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WO2016013346A1 - 磁気センサ - Google Patents

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WO2016013346A1
WO2016013346A1 PCT/JP2015/068470 JP2015068470W WO2016013346A1 WO 2016013346 A1 WO2016013346 A1 WO 2016013346A1 JP 2015068470 W JP2015068470 W JP 2015068470W WO 2016013346 A1 WO2016013346 A1 WO 2016013346A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pattern
magnetic sensor
magnetoresistive element
magnetoresistive
center
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2015/068470
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
森　大輔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Murata Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Murata Manufacturing Co Ltd filed Critical Murata Manufacturing Co Ltd
Priority to JP2016535853A priority Critical patent/JP6237903B2/ja
Publication of WO2016013346A1 publication Critical patent/WO2016013346A1/ja
Priority to US15/407,307 priority patent/US10295615B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/093—Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/098—Magnetoresistive devices comprising tunnel junctions, e.g. tunnel magnetoresistance sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic sensor, and more particularly to a magnetic sensor including a magnetoresistive element.
  • Patent Document 1 JP-A-11-274598
  • Patent Document 2 JP-A-9-102638
  • Patent Document 3 International Publication No. 2013 No. / 171977
  • Patent Document 4 Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2012-88225
  • Patent Document 5 Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2013-250182
  • the pattern of the magnetoresistive element is spiral. Both end portions of the spiral pattern are formed on the outermost portions located on the opposite sides.
  • the pattern of the magnetoresistive element is substantially formed only from the curved portion.
  • the magnetoresistive element is spirally wound into a plurality of turns to form a circular shape, and is formed in an isotropic direction with respect to an external magnetic field.
  • each of the plurality of magnetoresistive elements of the bridge circuit has a plurality of portions along a direction substantially orthogonal to the magnetic field detection direction as a whole and arranged in parallel at a predetermined interval.
  • the plurality of portions are connected so as to be sequentially folded, and a plurality of portions along the magnetic field detection direction are arranged in parallel at predetermined intervals, and are connected so as to be sequentially folded and electrically connected. It is formed in a folded shape.
  • the magnetic sensor described in Patent Document 4 is configured by connecting in parallel two magnetoresistive elements having a shape obtained by continuously connecting semicircular arc patterns having different diameters.
  • the center of the regular octagonal first sensing unit coincides with the center of the regular octagonal second sensing unit, and the first sensing unit is located outside the second sensing unit.
  • the linear layout of the second magnetoresistive element of the second sensing unit is inclined by 22.5 ° with respect to the linear layout of the first magnetoresistive element of the first sensing unit.
  • JP 11-274598 A JP-A-9-102638 International Publication No. 2013/171977 JP 2012-88225 A JP 2013-250182 A
  • the magnetic sensors described in Patent Documents 1 to 4 have a rectangular substrate in plan view. Therefore, when the outer shape of the magnetoresistive element in plan view is other than a rectangle, the periphery of the magnetoresistive element tends to be an extra space. Therefore, there is room for further miniaturization of the magnetic sensor.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a small magnetic sensor with improved isotropic magnetic field detection.
  • a magnetic sensor includes a rectangular substrate in plan view and at least one first magnetoresistive element provided on the substrate.
  • the first magnetoresistive element has a pattern whose outer shape is rectangular in plan view.
  • the pattern is located between the plurality of first slits extending radially from the center of the pattern and approaching the outer edge of the pattern and the first slits adjacent to each other in plan view.
  • the magnetic sensor includes a plurality of first magnetoresistive elements.
  • the plurality of first magnetoresistive elements are electrically connected to each other to form a bridge circuit.
  • the magnetic sensor further includes at least one second magnetoresistive element having a resistance change rate smaller than that of the first magnetoresistive element.
  • the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element are electrically connected to each other to form a bridge circuit.
  • the second magnetoresistive element includes at least one unit pattern having a plurality of bent portions and folded.
  • the unit pattern does not include a linear extension having a length of 10 ⁇ m or more.
  • the second magnetoresistive element includes a plurality of the unit patterns.
  • the plurality of unit patterns are arranged on a virtual circle and connected to each other.
  • the second magnetoresistive element includes a plurality of the unit patterns.
  • the plurality of unit patterns are arranged on a virtual polygon and connected to each other.
  • the present invention it is possible to improve the isotropy of magnetic field detection while miniaturizing the magnetic sensor.
  • the application direction of the external magnetic field to the magnetic sensor 100 according to the first embodiment of the present invention is changed from 0 ° to 337.5 ° at intervals of 22.5 ° in the horizontal direction, and the strength of the external magnetic field and the output of the magnetic sensor 100 are changed.
  • FIG. 1 is a plan view showing patterns of four magnetoresistive elements constituting a bridge circuit of a magnetic sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the magnetic sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • a magnetic sensor 100 according to Embodiment 1 of the present invention is provided on a rectangular substrate 110 and a substrate 110 in a plan view, and is electrically connected to each other to be a Wheatstone bridge type.
  • the four magnetoresistive elements constituting the bridge circuit are provided.
  • the four magnetoresistive elements include two first magnetoresistive elements 120a and 120b and two second magnetoresistive elements 130a and 130b.
  • the resistance change rates of the two second magnetoresistive elements 130a and 130b are smaller than the resistance change rates of the two first magnetoresistive elements 120a and 120b.
  • Each of the two first magnetoresistive elements 120a and 120b is a so-called magnetosensitive resistor whose electric resistance value changes when an external magnetic field is applied.
  • Each of the two second magnetoresistive elements 130a and 130b is a fixed resistor whose electric resistance value hardly changes even when an external magnetic field is applied.
  • the four magnetoresistive elements are electrically connected to each other by wiring formed on the substrate 110. Specifically, the first magnetoresistive element 120 a and the second magnetoresistive element 130 a are connected in series by the wiring 146. The first magnetoresistive element 120 b and the second magnetoresistive element 130 b are connected in series by a wiring 150.
