JP2019056685A

JP2019056685A - 磁気センサ

Info

Publication number: JP2019056685A
Application number: JP2018103366A
Authority: JP
Inventors: 圭祐内田; Keisuke Uchida
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2017-09-21
Filing date: 2018-05-30
Publication date: 2019-04-11

Abstract

【課題】ヨークを介してＺ軸方向の外部磁界を検出する磁気センサにおいて、磁界の検出精度を高める。【解決手段】磁気センサ１は第１の方向Ｘ及び第１の方向Ｘと直交する第２の方向Ｙを含む面に配置され、第１の方向Ｘの磁界を検出する第１の磁界検出素子２ａと、第１の方向Ｘにおいて第１の磁界検出素子２ａに隣接する軟磁性体３ａと、を有している。軟磁性体３ａの第１の方向Ｘの長さをＷ、第２の方向Ｙの長さをＬとしたときに、Ｌ／Ｗは１０以上である。また、軟磁性体３ａの第１の方向Ｘの長さをＷ、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙと直交する第３の方向Ｚの長さをｈとしたときに、０．２７≦ｈ／Ｗ≦３である。【選択図】図１

Description

本発明は磁気センサに関し、特に磁気センサのヨークの構成に関する。

磁気抵抗効果素子を備える磁気センサが知られている。磁気抵抗効果素子は磁界を検出する感磁膜を有している。感磁膜は、感磁膜の面内方向の磁界を検出する。近年、感磁膜の面内方向と直交する方向（Ｚ軸方向という場合がある）の磁界を検出する磁気センサが求められている。特許文献１には、磁気抵抗効果素子に隣接して、軟磁性体からなるヨークが設けられた磁気センサが開示されている。ヨークは、ヨークで吸収されたＺ軸方向の外部磁界の向きを感磁膜の面内方向に変換する。これによって、Ｚ軸方向の磁界を検出することができる。

特許第５５９７２０６号明細書

ヨークを介して外部磁界を検出する磁気センサでは、センサ出力のヒステリシスが生じる。ヒステリシスとは、ある磁界強度に対するセンサ出力が、外部磁界が増加するときと、外部磁界が減少するときとで一致せず、前者と後者との間に偏差が生じる現象である。ヒステリシスが大きいと磁気センサの精度が低下する。

本発明は、ヨークを介してＺ軸方向の外部磁界を検出する磁気センサにおいて、磁界の検出精度を高めることを目的とする。

本発明の一態様によれば、磁気センサは第１の方向及び第１の方向と直交する第２の方向を含む面に配置され、第１の方向の磁界を検出する第１の磁界検出素子と、第１の方向において第１の磁界検出素子に隣接する軟磁性体と、を有している。軟磁性体の第１の方向の長さをＷ、第２の方向の長さをＬとしたときに、Ｌ／Ｗは１０以上である。

本発明の他の態様によれば、磁気センサは第１の方向及び第１の方向と直交する第２の方向を含む面に配置され、第１の方向の磁界を検出する第１の磁界検出素子と、第１の方向において第１の磁界検出素子に隣接する軟磁性体と、を有している。軟磁性体の第１の方向の長さをＷ、第１の方向及び第２の方向と直交する第３の方向の長さをｈとしたときに、０．２７≦ｈ／Ｗ≦３である。

これらの発明によれば、ヨークを介してＺ軸方向の外部磁界を検出する磁気センサにおいて、磁界の検出精度を高めることができる。

本発明の一実施形態に係る磁気センサの概略斜視図である。図１に示す磁気センサのＸ−Ｚ面における断面図である。磁界検出素子の概略構成を示す断面図である。センサ出力のヒステリシスを示す模式図である。アスペクトレシオＬ／Ｗとヒステリシスの関係を示すグラフ図である。アスペクトレシオｈ／Ｗとヒステリシスの関係を示すグラフ図である。本発明においてヒステリシスが抑制される理由を示す概略図である。

