JPH07244142A

JPH07244142A - 磁気センサ

Info

Publication number: JPH07244142A
Application number: JP6037024A
Authority: JP
Inventors: Michiko Endou; みち子遠藤; Shinkichi Shimizu; 信吉清水; Shigemi Kurashima; 茂美倉島; Mieko Kawamoto; 美詠子川元
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1994-03-08
Filing date: 1994-03-08
Publication date: 1995-09-19

Abstract

(57)【要約】【目的】構成を複雑化することなく、しかも充分なダイ
ナミックレンジを確保しつつ、微小磁界での高感度化を
図ること。【構成】磁場の強さに応じて磁化の向きが磁化容易方向
と磁化困難方向との間で変化する強磁性金属薄膜を用い
たセンサパターンを備える磁気センサにおいて、前記強
磁性金属薄膜が正の磁歪定数を持つ場合、前記センサパ
ターンの磁化困難方向に継続的な引っ張り応力を加え、
又は、前記センサパターンの磁化容易方向に継続的な圧
縮応力を加える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁場（磁界とも言う）
の強さに応じて電気抵抗が変化する磁気センサ、詳細に
は、強磁性金属薄膜（代表例はパーマロイ薄膜やアモル
ファス希土類鉄系合金膜）の磁気抵抗効果を利用し、磁
場の検出、又は変位や位置の検出等様々な用途に用いら
れるいわゆる強磁性体磁気センサの高感度化技術に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】第１従来例図１２は従来の強磁性体磁気センサの平面レイアウトを
示す２つの例である。図中の１、２は何れも強磁性金属
薄膜を用いたセンサパターンで、これらのセンサパター
ン１、２は、特に限定しないが全体を折り返した形状を
有しており、両端に端子３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂが設け
られている。端子３ａ、３ｂ間（又は端子４ａ、４ｂ
間）に電圧Ｅを加えると、センサパターン１（又は２）
の電気抵抗Ｒに応じた電流Ｉが流れる。

【０００３】一般に、強磁性金属薄膜（以下、単に「磁
性体」と言うこともある）の電気抵抗は、磁気抵抗効果
によって、電流と磁化（単位面積当たりの磁化モーメン
ト）の方向が平行になったとき最大、直交したとき最小
となり、その間では交差角度に応じた大きさとなるか
ら、上記の電気抵抗Ｒはセンサパターン１（又は２）の
置かれた磁場Ｈｅｘの強さに応じた値になる。

【０００４】ここで、センサパターン１、２の長手方向
は、磁気異方性による内部エネルギーが最も低い自発磁
化の方向、すなわち磁化が向きやすい磁化容易方向で、
それと直交する短手方向は、磁化が向きにくい磁化困難
方向である。センサパターン１、２の違いは短手方向の
幅にある。センサパターン１に対してセンサパターン２
の短手幅が大きい。短手幅を大きくすると、磁性体が磁
化されたとき、磁性体の表面に生じた磁荷によって磁性
体の内部につくられる反磁場Ｈｄ（磁化とは逆向きの磁
場）を小さくでき、磁化の回転を円滑にして検出感度の
アップを図ることができる。なお、反磁場Ｈｄはセンサ
パターンを薄くすることによっても小さくできる。

【０００５】図１３は図１２の特性図であり、実線イで
示す特性線は反磁場Ｈｄが大きい場合（すなわちセンサ
パターン１）、破線ロで示す特性線は反磁場Ｈｄが小さ
い場合（すなわちセンサパターン２）である。破線ロ
（反磁場Ｈｄが小さい）方が、磁場Ｈｅｘの変化に対す
る電気抵抗の変化率（ΔＲ／Ｒ）が大きいから、磁場Ｈ
ｅｘの微妙な変化を高感度に検出することができる。

【０００６】しかしながら、反磁界Ｈｄを小さくしただ
けでは、図１３の特性図からも理解されるように、磁場
Ｈｅｘの零点付近、すなわち微小磁場での検出感度が改
善されないため、例えば、地磁気のようにきわめて微小
な磁場を検出できないという欠点がある。第２従来例図１４は図１２の欠点を解消した例であり、センサパタ
ーン５の形状をいわゆるバーバーポール型にしたもので
ある。これによれば、外部バイアス磁界（内部磁化の反
転を防止するために必須）との併用によって、図１５に
示すように、磁場Ｈｅｘの零点付近を通る直線的な特性
線ハを得ることができ、微小磁場での高感度化を実現で
きる。

