JP2018063204A - 磁気検出素子 - Google Patents

Abstract

【課題】素子部の感度の低下を抑制し、かつ、素子部のさらなる小面積化を図ることができる磁気検出素子を提供する。
【解決手段】金属膜３０を構成する第１積層部３１は、素子部２０のうちの接続部２２と直線部２１との連結部分及び接続部２２によって構成されたＵ字状の折り返し部２４の上に積層されている。第２積層部３２は、第１積層部３１に一体化されていると共に、基板１０の一面１１のうち折り返し部２４の内側端部２４ｂで囲まれた範囲の全体を覆っている。そして、第１積層部３１は、折り返し部２４の外縁部２４ｃの全体を露出させるように折り返し部２４の外側端部２４ａよりも内側端部２４ｂ側に配置された第１外周縁部３１ａを有している。これにより、第１積層部３１が隣の折り返し部２４に干渉しない。また、電流が金属膜３０を流れることで、外部磁場による折り返し部２４の抵抗変化の影響を受けない。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁界の変化を検出する磁気検出素子に関する。

従来より、薄膜状の磁気抵抗素子が蛇行状に形成された素子部が、例えば特許文献１で提案されている。磁気抵抗素子におけるＵ字状の折り返し部の上には、金属膜が積層されている。金属膜は、当該折り返し部の線幅全体に形成されている。これにより、折り返し部では電流が金属膜に流れるので、電流は外部磁場による折り返し部の抵抗変化の影響を受けない。したがって、素子部の感度低下の抑制が可能になっている。

特開平５−２６４７０１号公報

しかしながら、素子部専用のマスクを用いて蛇行状の磁気抵抗素子を形成し、この後、金属膜専用のマスクを用いて折り返し部の上に金属膜を積層する場合がある。この場合、隣り合う一方の折り返し部に積層された金属膜の位置ずれによって、当該金属膜が他方の折り返し部に接触する等の干渉を起こす可能性がある。

したがって、上記従来の技術では、素子部の折り返し部に対する金属膜の位置ずれを考慮して、隣り合う折り返し部の距離を予め確保しておかなければならない。このため、素子部のさらなる小面積化を図ることができないという問題がある。

また、金属膜の位置ずれによって折り返し部の内側に金属膜が積層されない可能性がある。電流は電気抵抗が最少となる経路を流れるため、一部の電流は金属膜ではなく折り返し部の内側に流れる。このため、電流が外部磁場による折り返し部の抵抗変化の影響を受け、ひいては素子部の感度が低下してしまうという問題がある。

本発明は上記点に鑑み、素子部の感度の低下を抑制し、かつ、素子部のさらなる小面積化を図ることができる磁気検出素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、並列配置された複数の直線部（２１）と、複数の直線部を蛇行状に繋ぐ複数の接続部（２２）と、を有する強磁性薄膜として基板の一面に形成された素子部（２０）と、抵抗値が素子部よりも小さく、かつ、外部磁場により変化しない金属膜（３０）と、を備えている。

金属膜は、素子部のうちの接続部と直線部との連結部分及び接続部によって構成された折り返し部（２４）に積層された第１積層部（３１）と、第１積層部に一体化されていると共に、一面のうち折り返し部の内側端部（２４ｂ）で囲まれた範囲の全体を覆う第２積層部（３２）と、を有している。

第１積層部は、折り返し部の外縁部（２４ｃ）を露出させるように折り返し部の外側端部（２４ａ）よりも内側端部側に配置された外周縁部（３１ａ）を有している。

これによると、第１積層部の外周縁部が折り返し部の外側端部よりも内側に配置されているので、第１積層部が隣の折り返し部に干渉することがない。このため、複数の直線部の間隔や隣同士の折り返し部の間隔を予め確保する必要が無いので、素子部のさらなる小面積化を図ることができる。

