JP3510592B2 - 磁場検出デバイス - Google Patents
磁場検出デバイスInfo
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Description
互に直交する2つの軸に沿った磁場を検出することがで
きる磁場検出デバイスに関する。そのような2軸磁場セ
ンサは多くのアプリケーションにおいて必要とされる。
電子コンパス、磁場プローブ及びバーチャル・リアリテ
ィは、2軸磁場センサが有用なアプリケーションの2,
3の例である。
ンサを用いて構成されていた。例えば、米国特許5,2
47,278は、磁化の方向を設定する積分電流ストラ
ップを含む単軸磁場センサを説明する。米国特許5,2
47,378に説明された2つの検出デバイスが用いら
れて、二軸磁場検出デバイスを構成している。簡単のた
め、ここでは二軸磁場検出デバイスを、2つの軸が直交
していることを表して、x軸センサ及びy軸センサと呼
ぶことにする。従来は、2つの単軸センサを単一のパッ
ケージ容器内に収容し、感度方向が互いに直交するよう
に方向づけたであろう。あるいは、2個の個別にパッケ
ージされた単軸のダイス型部品を、それぞれの感度軸が
他のダイス型部品のに直交するように回路ボードに取り
付けたであろう。2つのダイス型部品を用いるには不都
合な点がある。このアプローチの不都合のひとつは、そ
れがパッケージレベル又はボードレベルで余分な組み立
て努力を必要とすることである。加えて、2個の単軸ダ
イス型部品を、それらが互いに直角となるように、位置
決めすることが困難である。高容積生産における2個の
単軸部品の直交性に関する最善の制御は、±1°のオー
ダーかもしれず、これは方向を指し示すコンパスと同レ
ベルの誤差を含んでいる。
センサは、磁気モーメントが初期に1方向に合わされて
いることを要求し、その方向は通常はセンサの感度方向
に対して直交する。磁気モーメントを初期化するための
均一な外部磁場では、単一チップ上でx軸及びy軸セン
サを持つことはほとんど不可能である。加えて、一般的
には、磁気抵抗センサに用いられる磁気フィルムは、そ
の磁気フィルムが堆積される間にかけられた磁場によっ
て決まる、それ自身の結晶容易軸を持つ。単軸センサ
は、典型的にはこの容易軸を用いて、最初にそれにそっ
て磁気モーメントを合わせる。単軸磁気抵抗センサは、
通常、同じ方向に結晶異方性磁界と形状異方性磁界とを
持ち、磁気的及び温度的擾乱から守り、かつ安定かつ低
ノイズのセンサ出力を維持する。磁気抵抗センサの安定
性は、少なくともある程度は磁化をアライニング又は設
定するための磁界を取り除いた後に、センサが単一の磁
区状態をどれだけ維持するかによって決まる。
感度方向とy軸に沿った感度方向とを持たなければなら
ない。これは、センサの方向の少なくとも一つは結晶容
易軸方向に合わせることができないことを意味する。し
たがって、単一のダイス型部品上に2軸センサを構築す
る際にどのように結晶容易軸を扱うか、またどのように
磁気モーメントをx方向及びy方向の双方に初期合わせ
をするかを考えなければならない。
は、2つのセンサの直交性が、約0.01°の精度を持
つフォトリソグラフィの方法により制御できることであ
る。このように、集積された2軸磁気抵抗センサに対す
る要望がある。
向を持つ磁気抵抗材料から形成された2つのセンサユニ
ットを含む、磁場を計測する2軸集積デバイスを提供す
ることによって解決する。第1のセンサユニットの要素
は、第1の方向の全異方性磁界を持つ。第2のセンサユ
ニットの要素は、第1の方向と直交する第2の方向の全
異方性磁界を持つ。第1と第2のセンサユニットの要素
の磁化の方向を設定する手段が提供される。第1のセン
サユニットの出力は第1の方向に直交する磁界成分に対
応し、第2のセンサの出力は第2の方向に直交する磁界
成分に対応する。
中において一般的に10で表される。図1は、本発明に
よる磁場センサの集積回路配置を示す。集積回路ダイ1
2には、セット又はリセットパッド16から時計回りの
四角い螺旋状に延びパッド18で終わる導体又はストラ
ップ14が形成されている。磁気抵抗要素は、磁気抵抗
