磁界検出方法
【課題】精度の高い磁界検出方法を提供する。
【解決手段】
トンネル磁気抵抗効果素子１０を用いて外部磁界を検出する磁界検出方法が提供される。磁界検出方法は、トンネル磁気抵抗効果素子１０の自由層１５の磁化方向を変化させるバイアス磁界Ｈｂと外部磁界Ｈｅｘとを同時に、もしくはバイアス磁界Ｈｂと外部磁界Ｈｅｘとを個別にトンネル磁気抵抗効果素子１０に印加したときの電気特性を測定するステップと、バイアス磁界Ｈｂおよび外部磁界Ｈｅｘに応じて測定されたトンネル磁気抵抗効果素子１０の電気特性に基づいて外部磁界を算出するステップとを含む。
【解決手段】
トンネル磁気抵抗効果素子１０を用いて外部磁界を検出する磁界検出方法が提供される。磁界検出方法は、トンネル磁気抵抗効果素子１０の自由層１５の磁化方向を変化させるバイアス磁界Ｈｂと外部磁界Ｈｅｘとを同時に、もしくはバイアス磁界Ｈｂと外部磁界Ｈｅｘとを個別にトンネル磁気抵抗効果素子１０に印加したときの電気特性を測定するステップと、バイアス磁界Ｈｂおよび外部磁界Ｈｅｘに応じて測定されたトンネル磁気抵抗効果素子１０の電気特性に基づいて外部磁界を算出するステップとを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、磁気抵抗効果を利用して外部から印加された磁界を検出する磁界検出装置および磁界検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
外部から印加された磁界を検出する磁界検出素子として、ホール素子のほかに磁気抵抗効果素子が知られている。磁気抵抗効果素子には、金属の磁気抵抗効果を利用したＡＭＲ（Anisotropic Magneto-Resistance）素子、巨大磁気抵抗効果を利用したＧＭＲ（Giant Magneto-Resistance）素子、およびトンネル磁気抵抗効果を利用したＴＭＲ（Tunnel Magneto-Resistance）素子などがある。特に、他に比べて大きなＭＲ比が得られるＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子が注目されている。
【０００３】
特公平８−２１１６６号公報（特許文献１）は、スピンバルブ構造を有したＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子について開示する。スピンバルブ構造の磁気抵抗効果素子は、非磁性の薄膜層によって仕切られた強磁性体の第１の薄膜層（自由層）および第２の薄膜層（固着層）を有する。印加磁界が０の場合、強磁性体の第１の薄膜層の磁化方向は、強磁性体の第２の薄膜層の磁化方向に対して直交するように設定され、強磁性体の第２の薄膜層の磁化方向は固定されている。第２の薄膜層の磁化方向を固定させるために、高電気抵抗の反強磁性体の薄膜層が強磁性体の第２の薄膜層に直接、接触して付着される。代替構造として、反強磁性体の薄膜層を、高飽和保磁力かつ高電気抵抗を有する強磁性の層にすることもできる。
【０００４】
また、特開２００５−２３６１３４号公報（特許文献２）に開示される磁気抵抗効果素子では、一定方向に固着された磁化方向を有する固着層と、外部磁界に応じて変化し、かつ、この外部磁界が０のときに固着層の磁化方向と平行となる磁化方向を示す自由層と、固着層と自由層との間に挟まれた中間層とを含む積層体が設けられる。この磁気抵抗効果素子ではさらに、固着層の磁化方向と直交する方向にバイアス磁界を印加するために、永久磁石または固着層の磁化方向に延びるバイアス電流ラインが設けられる。適切な強さのバイアス磁界を印加することによって外部磁界に対する読出電流の抵抗変化を線形とすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平８−２１１６６号公報