  • the magnetic sensor 100 further includes a midpoint 140, a midpoint 141, a power supply terminal (Vcc) 142, a ground terminal (Gnd) 143, and an output terminal (Out) 144, which are formed on the substrate 110, respectively.
  • Each of the first magnetoresistive element 120 a and the second magnetoresistive element 130 b is connected to the midpoint 140. Specifically, the first magnetoresistive element 120 a and the midpoint 140 are connected by a wiring 145, and the second magnetoresistive element 130 b and the midpoint 140 are connected by a wiring 152.
  • Each of the first magnetoresistive element 120b and the second magnetoresistive element 130a is connected to the midpoint 141. Specifically, the first magnetoresistive element 120 b and the middle point 141 are connected by the wiring 149, and the second magnetoresistive element 130 a and the middle point 141 are connected by the wiring 148.
  • the wiring 146 is connected to a power supply terminal (Vcc) 142 to which current is input.
  • the wiring 150 is connected to a ground terminal (Gnd) 143.
  • the magnetic sensor 100 further includes a differential amplifier 160, a temperature compensation circuit 161, a latch and switch circuit 162, and a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) driver 163.
  • CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
  • the differential amplifier 160 has an input terminal connected to each of the middle point 140 and the middle point 141, and an output terminal connected to the temperature compensation circuit 161.
  • the differential amplifier 160 is connected to each of a power supply terminal (Vcc) 142 and a ground terminal (Gnd) 143.
  • the temperature compensation circuit 161 has an output terminal connected to the latch and switch circuit 162.
  • the temperature compensation circuit 161 is connected to each of a power supply terminal (Vcc) 142 and a ground terminal (Gnd) 143.
  • the output terminal of the latch and switch circuit 162 is connected to the CMOS driver 163.
  • the latch and switch circuit 162 is connected to each of a power supply terminal (Vcc) 142 and a ground terminal (Gnd) 143.
  • the output terminal of the CMOS driver 163 is connected to the output terminal (Out) 144.
  • the CMOS driver 163 is connected to each of a power supply terminal (Vcc) 142 and a ground terminal (Gnd) 143.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a laminated structure of a connection portion between the magnetoresistive element and the wiring in the bridge circuit of the magnetic sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 only the connection portion between the region R functioning as a magnetoresistive element and the region L functioning as a wiring is illustrated.
  • the four magnetoresistive elements are formed on a substrate 110 made of Si or the like having a SiO 2 layer or a Si 3 N 4 layer provided on the surface thereof.
  • the four magnetoresistive elements are formed by patterning the magnetic layer 10 made of an alloy containing Ni and Fe provided on the substrate 110 by milling.
  • the wiring is formed by patterning the conductive layer 20 made of Au or Al provided on the substrate 110 by wet etching.
  • the conductive layer 20 is located immediately above the magnetic layer 10 in the region where the magnetic layer 10 is provided, and is located directly above the substrate 110 in the region where the magnetic layer 10 is not provided. Therefore, as shown in FIG. 3, the conductive layer 20 is located immediately above the magnetic layer 10 in the connection portion between the region R functioning as a magnetoresistive element and the region L functioning as a wiring.
  • Each of the middle point 140, the middle point 141, the power supply terminal (Vcc) 142, the ground terminal (Gnd) 143, and the output terminal (Out) 144 is constituted by the conductive layer 20 positioned immediately above the substrate 110.
  • a Ti layer (not shown) is provided immediately above the conductive layer 20.
  • FIG. 4 is a plan view showing a pattern of the first magnetoresistive element of the magnetic sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • each of the two first magnetoresistive elements 120a and 120b has a pattern 120 whose outer shape is rectangular in plan view.
  • the pattern 120 includes a plurality of first slits S 1 extending radially from the center S 0 of the pattern 120 and approaching the outer edge of the pattern 120 in plan view, and between the first slits S 1 adjacent to each other.
  • second slits S 2 located at the outer edge of the pattern 120 and extending toward the center of the pattern 120, the direction is alternately changed between the outer edge and the center of the pattern 120.
  • the patterns 120 are connected so as to go around the center of the pattern 120.
  • the pattern 120 has a substantially point-symmetric shape with respect to the center S 0 of the pattern 120. That is, the pattern 120 has a shape that is approximately 180 ° rotationally symmetric with respect to the center S 0 of the pattern 120.
  • 16 first slits S 1 are provided at intervals of 22.5 °
  • 16 second slits S 2 are provided at intervals of 22.5 °.
  • the second slit S 2 is located in the middle of the first slits S 1 adjacent to each other.
  • the widths of the first slit S 1 and the second slit S 2 are the same and uniform.
  • each of the slits S 1 of 16 the distance between the outer and the first distal end of the slit S 1 in the pattern 120 on the first extension line of the slit S 1 is substantially equal.
  • 16 of the second respective slits S 2 the distance between the tip of the center S 0 and a second slit S 2 of the pattern 120 on the second extension of the slit S 2 are substantially equal.
  • each of the first slits S 1 and the second slits S 2 are not limited to the above, and for example, 16 first slits as going from the center side of the pattern 120 to the outside.
  • the width of each of S 1 may be is broadened. In this case, it is possible to improve the isotropy of the magnetic field detection by making the width of the pattern 120 connected to one line uniform as a whole.
  • FIG. 5 is a plan view showing a pattern of the second magnetoresistive element of the magnetic sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a plan view showing unit patterns included in the pattern of the second magnetoresistive element of the magnetic sensor according to the first embodiment of the invention. In FIG. 5, only one of the two patterns 130 having the same shape included in each of the two second magnetoresistive elements 130a and 130b is illustrated.
  • each of the two second magnetoresistive elements 130a and 130b two patterns 130 having the same shape including the eight unit patterns 170 having a plurality of bent portions are folded in series. It is connected to the.
