JP5284024B2

JP5284024B2 - 磁気センサ

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Publication number: JP5284024B2
Application number: JP2008244428A
Authority: JP
Inventors: 達之山口; 洋上野; 陽介小林
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2008-09-24
Filing date: 2008-09-24
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2028-09-24
Also published as: JP2010078360A

Description

本発明は、磁気センサに関する。

従来の技術として、外部磁界の方向の変化によって磁気抵抗値が変化する第１の巨大磁気抵抗素子、及び外部磁界に影響されない抵抗値を有する第１の固定抵抗とを直列接続した第１のハーフブリッジ回路と、外部磁界の方向の変化によって磁気抵抗値が変化する第２の巨大磁気抵抗素子、及び外部磁界に影響されない抵抗値を有する第２の固定抵抗とを直列接続した第２のハーフブリッジ回路と、によって形成されたフルブリッジ回路と、第１のハーフブリッジ回路の中点電位である第１の出力電圧、及び第２のハーフブリッジ回路の中点電位である第２の出力電圧の差分値を算出し、この差分値としきい値を比較することによって切替信号を出力する検出回路と、を備えた磁気スイッチが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この磁気スイッチによると、第１及び第２の巨大磁気抵抗素子を作製するとき、各層の磁化方向が互いに同じ状態に形成されている多数の巨大磁気抵抗素子が配列されているウェハ上から隣接する一対の巨大磁気抵抗素子を１枚の基板として切り出すことができるので、位置合わせ作業を行う必要がなく、組立て作業を容易とすることができる。
特開２００７−２２０３６７号公報

しかし、従来の磁気スイッチは、第１及び第２の巨大磁気抵抗素子と第１及び第２の抵抗素子との抵抗温度係数が異なるため、同じ磁界強度下であっても温度変化によって中点電位が変化し、精度が悪化するという問題があった。また、従来の磁気スイッチは、巨大磁気抵抗素子が異方性を有していないため、磁界の方向の判別ができないという問題があった。

従って本発明の目的は、温度特性に優れ、磁界の方向を判別することができる磁気センサを提供することにある。

（１）本発明は上記目的を達成するため、第１の方向、及び前記第１の方向に対して反対方向となる第２の方向に磁界を発生させる磁界発生部と、一方端に電圧が印加され、複数の折返し形状を有すると共に、前記磁界発生部から発生した前記第１の方向の前記磁界が作用する位置に設けられる第１の巨大磁気抵抗素子と、一方端が接地され、他端が前記第１の巨大磁気抵抗素子に電気的に接続されて第１のハーフブリッジ回路を構成し、複数の折返し形状を有すると共に、前記磁界発生部から発生した前記第２の方向の前記磁界が作用する位置に設けられる第２の巨大磁気抵抗素子と、一方端が接地され、前記第１の巨大磁気抵抗素子の複数の折返し形状に嵌り込むように組み合わせて配置されると共に、前記磁界発生部から発生した前記第１の方向の前記磁界が作用する第３の巨大磁気抵抗素子と、一方端に前記電圧が印加され、他端が前記第３の巨大磁気抵抗素子に電気的に接続されて第２のハーフブリッジ回路を構成し、前記第２の巨大磁気抵抗素子の複数の折返し形状に嵌り込むように組み合わせて配置されると共に、前記磁界発生部から発生した前記第２の方向の前記磁界が作用する第４の巨大磁気抵抗素子と、を備え、前記第１及び第３の巨大磁気抵抗素子は、外部磁界の方向が前記第１の方向と同じ向きである場合、前記外部磁界が作用しない場合と比べて磁気抵抗値が小さくなるように磁性層と非磁性層とが交互に積層されて形成され、前記第２及び第４の巨大磁気抵抗素子は、前記外部磁界の方向が前記第１の方向と同じ向きである場合、前記外部磁界が作用しない場合と比べて磁気抵抗値が大きくなるように磁性層と非磁性層とが交互に積層されて形成された磁気センサを提供する。

（２）本発明は上記目的を達成するため、前記第１〜第４の巨大磁気抵抗素子は、前記磁界発生部の磁化方向に対して垂直な面に設けられる前記（１）に記載の磁気センサを提供する。

