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公開番号2021047036
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210325
出願番号2019168285
出願日20190917
発明の名称磁性体検出センサ
出願人エイブリック株式会社
代理人
主分類G01R 33/02 20060101AFI20210226BHJP(測定;試験)
要約【課題】周囲の構造物の影響による、オフセットの発生と感度のずれを抑えることが可能な、磁性体の検出時に動作点がずれにくい磁性体検出センサを提供する。
【解決手段】本発明の磁性体検出センサ100は、第一支持基板101と、第一支持基板の一方の主面101a側に、磁化方向102Mが第一支持基板の主面101aと平行になるように配置された磁石102と、第一支持基板の一方の主面101a側に配置され、特定方向の磁場成分を検出する磁場検出素子103を有する半導体チップ104と、第一支持基板の他方の主面101bに配置され、磁石の磁化方向102Mと平行な方向に延在した軟磁性体膜105と、を備えている。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
第一支持基板と、
前記第一支持基板の一方の主面側に、磁化方向が前記主面と平行になるように配置された磁石と、
前記第一支持基板の一方の主面側に配置され、特定方向の磁場成分を検出する磁場検出素子を有する半導体チップと、
前記第一支持基板の他方の主面側に配置され、前記磁石の磁化方向と平行な方向に延在した軟磁性体膜と、を備えていることを特徴とする磁性体検出センサ。
続きを表示(約 290 文字)【請求項2】
前記磁場検出素子の検出可能な磁場の方向が、前記磁石の磁化方向と直交していることを特徴とする請求項1に記載の磁性体検出センサ。
【請求項3】
前記第一支持基板の他方の主面に、前記軟磁性体膜を挟んで、第二支持基板の一方の主面が接合されていることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の磁性体検出センサ。
【請求項4】
前記第一支持基板の一方の主面に凹部を有し、
前記磁石が前記凹部内に配置され、前記半導体チップが前記凹部外に配置されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の磁性体検出センサ。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、磁性体検出センサに関する。
続きを表示(約 6,200 文字)【背景技術】
【0002】
従来から、磁場検出素子と永久磁石を組み合わせた構造により、磁性体の存在を検出する磁性体検出センサが提案されている(例えば、特許文献1)。被検出体となる磁性体としては、永久磁化が小さく、かつ透磁率が大きい、スチール等の金属材料、磁性体粒子を含有する磁性塗料等が挙げられる。磁性体検出センサは、ギヤの回転検出や磁性塗料のパターン検出等に用いられる。永久磁石の近接を検出する一般的な磁気センサと比較すると、磁性体検出センサは、被検出体を磁化させる必要がないため、非接触の近接検出を容易に実現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
米国特許第8089276号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献1では、永久磁石と磁場検出素子を略同一平面上に隣り合わせに配置し、それらを単一の樹脂で一括して封止した構造を有する磁性体検出センサが開示されている。図4(a)、(b)は、これと同様の構成の磁性体検出センサ400を、非磁性体の壁面W1、軟磁性体の壁面W2に近接させたときに、周囲に発生する磁場の分布を例示したものである。磁性体検出センサ400は、支持基板401の一方の主面に、磁石402と、磁場検出素子403を備えた半導体チップ404と、が配置されている。
【0005】
図4(a)、(b)に示すように、従来の磁性体検出センサ周辺の磁場の分布は、周辺に存在する他の構造物の影響を受け、変化してしまうことが知られている。したがって、例えば、特許文献1により開示されているような磁性体検出センサを壁に貼り付けた状態で、壁と反対側から接近する磁性体を検出しようとする場合には、センサの出力信号は、検出対象の磁性体との距離だけではなく、壁面の材質によって変化してしまう。より具体的には、壁面の材質が磁性体である場合と非磁性体である場合とで、検出対象の磁性体がないときでも出力信号に大きなオフセットが発生してしまう。また、壁面の材質が磁性体である場合と非磁性体である場合とで、検出対象が接近した時の磁場変化量の大きさも変化してしまい、感度のずれが発生する。そのため、従来の磁性体検出センサでは、壁の影響により、検出された磁性体までの距離を正確に得ることが難しいことがあった。
【0006】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、周囲の構造物の影響による、オフセットの発生と感度のずれを抑えることが可能な、磁性体の検出時に動作点がずれにくい磁性体検出センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
【0008】
