磁気センサ
【課題】 特に、軟磁性体と磁気抵抗効果素子間でオフセットが生じても、外乱感度を小さくすることができる磁気センサを提供することを目的とする。
【解決手段】 軟磁性体３のＹ１側部側に位置し、感度軸方向Ｐ１がＹ２、Ｙ１からの水平磁界成分を受ける第１磁気抵抗効果素子Ｓ１と、軟磁性体のＹ２側部側に位置し、感度軸方向Ｐ２はＹ１、Ｙ２からの水平磁界成分を受ける第２の磁気抵抗効果素子Ｓ２と、軟磁性体のＹ２側部側に位置し、感度軸方向がＹ２、Ｙ２からの水平磁界成分を受ける第３磁気抵抗効果素子Ｓ３、軟磁性体のＹ１側部側に位置し、感度軸方向がＹ１、Ｙ１からの水平磁界成分を受ける第４磁気抵抗効果素子Ｓ４と備える。Ｓ１とＳ２とが直列接続されたＡ素子群と、Ｓ３とＳ４とが直列接続されたＢ素子群が構成される。Ａ素子群とＢ素子群とが直列接続されるとともに、Ａ素子群とＢ素子群の間に出力端子が設けられる。
【解決手段】 軟磁性体３のＹ１側部側に位置し、感度軸方向Ｐ１がＹ２、Ｙ１からの水平磁界成分を受ける第１磁気抵抗効果素子Ｓ１と、軟磁性体のＹ２側部側に位置し、感度軸方向Ｐ２はＹ１、Ｙ２からの水平磁界成分を受ける第２の磁気抵抗効果素子Ｓ２と、軟磁性体のＹ２側部側に位置し、感度軸方向がＹ２、Ｙ２からの水平磁界成分を受ける第３磁気抵抗効果素子Ｓ３、軟磁性体のＹ１側部側に位置し、感度軸方向がＹ１、Ｙ１からの水平磁界成分を受ける第４磁気抵抗効果素子Ｓ４と備える。Ｓ１とＳ２とが直列接続されたＡ素子群と、Ｓ３とＳ４とが直列接続されたＢ素子群が構成される。Ａ素子群とＢ素子群とが直列接続されるとともに、Ａ素子群とＢ素子群の間に出力端子が設けられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直磁界成分を検知できる磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサは例えば、携帯電話等の携帯機器に組み込まれる地磁気を検知する地磁気センサとして使用できる。
【０００３】
地磁気センサは、水平面内にて直交するＸ軸方向及びＹ軸方向と、前記水平面に直交する垂直方向（Ｚ軸方向）との磁界成分を夫々検知することができるように構成されている。
【０００４】
図７は従来構造における問題点を説明するための磁気センサの模式図である。なお図７（ａ）は図７（ｂ）に示す平面図の磁気センサを矢印方向αから見た側面から見た図であり、磁気センサの一部分だけを抽出したものである。
【０００５】
図７（ａ）に示すように、垂直磁界成分ＨAは、軟磁性体７０に集磁され、上面７０ａから軟磁性体７０の内部に進入する。前記垂直磁界成分ＨAは、軟磁性体７０内を通過し、下面７０ｂの端部付近から外方に発せられるときに、水平方向の磁界成分ＨB，ＨCに変換される。水平磁界成分ＨB，ＨCにより、磁気抵抗効果素子７１，７２の電気抵抗値が変動する。
【０００６】
図７（ｂ）に示すように、磁気抵抗効果素子７１と磁気抵抗効果素子７２の感度軸方向Ｐは共に同じ方向である。このとき磁気抵抗効果素子７１に流入する水平磁界成分ＨBと、磁気抵抗効果素子７２に流入する水平磁界成分ＨCとがＹ１−Ｙ２方向において反平行となっており、磁気抵抗効果素子７１の電気抵抗値が大きくなると、磁気抵抗効果素子７２の電気抵抵抗値は小さくなる。したがって、磁気抵抗効果素子７１と磁気抵抗効果素子７２とを直列に接続し、図８に示すブリッジ回路を構成することで出力を得ることができる。
【０００７】
図７（ａ）に示すように、軟磁性体７０の中心線ＯAと、各磁気抵抗効果素子７１，７２の中心線ＯBとの間にＹ１−Ｙ２方向へのギャップＴA，ＴBが設けられ、理想的には、ギャップＴA，ＴBが共に同じ値で、且つ所定寸法となるように調整することで、外乱感度をほぼゼロにすることが可能になる。ここで外乱感度とは、感度軸方向と平行な方向への外乱磁界の検知を指す。
【０００８】
今、図７に示すギャップＴA，ＴBが理想的な寸法値にあり、オフセット寸法＝０と設定すると、軟磁性体７０が各磁気抵抗効果素子７１，７２に対してＹ１−Ｙ２方向にずれることで、オフセット量が大きくなる。
【０００９】
図９は、従来型の磁気センサのオフセット量と外乱感度との関係を示すグラフである。ここでは、理想的なギャップＴA，ＴBを２．５μｍとし、軟磁性体７０を磁気抵抗効果素子７１，７２に対してＹ１−Ｙ２方向にずらしていき、理想的なギャップに対するずれをオフセット量とした。
【００１０】
図９に示すようにオフセット量の変動により、外乱感度を持ってしまうことがわかった。特に無磁場状態、すなわち磁気抵抗効果素子７１，７２に対して磁界印加がない状態においても外乱感度を持ってしまうことがわかっている。その要因は定かでないが、平面視による軟磁性体７０と磁気抵抗効果素子７１，７２との重なり具合による素子内での磁化状態の乱れ、特に磁気抵抗効果素子７１，７２を構成する素子部７３の両側に素子部７３内のフリー磁性層の磁化方向を規制するためのバイアス層７４が設けられており（図７（ｂ）参照）、このバイアス層７４の磁化状態やバイアス層７４から素子部７３内へのバイアス磁界が軟磁性体７０との重なり具合によって何らかの影響を受けているのではないかと考えられる。
従来では、上記の外乱感度を、オフセット量の寸法管理により制御してきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−１４９３１２号公報
【特許文献２】特開２００４−６１３８０号公報
【特許文献３】特開２００３−１４９３１２号公報
【特許文献４】ＷＯ２０１１／０６８１４６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来では、外乱感度を小さくするために、オフセット量をできるだけ小さくしようとしていた。
【００１３】
しかしながら、例えば、図９に示すように、外乱感度を絶対値で２％程度以内に収めようとすると、オフセット量の寸法管理は非常にシビアになり、外乱感度を小さくするには、より高い加工精度が必要とされた。このように従来では、加工プロセスでオフセット量の寸法管理を制御しなければならず、歩留まりの低下や外乱感度のばらつきが生じやすい状況にあった。
【００１４】
そこで本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、軟磁性体と磁気抵抗効果素子間でオフセットが生じても、外乱感度を小さくすることができる磁気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】
【００１５】
本発明における磁気センサは、
基板上に磁性層と非磁性層とが積層されて成る磁気抵抗効果を発揮する磁気抵抗効果素子と、外部からの垂直磁界成分を水平方向への水平磁界成分に変換し、前記水平磁界成分を前記磁気抵抗効果素子に与える前記磁気抵抗効果素子と非接触の軟磁性体と、を有し、
平面視にて直交する２方向を、Ｘ１−Ｘ２方向とＹ１−Ｙ２方向としたとき、
前記磁気抵抗効果素子は、平面視にて、前記軟磁性体のＹ１側部側に位置し、感度軸方向がＹ２方向で、Ｙ１方向からの水平磁界成分を受ける第１の磁気抵抗効果素子と、前記軟磁性体のＹ２側部側に位置し、感度軸方向はＹ１方向で、Ｙ２方向からの水平磁界成分を受ける第２の磁気抵抗効果素子と、前記軟磁性体のＹ２側部側に位置し、感度軸方向がＹ２方向で、Ｙ２方向からの水平磁界成分を受ける第３磁気抵抗効果素子と、前記軟磁性体のＹ１側部側に位置し、感度軸方向がＹ１方向で、Ｙ１方向からの水平磁界成分を受ける第４磁気抵抗効果素子と、を備え、
前記第１磁気抵抗効果素子と前記第２磁気抵抗効果素子とが直列に接続されたＡ素子群が構成され、前記第３磁気抵抗効果素子と前記第４磁気抵抗効果素子とが直列に接続されたＢ素子群が構成され、
前記Ａ素子群と前記Ｂ素子群とが入力端子とグランド端子の間で直列接続されるとともに、前記Ａ素子群と前記Ｂ素子群の間に出力端子が設けられることを特徴とするものである。
【００１６】
これにより、軟磁性体と磁気抵抗効果素子間でオフセットが生じても、外乱感度を小さくすることができる。
【００１７】