また、第２積層部が折り返し部の内側端部で囲まれた領域に配置されているので、折り返し部の内側に金属膜が必ず配置される。このため、電流が外部磁場による折り返し部の抵抗変化の影響を受けないので、素子部の感度の低下を抑制することができる。

したがって、素子部の感度の低下を抑制し、かつ、素子部のさらなる小面積化を図ることができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係る磁気検出素子を示した平面図である。 図１に示された折り返し部を拡大した平面図である。 図２のIII−III断面図である。 金属膜を有しない素子部に外部磁界が印加された場合の平面図である。 図４に示された素子部の出力を説明するための図である。 金属膜を有する素子部に外部磁界が印加された場合の平面図である。 図６に示された素子部の出力を説明するための図である。 第２実施形態に係る折り返し部を示した平面図である。 第２実施形態に係る折り返し部の変形例を示した平面図である。 第３実施形態に係る折り返し部を示した平面図である。 折り返し部の線幅に対する第１積層部の線幅の割合と素子部の感度との関係を示した図である。 第４実施形態に係る折り返し部を示した平面図である。 第５実施形態に係る折り返し部を示した平面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係る磁気検出素子は、磁界の変化を検出するものであり、例えば磁気センサの一部を構成するものである。このような磁気検出素子は、図１に示されるように、基板１０、素子部２０、及び金属膜３０を備えている。

基板１０は、一面１１を有する板状の基材である。基板１０は、例えば、Ｓｉ基板等の半導体基板の上に絶縁膜が形成されて構成されているものや、ガラス等の絶縁基板等の素子部２０の設置が可能なものであれば良い。

素子部２０は、基板１０の一面１１に形成されている。素子部２０は、Ｎｉ−ＦｅやＮｉ−Ｃｏ等の強磁性材料によって薄膜状に形成されている。素子部２０は、複数の直線部２１、複数の接続部２２、及び複数のパッド２３を有している。

直線部２１は、直線状に複数本が並列配置された配線部である。接続部２２は、複数の直線部２１を蛇行状に繋ぐ配線部である。パッド２３は、他の配線との電気的接続を行うための薄膜部である。

素子部２０は、蒸着等の方法によって基板１０に形成されている。直線部２１及び接続部２２は蛇行状の専用マスクによって連続的に形成される。パッド２３も同様に専用マスクによって形成される。

図示しないが、素子部２０は基板１０に複数形成されている。例えば、素子部２０によってブリッジ回路が構成されている。また、基板１０は樹脂材料によってモールドされた状態で図示しないバイアス磁石の近傍に配置される。

このような状態で、素子部２０は、バイアス磁界の変化（磁気ベクトルの変化）に応じて抵抗値が変化する。したがって、外部磁場の影響を受けたときの各素子部２０の抵抗値の変化に基づいて信号を出力する。なお、信号は予め設定された演算を行うための信号処理回路によって信号処理される。

金属膜３０は、抵抗値が素子部２０よりも小さく、かつ、外部磁場により抵抗値が変化しない金属材料によって構成されている。金属膜３０は、蒸着等の方法によって専用マスクを用いて折り返し部２４の上に形成される。折り返し部２４は、素子部２０のうちの接続部２２と直線部２１との連結部分及び接続部２２によって構成されたＵ字状の部分である。金属膜３０は、素子部２０よりも厚く形成されている。

金属膜３０は、ＡｌあるいはＡｌを主成分とする合金によって構成されている。Ａｌを用いることにより、半導体プロセスでの金属膜３０の形成が可能であり、高精度かつ安価に形成が可能である。Ａｌを主成分とする合金とは、例えばＡｌ−Ｓｉ合金である。

Ａｌの他、金属膜３０は、ＣｕあるいはＣｕを主成分とする合金、ＡｕあるいはＡｕを主成分とする合金、ＡｇあるいはＡｇを主成分とする合金によって構成されていても良い。これらの金属は外部磁場に対する磁気抵抗変化がなく、比抵抗及び素子部２０との接触抵抗が小さい。したがって、効率的に素子部２０の感度ロスを低減できる。

