JP5240657B2 - Sensing element, sensing device, orientation detection device, and information device - Google Patents
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Description
本発明は、センシング素子、センシング装置、方位検出装置及び情報機器に係り、更に詳しくは、複数の磁気センサを有するセンシング素子、該センシング素子を備えるセンシング装置、方位検出装置、及び情報機器に関する。 The present invention relates to a sensing element, a sensing device, an orientation detection device, and an information device, and more particularly to a sensing element having a plurality of magnetic sensors, a sensing device including the sensing element, an orientation detection device, and an information device.
近年、携帯端末の高機能化、高性能化が進展し、地図情報を元に、所望の位置に誘導するいわゆるナビゲーション機能を搭載した携帯電話も急速に普及しつつある。このようなアプリケーションでは、地磁気情報を有効に活用することにより、利便性が飛躍的に向上する。 In recent years, mobile terminals have been improved in functionality and performance, and mobile phones equipped with a so-called navigation function for guiding to a desired position based on map information are also rapidly spreading. In such an application, the convenience is dramatically improved by effectively using geomagnetic information.
また、この場合に、姿勢検知のために３軸の加速度センサを組み合わせることにより、さらに正確な情報の活用と、利便性の飛躍的な向上が図られる。 Further, in this case, by combining a triaxial acceleration sensor for posture detection, more accurate information can be utilized and convenience can be dramatically improved.
地磁気はベクトル量であり、その強度は、一般に０．３〜０．５Ｏｅ（エルステッド）と言われており非常に弱いものである。このように非常に弱い強度の地磁気を高精度に検知するために、検出素子の特性向上が図られた。 Geomagnetism is a vector quantity, and its strength is generally said to be 0.3 to 0.5 Oe (Oersted) and is very weak. Thus, in order to detect the geomagnetism of very weak intensity with high accuracy, the characteristics of the detection element were improved.
地磁気は地球上の両磁極から発生する磁力線によるものであるために、平面ではない地球上でこの地磁気を検知する場合には、水平面のみの情報（２次元情報）では不十分である。従って、地磁気に関する情報を有効に活用するためには、地磁気の情報を３次元で検知する必要がある。 Since geomagnetism is due to magnetic field lines generated from both magnetic poles on the earth, when detecting this geomagnetism on the earth that is not a plane, information only on the horizontal plane (two-dimensional information) is insufficient. Therefore, in order to effectively use information relating to geomagnetism, it is necessary to detect geomagnetism information in three dimensions.
例えば、特許文献１には、基板上に固定された第１Ｘ軸ＧＭＲ素子〜第４Ｘ軸ＧＭＲ素子と、基板上に移動可能に支持された可動コイルとを備え、検出素子として磁気検出素子のみを用いて外部磁界及び加速度等を測定できるセンサが開示されている。
For example,
また、特許文献２には、板バネと、検出方向の加速度と逆方向に変位するように、板バネに支持された検出用磁石と、検出用磁石が発生する磁界を検出する磁界検出素子からなる磁気式加速度センサが開示されている。 Patent Document 2 discloses a leaf spring, a detection magnet supported by the leaf spring so as to be displaced in the direction opposite to the acceleration in the detection direction, and a magnetic field detection element that detects a magnetic field generated by the detection magnet. A magnetic acceleration sensor is disclosed.
また、特許文献３及び特許文献４には、地磁気を検出する少なくとも３軸の磁気センサと、重力加速度を検出する２軸以上の加速度センサと、磁気センサからの出力信号及び加速度センサからの出力信号を処理する信号処理部とを備えた集積化方位センサが開示されている。 Patent Document 3 and Patent Document 4 disclose at least a triaxial magnetic sensor for detecting geomagnetism, a biaxial or higher acceleration sensor for detecting gravitational acceleration, an output signal from the magnetic sensor, and an output signal from the acceleration sensor. An integrated azimuth sensor including a signal processing unit that processes the above is disclosed.
最近、携帯端末は、高機能化及び高性能化だけでなく、小型化の要求も高まっている。そこで、携帯端末に搭載される方位検出装置も小型化する必要がある。 Recently, not only high performance and high performance of mobile terminals, but also the demand for miniaturization is increasing. Therefore, it is necessary to miniaturize the orientation detection device mounted on the portable terminal.
しかしながら、特許文献１に開示されているセンサでは、加速度と地磁気の両方の物理量を同時に検知することができないという不都合があった。また、特許文献１に開示されているセンサでは、可動コイルに電流を流す必要があるため、省エネルギを図ることができないという不都合があった。さらに、可動コイルに電流を流す／流さないを制御するための制御ユニットも必要となることから、回路も複雑となり、部品点数の増加やコストの上昇などを招くという不都合があった。
However, the sensor disclosed in
また、特許文献２に開示されている磁気式加速度センサでは、磁気回路や磁気センサなどをすべて実装技術を利用して組み立てているために、小型化には限界があった。 In addition, the magnetic acceleration sensor disclosed in Patent Document 2 is limited in size reduction because all magnetic circuits, magnetic sensors, and the like are assembled using mounting technology.
また、特許文献３及び４に開示されている集積化方位センサでは、加速度を検知するための応力検知素子と磁気情報を得るための磁気センサとが必要であり、結局二つの物理量を検知するのに、２種類の検知デバイスが必要である。そこで、それぞれを形成するための製造工程が必要になり、製造コストが上昇するという不都合があった。 In addition, the integrated azimuth sensors disclosed in Patent Documents 3 and 4 require a stress detection element for detecting acceleration and a magnetic sensor for obtaining magnetic information. Eventually, two physical quantities are detected. In addition, two types of detection devices are required. Therefore, a manufacturing process for forming each of them is required, and there is a disadvantage that the manufacturing cost increases.
本発明は、かかる事情の下になされたもので、その第１の目的は、高コスト化を招くことなく、小型で高い信頼性を有し、加速度及び地磁気を同時に検出することができるセンシング素子を提供することにある。 The present invention has been made under such circumstances, and a first object of the present invention is to provide a sensing element capable of detecting acceleration and geomagnetism at the same time, having a small size and high reliability without incurring an increase in cost. Is to provide.