本発明では、前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第３磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記水平磁界成分により磁化方向が変動するフリー磁性層とが非磁性層を介して積層された同じ第１積層部を備え、
前記第２磁気抵抗効果素子及び前記第４磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記水平磁界成分により磁化方向が変動するフリー磁性層とが非磁性層を介して積層された同じ第２積層部を備え、
前記第１積層部と前記第２積層部を構成する前記固定磁性層の構成が異なり、前記第１積層部を構成する前記固定磁性層の磁気抵抗効果に関与する固定磁化方向は、Ｙ２方向であり、前記第２積層部を構成する前記固定磁性層の磁気抵抗効果に関与する固定磁化方向は、Ｙ１方向であることが好ましい。
【００１８】
上記において、前記固定磁性層は、複数の磁性層と、各磁性層間に介在する非磁性中間層との積層構造を備え、前記第１積層部を構成する前記固定磁性層と、前記第２積層部を構成する前記固定磁性層とでは前記磁性層の数が一方では奇数で他方では偶数となっていることが好ましい。また、前記固定磁性層は反強磁性層との間で生じる交換結合磁界により磁化方向が固定されることが好ましい。
【００１９】
あるいは本発明では、前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第３磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記水平磁界成分により磁化方向が変動するフリー磁性層とが非磁性層を介して積層された同じ第１積層部を備え、
前記第２磁気抵抗効果素子及び前記第４磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記水平磁界成分により磁化方向が変動するフリー磁性層とが非磁性層を介して積層された同じ第２積層部を備え、
前記第１積層部と前記第２積層部を構成する前記固定磁性層は、同じ積層構造のセルフピン止め型であり、前記第１積層部を構成する前記固定磁性層の磁気抵抗効果に関与する固定磁化方向は、Ｙ２方向であり、前記第２積層部を構成する前記固定磁性層の磁気抵抗効果に関与する固定磁化方向は、Ｙ１方向である構成であってもよい。
【００２０】
また本発明では、前記第１積層部及び前記第２積層部のＸ１−Ｘ２方向の両側にバイアス層が設けられ、前記フリー磁性層の磁化は無磁場状態で略Ｘ１−Ｘ２方向に向けられていることが好ましい。
【００２１】
また本発明では、前記第１積層部、及び前記第２積層部は、夫々、Ｘ１−Ｘ２方向に前記バイアス層を介して複数、連設されていることが好ましい。
【００２２】
また本発明では、複数の前記軟磁性体は、夫々、Ｘ１−Ｘ２方向に延出して形成されるとともに、各軟磁性体は、Ｙ１−Ｙ２方向に間隔を空けて並設されており、
各軟磁性体のＹ１側部側及びＹ２側部側の夫々に、前記第１磁気抵抗効果素子、前記第２磁気抵抗効果素子、前記第３磁気抵抗効果素子あるいは前記第４磁気抵抗効果素子が配置されていることが好ましい。
【００２３】
また本発明では、前記Ａ素子群と前記Ｂ素子群とが二組、設けられ、ブリッジ回路が構成されていることが好ましい。
【００２４】
また本発明では、各磁気抵抗効果素子は、前記軟磁性体の下面端部の近傍に配置されていることが好ましい。
【００２５】
また本発明では、前記基板上に各磁気抵抗効果素子が形成され、各磁気抵抗効果素子上から前記基板上にかけて絶縁層が形成され、前記絶縁層上に前記軟磁性体が形成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、軟磁性体と磁気抵抗効果素子間でオフセットが生じても、外乱感度を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、本実施形態におけるＺ軸磁気センサの平面図である。
【図２】図２は、本実施形態におけるＺ軸磁気センサの回路図である。
【図３】図３（ａ）は、第１磁気抵抗効果素子と第２磁気抵抗効果素子及び軟磁性体との位置関係を示す部分拡大縦断面図、図３（ｂ）は、第３磁気抵抗効果素子と第４磁気抵抗効果素子及び軟磁性体との位置関係を示す部分拡大縦断面図である。
【図４】図４（ａ）は、第１積層部を高さ方向に切断した部分拡大縦断面図、図４（ｂ）は、第２積層部を高さ方向に切断した部分拡大縦断面図である。
【図５】図４と異なる積層部の構造であり、図５（ａ）は、第１積層部を高さ方向に切断した部分拡大縦断面図、図５（ｂ）は、第２積層部を高さ方向に切断した部分拡大縦断面図である。
【図６】図６は、本実施例、比較例１及び比較例２の磁気センサを用いて実験を行った、オフセット量と外乱感度との関係を示すグラフである。
【図７】図７は従来の磁気センサの構造であり、図７（ａ）は、図７（ｂ）に示す平面図の磁気センサを矢印方向αから見た側面から見た図であり、磁気センサの一部分だけを抽出したものである。
【図８】図８は、従来における磁気センサの回路図である。
【図９】図９は、従来例の磁気センサを用いて実験を行った、オフセット量と外乱感度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１は、本実施形態におけるＺ軸磁気センサの平面図であり、図２は、本実施形態におけるＺ軸磁気センサの回路図であり、図３（ａ）は、第１磁気抵抗効果素子と第２磁気抵抗効果素子及び軟磁性体との位置関係を示す部分拡大縦断面図、図３（ｂ）は、第３磁気抵抗効果素子と第４磁気抵抗効果素子及び軟磁性体との位置関係を示す部分拡大縦断面図であり、図４（ａ）は、第１積層部を高さ方向に切断した部分拡大縦断面図、図４（ｂ）は、第２積層部を高さ方向に切断した部分拡大縦断面図であり、図５は、図４と異なる積層部の構造であり、図５（ａ）は、第１積層部を高さ方向に切断した部分拡大縦断面図、図５（ｂ）は、第２積層部を高さ方向に切断した部分拡大縦断面図である。
【００２９】
本実施形態における磁気抵抗効果素子を備えたＺ軸磁気センサ１は、例えば携帯電話等の携帯機器に搭載される地磁気センサとして構成される。
【００３０】
各図に示すＸ軸方向、及びＹ軸方向は水平面内にて直交する２方向を示し、Ｚ軸方向は前記水平面に対して直交する方向を示している。
【００３１】
Ｚ軸磁気センサ１は、図３に示すように、基板２上に形成された第１磁気抵抗効果素子Ｓ１〜第４磁気抵抗効果素子Ｓ４と、軟磁性体３とを有して構成される。
【００３２】
図３に示すようにシリコン等で形成された基板２上に絶縁層４を介して各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４が形成される。
【００３３】
図１に示すように基板上には第１磁気抵抗効果素子Ｓ１、第２磁気抵抗効果素子Ｓ２、第３磁気抵抗効果素子Ｓ３及び第４磁気抵抗効果素子Ｓ４が形成されている。
【００３４】
第１磁気抵抗効果素子Ｓ１及び第３磁気抵抗効果素子Ｓ３は、Ｘ１−Ｘ２方向に間隔を空けた複数の第１積層部１０と、各第１積層部１０の端部及び中間部に設けられた複数のバイアス層１１とを有して構成されている。
【００３５】
また第２磁気抵抗効果素子Ｓ２及び第４磁気抵抗効果素子Ｓ４は、Ｘ１−Ｘ２方向に間隔を空けた複数の第２積層部１２と、各第２積層部１２の端部及び中間部に設けられたバイアス層１３とを有して構成されている。
【００３６】
図１に示すように第１積層部１０はＹ２方向が感度軸方向Ｐ１であり、第２積層部１２はＹ１方向が感度軸方向Ｐ２である。
【００３７】
図１に示すように、第１磁気抵抗効果素子Ｓ１は、平面視にて、軟磁性体３のＹ１側部３ａ側に配置されており、第２磁気抵抗効果素子Ｓ２は、平面視にて、軟磁性体３のＹ２側部３ｂ側に配置されている。また第３磁気抵抗効果素子Ｓ３は、平面視にて、軟磁性体３のＹ２側部３ｂ側に配置されており、第４磁気抵抗効果素子Ｓ４は、平面視にて、軟磁性体３のＹ１側部３ａ側に配置されている。
【００３８】