  • the second magnetoresistive element 130 a two patterns 130 having the same shape are connected to each other by a wiring 147.
  • the second magnetoresistive element 130b two patterns 130 having the same shape are connected to each other by a wiring 151.
  • a necessary electric resistance value is ensured in each of the two second magnetoresistive elements 130a and 130b. The higher the electric resistance value of each of the two second magnetoresistive elements 130a and 130b, the lower the current consumption of the magnetic sensor 100.
  • the eight unit patterns 170 are arranged on the virtual circle C 1 and connected to each other.
  • the unit pattern 170 has 14 curved portions B 1 to B 14 and 15 linear extending portions L 1 to L 15 between the start end portion 170a and the end end portion 170b. And then it ’s folded. That is, the unit pattern 170 has a bag shape with the start end portion 170a and the end end portion 170b as mouth portions.
  • the unit pattern 170 is bent at a right angle in each of the 14 curved portions B 1 to B 14 .
  • the unit pattern 170 does not include a linear extension portion having a length of 10 ⁇ m or more. That is, the length of each of the 15 linear extending portions L 1 to L 15 is shorter than 10 ⁇ m.
  • each of the two second magnetoresistive elements 130a and 130b is not limited to the above, and at least folded back with a plurality of curved portions not including a linear extension portion having a length of 10 ⁇ m or more. It only needs to include one unit pattern.
  • the electrical resistance value of the magnetoresistive element changes due to the magnetoresistive effect when a magnetic field is applied at a specific angle with respect to the direction of current flow through the magnetoresistive element.
  • each of the two second magnetoresistive elements 130a and 130b has the above pattern, so that the magnetoresistive effect of each of the two second magnetoresistive elements 130a and 130b is suppressed, and the rate of change in resistance is significantly reduced. .
  • the resistance change rates of the two second magnetoresistive elements 130a and 130b are smaller than the resistance change rates of the two first magnetoresistive elements 120a and 120b.
  • each of the two first magnetoresistive elements 120a and 120b has a pattern 120. Since the pattern 120 is connected so as to make a round around the center of the pattern 120 while alternately changing the direction between the outer edge and the center of the pattern 120, the direction of the current flowing through the pattern 120 is almost the entire horizontal direction. Over the azimuth (360 °). Accordingly, each of the two first magnetoresistive elements 120a and 120b can detect an external magnetic field over substantially the entire horizontal direction (360 °). Note that the horizontal direction is a direction parallel to the surface of the substrate 110.
  • the pattern 120 has a shape with a high density per unit area.
  • the pattern 120 is connected to one pattern so as to go around the center of the pattern 120 while changing the direction alternately between the outer edge and the center of the pattern 120. Therefore, the pattern 120 can be arranged at high density, and can be increased in resistance by increasing the length.
  • each of the two first magnetoresistive elements 120a and 120b has the pattern 120, each of the two first magnetoresistive elements 120a and 120b can be made high resistance and small. The higher the electric resistance value of each of the two first magnetoresistive elements 120a and 120b, the lower the current consumption of the magnetic sensor 100.
  • the outer shape of the pattern 120 is rectangular in plan view, it can be efficiently arranged on the rectangular substrate 110 in plan view. That is, by providing the pattern 120 in accordance with the outer shape of the substrate 110, it is possible to suppress the periphery of the pattern 120 from becoming an extra space.
  • the magnetic sensor 100 can be reduced in size by efficiently disposing each of the two first magnetoresistive elements 120a and 120b on the substrate 110.
  • each of the two second magnetoresistive elements 130a and 130b does not include a linearly extending portion having a length of 10 ⁇ m or more and includes 14 curved portions B 1 to B 14.
  • the unit pattern 170 is bent at a right angle and has a bag-like shape with the start end portion 170a and the end end portion 170b as mouth portions.
  • the direction of the current flowing through the unit pattern 170 can be dispersed in the horizontal direction, and the anisotropy of the magnetoresistive effect of each of the two second magnetoresistive elements 130a and 130b can be reduced. Moreover, it can suppress that the output of the magnetic sensor 100 when an external magnetic field is 0 varies by the influence of residual magnetization.
  • the plurality of unit patterns 170 are arranged on the virtual circle C 1 , the direction of the current flowing through the pattern 130 is dispersed in the horizontal direction, so that the respective magnetism of each of the two second magnetoresistive elements 130a and 130b is obtained.
  • the anisotropy of the resistance effect can be reduced.
  • FIG. 7 shows the external magnetic field strength and the magnetic sensor by changing the application direction of the external magnetic field to the magnetic sensor 100 according to the first embodiment of the present invention from 0 ° to 337.5 ° at intervals of 22.5 ° in the horizontal direction. It is a graph which shows the experimental result which calculated
  • the vertical axis represents the output voltage (mV) of the magnetic sensor 100
  • the horizontal axis represents the magnetic flux density (mT).
  • the magnetic sensor 100 according to this embodiment even when the application direction of the external magnetic field is changed from 0 ° to 337.5 ° at intervals of 22.5 ° in the horizontal direction, There was no significant change in the relationship between the strength and the output of the magnetic sensor 100. That is, it was confirmed that the magnetic sensor 100 according to the present embodiment has improved isotropic magnetic field detection. It was also confirmed that variations in the output of the magnetic sensor 100 when the external magnetic field was 0 were suppressed.
  • the magnetic sensor 100 includes the two first magnetoresistive elements 120a and 120b and the two second magnetoresistive elements 130a and 130b.
  • the configuration of the magnetic sensor 100 is not limited thereto. It is sufficient that at least one first magnetoresistive element is included. Thereby, the isotropy of magnetic field detection can be improved while miniaturizing the magnetic sensor 100. Further, when the magnetic sensor 100 includes the second magnetoresistive element, it is only necessary to include at least one second magnetoresistive element.
  • Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the magnetic sensor according to the present embodiment is different from the magnetic sensor 100 according to the first embodiment only in the pattern that the second magnetoresistive element has, and thus the description of the other components will not be repeated.
  • FIG. 8 is a plan view showing a pattern of the second magnetoresistive element of the magnetic sensor according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a plan view showing a unit pattern included in the pattern of the second magnetoresistive element of the magnetic sensor according to the second embodiment of the invention.
  • each of the two second magnetoresistive elements of the magnetic sensor according to the second embodiment of the present invention includes a pattern 230 including 32 unit patterns 270 having a plurality of bent portions. Have.
  • the 32 unit patterns 270 are arranged on the virtual rectangle C 2 and connected to each other.
  • a plurality of unit patterns 270 may be arranged on a virtual polygon other than the virtual rectangle.
  • the unit pattern 270 has 14 curved portions B 1 to B 14 and 15 linear extending portions L 1 to L 15 between the start end portion 270a and the end end portion 270b. And then it ’s folded. That is, the unit pattern 270 has a bag-like shape with the start end portion 270a and the end end portion 270b as mouth portions.
  • the unit pattern 270 is bent at a right angle in each of the 14 curved portions B 1 to B 14 .
  • the unit pattern 270 does not include a linear extension portion having a length of 10 ⁇ m or more. That is, the length of each of the 15 linear extending portions L 1 to L 15 is shorter than 10 ⁇ m.
  • the plurality of unit patterns 270 included in each of the two second magnetoresistive elements are arranged on the virtual rectangle C 2 , whereby the direction of the current flowing through the pattern 230 is determined. Can be dispersed in the horizontal direction to reduce the anisotropy of the magnetoresistive effect of each of the two second magnetoresistive elements.
  • the outer shape of the pattern 230 is rectangular in plan view, it can be efficiently arranged on the rectangular substrate 110 in plan view. That is, by providing the pattern 230 in accordance with the outer shape of the substrate 110, it is possible to suppress the periphery of the pattern 230 from becoming an extra space.
  • the magnetic sensor 100 can be made small by efficiently disposing each of the two second magnetoresistive elements on the substrate 110.

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Abstract

