JP2006010591A - Triaxial azimuth sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸方向の地磁気を検知する３軸方位センサーに関する
。
The present invention relates to a triaxial azimuth sensor that detects geomagnetism in the triaxial directions of the X axis, the Y axis, and the Z axis.
多機能携帯電話に付加された機能の一つに、自分が現在向いている方位に関する情報を
液晶画面に表示するものがある。利用者が携帯電話本体を任意に傾けた状態で使用するこ
とが想定されるため、方位センサーには本体の傾きに依存せず、方位が検知できる３軸方
位センサーが必要である。
One of the functions added to the multi-function mobile phone is to display information on the current orientation on the liquid crystal screen. Since it is assumed that the user uses the mobile phone body tilted arbitrarily, the azimuth sensor requires a three-axis azimuth sensor that can detect the azimuth without depending on the tilt of the main body.
３軸方位センサーの一例として、ホール素子を用いたものが特許文献１に開示されてい
る。４カ所に配されたホール素子とホール素子表面に形成された絶縁層と各ホール素子の
一部と重なるように配された磁気収束板によって構成されており、各ホール素子の出力電
圧から、地磁気のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に相当する出力を算出することが可能なものであ
る。本例の方位センサーは基板面上に素子が配されており、センサーが薄型化できる点で
優れたものといえる。
As an example of the three-axis azimuth sensor,
一般的にホール素子より弱磁界の検出感度が高いと言われる磁性体やコイルを用いた磁
気センサーがある。磁気センサーには、磁気抵抗効果素子（以下、ＭＲ素子と言う）や磁
気インピーダンス素子（以下、ＭＩ素子と言う）などが特許文献２〜４に開示されている
。
In general, there is a magnetic sensor using a magnetic material or a coil that is said to have a higher sensitivity for detecting a weak magnetic field than a Hall element. As magnetic sensors,
特許文献２のセンサーは、アモルファスワイヤーと電磁コイルで構成されるＭＩ素子を
２個直角に配していることを特徴とする２軸の磁気方位センサーである。特許文献３のセ
ンサーは、バーバーポール状のＭＲ素子パターンをつづら折り状の配線で接続したことを
特徴とする１軸の磁気センサーである。特許文献３のセンサーは、四方に配したつづら折
り状のＭＲ素子パターンとコイルとを組合せたこと特徴とする２軸の磁気方位センサーで
ある。
The sensor of
ＭＩ素子を用いて３軸方位センサーを構成しようとした場合、特許文献２に記載される
ようなＸＹ平面上のＭＩ素子配置に加えて、アモルファスワイヤーの長手方向がＺ軸方向
になるように第３のＭＩ素子を配さなければならない。この場合、センサーは最低でもア
モルファスワイヤーの長さ分だけ厚みを持つことになる。ＭＩ素子はアモルファスワイヤ
ーの長さを容易に短くすることができないため、この方法では薄型の３軸方位センサーを
得るのは困難である。
When an attempt is made to configure a triaxial sensor using an MI element, in addition to the arrangement of the MI element on the XY plane as described in
ＭＲ素子を用いて３軸方位センサーを構成しようとした場合、１軸の磁気センサーを３
個、あるいは１軸の磁気センサー１個と２軸の磁気センサー１個を３次元的に配置すれば
よい。この場合、センサーの厚みは１軸の磁気センサーの素子幅によって概ね決まること
になる。特許文献３に記載されるような１軸の磁気センサーは磁気検知方向の素子幅が小
さく、パターンレイアウトを変えることにより素子幅を一層小さくできるのでセンサーを
薄型化するには好ましい。しかしながら、複数の磁気センサーを組合せて３軸方位センサ
ーを作製する方法は、部品点数が多くなるのと同時に組立て工数が増えてしまうので好ま
しくない。
When trying to construct a 3-axis azimuth sensor using MR elements, a uniaxial magnetic sensor is
Or one uniaxial magnetic sensor and one biaxial magnetic sensor may be arranged three-dimensionally. In this case, the thickness of the sensor is largely determined by the element width of the uniaxial magnetic sensor. The uniaxial magnetic sensor described in
本発明は、従来技術のホール素子を用いた３軸方位センサーより地磁気の検出精度が高
く、薄型で容易に作製できる３軸方位センサーを提供することを課題とする。
It is an object of the present invention to provide a triaxial azimuth sensor that has higher geomagnetism detection accuracy than a triaxial azimuth sensor using a Hall element of the prior art, and is thin and easily manufactured.
本発明の３軸方位センサーは、３軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）方向の地磁気を検知する磁気
抵抗効果型の方位センサーである。センサーチップを構成するＸ軸とＹ軸の検知部Ａと、
Ｚ軸の検知部Ｂ、薄膜導体、電極端子の全ては可撓性基材上に形成され、検知部Ａと検知
部Ｂは薄膜導体により電気的に接続され、センサーチップは前記薄膜導体部で曲げられ、
直角面を有する非磁性母材の各面に接着されていることが好ましい。
The three-axis azimuth sensor of the present invention is a magnetoresistive azimuth sensor that detects geomagnetism in the three-axis (X-axis, Y-axis, and Z-axis) directions. The X-axis and Y-axis detectors A constituting the sensor chip;
The Z-axis detection part B, the thin film conductor, and the electrode terminal are all formed on a flexible substrate, the detection part A and the detection part B are electrically connected by a thin film conductor, and the sensor chip is the thin film conductor part. Bent,
It is preferable to adhere to each surface of the nonmagnetic base material having a right-angled surface.