また、本発明の第２の目的は、高コスト化を招くことなく、小型で、精度良く３軸方向に関する加速度及び３軸方向に関する地磁気を同時に検出することができるセンシング装置を提供することにある。 A second object of the present invention is to provide a sensing device that can simultaneously detect the acceleration in the three-axis direction and the geomagnetism in the three-axis direction with high accuracy without causing an increase in cost. .
また、本発明の第３の目的は、高コスト化を招くことなく、小型で、精度良く方位を検出することができる方位検出装置を提供することにある。 A third object of the present invention is to provide an azimuth detecting device that can detect the azimuth with a small size and high accuracy without increasing the cost.
また、本発明の第４の目的は、高コスト化を招くことなく、小型で、ユーザの要求に最適な情報を得ることができる情報機器を提供することにある。 A fourth object of the present invention is to provide an information device that is small in size and can obtain information optimal for a user's request without incurring an increase in cost.
本発明は、第１の観点からすると、加速度によって変位する錘部と、外力によって可動する少なくとも１つの可動部とを有し、前記錘部に形成された少なくとも１つの磁気発生部材と、該磁気発生部材からの磁気を検出するための複数の磁気センサと、前記少なくとも１つの可動部を含む複数の位置に形成され３軸方向に関する地磁気を検出するための複数の磁気センサとが形成されたセンサ基板と；前記センサ基板をカバーするとともに、機械的な力を作用させて前記少なくとも１つの可動部を、該可動部以外に対して傾斜させるカバー部材と；を備えるセンシング素子である。 From a first aspect, the present invention has a weight portion that is displaced by acceleration and at least one movable portion that is movable by an external force, and at least one magnetism generating member formed on the weight portion, A sensor in which a plurality of magnetic sensors for detecting magnetism from a generating member and a plurality of magnetic sensors for detecting geomagnetism in three axial directions formed at a plurality of positions including the at least one movable part are formed. A sensing element comprising: a substrate; and a cover member that covers the sensor substrate and causes the mechanical force to act to incline the at least one movable part with respect to other than the movable part.
これによれば、高コスト化を招くことなく、小型で高い信頼性を有し、加速度及び地磁気を同時に検出することが可能となる。 According to this, it is possible to detect acceleration and geomagnetism at the same time with a small size and high reliability without increasing the cost.
本発明は、第２の観点からすると、本発明のセンシング素子と；前記センシング素子における複数の磁気センサの出力信号、及び前記センサ素子における前記少なくとも１つの可動部の傾斜角に基づいて、３軸方向に関する加速度情報及び３軸方向に関する地磁気情報をそれぞれ求める演算装置と；を備えるセンシング装置である。 According to a second aspect, the present invention provides a sensing element according to the present invention; based on output signals of a plurality of magnetic sensors in the sensing element and an inclination angle of the at least one movable part in the sensor element; An arithmetic device that obtains acceleration information related to a direction and geomagnetic information related to a triaxial direction, respectively.
これによれば、本発明のセンシング素子を有しているため、高コスト化を招くことなく、小型で、精度良く３軸方向に関する加速度及び３軸方向に関する地磁気を同時に検出することが可能となる。 According to this, since the sensing element of the present invention is provided, it is possible to simultaneously detect the acceleration in the three-axis direction and the geomagnetism in the three-axis direction with a small size and high accuracy without causing an increase in cost. .
本発明は、第３の観点からすると、本発明のセンシング装置と；前記センシング装置からの３軸方向に関する加速度情報と３軸方向に関する地磁気情報に基づいて、方位情報を求める方位取得装置と；を備える方位検出装置である。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a sensing device according to the present invention; an azimuth acquisition device that obtains azimuth information based on acceleration information related to the triaxial direction from the sensing device and geomagnetic information related to the triaxial direction. It is an azimuth detecting device provided.
これによれば、本発明のセンシング装置を備えているため、結果として、高コスト化を招くことなく、小型で、精度良く方位を検出することが可能となる。 According to this, since the sensing device of the present invention is provided, as a result, it is possible to detect the orientation with a small size and high accuracy without causing an increase in cost.
本発明は、第４の観点からすると、位置情報を取得する位置検出装置と；本発明の方位検出装置と；前記方位検出装置からの方位情報と前記位置検出装置からの位置情報に基づいて、情報を取得する情報取得装置と；を備える情報機器である。 From a fourth aspect, the present invention is based on a position detection device that acquires position information; an azimuth detection device of the present invention; azimuth information from the azimuth detection device and position information from the position detection device, And an information acquisition device for acquiring information.
これによれば、本発明の方位検出装置を備えているため、結果として、高コスト化を招くことなく、小型で、ユーザの要求に最適な情報を得ることが可能となる。 According to this, since the azimuth detecting device of the present invention is provided, as a result, it is possible to obtain information that is small and optimal for the user's request without increasing the cost.
以下、本発明の一実施形態を図１〜図２５に基づいて説明する。図１には、一実施形態に係る情報機器としての携帯電話１０の外観が示されている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows an appearance of a
この携帯電話１０は、一例として図２に示されるように、キー入力装置１１、表示装置１２、メモリ１３、無線回路１４、アンテナ１５、スピーカ１６、マイク１７、カメラモジュール１８、インターフェース（ＩＦ）１９、方位検出装置２０、位置検出装置２１、電源装置２３、及び主制御装置２２などを備えている。
As shown in FIG. 2 as an example, the
キー入力装置１１は、ユーザがデータを入力したり、携帯電話１０に対する指示内容を選択したりするのに用いられ、テンキーや各種ファンクションキーなどを有している。ここで入力されたキー情報は主制御装置２２に通知される。なお、キーとしては、ハードウェアキー、ソフトウェアキーのいずれであっても良いし、それらが併用されても良い。
The
表示装置１２は、ユーザへの各種メッセージやユーザが入力した各種情報などを表示する。また、表示装置１２は、各種アプリケーション及びカメラモジュール１８での表示手段としても用いられる。
The
メモリ１３は、複数種類の記憶媒体を有し、それぞれに適した各種データが格納される。
The
無線回路１４は、アンテナ１５を介して、外部との双方向の無線通信を制御する。なお、音声データだけではなく、文字データや画像データも、通信データとして送受信することが可能である。さらに、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）信号も受信することができる。
The
スピーカ１６は、音声データや音楽データなどを音に変換して出力する。
The
マイク１７は、入力される音を電気信号に変換する。
The
カメラモジュール１８は、画像を撮像する。
The
インターフェース（ＩＦ）１９は、複数種類のインターフェースドライバを有し、外部機器（例えば、メモリチップ、ＵＳＢ機器など）との双方向のデータ通信を制御する。 The interface (IF) 19 has a plurality of types of interface drivers, and controls bidirectional data communication with an external device (for example, a memory chip, a USB device, etc.).