　磁気センサは、平面視にて矩形状の基板(１１０)と、基板(１１０)上に設けられた少なくとも１つの第１磁気抵抗素子(１２０ａ，１２０ｂ)を備える。第１磁気抵抗素子(１２０ａ，１２０ｂ)は、平面視にて外形が矩形であるパターンを有する。上記パターンは、平面視にて、上記パターンの中心から放射状に延びて上記パターンの外縁に接近している複数の第１スリット、および、互いに隣接する第１スリット同士の間に位置して上記パターンの外縁から上記パターンの中心に向かって延びている複数の第２スリットが設けられていることによって、上記パターンの外縁と中心との間を交互に向きを変えながら上記パターンの中心の周りを一周するように繋がっている。

Description

磁気センサ
　本発明は、磁気センサに関し、特に、磁気抵抗素子を含む磁気センサに関する。
　磁界検出の等方性の向上を図った磁気センサを開示した先行文献として、特開平１１－２７４５９８号公報(特許文献１)、特開平９－１０２６３８号公報(特許文献２)、国際公開第２０１３／１７１９７７号(特許文献３)、特開２０１２－８８２２５号公報(特許文献４)、および、特開２０１３－２５０１８２号公報(特許文献５)がある。
　特許文献１に記載された磁気センサにおいては、磁気抵抗素子のパターンが螺旋状である。螺旋状のパターンの両端部は、それぞれ反対側に位置する最外部に形成されている。磁気抵抗素子のパターンは、実質的に湾曲部のみから形成されている。
　特許文献２に記載された磁気センサにおいては、磁気抵抗素子は、渦巻状に複数巻に巻回されて円形状をなすとともに、外部磁界に対して等方位的に成膜形成されている。
　特許文献３に記載された磁気センサにおいては、ブリッジ回路の複数の磁気抵抗素子はそれぞれ、全体として磁界検出方向とは実質的に直交する方向に沿った複数本の部分が所定間隔で平行に並んで、順次折り返すように連結されると共に、上記複数本の部分はそれぞれ、磁界検出方向に沿った複数本の部分が所定間隔で平行に並んで、順次折り返すように連結されて、電気的に接続されたつづら折り状に形成されている。
　特許文献４に記載された磁気センサは、直径の異なる半円弧状のパターンを連続的につなげた形状である２つの磁気抵抗素子が並列に接続されて構成されている。
　特許文献５に記載された磁気センサにおいては、正八角形の第１センシング部の中心と正八角形の第２センシング部の中心とが一致しており、第２センシング部の外側に第１センシング部が配置されている。第２センシング部の第２磁気抵抗素子の線状のレイアウトは、第１センシング部の第１磁気抵抗素子の線状のレイアウトに対して２２．５°傾けられている。
特開平１１－２７４５９８号公報 特開平９－１０２６３８号公報 国際公開第２０１３／１７１９７７号 特開２０１２－８８２２５号公報 特開２０１３－２５０１８２号公報
　特許文献１～４に記載された磁気センサは、平面視にて矩形状の基板を有している。そのため、磁気抵抗素子の平面視における外形が矩形以外である場合、磁気抵抗素子の周囲が余分なスペースになりやすい。よって、磁気センサをさらに小形にできる余地がある。
　特許文献３～５に記載された磁気センサにおいては、磁界検出の等方性についてさらに向上できる余地がある。
　本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、磁界検出の等方性を向上した小形の磁気センサを提供することを目的とする。
　本発明に基づく磁気センサは、平面視にて矩形状の基板と、基板上に設けられた少なくとも１つの第１磁気抵抗素子を備える。第１磁気抵抗素子は、平面視にて外形が矩形であるパターンを有する。上記パターンは、平面視にて、上記パターンの中心から放射状に延びて上記パターンの外縁に接近している複数の第１スリット、および、互いに隣接する第１スリット同士の間に位置して上記パターンの外縁から上記パターンの中心に向かって延びている複数の第２スリットが設けられていることによって、上記パターンの外縁と中心との間を交互に向きを変えながら上記パターンの中心の周りを一周するように繋がっている。
　本発明の一形態においては、磁気センサは、第１磁気抵抗素子を複数備える。複数の第１磁気抵抗素子は、互いに電気的に接続されてブリッジ回路を構成している。
　本発明の一形態においては、磁気センサは、第１磁気抵抗素子より抵抗変化率が小さい少なくとも１つの第２磁気抵抗素子をさらに備える。第１磁気抵抗素子および第２磁気抵抗素子は、互いに電気的に接続されてブリッジ回路を構成している。
　本発明の一形態においては、第２磁気抵抗素子は、複数の曲部を有して折り返した少なくとも１つの単位パターンを含む。単位パターンは、１０μｍ以上の長さの直線状延在部を含まない。
　本発明の一形態においては、第２磁気抵抗素子は複数の上記単位パターンを含む。複数の上記単位パターンは、仮想円上に配置されて互いに接続されている。
　本発明の一形態においては、第２磁気抵抗素子は複数の上記単位パターンを含む。複数の上記単位パターンは、仮想多角形上に配置されて互いに接続されている。
　本発明によれば、磁気センサを小形にしつつ磁界検出の等方性を向上できる。
本発明の実施形態１に係る磁気センサのブリッジ回路を構成する４つの磁気抵抗素子のパターンを示す平面図である。 本発明の実施形態１に係る磁気センサの等価回路図である。 本発明の実施形態１に係る磁気センサのブリッジ回路における磁気抵抗素子と配線との接続部の積層構造を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る磁気センサの第１磁気抵抗素子のパターンを示す平面図である。 本発明の実施形態１に係る磁気センサの第２磁気抵抗素子が有するパターンを示す平面図である。 本発明の実施形態１に係る磁気センサの第２磁気抵抗素子が有するパターンに含まれる単位パターンを示す平面図である。 本発明の実施形態１に係る磁気センサ１００に対する外部磁界の印加方向を水平方向において２２．５°間隔で０°～３３７．５°まで変更して、外部磁界の強さと磁気センサ１００の出力との関係を求めた実験結果を示すグラフである。 本発明の実施形態２に係る磁気センサの第２磁気抵抗素子が有するパターンを示す平面図である。 本発明の実施形態２に係る磁気センサの第２磁気抵抗素子が有するパターンに含まれる単位パターンを示す平面図である。
　以下、本発明の各実施形態に係る磁気センサについて図を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
　(実施形態１)
　図１は、本発明の実施形態１に係る磁気センサのブリッジ回路を構成する４つの磁気抵抗素子のパターンを示す平面図である。図２は、本発明の実施形態１に係る磁気センサの等価回路図である。
