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「半導体磁気抵抗素子の特長と応用（1）」

半導体磁気抵抗素子とは？

半導体薄膜の磁気抵抗効果

電極パッドGaAs基板

電極パッドﾞ

InSb薄膜Snドープ

短絡電極

磁界

磁界が印加されるとホール効果により電流ベクトルの向きが外部電界に対してホール角θをなす。

このため、電流経路が長くなり抵抗値が増加する。

B×

磁界無し

電流ベクトル

磁界印加

外部電界

Eｙ

ホール電界 Exθ

ホール角 ｔanθ=μHBμH：電子移動度

内部電界 Ｅ

SMRE: Semiconductor Magneto-Resistive Element

半導体薄膜の磁気抵抗効果

磁気抵抗効果を大きくするためには、電子移動度μHの大きな材料が必要

磁束密度（T）

0RRΔ

磁気

抵抗

変化

率

材料電子移動度（cm2/Vs）

バルク結晶

InSb 75,000InAs 33,000GaAs 8,000

Si 1,450

0

0

0 RRR

RR B

Δ

RB：有磁界時の抵抗 R（B≠0）

R0：無磁界時の抵抗 R（B=0）

磁気抵抗変化率 ：

［低磁界特性］

［高磁界特性］

)(0

BR

RHμ

Δ

2

0

)( BR

RHμ

Δ

磁気抵抗効果の磁束密度依存性

材料はInSbが使用されることが殆どである

磁束密度と磁気抵抗変化率の関係

［低磁界特性］

2

0

)( BRR

HμΔ

［高磁界特性］

)(0

BRR

HμΔ

△R=RB-R0RB：有磁界での抵抗R0：無磁界での抵抗μH：電子移動度B：磁束密度

磁気抵抗変化率はB=0.4T以上で磁束密度に対し線形に変化し、B=1.0T以上でも飽和しない。

0

50

100

150

200

0 0.1 0.2 0.3 0.4

磁束密度　[T]

磁気

抵抗

変化

率⊿

R/R

0　

[%]

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

磁束密度　[T]

磁気

抵抗

変化

率⊿

R/R

0　

[%]

SMREとホール素子との違い

ホール素子は、ホール電圧を直接取り出すのに対し、半導体磁気抵抗素子は他の磁気抵抗素子と同様に抵抗ブリッジを組んで、その中点を出力端子とすることが一般的である。

半導体磁気抵抗素子単体では磁極の判別ができない。

出力端子

SMRE2

SMRE1

Vin

半導体磁気抵抗素子の出力端子

GMR／AMRとの違い（１）

GMR/AMRともに、ある磁束密度（0.01～0.02T）以上印加されると抵抗値が飽和してしまうが、SMRは1.4T印加しても抵抗値は飽和しない。

→SMRはGMR/AMRよりも磁気ノイズに強く、磁気設計が容易。また、SMRは広い磁場範囲（～数T）で動作可能。逆に、微小磁場の検出には不適。

AMRとGMRの磁束密度と磁気抵抗変化率との関係

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

-10 -5 0 5 10

印加磁束密度　[mT]

磁気

抵抗

変化

率 [

%]

GMR

AMR飽和領域

飽和領域

GMR：Giant Magneto-Resistance 巨大磁気抵抗AMR：Anisotropic Magneto-Resistance 異方性磁気抵抗

GMR／AMRとの違い（２）

GMR/AMRともに、感磁部が磁性体によって形成されているため、感磁部が磁化して磁気ヒステリシスを持つ。

SMRは感磁部が半導体（InSb）であるため磁気ヒステリシスがない。

→SMRは高精度に磁場変化の検出が可能。

ヒステリシスの概念図

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

-10 -5 0 5 10

印加磁束密度　[mT]

磁気

抵抗

変化

率 [

%]

＊磁気ヒステリシス

磁気履歴によって、抵抗変化率に差が出る。磁性体材料を用いているGMR/AMRには磁気ヒステリシスがある。

SMR GMR AMR

検出磁界方向（センサ面に対して）

法線方向 面内方向 面内方向

飽和磁界 ≧2000mT ～100mT 5～20mT

磁気抵抗変化率( ⊿R/R0 ) ≧1200% ～10-80% ～4%

磁気ヒステリシス なし あり

代表的な用途ギア歯センサ式

エンコーダーギア歯センサ、回転センサ

絶対磁場検出

各磁気抵抗素子の性質の比較表

GMR／AMRとの違い（３）

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「半導体磁気抵抗素子の特長と応用（2）」 旭化成の半導体磁気抵抗素子の特長