図３に示すように、垂直磁界成分Ｈ１は、軟磁性体３に集磁され、上面３ａから軟磁性体３の内部に進入する。前記垂直磁界成分Ｈ１は、軟磁性体３内を通過し、下面３ｂの端部近傍から外方に発せられるときに、Ｙ１方向への水平磁界成分Ｈ２とＹ２方向への水平磁界成分Ｈ３とに変換される。水平磁界成分Ｈ２，Ｈ３の方向は、各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４の各層の界面に平行な方向であり、磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４は、水平磁界成分Ｈ２，Ｈ３の作用により電気抵抗値が変動する。
【００３９】
図３（ａ）に示すように第１磁気抵抗効果素子Ｓ１は感度軸方向Ｐ１がＹ２方向で、Ｙ１方向からの水平磁界成分Ｈ２を受けるため電気抵抗値は大きくなる。また図３（ａ）に示すように第２磁気抵抗効果素子Ｓ２は感度軸方向Ｐ２がＹ１方向であり，Ｙ２方向からの水平磁界成分Ｈ３を受けるため電気抵抗値は大きくなる。
【００４０】
また図３（ｂ）に示すように、第３磁気抵抗効果素子Ｓ３は感度軸方向Ｐ１がＹ２方向で、Ｙ２方向からの水平磁界成分Ｈ３を受けるため電気抵抗値は小さくなる。また図３（ｂ）に示すように第４磁気抵抗効果素子Ｓ４は感度軸方向Ｐ２がＹ１方向であり，Ｙ１方向からの水平磁界成分Ｈ２を受けるため電気抵抗値は小さくなる。
【００４１】
図１及び図２に示すように第１磁気抵抗効果素子Ｓ１と第２磁気抵抗効果素子Ｓ２とが直列接続されてＡ素子群１５が構成され、第３磁気抵抗効果素子Ｓ３と第４磁気抵抗効果素子Ｓ４とが直列接続されてＢ素子群１６が構成されている。
【００４２】
そして図１、図２に示すように、Ａ素子群１５とＢ素子群１６とが二組設けられてブリッジ回路が構成されている。Ｖｄｄは入力端子、ＧＮＤはグランド端子、Ｖ１、Ｖ２は出力端子を示している。なお、フルブリッジ回路（図２）とすることが好ましいがハーフブリッジ回路（図２のＡ素子群１５とＢ素子群１６が一組ずつ）としても後述する本実施形態の効果を得ることができる。
【００４３】
Ａ素子群１５を構成する第１磁気抵抗効果素子Ｓ１及び第２磁気抵抗効果素子Ｓ２はどちらも垂直磁界成分Ｈ１が作用すると水平磁界成分Ｈ２，Ｈ３により電気抵抗値が大きくなり（図３（ａ）参照）、Ｂ素子群１６を構成する第３磁気抵抗効果素子Ｓ３及び第４磁気抵抗効果素子Ｓ４はどちらも垂直磁界成分Ｈ１が作用すると水平磁界成分Ｈ２，Ｈ３により電気抵抗値が小さくなる（図３（ａ）参照）、したがって図２に示すブリッジ回路により出力を得ることができ垂直磁界成分を検出することができる。
【００４４】
図４（ａ）は第１積層部１０、図４（ｂ）は、第２積層部１２の積層構造を示す。
図４（ａ）に示すように、第１積層部１０は、例えば下から非磁性下地層６０、固定磁性層６１、非磁性層６２、フリー磁性層６３及び保護層６４の順に積層されて成膜される。第１積層部１０を構成する各層は、例えばスパッタにて成膜される。
【００４５】
図４（ａ）に示す実施形態では、固定磁性層６１は第１磁性層６１ａと第２磁性層６１ｂと、第１磁性層６１ａ及び第２磁性層６１ｂ間に介在する非磁性中間層６１ｃとの積層フェリ構造である。各磁性層６１ａ，６１ｂはＣｏＦｅ合金（コバルト−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。非磁性中間層６１ｃはＲｕ等である。非磁性層６２はＣｕ（銅）などの非磁性材料で形成される。フリー磁性層６３は、ＮｉＦｅ合金（ニッケル−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。保護層６４はＴａ（タンタル）などである。
【００４６】
本実施形態では固定磁性層６１を積層フェリ構造として、第１磁性層６１ａと第２磁性層６１ｂとが反平行に磁化固定されたセルフピン止め型である。図４（ａ）に示すセルフピン止め型では、反強磁性層を用いず、よって磁場中熱処理を施すことなく固定磁性層６１を構成する各磁性層６１ａ，６１ｃを磁化固定している。なお、各磁性層６１ａ，６１ｂの磁化固定力は、外部磁界が作用したときでも磁化揺らぎが生じない程度の大きさであれば足りる。
【００４７】
図４（ａ）に示すように、第１積層部１０を構成する第２磁性層６１ｂの固定磁化方向（Ｐ１；感度軸方向）はＹ２方向であり磁気抵抗効果に関与する。この固定磁化方向（Ｐ１）が固定磁性層６１の固定磁化方向である。
【００４８】
一方、図４（ｂ）に示す第２積層部１２も下から非磁性下地層６０、固定磁性層６１、非磁性層６２、フリー磁性層６３及び保護層６４の順に積層されて積層構造であり、第１積層部１０と変わらない。すなわち第２積層部１２の固定磁性層６１もセルフピン止め型である。
【００４９】
ただし、第１積層部１０と異なって、第２磁性層６１ｂの固定磁化方向（Ｐ２；感度軸方向）がＹ１方向である。
【００５０】
固定磁性層６１をセルフピン止め型とすることで、磁場中熱処理が必要なく、図４（ａ）（ｂ）に示す第１積層部１０と第２積層部１２とを同じ積層構造としても、成膜時の磁場方向を変えることで、感度軸方向を反平行に出来る。
【００５１】
あるいは、図５（ａ）（ｂ）に示すように、第１積層部１０及び第２積層部１２を夫々、下から非磁性下地層６０、反強磁性層６５、固定磁性層６６、非磁性層６２、フリー磁性層６３及び保護層６４の順に積層する。図５では、磁場中熱処理により反強磁性層６５と固定磁性層６６との間に交換結合磁界（Ｈｅｘ）を生じさせて固定磁性層６６を固定磁化する。
【００５２】
図５（ａ）に示す第１積層部１０では、固定磁性層６６が、磁性層６６ａ，６６ｂ，６６ｃと非磁性中間層６６ｄ，６６ｅとが交互に積層された積層フェリ構造であり、磁性層６６ａ，６６ｂ，６６ｃは３層、設けられている。一方、図５（ｂ）に示す第２積層部１２では、固定磁性層６６が、磁性層６６ａ，６６ｂと非磁性中間層６６ｄとが交互に積層された積層フェリ構造であり、磁性層６６ａ，６６ｂは２層、設けられている。
【００５３】
図５（ａ）に示す第１積層部１０及び第２積層部１２に対する磁場中熱処理を同時に行なうことが可能である。第１積層部１０を構成する各磁性層６６ａ，６６ｂ，６６ｃは互いに反平行に固定磁化され、図５（ａ）に示すように、非磁性層６２に接する磁性層６６ｃはＹ２方向に磁化固定されており、Ｙ２方向が感度軸方向である。また、図５（ｂ）に示すように、第２積層部１２の非磁性層６２に接する磁性層６６ｂはＹ１方向に磁化固定されており、Ｙ１方向が感度軸方向である。このように第１積層部１０と第２積層部１２とで積層フェリ構造の磁性層の数を変えることで、感度軸方向を反平行にすることができる。
【００５４】
また図１に示すように各積層部１０，１２のＸ１−Ｘ２方向の両側にはバイアス層１１，１３が設けられ、バイアス層１１，１３からのバイアス磁界により各積層部１０，１２のフリー磁性層６３の磁化方向は無磁場状態でＸ１−Ｘ２方向に向けられている。
【００５５】
図６は、本実施例、比較例１及び比較例２の磁気センサを用いて実験を行った、オフセット量と外乱感度との関係を示すグラフである。
【００５６】
図６に示す比較例１とは、本実施形態における第１磁気抵抗効果素子Ｓ１と第３磁気抵抗効果素子とを用いてブリッジ回路を構成した磁気センサであり、比較例２とは、本実施形態における第２磁気抵抗効果素子Ｓ２と第４磁気抵抗効果素子Ｓ４とを用いてブリッジ回路を構成した磁気センサである。比較例１、比較例２は図８に示すブリッジ回路を構成している。なお比較例１、比較例２は、感度軸方向が逆方向となっている。一方、実施例は、図２に示すブリッジ回路を構成している。
【００５７】
今、図３の状態が、実施例、比較例１、及び比較例２において、外乱感度がゼロとなるオフセット量＝０μｍの位置であるとする。すなわち軟磁性体３の中心線Ｏ１と、各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４の中心線Ｏ２との間のギャップＴ１，Ｔ２が所定寸法とされている。磁気抵抗効果素子の位置はそのままで軟磁性体３をＹ１−Ｙ２方向にずらしてオフセット量を変化させて外乱感度を測定した。
【００５８】
図６に示すように比較例１及び比較例２は共に、オフセット量（絶対値）が大きくなることで、外乱感度（絶対値）が大きくなった。ただし、比較例１と比較例２とは感度軸方向が反平行であり、図６のように外乱感度のオフセット依存性が逆傾向になることがわかった。
【００５９】