材料の延長ストリップから形成される。例えば、図1
は、磁気抵抗ストリップ22,24と相互接続26とか
らなる要素20を示す。簡単のため、要素当たり2つの
磁気抵抗ストリップのみが示されているが、実際の要素
はさらに多くのストリップを含むことができることが理
解される。第1のホイートストンブリッジ構成におい
て、Vcc1(X)及びVcc2(X)における電源供給接続
とVout+(X)とVout-(X)との間の出力電圧接続と
に接続された要素20,28,30,32が示されてい
る。第1のホイートストンブリッジの感度の方向は、矢
印33によって示されており、このブリッジはx軸セン
サとして動作する。
cc1(Y)とVcc2(Y)における電源供給接続とVout+
(Y)とVout-(Y)との間の出力電圧接続とに接続さ
れた要素34,36,38,40が示されている。図1
において、別々の電源供給接続が示されているが、それ
らは共通する1つの電源供給に接続される。第2のホイ
ートストンブリッジの感度の方向は矢印41によって示
され、このブリッジはy軸センサとして動作する。図1
に示されるように導通路が、第1のホイートストンブリ
ッジの要素20と32のそれぞれの一端と、第2のホイ
ートストンブリッジの要素34と40の一端を、接地バ
ッド42に接続している。これで磁場検出デバイス10
の基本的な構造が開示されたことになる。本発明の教示
するところによるデバイス10の動作が説明され、理解
されるであろう。
とYセンサは互いに直交する感度軸を持たなければなら
ない。図1の特定の実施例において、磁気抵抗材料の結
晶異方性磁界の容易軸44は、その材料中に形成された
2つのセンサユニットのx軸成分とy軸成分との双方に
対して1つの方向、すなわち0°又は180°にある。
その方向は、磁気抵抗材料の堆積とアニーリングの間の
磁場の方向によって決定される。本発明の他の実施例
は、結晶異方性磁界を持たないフィルムを用いてもよ
い。
作は、相互接続されたパーマロイなどの磁気抵抗材料の
延長ストリップの使用を参照して説明される。他に様々
な構造が可能である。
晶異方性磁界と形状異方性磁界とを有すると考えられ
る。全異方性磁界は、結晶異方性磁界と形状異方性磁界
のベクトル和である。図2は、本発明の原理により、異
方性磁界の関係を示している。図2は、xセンサに関し
て、結晶異方性磁界の容易軸46と、形状異方性磁界の
容易軸48と、全異方性磁界の容易軸50とを示してい
る。形状異方性磁界の容易軸48は延長ストリップの長
手方向に沿っている。限定ではなく例示として、結晶異
方性磁界は約3エルステッド(Oe)、形状異方性磁界
48は約25Oeである。この例においては、全異方性
磁界50を結晶異方性磁界から約45°ずらすために、
形状異方性磁界48は、結晶異方性磁界46から約50
°ずれている。図2はまた、yセンサに関して、結晶異
方性磁界の容易軸52と、形状異方性磁界の容易軸54
と、全異方性磁界の容易軸56とを示している。形状異
方性磁界の容易軸54は延長ストリップの長手方向に沿
っている。
異方性磁界は結晶異方性磁界と形状異方性磁界とのベク
トル和になる。センサの感度方向は、全異方性磁界に直
交する方向である。2つのセンサを単一のダイ又はチッ
プ上に配置し相互に直交する2つの方向に感度を持たせ
るためには、2つのセンサの全異方性磁界は互いに直交
しなければならない。図1の好適なる実施例において
は、デバイス10は、磁気抵抗材料の結晶容易軸44に
関し対称に配置されたx軸センサとy軸センサをもって
構成される。図1の特定の実施例に関し、x軸センサの
要素、すなわち要素20,28,30,32は、結晶軸
から約50°反時計回りに回転されており、y軸センサ
の要素、すなわち要素34,36,38,40は時計回
りに50°回転される。
成するために使用することができるタイプの磁気抵抗ス
トリップ60を示している。導体ストリップ62はスト
リップ60を横切って延び、ストリップ60と約50°
の角度64をなしている。当然、この角度は特定のデバ
イスの結晶異方性磁界、形状異方性磁界及び全異方性磁
界との関係に依存する。