方位検出装置２０は、携帯電話１０の長手方向が向いている方位情報を取得し、主制御装置２２に通知する。この方位検出装置２０の構成については後述する。
The
位置検出装置２１は、ＧＰＳ信号に基づいて携帯電話１０の位置情報を取得する。
The
電源装置２３は、各部に電力を供給する。
The
主制御装置２２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭを有し、携帯電話１０の全体を制御する。
The
ここで、前記方位検出装置２０について説明する。この方位検出装置２０は、一例として図３に示されるように、センシング装置１２０及び方位情報変換装置１３０を有している。
Here, the
センシング装置１２０は、センシング素子１２１と演算装置１２２を有し、３軸方向に関する地磁気データ及び３軸方向に関する加速度データを出力する。
The
このセンシング素子１２１は、一例として図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示されるように、センサ基板１２１Ａ、センサ基板１２１Ａをカバーするカバー部材１２１Ｂ、センサ基板１２１Ａを支持する支持部材１２１Ｃを有している。なお、本明細書では、ＸＹＺ３次元直交座標系において、センサ基板１２１Ａの表面に垂直な方向をＺ軸方向として説明する。
As shown in FIG. 4A and FIG. 4B as an example, the
ここでは、カバー部材１２１Ｂは、センサ基板１２１Ａの＋Ｚ側の面をカバーしている。そして、支持部材１２１Ｃは、センサ基板１２１Ａの−Ｚ側の面を介してセンサ基板１２１Ａを支持している。
Here, the
また、カバー部材１２１Ｂとセンサ基板１２１Ａ、及び支持部材１２１Ｃとセンサ基板１２１Ａは、接着剤によって接着されている。なお、それらは、いわゆる陽極接合によって接合されても良い。
Further, the
センサ基板１２１Ａは、一例として図５に示されるように、基板２０１を有し、地磁気を検出するための領域（以下では、「地磁気検出領域」という）２０１ｍと、加速度を検出するための領域（以下では、「加速度検出領域」という）２０１ｓが設けられている。
As shown in FIG. 5 as an example, the
地磁気検出領域２０１ｍには、図６に示されるように、ＴＭＲ素子１２１Ｘ、ＴＭＲ素子１２１Ｙ、ＴＭＲ素子１２１Ｚ、複数の電極パッド２０２、及び複数の配線２０３が形成されている。
As shown in FIG. 6, a
ＴＭＲ素子１２１Ｘは、Ｘ軸方向の地磁気を検出するための磁気センサであり、ＴＭＲ素子１２１Ｙは、Ｙ軸方向の地磁気を検出するための磁気センサであり、ＴＭＲ素子１２１Ｚは、Ｚ軸方向の地磁気を検出するための磁気センサである。
The
また、地磁気検出領域２０１ｍには、図７（Ａ）及び図７（Ａ）のＡ−Ａ断面図である図７（Ｂ）に示されるように、カンチレバー構造（片持ち梁構造）の可動部２０１ｂが形成されている。そして、この可動部２０１ｂの自由端近傍にＴＭＲ素子１２１Ｚが形成されている。
Further, in the
ＴＭＲ素子１２１Ｙ及びＴＭＲ素子１２１Ｙは、可動部２０１ｂの一端が支持されている非可動部に形成されている。そして、ここでは、ＴＭＲ素子１２１ＸとＴＭＲ素子１２１Ｙは、磁界の検知方向が互いにほぼ直交するように形成されている。
The
加速度検出領域２０１ｓには、図８に示されるように、ＴＭＲ素子１２１１、ＴＭＲ素子１２１２、ＴＭＲ素子１２１３、ＴＭＲ素子１２１４、４つの磁気発生部材（２０５１〜２０５４）、複数の電極パッド２０２、及び複数の配線２０３が形成されている。
As shown in FIG. 8, the
ＴＭＲ素子１２１１は磁気発生部材２０５１の磁気を検出するための磁気センサであり、ＴＭＲ素子１２１２は磁気発生部材２０５２の磁気を検出するための磁気センサである。さらに、ＴＭＲ素子１２１３は磁気発生部材２０５３の磁気を検出するための磁気センサであり、ＴＭＲ素子１２１４は磁気発生部材２０５４の磁気を検出するための磁気センサである。
The
また、加速度検出領域２０１ｓには、図９（Ａ）及び図９（Ａ）のＡ−Ａ断面図である図９（Ｂ）に示されるように、４つの支持部２０１ｄによって支持された錘部２０１ｃが形成されている。
Further, in the
この錘部２０１ｃは、一例として図１０に示されるように、加速度の大きさや方向に応じて変位し、その位置及び姿勢が変化する。
As shown in FIG. 10 as an example, the
４つの磁気発生部材（２０５１〜２０５４）は、錘部２０１ｃの表面における４隅近傍に形成されている。
The four magnetism generating members (205 1 to 205 4 ) are formed near the four corners on the surface of the
ＴＭＲ素子１２１１、ＴＭＲ素子１２１２、ＴＭＲ素子１２１３、及びＴＭＲ素子１２１４は、支持部２０１ｄが支持されている非可動部であって、対応する磁気発生部材に近接する位置にそれぞれ形成されている。
The
カバー部材１２１Ｂには、一例として図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）に示されるように、センサ基板１２１Ａの可動部２０１ｂに機械的な力を作用させるための突起部２５０が形成されている。なお、図１１（Ｂ）は図１１（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。
As an example, as shown in FIGS. 11A to 11C, the
そこで、センサ基板１２１Ａがカバー部材１２１Ｂでカバーされると、一例として図１２（Ａ）及び図１２（Ａ）のＡ−Ａ断面図である図１２（Ｂ）に示されるように、カバー部材１２１Ｂの突起部２５０によって可動部２０１ｂに−Ｚ方向の押圧が作用する。すなわち、可動部２０１ｂに機械的な力が作用する。そして、ＴＭＲ素子１２１Ｚとともに可動部２０１ｂは、ＸＹ平面に対して傾斜することとなる。このときの傾斜角θは、ＸＹ面内での突起部２５０の位置（すなわち、押圧の作用位置）、及びＺ軸方向に関する突起部２５０の長さ（すなわち、突出量）によって決定される。なお、本実施形態では、一例として可動部２０１ｂの傾斜角θが２５度となるように設定されている。
Therefore, when the
また、図１２（Ａ）のＢ−Ｂ断面図が、図１３に示されている。 FIG. 13 is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG.