【０００７】第３従来例図１６は同じく図１２の欠点を解消した例であり、図１
２とは逆に、センサセンサパターン６の短手方向を磁化
容易方向としたものである。これによれば、図１７に示
すように、磁場Ｈｅｘの零点で急激に立ち上がる特性線
ニを得ることができ、微小磁場での高感度化を図ること
ができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、かかる
第２又は第３従来例にあっては、第１従来例の欠点、す
なわち微小磁場での感度不足を解決できるという点で有
効なものの、第２従来例にあっては、外部バイアス磁界
が必要であるから、構成が複雑化してコスト的に不利で
あるという欠点があり、また、第３従来例にあっては、
反磁界Ｈｄが大きく自発磁化が揃いにくいためにフルス
ケールでの抵抗変化量が小さく、ダイナミックレンジ
（図１７の符号Ｄ参照）を広くできないという欠点があ
る。［目的］そこで、本発明は、このような技術的課題に鑑
みてなされたもので、構成を複雑化することなく、しか
も充分なダイナミックレンジを確保しつつ、微小磁界で
の高感度化を図ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
その原理図を図１に示すように、磁場の強さに応じて磁
化の向きが磁化容易方向と磁化困難方向との間で変化す
る強磁性金属薄膜を用いたセンサパターン１０を備える
磁気センサにおいて、前記強磁性金属薄膜が正の磁歪定
数を持つ場合、前記センサパターンの磁化困難方向に継
続的な引っ張り応力を加え、又は、前記センサパターン
の磁化容易方向に継続的な圧縮応力を加えられたことを
特徴とする。

【００１０】請求項２記載の発明は、その原理図を図２
に示すように、磁場の強さに応じて磁化の向きが磁化容
易方向と磁化困難方向との間で変化する強磁性金属薄膜
を用いたセンサパターン１１を備える磁気センサにおい
て、前記強磁性金属薄膜が負の磁歪定数を持つ場合、前
記センサパターンの磁化困難方向に継続的な圧縮応力を
加え、又は、前記センサパターンの磁化容易方向に継続
的な引っ張り応力を加えられたことを特徴とする。

【００１１】

【作用】磁場がゼロのときの強磁性金属薄膜の磁化（自
発磁化）は、磁化容易方向に向いているが、これは磁性
体に歪みを与えない場合であり、歪みを与えた場合に
は、その歪みの方向と磁性体の磁歪定数の正／負との適
切な組み合せにより、自発磁化の方向を磁化容易方向か
ら磁化困難方向へと強制的に変えることができる。

【００１２】すなわち、磁歪定数が「正」の磁性体で
は、引っ張り応力の方向（又は圧縮応力の方向と直交す
る方向）に自発磁化が向き、若しくは、磁歪定数が
「負」の磁性体では、圧縮応力の方向（又は引っ張り応
力の方向と直交する方向）に自発磁化が向く。したがっ
て、上記の請求項１又は請求項２のようにすれば、磁場
がゼロのときの磁化の向きを磁化容易方向から磁化困難
方向へと変えることができ、磁場がゼロ以外のときの磁
化の向きをこの逆の磁化容易方向へと変化させることが
できるから、きわめて微小な磁場での磁化の変化を円滑
にして高感度化を図ることができる。

【００１３】因みに、図３は図１の特性図であり、磁場
Ｈｅｘの零点付近での電気抵抗の変化率（ΔＲ／Ｒ）が
大きく、しかもダイナミックレンジＤが広くなってい
る。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。第１実施例図４、図５は本発明に係る磁気センサの第１実施例を示
す図である。図４において、２０は基板（例えばシリコ
ン基板）であり、この基板２０の表面には、強磁性金属
薄膜を用いたつづら折のいわゆるミアンダー状センサパ
ターン２１（以下、単に「センサパターン」と言う）が
形成されている。なお、２２ａ、２２ｂはセンサパター
ン２１の両端に形成された端子である。

【００１５】強磁性金属薄膜には、鉄（Ｆｅ）−ニッケ
ル（Ｎｉ）の合金（Ｎｉ７６％、膜厚２０００オングス
トローム）を使用し、その無歪み状態での磁化容易方向
はパターンの長手方向、磁化困難方向はパターンの短手
方向である。鉄−ニッケル合金薄膜の磁歪定数は「正」
であるため、この例では、センサパターン２１の短手方
向すなわち磁化困難方向に引っ張り応力（好ましくは
０．１％程度の歪みを生じる大きさの応力）を加える
（又は、センサパターン２１の長手方向すなわち磁化容
易方向に同程度の圧縮応力を加えてもよい）。