旭化成の技術の特長(１)

バルク半導体磁気抵抗素子（ノンドープ）

旭化成の半導体磁気抵抗素子（エピタキシャル薄膜成長、Snドープ技術）

薄膜

Snドープ InSb（単結晶）

半絶縁性GaAs 基板

MBEによって結晶成長時に

不純物ドーピングを行い、 単結晶薄膜を作製 MBE (Molecular Beam Epitaxy)

分子線エピタキシー

特許 第3916870号

バルク InSb（単結晶）

InSbの単結晶インゴットから

ウエハーを切り出し、研磨によって所定厚さの素子に加工

③作製した４端子半導体磁気抵抗 素子の写真

フォトリソグラフィー法を利用した ウェハープロセス

①単結晶薄膜成長装置 ②素子作製プロセス

特長：高精度でSMR素子が作製でき、 SMR素子の個体差（素子特性のばらつき）が少ない

A B C D A B C D

MS-0040 m=0.4

MS-0081 m=0.8

歯車の周期：p=mπ

旭化成の技術の特長(２)

shutter

Knudsen cell

Substrate heater

（約600℃）

Substrate rotation

Cell heater

（約1000℃）

source material

substrate Liquid

nitrogen shroud

Ultra high vacuum chambeｒ

(10-11～10-12Torr)

MBE (Molecular Beam Epitaxy) 分子線エピタキシー

抵抗値の温度依存性が極めて少ない （独自のSnドーピング技術）

0

1

2

3

4

5

6

7

-100 -50 0 50 100 150 200

温度　(℃)

抵抗

値（規

格化

）

ノンドープSMRE

R（50℃） R（110℃）

0

50

100

150

200

250

300

350

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

磁束密度 B (T)

磁気

抵抗

変化

率 ⊿

R/R

0

(%)

ノンドープSMRE

旭化成のSMRE

旭化成独自の技術により、抵抗値の温度特性を著しく改善し、磁気抵抗変化率の高い半導体磁気抵抗素子を実現

旭化成のSMRE

←特許取得済み 特許番号 第3916870号

旭化成の半導体磁気抵抗素子の特長（１）

旭化成の半導体磁気抵抗素子の特長（２）

-300

-200

-100

0

100

200

300

-100 -50 0 50 100 150

温度　(℃)

オフ

セッ

ト電

圧　

(mV

)

バルクSMRE（バルクInSb） 中性電圧の温度特性

中性電圧 2.5V＠理想

MR2

MR1

5V

-300

-200-100

0

100200

300

-50 0 50 100 150

温度　(℃)

オフ

セッ

ト電

圧　

(mV

)旭化成のSMRE（Snドープ薄膜InSb）

オフセット電圧：

出力端子電圧（中性電圧）の2.5V（=Vc/2）からのずれ

温度ドリフトが極めて少ない ⇒実用上極めて有用な特性

中性電圧の温度依存性が極めて少ない。

旭化成の半導体磁気抵抗素子の特長（３）

薄膜のため量産性と製作精度に優れる （作製した素子特性のばらつきが少ない）

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

磁束密度　[T]

抵抗

　[Ω

]

バルク半導体磁気抵抗素子 の磁束密度と抵抗値の関係

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

磁束密度　[T]

抵抗

　[Ω

]