以下、図面を参照して本発明の磁気センサのいくつかの実施形態について説明する。以下の説明において、第１の方向は磁界検出素子が磁界を検出する感磁方向であり、磁界検出素子の配列方向と一致している。第２の方向は第１の方向と直交する方向である。第１及び第２の方向は磁界検出素子の設置面と平行である。第３の方向は第１の方向及び第２の方向と直交する方向であり、磁界検出素子を構成する複数の膜が積層される方向に一致している。第１の方向をＸ方向、第２の方向をＹ方向、第３の方向をＺ方向という。

図１は磁気センサ１の概略斜視図を示す。磁気センサ１は、第１の方向Ｘに配列された第１〜第４の磁界検出素子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを有している。第１〜第４の磁界検出素子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは、第１の方向Ｘと第２の方向Ｙとを含む面に配置され、第１の方向Ｘの磁界を検出する。第１〜第４の磁界検出素子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは第１の方向Ｘより第２の方向Ｙに長い略長方形の平面形状を有している。第１〜第４の磁界検出素子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄはブリッジ回路（図示せず）で相互に接続されており、これによって、磁気センサ１は外部磁界を測定することができる。

第１の磁界検出素子２ａと第２の磁界検出素子２ｂとの間には第１の軟磁性体３ａが、第３の磁界検出素子２ｃと第４の磁界検出素子２ｄとの間には第２の軟磁性体３ｂが配置されている。第１及び第２の軟磁性体３ａ，３ｂはＮｉＦｅなどで形成されている。第１の軟磁性体３ａは第１の方向Ｘにおいて第１及び第２の磁界検出素子２ａ，２ｂに隣接し、第２の軟磁性体３ｂは第１の方向Ｘにおいて第３及び第４の磁界検出素子２ｃ，２ｄに隣接している。第１及び第２の軟磁性体３ａ，３ｂは、これらの軟磁性体に吸収された第３の方向Ｚの磁束を磁界検出素子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの感磁方向、すなわち第１の方向Ｘに誘導するヨークとしての機能を有している。従って、本明細書では第１及び第２の軟磁性体３ａ，３ｂは第１及び第２のヨークと同義で用いられる。第１及び第２の軟磁性体３ａ，３ｂに入力される外部磁界は完全に第１の方向Ｘに向けられる必要はないが、第１及び第２の軟磁性体３ａ，３ｂを通過することによって第１の方向Ｘの成分が増加すればよい。第１の軟磁性体３ａは、第１及び第２の磁界検出素子２ａ，２ｂの第２の方向Ｙの全長に渡って第１の方向Ｘの成分を増加させるため、第１及び第２の磁界検出素子２ａ，２ｂの第２の方向Ｙの長さより長く、かつ第１の方向Ｘからみて第１及び第２の磁界検出素子２ａ，２ｂを包摂する長さであることが好ましい。同様に、第２の軟磁性体３ｂは、第３及び第４の磁界検出素子２ｃ，２ｄの第２の方向Ｙの全長に渡って第１の方向Ｘの成分を増加させるため、第３及び第４の磁界検出素子２ｃ，２ｄの第２の方向Ｙの長さより長く、かつ第１の方向Ｘからみて第３及び第４の磁界検出素子２ｃ，２ｄを包摂する長さであることが好ましい。

図２は磁気センサ１の図１のＡ−Ａ線で切断したＸ−Ｚ面の断面図を示す。図２には第１及び第２の磁界検出素子２ａ，２ｂと第１のヨーク３ａだけが示されているが、第３及び第４の磁界検出素子２ｃ，２ｄと第２のヨーク３ｂはそれぞれ、第１及び第２の磁界検出素子２ａ，２ｂと第１のヨーク３ａと同様に構成され、配置されている。第１及び第２の磁界検出素子２ａ，２ｂは基板４の上に第１の絶縁層８を介して形成されている。第１及び第２の磁界検出素子２ａ，２ｂの側方には第２の絶縁層９が形成されている。第１及び第２の磁界検出素子２ａ，２ｂの上方には第３の絶縁層１０が形成されている。第１のヨーク３ａは第３の絶縁層１０上に設けられている。第１のヨーク３ａはメッキ工程によって形成される。このため、第３の絶縁層１０と第１のヨーク３ａとの間にはメッキ工程で用いられる電極膜１３が設けられている。第１のヨーク３ａの側方には第４の絶縁層１１が形成されている。第１のヨーク３ａ及び第４の絶縁層１１の上方には第５の絶縁層１２が形成されている。第１〜第５の絶縁層８〜１２は例えばＡｌ_２Ｏ_３で形成されている。