【特許文献２】特開２００５−２３６１３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、磁気抵抗効果素子に隣接して電流線を設置してバイアス磁界を印加する場合、電流線と磁気抵抗効果素子との間の電気的な絶縁を保つために絶縁膜を設ける必要がある。絶縁膜の絶縁性および耐久性は絶縁膜の膜厚を厚くするほど向上する。
【０００７】
一方、一様な電流Ｉから距離ｒだけ離れた場所に発生する磁界Ｈは、アンペアの法則によって、Ｈ＝Ｉ/（2πｒ）で与えられる。ここで、πは円周率である。したがって、絶縁膜を厚くするほど電流線と磁気抵抗効果素子の間の距離ｒが大きくなるので、バイアス磁界を一定に保つためには電流線に流す電流Ｉを増加させる必要がある。
【０００８】
上記の理由で、絶縁膜の絶縁性や耐久性をより向上させるために膜厚を厚くするほど、磁気抵抗効果素子に所望のバイアス磁界を印加するのに必要な電流が増大することになる。このため、磁界検出装置の消費電力が増大してしまうという問題がある。
【０００９】
この発明は、かかる課題を解決されるためになされたものである。この発明の目的は、消費電力が小さくかつ磁界の検出精度の高い磁界検出装置および磁界検出方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は要約すれば、外部磁界を検出するための磁界検出装置であって、１または複数の検出素子と、バイアス電流供給部と、測定部と、演算部とを備える。１または複数の検出素子の各々は、外部磁界に応じて磁化方向が変化する第１の強磁性体膜、磁化方向が一定の第２の強磁性体膜、およびこれらの強磁性体膜の間に挟まれたトンネル絶縁膜を含むトンネル磁気抵抗効果素子である。バイアス電流供給部は、１または複数の検出素子の各々に対して、第１の強磁性体膜の磁化方向を変化させるために、第１および第２の強磁性体膜のいずれかに膜面方向のバイアス電流を供給する。測定部は、１または複数の検出素子の各々において、第１の強磁性体膜の磁化方向の変化に応じた検出素子の電気特性を測定する。演算部は、測定部で測定された１または複数の検出素子の各々の電気特性に基づいて外部磁界を算出する。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、トンネル磁気抵抗効果素子の一方の電極にバイアス電流を流すので、別途バイアス電流用の配線層を設ける場合に比べて、より少ない消費電力でバイアス磁界をトンネル磁気抵抗効果素子に印加することができる。また、外部磁界に応じてバイアス磁界の大きさを変化させることによって、磁界検出精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１による磁界検出装置１の構成を示す模式的に示す平面図である。
【図２】図１の磁界検出装置１の構成を模式的に示す模式的に示す斜視図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図４】検出素子１０の接合部の構成を詳しく示す断面図である。
【図５】外部磁界Ｈｅｘとバイアス磁界Ｈｂとが平行の場合における外部磁界Ｈｅｘと素子抵抗Ｒとの関係を示す図である。
【図６】外部磁界Ｈｅｘとバイアス磁界Ｈｂとが垂直の場合における外部磁界Ｈｅｘと素子抵抗との関係を示す図である。
【図７】外部磁界Ｈｅｘおよびバイアス磁界Ｈｂの方向と磁化方向との関係を説明するための図である。
【図８】図１の磁界検出装置１の動作を説明するための図である。
【図９】図１の磁界検出装置１による外部磁界Ｈｅｘの検出手順を示すフローチャートである。
【図１０】実施の形態１の変形例１による外部磁界Ｈｅｘの検出方法を説明するための図である。