本実施例は図２に示すように、比較例１を構成する第１磁気抵抗効果素子Ｓ１及び第３磁気抵抗効果素子Ｓ３と、比較例２を構成する第２磁気抵抗効果素子Ｓ２及び第４磁気抵抗効果素子Ｓ４とを直列接続した構成である。これにより、外乱感度のオフセット依存性をキャンセル（相殺）することができる。したがって図６に示すように、実施例では、オフセットずれがあっても外乱感度をほぼゼロにすることが出来た。
【００６０】
また、図５に示したように、第１積層部１０と第２積層部１２とで積層構造が異なっていると抵抗温度係数（ＴＣＲ）が異なるが、第１積層部１０を備える第１磁気抵抗効果素子Ｓ１及び第３磁気抵抗効果素子Ｓ３と、第２積層部１２を備える第２磁気抵抗効果素子Ｓ２及び第４磁気抵抗効果素子Ｓ４とを直列接続したことで温度依存性を自己キャンセルできる。
【００６１】
図１に示すように、複数本の軟磁性体３が、夫々、Ｘ１−Ｘ２方向に延出して形成されており、各軟磁性体３がＹ１−Ｙ２方向に間隔を空けて並設されている。図１では、各軟磁性体３のＸ１側部及びＸ２側部が軟磁性体３と一体化した連設部５により接続されている。各軟磁性体３は例えばメッキ法により図３に示すようにＺ１−Ｚ２方向に高く形成されるが、各軟磁性体３の機械的強度は弱くなる。このため各軟磁性体３を補強すべく各軟磁性体３を連設部５により接続した。
【００６２】
図１に示すように、各軟磁性体３のＹ１側部３ａあるいはＹ２側部３ｂに夫々、第１磁気抵抗効果素子Ｓ１、第２磁気抵抗効果素子Ｓ２、第３磁気抵抗効果素子Ｓ３あるいは第４磁気抵抗効果素子Ｓ４を割り振って設けた。これにより、各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４及び各端子を図３に示すブリッジ回路に接続しやすくなる。なお図１では、直列接続される第１磁気抵抗効果素子Ｓ１と第２磁気抵抗効果素子Ｓ２、及び直列接続される第３磁気抵抗効果素子Ｓ３と第４磁気抵抗効果素子Ｓ４とを夫々、一列としているが、これは図面を簡略化したものであり、複数列を直列接続する構成とすることで長いミアンダ形状を構成でき、消費電流を低減させることができる。
【００６３】
また本実施形態では、軟磁性体３の下面端部近傍に、各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４を配置できる。したがって磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４及び軟磁性体３をコンパクトに配置できＺ軸磁気センサ１の小型化を促進できる。
【符号の説明】
【００６４】
Ｈ１ 垂直磁界成分
Ｈ２、Ｈ３ 水平磁界成分
Ｐ１、Ｐ２ 感度軸方向
Ｓ１〜Ｓ４ 磁気抵抗効果素子
１ Ｚ軸磁気センサ
３ 軟磁性体
３ａ Ｙ１側部
３ｂ Ｙ２側部
１０ 第１積層部
１１、１３ バイアス層
１２ 第２積層部
１５ Ａ素子群
１６ Ｂ素子群
６１、６６ 固定磁性層
６１ａ、６１ｂ、６６ａ、６６ｂ、６６ｃ 磁性層
６２ 非磁性層
６３ フリー磁性層
６５ 反強磁性層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直磁界成分を検知できる磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサは例えば、携帯電話等の携帯機器に組み込まれる地磁気を検知する地磁気センサとして使用できる。
【０００３】
地磁気センサは、水平面内にて直交するＸ軸方向及びＹ軸方向と、前記水平面に直交する垂直方向（Ｚ軸方向）との磁界成分を夫々検知することができるように構成されている。
【０００４】
図７は従来構造における問題点を説明するための磁気センサの模式図である。なお図７（ａ）は図７（ｂ）に示す平面図の磁気センサを矢印方向αから見た側面から見た図であり、磁気センサの一部分だけを抽出したものである。
【０００５】
図７（ａ）に示すように、垂直磁界成分ＨAは、軟磁性体７０に集磁され、上面７０ａから軟磁性体７０の内部に進入する。前記垂直磁界成分ＨAは、軟磁性体７０内を通過し、下面７０ｂの端部付近から外方に発せられるときに、水平方向の磁界成分ＨB，ＨCに変換される。水平磁界成分ＨB，ＨCにより、磁気抵抗効果素子７１，７２の電気抵抗値が変動する。
【０００６】
図７（ｂ）に示すように、磁気抵抗効果素子７１と磁気抵抗効果素子７２の感度軸方向Ｐは共に同じ方向である。このとき磁気抵抗効果素子７１に流入する水平磁界成分ＨBと、磁気抵抗効果素子７２に流入する水平磁界成分ＨCとがＹ１−Ｙ２方向において反平行となっており、磁気抵抗効果素子７１の電気抵抗値が大きくなると、磁気抵抗効果素子７２の電気抵抵抗値は小さくなる。したがって、磁気抵抗効果素子７１と磁気抵抗効果素子７２とを直列に接続し、図８に示すブリッジ回路を構成することで出力を得ることができる。
【０００７】
図７（ａ）に示すように、軟磁性体７０の中心線ＯAと、各磁気抵抗効果素子７１，７２の中心線ＯBとの間にＹ１−Ｙ２方向へのギャップＴA，ＴBが設けられ、理想的には、ギャップＴA，ＴBが共に同じ値で、且つ所定寸法となるように調整することで、外乱感度をほぼゼロにすることが可能になる。ここで外乱感度とは、感度軸方向と平行な方向への外乱磁界の検知を指す。
【０００８】
今、図７に示すギャップＴA，ＴBが理想的な寸法値にあり、オフセット寸法＝０と設定すると、軟磁性体７０が各磁気抵抗効果素子７１，７２に対してＹ１−Ｙ２方向にずれることで、オフセット量が大きくなる。
【０００９】
図９は、従来型の磁気センサのオフセット量と外乱感度との関係を示すグラフである。ここでは、理想的なギャップＴA，ＴBを２．５μｍとし、軟磁性体７０を磁気抵抗効果素子７１，７２に対してＹ１−Ｙ２方向にずらしていき、理想的なギャップに対するずれをオフセット量とした。
【００１０】
図９に示すようにオフセット量の変動により、外乱感度を持ってしまうことがわかった。特に無磁場状態、すなわち磁気抵抗効果素子７１，７２に対して磁界印加がない状態においても外乱感度を持ってしまうことがわかっている。その要因は定かでないが、平面視による軟磁性体７０と磁気抵抗効果素子７１，７２との重なり具合による素子内での磁化状態の乱れ、特に磁気抵抗効果素子７１，７２を構成する素子部７３の両側に素子部７３内のフリー磁性層の磁化方向を規制するためのバイアス層７４が設けられており（図７（ｂ）参照）、このバイアス層７４の磁化状態やバイアス層７４から素子部７３内へのバイアス磁界が軟磁性体７０との重なり具合によって何らかの影響を受けているのではないかと考えられる。
従来では、上記の外乱感度を、オフセット量の寸法管理により制御してきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−１４９３１２号公報
【特許文献２】特開２００４−６１３８０号公報
【特許文献３】特開２００３−１４９３１２号公報
【特許文献４】ＷＯ２０１１／０６８１４６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来では、外乱感度を小さくするために、オフセット量をできるだけ小さくしようとしていた。
【００１３】
しかしながら、例えば、図９に示すように、外乱感度を絶対値で２％程度以内に収めようとすると、オフセット量の寸法管理は非常にシビアになり、外乱感度を小さくするには、より高い加工精度が必要とされた。このように従来では、加工プロセスでオフセット量の寸法管理を制御しなければならず、歩留まりの低下や外乱感度のばらつきが生じやすい状況にあった。
【００１４】
そこで本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、軟磁性体と磁気抵抗効果素子間でオフセットが生じても、外乱感度を小さくすることができる磁気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】
【００１５】
本発明における磁気センサは、
基板上に磁性層と非磁性層とが積層されて成る磁気抵抗効果を発揮する磁気抵抗効果素子と、外部からの垂直磁界成分を水平方向への水平磁界成分に変換し、前記水平磁界成分を前記磁気抵抗効果素子に与える前記磁気抵抗効果素子と非接触の軟磁性体と、を有し、