（３）本発明は上記目的を達成するため、前記磁界発生部は、前記第１〜第４の巨大磁気抵抗素子と共に樹脂によって封止された後に着磁される前記（１）に記載の磁気センサを提供する。

（４）本発明は上記目的を達成するため、前記磁界発生部は、前記第１〜第４の巨大磁気抵抗素子と共に成膜される前記（１）に記載の磁気センサを提供する。

このような発明によれば、温度特性に優れ、磁界の方向を判別することができる。

以下に、本発明の磁気センサ及び磁気センサの製造方法の実施の形態を図面を参考にして詳細に説明する。

[実施の形態]
（磁気センサの構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る磁気センサの概略図であり、図２（ａ）は、本発明の実施の形態に係る第１及び第２のＧＭＲ（巨大磁気抵抗；Giant Magneto Resistance）素子群の配置に関する概略図であり、（ｂ）は、側面図である。図２（ａ）及び（ｂ）は、磁気センサ１の内部を示している。

磁気センサ１は、図１に示すように、樹脂封止型の半導体装置であり、内部を保護するために樹脂によって形成された樹脂モールド１２と、搭載される基板の配線パターンと半田によって電気的に接続される複数のアウターリード１１と、を備えている。

また、磁気センサ１は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、リードフレーム１０と、半導体チップ（チップ）３が搭載されるリードフレーム１０の実装面に対向する面に設けられる磁石（磁界発生部）２と、第１及び第２のＧＭＲ素子群３Ａ、３Ｂ、第１〜第４のパッド（パッド）３００〜３０３、及び第１〜第４のパッド（パッド）３１０〜３１３が形成された半導体チップ３と、を備えて概略構成されている。

（リードフレームの構成）
リードフレーム１０は、金属薄板からプレス加工、又はエッチング加工によって作製され、中央に設けられたアイランド（図示せず）と、アイランドと電気的に独立した複数のインナーリード（図示せず）と、を有し、インナーリードは、アウターリード１１と電気的に接続されている。

（磁石の構成）
磁石２は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、矩形状を有し、その磁化方向は、リードフレーム１０側からＮ極、Ｓ極となり、Ｎ極からＳ極へと磁路を形成する磁界２０を発生させている。半導体チップ３は、この磁化方向に対して垂直な面に配置される。この磁化方向は、これに限定されず、リードフレーム１０側がＳ極でも良い。

磁石２は、図２（ａ）に示すように、第１のＧＭＲ素子群３Ａに対しては第１の磁気ベクトル２１として示す方向（第１の方向）に磁界２０を発生し、第２のＧＭＲ素子群３Ｂに対しては第２の磁気ベクトル２２として示す方向（第２の方向）に磁界２０を発生している。第１及び第２の磁気ベクトル２１、２２とは、第１及び第２のＧＭＲ素子群３Ａ、３Ｂが形成されている面内における磁界２０の強さと方向を示すものである。

また、磁石２は、一例として、樹脂にフライト又はネオジム等の磁性部材が混ぜられたものであり、樹脂モールド１２が形成された後、着磁装置によって上記の磁化方向に着磁される。よって磁石２は、樹脂モールド１２によって封止されてから着磁されるので、実装し易く、また、特性のばらつきが小さい磁気センサを提供することが容易になる。

なお、磁石２は、図２（ｂ）に示すように、リードフレーム１０の実装面の裏面側に実装されるが、これに限定されず、用途に基づいて、第１及び第２のＧＭＲ素子群３Ａ、３Ｂ、第１〜第４のパッド３００〜３０３、第１〜第４のパッド３１０〜３１３の下部、又は上部に磁石膜として成膜されても良い。磁気センサ１は、磁石２が磁石膜として成膜されることで、より小型で、センサ特性のばらつきを小さくすることができる。

（半導体チップの構成）
半導体チップ３は、一例として、ウェハ上にフォトリソグラフィによって第１及び第２のＧＭＲ素子群３Ａ、３Ｂ、第１〜第４のパッド３００〜３０３、第１〜第４のパッド３１０〜３１３が形成され、所定の大きさに切り出された半導体素子である。半導体チップ３は、ウェハから切り出されるので、磁気センサ１は、特性の揃った第１〜第４のＧＭＲ素子３０〜３３を使用することで、精度の高い検出を行うことができる。