【００１６】このようにすると、センサパターン２１の
自発磁化が磁化困難方向に向くので、この状態のまま、
センサパターン２１の長手方向に磁場Ｈｅｘをかける
と、磁化の向きが磁化容易方向へと変化することにな
り、微小磁場での磁化の変化を円滑にして高感度化を図
ることができる。図５は図４の特性図であり、実線ホは
応力だけを与えたもの、破線ヘは磁性体の磁気異方性の
方向をパターンの長手方向に一致させたものである。何
れのものも磁場Ｈｅｘの零点付近での感度アップとダイ
ナミックレンジの拡大を達成できているが、磁場Ｈｅｘ
の変化に対する電気抵抗の変化率（ΔＲ／Ｒ）の大きさ
を見ると、破線への方が変化率（ΔＲ／Ｒ）が大きいの
で望ましい。

【００１７】第２実施例図６、図７は本発明に係る磁気センサの第２実施例を示
す図である。図６において、３０は基板（例えばシリコ
ン基板）であり、この基板３０の表面には、第１実施例
と同様の強磁性金属薄膜を用いた第１〜第４のミアンダ
ー状センサパターン３１〜３４（以下、単に「第１〜第
４のセンサパターン」と言う）が形成されている。な
お、３５ａ〜３５ｄは第１〜第４のセンサパターン３１
〜３４の接続点に形成された端子であり、対角線上に位
置する一対の端子間に定電流を与え、他の一対の端子間
の電圧を測定する。

【００１８】第１〜第４のセンサパターン３１〜３４
（便宜的に１本の線で図示しているが実際には所定の幅
を持つパターンである）の長手方向は、基板３０の各辺
に対して約４５度の傾きをもっており、基板３０の任意
の１辺の方向に引っ張り応力又は圧縮応力（好ましくは
０．１％程度の歪みを生じる大きさの応力）を与える
と、全てのパターン３１〜３４に対して、その長手方向
の約４５度の向きに上記応力が印加されるようになって
いる。

【００１９】このような構成によっても、引っ張り応力
の方向（又は圧縮応力の方向と直交する方向）すなわち
磁化困難方向に自発磁化を向かせることができ、磁場を
与えたときの磁化の変化方向を磁化容易方向とすること
ができる。したがって、第１実施例と同様に微小磁界で
の高感度化を図ることができると共に、その特性図を図
７に示すように、磁場Ｈｅｘの零点を境にして出力が直
線的に変化するから、印加磁界の正負も検出できる利便
性の高い磁気センサを提供できる。

【００２０】第３実施例図８、図９は本発明に係る磁気センサの第３実施例を示
す図であり、第１実施例又は第２実施例に用いて好まし
い応力印加の技術を開示するものである。図８におい
て、４０は配線パターン４１ａ、４１ｂを形成したフレ
キシブル基板であり、このフレキシブル基板４０の上に
は、第１実施例の基板２０（又は第２実施例の基板３
０；以下、基板２０で代表）が接着固定されている。な
お、４２ａ、４２ｂは基板２０に形成されたセンサパタ
ーン２１の端子２２ａ、２２ｂと配線パターン４１ａ、
４１ｂとの間を接続するボンディング用ワイヤである。

【００２１】４３、４４はそれぞれモールド部材であ
り、一方のモールド部材４３には、少なくともフレキシ
ブル基板４０の面積よりも広い面積で一定曲率を有する
円弧状表面の凸部４３ａが形成されている。また、他方
のモールド部材４４には、所定形状の凹部４４ａが形成
されており、これら２つのモールド部材４３、４４を重
ね合わせると、凸部４３ａが凹部４４ａの内部に余裕を
持って収まるようになっている。

【００２２】今、基板２０を載置固定したフレキシブル
基板４０の裏面を凸部４３ａの表面に貼り付けると、図
９に示すように、フレキシブル基板４０が凸部４３ａの
表面形状に合わせて所定曲率で屈曲するので、フレキシ
ブル基板４０の表面に固定された基板２０にも同様な屈
曲を与えることができ、基板２０の上のセンサパターン
２１に対し、その屈曲程度に応じた大きさの引っ張り応
力を与えることができる。

【００２３】したがって、凸部４３ａの表面曲率を調節
することにより、応力の大きさを加減できると共に、基
板２０とフレキシブル基板４０との間、及び、フレキシ
ブル基板４０と凸部４３ａとの間の接着が維持されてい
る限り、恒久的に応力を与え続けることができ、微小磁
場での高感度化を長期にわたって持続することができ
る。