【図１１】実施の形態１の変形例１による外部磁界Ｈｅｘの検出手順を示すフローチャートである。
【図１２】実施の形態１の変形例２によるＴＭＲ素子の構成を示す断面図である。
【図１３】実施の形態１の変形例３によるＴＭＲ素子の構成を示す断面図である。
【図１４】この発明の実施の形態２による磁界検出装置２の構成を模式的に示す平面図である。
【図１５】図１４の磁界検出装置２の要部の構成を模式的に示す模式的に示す斜視図である。
【図１６】この発明の実施の形態２の変形例による磁界検出装置２Ａの構成を模式的に示す平面図である。
【図１７】図１６の磁界検出装置２Ａの要部の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１８】この発明の実施の形態３による磁界検出装置３の構成を模式的に示す平面図である。
【図１９】図１８の磁界検出装置３の動作を説明するための図である。
【図２０】図１８、図１９の磁界検出装置３による外部磁界Ｈｅｘの検出手順を示すフローチャートである。
【図２１】この発明の実施の形態３の変形例１による磁界検出装置３Ａの構成を模式的に示す平面図である。
【図２２】この発明の実施の形態３の変形例２による磁界検出装置３Ｂを構成および動作を説明するための図である。
【図２３】この発明の実施の形態４による磁界検出装置４の構成を模式的に示す平面図である。
【図２４】この発明の実施の形態４による磁界検出装置４Ａの動作を説明するための図である。
【図２５】図２４の磁界検出装置４Ａによる外部磁界Ｈｅｘの検出手順を示すフローチャートである。
【図２６】この発明の実施の形態５による磁界検出装置５の構成を模式的に示す平面図である。
【図２７】図２６の磁界検出装置５によって外部磁界Ｈｅｘの方向を検知する手順を示したフローチャートである。
【図２８】この発明の実施の形態５の変形例による磁界検出装置５Ａの構成を模式的に示す平面図である。
【図２９】この発明の実施の形態６による回転角センサ６の構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。
【００１４】
［実施の形態１］
（磁界検出装置１の構成）
図１は、この発明の実施の形態１による磁界検出装置１の構成を示す模式的に示す平面図である。
【００１５】
図２は、図１の磁界検出装置１の構成を模式的に示す模式的に示す斜視図である。
図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。以下、図１〜図３を参照して、磁界検出装置１の構成について説明する。なお、以下の説明では、座標軸の方向をＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向で表わす。単にＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向と記載したときは＋方向と−方向の両方向を意味するものとし、＋方向と−方向を区別して方向を表示するときは＋Ｘ方向、−Ｘ方向のように符号を付して記載するものとする。
【００１６】
磁界検出装置１は、磁界を検出する検出素子１０と、電圧源２１と、抵抗素子２２と、差動増幅回路２３と、参照電圧源２４と、制御部２５と、バイアス電流供給部としての電流源３１とを含む。ここで、電圧源２１、抵抗素子２２、差動増幅回路２３、および参照電圧源２４は、検出素子１０の抵抗値を測定するための測定部２０を構成する。
【００１７】
検出素子１０は、基板４０上に形成されたトンネル磁気抵抗効果素子(ＴＭＲ素子)であり、絶縁層１４を挟んで上部に位置する上部電極１８と下部に位置する下部電極１７とを含む。検出素子１０の上部電極１８は、コンタクトホールに形成された導電部４６を介在して配線層４３と接続される。配線層４３は、基板４０上に形成された測定部２０と電気的に接続される。図２には、測定部２０を構成する半導体素子の代表としてＭＯＳ（Metal-Oxide Semiconductor）トランジスタ２９が示されている。