（第１のＧＭＲ素子群の構成）
図３（ａ）は、本発明の実施の形態に係る第１のＧＭＲ素子群の概略図であり、（ｂ）は、第２のＧＭＲ素子群の概略図である。

第１のＧＭＲ素子群３Ａは、図３（ａ）に示すように、第１のＧＭＲ素子（第１の巨大磁気抵抗素子）３０と、第３のＧＭＲ素子（第３の巨大磁気抵抗素子）３２と、第１のＧＭＲ素子３０の電極パッドである第１及び第２のパッド３００、３０１と、第３のＧＭＲ素子３２の電極パッドである第３及び第４のパッド３０２、３０３と、を備えて概略構成されている。第１〜第４のパッド３００〜３０３は、リードフレーム１０の所定の場所に、ワイヤボンディングによって配線されている。

第１のＧＭＲ素子３０は、一例として、図３（ａ）に示すように、複数の折返し形状、言い換えるならじゃばら形状を有し、そのじゃばら形状に基づいた略同一な形状を第３のＧＭＲ素子３２は有している。

具体的には、第１及び第３のＧＭＲ素子３０、３２は、その形状を反転させてそれぞれの隙間に嵌るように組み合わせて配置、すなわち、第１のＧＭＲ素子３０が占有する領域と第３のＧＭＲ素子３２の占有する領域とが互いにほぼ重なりあうように配置され、外部磁界４及び磁界２０が、第１及び第３のＧＭＲ素子３０、３２の両方に同様に作用する、つまり外部磁界４及び磁界２０の作用によって同じ磁気抵抗値を示すように構成されている。

（第２のＧＭＲ素子群の構成）
第２のＧＭＲ素子群３Ｂは、図３（ｂ）に示すように、第２のＧＭＲ素子（第２の巨大磁気抵抗素子）３１と、第４のＧＭＲ素子（第４の巨大磁気抵抗素子）３３と、第２のＧＭＲ素子３１の電極パッドである第１及び第２のパッド３１０、３１１と、第４のＧＭＲ素子３３の電極パッドである第３及び第４のパッド３１２、３１３と、を備えて概略構成されている。第１〜第４のパッド３１０〜３１３は、リードフレーム１０の所定の場所に、ワイヤボンディングによって配線されている。

第２のＧＭＲ素子３１は、一例として、図３（ａ）に示すように、複数の折返し形状、言い換えるならじゃばら形状を有し、そのじゃばら形状に基づいた略同一な形状を第４のＧＭＲ素子３３は有している。

具体的には、第２及び第４のＧＭＲ素子３１、３３は、その形状を反転させてそれぞれの隙間に嵌るように組み合わせて配置、すなわち、第２のＧＭＲ素子３１が占有する領域と第４のＧＭＲ素子３３が占有する領域とが互いにほぼ重なりあうように配置され、外部磁界４及び磁界２０が、第２及び第４のＧＭＲ素子３１、３３の両方に同様に作用する、つまり外部磁界４及び磁界２０の作用によって同じ磁気抵抗値を示すように構成されている。

また、第１〜第４のＧＭＲ素子３０〜３３は、一例として、磁性層と非磁性層を交互に積層した多層膜から概略構成されている。

この磁性層は、外部から作用する磁界によって磁化方向が変化するように構成されており、外部から磁界が作用していないとき、交換相互作用によって、磁性層の磁化方向は、交互となり、外部から磁界が作用するとき、磁性層の磁化方向は一方向に揃うように構成されている。

第１〜第４のＧＭＲ素子３０〜３３は、この磁性層における磁化方向の変化によって、磁気抵抗値が変化し、磁性層の磁化方向が揃っているとき、磁気抵抗値は、小さくなり、交互になっているとき、磁気抵抗値は、大きくなる。