【００２４】なお、凹部４４ａを形成したモールド部材
４４は、パッケージの蓋の役目をするもので、応力印加
のために必須のものではない。因みに、フレキシブル基
板４０の厚さを５０μｍ、基板２０の厚さを２５０μｍ
とし、センサパターン２１に膜厚２０００オングストロ
ームのＮｉ−Ｆｅ薄膜を用い、そのパターン幅を約３０
μｍのミアンダー状パターンとすると共に、基板２０と
フレキシブル基板４０との間、及び、フレキシブル基板
４０と凸部４３ａとの固定には熱硬化タイプの接着剤を
使用し、凸部４３ａの曲率を約２００ｍｍとして、磁界
検出を行ってみたところ、外部磁界範囲が１０〜２０Ｏ
ｅで約２％の抵抗変化が得られた。しかもこの磁界範囲
では外部磁界の変化に対する抵抗変化の直線性も良く、
微小磁界での高感度化達成を確認できた。

【００２５】第４実施例図１０、図１１は本発明に係る磁気センサの第４実施例
を示す図であり、第３実施例と同様に、第１実施例又は
第２実施例に用いて好ましい応力印加の技術を開示する
ものである。図１０において、５０は配線パターン５１
ａ、５１ｂを形成した樹脂基板であり、この樹脂基板５
０の上には、第１実施例の基板２０（又は第２実施例の
基板３０；以下、基板２０で代表）が、所定の接着剤５
２を用いて接着されるようになっている。

【００２６】ここで、樹脂基板５０と接着剤５２には、
基板２０の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を持つも
のを使用しなければならない。高温下で樹脂基板５０と
基板２０の間の接着を行うと、基板２０に比べて樹脂基
板５０及び接着剤５３が大きく膨張した状態で固定され
るため、室温程度に温度を下げた後では、両者の膨張差
に対応した大きさの歪みが残り、この歪みによる応力が
基板２０の上のセンサパターンに加えられる。

【００２７】例えば、基板２０にシリコン（熱膨張係数
は２．６×１０^-6／℃）を用い、樹脂基板５０及びと接
着剤５２にエポキシ樹脂（熱膨張係数は３０〜９０×１
０^-6／℃）を用いて、約１５０℃の高温下で接着剤５２
を硬化させた後、室温に戻すと、熱膨張係数が１桁大き
い樹脂基板５０及び接着剤５２の収縮が大きいため、図
１１の矢印５３で示すように、樹脂基板５０が基板２０
とは反対側の下向きに湾曲することとなり、その結果、
基板２０の上のセンサパターン（図示略）に、湾曲度合
に応じた大きさの引っ張り応力が加えられることにな
る。

【００２８】なお、図１１において、５４はボンディン
グ用ワイヤ、５５は封止樹脂である。因みに、本第４実
施例でも、外部磁界範囲が１０〜２０Ｏｅで約２％の抵
抗変化が得られた。しかもこの磁界範囲では外部磁界の
変化に対する抵抗変化の直線性も良く、微小磁界での高
感度化達成を確認できた。

【００２９】

【発明の効果】請求項１又は請求項２記載発明によれ
ば、磁場がゼロのときの磁化の向きを磁化容易方向から
磁化困難方向へと変えることができ、磁場がゼロ以外の
ときの磁化の向きをこの逆の磁化容易方向へと変化させ
ることができるから、きわめて微小な磁場での磁化の変
化を円滑にして高感度化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１記載の発明の原理図である。

【図２】請求項２記載の発明の原理図である。

【図３】請求項１記載の発明の特性図である。

【図４】第１実施例の構成図である。

【図５】第１実施例の特性図である。

【図６】第２実施例の構成図である。

【図７】第２実施例の特性図である。

【図８】第３実施例の構成図である。

【図９】第３実施例の断面図である。

【図１０】第４実施例の構成図である。

【図１１】第４実施例の断面図である。

【図１２】第１従来例の構成図である。

【図１３】第１従来例の特性図である。

【図１４】第２従来例の構成図である。

【図１５】第２従来例の特性図である。

【図１６】第３従来例の構成図である。

【図１７】第３従来例の特性図である。

【符号の説明】

１０、１１、２１、３１〜３４：センサパターン

フロントページの続き (72)発明者川元美詠子神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁場の強さに応じて磁化の向きが磁化容易
方向と磁化困難方向との間で変化する強磁性金属薄膜を
用いたセンサパターンを備える磁気センサにおいて、前
記強磁性金属薄膜が正の磁歪定数を持つ場合、前記セン
サパターンの磁化困難方向に継続的な引っ張り応力を加
え、又は、前記センサパターンの磁化容易方向に継続的
な圧縮応力を加えられたことを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】磁場の強さに応じて磁化の向きが磁化容易
方向と磁化困難方向との間で変化する強磁性金属薄膜を
用いたセンサパターンを備える磁気センサにおいて、前
記強磁性金属薄膜が負の磁歪定数を持つ場合、前記セン
サパターンの磁化困難方向に継続的な圧縮応力を加え、
又は、前記センサパターンの磁化容易方向に継続的な引
っ張り応力を加えられたことを特徴とする磁気センサ。