【００１８】
また、検出素子１０の下部電極１７は、コンタクトホールに形成された導電部４４を介在して配線層４１と接続され、コンタクトホールに形成された導電部４５を介在して配線層４２と接続される。配線層４１は電流源３１と接続され、配線層４２は接地ＧＮＤに接続される。図２には、電流源３１を構成する半導体素子の代表としてＭＯＳトランジスタ３９が示される。また、コンタクトホールに形成された導電部４４および導電部４５は、検出素子１０の接合部を跨いでＹ軸方向の両側に設けられる。
【００１９】
上記の配線層４１〜４３は、導電性の材料で形成されていればよいが、シリコン集積回路などで使用される配線材料で形成されるのが好ましい。たとえば、Ａｌ、ＡｌＳｉ、ＡｌＳｉＣｕ、ＡｌＣｕなどの材料で形成される。コンタクトホールに形成された導電部４４〜４６についても、導電性の材料で形成されていいればよいが、好ましくはＷ，Ｔｉ，Ｃｏ，Ｓｉ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｒｕ，Ｐｔ，Ａｕなどを含む導電性の金属材料で形成される。
【００２０】
図４は、検出素子１０の接合部の構成を詳しく示す断面図である。図４を参照して、検出素子１０は、基板側から順に、非磁性導体１１、反強磁性層１２、強磁性層（固着層）１３、絶縁層１４、強磁性層（自由層）１５、および非磁性導体１６が積層されて形成される。非磁性導体１１、反強磁性層１２、および強磁性層１３が下部電極１７に含まれ、強磁性層（自由層）１５および非磁性導体１６が上部電極に含まれる。
【００２１】
強磁性層（固着層）１３の磁化方向は、反強磁性層１２との交換結合により１方向に固定されている。一方、強磁性層（自由層）１５の磁化方向は外部磁場に応じて変化する。このようなスピンバルブ構造を有した磁気抵抗素子の抵抗は、強磁性層（固着層）１３の磁化方向と強磁性層（自由層）１５の磁化方向とのなす角度に応じて変化する。つまり、外部磁界に影響されて強磁性層（自由層）１５の磁化方向が変化することによって素子抵抗が変化する。このため、外部磁界を素子抵抗によって検知することが可能になる。
【００２２】
一般に、ＴＭＲ素子では自由層の磁化方向と固着層の磁化方向とが平行の場合に抵抗は最小値となり、自由層の磁化方向と固着層の磁化方向とが反平行の場合に抵抗は最大値となる。なお、ＴＭＲ素子の場合、各層の厚みが素子のパターンサイズに対して１／１００以下であり形状異方性の影響を強く受ける。したがって、基板４０に垂直方向（図１〜図３のＺ軸方向）に磁化方向を変化させることは非常に難しく、強磁性層（自由層）１５の磁化方向は基板面内方向に限られる。また、基板４０に垂直方向に外部磁界を印加した場合には、強磁性層（自由層）１５の磁化方向の変化は無視できるので、結果として素子抵抗の変化も無視できる。
【００２３】
上記のＴＭＲ素子の構造は、たとえば、反強磁性層１２としてＩｒＭｎ、強磁性層（固着層）１３としてＮｉＦｅまたはＣｏＦｅ、絶縁層１４としてＡｌ2Ｏ3、強磁性層（自由層）１５としてＮｉＦｅを用いることによって構成できる。この他、反強磁性層１２として、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎを用いることができる。また、強磁性層１３，１５として、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金、ＣｏＦｅＮｉ合金、などのＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅを主成分として含む金属や、ＮｉＭｎＳｂ、Ｃｏ2ＭｎＧｅなどの合金などを用いることができる。ＴＭＲ素子として所望の性能が得られる材料であれば特段の制約はない。また、トンネル絶縁膜として用いられる絶縁層１４は、非磁性層の絶縁体であればよい。たとえば、絶縁層１４として、Ｔａ2Ｏ5、ＳｉＯ2、ＭｇＯなどの金属の酸化物や、弗化物などを用いることができる。