平面視にて直交する２方向を、Ｘ１−Ｘ２方向とＹ１−Ｙ２方向としたとき、
前記磁気抵抗効果素子は、平面視にて、前記軟磁性体のＹ１側部側に位置し、感度軸方向がＹ２方向で、Ｙ１方向からの水平磁界成分を受ける第１の磁気抵抗効果素子と、前記軟磁性体のＹ２側部側に位置し、感度軸方向はＹ１方向で、Ｙ２方向からの水平磁界成分を受ける第２の磁気抵抗効果素子と、前記軟磁性体のＹ２側部側に位置し、感度軸方向がＹ２方向で、Ｙ２方向からの水平磁界成分を受ける第３磁気抵抗効果素子と、前記軟磁性体のＹ１側部側に位置し、感度軸方向がＹ１方向で、Ｙ１方向からの水平磁界成分を受ける第４磁気抵抗効果素子と、を備え、
前記第１磁気抵抗効果素子と前記第２磁気抵抗効果素子とが直列に接続されたＡ素子群が構成され、前記第３磁気抵抗効果素子と前記第４磁気抵抗効果素子とが直列に接続されたＢ素子群が構成され、
前記Ａ素子群と前記Ｂ素子群とが入力端子とグランド端子の間で直列接続されるとともに、前記Ａ素子群と前記Ｂ素子群の間に出力端子が設けられることを特徴とするものである。
【００１６】
これにより、軟磁性体と磁気抵抗効果素子間でオフセットが生じても、外乱感度を小さくすることができる。
【００１７】
本発明では、前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第３磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記水平磁界成分により磁化方向が変動するフリー磁性層とが非磁性層を介して積層された同じ第１積層部を備え、
前記第２磁気抵抗効果素子及び前記第４磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記水平磁界成分により磁化方向が変動するフリー磁性層とが非磁性層を介して積層された同じ第２積層部を備え、
前記第１積層部と前記第２積層部を構成する前記固定磁性層の構成が異なり、前記第１積層部を構成する前記固定磁性層の磁気抵抗効果に関与する固定磁化方向は、Ｙ２方向であり、前記第２積層部を構成する前記固定磁性層の磁気抵抗効果に関与する固定磁化方向は、Ｙ１方向であることが好ましい。
【００１８】
上記において、前記固定磁性層は、複数の磁性層と、各磁性層間に介在する非磁性中間層との積層構造を備え、前記第１積層部を構成する前記固定磁性層と、前記第２積層部を構成する前記固定磁性層とでは前記磁性層の数が一方では奇数で他方では偶数となっていることが好ましい。また、前記固定磁性層は反強磁性層との間で生じる交換結合磁界により磁化方向が固定されることが好ましい。
【００１９】
あるいは本発明では、前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第３磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記水平磁界成分により磁化方向が変動するフリー磁性層とが非磁性層を介して積層された同じ第１積層部を備え、
前記第２磁気抵抗効果素子及び前記第４磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記水平磁界成分により磁化方向が変動するフリー磁性層とが非磁性層を介して積層された同じ第２積層部を備え、
前記第１積層部と前記第２積層部を構成する前記固定磁性層は、同じ積層構造のセルフピン止め型であり、前記第１積層部を構成する前記固定磁性層の磁気抵抗効果に関与する固定磁化方向は、Ｙ２方向であり、前記第２積層部を構成する前記固定磁性層の磁気抵抗効果に関与する固定磁化方向は、Ｙ１方向である構成であってもよい。
【００２０】
また本発明では、前記第１積層部及び前記第２積層部のＸ１−Ｘ２方向の両側にバイアス層が設けられ、前記フリー磁性層の磁化は無磁場状態で略Ｘ１−Ｘ２方向に向けられていることが好ましい。
【００２１】
また本発明では、前記第１積層部、及び前記第２積層部は、夫々、Ｘ１−Ｘ２方向に前記バイアス層を介して複数、連設されていることが好ましい。
【００２２】
また本発明では、複数の前記軟磁性体は、夫々、Ｘ１−Ｘ２方向に延出して形成されるとともに、各軟磁性体は、Ｙ１−Ｙ２方向に間隔を空けて並設されており、
各軟磁性体のＹ１側部側及びＹ２側部側の夫々に、前記第１磁気抵抗効果素子、前記第２磁気抵抗効果素子、前記第３磁気抵抗効果素子あるいは前記第４磁気抵抗効果素子が配置されていることが好ましい。
【００２３】
また本発明では、前記Ａ素子群と前記Ｂ素子群とが二組、設けられ、ブリッジ回路が構成されていることが好ましい。
【００２４】
また本発明では、各磁気抵抗効果素子は、前記軟磁性体の下面端部の近傍に配置されていることが好ましい。
【００２５】
また本発明では、前記基板上に各磁気抵抗効果素子が形成され、各磁気抵抗効果素子上から前記基板上にかけて絶縁層が形成され、前記絶縁層上に前記軟磁性体が形成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、軟磁性体と磁気抵抗効果素子間でオフセットが生じても、外乱感度を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、本実施形態におけるＺ軸磁気センサの平面図である。
【図２】図２は、本実施形態におけるＺ軸磁気センサの回路図である。
【図３】図３（ａ）は、第１磁気抵抗効果素子と第２磁気抵抗効果素子及び軟磁性体との位置関係を示す部分拡大縦断面図、図３（ｂ）は、第３磁気抵抗効果素子と第４磁気抵抗効果素子及び軟磁性体との位置関係を示す部分拡大縦断面図である。
【図４】図４（ａ）は、第１積層部を高さ方向に切断した部分拡大縦断面図、図４（ｂ）は、第２積層部を高さ方向に切断した部分拡大縦断面図である。
【図５】図４と異なる積層部の構造であり、図５（ａ）は、第１積層部を高さ方向に切断した部分拡大縦断面図、図５（ｂ）は、第２積層部を高さ方向に切断した部分拡大縦断面図である。
【図６】図６は、本実施例、比較例１及び比較例２の磁気センサを用いて実験を行った、オフセット量と外乱感度との関係を示すグラフである。
【図７】図７は従来の磁気センサの構造であり、図７（ａ）は、図７（ｂ）に示す平面図の磁気センサを矢印方向αから見た側面から見た図であり、磁気センサの一部分だけを抽出したものである。
【図８】図８は、従来における磁気センサの回路図である。
【図９】図９は、従来例の磁気センサを用いて実験を行った、オフセット量と外乱感度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１は、本実施形態におけるＺ軸磁気センサの平面図であり、図２は、本実施形態におけるＺ軸磁気センサの回路図であり、図３（ａ）は、第１磁気抵抗効果素子と第２磁気抵抗効果素子及び軟磁性体との位置関係を示す部分拡大縦断面図、図３（ｂ）は、第３磁気抵抗効果素子と第４磁気抵抗効果素子及び軟磁性体との位置関係を示す部分拡大縦断面図であり、図４（ａ）は、第１積層部を高さ方向に切断した部分拡大縦断面図、図４（ｂ）は、第２積層部を高さ方向に切断した部分拡大縦断面図であり、図５は、図４と異なる積層部の構造であり、図５（ａ）は、第１積層部を高さ方向に切断した部分拡大縦断面図、図５（ｂ）は、第２積層部を高さ方向に切断した部分拡大縦断面図である。
【００２９】
本実施形態における磁気抵抗効果素子を備えたＺ軸磁気センサ１は、例えば携帯電話等の携帯機器に搭載される地磁気センサとして構成される。
【００３０】
各図に示すＸ軸方向、及びＹ軸方向は水平面内にて直交する２方向を示し、Ｚ軸方向は前記水平面に対して直交する方向を示している。
【００３１】
Ｚ軸磁気センサ１は、図３に示すように、基板２上に形成された第１磁気抵抗効果素子Ｓ１〜第４磁気抵抗効果素子Ｓ４と、軟磁性体３とを有して構成される。
【００３２】
図３に示すようにシリコン等で形成された基板２上に絶縁層４を介して各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４が形成される。
【００３３】
図１に示すように基板上には第１磁気抵抗効果素子Ｓ１、第２磁気抵抗効果素子Ｓ２、第３磁気抵抗効果素子Ｓ３及び第４磁気抵抗効果素子Ｓ４が形成されている。
【００３４】