旭化成の半導体磁気抵抗素子 の磁束密度と抵抗値の関係

n=16 n=40

旭化成の半導体磁気抵抗素子の特長のまとめ

不純物（Sn）ドープされた薄膜

抵抗値及び中性電圧の温度特性が、バルク半導体磁気抵抗素子に比べ極めて小さい。

製品（素子特性）ばらつきが非常に小さい。

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「半導体磁気抵抗素子の特長と応用（3）」

半導体磁気抵抗素子のアプリケーション

半導体磁気抵抗素子を用いた歯車の回転検出

歯車

N S

SMRE

バイアス磁石

出力＝Sin波

ブリッジを構成することにより歯車の山と谷にあったSin波を出力

→ 歯車の回転を検出

SMRE1

磁束密度

山谷①

②

③

出力端子電圧の推移

中

低

高

出力端子

SMRE2

SMRE1

Vc

NS SMRE2

NS

NS

回転方向（A相／B相出力）を検出可能な4端子ブリッジ構造

ブリッジ構成の2個の抵抗体：p/2の間隔

2組のブリッジ：p/4ずれ

A相出力,B相出力は90度の位相差を持つ

A

B

C

D

歯車

AB

p/2

p/4

p/2

p/4

歯車に対する半導体磁気抵抗素子の配置

p＝mπ（m：歯車のモジュール）

半導体磁気抵抗素子の出力電圧の定義

AB

C

D

Vc

A相出力：磁界変化によるA電極電圧の変化（Aブリッジからの出力）

B相出力：磁界変化によるB電極電圧の変化（Bブリッジからの出力）

オフセット電圧：無磁界時のA，B電極電圧のVc/2からのずれ

磁石が1回転

①回転角度センサによる回転検出（絶対角）

sin波、cos波が得られる

機械角360°の回転を分解能12bitで検出

②SMREによる歯車回転検出（高分解能）

歯車が1歯（1位相）分回転でsin波、cos波が得られる

『電気内挿』により、電気角360°内での角度を検出できるので、歯数分だけ高分解能化が可能

機械角＝電気角

機械角≠電気角

N S

SMRE

１回転

角度

信号

１回転

A相 B相

１歯分１歯分１歯分12bit 12bit 12bit

１回転：12bit×歯数

回転角度センサと半導体磁気抵抗素子による歯車回転検出の差異

Ｎ Ｓ

機械角360°での分解能：12bit/歯×歯数

電気内挿（Interpolation）

0

60

120

180

240

300

360

0 60 120 180 240 300 360電気角／度

内挿

角度

／度

＜電気内挿の例＞余弦波（A相）と正弦波（B相）との信号を用いてTangent変換し、歯車１歯内の電気角度を内挿する。角度計算式 ： 内挿角度θ＝ａｒｃｔａｎ（Ｖｓｉｎ／Ｖｃｏｓ）

-8192

-6144

-4096

-2048

0

2048

4096

6144

8192

0 90 180 270 360電気角／度

SM

RE出

力（Ａ

Ｄ値

）

A相

B相

歯車回転検出特性（１） 電気特性

出力信号振幅のGap特性

歯車：モジュールm＝0.8（p＝0.8π）歯車半径：51.2mm 弊社半導体磁気抵抗素子の品番：MS-0081 磁石サイズ：5.5×4.5×ｔ5.0ｍｍ（着磁方向：t5.0mm）磁石材料：Sm2Co17（サマリウムコバルト系磁石）半導体磁気抵抗素子の入力電圧Vc=5V ＊GapはInSbと歯車の歯先の距離

Gap=0.65mmで出力信号振幅500mV以上が得られる

歯車

N S

SMRE

バイアス磁石

0

200

400

600

800

1000

0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5

Gap (mm)

出力

信号

振幅

Vp-

p [

mV

]

歯車回転検出特性（２） 電気特性

0

100

200

300

400

500

1 10 100 1000 10000 100000周波数　(Hz)

出力

信号

振幅

Vp-

p[m

V]

出力信号振幅の周波数特性

歯車：モジュールm＝0.8（pitch＝0.8π）歯車半径：51.2mm 弊社半導体磁気抵抗素子の品番：MS-0081 磁石サイズ：5.5×4.5×ｔ5.0ｍｍ（着磁方向：t5.0mm）磁石材料：Sm2Co17（サマリウムコバルト系磁石）半導体磁気抵抗素子の入力電圧Vc=5V Gap=0.85mm＊GapはInSbと歯車の歯先の距離

（周波数特性）

振幅は周波数（歯車回転速度）に依らない（～300ｋHz）

歯車

N S

SMRE

バイアス磁石

歯車回転検出特性（３） 温度特性

0

100

200

300

400

500

-40 -20 0 20 40 60 80 100 120

温度　(℃)

信号

出力

振幅

(m

V)

出力信号振幅の温度依存性

出力信号DC電圧の温度依存性

2.40

2.45

2.50

2.55

2.60

-40 -20 0 20 40 60 80 100 120

温度　(℃)

DC

電圧

　(V

)

恒温槽

DC電圧 振幅

温度範囲：-20～100℃安定して歯車回転検出が可能

Gap歯車

N S

SMRE

バイアス磁石

歯車回転検出時の出力信号の歪特性

1

24

23

22

EEEE

K・・・

波形歪率

E1：基本波の振幅E2：２次高調波の振幅E3：３次高調波の振幅

・

・・

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 500 1000 1500 2000

周波数　(Hz)

信号

振幅

(d

BV

)

E1

E3

E2E4

0

1

2

3

4

5

0 0.5 1 1.5Gap　(mm)