第１の磁界検出素子２ａは第１の方向Ｘの磁界を検出する第１の感磁膜５ａと、第３の方向Ｚに第１の感磁膜５ａを挟み、第１の感磁膜５ａにセンス電流を供給する第１のリード対６ａ，７ａと、を有している。第２の磁界検出素子２ｂは第１の方向Ｘの磁界を検出する第２の感磁膜５ｂと、第３の方向Ｚに第２の感磁膜５ｂを挟み、第２の感磁膜５ｂにセンス電流を供給する第２のリード対６ｂ，７ｂと、を有している。センス電流は第３の方向Ｚに流れる。第１のヨーク３ａは第１の方向Ｘにおいて、第１の磁界検出素子２ａと第２の磁界検出素子２ｂとの間に配置されている。また、Ｚ方向からみて、第１のヨーク３ａは、Ｘ方向に関し第１の磁界検出素子２ａのリード対６ａ，７ａと第２の磁界検出素子２ｂのリード対６ｂ，７ｂとの間にある。さらに、Ｚ方向からみて、第１のヨーク３ａは、第１の磁界検出素子２ａのリード対６ａ，７ａと第２の磁界検出素子２ｂのリード対６ｂ，７ｂのいずれとも重なっていない。

次に、第１及び第２の磁界検出素子２ａ，２ｂについて説明する。第１の磁界検出素子２ａと第２の磁界検出素子２ｂは同じ構造であるため、ここでは第１の磁界検出素子２ａについて説明する。図３は第１の磁界検出素子２ａのより詳細な構成を示す断面図である。第１の磁界検出素子２ａの第１の感磁膜５ａは、磁化自由層２４と、磁化固定層２２と、磁化自由層２４と磁化固定層２２とに挟まれ、磁気抵抗効果を有するスペーサ層２３と、を有する。磁化自由層２４はＮｉＦｅなどの軟磁性体で形成され、外部磁界に対する磁化方向が第１の方向Ｘと第２の方向Ｙを含む平面内で回転する。磁化自由層２４は第２の方向Ｙの長さが第１の方向Ｘの長さより十分に長く、形状異方性によって磁化方向が第２の方向Ｙに揃えられている。磁化方向を第２の方向Ｙに揃えるため、磁化自由層２４のＹ方向両側に硬磁性体からなるバイアス層を設けてもよい。磁化固定層２２はＣｏＦｅなどの軟磁性体で形成され、磁化方向が外部磁界に対し固定されている。スペーサ層２３はＡｌ_２Ｏ_３などの非磁性絶縁体で形成されるトンネルバリア層である。従って、本実施形態の第１の磁界検出素子２ａはＴＭＲ（Tunnel Magneto Resistive）素子である。なお、第１の磁界検出素子２ａは第１の方向Ｘの磁界を検出することができる限り、ＴＭＲ素子に限定されず、例えばスペーサ層２３にＣｕなどの非磁性金属層を用いたＧＭＲ（Giant Magneto Resistive）素子や、ＡＭＲ（An-Isotropic Magneto Resistive）素子などの磁界検出素子であってもよい。

磁化固定層２２は第１の磁化固定層２２ａと、非磁性中間層２２ｂと、第２の磁化固定層２２ｃがこの順番に積層されたもので、第１の磁化固定層２２ａはＴａやＲｕで形成された下地層２１の上に形成されている。第２の磁化固定層２２ｃはスペーサ層２３と接している。第１の磁化固定層２２ａと第２の磁化固定層２２ｃはＣｏＦｅなどの軟磁性体で形成され、非磁性中間層２２ｂはＲｕで形成されている。第１の磁化固定層２２ａと第２の磁化固定層２２ｃは非磁性中間層２２ｂを介して反強磁性結合をする。第１の磁化固定層２２ａの下に、ＩｒＭｎなどからなり、第１の磁化固定層２２ａと交換結合をする反強磁性層（図示せず）を設けてもよい。磁化自由層２４はＴａなどで形成された保護層２５で覆われている。