【００２４】
なお、実施の形態１の場合と異なり、強磁性層（自由層）１５が下部電極に含まれ、強磁性層（固着層）１３および反強磁性層１２が上部電極に含まれるように構成することもできる。また、強磁性層（自由層）１５は、図４のように単一の磁性層であってもよいし、図４と異なって２種類以上の磁性層が積層された構造であってもよい。
【００２５】
また、上記の各層は、たとえばＤＣマグネトロンスパッタリングにより形成される。その他、分子線エピタキシー(ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy)法、各種スパッタ法、化学気相成長(ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition)法、蒸着法などによって各層を形成してもよい。
【００２６】
上記の素子構造は、たとえば、フォトリソグラフィーによるパターンニングとエッチングとよって作製される。この場合、積層膜を形成後、フォトリソグラフィーを用いてフォトレジストによる所望のパターンを形成する。その後、パターンニングされたフォトレジストをマスクにしてイオンミリングもしくは反応性イオンエッチングにより素子の形状が得られる。なお、フォトリソグラフィーに代えて電子線リソグラフィーを用いても良いし、集束イオンビーム加工を用いてもよい。
【００２７】
再び図１〜図３を参照して、測定部２０の構成について説明する。図１の抵抗素子２２および電圧源２１は、配線層４３と配線層４２との間に直列に接続される。また、配線層４３は差動増幅回路２３の＋端子に接続される。一方、差動増幅回路２３の−端子には、参照電圧源２４によって参照電圧Ｖｒｅｆが与えられる。差動増幅回路２３は、抵抗素子２２および検出素子１０の接続ノードＮｄ１の電圧Ｖｄ１と参照電圧Ｖｒｅｆとの差を増幅して制御部２５に出力する。
【００２８】
上記のように検出素子１０と抵抗素子２０とからなるハーフブリッジを構成することによって、検出素子１０の上部電極１８と下部電極１７との間の抵抗値に応じた大きさの出力電圧Ｖｏｕｔが制御部２５に出力される。
【００２９】
制御部２５は、コンピュータによって構成され、演算部２６と記憶部２７とを含む。演算部２６は、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて未知の外部磁界の大きさを算出する。具体的な算出方法は、図８、図９を参照して後述する。記憶部２７は、差動増幅回路２３の出力など演算部２６の処理に必要なデータを記憶する。また、制御部２５は、電圧源２１および電流源３１の動作を制御する。なお、実施の形態１の場合と異なり、演算部２６を演算増幅器などを利用してアナログ回路で構成することもできる。
【００３０】
電流源３１は、配線層４１と配線層４２との間に接続される。電流源３１によって下部電極１７にＹ軸方向のバイアス電流Ｉｂを流すことによって、検出素子１０の接合部にはＸ軸方向のバイアス磁界Ｈｂが印加される。
【００３１】
実施の形態１の磁界検出装置１では、未知の外部磁界に加えてバイアス磁界Ｉｂを印加できるので、後述するように磁界の感度を調整することが可能になり、測定誤差を低減させて精度よく外部磁界を検出することができる。また、強磁性層（自由層）１５に直近の下部電極１７にバイアス電流Ｉｂを流すので、わずかの電流でＴＭＲ素子に磁界を印加することが可能であり、消費電力の節約ができる。