第１磁気抵抗効果素子Ｓ１及び第３磁気抵抗効果素子Ｓ３は、Ｘ１−Ｘ２方向に間隔を空けた複数の第１積層部１０と、各第１積層部１０の端部及び中間部に設けられた複数のバイアス層１１とを有して構成されている。
【００３５】
また第２磁気抵抗効果素子Ｓ２及び第４磁気抵抗効果素子Ｓ４は、Ｘ１−Ｘ２方向に間隔を空けた複数の第２積層部１２と、各第２積層部１２の端部及び中間部に設けられたバイアス層１３とを有して構成されている。
【００３６】
図１に示すように第１積層部１０はＹ２方向が感度軸方向Ｐ１であり、第２積層部１２はＹ１方向が感度軸方向Ｐ２である。
【００３７】
図１に示すように、第１磁気抵抗効果素子Ｓ１は、平面視にて、軟磁性体３のＹ１側部３ａ側に配置されており、第２磁気抵抗効果素子Ｓ２は、平面視にて、軟磁性体３のＹ２側部３ｂ側に配置されている。また第３磁気抵抗効果素子Ｓ３は、平面視にて、軟磁性体３のＹ２側部３ｂ側に配置されており、第４磁気抵抗効果素子Ｓ４は、平面視にて、軟磁性体３のＹ１側部３ａ側に配置されている。
【００３８】
図３に示すように、垂直磁界成分Ｈ１は、軟磁性体３に集磁され、上面３ａから軟磁性体３の内部に進入する。前記垂直磁界成分Ｈ１は、軟磁性体３内を通過し、下面３ｂの端部近傍から外方に発せられるときに、Ｙ１方向への水平磁界成分Ｈ２とＹ２方向への水平磁界成分Ｈ３とに変換される。水平磁界成分Ｈ２，Ｈ３の方向は、各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４の各層の界面に平行な方向であり、磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４は、水平磁界成分Ｈ２，Ｈ３の作用により電気抵抗値が変動する。
【００３９】
図３（ａ）に示すように第１磁気抵抗効果素子Ｓ１は感度軸方向Ｐ１がＹ２方向で、Ｙ１方向からの水平磁界成分Ｈ２を受けるため電気抵抗値は大きくなる。また図３（ａ）に示すように第２磁気抵抗効果素子Ｓ２は感度軸方向Ｐ２がＹ１方向であり，Ｙ２方向からの水平磁界成分Ｈ３を受けるため電気抵抗値は大きくなる。
【００４０】
また図３（ｂ）に示すように、第３磁気抵抗効果素子Ｓ３は感度軸方向Ｐ１がＹ２方向で、Ｙ２方向からの水平磁界成分Ｈ３を受けるため電気抵抗値は小さくなる。また図３（ｂ）に示すように第４磁気抵抗効果素子Ｓ４は感度軸方向Ｐ２がＹ１方向であり，Ｙ１方向からの水平磁界成分Ｈ２を受けるため電気抵抗値は小さくなる。
【００４１】
図１及び図２に示すように第１磁気抵抗効果素子Ｓ１と第２磁気抵抗効果素子Ｓ２とが直列接続されてＡ素子群１５が構成され、第３磁気抵抗効果素子Ｓ３と第４磁気抵抗効果素子Ｓ４とが直列接続されてＢ素子群１６が構成されている。
【００４２】
そして図１、図２に示すように、Ａ素子群１５とＢ素子群１６とが二組設けられてブリッジ回路が構成されている。Ｖｄｄは入力端子、ＧＮＤはグランド端子、Ｖ１、Ｖ２は出力端子を示している。なお、フルブリッジ回路（図２）とすることが好ましいがハーフブリッジ回路（図２のＡ素子群１５とＢ素子群１６が一組ずつ）としても後述する本実施形態の効果を得ることができる。
【００４３】
Ａ素子群１５を構成する第１磁気抵抗効果素子Ｓ１及び第２磁気抵抗効果素子Ｓ２はどちらも垂直磁界成分Ｈ１が作用すると水平磁界成分Ｈ２，Ｈ３により電気抵抗値が大きくなり（図３（ａ）参照）、Ｂ素子群１６を構成する第３磁気抵抗効果素子Ｓ３及び第４磁気抵抗効果素子Ｓ４はどちらも垂直磁界成分Ｈ１が作用すると水平磁界成分Ｈ２，Ｈ３により電気抵抗値が小さくなる（図３（ａ）参照）、したがって図２に示すブリッジ回路により出力を得ることができ垂直磁界成分を検出することができる。
【００４４】
図４（ａ）は第１積層部１０、図４（ｂ）は、第２積層部１２の積層構造を示す。
図４（ａ）に示すように、第１積層部１０は、例えば下から非磁性下地層６０、固定磁性層６１、非磁性層６２、フリー磁性層６３及び保護層６４の順に積層されて成膜される。第１積層部１０を構成する各層は、例えばスパッタにて成膜される。
【００４５】
図４（ａ）に示す実施形態では、固定磁性層６１は第１磁性層６１ａと第２磁性層６１ｂと、第１磁性層６１ａ及び第２磁性層６１ｂ間に介在する非磁性中間層６１ｃとの積層フェリ構造である。各磁性層６１ａ，６１ｂはＣｏＦｅ合金（コバルト−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。非磁性中間層６１ｃはＲｕ等である。非磁性層６２はＣｕ（銅）などの非磁性材料で形成される。フリー磁性層６３は、ＮｉＦｅ合金（ニッケル−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。保護層６４はＴａ（タンタル）などである。
【００４６】
本実施形態では固定磁性層６１を積層フェリ構造として、第１磁性層６１ａと第２磁性層６１ｂとが反平行に磁化固定されたセルフピン止め型である。図４（ａ）に示すセルフピン止め型では、反強磁性層を用いず、よって磁場中熱処理を施すことなく固定磁性層６１を構成する各磁性層６１ａ，６１ｃを磁化固定している。なお、各磁性層６１ａ，６１ｂの磁化固定力は、外部磁界が作用したときでも磁化揺らぎが生じない程度の大きさであれば足りる。
【００４７】
図４（ａ）に示すように、第１積層部１０を構成する第２磁性層６１ｂの固定磁化方向（Ｐ１；感度軸方向）はＹ２方向であり磁気抵抗効果に関与する。この固定磁化方向（Ｐ１）が固定磁性層６１の固定磁化方向である。
【００４８】
一方、図４（ｂ）に示す第２積層部１２も下から非磁性下地層６０、固定磁性層６１、非磁性層６２、フリー磁性層６３及び保護層６４の順に積層されて積層構造であり、第１積層部１０と変わらない。すなわち第２積層部１２の固定磁性層６１もセルフピン止め型である。
【００４９】
ただし、第１積層部１０と異なって、第２磁性層６１ｂの固定磁化方向（Ｐ２；感度軸方向）がＹ１方向である。
【００５０】
固定磁性層６１をセルフピン止め型とすることで、磁場中熱処理が必要なく、図４（ａ）（ｂ）に示す第１積層部１０と第２積層部１２とを同じ積層構造としても、成膜時の磁場方向を変えることで、感度軸方向を反平行に出来る。
【００５１】
あるいは、図５（ａ）（ｂ）に示すように、第１積層部１０及び第２積層部１２を夫々、下から非磁性下地層６０、反強磁性層６５、固定磁性層６６、非磁性層６２、フリー磁性層６３及び保護層６４の順に積層する。図５では、磁場中熱処理により反強磁性層６５と固定磁性層６６との間に交換結合磁界（Ｈｅｘ）を生じさせて固定磁性層６６を固定磁化する。
【００５２】
図５（ａ）に示す第１積層部１０では、固定磁性層６６が、磁性層６６ａ，６６ｂ，６６ｃと非磁性中間層６６ｄ，６６ｅとが交互に積層された積層フェリ構造であり、磁性層６６ａ，６６ｂ，６６ｃは３層、設けられている。一方、図５（ｂ）に示す第２積層部１２では、固定磁性層６６が、磁性層６６ａ，６６ｂと非磁性中間層６６ｄとが交互に積層された積層フェリ構造であり、磁性層６６ａ，６６ｂは２層、設けられている。
【００５３】
図５（ａ）に示す第１積層部１０及び第２積層部１２に対する磁場中熱処理を同時に行なうことが可能である。第１積層部１０を構成する各磁性層６６ａ，６６ｂ，６６ｃは互いに反平行に固定磁化され、図５（ａ）に示すように、非磁性層６２に接する磁性層６６ｃはＹ２方向に磁化固定されており、Ｙ２方向が感度軸方向である。また、図５（ｂ）に示すように、第２積層部１２の非磁性層６２に接する磁性層６６ｂはＹ１方向に磁化固定されており、Ｙ１方向が感度軸方向である。このように第１積層部１０と第２積層部１２とで積層フェリ構造の磁性層の数を変えることで、感度軸方向を反平行にすることができる。
【００５４】
また図１に示すように各積層部１０，１２のＸ１−Ｘ２方向の両側にはバイアス層１１，１３が設けられ、バイアス層１１，１３からのバイアス磁界により各積層部１０，１２のフリー磁性層６３の磁化方向は無磁場状態でＸ１−Ｘ２方向に向けられている。
【００５５】
図６は、本実施例、比較例１及び比較例２の磁気センサを用いて実験を行った、オフセット量と外乱感度との関係を示すグラフである。
【００５６】