第１〜第４のＧＭＲ素子３０〜３３は、非磁性層の厚みによって線形な磁気抵抗変化を得ることができるのは、周知の通りである。

第１〜第４のＧＭＲ素子３０〜３３は、ほぼ温度条件が同一である場所に配置され、また、半導体チップ３上に形成されることから、その温度特性は等しくなる。よって、磁気センサ１は、温度変化に対しても、精度良く磁界の変化を検出することができる。このことは、磁気センサ１が高い耐熱性を要求される車両に搭載されても、精度良く動作することができることを示している。

（第１〜第４のＧＭＲ素子の接続について）
図４は、本発明の実施の形態に係る磁気センサの等価回路図である。磁気センサ１は、図４に示すように、第１の磁気ベクトル２１が作用する第１のＧＭＲ素子３０と、第２の磁気ベクトル２２が作用する第２のＧＭＲ素子３１とによって第１のハーフブリッジ回路３４が形成され、第１の磁気ベクトル２１が作用する第３のＧＭＲ素子３２と、第２の磁気ベクトル２２が作用する第４のＧＭＲ素子３３とによって第２のハーフブリッジ回路３５が形成され、さらに、第１及び第２のハーフブリッジ回路３４、３５とによってフルブリッジ回路が形成されている。

また、一例として、搭載される基板の電源回路から供給される印加電圧Ｖｃｃは、第１のＧＭＲ素子３０と第４のＧＭＲ素子３３の間に印加されており、また、第２のＧＭＲ素子３１と第３のＧＭＲ素子３２は、搭載される基板の接地回路に接続されており、第１のハーフブリッジ回路３４は、第１のＧＭＲ素子３０と第２のＧＭＲ素子３１の中点電圧である出力電圧Ｖ１を出力し、第２のハーフブリッジ回路３５は、第４のＧＭＲ素子３３と第３のＧＭＲ素子３２の中点電圧である出力電圧Ｖ２を出力する。

図５は、本発明の実施の形態に係る出力電圧と外部磁界との関係を示すグラフである。このグラフは、縦軸を出力電圧Ｖ（ｍＶ）、横軸を磁界の強さＢ（ｍＴ）とし、印加電圧Ｖｃｃを５Ｖとし、外部磁界４の磁界の強さを変えて測定されたものである。なお、外部磁界４が、図５に示す正の値を取るときは、一例として、図４に示す矢印の方向に外部磁界４が印加されていることを示し、負の値を取るときは、一例として、図４に示す矢印の方向とは逆向きの方向の外部磁界４が印加されていることを示すものとする。

出力電圧Ｖは、第１のハーフブリッジ回路３４の出力電圧Ｖ１、及び第２のハーフブリッジ回路３５の出力電圧Ｖ２の差分値であり、出力電圧Ｖ＝Ｖ１−Ｖ２である。

（動作）
以下に、本実施の形態における磁気センサに関する動作を各図を参照して詳細に説明する。まず、磁気センサ１の製造方法について、図６のフローチャートに基づいて説明する。

まず、フォトリソグラフィによってウェハ上に第１〜第４のＧＭＲ素子３０〜３３、第１〜第４のパッド３００〜３０３、第１〜第４のパッド３１０〜３１３を形成し、所定の処理を経て、半導体チップ３をウェハから切り出す（Ｓ１；作製工程）。

リードフレーム１０のアイランドに半導体チップ３を接着剤等によって接着して、リードフレーム１０に半導体チップ３を実装する（Ｓ２；第１の実装工程）。

半導体チップ３が実装されたリードフレーム１０の実装面の裏面側にまだ着磁されていない磁石部材を接着剤等によって接着する（Ｓ３；第２の実装工程）。

第１〜第４のパッド３００〜３０３、第１〜第４のパッド３１０〜３１３をリードフレーム１０の所定の場所にワイヤボンディングによって配線する（Ｓ４；配線工程）。

リードフレーム１０の不要な部分を切り離した後、アウターリード１１が外に出るように全体を樹脂によって封止し、樹脂モールド１２を形成し、所定の温度によって樹脂を完全硬化させる（Ｓ５；封止工程）。