　図１，２に示すように、本発明の実施形態１に係る磁気センサ１００は、平面視にて矩形状の基板１１０と、基板１１０上に設けられ、互いに電気的に接続されてホイートストンブリッジ型のブリッジ回路を構成する４つの磁気抵抗素子を備える。４つの磁気抵抗素子は、２つの第１磁気抵抗素子１２０ａ，１２０ｂ、および、２つの第２磁気抵抗素子１３０ａ，１３０ｂを含む。
　２つの第１磁気抵抗素子１２０ａ，１２０ｂの各々の抵抗変化率より、２つの第２磁気抵抗素子１３０ａ，１３０ｂの各々の抵抗変化率は小さい。２つの第１磁気抵抗素子１２０ａ，１２０ｂの各々は、外部磁界が印加されることによって電気抵抗値が変化するいわゆる感磁抵抗である。２つの第２磁気抵抗素子１３０ａ，１３０ｂの各々は、外部磁界が印加されてもほとんど電気抵抗値が変化しない固定抵抗である。
　４つの磁気抵抗素子は、基板１１０上に形成された配線によって互いに電気的に接続されている。具体的には、第１磁気抵抗素子１２０ａと第２磁気抵抗素子１３０ａとが配線１４６によって直列に接続されている。第１磁気抵抗素子１２０ｂと第２磁気抵抗素子１３０ｂとが配線１５０によって直列に接続されている。
　磁気センサ１００は、基板１１０上にそれぞれ形成された、中点１４０、中点１４１、電源端子(Ｖｃｃ)１４２、接地端子(Ｇｎｄ)１４３および出力端子(Ｏｕｔ)１４４をさらに備える。
　第１磁気抵抗素子１２０ａおよび第２磁気抵抗素子１３０ｂの各々は、中点１４０に接続されている。具体的には、第１磁気抵抗素子１２０ａと中点１４０とが配線１４５によって接続され、第２磁気抵抗素子１３０ｂと中点１４０とが配線１５２によって接続されている。
　第１磁気抵抗素子１２０ｂおよび第２磁気抵抗素子１３０ａの各々は、中点１４１に接続されている。具体的には、第１磁気抵抗素子１２０ｂと中点１４１とが配線１４９によって接続され、第２磁気抵抗素子１３０ａと中点１４１とが配線１４８によって接続されている。
　配線１４６は、電流が入力される電源端子(Ｖｃｃ)１４２に接続されている。配線１５０は、接地端子(Ｇｎｄ)１４３に接続されている。
　図２に示すように、磁気センサ１００は、差動増幅器１６０、温度補償回路１６１、ラッチおよびスイッチ回路１６２、並びに、ＣＭＯＳ(Complementary　Metal　Oxide　Semiconductor)ドライバ１６３をさらに備える。
　差動増幅器１６０は、入力端が中点１４０および中点１４１の各々に接続され、出力端が温度補償回路１６１に接続されている。また、差動増幅器１６０は、電源端子(Ｖｃｃ)１４２および接地端子(Ｇｎｄ)１４３の各々に接続されている。
　温度補償回路１６１は、出力端がラッチおよびスイッチ回路１６２に接続されている。また、温度補償回路１６１は、電源端子(Ｖｃｃ)１４２および接地端子(Ｇｎｄ)１４３の各々に接続されている。
　ラッチおよびスイッチ回路１６２は、出力端がＣＭＯＳドライバ１６３に接続されている。また、ラッチおよびスイッチ回路１６２は、電源端子(Ｖｃｃ)１４２および接地端子(Ｇｎｄ)１４３の各々に接続されている。
　ＣＭＯＳドライバ１６３は、出力端が出力端子(Ｏｕｔ)１４４に接続されている。また、ＣＭＯＳドライバ１６３は、電源端子(Ｖｃｃ)１４２および接地端子(Ｇｎｄ)１４３の各々に接続されている。
　磁気センサ１００が上記の回路構成を有することにより、中点１４０と中点１４１との間に、外部磁界の強さに依存する電位差が発生する。この電位差があらかじめ設定された検出レベルを超えると、出力端子(Ｏｕｔ)１４４から信号が出力される。
　図３は、本発明の実施形態１に係る磁気センサのブリッジ回路における磁気抵抗素子と配線との接続部の積層構造を示す断面図である。図３においては、磁気抵抗素子として機能する領域Ｒと、配線として機能する領域Ｌとの接続部のみ図示している。
　図３に示すように、４つの磁気抵抗素子は、ＳｉＯ2層またはＳｉ3Ｎ4層などが表面に設けられた、Ｓｉなどからなる基板１１０上に形成されている。４つの磁気抵抗素子は、基板１１０上に設けられた、ＮｉとＦｅとを含む合金からなる磁性体層１０が、ミーリングによりパターニングされることにより形成されている。
　配線は、基板１１０上に設けられた、ＡｕまたはＡｌなどからなる導電層２０が、ウエットエッチングによりパターニングされることにより形成されている。導電層２０は、磁性体層１０が設けられた領域においては磁性体層１０の直上に位置し、磁性体層１０が設けられていない領域においては基板１１０の直上に位置している。よって、図３に示すように、磁気抵抗素子として機能する領域Ｒと、配線として機能する領域Ｌとの接続部においては、導電層２０は磁性体層１０の直上に位置している。
　中点１４０、中点１４１、電源端子(Ｖｃｃ)１４２、接地端子(Ｇｎｄ)１４３および出力端子(Ｏｕｔ)１４４の各々は、基板１１０の直上に位置する導電層２０によって構成されている。
　導電層２０の直上には、図示しないＴｉ層が設けられている。磁気抵抗素子および配線を覆うように、ＳｉＯ2などからなる保護層３０が設けられている。
　図４は、本発明の実施形態１に係る磁気センサの第１磁気抵抗素子のパターンを示す平面図である。図１，４に示すように、２つの第１磁気抵抗素子１２０ａ，１２０ｂの各々は、平面視にて外形が矩形であるパターン１２０を有する。パターン１２０は、平面視にて、パターン１２０の中心Ｓ0から放射状に延びてパターン１２０の外縁に接近している複数の第１スリットＳ1、および、互いに隣接する第１スリットＳ1同士の間に位置してパターン１２０の外縁からパターン１２０の中心に向かって延びている複数の第２スリットＳ2が設けられていることによって、パターン１２０の外縁と中心との間を交互に向きを変えながらパターン１２０の中心の周りを一周するように繋がっている。
　図４に示すように、パターン１２０は、パターン１２０の中心Ｓ0に関して略点対称の形状を有している。すなわち、パターン１２０は、パターン１２０の中心Ｓ0に関して略１８０°回転対称な形状を有している。
　本実施形態においては、１６本の第１スリットＳ1が２２．５°間隔で設けられ、１６本の第２スリットＳ2が２２．５°間隔で設けられている。第２スリットＳ2は、互いに隣接する第１スリットＳ1の中間に位置している。第１スリットＳ1および第２スリットＳ2の各々の幅は、互いに同じで均一である。