図６に示す比較例１とは、本実施形態における第１磁気抵抗効果素子Ｓ１と第３磁気抵抗効果素子とを用いてブリッジ回路を構成した磁気センサであり、比較例２とは、本実施形態における第２磁気抵抗効果素子Ｓ２と第４磁気抵抗効果素子Ｓ４とを用いてブリッジ回路を構成した磁気センサである。比較例１、比較例２は図８に示すブリッジ回路を構成している。なお比較例１、比較例２は、感度軸方向が逆方向となっている。一方、実施例は、図２に示すブリッジ回路を構成している。
【００５７】
今、図３の状態が、実施例、比較例１、及び比較例２において、外乱感度がゼロとなるオフセット量＝０μｍの位置であるとする。すなわち軟磁性体３の中心線Ｏ１と、各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４の中心線Ｏ２との間のギャップＴ１，Ｔ２が所定寸法とされている。磁気抵抗効果素子の位置はそのままで軟磁性体３をＹ１−Ｙ２方向にずらしてオフセット量を変化させて外乱感度を測定した。
【００５８】
図６に示すように比較例１及び比較例２は共に、オフセット量（絶対値）が大きくなることで、外乱感度（絶対値）が大きくなった。ただし、比較例１と比較例２とは感度軸方向が反平行であり、図６のように外乱感度のオフセット依存性が逆傾向になることがわかった。
【００５９】
本実施例は図２に示すように、比較例１を構成する第１磁気抵抗効果素子Ｓ１及び第３磁気抵抗効果素子Ｓ３と、比較例２を構成する第２磁気抵抗効果素子Ｓ２及び第４磁気抵抗効果素子Ｓ４とを直列接続した構成である。これにより、外乱感度のオフセット依存性をキャンセル（相殺）することができる。したがって図６に示すように、実施例では、オフセットずれがあっても外乱感度をほぼゼロにすることが出来た。
【００６０】
また、図５に示したように、第１積層部１０と第２積層部１２とで積層構造が異なっていると抵抗温度係数（ＴＣＲ）が異なるが、第１積層部１０を備える第１磁気抵抗効果素子Ｓ１及び第３磁気抵抗効果素子Ｓ３と、第２積層部１２を備える第２磁気抵抗効果素子Ｓ２及び第４磁気抵抗効果素子Ｓ４とを直列接続したことで温度依存性を自己キャンセルできる。
【００６１】
図１に示すように、複数本の軟磁性体３が、夫々、Ｘ１−Ｘ２方向に延出して形成されており、各軟磁性体３がＹ１−Ｙ２方向に間隔を空けて並設されている。図１では、各軟磁性体３のＸ１側部及びＸ２側部が軟磁性体３と一体化した連設部５により接続されている。各軟磁性体３は例えばメッキ法により図３に示すようにＺ１−Ｚ２方向に高く形成されるが、各軟磁性体３の機械的強度は弱くなる。このため各軟磁性体３を補強すべく各軟磁性体３を連設部５により接続した。
【００６２】
図１に示すように、各軟磁性体３のＹ１側部３ａあるいはＹ２側部３ｂに夫々、第１磁気抵抗効果素子Ｓ１、第２磁気抵抗効果素子Ｓ２、第３磁気抵抗効果素子Ｓ３あるいは第４磁気抵抗効果素子Ｓ４を割り振って設けた。これにより、各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４及び各端子を図３に示すブリッジ回路に接続しやすくなる。なお図１では、直列接続される第１磁気抵抗効果素子Ｓ１と第２磁気抵抗効果素子Ｓ２、及び直列接続される第３磁気抵抗効果素子Ｓ３と第４磁気抵抗効果素子Ｓ４とを夫々、一列としているが、これは図面を簡略化したものであり、複数列を直列接続する構成とすることで長いミアンダ形状を構成でき、消費電流を低減させることができる。
【００６３】
また本実施形態では、軟磁性体３の下面端部近傍に、各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４を配置できる。したがって磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４及び軟磁性体３をコンパクトに配置できＺ軸磁気センサ１の小型化を促進できる。
【符号の説明】
【００６４】
Ｈ１ 垂直磁界成分
Ｈ２、Ｈ３ 水平磁界成分
Ｐ１、Ｐ２ 感度軸方向
Ｓ１〜Ｓ４ 磁気抵抗効果素子
１ Ｚ軸磁気センサ
３ 軟磁性体
３ａ Ｙ１側部
３ｂ Ｙ２側部
１０ 第１積層部
１１、１３ バイアス層
１２ 第２積層部
１５ Ａ素子群
１６ Ｂ素子群
６１、６６ 固定磁性層
６１ａ、６１ｂ、６６ａ、６６ｂ、６６ｃ 磁性層
６２ 非磁性層
６３ フリー磁性層
６５ 反強磁性層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に磁性層と非磁性層とが積層されて成る磁気抵抗効果を発揮する磁気抵抗効果素子と、外部からの垂直磁界成分を水平方向への水平磁界成分に変換し、前記水平磁界成分を前記磁気抵抗効果素子に与える前記磁気抵抗効果素子と非接触の軟磁性体と、を有し、
平面視にて直交する２方向を、Ｘ１−Ｘ２方向とＹ１−Ｙ２方向としたとき、
前記磁気抵抗効果素子は、平面視にて、前記軟磁性体のＹ１側部側に位置し、感度軸方向がＹ２方向で、Ｙ１方向からの水平磁界成分を受ける第１の磁気抵抗効果素子と、前記軟磁性体のＹ２側部側に位置し、感度軸方向はＹ１方向で、Ｙ２方向からの水平磁界成分を受ける第２の磁気抵抗効果素子と、前記軟磁性体のＹ２側部側に位置し、感度軸方向がＹ２方向で、Ｙ２方向からの水平磁界成分を受ける第３磁気抵抗効果素子と、前記軟磁性体のＹ１側部側に位置し、感度軸方向がＹ１方向で、Ｙ１方向からの水平磁界成分を受ける第４磁気抵抗効果素子と、を備え、
前記第１磁気抵抗効果素子と前記第２磁気抵抗効果素子とが直列に接続されたＡ素子群が構成され、前記第３磁気抵抗効果素子と前記第４磁気抵抗効果素子とが直列に接続されたＢ素子群が構成され、
前記Ａ素子群と前記Ｂ素子群とが入力端子とグランド端子の間で直列接続されるとともに、前記Ａ素子群と前記Ｂ素子群の間に出力端子が設けられることを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第３磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記水平磁界成分により磁化方向が変動するフリー磁性層とが非磁性層を介して積層された同じ第１積層部を備え、
前記第２磁気抵抗効果素子及び前記第４磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記水平磁界成分により磁化方向が変動するフリー磁性層とが非磁性層を介して積層された同じ第２積層部を備え、
前記第１積層部と前記第２積層部を構成する前記固定磁性層の構成が異なり、前記第１積層部を構成する前記固定磁性層の磁気抵抗効果に関与する固定磁化方向は、Ｙ２方向であり、前記第２積層部を構成する前記固定磁性層の磁気抵抗効果に関与する固定磁化方向は、Ｙ１方向である請求項１記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記固定磁性層は、複数の磁性層と、各磁性層間に介在する非磁性中間層との積層構造を備え、前記第１積層部を構成する前記固定磁性層と、前記第２積層部を構成する前記固定磁性層とでは前記磁性層の数が一方では奇数で他方では偶数となっている請求項２記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記固定磁性層は反強磁性層との間で生じる交換結合磁界により磁化方向が固定される請求項３記載の磁気センサ。
【請求項５】
前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第３磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記水平磁界成分により磁化方向が変動するフリー磁性層とが非磁性層を介して積層された同じ第１積層部を備え、
前記第２磁気抵抗効果素子及び前記第４磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記水平磁界成分により磁化方向が変動するフリー磁性層とが非磁性層を介して積層された同じ第２積層部を備え、
前記第１積層部と前記第２積層部を構成する前記固定磁性層は、同じ積層構造のセルフピン止め型であり、前記第１積層部を構成する前記固定磁性層の磁気抵抗効果に関与する固定磁化方向は、Ｙ２方向であり、前記第２積層部を構成する前記固定磁性層の磁気抵抗効果に関与する固定磁化方向は、Ｙ１方向である請求項１記載の磁気センサ。