図２に示されるように、金属膜３０は第１積層部３１及び第２積層部３２を有している。第１積層部３１及び第２積層部３２は、上述の専用マスクによって一体的・連続的に形成される。

第１積層部３１は、Ｕ字状の折り返し部２４の上に積層されている。第１積層部３１の平面形状は、折り返し部２４と同様にＵ字状である。また、第１積層部３１は、第１外周縁部３１ａ及び第２外周縁部３１ｂを有している。第１外周縁部３１ａは、折り返し部２４の外側端部２４ａよりも内側端部２４ｂ側に配置されている。本実施形態では、第１外周縁部３１ａは、折り返し部２４の外縁部２４ｃの全体を露出させるように、折り返し部２４の外側端部２４ａよりも内側端部２４ｂ側に配置されている。したがって、金属膜３０は、折り返し部２４の内側に配置されている。

第２外周縁部３１ｂは、折り返し部２４を構成する直線部２１の上に、複数の直線部２１の並列配置方向に沿って配置された部分である。
本実施形態では、「並列配置方向に沿って」とは「並列配置方向に平行に」という意味である。第２外周縁部３１ｂは、第１外周縁部３１ａに接続されている。第２外周縁部３１ｂは、折り返し部２４の内側端部２４ｂのうち接続部２２に対応する部分よりも直線部２１の中央部側に配置されている。

第２積層部３２は、基板１０の一面１１のうち折り返し部２４の内側端部２４ｂで囲まれた範囲の全体を覆うように、基板１０の一面１１の一部に積層されている。内側端部２４ｂで囲まれた範囲は、折り返し部２４を構成する直線部２１及び接続部２２によって囲まれた範囲であり、直線部２１間の長細い領域全体ではない。第２積層部３２は、並列配置方向、及び、直線部２１の長手方向に連続的に第１積層部３１に一体化されている。なお、並列配置方向と長手方向とは垂直の関係にある。

第２積層部３２は、第３外周縁部３２ａを有している。第３外周縁部３２ａは、一対の第２外周縁部３１ｂに接続されていると共に、並列配置方向に沿って配置されている。本実施形態では、第２外周縁部３１ｂ及び第３外周縁部３２ａは、並列配置方向に沿って一直線状に配置されている。

上記の構成では、図２及び図３の矢印で示されるように電流が流れる。すなわち、電流は一方の直線部２１から金属膜３０に流入し、金属膜３０に流れた後、金属膜３０から他方の直線部２１に流出する。折り返し部２４のうち外側端部２４ａ側を流れる電流は金属膜３０の最短距離を流れようとするため、図２に示されるように電流経路が内側端部２４ｂ側に曲がっている。以上が、磁気検出素子の構成である。

次に、上記の形状の金属膜３０が折り返し部２４に積層されていることの作用効果について説明する。まず、直線部２１及び接続部２２によって構成された蛇行状のパターンにおいては、外部磁場の磁場ベクトルと電流の向きとが垂直になるときに抵抗値が最少になる。一方、外部磁場の磁場ベクトルと電流の向きとが平行になるときに抵抗値が最大になる。

比較例として、図４に示されるように、金属膜３０が積層されていないパターンでは、折り返し部２４を構成する接続部２２に電流が流れる。また、接続部２２が外部磁場によって抵抗変化する。直線部２１に流れる電流の方向と接続部２２に流れる電流の方向とが異なるため、図５に示されるように、折り返し部２４の抵抗変化による出力が直線部２１の抵抗変化による出力を打ち消すように発生する。したがって、パターン全体のトータルの出力は直線部２１の抵抗変化による出力よりも減少する。

これに対し、本実施形態に係る構成では、図６に示されるように、折り返し部２４に低抵抗の金属膜３０が積層されているので、電流は抵抗値の小さい金属膜３０を流れ、折り返し部２４の接続部２２に流れない。つまり、電流は、折り返し部２４を構成する接続部２２が外部磁場によって抵抗変化するという影響を受けない。このため、図７に示されるように、直線部２１の抵抗変化による出力が素子部２０のトータルの出力となる。このように、素子部２０のパターン全体の出力は直線部２１の抵抗変化による出力とほぼ同じになるので、折り返し部２４での感度ロスを低減することができる。