【００３２】
たとえば、検出素子１０に対して２０Ｏｅのバイアス磁界Ｈｂを印加することを考える。この場合、検出素子１０を保護するために０．１μｍの絶縁膜を介して設けられた配線に電流を流す場合には、アンペアの法則により１ｍＡのバイアス電流Ｉｂが必要である。
【００３３】
一方、検出素子１０の下部電極１７に電流を流す場合には、バイアス電流Ｉｂを小さくすることができる。たとえば、非磁性導体１１の比抵抗が下部電極１７を構成する他の層（反強磁性層１２および強磁性層１３）の比抵抗よりも十分小さいために、下部電極１７を流れるバイアス電流Ｉｂが主として非磁性導体１１を流れる場合を考える。この場合、反強磁性層１２および強磁性層１３の全体の厚みを１０ｎｍとすると、絶縁層１４よりも１０ｎｍ下の位置に形成された非磁性導体１１に主としてバイアス電流Ｉｂが流れることになる。したがって、０．１ｍＡのバイアス電流Ｉｂで上記の場合と略同じ２０Ｏｅのバイアス磁界Ｈｂを得ることができ、低消費電力化が可能になる。特に後述する参照素子のように大きな電流を印加する場合に顕著な効果がある。
【００３４】
（磁界検出装置１の動作）
次に、磁界検出装置１の動作について説明する。
【００３５】
実施の形態１の磁界検出装置１では、図４の強磁性層（自由層）１５の磁化方向は、外部磁界Ｈｅｘおよびバイアス磁界Ｈｂによって決まる。また、検出素子１０（ＴＭＲ素子）の抵抗値は、強磁性層（自由層）１５の磁化方向と強磁性層（固着層）１３の磁化方向とのなす角度に応じて変化する。
【００３６】
まず、外部磁界Ｈｅｘの方向とバイアス磁界Ｈｂの方向とが平行または反平行の場合（外部磁界Ｈｅｘ方向とバイアス電流Ｉｂの方向とが垂直の場合）について説明する。この場合、外部磁界Ｈｅｘに応じた適切な大きさのバイアス磁界Ｈｂを生成することによって、検出素子１０（ＴＭＲ素子）で測定可能な外部磁界Ｈｅｘの範囲をシフトすることができる。
【００３７】
図５は、外部磁界Ｈｅｘとバイアス磁界Ｈｂとが平行の場合における外部磁界Ｈｅｘと素子抵抗Ｒとの関係を示す図である。
【００３８】
図５を参照して、検出素子１０（ＴＭＲ素子）は、バイアス磁界Ｈｂが存在しない場合において、−Ｈｋ〜Ｈｋ（Ｈｋ：飽和磁界）の範囲内で線形領域を有する（図５の破線）。外部磁界ＨｅｘがＨｅｘ≦−ＨｋまたはＨｅｘ≧Ｈｋとなる飽和領域では、自由層の磁化方向と固着層の磁化方向とが平行または反平行となって素子抵抗Ｒが外部磁界Ｈｅｘに依存しなくなる。−Ｈｋ〜Ｈｋの線形領域における素子抵抗Ｒの変化量をΔＲとし、素子抵抗Ｒの最大値と最小値の平均値をＲｍとすると、素子抵抗Ｒの最大値はＲｍ＋ΔＲ／２と表わされ、素子抵抗Ｒの最小値はＲｍ−ΔＲ／２と表わされる。最も大きな抵抗変化ΔＲを得るためには、固着層の磁化方向が外部磁界Ｈｅｘの方向と平行または反平行であり、外部磁界Ｈｅｘが０のときの自由層の磁化方向は固着層の磁化方向と垂直であることが望ましい。
【００３９】
ここで、たとえば、外部磁界Ｈｅｘの大きさを測定する場合には、外部磁界Ｈｅｘの大きさと抵抗値Ｒ、すなわち外部磁界Ｈｅｘと検出信号とが比例関係にあることが望ましい。そのため、外部磁界Ｈｅｘの大きさを測定する場合には、検出素子１０（ＴＭＲ素子）が線形領域となる範囲（−Ｈｋ〜Ｈｋ）が測定可能範囲となる。このとき、バイアス磁界Ｈｂを外部磁界Ｈｅｘと反平行の方向に印加することで、検出素子１０（ＴＭＲ素子）の線形領域は、（−Ｈｋ−Ｈｂ）〜（＋Ｈｋ−Ｈｂ）の範囲へ移動する。すなわち、磁界検出装置１の測定可能範囲は、バイアス磁界Ｈｂ分だけシフトする。
【００４０】
このように、測定対象の外部磁界Ｈｅｘの変動範囲に応じて、適切な大きさバイアス電流Ｉｂを流してバイアス磁界Ｈｂを生成することによって、磁界検出装置１は、大きな直流成分を含む外部磁界Ｈｅｘに対して、微小な交流成分を検出することができる。