ところで、ＴＭＲ素子は、磁界に応じてその抵抗値が変化するトンネル磁気抵抗効果素子であり、一例として図１４に示されるように、反強磁性体層としてＦｅ−Ｍｎ薄膜５２、強磁性体層（ピン層）としてＣｏ−Ｆｅ薄膜５３、絶縁体層として酸化アルミニウム膜５４、強磁性体層（フリー層）としてパーマロイ薄膜５５が、順に積層されたＴＭＲ構造膜を有している。なお、ＴＭＲ構造膜の層構成及び層材料は、これに限定されるものではない（例えば、宮崎照宣著、「スピントロニクス」、日刊工業新聞社、２００４年、参照）。
By the way, the TMR element is a tunnel magnetoresistive effect element whose resistance value changes in response to a magnetic field. As shown in FIG. 14 as an example, an Fe-Mn
そこで、一例として図１５に示されるように、各ＴＭＲ素子には一定の電流が演算装置１２２から供給され、各ＴＭＲ素子の電圧がそれぞれの信号として演算装置１２２に出力される。
As an example, as shown in FIG. 15, a constant current is supplied from the
次に、センサ基板１２１Ａの作製方法について簡単に説明する。
Next, a method for manufacturing the
ここでは、基板２０１には、表面が（１００）面であり、膜厚が５２５ｎｍの熱酸化膜が形成されている単結晶シリコン（Ｓｉ）のウエハを用いた（図１６（Ａ）参照）。 Here, a single crystal silicon (Si) wafer having a (100) surface and a thermal oxide film with a thickness of 525 nm is used for the substrate 201 (see FIG. 16A).
（１）マグネトロンスパッタリング法を用いて、基板２０１の熱酸化膜上に上記ＴＭＲ構造膜を成膜する（図１６（Ｂ）参照）。
(1) The TMR structure film is formed on the thermal oxide film of the
（２）フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより、ＴＭＲ素子に対応する領域以外のＴＭＲ構造膜を除去する（図１６（Ｃ）及び図１７（Ａ）参照）。ここでは、ＴＭＲ素子に対応する領域は長方形であり、短い辺の長さＤａを７０μｍ、長い辺の長さＤｂを２００μｍとした（図１７（Ｂ）参照）。 (2) The TMR structure film other than the region corresponding to the TMR element is removed by photolithography and dry etching (see FIGS. 16C and 17A). Here, the region corresponding to the TMR element is rectangular, the short side length Da is set to 70 μm, and the long side length Db is set to 200 μm (see FIG. 17B).
（３）一例として図１８（Ａ）〜図１８（Ｃ）に示されるように、ＴＭＲ構造膜の微細加工を行う。 (3) As an example, as shown in FIGS. 18A to 18C, fine processing of the TMR structure film is performed.
（４）スパッタリング法を用いて、層間絶縁膜としてＳｉＯ２膜を３００ｎｍの厚さで成膜する。 (4) Using a sputtering method, a SiO 2 film having a thickness of 300 nm is formed as an interlayer insulating film.
（５）公知の手段を用いてコンタクトホールを開口する。 (5) A contact hole is opened using a known means.
（６）アルミニウムの成膜及びパターニング加工により配線２０３及び電極パッド２０２を形成する（図１９（Ａ）参照）。これによって、ＴＭＲ素子ができ上がる。なお、一例として図１９（Ｂ）に、ＴＭＲ構造膜における配線２０３のコンタクト位置が示されている。原理的には、１つのＴＭＲ素子には４つの端子が必要となるが、ここでは１つの端子を共有化し、３つの端子を設けている。
(6) A
（７）磁気発生部材が所望の領域にのみ形成されるようにステンシルマスク（図２０（Ａ）参照）を用いたいわゆるマスクデポ手法を採用し、磁化用の磁界を加えながら、マグネトロンスパッタリング法により、磁気発生部材を形成する（図２０（Ｂ）参照）。ここでは、磁気発生部材としてコバルト（Ｃｏ）−鉄（Ｆｅ）合金を２００ｎｍの厚さで形成した。 (7) A so-called mask deposition method using a stencil mask (see FIG. 20A) is employed so that the magnetism generating member is formed only in a desired region, and a magnetron sputtering method is applied while applying a magnetic field for magnetization. A magnetic generation member is formed (see FIG. 20B). Here, a cobalt (Co) -iron (Fe) alloy having a thickness of 200 nm was formed as the magnetic generating member.
（８）カンチレバー構造の可動部２０１ｂ、及び支持部２０１ｄによって支持された錘部２０１ｃを形成するため、レジストフィルムを用いてエッチングマスクを形成する（図２１（Ａ）参照）。
(8) In order to form the
（９）シリコンのドライエッチング技術を用いて、マスクされていない部分のエッチングを行う。 (9) An unmasked portion is etched using a silicon dry etching technique.