また、素子部２０として、接続部２２が存在せずに直線部２１が金属膜３０に直接接続された構成も考えられる。このような構成に対し、直線部２１から金属膜３０が剥離するリスクや、直線部２１と金属膜３０との界面抵抗の増加による断線／動作不良のリスクを避けることができる。

そして、素子部２０のパターンに対して複数の金属膜３０を同時に形成する場合、１枚の専用マスクを用いる。この場合、素子部２０のパターンに対して金属膜３０の専用マスクが位置ずれを起こすことがある。しかし、直線部２１の長手方向の一方向に位置する金属膜３０と当該長手方向の他方向に位置する金属膜３０とが一方向あるいは他方向に同時に位置ずれを起こす。このため、素子部２０に対する金属膜３０の位置ずれが発生したとしても、一方向側の金属膜３０から他方向側の金属膜３０までの長手方向における直線部２１の距離が変化せずに常に一定である。したがって、素子部２０の感度及び消費電流を安定して得ることができる。

上記のように金属膜３０の位置ずれが発生したとしても、金属膜３０の第２積層部３２は折り返し部２４の内側端部２４ｂで囲まれた領域に必ず配置されている。つまり、折り返し部２４の内側に金属膜３０が必ず配置されている。このため、電流は折り返し部２４ではなく金属膜３０に必ず流れるので、外部磁場による折り返し部２４の抵抗変化の影響を受けない。したがって、素子部２０の感度の低下を抑制することができる。さらに、金属膜３０が第２積層部３２を備えた構成になっているので、直線部２１の長手方向において直線部２１の中央部側への金属膜３０の位置ずれの許容度を高めることもできる。

さらに、折り返し部２４の外縁部２４ｃが露出するように、金属膜３０が折り返し部２４の内側に配置されているので、金属膜３０の第１積層部３１が隣の折り返し部２４に干渉しない。このため、各直線部２１の間隔や隣同士の折り返し部２４の間隔を予め確保しなくても良い。つまり、これらの間隔を製造可能な間隔に狭くすることができる。したがって、素子部２０の面積を削減することができる。また、折り返し部２４に金属膜３０を積層しつつ、素子部２０のパターンの集積度を保つことができる。

上記のように、素子部２０が小面積に形成されると、磁気検出素子が磁気センサの一部として構成された場合、バイアス磁石のサイズの小型化や材料の選定の自由度を高め、製造コストの低減にも繋がる。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図８に示されるように、第１積層部３１の第２外周縁部３１ｂは、第１外周縁部３１ａ側が第２積層部３２の第３外周縁部３２ａ側よりも接続部２２側から直線部２１側に離れるように配置されている。すなわち、第２外周縁部３１ｂは、並列配置方向に平行な第３外周縁部３２ａに対して傾斜して配置されている。

これによると、折り返し部２４の外側端部２４ａ側に流れる電流が金属膜３０に流れ込む際に、電流経路を曲げずに金属膜３０に流入するようにすることができる。すなわち、折り返し部２４の外側端部２４ａ側に流れる電流の直進性を確保することができる。つまり、電流の整流性が向上する。これにより、金属膜３０のうち折り返し部２４の内側への電流集中を抑制することができる。

変形例として、図９に示されるように、第１積層部３１の第１外周縁部３１ａと第２外周縁部３１ｂとの接続部分がＲ形状になっていても良い。これによると、第１外周縁部３１ａと第２外周縁部３１ｂとの接続部分への電流集中が緩和されるので、金属膜３０の耐電圧を高くすることができる。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１、第２実施形態と異なる部分について説明する。図１０に示されるように、第１積層部３１の線幅は、折り返し部２４の線幅の５０％以上になっている。折り返し部２４の線幅は、当該折り返し部２４を構成する直線部２１における並列配置方向の幅である。