このように構成された磁気センサ１に第３の方向Ｚから外部磁界が印加されると、磁束は第１のヨーク３ａに吸収され（図２に太い矢印で示す）、第１の方向Ｘに曲げられて、第１のヨーク３ａを出る。第１及び第２の磁界検出素子２ａ，２ｂには第１のヨーク３ａを通過して第１の方向Ｘの成分が増加した磁界が印加されるため、第１のヨーク３ａがない場合と比べてより効率的に第１の方向Ｘの磁界成分を検出することができる。従って、磁気センサ１は第１の方向Ｘの磁界強度に対応した第３の方向Ｚの外部磁界を検出することができる。

ここで、軟磁性体からなるヨークを通過した外部磁界を検出する磁気センサにおいては、センサ出力がヒステリシスを有するという特性がある。図４（ａ）は外部磁界とセンサ出力の関係を示す模式図を、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ部の拡大図を示している。第３の方向の外部磁界Ｈを増加させながらヨークに印加したときのセンサ出力をＶ１（Ｈ）、第３の方向の外部磁界Ｈを減少させながらヨークに印加したときのセンサ出力をＶ２（Ｈ）とする。センサ出力は外部磁界Ｈの関数である。Ｖ１（Ｈ）とＶ２（Ｈ）は完全に一致することが好ましいが、実際にはＶ１（Ｈ）とＶ２（Ｈ）は一致しない。すなわち、ΔＶ＝｜Ｖ１（Ｈ）−Ｖ２（Ｈ）｜がゼロにならない外部磁界Ｈの範囲が存在する。ΔＶがゼロでない場合、磁気センサ１は外部磁界が増加しているか減少しているかによって、Ｖ１（Ｈ）またはＶ２（Ｈ）を出力する。このため、ΔＶが大きい場合、磁気センサ１の精度が低下することになる。

本実施形態の磁気センサ１は、このようなセンサ出力のヒステリシスを低減させるため、第１の軟磁性体３ａの寸法ないし形状に特徴を有する。第２の軟磁性体３ｂの寸法ないし形状は第１の軟磁性体３ａの寸法ないし形状と同一でもよいが、以下の特徴を満たす限り第１の軟磁性体３ａの寸法ないし形状と異なっていてもよい。以下では、第１の軟磁性体３ａを例に説明する。第１の軟磁性体３ａは概ね直方体の形状を有している。第１の方向Ｘの長さ（幅）をＷ、第２の方向Ｙの長さをＬ、第３の方向Ｚの長さ（高さ）をｈとする。

図５はＬ／ＷとＨｙmaxの関係を示すグラフであり、横軸にＬ／Ｗを、縦軸にＨｙmaxをとっている。Ｈｙは出力レンジＶrangeに対するΔＶの比率（＝ΔＶ／Ｖrange）として定義され、出力レンジＶrangeに対するヒステリシスの相対的な大きさを示している。ここで、出力レンジＶrangeはセンサ出力Ｖの２つの飽和点ＶＨ、ＶＬの差ＶＨ−ＶＬである。ＶＬ、ＶＨにそれぞれ対応する外部磁界ＨＬとＨＨ（図４参照）との間で外部磁界Ｈを変化させながら、各ＨにおけるΔＶを求め、図５の縦軸にはＨｙ＝ΔＶ／Ｖrangeの最大値Ｈｙmaxを示している。すなわち、Ｈｙmaxは以下のように定義される。

ここで、Ｖ１（Ｈ）は、第１の軟磁性体３ａに第３の方向Ｚの成分が時間とともに増加する外部磁界Ｈを印加したときのセンサ出力、Ｖ２（Ｈ）は、第１の軟磁性体３ａに第３の方向Ｚの成分が時間とともに減少する外部磁界Ｈを印加したときのセンサ出力である。