本発明の一態様に係る磁性体検出センサは、第一支持基板と、前記第一支持基板の一方の主面側に、磁化方向が前記主面と平行になるように配置された磁石と、前記第一支持基板の一方の主面側に配置され、特定方向の磁場成分を検出する磁場検出素子を有する半導体チップと、前記第一支持基板の他方の主面側に配置され、前記磁石の磁化方向と平行な方向に延在した軟磁性体膜と、を備えている。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、周囲の構造物の影響による、磁性体検出時における動作点のずれを抑えることが可能な、磁性体検出センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
(a)、(b)本発明の第一実施形態に係る磁性体検出センサの平面図、断面図である。
(a)、(b)本発明の第二実施形態に係る磁性体検出センサの平面図、断面図である。
(a)、(b)本発明の第三実施形態に係る磁性体検出センサの平面図、断面図である。
(a)、(b)従来構造の磁性体検出センサに対する周辺の磁場の影響を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本発明を適用した実施形態に係る磁性体検出センサについて、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【0012】
<第一実施形態>
図1(a)は、本発明の第一実施形態に係る磁性体検出センサ100の平面図である。図1(b)は、図1(a)の磁性体検出センサ100を、LL線を通る面で切断した場合の断面図である。磁性体検出センサ100は、主に、略平坦な主面を有する第一支持基板101と、第一支持基板の一方の主面101aの表面に配置された、磁石(永久磁石)102、および磁場検出素子103を有する半導体チップ104と、第一支持基板の他方の主面101bの表面に配置された軟磁性体膜105と、を備えている。磁性体検出センサ100の表面、特に磁場検出素子103の表面は、樹脂膜106等で覆って封止されていることが好ましい。第一支持基板101は、ガラスエポキシやアルミニウム等の材料からなるプリント基板あるいはリジッド基板であってもよいし、樹脂材料等からなるフレキシブル基板あるいは銅からなるリードフレームであってもよい。
【0013】
説明の便宜のために、次のように座標軸を設定する。第一支持基板101および磁石102は直方体であるとする。第一支持基板の一方の主面101aは長方形であり、長辺方向に磁石102と半導体チップ104が並んで配置される。磁石102の表面のうち、一方の主面101aと接している部分を、磁石102の底面とする。一方の主面101aに対して平行となる磁石102の辺が、それぞれ一方の主面101aの長辺あるいは短辺と平行になるように、磁石102が配置される。即ち、磁石102の底面を取り囲む4つの側面と、一方の主面101aを取り囲む4つの側面は、各々平行となっている。
【0014】
第一支持基板の一方の主面101aから垂直に測った磁石102の高さを2等分する点を通る、一方の主面101aに平行な平面をXY平面とする。磁石102の底面の対角線の交点をOMとし、OMを垂直にXY平面に投影した点を原点Oとする。X軸は原点Oから前記長辺に平行に伸びる直線であり、Y軸は原点Oから前記短辺に平行に伸びる直線である。Z軸は原点Oから一方の主面101aと反対の方向に延びる直線となる。X軸に平行な方向をx方向および−x方向とし、両者を含む方向を±x方向と記す。Y軸およびZ軸に関しても同様である。
【0015】
磁石102は、第一支持基板101の一方の主面側に、磁化方向102MがX軸と平行になるように配置されている。ここでの磁化方向102Mは、±x方向であるとし、S極からN極へ向かう方向だけでなく、N極からS極に向かう方向も含むものとする。
【0016】
磁石102の材料としては、特に限定されることはないが、例えば、NdFeB、SmCo等が挙げられる。
【0017】
半導体チップ104は、その表面に形成された磁場検出素子103が、第一支持基板101と反対側(図1では上側)に来るように、第一支持基板の一方の主面101a側に、直接または非磁性部材を挟んで配置(載置)されている。
【0018】
磁場検出素子103は、単一の検出軸方向を有する素子(ホール素子等)であり、特定方向の磁場成分を検出することができる。本実施形態での特定方向は、第一支持基板の一方の主面101aに対して垂直な方向(z方向)であって、磁石の磁化方向102Mと直交しているものとする。
【0019】
軟磁性体膜105は、第一支持基板の他方の主面101bの表面に配置され、磁石の磁化方向102Mと平行な方向に延在している。Z軸方向の平面視において、軟磁性体膜105は、少なくとも磁石102の全体と重なっていることが好ましい。軟磁性体膜105の材料としては、例えば、NiFe、NiFeCu、NiFeMo等が挙げられ、透磁率が高くかつ保磁力が小さい材料が好ましい。
【0020】
本実施形態の磁性体検出センサの動作について説明する。被検出対象の磁性体(不図示)が磁場検出素子103から十分に離れている場合、磁場検出素子103は、主に磁石102から発生する磁場のz軸方向成分B0を検出する。ここで、磁場検出素子103がホール素子である場合、磁場検出素子103の出力は、磁場のz軸方向成分B0に比例する電圧信号として得ることができる。
【0021】