着磁装置によって磁石部材を着磁して磁石２とし、アウターリード１１を折り曲げて磁気センサ１は製造される（Ｓ６；着磁工程）。

（磁気センサの動作）
続いて磁気センサ１の動作について各図を参照しながら詳細に説明する。図４に示すように、外部磁界４が磁気センサ１に作用するとき、外部磁界４は、第１の磁気ベクトル２１と同方向であり、第２の磁気ベクトル２２とは方向が反対となっている。

第１の磁気ベクトル２１の方向に磁界２０が作用する第１及び第３のＧＭＲ素子３０、３２は、外部磁界４の方向が第１の磁気ベクトル２１と同方向であることから、その磁気抵抗値は、外部磁界４が作用しないときの磁気抵抗値に比べて小さくなる。

また、第２の磁気ベクトル２２の方向に磁界２０が作用する第２及び第４のＧＭＲ素子３１、３３は、外部磁界４の方向が第２の磁気ベクトル２２と反対方向であることから、その磁気抵抗値は、外部磁界４が作用しないときの磁気抵抗値に比べて大きくなる。

第１のハーフブリッジ回路３４から出力される出力電圧Ｖ１は、第２のＧＭＲ素子３１の磁気抵抗値と第１及び第２のＧＭＲ素子３０、３１の合計磁気抵抗値の比に比例し、第２のハーフブリッジ回路３５から出力される出力電圧Ｖ２は、第３のＧＭＲ素子３２の磁気抵抗値と第３及び第４のＧＭＲ素子３２、３３の合計磁気抵抗値の比に比例する。よってＶ２＜Ｖ１となり、その差分値である出力電圧Ｖは、正の値となる。

外部磁界４が、磁気センサ１に作用していないとき、第１〜第４のＧＭＲ素子３０〜３３は、同じ磁気抵抗値を有することから、その差分値である出力電圧Ｖは、図５に示すように、０ｍｖとなる。

また、外部磁界４が、図４に矢印で示す方向とは反対方向、すなわち、外部磁界４の強さが負の値であるとき、上記と同様に、外部磁界４は、第１の磁気ベクトル２１とは反対の方向であり、第２の磁気ベクトル２２と同じ方向から作用するので、第２のＧＭＲ素子３１の磁気抵抗値は、外部磁界４が作用しないときの磁気抵抗値に比べて小さくなり、第３のＧＭＲ素子３２の磁気抵抗値は、外部磁界４が作用しないときの磁気抵抗値に比べて大きくなる。

よってＶ１＜Ｖ２となり、その差分値である出力電圧Ｖは、図５に示すように、負の値となる。

第１〜第４のＧＭＲ素子３０〜３３は、線形に近い磁気抵抗変化が得られることから、磁気センサ１は、図５に示すように、外部磁界４の方向を判別する出力電圧Ｖ１及びＶ２を出力することができる。

（効果）
（１）上記した実施の形態における磁気センサ１によれば、ＧＭＲ素子を用いながら、磁界の方向を判別することができる。

（２）上記した実施の形態における磁気センサ１によれば、第１〜第４のＧＭＲ素子３０〜３３が、近い位置に配置されるので、第１〜第４のＧＭＲ素子３０〜３３が同じ温度となり、また、第１及び第２のハーフブリッジ回路３４、３５からの出力電圧Ｖ１、Ｖ２の差分値によって外部磁界４の変化を検出するので、温度特性に優れている。

（３）上記した実施の形態における磁気センサ１によれば、第１〜第４のＧＭＲ素子３０〜３３を用いるので、線形かつ高出力な出力電圧Ｖを得ることができる。

（４）上記した実施の形態における磁気センサ１によれば、第１及び第３のＧＭＲ素子３０、３２と第２及び第４のＧＭＲ素子３１、３３は、占有する領域が互いに重なりあうように、言い換えるならば、互いの形状の隙間に嵌るように配置され、同じ領域に配置される第１及び第３のＧＭＲ素子３０、３２と第２及び第４のＧＭＲ素子３１、３３の磁気抵抗値が同じになるので、より正確な磁界の検出を行うことができる。

（５）上記した実施の形態における磁気センサ１によれば、磁石２を第１〜第４のＧＭＲ素子３０〜３３と共に成膜することもできるので、より小型化することができ、さらに、センサ特性のばらつきを小さくすることができる。