（１０）エッチングマスクを取り除く（図２１（Ｂ）参照）。 (10) The etching mask is removed (see FIG. 21B).
ここでは、図２２（Ａ）におけるＤ１１は１ｍｍ、Ｄ１２は１ｍｍ、Ｄ１３は３ｍｍ、Ｄ１４は３ｍｍ、Ｄ１５は２ｍｍ、Ｄ１６は５ｍｍとした。また、図２２（Ｂ）におけるＤ１７は１．５ｍｍとした。 In FIG. 22A, D11 is 1 mm, D12 is 1 mm, D13 is 3 mm, D14 is 3 mm, D15 is 2 mm, and D16 is 5 mm. Further, D17 in FIG. 22B was set to 1.5 mm.
カバー部材１２１Ｂは、センサ基板１２１Ａと同様にＳｉウェハを用い、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより形成した。ここでは、図２３におけるＤ２１は１ｍｍ、Ｄ２２は２００μｍφとした。なお、突起部２５０は弾性を有している。
The
支持部材１２１Ｃは、センサ基板１２１Ａと同様にＳｉウェハを用い、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより形成した。ここでは、図２４におけるＤ３１は０．５ｍｍとした。
The
なお、カバー部材１２１Ｂ及び支持部材１２１Ｃは、センサ基板１２１Ａを保護する役割も有している。すなわち、カバー部材１２１Ｂ及び支持部材１２１Ｃは、いずれも磁気センシング素子１２１のパッケージング部材の一部を兼ねている。
The
従って、磁気センシング素子１２１は、厚さ（ここでは、Ｚ軸方向の長さ）が３ｍｍ未満となり、従来の磁気センシング素子よりも薄くすることができた。
Therefore, the
演算装置１２２は、図２５に示されるように、演算回路１２２１、各ＴＭＲ素子の出力電圧を増幅する増幅回路１２２２、各ＴＭＲ素子に一定の電流を供給する定電流回路１２２３を有している。
演算回路１２２１は、増幅回路１２２２で増幅されたＴＭＲ素子１２１１〜ＴＭＲ素子１２１４の出力電圧に基づいて３軸方向に関する加速度データを算出する。
また、演算回路１２２１は、増幅回路１２２２で増幅された、ＴＭＲ素子１２１Ｘの出力電圧、ＴＭＲ素子１２１Ｙの出力電圧、及びＴＭＲ素子１２１Ｚの出力電圧を、増幅回路１２２２で増幅されたＴＭＲ素子１２１１〜ＴＭＲ素子１２１４の出力電圧に基づいて補正する。
The
そして、演算回路１２２１は、補正されたＴＭＲ素子１２１Ｘの出力電圧に基づいてＸ軸方向に関する地磁気データを算出し、補正されたＴＭＲ素子１２１Ｙの出力電圧に基づいてＹ軸方向に関する地磁気データを算出する。さらに、演算回路１２２１は、補正されたＴＭＲ素子１２１Ｚの出力電圧及び可動部２０１ｂの傾斜角に基づいてＺ軸方向に関する地磁気データを算出する。なお、可動部２０１ｂの傾斜角は、予め計測あるいは計算され、演算回路１２２１の不図示のメモリに格納されている。
The
センシング素子１２１に加速度が生じると、該加速度の方向と大きさに応じて錘部２０１ｃの位置及び姿勢が変化し、それに伴って、４つの磁気発生部材（２０５１〜２０５４）も位置及び姿勢が変化する（図１０参照）。これにより、４つのＴＭＲ素子（１２１１〜１２１４）の出力電圧がそれぞれ変化する。そこで、４つのＴＭＲ素子（１２１１〜１２１４）の出力電圧から３軸方向に関する加速度データを算出することができる。
When acceleration occurs in the
演算回路１２２１で算出された３軸方向に関する地磁気データ及び３軸方向に関する加速度データは、方位情報変換装置１３０に出力される。
The geomagnetic data related to the triaxial direction and the acceleration data related to the triaxial direction calculated by the
図３に戻り、方位情報変換装置１３０は、センシング装置１２０からの３軸方向に関する地磁気データと３軸方向に関する加速度データとに基づいて、公知の演算処理を行い、携帯電話１０の長手方向が向いている方位情報（例えば、方位角）を取得する。ここで得られた方位情報は、主制御装置２２に通知される。
Returning to FIG. 3, the azimuth
図２に戻り、主制御装置２２は、ユーザの要求に応じて、方位検出装置２０で取得された方位情報及び位置検出装置２１で取得された位置情報に基づいて、ユーザの要求に最適な情報（例えば、ナビゲーション情報）を表示装置１２に表示する（例えば、特開２００１−２８９６４６号公報参照）。
Returning to FIG. 2, the
以上の説明から明らかなように、本実施形態に係るセンシング素子１２１では、ＴＭＲ素子１２１ＸとＴＭＲ素子１２１ＹとＴＭＲ素子１２１Ｚとによって、３軸方向に関する地磁気を検出するための複数の磁気センサが構成されている。
As is clear from the above description, in the
また、ＴＭＲ素子１２１１とＴＭＲ素子１２１２とＴＭＲ素子１２１３とＴＭＲ素子１２１４とによって、磁気発生部材からの磁気を検出するための複数の磁気センサが構成されている。
Further, by the
また、本実施形態に係る方位検出装置２０では、方位情報変換装置１３０によって方位取得装置が構成されている。
In the
また、本実施形態に係る携帯電話１０では、主制御装置２２によって情報取得装置が構成されている。
Further, in the
以上説明したように、本実施形態に係るセンシング素子１２１によると、４つの磁気発生部材（２０５１〜２０５４）と、該磁気発生部材（２０５１〜２０５４）からの磁気を検出するための４つのＴＭＲ素子（１２１１〜１２１４）と、３軸方向に関する地磁気を検出するための３つのＴＭＲ素子（１２１Ｘ、１２１Ｙ、１２１Ｚ）とが、形成されたセンサ基板１２１Ａと、該センサ基板１２１Ａをカバーするカバー部材１２１Ｂを有している。
As described above, according to the
そして、センサ基板１２１Ａは、加速度によって変位する錘部２０１ｃと、カンチレバー構造の可動部２０１ｂとを有し、錘部２０１ｃに４つの磁気発生部材（２０５１〜２０５４）が形成され、可動部２０１ｂにＴＭＲ素子１２１Ｚが形成されている。
The
また、カバー部材１２１Ｂには、センサ基板１２１Ａをカバーしたときに、可動部２０１ｂに機械的な力を作用させ、可動部２０１ｂを、該可動部２０１ｂ以外に対して傾斜させる突起部２５０が形成されている。
Further, the
この場合、各ＴＭＲ素子は基板２０１上に形成されているため、従来の磁気センシング素子のように、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向それぞれに対応する磁気センサ素子（磁気センサチップ）を個別に接着する必要がない。そこで、従来の接着工程が不要となり、低コスト化を図ることが可能となる。また、接着部分がないため、接着強度のばらつきや経時変化（経時劣化）の心配がない。さらに、磁気センサ素子の大きさに制約がない。