２軸方位センサーは、磁気検知面が地表に対し水平状態でないと正確な方位情報が得ら
れず、アプリケーションが限定されてしまう欠点があった。３軸の方位センサーは搭載し
た装置を任意の向きに傾けても正確な方位情報が得られるので、携帯電話やモバイルアプ
リケーション向けなど、広い用途が考えられるのでの好ましいものである。磁気を検出す
る素子としてはホール素子、ＭＩ素子、ＭＲ素子などが考えられるが、ＭＩ素子とＭＲ素
子は地磁気の検出能力が高いので好ましい。特にＭＲ素子は、ウエハープロセスで安価に
且つ小型なセンサーチップを得ることができ、センサーを薄型化できるので好ましい。
The biaxial azimuth sensor has a drawback that accurate azimuth information cannot be obtained unless the magnetic detection surface is horizontal with respect to the ground surface, and the application is limited. The three-axis azimuth sensor is preferable because it can obtain accurate azimuth information even if the mounted device is tilted in an arbitrary direction, so that it can be used for a wide range of applications such as mobile phones and mobile applications. As an element for detecting magnetism, a Hall element, an MI element, an MR element, and the like can be considered, but the MI element and the MR element are preferable because of their high geomagnetic detection ability. In particular, the MR element is preferable because a small sensor chip can be obtained at low cost by a wafer process and the sensor can be thinned.
３軸方位センサーは１軸の磁気センサー３個を組合せて作製できるが、部品点数が多く
なる上に組立て工数も多くなってしまい好ましくない。本発明は２軸の検知部と１軸の検
知部で構成されるセンサーチップを用いる点が特徴であり、本発明のセンサーチップを用
いることで、部品点数および組立て工数を増やすことなく容易に３軸方位センサーを得る
ことができる。
Although the three-axis azimuth sensor can be manufactured by combining three uniaxial magnetic sensors, the number of parts is increased and the number of assembling steps is increased, which is not preferable. The present invention is characterized in that a sensor chip composed of a two-axis detection unit and a one-axis detection unit is used. By using the sensor chip of the present invention, the number of parts and assembly man-hours can be easily increased. An axial bearing sensor can be obtained.
本発明の３軸方位センサーを構成するセンサーチップは、検知部Ａと検知部Ｂが薄膜導
体で接続されるものである。薄膜導体の材料には、センサー特性に影響を与えない低抵抗
材料が好ましく、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）などが使
用できる。薄膜導体の作製には、スパッタ−などの真空成膜やめっきなどの湿式成膜、ス
クリーン印刷などを用いることができる。電極端子は検知部と外部の回路等との電気的な
接続部分である。電気的な接続にはボンディングワイヤー、はんだなどを使用することが
できる。電極端子を構成する材料は、電気抵抗が小さく、超音波ボンディングやはんだ付
けが容易にできる材料が好ましく、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇを用いることができる。
In the sensor chip constituting the triaxial bearing sensor of the present invention, the detection unit A and the detection unit B are connected by a thin film conductor. The material of the thin film conductor is preferably a low resistance material that does not affect the sensor characteristics, and gold (Au), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), or the like can be used. For the production of the thin film conductor, vacuum film formation such as sputtering, wet film formation such as plating, screen printing, or the like can be used. The electrode terminal is an electrical connection portion between the detection unit and an external circuit or the like. Bonding wire, solder, etc. can be used for electrical connection. The material constituting the electrode terminal is preferably a material that has low electrical resistance and can be easily ultrasonically bonded or soldered, and Au, Al, Cu, and Ag can be used.
可撓性基材にはポリイミド系樹脂を用いるのが好ましい。ポリイミド樹脂は耐熱性が高
く、表面が平滑で平坦な基材を容易に得ることができるので、本発明には適した材料であ
る。フッ素系ポリイミドは吸水率が低く、真空装置で磁性膜を成膜したときに磁気特性が
安定的に得られるので、さらに好ましい材料である。可撓性基材としては他にもノルボル
ネン系樹脂やポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリカーボネイト（ＰＣ）等を用
いてもよい。方位センサーの製造工程や使用環境における表面平滑性、耐熱性、耐薬品性
などを考慮して適宜選択することができる。可撓性基材の耐熱性は１３０℃以上であるこ
とが好ましい。可撓性基材が１３０℃以上の耐熱性を有することで、フォトレジストを用
いた微細パターニングにより検知部を形成することが可能となる。耐熱性が３００℃以上
である可撓性基材は、はんだ接合に鉛フリーはんだを用いることができるのでより好まし
いものである。耐熱性が高い基材を用いることで、設計及び製造方法の自由度を広げるこ
とができる。
It is preferable to use a polyimide resin for the flexible substrate. Polyimide resin is a material suitable for the present invention because it has high heat resistance and can easily obtain a smooth and flat substrate. Fluorine-based polyimide is a more preferable material because it has a low water absorption rate and can stably obtain magnetic properties when a magnetic film is formed by a vacuum apparatus. As the flexible substrate, norbornene-based resin, polyphenylene sulfide (PPS), polycarbonate (PC), or the like may be used. The orientation sensor can be appropriately selected in consideration of the surface smoothness, heat resistance, chemical resistance, and the like in the manufacturing process and use environment. The heat resistance of the flexible substrate is preferably 130 ° C. or higher. Since the flexible substrate has a heat resistance of 130 ° C. or higher, the detection portion can be formed by fine patterning using a photoresist. A flexible base material having a heat resistance of 300 ° C. or higher is more preferable because lead-free solder can be used for solder joining. By using a substrate having high heat resistance, the degree of freedom in design and manufacturing method can be expanded.