（６）上記した実施の形態における磁気センサ１は、樹脂封止型とすることで、センサ特性のばらつきをより小さくすることができる。

（７）上記した実施の形態における磁気センサ１の製造方法によれば、樹脂モールド１２を形成したのちに磁石２を着磁することができるので、製造が容易となる。

なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々の変形が可能である。

図１は、本発明の実施の形態に係る磁気センサの概略図である。図２（ａ）は、本発明の実施の形態に係る第１及び第２のＧＭＲ素子群の配置に関する概略図であり、（ｂ）は、側面図である。図３（ａ）は、本発明の実施の形態に係る第１のＧＭＲ素子群の概略図であり、（ｂ）は、第２のＧＭＲ素子群の概略図である。図４は、本発明の実施の形態に係る磁気センサの等価回路図である。図５は、本発明の実施の形態に係る出力電圧と外部磁界との関係を示すグラフである。図６は、本発明の実施の形態に係る磁気センサ製造に関するフローチャートである。

符号の説明

１…磁気センサ、２…磁石、３…半導体チップ、３Ａ…第１のＧＭＲ素子群、３Ｂ…第２のＧＭＲ素子群、４…外部磁界、１０…リードフレーム、１１…アウターリード、１２…樹脂モールド、２０…磁界、２１…第１の磁気ベクトル、２２…第２の磁気ベクトル、３０…第１のＧＭＲ素子、３１…第２のＧＭＲ素子、３２…第３のＧＭＲ素子、３３…第４のＧＭＲ素子、３４…第１のハーフブリッジ回路、３５…第２のハーフブリッジ回路、３００〜３０３…第１〜第４のパッド、３１０〜３１３…第１〜第４のパッド、Ｖ…出力電圧、Ｖ１…出力電圧、Ｖ２…出力電圧、Ｖｃｃ…印加電圧

Claims

第１の方向、及び前記第１の方向に対して反対方向となる第２の方向に磁界を発生させる磁界発生部と、
一方端に電圧が印加され、複数の折返し形状を有すると共に、前記磁界発生部から発生した前記第１の方向の前記磁界が作用する位置に設けられる第１の巨大磁気抵抗素子と、
一方端が接地され、他端が前記第１の巨大磁気抵抗素子に電気的に接続されて第１のハーフブリッジ回路を構成し、複数の折返し形状を有すると共に、前記磁界発生部から発生した前記第２の方向の前記磁界が作用する位置に設けられる第２の巨大磁気抵抗素子と、
一方端が接地され、前記第１の巨大磁気抵抗素子の複数の折返し形状に嵌り込むように組み合わせて配置されると共に、前記磁界発生部から発生した前記第１の方向の前記磁界が作用する第３の巨大磁気抵抗素子と、
一方端に前記電圧が印加され、他端が前記第３の巨大磁気抵抗素子に電気的に接続されて第２のハーフブリッジ回路を構成し、前記第２の巨大磁気抵抗素子の複数の折返し形状に嵌り込むように組み合わせて配置されると共に、前記磁界発生部から発生した前記第２の方向の前記磁界が作用する第４の巨大磁気抵抗素子と、
を備え、
前記第１及び第３の巨大磁気抵抗素子は、外部磁界の方向が前記第１の方向と同じ向きである場合、前記外部磁界が作用しない場合と比べて磁気抵抗値が小さくなるように磁性層と非磁性層とが交互に積層されて形成され、
前記第２及び第４の巨大磁気抵抗素子は、前記外部磁界の方向が前記第１の方向と同じ向きである場合、前記外部磁界が作用しない場合と比べて磁気抵抗値が大きくなるように磁性層と非磁性層とが交互に積層されて形成された磁気センサ。
前記第１〜第４の巨大磁気抵抗素子は、前記磁界発生部の磁化方向に対して垂直な面に設けられる請求項１に記載の磁気センサ。
前記磁界発生部は、前記第１〜第４の巨大磁気抵抗素子と共に樹脂によって封止された後に着磁される請求項１に記載の磁気センサ。
前記磁界発生部は、前記第１〜第４の巨大磁気抵抗素子と共に成膜される請求項１に記載の磁気センサ。