In this case, since each TMR element is formed on the
また、錘部２０１ｃ、可動部２０１ｂ及び各ＴＭＲ素子は、マイクロマシニング技術を利用して作製されているため、磁気センシング素子１２１の小型化、特に高さ方向（ここでは、Ｚ軸方向）の小型化を図ることが可能である。
Further, since the
さらに、ＴＭＲ素子の形成時に配線及び電極パッドも形成することができるため、従来のように、磁気センサ素子の実装後に配線部材によって磁気センサと電極パッドとを接続する必要がなく、長期の安定性や信頼性に対して十分に対応することが可能である。 Furthermore, since the wiring and the electrode pad can be formed at the time of forming the TMR element, it is not necessary to connect the magnetic sensor and the electrode pad by the wiring member after mounting the magnetic sensor element as in the prior art, and long-term stability. It is possible to fully cope with reliability.
すなわち、高コスト化を招くことなく、３軸方向に関する加速度及び３軸方向に関する地磁気を同時に検出することができ、信頼性を高く維持したまま小型化を図ることが可能である。 That is, the acceleration in the triaxial direction and the geomagnetism in the triaxial direction can be detected at the same time without increasing the cost, and the miniaturization can be achieved while maintaining high reliability.
また、可動部２０１ｂを傾斜させるのにエネルギを必要としないため、省エネルギ化を図ることが可能である。
Further, energy is not required to tilt the
また、磁気センサとしてＴＭＲ素子を使用しているため、消費電力を小さくすることができる。 Further, since the TMR element is used as the magnetic sensor, power consumption can be reduced.
また、カバー部材１２１Ｂ及び支持部材１２１Ｃがパッケージ部材の一部を兼ねているため、更に製造工程の簡略化と低コスト化を同時に満足させることが可能である。
Further, since the
さらに、センサ部材１２１Ａ、カバー部材１２１Ｂ及び支持部材１２１Ｃが、いずれも同じ材質であるため、熱膨張率の差による応力の発生や機械的強度の低下などパッケージングの際に懸念される問題を解消することができる。
Further, since the
また、Ｚ軸方向の地磁気を検出するためのＴＭＲ素子１２１Ｚを基板２０１の（１００）面に形成しているため、傾斜面にＴＭＲ素子１２１Ｚを形成する場合（例えば、特開２００４−３５４１８２号公報及び特開２００４−００６７５２号公報参照）に比べて、容易に良好なＴＭＲ素子を形成することができる。そして、各ＴＭＲ素子の感度を互いにほぼ等しくすることができる。
In addition, since the
そして、本実施形態に係るセンシング装置１２０によると、センシング素子１２１を有しているため、高コスト化を招くことなく、小型で、３軸方向に関する加速度及び３軸方向に関する地磁気を同時に精度良く検出することが可能である。
According to the
また、本実施形態に係る方位検出装置２０によると、センシング装置１２０を有しているため、高コスト化を招くことなく、小型で、方位を精度良く検出することが可能である。
Further, according to the
また、本実施形態に係る携帯電話１０によると、方位検出装置２０を備えているため、高コスト化を招くことなく、小型で、ユーザの要求に最適な情報を得ることが可能である。
Further, according to the
なお、上記実施形態では、センサ基板１２１Ａに４つの磁気発生部材が形成されている場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図２６に示されるように、錘部２０１ｃの表面の中央部に１つの磁気発生部材２０５が形成されていても良い。この場合であっても、錘部２０１ｃの位置及び姿勢が変化すると、それに伴って、磁気発生部材２０５も位置及び姿勢が変化するため、４つのＴＭＲ素子（１２１１〜１２１４）の出力電圧から３軸方向に関する加速度データを算出することができる。
In the above-described embodiment, the case where four magnetic generation members are formed on the
また、上記実施形態では、可動部２０１ｂの傾斜角θが２５度の場合について説明したが、これに限定されるものではない。
Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where the inclination | tilt angle (theta) of the
また、上記実施形態において、一例として図２７に示されるように、可動部２０１ｂの傾斜角を検出するためのセンサとしてピエゾ抵抗素子２６０を可動部２０１ｂに形成しても良い。
Moreover, in the said embodiment, as FIG. 27 shows as an example, you may form the
ピエゾ抵抗素子２６０は、引張応力や圧縮応力が加わるとその抵抗値が変化するという特性を有している。そこで、可動部１０２ｂが傾斜して変形すると、その変形量に応じて抵抗値が変化する。このピエゾ抵抗素子２６０も、マイクロマシニング技術を用いて基板２０１上に形成することができる。なお、ピエゾ抵抗素子２６０は、可動部２０１ｂにおけるカバー部材１２１Ｂの突起部２５０が干渉しない領域に形成される。
The
なお、ピエゾ抵抗素子２６０として、ボロンが注入されているピエゾ抵抗素子を用いる場合には、ピエゾ抵抗素子を形成する際の、ボロンを注入したあとの熱拡散工程で、９００℃という高温プロセスが必要となる。ところで、ＴＭＲ素子は、３５０℃以上の高温では特性を失ってしまう。そこで、ピエゾ抵抗素子の形成は、ＴＭＲ素子の形成より前に行う必要がある。
When a piezoresistive element into which boron is implanted is used as the