【請求項６】
前記第１積層部及び前記第２積層部のＸ１−Ｘ２方向の両側にバイアス層が設けられ、前記フリー磁性層の磁化は無磁場状態で略Ｘ１−Ｘ２方向に向けられている請求項２ないし５のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項７】
前記第１積層部、及び前記第２積層部は、夫々、Ｘ１−Ｘ２方向に前記バイアス層を介して複数、連設されている請求項６記載の磁気センサ。
【請求項８】
複数の前記軟磁性体は、夫々、Ｘ１−Ｘ２方向に延出して形成されるとともに、各軟磁性体は、Ｙ１−Ｙ２方向に間隔を空けて並設されており、
各軟磁性体のＹ１側部側及びＹ２側部側の夫々に、前記第１磁気抵抗効果素子、前記第２磁気抵抗効果素子、前記第３磁気抵抗効果素子あるいは前記第４磁気抵抗効果素子が配置されている請求項１ないし７のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項９】
前記Ａ素子群と前記Ｂ素子群とが二組、設けられ、ブリッジ回路が構成されている請求項１ないし８のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項１０】
各磁気抵抗効果素子は、前記軟磁性体の下面端部の近傍に配置されている請求項１ないし９のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項１１】
前記基板上に各磁気抵抗効果素子が形成され、各磁気抵抗効果素子上から前記基板上にかけて絶縁層が形成され、前記絶縁層上に前記軟磁性体が形成されている請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項１】
基板上に磁性層と非磁性層とが積層されて成る磁気抵抗効果を発揮する磁気抵抗効果素子と、外部からの垂直磁界成分を水平方向への水平磁界成分に変換し、前記水平磁界成分を前記磁気抵抗効果素子に与える前記磁気抵抗効果素子と非接触の軟磁性体と、を有し、
平面視にて直交する２方向を、Ｘ１−Ｘ２方向とＹ１−Ｙ２方向としたとき、
前記磁気抵抗効果素子は、平面視にて、前記軟磁性体のＹ１側部側に位置し、感度軸方向がＹ２方向で、Ｙ１方向からの水平磁界成分を受ける第１の磁気抵抗効果素子と、前記軟磁性体のＹ２側部側に位置し、感度軸方向はＹ１方向で、Ｙ２方向からの水平磁界成分を受ける第２の磁気抵抗効果素子と、前記軟磁性体のＹ２側部側に位置し、感度軸方向がＹ２方向で、Ｙ２方向からの水平磁界成分を受ける第３磁気抵抗効果素子と、前記軟磁性体のＹ１側部側に位置し、感度軸方向がＹ１方向で、Ｙ１方向からの水平磁界成分を受ける第４磁気抵抗効果素子と、を備え、
前記第１磁気抵抗効果素子と前記第２磁気抵抗効果素子とが直列に接続されたＡ素子群が構成され、前記第３磁気抵抗効果素子と前記第４磁気抵抗効果素子とが直列に接続されたＢ素子群が構成され、
前記Ａ素子群と前記Ｂ素子群とが入力端子とグランド端子の間で直列接続されるとともに、前記Ａ素子群と前記Ｂ素子群の間に出力端子が設けられることを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第３磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記水平磁界成分により磁化方向が変動するフリー磁性層とが非磁性層を介して積層された同じ第１積層部を備え、
前記第２磁気抵抗効果素子及び前記第４磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記水平磁界成分により磁化方向が変動するフリー磁性層とが非磁性層を介して積層された同じ第２積層部を備え、
前記第１積層部と前記第２積層部を構成する前記固定磁性層の構成が異なり、前記第１積層部を構成する前記固定磁性層の磁気抵抗効果に関与する固定磁化方向は、Ｙ２方向であり、前記第２積層部を構成する前記固定磁性層の磁気抵抗効果に関与する固定磁化方向は、Ｙ１方向である請求項１記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記固定磁性層は、複数の磁性層と、各磁性層間に介在する非磁性中間層との積層構造を備え、前記第１積層部を構成する前記固定磁性層と、前記第２積層部を構成する前記固定磁性層とでは前記磁性層の数が一方では奇数で他方では偶数となっている請求項２記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記固定磁性層は反強磁性層との間で生じる交換結合磁界により磁化方向が固定される請求項３記載の磁気センサ。
【請求項５】
前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第３磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記水平磁界成分により磁化方向が変動するフリー磁性層とが非磁性層を介して積層された同じ第１積層部を備え、
前記第２磁気抵抗効果素子及び前記第４磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記水平磁界成分により磁化方向が変動するフリー磁性層とが非磁性層を介して積層された同じ第２積層部を備え、
前記第１積層部と前記第２積層部を構成する前記固定磁性層は、同じ積層構造のセルフピン止め型であり、前記第１積層部を構成する前記固定磁性層の磁気抵抗効果に関与する固定磁化方向は、Ｙ２方向であり、前記第２積層部を構成する前記固定磁性層の磁気抵抗効果に関与する固定磁化方向は、Ｙ１方向である請求項１記載の磁気センサ。
【請求項６】
前記第１積層部及び前記第２積層部のＸ１−Ｘ２方向の両側にバイアス層が設けられ、前記フリー磁性層の磁化は無磁場状態で略Ｘ１−Ｘ２方向に向けられている請求項２ないし５のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項７】
前記第１積層部、及び前記第２積層部は、夫々、Ｘ１−Ｘ２方向に前記バイアス層を介して複数、連設されている請求項６記載の磁気センサ。
【請求項８】
複数の前記軟磁性体は、夫々、Ｘ１−Ｘ２方向に延出して形成されるとともに、各軟磁性体は、Ｙ１−Ｙ２方向に間隔を空けて並設されており、
各軟磁性体のＹ１側部側及びＹ２側部側の夫々に、前記第１磁気抵抗効果素子、前記第２磁気抵抗効果素子、前記第３磁気抵抗効果素子あるいは前記第４磁気抵抗効果素子が配置されている請求項１ないし７のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項９】
前記Ａ素子群と前記Ｂ素子群とが二組、設けられ、ブリッジ回路が構成されている請求項１ないし８のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項１０】
各磁気抵抗効果素子は、前記軟磁性体の下面端部の近傍に配置されている請求項１ないし９のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項１１】
前記基板上に各磁気抵抗効果素子が形成され、各磁気抵抗効果素子上から前記基板上にかけて絶縁層が形成され、前記絶縁層上に前記軟磁性体が形成されている請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−３２９８９（Ｐ２０１３−３２９８９Ａ）
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６９５４８（Ｐ２０１１−１６９５４８）
【出願日】平成２３年８月２日（２０１１．８．２）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２日（２０１１．８．２）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
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