JP2010066262A - 磁界の空間成分を測定する磁界センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＸＭＲ効果を利用する改良された磁界センサ装置を提供する。
【解決手段】磁気抵抗性の層構造のＸＭＲ効果を利用する少なくとも１つの磁界センサを用いて、層構造に対して垂直であるか、平行ではない、検出すべき磁界の既存の別の成分を、磁束線が磁界の水平成分を形成するように磁束コンセントレータの縁部領域において磁束線が偏向されるように層構造上に少なくとも１つの磁束コンセントレータが配置されていることによって検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁界の空間成分を測定する磁界センサ装置に関する。

例えば、内燃機関の制御に使用されるような、もしくは自動車の伝動装置制御部または走行ダイナミクス制御部においても使用されるような回転数センサおよび位置センサにおいては、回転運動または位置変化が、その回転または位置変化に対応する磁界の変化によって検出されることが一般的に公知である。通常の場合、この検出に際し、それ自体公知の磁気センサが使用される。それらの磁気センサは用途および使用領域に応じてホールセンサまたは磁気抵抗センサであってよい。

異方性の磁気抵抗効果（ＡＭＲ）を基礎とする磁気抵抗構造の他にも、磁気抵抗構造としてここでは殊に高感度の巨大磁気抵抗構造（ＧＭＲ）およびトンネル磁気抵抗構造（ＴＭＲ）が挙げられる。これらの種々の磁気抵抗効果を以下ではＸＭＲ効果と総称する。

ＸＭＲ効果を用いるセンサ装置の欠点は、それらのセンサ装置はホールセンサとは異なり磁気抵抗性の層構造の平面における磁束密度に対して敏感であるということである。その種の磁気抵抗性の層構造は、基板、殊に半導体チップ上に被着される薄い金属層である。半導体チップは良好な基板特性を有し、また電気的な接続部または信号処理部全体を集積することができるので、半導体チップの使用は好適である。

しかしながら特定の用途に関しては、３つの空間方向の磁界測定が必要とされ、この磁界測定においては半導体チップ平面における磁束密度に関する情報の他に、それに垂直な成分に関する情報も必要とされる。

例えばEP 1 436 849 B1からは、慣用のようにチップ平面に対して垂直な磁束密度を測定する従来のホールセンサにおいては、チップ平面において欠如する成分を、感度が比較的低い別個の垂直なホール素子によって検出できることが公知である。

EP 1 182 461 A2からは、ホールセンサにおいて磁束コンセントレータを用いて水平方向の磁界成分を垂直方向に偏向させ、次いで慣用のホール素子を用いて磁界を検出することが公知である。

もっとも、ＸＭＲ効果を利用する磁界センサの比較的高い磁界感度が垂直の磁界成分の直接的な検出に使用されるべき場合には、従来のEP 1 860 451 A1からでは、半導体チップの斜めにされた基板面への垂直の磁界成分の射影を検出することしか読み取れず、このことは、実際の垂直の磁界成分を推量するためには、基板の角度の正確な制御を伴う煩雑な基板製造が必要とされることを意味する。

EP 1 436 849 B1 EP 1 182 461 A2 EP 1 860 451 A1

従来技術による欠点を解消する、ＸＭＲ効果を利用する改良された磁界センサ装置を提供することである。

この課題は、磁気抵抗性の層構造のＸＭＲ効果を利用する少なくとも１つの磁界センサを用いて、層構造に対して垂直であるか、平行ではない、検出すべき磁界の既存の別の成分を、磁束線が磁界の水平成分を形成するように磁束コンセントレータの縁部領域において磁束線が偏向されるように層構造上に少なくとも１つの磁束コンセントレータが配置されていることによって検出することにより解決される。

有利には、少なくとも２つの磁界センサまたは磁気抵抗性の層が磁束コンセントレータの縁部領域に配置されており、また少なくとも２つのオーム抵抗と測定ブリッジ回路において結線されている。殊に有利には、少なくとも２つの磁界センサまたは磁気抵抗性の層が外側の環に配置されており、その内側においてはディスク状の磁極コンセントレータの下に少なくとも２つの別の磁界センサまたは磁気抵抗性の層が配置されている。

さらに有利には、磁気抵抗性の層構造の基準層磁化は、有利にはこの基準層磁化が軟磁性の磁束コンセントレータの中心点に向かって示されるように、またはこの中心点から放射状に示されるように配向されている。

磁界センサの実施形態として、ここではＡＭＲセンサ、ＧＭＲセンサまたはＴＭＲセンサを使用することができ、これらのセンサは全て冒頭で述べたようないわゆるＸＭＲ効果を利用するものである。