この場合には、前記増幅回路１２２２は、ピエゾ抵抗素子２６０の出力信号も増幅することとなる。そして、演算回路１２２１は、増幅回路１２２２で増幅されたピエゾ抵抗素子２６０の出力信号から可動部１０２ｂの傾斜角を求め、その傾斜角と増幅回路１２２２で増幅されたＴＭＲ素子１２１Ｚの出力電圧とから、Ｚ軸方向に関する地磁気データを算出する。これにより、地磁気の検出精度を更に向上させることができる。
In this case, the
なお、ピエゾ抵抗素子２６０の出力信号と可動部１０２ｂの傾斜角との関係は、予め実験等により求められ、演算回路１２２１の不図示のメモリに格納されている。
The relationship between the inclination angle of the output signal and a movable portion 102b of the
また、上記実施形態において、一例として図２８に示されるように、可動部２０１ｂは、両端がトーションバー２０６によって支持されている平板であっても良い。この場合であっても、一例として図２９に示されるように、センサ基板１２１Ａがカバー部材１２１Ｂでカバーされると、カバー部材１２１Ｂの突起部２５０によって可動部２０１ｂに−Ｚ方向の押圧が作用し、トーションバー２０６がねじれて、可動部２０１ｂは、トーションバー２０６を軸として回動する。すなわち、ＴＭＲ素子１２１Ｚとともに可動部２０１ｂは、ＸＹ平面に対して傾斜することとなる。ここでは、可動部２０１ｂの傾斜角を２５度としている。
Moreover, in the said embodiment, as FIG. 28 shows as an example, the
このような可動部であっても、マイクロマシニング技術を用いて作製することができる。 Even such a movable part can be manufactured using a micromachining technique.
また、一例として図３０及び図３１に示されるように、それぞれ両端がトーションバー２０６によって支持されている平板からなる２つの可動部２０１ｂが、互いに傾斜方向が異なるように形成され、それぞれにＴＭＲ素子１２１Ｚが形成されても良い。但し、この場合には、各可動部に対応した突起部２５０がカバー部材１３１Ｂに形成される必要がある。
As an example, as shown in FIG. 30 and FIG. 31, two
なお、２つの可動部の位置関係は、これに限定されるものではない。また、各可動部の傾斜角が互いに異なっていても良い The positional relationship between the two movable parts is not limited to this. In addition, the inclination angles of the movable parts may be different from each other.
この場合には、演算回路１２２１は、増幅回路１２２２で増幅された２つのＴＭＲ素子１２１Ｚの出力電圧及び各可動部の傾斜角に基づいてＺ軸方向に関する地磁気データを算出する。ここでは、互いに傾斜方向が異なる２つのＴＭＲ素子１２１Ｚの検出結果を用いているため、検出精度を更に向上させることができるとともに、ＴＭＲ素子１２１Ｚの不感領域を考慮する必要がない。
In this case, the
また、一例として図３２に示されるように、各トーションバー２０６に上記ピエゾ抵抗素子２６０を形成しても良い。
As an example, the
また、一例として図３３に示されるように、前記ＴＭＲ素子１２１Ｘ、前記ＴＭＲ素子１２１Ｙ、２つの前記ＴＭＲ素子１２１Ｚが、いずれも両端がトーションバー２０６によって支持されている平板からなる可動部２０１ｂに形成されても良い。
As an example, as shown in FIG. 33, the
この場合は、各ＴＭＲ素子が、それぞれ異なる平面上にあるようにすることができる。 In this case, each TMR element can be on a different plane.
また、上記実施形態において、前記センシング素子１２１に代えて、図３４〜図３８（Ｂ）に示されるセンシング素子１３１を用いても良い。
Moreover, in the said embodiment, it may replace with the said
このセンシング素子１３１は、センサ基板１３１Ａ、カバー部材１３１Ｂ及び支持部材１３１Ｃを有し、図３５に示されるように、支持部材１３１Ｃの内部に傾斜面が形成されていることに特徴を有している。
This
カバー部材１３１Ｂは、図３６に示されるように、上記カバー部材１２１Ｂと同じカバー部材である。
As shown in FIG. 36, the
センサ基板１３１Ａは、図３７（Ａ）のＡ−Ａ断面図である図３７（Ｂ）に示されるように、支持部材１３１Ｃで支持される部分の厚さ（ここでは、Ｚ軸方向の長さ）が上記センサ基板１２１Ａよりも薄くなっている。
As shown in FIG. 37B, which is an AA cross-sectional view of FIG. 37A, the
この場合には、一例として図３８（Ａ）及び図３８（Ｂ）に示されるように、可動部２０１ｂを支持部材１３１Ｃの傾斜面に沿って傾斜させることができる。これにより、可動部２０１ｂの傾斜角の精度を担保することができる。
In this case, as an example, as shown in FIGS. 38A and 38B, the
例えば、支持部材１３１Ｃの材料がシリコンの場合には、表面が（１００）面であれば、ＫＯＨ（水酸化カリウム）やＴＭＡＨ（水酸化テトラエチルアンモニウム）をエッチング液として用いる異方性エッチングを行うことにより｛１１１｝面の傾斜面を容易に形成することができる。このときの傾斜面の傾斜角は５４．７度である。
For example, when the material of the
また、上記実施形態では、基板２０１の材料がシリコンの場合について説明したが、これに限定されるものではない。可動部が傾斜できる程度の弾性、マイクロマシニング技術を利用することができる程度の加工性、耐熱性、ＴＭＲ素子の形成に適した表面平坦性（例えば、Ｒａ≦１．０ｎｍ）を有していれば良い。
Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where the material of the board |
また、上記実施形態では、磁気センサがトンネル磁気抵抗効果素子の場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子であっても良い。 Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where a magnetic sensor was a tunnel magnetoresistive effect element, it is not limited to this. For example, a giant magnetoresistive effect (GMR) element may be used.