可撓性基材は十分な可撓性を有することが必要である。厚さは２００μｍ以下であるこ
とが好ましく、さらに好ましい膜厚は１００μｍ以下、最も好ましい厚さは３０μｍ以下
である。組立体を作製するにあたり、可撓性基材は単体のフィルムではなくシリコンまた
はガラス等の支持基板に固定して使用するのが良い。フィルム単体では腰がなく柔らか過
ぎる為、磁性薄膜の成膜や検知部を形成するフォトリソグラフィー等で取り扱いが困難で
あるためである。樹脂の前駆体であるワニスをシリコン基板やガラス基板等の支持基板に
コーティングした後、加熱処理して樹脂フィルム（可撓性基材）を形成するのが好ましい
。支持基板に貼り付いた状態の可撓性基材とすることで、成膜技術やフォトリソグラフィ
ー技術を用いて、検知部、薄膜導体、電極端子を形成することができる。成膜やフォトリ
ソグラフィーが終わった時点で、可撓性基材を支持基板から剥離するものである。剥離は
支持基板をエッチングによって除去する、可撓性基材を物理的に支持基板から引き剥がす
の何れも採用できる。支持基板に樹脂の前駆体であるワニスをコーティングし加熱処理す
る方法は、数μｍオーダー厚の可撓性基材を容易に得ることができる上、数μｍオーダー
厚の可撓性基材を容易に取り扱うことができるので好ましい方法である。
The flexible substrate needs to have sufficient flexibility. The thickness is preferably 200 μm or less, more preferably 100 μm or less, and most preferably 30 μm or less. In manufacturing the assembly, the flexible substrate is preferably used by being fixed to a supporting substrate such as silicon or glass instead of a single film. This is because the film itself is not soft and is too soft, so that it is difficult to handle the film by forming a magnetic thin film or photolithography for forming a detection portion. It is preferable that a resin film (flexible base material) is formed by coating a varnish, which is a precursor of the resin, on a support substrate such as a silicon substrate or a glass substrate, followed by heat treatment. By using a flexible base material in a state of being attached to the support substrate, a detection portion, a thin film conductor, and an electrode terminal can be formed using a film formation technique or a photolithography technique. When the film formation and photolithography are finished, the flexible base material is peeled off from the support substrate. The peeling can be performed by removing the supporting substrate by etching or physically peeling the flexible substrate from the supporting substrate. The method of coating a support substrate with a varnish, which is a precursor of a resin, and heat-treating can easily obtain a flexible substrate having a thickness of several μm, and can easily form a flexible substrate having a thickness of several μm. This is a preferable method.
本発明の３軸方位センサーは、検知部Ａと検知部Ｂがパターニングされた可撓性基材を
曲げることによって３軸方位センサーを得るものである。従来は、検知部Ａと検知部Ｂを
別々の部品として作製し、それら部品を組立てることでＭＲ素子の３軸方位センサーを得
ていた。本発明の３軸方位センサーは検知部を一つの可撓性基材上に集約し、それを曲げ
るという容易な作業により得ることができる。さらに曲げ位置を予めパターニングするな
どしておけば、そこを曲げるだけで容易に磁気検知方向を決めることができるので作業の
容易性から見て大変好ましいものである。可撓性基材は検知部付近で曲げると、曲げの応
力がセンサー特性に影響を与えてしまうので、曲げは薄膜導体部で行われることが好まし
い。
The triaxial azimuth sensor of the present invention obtains a triaxial azimuth sensor by bending a flexible base material on which the detection part A and the detection part B are patterned. Conventionally, the detection unit A and the detection unit B are manufactured as separate parts, and the three-axis orientation sensor of the MR element is obtained by assembling these parts. The triaxial azimuth sensor of the present invention can be obtained by an easy operation of gathering the detection units on one flexible substrate and bending it. Further, if the bending position is patterned in advance, the magnetic detection direction can be easily determined simply by bending the bending position, which is very preferable from the viewpoint of ease of work. If the flexible base material is bent in the vicinity of the detection portion, the bending stress will affect the sensor characteristics. Therefore, the bending is preferably performed at the thin film conductor portion.
可撓性基材を接着する母材は、検知部に磁気的に影響を与えないため、非磁性であるこ
とが必要である。特に絶縁性材料は検知部からの漏洩電流による線間短絡を心配する必要
が無いので、より好ましいものである。母材としては、ガラス、セラミックス、プラスチ
ックスなどの材料を用いることができる。可撓性基材を接着する非磁性母材上の２つの面
は、精度が高い直角面を構成している必要がある。ここでいう直角面とは、２面の法線が
なす角度が９０度である２面のことを言う。２面のなす角度が直角から外れると、Ｚ軸方
向の磁気検出感度が低下してしまうので、本発明では±１度以内の精度で直角面を作製す
る必要がある。直角面の作製には、型抜き、機械的な切断、研磨による加工などを用いる
ことができる。可撓性基材は、非磁性母材の直角面に密着して接着することが重要である
。接着には、エポキシ系などの樹脂系接着剤を用いることができる。
Since the base material to which the flexible base material is bonded does not affect the detection part magnetically, it is necessary to be non-magnetic. In particular, an insulating material is more preferable because it is not necessary to worry about a short circuit between lines due to a leakage current from the detection unit. As the base material, materials such as glass, ceramics, and plastics can be used. The two surfaces on the non-magnetic base material to which the flexible substrate is bonded need to constitute right-angle surfaces with high accuracy. The right-angle plane here means two planes whose angle formed by the normal lines of the two planes is 90 degrees. If the angle formed by the two surfaces deviates from a right angle, the magnetic detection sensitivity in the Z-axis direction is lowered. Therefore, in the present invention, it is necessary to produce a right angle surface with an accuracy within ± 1 degree. For producing the right-angled surface, die cutting, mechanical cutting, processing by polishing, or the like can be used. It is important that the flexible base material is in close contact with the right-angled surface of the nonmagnetic base material. A resin adhesive such as an epoxy resin can be used for adhesion.
本発明の３軸方位センサーは、外部と接続する電極端子がＸ、Ｙ軸の検知部Ａもしくは
Ｚ軸の検知部Ｂのいずれか一方に形成されていることが好ましい。
In the triaxial azimuth sensor of the present invention, it is preferable that an electrode terminal connected to the outside is formed on either the X or Y axis detection unit A or the Z axis detection unit B.