さらに本発明を用いることにより、付加的な磁界センサまたは磁気抵抗性の層でもって磁界の別の空間成分も検出することができる。

本発明による磁界センサ装置は、磁界の３次元検出において、殊にコンパスの用途において磁界センサ装置が使用される場合に有利に使用される。

したがって本発明を用いることにより、例えば半導体チップ上のいわゆるＧＭＲスピンバルブ抵抗ブリッジでもって、チップ平面に対して垂直に配向されており、したがってＧＭＲ層の平面に対して垂直に配向されている磁束密度の成分を簡単なやり方で測定することができる。この場合さらなるステップにおいて、チップ上の２つの付加的なＧＭＲブリッジによって３つの空間方向の磁界測定用の簡単な磁界センサを実現することができる。

したがって本発明によれば、例えばＧＭＲ層の平面に対して垂直に延在する磁束成分をチップ平面に偏向する、有利には軟磁性の磁束コンセントレータを使用することによって、この成分を検出するための平面におけるＧＭＲセンサの高い磁界感度を利用することができる。このために、磁束コンセントレータの円形の層幾何学が殊に適している。磁界センサのＧＭＲ層の基準磁化は、最適な測定効果を保証するために、軟磁性のエレメントの境界線に対して常に垂直に延在するように選択されている。

したがって、有利には磁束密度の垂直成分をＧＭＲセンサによって測定することができ、このことは従来ではホールセンサを用いることでしか実現できなかった。ＧＭＲセンサ層平面における磁界成分を測定するための公知のセンサ装置、例えばホイートストン測定ブリッジと共に、単純にＧＭＲセンサ構造を基礎とするいわゆる３軸磁界センサを僅かなコストで実現することができる。このことは例えば、上述のように、コンパスの用途にとって有利である。

磁界センサ装置および磁束コンセントレータの概略的な断面図と、この磁界センサ装置によって形成される磁束線とを示す。 環状の磁界センサを備えた図１による磁界センサ装置の断面図を示す。 環状の磁界センサを備えた図１による磁界センサ装置の平面図を示す。 図３に応じた磁界センサ装置の平面図と、重畳される磁界の磁界方向とを示す。 ブリッジ回路における磁界センサ装置の実施例を示す。

図１に概略的に示されている磁界センサ装置は、軟磁性の磁束コンセントレータ１からなり、この磁束コンセントレータ１は基板、ここでは磁界センサ、例えばＧＭＲセンサの支持体としての半導体チップ２の表面に設けられている。図１からは、例えば、検出すべき磁界の磁束線３が磁束コンセントレータ１の縁部領域においては本来の垂直方向から水平方向へと偏向され、この偏向を磁界センサによって測定可能であることが見て取れる。

磁束コンセントレータ１の材料において磁束線３を水平方向に対して垂直に偏向させるための区間は、垂直方向に対して水平に偏向させるための区間よりも短いので、ここでは確かに僅かな偏向作用しか生じないが、この偏向作用を磁界センサの高い感度によって補償することができる。ここでは図示していないが、測定効果を高めるために磁束コンセントレータ１を必要に応じて半導体チップ２の基板層に埋込むことも可能である。

図２からは、磁束コンセントレータ１と半導体チップ２との間において、環状に外側に配置されている磁界センサ４（例えばＧＭＲセンサ）と、環状に内側に配置されている磁界センサ５とを備えた、図１による磁界センサ装置または磁気抵抗性の層構造が見て取れる。図３にはこの配置構成が平面図で示されており、この図において磁束コンセントレータ１は破線で縁取られている。ここでは、磁気抵抗性のＧＭＲ層構造の基準層磁化９の配向が重要である。この基準層磁化配向は、図３および図４による理想的な場合には、磁束コンセントレータ１の中心点に向かって示されるか、中心点から放射状に示される。このような理想的な場合にのみ、例えば図４による磁界方向Ｂｘ（矢印６）によって示されているような、半導体チップ２の平面において重畳された磁界が補償されることが保証されている。この場合には、検出すべき磁界と一方の半円における基準層の磁化方向とが逆平行に配向されている場合の磁界センサ４の抵抗の上昇は、他方の半円における磁界と磁化方向とが平行に配向されている場合の抵抗の低下に等しい。