また、上記実施形態において、磁気発生部材が永久磁石であっても良い。 In the above embodiment, the magnetism generating member may be a permanent magnet.
また、上記実施形態では、カバー部材の突起部が円柱状の場合について説明したが、本発明がこれに限定されるものではない。要するに、センサ部材の可動部に機械的な力を作用させ、可動部を傾斜させることができれば良い。 Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where the projection part of a cover member was cylindrical shape, this invention is not limited to this. In short, it is sufficient that a mechanical force is applied to the movable part of the sensor member to tilt the movable part.
また、上記実施形態では、カバー部材の突起部によってセンサ部材の可動部に機械的な力を作用させる場合について説明したが、突起部以外でセンサ部材の可動部に機械的な力を作用させても良い。 Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where mechanical force was made to act on the movable part of a sensor member by the projection part of a cover member, mechanical force was made to act on the movable part of a sensor member other than a projection part. Also good.
また、上記実施形態における各寸法は一例であり、これらに限定されるものではない。 Moreover, each dimension in the said embodiment is an example, and is not limited to these.
また、上記実施形態では、情報機器が携帯電話の場合について説明したが、これに限定されるものではない。地磁気情報と加速度情報を必要とする情報機器であれば良い。例えば、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）であっても良い。 Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where information equipment was a mobile telephone, it is not limited to this. Any information device that requires geomagnetic information and acceleration information may be used. For example, it may be a PDA (Personal Digital Assistant).
以上説明したように、本発明のセンシング素子によれば、高コスト化を招くことなく、小型で高い信頼性を有し、加速度及び地磁気を同時に検出するのに適している。また、本発明のセンシング装置によれば、高コスト化を招くことなく、小型で、精度良く３軸方向に関する加速度及び３軸方向に関する地磁気を同時に検出するのに適している。また、本発明の方位検出装置によれば、高コスト化を招くことなく、小型で、方位を精度良く検出するのに適している。また、本発明の情報機器によれば、高コスト化を招くことなく、小型で、ユーザの要求に最適な情報を得るのに適している。 As described above, the sensing element of the present invention is compact and highly reliable without causing an increase in cost, and is suitable for simultaneously detecting acceleration and geomagnetism. In addition, the sensing device of the present invention is small and suitable for simultaneously detecting the acceleration in the three-axis direction and the geomagnetism in the three-axis direction with high accuracy without incurring an increase in cost. Further, the azimuth detection device of the present invention is suitable for detecting the azimuth with a small size and without causing an increase in cost. In addition, the information device of the present invention is small in size and suitable for obtaining information optimal for the user's request without incurring an increase in cost.
１０…携帯電話、２０…方位検出装置、２１…位置検出装置、２２…主制御装置（情報取得装置）、１２０…センシング装置、１２１…センシング素子、１２１Ａ…センサ基板、１２１Ｂ…カバー部材、１２１Ｃ…支持部材、１２１１…ＴＭＲ素子（磁気センサ）、１２１２…ＴＭＲ素子（磁気センサ）、１２１３…ＴＭＲ素子（磁気センサ）、１２１４…ＴＭＲ素子（磁気センサ）、１２１Ｘ…ＴＭＲ素子（磁気センサ）、１２１Ｙ…ＴＭＲ素子（磁気センサ）、１２１Ｚ…ＴＭＲ素子（磁気センサ）、１２２…演算装置、１３０…方位情報変換装置（方位取得装置）、１３１…センシング素子、１３１Ａ…センサ基板、１３１Ｂ…カバー部材、１３１Ｃ…支持部材、２０１ｂ…可動部、２０１ｃ…錘部、２０５…磁気発生部材、２０５１…磁気発生部材、２０５２…磁気発生部材、２０５３…磁気発生部材、２０５４…磁気発生部材、２０６…トーションバー、２６０…ピエゾ抵抗素子。
DESCRIPTION OF
Claims (21)
前記センサ基板をカバーするとともに、機械的な力を作用させて前記少なくとも１つの可動部を、該可動部以外に対して傾斜させるカバー部材と；を備えるセンシング素子。 A weight portion that is displaced by acceleration; at least one movable portion that is movable by an external force; at least one magnetism generating member that is formed on the weight portion; and a plurality of magnets for detecting magnetism from the magnetism generation member And a sensor substrate on which a plurality of magnetic sensors for detecting geomagnetism in three axial directions are formed at a plurality of positions including the at least one movable part;
A sensing element comprising: a cover member that covers the sensor substrate and tilts the at least one movable part with respect to other than the movable part by applying a mechanical force.
該複数の可動部は、互いに異なる方向に傾斜していることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載のセンシング素子。 The at least one movable part is a plurality of movable parts,
The sensing element according to claim 1, wherein the plurality of movable parts are inclined in different directions.
前記センシング素子における複数の磁気センサの出力信号、及び前記センシング素子における前記少なくとも１つの可動部の傾斜角に基づいて、３軸方向に関する加速度情報及び３軸方向に関する地磁気情報をそれぞれ求める演算装置と；を備えるセンシング装置。 A sensing element according to any one of claims 1 to 17;
A computing device for respectively obtaining acceleration information in the three-axis direction and geomagnetic information in the three-axis direction based on output signals of a plurality of magnetic sensors in the sensing element and an inclination angle of the at least one movable part in the sensing element; A sensing device comprising:
前記センシング装置からの３軸方向に関する加速度情報と３軸方向に関する地磁気情報に基づいて、方位情報を求める方位取得装置と；を備える方位検出装置。 A sensing device according to claim 18 or 19;
An azimuth detection device comprising: an azimuth acquisition device that obtains azimuth information based on acceleration information in the three-axis directions and geomagnetic information in the three-axis directions from the sensing device.
請求項２０に記載の方位検出装置と；
前記方位検出装置からの方位情報と前記位置検出装置からの位置情報に基づいて、情報を取得する情報取得装置と；を備える情報機器。 A position detection device for acquiring position information;
An azimuth detecting device according to claim 20;
An information apparatus comprising: an information acquisition device that acquires information based on azimuth information from the azimuth detection device and position information from the position detection device.
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