本発明の３軸方位センサーでは、検知部Ａと検知部Ｂは直交する２面に設けられている
。電極端子を両検知部に形成すると、ワイヤーボンドやはんだ付け作業時にチップを９０
度回転させなくてはならず、作業性が悪いので好ましくない。電極端子は検知部Ａもしく
は検知部Ｂのいずれか一方に集約されていれば、これら作業を容易に行うことができるの
で好ましいものである。
In the triaxial bearing sensor of the present invention, the detection unit A and the detection unit B are provided on two orthogonal surfaces. When the electrode terminals are formed on both detection parts, the chip is inserted during wire bonding and soldering operations.
It is not preferable because the workability is poor. It is preferable that the electrode terminals are gathered in either the detection unit A or the detection unit B because these operations can be easily performed.
本発明における３軸方位センサーは、センサーチップが接着される非磁性母材のチップ
が接着される直角面の稜線部曲率が半径０．１ｍｍ以上であることが好ましい。
In the triaxial sensor according to the present invention, it is preferable that the curvature of the ridge line portion on the right angle surface to which the chip of the nonmagnetic base material to which the sensor chip is bonded is 0.1 mm or more in radius.
センサーチップは可撓性基材上にパターンが形成され、薄膜導体部で曲げられ非磁性母
材に接着される。センサーチップを非磁性母材の各面に均一に接着するためには、センサ
ーチップに極僅かな張力を与えながら非磁性母材に沿わせる必要がある。接着される非磁
性母材の稜線部が鋭角になるほど、センサーチップの曲げられた部分に負荷が加わり、可
撓性基材を破断してしまったり薄膜導体部を断線してしまったりする恐れがある。また、
接着される非磁性母材の稜線部が鋭角になると、母材に沿って基材を密着させ難くなり、
母材と基材の間に隙間が生じる恐れもある。非磁性母材の稜線部を半径０．１ｍｍ以上の
曲面とすることで、センサーチップの損傷を防止できると同時に、非磁性母材とセンサー
チップの密着性を良くすることができる。非磁性母材と可撓性母材の密着性をより確保す
るには、稜線部の半径を０．３ｍｍ以上とするのがより好ましい。センサーチップに与え
る張力は、極僅かである事が必要なもう一つの理由は、検知部Ａ，Ｂの劣化である。磁性
体に不必要な応力を与えると、磁歪の影響で磁気特性が大幅に低下、つまり検知部Ａ，Ｂ
の磁界検出能力の低下を招くためである。
The sensor chip has a pattern formed on a flexible substrate, bent at a thin film conductor portion, and bonded to a nonmagnetic base material. In order to uniformly bond the sensor chip to each surface of the non-magnetic base material, it is necessary to keep the sensor chip along the non-magnetic base material while applying a very slight tension to the sensor chip. The sharper the ridgeline of the non-magnetic base material to be bonded, the more stress is applied to the bent part of the sensor chip, which may break the flexible substrate or break the thin-film conductor. is there. Also,
When the edge of the nonmagnetic base material to be bonded has an acute angle, it becomes difficult to adhere the base material along the base material,
There may be a gap between the base material and the base material. By making the ridge portion of the nonmagnetic base material a curved surface having a radius of 0.1 mm or more, the sensor chip can be prevented from being damaged, and at the same time, the adhesion between the nonmagnetic base material and the sensor chip can be improved. In order to further secure the adhesion between the nonmagnetic base material and the flexible base material, it is more preferable that the radius of the ridge line portion is 0.3 mm or more. Another reason that the tension applied to the sensor chip needs to be extremely small is the deterioration of the detection units A and B. When unnecessary stress is applied to the magnetic material, the magnetic characteristics are greatly deteriorated due to the effect of magnetostriction, that is, the detection units A and B.
This is because the magnetic field detection capability is reduced.
本発明の３軸方位センサーは、非磁性母材のセンサーチップが接着される直角面以外の
面の一部切り欠いてＩＣチップを設け、ＩＣチップとセンサーチップの電極端子とを電気
的に接続し、ＩＣチップによりセンサーチップへの電力供給の制御、検知信号の演算処理
を行うのが好ましい。
The three-axis azimuth sensor of the present invention provides an IC chip by partially cutting a surface other than the right-angled surface to which the sensor chip of the nonmagnetic base material is bonded, and electrically connects the IC chip and the electrode terminal of the sensor chip. However, it is preferable to control the power supply to the sensor chip and perform the calculation process of the detection signal by the IC chip.
ＩＣチップとは、半導体薄膜技術を利用して作製される集積回路チップのことを指す。
ＩＣチップは、センサーチップへの電力供給の制御、検知信号の演算処理など３軸方位セ
ンサーの一部もしくは全体の制御を行う部分である。ＩＣチップをセンサーチップと同一
部品内に収めることで、回路基板に実装する部品点数が少なくなると同時に実装面積を小
さくすることができるので、３軸方位センサー利用者にとっては好ましい。特に携帯電話
をはじめとした実装面積に制限がある装置においては、ＩＣチップをセンサーチップと同
一部品内に収めて、小型化することは大変好ましいことである。非磁性母材上のＩＣチッ
プを接着する面とセンサーチップを接着する面を同一の面とすると、センサー全体の大き
さが大きくなってしまうので好ましくない。非磁性母材のセンサーチップを接着する面以
外の面を切り欠いて、そのスペースにＩＣチップを接着すれば、センサー全体をさほど大
きくせずにＩＣチップをセンサーチップと同一部品内に収めることができる。ＩＣチップ
はセンサーチップとワイヤーボンドで結線することにより電気的な接続を得ることができ
る。ＩＣチップを接着する面までセンサーチップの配線部を伸ばし、その配線部に設けら
れた電極部に直接ＩＣチップをフリップ接続することもできる。
An IC chip refers to an integrated circuit chip manufactured using semiconductor thin film technology.