発明者らは、第１積層部３１の線幅を変化させたときの素子部２０の感度の変化について調べた。その結果を図１１に示す。なお、素子部２０の抵抗率変化を感度として測定した。また、図１１のグラフの横軸は折り返し部２４の線幅に対する金属膜３０の線幅の割合を示し、縦軸は感度を示している。

図１１に示されるように、第１積層部３１の線幅が折り返し部２４の線幅の５０％以上では、感度がほぼ一定であると共に、充分な感度が得られた。一方、第１積層部３１の線幅が折り返し部２４の線幅の５０％未満になると、線幅の割合が小さくなるに伴って感度も減少した。線幅が０％の場合は金属膜３０が存在しない場合である。このような結果から、第１積層部３１の線幅は、折り返し部２４の線幅の５０％以上であることが好ましい。金属膜３０に流れる電流は折り返し部２４の内側端部２４ｂ側に集中するため、感度ロス低減の効果を有効に利用することができる。

（第４実施形態）
本実施形態では、第１〜第３実施形態と異なる部分について説明する。図１２に示されるように、金属膜３０は、折り返し部２４の外縁部２４ｃの一部を覆う第３積層部３３を有している。

具体的に、第３積層部３３は、直線部２１の長手方向のうち直線部２１側から接続部２２側に向かう方向に第１積層部３１に一体化されている。また、第３積層部３３は、複数の直線部２１の並列配置方向における折り返し部２４の最大幅よりも狭く形成されている。本実施形態では、並列配置方向における第３積層部３３の幅は第１積層部３１と同じになっている。もちろん、並列配置方向における第３積層部３３の幅は第１積層部３１と異なっていても良い。

さらに、第３積層部３３は、第１積層部３１から基板１０の一面１１に至るまで配置されている。これにより、第３積層部３３は、第１積層部３１において第２積層部３２とは反対側の外縁部２４ｃの一部及び外側端部２４ａの一部を覆っている。これにより、折り返し部２４の外縁部２４ｃのうち並列配置方向の外側端部２４ａ側が露出している。

以上のように、隣の折り返し部２４や隣の直線部２１に干渉しないように、金属膜３０に第３積層部３３を設けることができる。

（第５実施形態）
本実施形態では、第４実施形態と異なる部分について説明する。図１３に示されるように、本実施形態では、折り返し部２４は、当該折り返し部２４の隣の折り返し部２４に対して直線部２１の長手方向にずらして配置されていることが前提になっている。これにより、各折り返し部２４は、隣の折り返し部２４に対して複数の直線部２１の並列配置方向あるいは直線部２１の長手方向に段差状に配置される。

そして、第３積層部３３は、長手方向のうち直線部２１側から接続部２２側に向かう方向だけでなく、並列配置方向のうち隣の折り返し部２４が位置しない方向にも第１積層部３１に一体化されている。言い換えると、第３積層部３３はＬ字状になっている。さらに、第３積層部３３は、第１積層部３１から基板１０の一面１１に至るまで配置されている。これにより、第３積層部３３は、隣に直線部２１が位置しない外縁部２４ｃの一部及び外側端部２４ａの一部を覆っている。

以上のように、段差状に配置された折り返し部２４が繰り返されたパターンにおいても、第４実施形態と同様の効果が得られる。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された磁気検出素子の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、折り返し部２４の接続部２２は台形状になっているが、これは平面形状の一例である。また、第２実施形態で示された金属膜３０を第３〜第５実施形態に適用することができる。

上記各実施形態では、折り返し部２４はＵ字状に構成されていたが、これは形状の一例である。折り返し部２４は、例えばＶ字状等のようにＵ字状以外の形状になっていても良い。

上記各実施形態では、第１積層部３１の平面形状は、折り返し部２４と同じであったが、これは一例である。第１積層部３１の平面形状は、例えば半円状や扇状等のようにＵ字状以外の形状になっていても良い。