この特別な基準層磁化９を達成するために、ここでは図示していない適切なコイル装置を設けることができ、このコイル装置は磁界センサ４および５によって形成されるＧＭＲ環状抵抗の上方に放射状の磁界を形成する。択一的に、半導体チップ２内に磁界センサ４および５を用いてＧＭＲ層系を形成した後に、レーザビームによる局所的な加熱により外側のフィールドに基準層磁化の書き込みを行うことができる。この場合、半導体チップ２は一定の均質な磁界において回転されるか、磁界が回転され、それと同時にレーザビームが環状抵抗上で回転される。

磁界のパラメータの本来の測定を磁界センサ４および５のブリッジ回路（例えばＧＭＲ抵抗）によって実現することができる。図５に示されているように、測定効果を達成するためには少なくとも２つの磁界センサ４が必要とされる。これらの磁界センサ４を図２および図３にしたがい、磁束コンセントレータ１の縁部の近傍に位置決めする必要がある。その他の残りの抵抗７および８は通常のオーム抵抗で良く、その抵抗値は磁界センサ４または５に調整されている。

しかしながら、抵抗に最適に適合させるために、抵抗７および８の代わりに別の２つの磁界センサ５の使用が推奨される。もっともこの場合には、それらの磁界センサ５は遮蔽されなければならず、したがって内側の磁界センサ５として磁束コンセントレータ１の下方に位置決めされる。

Claims (14)

1. 磁界の空間成分を測定する磁界センサ装置において、
   磁気抵抗性の層構造のＸＭＲ効果を利用する少なくとも１つの磁界センサ（４）を用いて、前記層構造に対して垂直であるか、平行ではない、検出すべき前記磁界の既存の別の成分を、磁束線（３）が前記磁界の水平成分を形成するように磁束コンセントレータ（１）の縁部領域において前記磁束線（３）が偏向されるように前記層構造上に少なくとも１つの磁束コンセントレータ（１）が配置されていることによって検出することを特徴とする、磁界センサ装置。
2. 前記磁気抵抗性の層構造は薄い金属性の層から構成されており、該薄い金属性の層は基板上に被着されている、請求項１記載の磁界センサ装置。
3. 前記基板は半導体チップ（２）である、請求項２記載の磁界センサ装置。
4. 少なくとも２つの磁界センサ（４）が前記磁束コンセントレータ（１）の縁部領域に配置されており、且つ、少なくとも２つのオーム抵抗（７，８）と測定ブリッジ回路において結線されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の磁界センサ装置。
5. 前記少なくとも２つの磁界センサ（４）は外側の環に配置されており、該環の内側においてはディスク状の前記磁極コンセントレータ（１）の下に、前記オーム抵抗（７，８）の代わりに少なくとも２つの別の磁界センサ（５）が配置されている、請求項４記載の磁界センサ装置。
6. 前記磁気抵抗性の層構造の基準層磁化（９）は、該基準層磁化（９）が前記磁束コンセントレータの外側の境界部と垂直に交差し、有利には、ディスク状の磁束コンセントレータ（１）の場合には該磁束コンセントレータ（１）の中心点に向かって示されるか、中心点から放射状に示されるように配向されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の磁界センサ装置。
7. 前記磁界センサ（４，５）はＡＭＲセンサである、請求項１から６までのいずれか１項記載の磁界センサ装置。
8. 前記磁界センサ（４，５）はＧＭＲセンサである、請求項１から６までのいずれか１項記載の磁界センサ装置。
9. 前記磁界センサ（４，５）はＴＭＲセンサである、請求項１から６までのいずれか１項記載の磁界センサ装置。
10. 別の磁界センサを用いて前記磁界の別の空間成分が検出される、請求項１から９までのいずれか１項記載の磁界センサ装置。
11. 前記磁束コンセントレータ（１）は軟磁性の磁束コンセントレータである、請求項１から１０までのいずれか１項記載の磁界センサ装置。
12. コイル装置を用いることにより、前記磁界センサ（４，５）によって形成されている環状抵抗の上方に放射状の磁界が形成されることによって基準層磁化（９）を達成する、請求項１から１１までのいずれか１項記載の磁界センサ装置。
13. 磁気抵抗性の層を形成した後に、レーザビームによる局所的な加熱により外側のフィールドに基準層磁化（９）の書き込みを行うことにより基準層磁化（９）を達成し、半導体チップ（２）は一定の均質な磁界において回転されるか、磁界が回転され、それと同時にレーザビームが環状抵抗上で回転される、請求項１から１１までのいずれか１項記載の磁界センサ装置。
14. 磁界センサ装置が磁界の３次元検出において、例えばコンパスの用途において使用される、請求項１から１３までのいずれか１項記載の磁界センサ装置の使用。

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