The IC chip is a part that controls part or all of the three-axis bearing sensor such as control of power supply to the sensor chip and calculation processing of detection signals. Since the IC chip is housed in the same component as the sensor chip, the number of components to be mounted on the circuit board can be reduced and the mounting area can be reduced at the same time, which is preferable for a triaxial sensor user. Particularly in a device having a limited mounting area such as a mobile phone, it is very preferable to reduce the size by placing the IC chip in the same component as the sensor chip. If the surface on which the IC chip on the non-magnetic base material is bonded and the surface on which the sensor chip is bonded are the same surface, the size of the entire sensor is increased, which is not preferable. If a surface other than the surface to which the sensor chip of the nonmagnetic base material is bonded is cut out and the IC chip is bonded to the space, the IC chip can be accommodated in the same part as the sensor chip without making the entire sensor so large. it can. The IC chip can be electrically connected to the sensor chip by wire bonding. The wiring portion of the sensor chip can be extended to the surface to which the IC chip is bonded, and the IC chip can be flip-connected directly to the electrode portion provided in the wiring portion.
本発明の３軸方位センサーは、付設するＩＣチップが樹脂やセラミックスなどのケース
を有さないベアチップであるのが好ましい。
In the three-axis azimuth sensor of the present invention, the attached IC chip is preferably a bare chip that does not have a case of resin or ceramics.
非磁性母材に接着するＩＣチップはパッケージングされたものを使用しても良いが、パ
ッケージング前のベアチップを直接非磁性母材に接着しセンサーチップと電気的な接続を
とるほうが、センサー全体の大きさを小さくすることができるので好ましいものである。
The IC chip that is bonded to the non-magnetic base material may be packaged, but it is better to bond the bare chip before packaging directly to the non-magnetic base material and make electrical connection with the sensor chip. This is preferable because the size of can be reduced.
本発明の３軸方位センサーは、外部電極を有する非磁性の樹脂もしくはセラミックス、
金属のケースに封入するのが好ましい。センサーチップが露出した状態で使用してもよい
が、センサー全体を非磁性の樹脂もしくはセラミックス、金属のケースに封入することが
好ましい。ケース封入することにより部品の取り扱いが容易になり、同時に優れた耐環境
性を有する部品とすることができる。ケース材料としては、樹脂ではプラスチックやエポ
キシ樹脂など、セラミックスではアルミナやジルコニアなど、金属ではアルミなどを用い
ることができる。ケース封入において、非磁性母材は予め外部電極と接続したリードフレ
ーム上に接着し、センサーとリードフレームを電気的に接続してから上記材料によってケ
ース封入する。ケース材料が樹脂の場合、射出成型によりケースの蓋と底が一体となった
封止パッケージとすることができる。ケース材料がセラミックスや金属の場合、予め作製
した筐体に非磁性母材が接着されたリードフレームを収め、窒素やアルゴンなどの不活性
ガスを注入した後に封入されることが好ましい。
The three-axis orientation sensor of the present invention is a non-magnetic resin or ceramic having an external electrode,
It is preferable to enclose in a metal case. Although the sensor chip may be used in an exposed state, it is preferable to enclose the entire sensor in a nonmagnetic resin, ceramic, or metal case. By enclosing the case, it is easy to handle the components, and at the same time, the components can have excellent environmental resistance. As the case material, plastic or epoxy resin can be used for resin, alumina or zirconia can be used for ceramics, and aluminum can be used for metals. In enclosing the case, the non-magnetic base material is bonded onto a lead frame previously connected to the external electrode, and the sensor and the lead frame are electrically connected, and then the case is encapsulated with the above material. When the case material is resin, a sealed package in which the case lid and the bottom are integrated by injection molding can be obtained. When the case material is ceramic or metal, it is preferable that the lead frame with the non-magnetic base material bonded is housed in a prefabricated housing and sealed after injecting an inert gas such as nitrogen or argon.
本発明は地磁気の検出精度が高いＭＲ素子からなる検知部を可撓性基材上に形成し、そ
れを曲げて非磁性母材に接着することによって３軸方位センサーとするところに特徴があ
る。ＭＲ素子は地磁気の検出精度が高く磁気検知方向を小さいパターンにできるので、検
出精度が高く薄型の３軸方位センサーとすることができる。３軸方向の磁気検知部をひと
つの可撓性基材上に集約し、曲げることで立体的に組立てることができるので、部品点数
が少なく小型で高性能、低価格な３軸方位センサーを得ることができる。
The present invention is characterized in that a detection unit composed of an MR element having high geomagnetic detection accuracy is formed on a flexible base material, and is bent and bonded to a nonmagnetic base material to form a triaxial bearing sensor. . Since the MR element has a high detection accuracy of geomagnetism and can form a magnetic detection direction in a small pattern, it can be a thin triaxial bearing sensor with a high detection accuracy. The three-axis magnetic sensor can be assembled on a single flexible substrate and bent to be assembled three-dimensionally, resulting in a compact, high-performance, low-cost three-axis orientation sensor with fewer parts. be able to.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。実施例１は、
可撓性基材上にＸ軸とＹ軸の検知部ＡとＺ軸の検知部Ｂを形成したセンサーチップを、直
角面を有する非磁性母材の各面に接着した３軸方位センサーの例である。実施例２は、非
磁性母材の稜線部の曲率半径と組立時の問題に付いて述べる。実施例３は、センサーチッ
プが接着される直角面以外の面を一部切り欠いてＩＣチップを設けた３軸方位センサーの
例である。実施例４はパッケージに封入した３軸方位センサーの例である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Example 1
Example of a triaxial bearing sensor in which a sensor chip in which an X-axis and Y-axis detector A and a Z-axis detector B are formed on a flexible substrate is bonded to each surface of a nonmagnetic base material having a right angle surface It is. In Example 2, the radius of curvature of the ridge line portion of the nonmagnetic base material and problems during assembly will be described. Example 3 is an example of a three-axis azimuth sensor in which an IC chip is provided by partially cutting a surface other than a right-angled surface to which a sensor chip is bonded. Example 4 is an example of a three-axis azimuth sensor enclosed in a package.