磁石102に対し、第一支持基板101と反対側(ここではz方向)から被検出対象の磁性体が接近した場合、その磁性体の影響によって磁場検出素子103の周囲の磁場が変化する。その結果として、磁場検出素子103が検出する磁場Bzは、磁性体が十分に離れている場合の磁場B0とは異なったものとなる。
【0022】
磁性体の影響下において、磁場検出素子103が検出する磁場Bzは、磁性体と磁性体検出センサ100との距離に応じて変化するため、磁場の変化量(Bz−B0)が、磁性体と磁性体検出センサ100の距離を示す指標になる。なお、磁場検出素子103の出力信号は、必要に応じて、所定の回路で処理することができる。ここでの出力信号の処理は、例えば、所定の磁場Bcとの大小判定であっても良いし、出力電圧の増幅であっても良い。
【0023】
従来の磁性体検出センサでは、周辺の構造物の材質等によって、磁性体検出センサの動作点がずれてしまい、得られる検出距離がばらついてしまうことが問題となる。より詳細には、周辺の構造物が磁性体であるか、非磁性体であるかによって、磁場検出素子103が検出する磁場BzとB0の両方が変化してしまうことが問題となる。これに対し、本実施形態の磁性体検出センサ100では、第一支持基板101を挟んで磁石102と反対側に、軟磁性体膜105が配置されていることにより、周辺の構造物の材質等の影響を遮蔽することができる。そのため、実施例として後述するように、磁場検出素子103が検出する磁場は、周辺の構造物の材質等によらない安定したものとなる。
【0024】
以上により、本実施形態では、軟磁性体膜105を磁石102の磁化方向に平行に配置し、軟磁性体膜105を壁面側、すなわち、被検出体を軟磁性体膜とは反対側に配置することで、壁面の材質等の周囲の構造物の影響によって動作点がずれることを抑え、磁性体の近接を正しく検出することが可能な、磁性体検出センサ100を実現することができる。
【0025】
本実施形態の磁性体検出センサ100を構成する半導体チップ104は、シリコン等のウェハを半導体基板に用いた一般的なCMOSプロセスにより、製造することができる。磁場検出素子103は、半導体基板の一方の主面側から、リン原子等の不純物イオンを注入することによって、形成することができる。磁場検出素子103の出力を処理する回路についても、同じ半導体基板上に、共通のCMOSプロセスによって形成することができる。ウェハ工程の後に、バックグラインド、ダイシングを行うことにより、半導体チップ104が得られる。
【0026】
次に、プリント基板等の第一支持基板の一方の主面101aに、半導体チップ104と磁石102を接着し、他方の主面101bに、軟磁性体膜105を接着する。軟磁性体膜105は、他方の主面101bのうち、磁石102と重なる領域だけでなく、全域に形成してもよい。その後、必要に応じて、磁石102、半導体チップ104、軟磁性体膜105を樹脂膜106で封止してもよい。
【0027】
本実施形態では、第一支持基板101に対し、半導体チップ104を直接接着している場合について例示しているが、パッケージに封止した状態の半導体チップ104を接着してもよい。この場合、第一支持基板101として例えばプリント基板を用い、半導体チップ104を含むパッケージをリフロー実装した後、エポキシ樹脂を用いて磁石102を第一支持基板101に接着すればよい。軟磁性体膜105は、例えば、エポキシ樹脂やプリプレグ等による成形された膜の接着、スパッタリングによる膜の成膜等によって形成することができる。
【0028】
<第二実施形態>
図2(a)は、本発明の第二実施形態に係る磁性体検出センサ200の平面図である。図2(b)は、図2(a)の磁性体検出センサ200を、LL線を通る面で切断した場合の断面図である。磁性体検出センサ200では、第一支持基板の他方の主面101bに、軟磁性体膜105を挟んで、第二支持基板107の一方の主面107aが接合されている。その他の構成については、第一実施形態の磁性体検出センサ100と同様であり、対応する箇所については、形状の違いによらず、同じ符号で示している。
【0029】
第二実施形態では、軟磁性体膜105が、第一支持基板101と第二支持基板107とで挟まれて保護されており、樹脂膜が不要となる分、磁性体検出センサ200を薄型化することができる。第二支持基板107としては、例えばベーク板やアルミニウム基板等を用いることができる。第二支持基板107の接合は、例えば、第二支持基板107の表面に、軟磁性体膜105を接着、またはスパッタリング成膜した上で、この軟磁性体膜105を挟むように、第一支持基板101に貼り合わせることによって行うことができる。
【0030】
<第三実施形態>
図3(a)は、本発明の第三実施形態に係る磁性体検出センサ300の平面図である。図3(b)は、図3(a)の磁性体検出センサ300を、LL線を通る面で切断した場合の断面図である。磁性体検出センサ300は、第一支持基板の一方の主面101aに凹部101cを有している。第一支持基板101のうち、凹部101cの側壁を構成する部分は、他の部分と一体であってもよいし、別体であってもよい。磁石102は凹部101c内に配置され、半導体チップ104は凹部101c外に配置されている。その他の構成については、第一実施形態の磁性体検出センサ100と同様であり、対応する箇所については、形状の違いによらず、同じ符号で示している。
(【0031】以降は省略されています)

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