統的なデザインにおいては、バーバーポールは、ストリ
ップに対してプラス又はマイナス45°に配置されてき
た。本発明の教示するところによれば、Xセンサ及びY
センサの全異方性磁界の容易軸に対し±45°以内の磁
気抵抗材料内の平均電流を供給するためには、バーバー
ポールの幅、バーバーポール間のギャップ、磁気抵抗ス
トリップに対する方向を最適化する必要がある。本発明
においては、最小幅と最大ギャップの境界内において、
電流方向は主としてバーバーポールの向きによって決定
される。特定の実施例におけるバーバーポールの向き
は、ホイートストンブリッジ内における要素の位置によ
って、結晶異方性磁界方向に沿うか又は結晶異方性磁界
に直交する。
れたことになる。付加的な利点が説明され理解されよ
う。単一のコイル14は、Xセンサ及びYセンサ双方に
とってのセットコイル又はセット/リセットコイルとし
て用いることができる。コイル14は、Xセンサ及びY
センサの双方にとって、全異方性磁界方向に沿ってアラ
イメントを取る。デバイス10を使って計測又は読み取
りを行う前に、電流がコイル14を流れることによっ
て、各センサにおける単一ドメイン状態を生成又は設定
する磁界が供給される。電流によって供給された磁界
は、単一方向の磁化をセットするために十分大きくなけ
ればならい。電流は、単に読み取りに先立って磁化を設
定するために用いられればよい。また電流は、最初の読
み取りに先立って1方向に供給されてもよい。セット/
リセットアプリケーションと呼ばれるものにおいては、
しかる後に、第2の読み取りの前に電流を反対方向に供
給するようにしても良い。単一のコイルを用いること
で、ダイのサイズを小さくし、電力消費を削減すること
にもなる。
説明されてきたが、他の実施例は明らかである。例え
ば、磁気抵抗材料について、磁気抵抗センサに用いられ
る薄膜が基板上に堆積される。異なる基板下部層と異な
る堆積条件によってきめの細かい多結晶薄膜又はランダ
ムな分布の多結晶薄膜のいずれかとなる。
ーマロイフィルムは、通常磁気的に好適な向きを持つ。
すなわち、それはきめの細かいフィルムであり、実効的
な結晶異方性磁界を持つ。しかしながら、慎重に選択さ
れた基板に対し、磁界が存在しない中で堆積されたフィ
ルムは、ランダムに分布し、磁気的に好適な向きを持た
ない。これは、フィルム中に実効的な結晶異方性磁界が
存在しないことを意味する。
効的な結晶異方性磁界を持たないランダムに分布させた
フィルムを用いることもできる。この他に取り得る実施
例では、全異方性電界は、形状異方性磁界成分のみを含
み、磁気抵抗要素の長さ方向に沿うであろう。この実施
例では、磁気抵抗要素とセット・リセットストラップと
のなす角度は、図1に示すような95°ではなく、90
°となるであろう。
セット・リセットストラップ14については、図1に示
されたもの以外の空間的な関係を用いてもよい。例え
ば、1つのブリッジの4つの要素を、磁化が4つの要素
において同じ方向に行われるように配置することができ
るであろう。セット・リセットストラップ又はコイル
は、図1の螺旋形状以外にも、屈曲又は蛇行した形をし
ていてもよい。図1の1つのコイルに代えて、2つのコ
イルを使用しても良い。
れる磁気抵抗材料の複数のストリップに代えて、ホイー
トストンブリッジの脚を形成してもよい。
る部分に対し、異なるバーバーポールの方向を持ち、そ
の単一の足の異なる部分において反対の方向に流れるセ
ット・リセット電流をもつ磁気抵抗要素が工夫される。
的な関係、バーバーポールの配置、セット・リセットス
トラップの形状及びその他のバリエーションを工夫する
ことができる。
の精神と一般的な特徴から離れることなく、他の特定の
形態に実施化してもよく、その内のいくつかはすでに示
されて、ここで説明された実施例はあらゆる意味におい
て、限定的ではなく、例示的なものと考えるべきであ
る。本発明のスコープは、先の説明によってではなく、
添付の請求の範囲によって示され、請求の範囲の意義及
び均等の範囲内におけるあらゆる変形は、その中に含ま
れることを意図するものである。 [図面の簡単な説明]
略化された集積回路レイアウトの平面図を示す。