本実施例では可撓性基板にフッ素化ポリイミドフィルム（以下、ポリイミドフィルム）
を用いた。ポリイミドフィルムは以下の手順で作製したものである。まず、４インチ径の
シリコン基板上に、フッ素化ポリイミドの前駆体であるポリイミド酸ワニスをスピンコー
トした。ポリイミドフィルムの膜厚は、ポリイミド酸ワニスの粘度と、スピンコートの回
転数でコントロールできる。本実施例はポリイミドフィルムの膜厚が２０μｍとなるよう
にワニスの粘度と回転数の関係を出してスピンコートした。ポリイミド酸ワニスをスピン
コートしたシリコン基板は、７０℃で２時間、１６０℃で１時間、２５０℃で３０分、３
５０℃で１時間、の４段階の加熱処理を行い、有機溶剤成分を徐々に気化させた。加熱に
は窒素雰囲気のクリーンオーブンを用いた。上記加熱によりポリイミド酸ワニスはイミド
化し、シリコン基板上にポリイミドフィルムが得られた。
In this embodiment, a fluorinated polyimide film (hereinafter, polyimide film) is used as a flexible substrate.
Was used. The polyimide film is produced by the following procedure. First, a polyimide acid varnish which is a precursor of fluorinated polyimide was spin-coated on a 4-inch diameter silicon substrate. The film thickness of the polyimide film can be controlled by the viscosity of the polyimide acid varnish and the spin coating speed. In this example, spin coating was performed with a relationship between the viscosity of the varnish and the rotational speed so that the film thickness of the polyimide film was 20 μm. The silicon substrate on which the polyimide acid varnish was spin-coated was 70 ° C. for 2 hours, 160 ° C. for 1 hour, 250 ° C. for 30 minutes, 3
Four steps of heat treatment at 50 ° C. for 1 hour were performed to gradually vaporize the organic solvent component. A clean oven in a nitrogen atmosphere was used for heating. The polyimide acid varnish was imidized by the heating, and a polyimide film was obtained on the silicon substrate.
ポリイミドフィルムが形成されたシリコン基板は、まず表面に厚さ３０ｎｍのアルミナ
膜を成膜して、次に厚さ５ｎｍのタンタル（Ｔａ）と、厚さ３００ｎｍのＭＲ素子膜（Ｎ
ｉ−Ｆｅ合金膜）を成膜した。いずれの成膜もアルゴンガス中でのスパッターリングとし
、成膜前の最終到達真空度は６．７×１０−４Ｐａ（５×１０−８Ｔｏｒｒ）、成膜中の
真空度は１．３Ｐａ（１０ｍｍＴｏｒｒ）とした。ＭＲ素子膜はレジストパターニング後
イオンミリングを用いパターンを形成した。Ｘ軸とＹ軸の検知部Ａにはつづら折り状のＭ
Ｒ素子パターン、Ｚ軸の検知部Ｂにはバーバーポール状のＭＲ素子パターンを形成した。
次に、パターニングされた厚さ５００ｎｍのアルミニウム膜を配線し、検知部ＡとＢのＭ
Ｒ素子パターンを電気的に接続した。Ｘ軸とＹ軸の検知部Ａは、ＭＲ膜のブリッジパター
ン直上に薄膜コイルを形成してバイアス磁界を発生させる構造とした。コイルは電解銅め
っきにより形成し、めっき厚さは５μｍ、巻数は３０ターンとした。コイルとＭＲパター
ンとの間には、層間絶縁層として厚さ０．３μｍのアルミナ膜と厚さ２μｍのハードベー
クレジスト膜を設けた。Ｚ軸の検知部Ｂは、ＭＲ膜の直上に蛇行する配線を設けてバイア
ス磁界を発生させる構造とした。蛇行する配線は厚さ１μｍのアルミニウム膜をパターニ
ングすることで作製した。蛇行する配線パターンとＭＲパターンとの間には、層間絶縁層
として厚さ３００ｎｍのアルミナ膜と厚さ２μｍのハードベークレジスト膜を設けた。Ｘ
軸とＹ軸の検知部とＺ軸の検知部を接続する薄膜導体部は、配線厚さが２μｍ以上になる
ようアルミニウム膜を成膜してパターニングした。電極端子は、厚さ２μｍのＮｉ―Ｐめ
っき膜に厚さ５０ｎｍのＡｕめっき膜を施しパターニングした。最後に電極端子６を除い
た全面に厚さ４μｍの樹脂を被覆し保護膜とした。
A silicon substrate on which a polyimide film is formed has an alumina film having a thickness of 30 nm formed on the surface, and then an tantalum (Ta) film having a thickness of 5 nm and an MR element film (N film having a thickness of 300 nm).
i-Fe alloy film) was formed. All film formation was performed by sputtering in argon gas, the final ultimate vacuum before film formation was 6.7 × 10 −4 Pa (5 × 10 −8 Torr), and the vacuum during film formation was 1.3 Pa. (10 mm Torr). The MR element film was patterned using ion milling after resist patterning. The detection unit A of the X axis and the Y axis has a folded M
A barber pole-shaped MR element pattern was formed on the R element pattern and the Z-axis detecting portion B.
Next, a patterned aluminum film having a thickness of 500 nm is wired, and M of the detection parts A and B
The R element pattern was electrically connected. The X-axis and Y-axis detector A has a structure in which a bias magnetic field is generated by forming a thin film coil immediately above the bridge pattern of the MR film. The coil was formed by electrolytic copper plating, the plating thickness was 5 μm, and the number of turns was 30 turns. Between the coil and the MR pattern, an alumina film having a thickness of 0.3 μm and a hard baking resist film having a thickness of 2 μm were provided as an interlayer insulating layer. The Z-axis detection unit B has a structure in which a meandering wiring is provided immediately above the MR film to generate a bias magnetic field. The meandering wiring was produced by patterning an aluminum film having a thickness of 1 μm. Between the meandering wiring pattern and the MR pattern, an alumina film having a thickness of 300 nm and a hard baking resist film having a thickness of 2 μm were provided as interlayer insulating layers. X
The thin film conductor portion connecting the axis, the Y-axis detection portion, and the Z-axis detection portion was patterned by forming an aluminum film so that the wiring thickness was 2 μm or more. The electrode terminal was patterned by applying a 50 nm thick Au plating film to a 2 μm thick Ni—P plating film. Finally, a resin having a thickness of 4 μm was coated on the entire surface excluding the electrode terminal 6 to form a protective film.