図５は第１の軟磁性体３ａの長さＬを一定（７８μｍ）として幅Ｗを変化させている。アスペクトレシオＬ／ＷとＨｙmaxの関係を示す近似曲線は多項式で近似している。Ｈｙmaxの上限は１．２５（％）程度とするのが好ましい。本実施形態の磁気センサ１は例えばカメラモジュールのレンズ位置の検出に用いることができる。レンズの移動量が±２００μｍである場合、Ｈｙmaxが１．２５（％）であれば、レンズの位置検出誤差を５μｍ以下とすることができる。これは、一般的なカメラモジュールにおいて十分な精度である。図５より、Ｌ／Ｗは１０以上が好ましい。また、ＨｙmaxはＬ／Ｗの増加に伴い減少するが、Ｌ／Ｗが２０以上の範囲ではＨｙmaxがかなり飽和しており、Ｈｙmaxを十分に小さく抑えられる。従って、Ｌ／Ｗを２０以上とすることがさらに好ましい。Ｌ／Ｗの増加に従いＨｙmaxが飽和していくため、Ｌ／Ｗを極端に大きくしても効果はない。一方、製造上の理由から幅Ｗを小さくすることは難しいため、Ｌ／Ｗを大きくすることは長さＬの増加に繋がり、磁気センサ１の外形寸法に影響を与える可能性がある。従って、Ｌ／Ｗは４０以下とすることが望ましい。

図６はｈ／ＷとＨｙmaxの関係を示すグラフであり、横軸にｈ／Ｗを、縦軸にＨｙmaxをとっている。Ｈｙmaxは図５の場合と同様に求めている。第１の軟磁性体３ａの長さＬを一定（７８μｍ）、高さｈを一定（２．５μｍ）として幅Ｗを変化させている。アスペクトレシオｈ／ＷとＨｙmaxの関係を示す近似曲線は多項式で近似している。

図６を参照すると、ｈ／Ｗは０．２７以上が好ましい。ｈ／Ｗの増加に伴いＨｙmaxは低下する。しかし、ｈ／Ｗを大きくするためには幅Ｗを小さくするか、高さｈを高くする必要がある。いずれも、製造上の理由から難しいため、ｈ／Ｗの上限値は３とすることが望ましい。また、ｈ／Ｗを大きくしていくとＨｙmaxは飽和する傾向にあるため、実用的には０．２７≦ｈ／Ｗ＜１．５程度とすることも好ましい。

第１の軟磁性体３ａは直方体の形状以外の様々な形状を取ることができる。すなわち、一般的には、第１の方向Ｘに延びる辺と第２の方向Ｙに延びる辺と第３の方向Ｚに延びる辺のいずれか１つは直線でなく、曲線、または直線と曲線の組み合わせであってもよい。あるいは、第１の軟磁性体３ａは第１の方向Ｘと第２の方向Ｙと第３の方向Ｚの少なくともいずれかに関し非対称であってもよい。このような場合、第１の方向Ｘの長さ（幅）Ｗは、第２の方向Ｙまたは第３の方向Ｚにおける平均値とすることができる。第２の方向Ｙまたは第３の方向Ｚに関し幅が一定の部分が過半を占める場合は、当該一定の部分の幅を幅Ｗとすることもできる。第２の方向Ｙの長さＬ、第３の方向Ｚの長さ（高さ）ｈについても同様に考えることができる。

Ｌ／Ｗ及びｈ／Ｗの範囲を制御することでセンサ出力のヒステリシスが抑えられる理由を説明する。図７（ａ）は第３の方向Ｚからみた比較例の磁気センサの概念図であり、図７（ｂ）は第３の方向Ｚからみた本実施形態の磁気センサの概念図を示す。比較例のヨーク１０３ａと本実施形態のヨーク３ａの内部は複数の磁区に分割されており、各磁区の磁化方向は例えば図示のようになっている。すなわち、比較例では各磁区の磁化方向は第１の方向Ｘ、第２の方向Ｙ、第３の方向Ｚに関しランダムな方向を向いている。この状態で第３の方向の外部磁界が印加されると、センサ出力のヒステリシスが生じやすくなる。これに対して、本実施形態ではＬ／Ｗとｈ／Ｗの範囲を上述のように設定しているため、磁界が変化したときのヨーク３ａの磁化の変化が揃いやすくなりヒステリシスが抑えられると考えられる。

１磁気センサ
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ第１〜第４の磁界検出素子
３ａ，３ｂ第１及び第２の軟磁性体（ヨーク）
Ｗヨークの第１の方向Ｘの長さ（幅）
Ｌヨークの第２の方向Ｙの長
ｈヨークの第３の方向Ｚの長さ（高さ）