原理を図式的に表現したものである。
部を示す。
Claims (8)
- 【請求項1】 磁気抵抗材料より形成された第1のセン
サユニットと第2のセンサユニットと; 電源供給回路に接続する手段と; 前記第1のセンサユニットは第1の出力を持つととも
に、前記第2のセンサユニットは第2の出力を持つ; 前記第1のセンサユニットは、第1の方向の全異方性磁
界を持つ少なくとも1つの検出要素を有し; 前記第2のセンサユニットは、前記第1の方向と直交す
る第2の方向の全異方性磁界を持つ少なくとも1つの検
出要素を有し; 前記第1の方向の前記第1のセンサユニットの前記少な
くとも1つの検出要素の少なくとも一部における磁化の
方向を設定するとともに、前記第2の方向の前記第2の
センサユニットの前記少なくとも1つの検出要素の少な
くとも一部における磁化の方向を設定する手段とを備
え; 前記第1の出力は前記第1の方向に直交する磁界成分を
表し、前記第2の出力は前記第2の方向に直交する磁界
成分を表す、 磁場を計測するための集積デバイス。 - 【請求項2】 前記第1のセンサユニット及び前記第2
のセンサユニットは、第1の平面内に位置づけられ、磁
化の方向を設定する前記手段は少なくとも1つのコイル
からなり、 このコイルは前記第1の平面から離間した第2の平面内
に設定される、請求項1の集積デバイス。 - 【請求項3】 前記第1のセンサユニット及び前記第2
のセンサユニットのそれぞれは、ホイートストンブリッ
ジとして互いに接続された4つのブリッジ要素から成っ
ている、請求項2の集積デバイス。 - 【請求項4】 前記ブリッジ要素の電流と前記ブリッジ
要素の磁化の方向との間の角度を変え、線形演算を提供
するように選択されるバイアス手段をさらに有する、請
求項3の集積デバイス。 - 【請求項5】 前記バイアス手段は、 前記ブリッジ要素の少なくとも一部を横切って延びる、
傾きのある導電性物質のストリップを有する、請求項4
の集積デバイス。 - 【請求項6】 前記磁気抵抗材料は、結晶異方性磁界方
向を有し、 前記第1の方向は、 前記第1のセンサユニットの前記1つの検出要素を、前
記結晶異方性磁界方向から時計回りに第1の角度回転さ
せることによって決定され、 前記第2の方向は、 前記第2のセンサユニットの前記1つの検出要素を、前
記結晶異方性磁界方向から反時計回りに前記第1の角度
回転させることによって決定される、請求項3の集積デ
バイス。 - 【請求項7】 前記ブリッジ要素のそれぞれは、 前記ブリッジ要素の少なくとも一部を横切って延びる導
電性物質のストリップを含み、 前記コイル及び前記コイルと約45°の角度を形成する
前記ストリップに直交しない前記ブリッジ要素を有す
る、請求項6の集積デバイス。 - 【請求項8】 磁気抵抗材料より形成された第1のセン
サユニットと第2のセンサユニットと; 電源供給回路に接続する手段と; 前記第1のセンサユニットは第1の出力を持つととも
に、前記第2のセンサユニットは第2の出力を持つ; 前記第1のセンサユニットは、 第2の方向の全異方性磁界を持つ少なくとも1つの検出
要素を有し、前記第2の方向は、前記第1のセンサユニ
ットの前記1つの検出要素を、第1の方向から時計回り
に第1の角度回転させることによって決定される; 前記第2のセンサユニットは、第3の方向の全異方性磁
界を持つ少なくとも1つの検出要素を有し、前記第3の
方向は、前記第2のセンサユニットの前記1つの検出要
素を、前記第1の方向から反時計回りに前記第1の角度
回転させることによって決定される;前記第2の方向の
前記第1のセンサユニットの前記少なくとも1つの検出
要素の少なく とも一部における磁化の方向を設定するとともに、前記
第3の方向の前記第2のセンサユニットの前記少なくと
も1つの検出要素の少なくとも一部における磁化の方向
を設定する手段とを備え; 前記第1の出力は前記第2の方向に直交する磁界成分を
表し、前記第2の出力は前記第3の方向に直交する磁界
成分を表す、磁場を計測するための集積デバイス。
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