本実施例では、シリコン基板に接着したままで可撓性基板をダイシング切断した後、可
撓性基板をシリコンから引き剥がすことで、２．０ｍｍ×３．０ｍｍ×約３０μｍのセン
サーチップを得ることができた。
In this embodiment, the flexible substrate is diced and cut while being adhered to the silicon substrate, and then the flexible substrate is peeled off from the silicon to obtain a sensor chip of 2.0 mm × 3.0 mm × about 30 μm. I was able to.
図１に本実施例である３軸方位センサーチップ１の斜視図を示す。本センサーチップは
、可撓性基材２上にＸ軸とＹ軸の検知部Ａ３とＺ軸の検知部Ｂ４、検知部Ａ３と検知部Ｂ
４を電気的に接続する薄膜導体部５、電極端子６が形成されたものである。
FIG. 1 shows a perspective view of a triaxial
The thin film conductor part 5 and the electrode terminal 6 which electrically connect 4 are formed.
センサーチップを接着する非磁性母材は、ポリエステル樹脂を射出成型して得た。セン
サーチップ１を接着する非磁性母体７の斜視図を図２に、側面図を図３に示す。非磁性母
材７は、検知部３が接着される平面部８と検知部４が接着される平面部９を有しており、
平面部８と平面部９は直角面の関係になるようにした。直角面の稜線部１０には曲率を設
けた。本実施例の非磁性母材７の外寸は、２．２ｍｍ×２．６ｍｍ×０．８ｍｍ厚であり
、稜線部１０の曲率半径は０．３０ｍｍとした。
A nonmagnetic base material to which the sensor chip is bonded was obtained by injection molding a polyester resin. FIG. 2 is a perspective view of the
The
センサーチップ１を耐熱エポキシ樹脂で非磁性母材７に接着した。センサーチップは薄
膜導体部５で曲げ、極小の張力をかけながら非磁性母材７に沿わせることで各面に均一に
接着した。図４にセンサーチップを接着した後の非磁性母材の斜視図を示す。Ｘ軸とＹ軸
の検知部Ａ３とＺ軸の検知部Ｂ４を直角面に沿って配置し、３軸方位センサーを得た。
The
作製した３軸方位センサー１００個について、測定器を用いて３軸方位の検出精度を調
べたところ、いずれの方位においても±５°の分解能で地磁気の方位が検出できることを
確認した。この分解能は携帯電話用に搭載して方位情報を得る方位センサーとしては十分
な分解能である。３軸方位センサーを固定し、繰返し測定した時の方位指示ばらつきは±
２°で、充分使用できることが判った。
About 100 produced triaxial azimuth | direction sensors, when the detection accuracy of the triaxial azimuth | direction was investigated using the measuring device, it was confirmed that the geomagnetic azimuth | direction can be detected with the resolution | decomposability of +/- 5 degree in any azimuth | direction. This resolution is sufficient for an orientation sensor that is mounted on a mobile phone and obtains orientation information. The azimuth direction variation when a 3-axis azimuth sensor is fixed and measured repeatedly is ±
It was found that 2 ° could be used sufficiently.
第２の実施例として、稜線部１０の曲率半径が０．０８ｍｍ、０．１５ｍｍ、０．２５
ｍｍの非磁性母材７を用い３軸方位センサーを組立てた。センサーチップの作製方法およ
び形状は実施例１と同じとした。曲率半径が０．０８ｍｍの非磁性母材７を用いると、セ
ンサーチップ１の接着時に稜線部１０付近に皺がよってしまい、上手く接着できないこと
がわかった。また、外観上では上手く接着できたように見えても、センサー組立て後の特
性確認で断線不良が多数見つかった。曲率半径が０．１５ｍｍと０．２０ｍｍの非磁性母
材７を用いると、上記のような稜線部付近の皺は発生せず、センサーチップ１を非磁性母
材７上に接着することができた。センサー組立て後の特性確認でも断線不良は見つからな
かった。本実施例により、非磁性母材７の稜線部１０の曲率半径を０．１ｍｍ以上とする
ことで、断線不良を発生させることなく３軸方位センサーを作製できることが確認できた
。
As a 2nd Example, the curvature radius of the
A triaxial bearing sensor was assembled using a
第３の実施例として、非磁性母材７の直角面以外を切り欠いてＩＣチップを設けた３軸
方位センサーの説明をおこなう。用いたＩＣチップはケース封止のないベアチップであり
、センサーチップへの電力供給の制御、検知信号の演算処理を行う機能を有するものであ
る。ＩＣチップのサイズは１．５ｍｍ×０．６ｍｍ×０．１ｍｍで、ＩＣチップの表面に
はＩＣ回路とセンサーチップとの電気的な接続をとるための電極端子を配した。図５に本
実施例の３軸方位センサーを示す。センサーチップ１は、ＩＣチップ１１と電気的な接続
が取り易い電極端子レイアウトとし、センサーチップ寸法は２．２ｍｍ×３．０ｍｍ×約
３０μｍとした。非磁性母材７も、ＩＣチップサイズにあわせて２．４ｍｍ×２．６ｍｍ
×０．８ｍｍとした。センサーチップ１と非磁性母材７は、実施例１と同じ手順により作
製した。センサーチップ１と非磁性母材７の接着も実施例１と同じ手順で行った。非磁性
母材７の直角面と隣り合う面にＩＣチップ１１を設けた。ＩＣチップ１１はエポキシ樹脂
で非磁性母材７に接着し、ボンディングワイヤー１２によりセンサーチップ１との電気的
な接続をとった。ＩＣチップを設けた３軸方位センサーは、３軸方位センサーとＩＣチッ
プとを別々に実装するよりも基板実装面積を小さくすることができた。携帯電話など小型
の電子機器では回路基板を小さくすることが要求されており、本実施例の３軸方位センサ
ーは、部品の実装面積を小さくすることができ回路基板を小さくできるので、好ましいも
のであることが証明できた。
As a third embodiment, a description will be given of a three-axis bearing sensor in which an IC chip is provided by cutting out a portion other than the right-angle plane of the
X 0.8 mm. The
第４の実施例として、外部電極を設けてパッケージに封入した３軸方位センサーを示す
。本実施例で用いたパッケージは、外部電極を配した筐体部とセンサーを封入する蓋部か
らなるものとした。図６に本実施例の３軸方位センサーの斜視図を、図７に本実施例の３
軸方位センサーの断面図を示す。本実施例のＩＣチップを設けた３軸方位センサーは、実
施例３と同様の手順で作製したものであり、筐体部１３および蓋部１４は、ともにアルミ
ナ製のパッケージを用いた。パッケージの外寸は、３．９ｍｍ×４．４５ｍｍ×１．６５
ｍｍである。実施例３で示した３軸方位センサーは、まずエポキシ樹脂によって筐体部１
３に接着され、外部電極１５と接続したリードフレームとセンサーチップ１の電極端子と
の間をボンディングワイヤー１２で電気的に接続をとり、最後に窒素を注入しながら蓋部
１４をエポキシ樹脂により接着し封入した。本実施例の３軸方位センサーは、一般的なパ
ッケージング部品を実装する自動機を使用でき、部品の取り扱いも容易である。また、セ