１０ 基板、１１ 一面、２０ 素子部、２１ 直線部、２２ 接続部、２４ 折り返し部、２４ａ 外側端部、２４ｂ 内側端部、２４ｃ 外縁部、３０ 金属膜、３１ 第１積層部、３１ａ 第１外周縁部、３１ｂ 第２外周縁部、３２ 第２積層部、３２ａ 第３外周縁部、３３ 第３積層部

Claims (7)

1. 並列配置された複数の直線部（２１）と、前記複数の直線部を蛇行状に繋ぐ複数の接続部（２２）と、を有する強磁性薄膜として基板（１０）の一面（１１）に形成された素子部（２０）と、
   抵抗値が前記素子部よりも小さく、かつ、外部磁場により抵抗値が変化しない金属膜（３０）と、
   を備え、
   前記金属膜は、
   前記素子部のうちの前記接続部と前記直線部との連結部分及び前記接続部によって構成された折り返し部（２４）に積層された第１積層部（３１）と、
   前記第１積層部に一体化されていると共に、前記一面のうち前記折り返し部の内側端部（２４ｂ）で囲まれた範囲の全体を覆う第２積層部（３２）と、
   を有し、
   前記第１積層部は、前記折り返し部の外縁部（２４ｃ）を露出させるように前記折り返し部の外側端部（２４ａ）よりも前記内側端部側に配置された外周縁部（３１ａ）を有している磁気検出素子。
2. 前記外周縁部を第１外周縁部（３１ａ）と定義すると、
   前記第１積層部は、前記第１外周縁部に接続されていると共に、前記折り返し部を構成する前記直線部の上に前記複数の直線部の並列配置方向に沿って配置された第２外周縁部（３１ｂ）を有し、
   前記第２積層部は、前記第２外周縁部に接続されていると共に、前記並列配置方向に沿った第３外周縁部（３２ａ）を有し、
   前記第２外周縁部は、前記第１外周縁部側が前記第３外周縁部側よりも前記接続部側から前記直線部側に離れるように前記第３外周縁部に対して傾斜して配置されている請求項１に記載の磁気検出素子。
3. 前記第１外周縁部と前記第２外周縁部との接続部分がＲ形状になっている請求項２に記載の磁気検出素子。
4. 前記第１積層部の線幅は、前記折り返し部の線幅の５０％以上である請求項１ないし３のいずれか１つに記載の磁気検出素子。
5. 前記第１積層部の前記外周縁部は、前記折り返し部の前記外縁部の全体を露出させるように前記外側端部よりも前記内側端部側に配置されている請求項１ないし４のいずれか１つに記載の磁気検出素子。
6. 前記金属膜は、前記複数の直線部の並列配置方向における前記折り返し部の最大幅よりも狭く、前記直線部の長手方向のうち前記直線部側から前記接続部側に向かう方向に前記第１積層部に一体化されていると共に、前記第１積層部から前記基板の前記一面に至るまで配置されたことにより、前記第１積層部において前記第２積層部とは反対側の前記外縁部の一部及び前記外側端部の一部を覆う第３積層部（３３）を有している請求項１ないし４のいずれか１つに記載の磁気検出素子。
7. 前記折り返し部は、当該折り返し部の隣の折り返し部に対して前記直線部の長手方向にずらして配置されていることにより、前記隣の折り返し部に対して前記複数の直線部の並列配置方向あるいは前記直線部の長手方向に段差状に配置されており、
   前記金属膜は、前記並列配置方向のうち前記隣の折り返し部が位置しない方向及び前記長手方向のうち前記直線部側から前記接続部側に向かう方向に前記第１積層部に一体化されていると共に、前記第１積層部から前記基板の前記一面に至るまで配置されたことにより、前記外縁部の一部及び前記外側端部の一部を覆う第３積層部（３３）を有している請求項１ないし４のいずれか１つに記載の磁気検出素子。

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