。素子基板としては、酸化膜シリコンウエハなどを用いることもできるが、上記実施形態のように、ポリイミドフィルムを使用することができる。ポリイミドフィルムは、耐熱温度が３５０℃であり、酸化膜シリコンウエハと同様に耐熱温度が高いばかりではなく、保形性と可撓性を有して曲げなどに対する形状の自由度が高い。したがって、ＭＲ素子の基板にポリイミドフィルムを使用することで、磁気抵抗薄膜を構成する金属や合金における４００℃以上の耐熱性と合わせ、ホール素子を用いた磁界強度センサの限界である１５０℃以上の耐熱性を十分に達成できる磁気センサを構成することができるという利点がある。
【００３０】
さらに、脆い化合物半導体を用いたホール素子では、素子の形状を強固に維持・固定することが必須であったのに対し、本発明の磁界強度センサでは、撓ませることが可能な磁気抵抗薄膜を用いているため、保形性と可撓性を有した素子基板に磁気抵抗薄膜を形成することができる。それによって、例えば、一方向磁界強度を測定する空間部が狭かったり異形状であったりした場合でも、ＭＲ素子を湾曲させることでその測定空間部に差し込み、測定を行うことができるという利点も得られる。
【００３１】
また、磁気抵抗変化特性が広い磁気強度範囲で直線的となる。そのため、一定の特定磁界中に本発明の磁界強度センサを磁界の鉛直面に対して回転可能にして設置すれば、磁界強度センサの回転角度に応じた抵抗値を精密に検出することができる。例えば、高精度の角度センサとして利用可能である。以上、本発明をその代表的な実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様が可能である。たとえば、ＭＲ素子における磁気抵抗薄膜のサイズは、被測定磁界に応じて適宜に設定可能であり、例えば、狭小領域で磁界強度を測定する場合などでは、より扁平にした細線状のパターンとすることも可能である。また、ＭＲ素子１０の保持手段３０は上述したスペーサ部材４０を用いた形態以外にも種々の形態が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施例における磁界強度センサを構成する磁気抵抗薄膜素子の平面図である。
【図２】磁界強度を測定するときに磁気抵抗薄膜素子の設置状態を模式的に示す図であり、設置状態において磁気抵抗薄膜素子の膜面と測定磁界方向との角度をθとしたときの平面図（Ａ）と斜視図（Ｂ）である。
【図３】上記磁界強度センサの平面図（Ａ）と斜視図（Ｂ）である。
【図４】磁気強度センサと測定装置の概略構成を示す図である。
【図５】θ＝０゜のときの磁界強度に対する磁気抵抗の変化を示すグラフである。
【図６】θ＝５゜のときの磁界強度に対する磁気抵抗の変化を示すグラフである。
【図７】θ＝１０゜のときの磁界強度に対する磁気抵抗の変化を示すグラフである。
【図８】θ＝３０゜のときの磁界強度に対する磁気抵抗の変化を示すグラフである。
【図９】θ＝４５゜のときの磁界強度に対する磁気抵抗の変化を示すグラフである。
【図１０】θ＝６０゜のときの磁界強度に対する磁気抵抗の変化を示すグラフである。
【図１１】θ＝７５゜のときの磁界強度に対する磁気抵抗の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３３】
１  磁界強度センサ
１０  磁気抵抗薄膜素子（ＭＲ素子）
１１  素子基板
１２  磁気抵抗薄膜
１３  端子パッド部
２０  リード基板（保治具）
２１  リード配線
３０  ボンディングワイヤ
４０  スペーサ部材
１００  測定装置
Ｍｘ  磁界
θ  傾斜角度
【図１】
2009085646.tif 000003
【図２】
2009085646.tif 000004
【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】
2009085646.tif 000009
【図８】
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【図９】
2009085646.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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