　１６本の第１スリットＳ1の各々において、第１スリットＳ1の延長線上におけるパターン１２０の外形と第１スリットＳ1の先端との間の距離は略等しい。１６本の第２スリットＳ2の各々において、第２スリットＳ2の延長線上におけるパターン１２０の中心Ｓ0と第２スリットＳ2の先端との間の距離は略等しい。
　ただし、第１スリットＳ1および第２スリットＳ2の各々の本数、幅、および、長さなどは上記に限られず、たとえば、パターン１２０の中心側から外側に行くにしたがって１６本の第１スリットＳ1の各々の幅が広くなるようにしてもよい。このようにした場合、１本に繋がっているパターン１２０の幅を全体的により均一にして、磁界検出の等方性を向上することができる。
　図５は、本発明の実施形態１に係る磁気センサの第２磁気抵抗素子が有するパターンを示す平面図である。図６は、本発明の実施形態１に係る磁気センサの第２磁気抵抗素子が有するパターンに含まれる単位パターンを示す平面図である。なお、図５においては、２つの第２磁気抵抗素子１３０ａ，１３０ｂの各々が有する同一形状の２つのパターン１３０のうちの一方のみを図示している。
　図１，５に示すように、２つの第２磁気抵抗素子１３０ａ，１３０ｂの各々においては、複数の曲部を有して折り返した８つの単位パターン１７０を含む同一形状の２つのパターン１３０が直列に接続されている。第２磁気抵抗素子１３０ａにおいては、同一形状の２つのパターン１３０が配線１４７によって互いに接続されている。第２磁気抵抗素子１３０ｂにおいては、同一形状の２つのパターン１３０が配線１５１によって互いに接続されている。これにより、２つの第２磁気抵抗素子１３０ａ，１３０ｂの各々において、必要な電気抵抗値を確保している。２つの第２磁気抵抗素子１３０ａ，１３０ｂの各々の電気抵抗値が高いほど、磁気センサ１００の消費電流を低減できる。
　図５に示すように、８つの単位パターン１７０は、仮想円Ｃ1上に配置されて互いに接続されている。図６に示すように、単位パターン１７０は、始端部１７０ａから終端部１７０ｂまでの間に、１４個の曲部Ｂ1～Ｂ14および１５個の直線状延在部Ｌ1～Ｌ15を有して、折り返している。すなわち、単位パターン１７０は、始端部１７０ａおよび終端部１７０ｂを口部とした袋状の形状を有している。
　本実施形態においては、単位パターン１７０は、１４個の曲部Ｂ1～Ｂ14の各々において直角に屈曲している。単位パターン１７０は、１０μｍ以上の長さの直線状延在部を含まない。すなわち、１５個の直線状延在部Ｌ1～Ｌ15の各々の長さは、１０μｍより短い。
　ただし、２つの第２磁気抵抗素子１３０ａ，１３０ｂの各々が有するパターンは、上記に限られず、１０μｍ以上の長さの直線状延在部を含まずに複数の曲部を有して折り返した少なくとも１つの単位パターンを含んでいればよい。
　磁気抵抗素子の電気抵抗値は、磁気抵抗素子を電流が流れる方向に対して特定の角度で磁界が印加されると、磁気抵抗効果によって変化する。磁気抵抗素子の長手方向の長さが長いほど、磁気抵抗効果が大きくなる。
　そのため、２つの第２磁気抵抗素子１３０ａ，１３０ｂの各々が上記のパターンを有することにより、２つの第２磁気抵抗素子１３０ａ，１３０ｂの各々の磁気抵抗効果が抑制されて抵抗変化率が著しく小さくなる。その結果、２つの第２磁気抵抗素子１３０ａ，１３０ｂの各々の抵抗変化率が、２つの第１磁気抵抗素子１２０ａ，１２０ｂの各々の抵抗変化率より小さくなる。
　本実施形態に係る磁気センサ１００においては、２つの第１磁気抵抗素子１２０ａ，１２０ｂの各々がパターン１２０を有している。パターン１２０は、パターン１２０の外縁と中心との間を交互に向きを変えながらパターン１２０の中心の周りを一周するように繋がっているため、パターン１２０を流れる電流の向きは、水平方向の略全方位(３６０°)に亘っている。よって、２つの第１磁気抵抗素子１２０ａ，１２０ｂの各々は、水平方向の略全方位(３６０°)に亘って、外部磁界を検出することができる。なお、水平方向は、基板１１０の表面と平行な方向である。
　パターン１２０を流れる電流の向きを水平方向において分散させることにより、２つの第１磁気抵抗素子１２０ａ，１２０ｂの各々の磁気抵抗効果の異方性を低減することができる。
　パターン１２０は、単位面積当たりの密度が高い形状である。パターン１２０は、パターン１２０の外縁と中心との間を交互に向きを変えながらパターン１２０の中心の周りを一周するように１本に繋がっている。そのため、パターン１２０は、高密度に配置可能、かつ、長さを長くして高抵抗化可能である。
　よって、２つの第１磁気抵抗素子１２０ａ，１２０ｂの各々がパターン１２０を有することにより、２つの第１磁気抵抗素子１２０ａ，１２０ｂの各々を高抵抗かつ小形にすることができる。２つの第１磁気抵抗素子１２０ａ，１２０ｂの各々の電気抵抗値が高いほど、磁気センサ１００の消費電流を低減できる。
　さらに、パターン１２０は、平面視にて外形が矩形であるため、平面視にて矩形状の基板１１０上に効率よく配置することが可能である。すなわち、基板１１０の外形に合わせてパターン１２０を設けることにより、パターン１２０の周囲が余分なスペースになることを抑制できる。
　よって、２つの第１磁気抵抗素子１２０ａ，１２０ｂの各々を小形にしつつ基板１１０上に効率よく配置することにより、磁気センサ１００を小形にすることができる。
　本実施形態に係る磁気センサ１００においては、２つの第２磁気抵抗素子１３０ａ，１３０ｂの各々は、１０μｍ以上の長さの直線状延在部を含まずに１４個の曲部Ｂ1～Ｂ14の各々において直角に屈曲して、始端部１７０ａおよび終端部１７０ｂを口部とした袋状の形状を有する単位パターン１７０を含んでいる。
　これにより、単位パターン１７０を流れる電流の向きを水平方向において分散させて、２つの第２磁気抵抗素子１３０ａ，１３０ｂの各々の磁気抵抗効果の異方性を低減することができる。また、外部磁界が０である時の磁気センサ１００の出力が、残留磁化の影響によってばらつくことを抑制することができる。
　さらに、複数の単位パターン１７０が仮想円Ｃ1上に配置されていることによって、パターン１３０を流れる電流の向きを水平方向において分散させて、２つの第２磁気抵抗素子１３０ａ，１３０ｂの各々の磁気抵抗効果の異方性を低減することができる。