歪率

(%)

m=0.4

m=0.8 歯車が回転することによって得られる半導体磁気抵抗素子の出力電圧は、波形歪が非常に小さく理想的な正弦波に近いものが得られる→『電気内挿』が可能

半導体磁気抵抗素子の用途例

用途

ロータリー・エンコーダ・・・工作機械スピンドル位置・速度制御 、モーター、

工作機械精密回転角度制御 、etc・・・

リニア・エンコーダ・・・・・・リニア制御

磁気式エンコーダとして 工作機械 エレベータ など で利用されている

半導体磁気抵抗素子を用いた歯車回転検出特性のまとめ

半導体磁気抵抗素子とバイアス磁石を組み合わせることにより歯車（磁性体）の回転を高精度に検出可能

4端子ブリッジ構造でA／B相検出が可能

出力信号振幅が大きい

中性電圧、出力信号振幅の温度特性が極めて良好

歯車の回転速度に出力信号振幅が依存しない

出力信号波形が理想的な正弦波に限りなく近いために電気内挿が可能で、超高精度（20bit以上/回転）で回転角度検出が可能

歯車回転検出が可能なセンサの比較

センサ検出可能な

項目分解能 備考

1歯あたり 1周あたり

Differential Hall IC 回転数 1bit 1bit×歯数

AMRやGMRでも実現可能

Dual Hall IC

回転数回転方向

1bit 1bit×歯数

SMRE回転数回転方向回転角度

12～13bit（電気内挿）

12~13bit×歯数

電気内挿用の信号処理回路が別途必要

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「半導体磁気抵抗素子の特長と応用（4）」 半導体磁気抵抗素子の使用方法

素子の仕様

• 動作温度範囲：－40～+100℃（一部：－40～+125℃） • 保存温度範囲：－40～+125℃ • 許容損失（例）

– MS-0020：395mW – MS-0040：430mW – MS-0081：465mW

0

100

200

300

400

500

600

-50 0 50 100 150

周囲温度 Ta [℃]

PD

[m

W]

MS-0040

パッケージ寸法 DIP（１）

MS-P042 MS-P082 MS-P043

磁石ホルダー付き

MS-P0XXシリーズは磁石ホルダーがあり、アセンブリが容易

（単位mm）

MS-P204

パッケージ寸法 DIP（２）

MS-P0xxの識別方法

リードの幅で区別

パッケージ寸法 SON（１）

1

43

2

1

4 3

2

()

( )

()

Snメッキ領域Sn plating area

( )

()

1

43

2

1

4 3

2

()

( )

()

Snメッキ領域Sn plating area

( )

()

()

( )

()

Snメッキ領域Sn plating area

( )

()

MS-0020 MS-0081 MS-0040

Sn メッキ領域 Sn plating area

( )

( )

( )

( )

( )

（単位mm）

パッケージ寸法 SON（２）

MS-0042

（単位mm）

推奨バイアス磁石（１）

MS-0020、MS-0040の磁石配置 4.4

5.0

5.0

4.4

N

S

S

N

バイアス磁石 サイズ：4.4×4.4×5.0t 材質：Sm2Co17 取付箇所：SMRE裏側に密着させる

（単位mm）

推奨バイアス磁石（２）

MS-0081の磁石配置 5.5

5.0

5.0

4.4

N

N

S

S

バイアス磁石 サイズ：4.4×5.5×5.0t 材質：Sm2Co17 取付箇所：SMRE裏側に密着させる （単位mm）

推奨バイアス磁石（３）

MS-0042の磁石配置 4.4

3.0

3.0

4.4 S N

バイアス磁石 サイズ：4.4×4.4×3.0t(5.0tも使用可) 材質：Sm2Co17 取付箇所：SMRE裏側に密着させる

（単位mm）

N S

推奨バイアス磁石（４）

6.0 N S

9.3

5.0 N

S

MS-P0xx用磁石

5.0

バイアス磁石 サイズ：9.3×6.0×5.0t 材質：Sm2Co17 取付箇所：磁石ホルダー内

（単位mm）

有磁界時（バイアス磁石有り）における磁石の幅と オフセット電圧との関係

磁石の中心とブリッジを組む2個の抵抗体

の中心がずれるために、磁石の幅を大きくするほど、有磁界時（バイアス磁石有り）のオフセット電圧は小さくなる。

実使用上でのオフセット電圧

項目 標準ラックの寸法 αp 20° hap 1.00m Cp 0.25m hfp 1.25m ρfp 0.38m

歯車の材料：S25C or S45C （機械構造用炭素鋼）

円筒歯車 インボリュート歯車歯形

歯車の規格

JIS規格番号 B 1701-1 円筒歯車 インボリュート歯車歯形 第１部：標準基準ラック歯形 図１ 標準基準ラック歯車及び相手標準基準ラック歯形 より