本発明の一態様によれば、磁気センサは第１の方向及び第１の方向と直交する第２の方向を含む面に配置され、第１の方向の磁界を検出する第１の磁界検出素子と、第１の方向において第１の磁界検出素子に隣接する概ね直方体形状の軟磁性体と、を有している。軟磁性体の第１の方向の長さをＷ、第２の方向の長さをＬとしたときに、Ｌ／Ｗは１０以上である。

本発明の他の態様によれば、磁気センサは第１の方向及び第１の方向と直交する第２の方向を含む面に配置され、第１の方向の磁界を検出する第１の磁界検出素子と、第１の方向において第１の磁界検出素子に隣接する概ね直方体形状の軟磁性体と、を有している。軟磁性体の第１の方向の長さをＷ、第１の方向及び第２の方向と直交する第３の方向の長さをｈとしたときに、０．２７≦ｈ／Ｗ≦３である。

本発明の一態様によれば、磁気センサは第１の方向及び第１の方向と直交する第２の方向を含む面に配置され、第１の方向の磁界を検出する第１の磁界検出素子と、第１の方向において第１の磁界検出素子に隣接する概ね直方体形状の軟磁性体と、を有している。軟磁性体の第１の方向の長さをＷ、第２の方向の長さをＬとしたときに、Ｌ／Ｗは１０以上、４０以下である。

Claims

第１の方向及び前記第１の方向と直交する第２の方向を含む面に配置され、前記第１の方向の磁界を検出する第１の磁界検出素子と、
前記第１の方向において前記第１の磁界検出素子に隣接する軟磁性体と、を有し、
前記軟磁性体の前記第１の方向の長さをＷ、前記第２の方向の長さをＬとしたときに、Ｌ／Ｗは１０以上である、磁気センサ。
Ｌ／Ｗは２０以上である、請求項１に記載の磁気センサ。
前記軟磁性体の前記第１の方向及び前記第２の方向と直交する第３の方向の長さをｈとしたときに、０．２７≦ｈ／Ｗ≦３である、請求項１または２に記載の磁気センサ。
第１の方向及び前記第１の方向と直交する第２の方向を含む面に配置され、前記第１の方向の磁界を検出する第１の磁界検出素子と、
前記第１の方向において前記第１の磁界検出素子に隣接する軟磁性体と、を有し、
前記軟磁性体の前記第１の方向の長さをＷ、前記第１の方向及び前記第２の方向と直交する第３の方向の長さをｈとしたときに、０．２７≦ｈ／Ｗ≦３である、磁気センサ。
０．２７≦ｈ／Ｗ≦１．５である、請求項４に記載の磁気センサ。
前記軟磁性体の前記第２の方向の長さをＬとしたときに、Ｌ／Ｗは１０以上である、請求項４または５に記載の磁気センサ。
前記第１の方向及び前記第２の方向と直交する第３の方向の外部磁界Ｈを増加しながら前記軟磁性体に印加したときのセンサ出力をＶ１（Ｈ）、前記第３の方向の外部磁界Ｈを減少させながら前記軟磁性体に印加したときのセンサ出力をＶ２（Ｈ）、センサ出力の２つの飽和点をＶＨ及びＶＬとしたときに、
である、請求項１から６のいずれか１項に記載の磁気センサ。
前記第１の方向及び前記第２の方向を含む面に配置され、前記第１の方向の磁界を検出する第２の磁界検出素子を有し、
前記第１の磁界検出素子と前記第２の磁界検出素子はそれぞれ、前記第１の方向の磁界を検出する感磁膜と、前記第１の方向及び前記第２の方向と直交する第３の方向に前記感磁膜を挟むリード対と、を有し、
前記第３の方向からみて、前記軟磁性体は、前記第１の方向に関し前記第１の磁界検出素子の前記リード対と前記第２の磁界検出素子の前記リード対との間にあり、且つ、前記第１の磁界検出素子の前記リード対と前記第２の磁界検出素子の前記リード対のいずれとも重なっていない、請求項１から７のいずれか１項に記載の磁気センサ。