　図７は、本発明の実施形態１に係る磁気センサ１００に対する外部磁界の印加方向を水平方向において２２．５°間隔で０°～３３７．５°まで変更して、外部磁界の強さと磁気センサ１００の出力との関係を求めた実験結果を示すグラフである。図７においては、縦軸に磁気センサ１００の出力電圧(ｍＶ)、横軸に磁束密度(ｍＴ)を示している。
　図７に示すように、本実施形態に係る磁気センサ１００においては、外部磁界の印加方向を水平方向において２２．５°間隔で０°～３３７．５°まで変更した場合においても、外部磁界の強さと磁気センサ１００の出力との関係に大きな変化は認められなかった。すなわち、本実施形態に係る磁気センサ１００は、磁界検出の等方性が向上していることが確認できた。また、外部磁界が０である時の磁気センサ１００の出力のばらつきが抑制されていることも確認できた。
　本実施形態においては、磁気センサ１００は、２つの第１磁気抵抗素子１２０ａ，１２０ｂ、および、２つの第２磁気抵抗素子１３０ａ，１３０ｂを含んでいたが、磁気センサ１００の構成はこれに限られず、第１磁気抵抗素子を少なくとも１つ含んでいればよい。これにより、磁気センサ１００を小形にしつつ磁界検出の等方性を向上できる。また、磁気センサ１００が第２磁気抵抗素子を含む場合には、第２磁気抵抗素子を少なくとも１つ含んでいればよい。
　以下、本発明の実施形態２に係る磁気センサについて図を参照して説明する。なお、本実施形態に係る磁気センサは、第２磁気抵抗素子が有するパターンのみ実施形態１に係る磁気センサ１００と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。
　(実施形態２)
　図８は、本発明の実施形態２に係る磁気センサの第２磁気抵抗素子が有するパターンを示す平面図である。図９は、本発明の実施形態２に係る磁気センサの第２磁気抵抗素子が有するパターンに含まれる単位パターンを示す平面図である。
　図８に示すように、本発明の実施形態２に係る磁気センサの２つの第２磁気抵抗素子の各々は、複数の曲部を有して折り返した３２個の単位パターン２７０を含むパターン２３０を有している。
　図８に示すように、３２個の単位パターン２７０は、仮想矩形Ｃ2上に配置されて互いに接続されている。なお、複数の単位パターン２７０が、仮想矩形以外の仮想多角形上に配置されていてもよい。
　図９に示すように、単位パターン２７０は、始端部２７０ａから終端部２７０ｂまでの間に、１４個の曲部Ｂ1～Ｂ14および１５個の直線状延在部Ｌ1～Ｌ15を有して、折り返している。すなわち、単位パターン２７０は、始端部２７０ａおよび終端部２７０ｂを口部とした袋状の形状を有している。
　本実施形態においては、単位パターン２７０は、１４個の曲部Ｂ1～Ｂ14の各々において直角に屈曲している。単位パターン２７０は、１０μｍ以上の長さの直線状延在部を含まない。すなわち、１５個の直線状延在部Ｌ1～Ｌ15の各々の長さは、１０μｍより短い。
　本発明の実施形態２に係る磁気センサにおいては、２つの第２磁気抵抗素子の各々が含む複数の単位パターン２７０が仮想矩形Ｃ2上に配置されていることによって、パターン２３０を流れる電流の向きを水平方向において分散させて、２つの第２磁気抵抗素子の各々の磁気抵抗効果の異方性を低減することができる。
　また、平面視にて、パターン２３０の外形が矩形であるため、平面視にて矩形状の基板１１０上に効率よく配置することが可能である。すなわち、基板１１０の外形に合わせてパターン２３０を設けることにより、パターン２３０の周囲が余分なスペースになることを抑制できる。
　よって、２つの第２磁気抵抗素子の各々を基板１１０上に効率よく配置することにより、磁気センサ１００を小形にすることができる。
　今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１０　磁性体層、２０　導電層、３０　保護層、１００　磁気センサ、１１０　基板、１２０，１３０，２３０　パターン、１２０ａ，１２０ｂ　第１磁気抵抗素子、１３０ａ，１３０ｂ　第２磁気抵抗素子、１４０，１４１　中点、１４５，１４６，１４７，１４８，１４９，１５０，１５１，１５２　配線、１６０　差動増幅器、１６１　温度補償回路、１６２　スイッチ回路、１６３　ドライバ、１７０，２７０　単位パターン、１７０ａ，２７０ａ　始端部、１７０ｂ，２７０ｂ　終端部、Ｂ1～Ｂ14　曲部、Ｃ1　仮想円、Ｃ2　仮想矩形、Ｌ1～Ｌ15　直線状延在部、Ｓ0　中心、Ｓ1　第１スリット、Ｓ2　第２スリット。

Claims (6)

  1. 　平面視にて矩形状の基板と、
    　前記基板上に設けられた少なくとも１つの第１磁気抵抗素子を備え、
    　前記第１磁気抵抗素子は、平面視にて外形が矩形であるパターンを有し、
    　前記パターンは、平面視にて、前記パターンの中心から放射状に延びて前記パターンの外縁に接近している複数の第１スリット、および、互いに隣接する該第１スリット同士の間に位置して前記パターンの前記外縁から前記パターンの前記中心に向かって延びている複数の第２スリットが設けられていることによって、前記パターンの前記外縁と前記中心との間を交互に向きを変えながら前記パターンの前記中心の周りを一周するように繋がっている、磁気センサ。
  2. 　前記第１磁気抵抗素子を複数備え、
    　複数の前記第１磁気抵抗素子は、互いに電気的に接続されてブリッジ回路を構成している、請求項１に記載の磁気センサ。
  3. 　前記第１磁気抵抗素子より抵抗変化率が小さい少なくとも１つの第２磁気抵抗素子をさらに備え、
    　前記第１磁気抵抗素子および前記第２磁気抵抗素子は、互いに電気的に接続されてブリッジ回路を構成している、請求項１または２に記載の磁気センサ。
  4. 　前記第２磁気抵抗素子は、複数の曲部を有して折り返した少なくとも１つの単位パターンを含み、
    　前記単位パターンは、１０μｍ以上の長さの直線状延在部を含まない、請求項３に記載の磁気センサ。
  5. 　前記第２磁気抵抗素子は複数の前記単位パターンを含み、
    　複数の前記単位パターンは、仮想円上に配置されて互いに接続されている、請求項４に記載の磁気センサ。
  6. 　前記第２磁気抵抗素子は複数の前記単位パターンを含み、
    　複数の前記単位パターンは、仮想多角形上に配置されて互いに接続されている、請求項４に記載の磁気センサ。
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