ンサーチップが露出した状態の部品では実装後に別途保護コーティングが必要であったが
、本実施例の３軸方位センサーでは保護コーティング無しでも十分に耐環境性を有する部
品とすることができた。
As a fourth embodiment, a three-axis azimuth sensor provided with external electrodes and enclosed in a package is shown. The package used in the present example was composed of a housing part provided with external electrodes and a lid part enclosing the sensor. FIG. 6 is a perspective view of the triaxial bearing sensor of the present embodiment, and FIG.
Sectional drawing of an axial direction sensor is shown. The triaxial azimuth sensor provided with the IC chip of this example was manufactured in the same procedure as in Example 3, and the
mm. The triaxial azimuth sensor shown in the third embodiment is first made of an epoxy resin with a
3 is electrically connected with the
１ センサーチップ、２ 可撓性基材、３ Ｘ軸とＹ軸の検知部、４ Ｚ軸の検知部、
５ 薄膜導体部、６ 電極端子、７ 非磁性母材、
８ Ｘ軸とＹ軸の検知部が接着される面、９ Ｚ軸の検知部が接着される面、
１０ 稜線部、１１ ＩＣチップ、１２ ボンディングワイヤー、
１３ パッケージ（筐体部）、１４ パッケージ（蓋部）、１５ 外部電極。
1 sensor chip, 2 flexible substrate, 3 X-axis and Y-axis detection units, 4 Z-axis detection unit,
5 Thin-film conductor, 6 Electrode terminal, 7 Nonmagnetic matrix,
8 Surface where the X-axis and Y-axis detectors are bonded, 9 Surface where the Z-axis detector is bonded,
10 ridge lines, 11 IC chips, 12 bonding wires,
13 package (casing part), 14 package (lid part), 15 external electrode.
Claims (6)
であって、センサーチップを構成するＸ軸とＹ軸の検知部Ａと、Ｚ軸の検知部Ｂ、薄膜導
体、電極端子の全てが可撓性基材上に形成され、検知部Ａと検知部Ｂは薄膜導体により電
気的に接続され、センサーチップは前記薄膜導体部で曲げられ、直角面を有する非磁性母
材の各面に接着されていることを特徴とする３軸方位センサー。 A magnetoresistive three-axis azimuth sensor that detects geomagnetism in three axes (X-axis, Y-axis, and Z-axis), and includes an X-axis and Y-axis detector A that constitutes a sensor chip, The detection part B, the thin film conductor, and the electrode terminal are all formed on the flexible substrate, the detection part A and the detection part B are electrically connected by the thin film conductor, and the sensor chip is bent at the thin film conductor part. A three-axis azimuth sensor which is bonded to each surface of a non-magnetic base material having a right-angle surface.
方に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の３軸方位センサー。 2. The triaxial bearing sensor according to claim 1, wherein an electrode terminal connected to the outside is formed on either one of the X and Y axis detection units A or the Z axis detection unit B.
半径０．１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１および２に記載の３軸方位センサー
。 The triaxial bearing sensor according to claim 1 or 2, wherein the nonmagnetic base material to which the sensor chip is bonded has a radius of curvature of a ridge line portion of a right angle surface to which the chip is bonded having a radius of 0.1 mm or more.
プを設け、ＩＣチップとセンサーチップの電極端子とを電気的に接続し、ＩＣチップによ
りセンサーチップへの電力供給の制御、検知信号の演算処理を行うことを特徴とする請求
項１から３に記載の３軸方位センサー。 An IC chip is provided by cutting out a part of the surface other than the right-angled surface to which the sensor chip of the nonmagnetic base material is bonded, and the IC chip and the electrode terminal of the sensor chip are electrically connected, and the IC chip is connected to the sensor chip. The three-axis azimuth sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the power supply control and detection signal calculation processing are performed.
特徴とする請求項４に記載の３軸方位センサー。 5. The triaxial bearing sensor according to claim 4, wherein the IC chip is a bare chip having no case of resin or ceramics.
しくはセラミックス、金属のパッケージに封入することを特徴とする３軸方位センサー。
5. A triaxial bearing sensor according to claim 1, wherein an external electrode is provided on the triaxial bearing sensor according to claim 1 and sealed in a nonmagnetic resin, ceramic, or metal package.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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