【００４１】
次に、外部磁界Ｈｅｘの方向とバイアス磁界Ｈｂの方向とが垂直の場合（外部磁界Ｈｅｘ方向とバイアス電流Ｉｂの方向とが平行または反平行の場合）について説明する。この場合、バイアス磁界Ｈｂは、自由層の磁化ベクトルをバイアス磁界Ｈｂの方向へ保持するように機能する。すなわち、自由層の磁化ベクトルは、バイアス磁界Ｈｂによりその向きの変化を妨げされられるので、外部磁界Ｈｅｘに対する自由層の磁化ベクトルの応答性（感度）が低下する。この結果、バイアス磁界Ｈｂが増加するにつれて、外部磁界Ｈｅｘに対する検出素子１０（ＴＭＲ素子）の抵抗値Ｒの変化率（ｄＲ／ｄＨｅｘ：感度）が小さくなる。
【００４２】
図６は、外部磁界Ｈｅｘとバイアス磁界Ｈｂとが垂直の場合における外部磁界Ｈｅｘと素子抵抗との関係を示す図である。
【００４３】
図６を参照して、検出素子１０（ＴＭＲ素子）は、バイアス磁界Ｈｂが存在しない場合において、−Ｈｋ〜Ｈｋ（Ｈｋ：飽和磁界）の範囲内で線形領域を有する（図６の破線）。一方、バイアス電流Ｉｂによってバイアス磁界Ｈｂが生成されると、検出素子１０（ＴＭＲ素子）の線形領域は、−Ｈｋｂ〜Ｈｋｂ（Ｈｋｂ：バイアス磁界Ｈｂを受けた場合における飽和磁界）へ拡大する（図６の実線）。
【００４４】
図５の場合と同様に、外部磁界Ｈｅｘの大きさを測定する場合には、検出素子１０（ＴＭＲ素子）が線形領域となる範囲が測定可能範囲となる。そのため、バイアス磁界Ｈｂを印加することで、磁界検出装置１の測定可能範囲は、Ｈｋｂ／Ｈｋ倍だけ拡大することになる。
【００４５】
このように、外部磁界Ｈｅｘの方向とバイアス磁界Ｈｂの方向とが垂直の場合には、測定対象の外部磁界Ｈｅｘの変動量に応じて、適切なバイアス磁界Ｈｂを選択することで、磁界検出装置１は、その測定範囲を拡大させ、より広い範囲の外部磁界Ｈｅｘを検出することができる。
【００４６】
次に、外部磁界Ｈｅｘの方向とバイアス磁界Ｈｂの方向とが垂直の場合（外部磁界Ｈｅｘ方向とバイアス電流Ｉｂの方向とが平行または反平行の場合）で、自由層が飽和状態である場合について説明する。この場合、外部磁界の大きさに拘らず、検出素子１０（ＴＭＲ素子）の抵抗値は固着層の磁化ベクトルと自由層の磁化ベクトルとのなす角度で決定される。すなわち、抵抗値Ｒは、固着層の磁化ベクトルと自由層の磁化ベクトルとのなす角度θとして、（１）式で表される。
【００４７】
Ｒ＝Ｒｍ＋(ΔＲ／２)×ｃｏｓθ …(1)
図７は、外部磁界Ｈｅｘおよびバイアス磁界Ｈｂの方向と磁化方向との関係を説明するための図である。
【００４８】
図７を参照して、固着層の磁化ベクトルＭｐの方向はＹ軸方向に固定される。また、Ｙ軸方向に外部磁界Ｈｅｘが印加され、バイアス電流をＹ軸方向に流すことによって、自由層を含む上部電極１８には、Ｘ軸方向のバイアス磁界Ｈｂが印加される。この結果、自由層の磁化ベクトルＭｆの方向は、外部磁界Ｈｅｘとバイアス磁界Ｈｂとの合成磁界Ｈの方向に一致する。結果として、固着層の磁化ベクトルＭｐと自由層の磁化ベクトルＭｆとのなす角θによって、上式（１）のように素子抵抗Ｒが決まる。
【００４９】
ここで、上記のようにバイアス磁界Ｈｂによってある一定以上の磁界を自由層に印加するようにすれば、磁界に対する素子抵抗Ｒのヒステリシスを非常に小さくすることができる。この理由は次のとおりである。
【００５０】
一般に、ヒステリシスは磁区の生成／消滅と磁壁の移動によって説明できる。磁界がほとんどかからない状態では、磁区を形成したほうが系の自由エネルギーが小さくなるのでヒステリシスが生じることになる。これに対して、ある一定以上のバイアス磁界Ｈｂをかけて自由層のスピンをできるだけ単一磁区になるようにすれば、磁化過程をほぼ磁化ベクトルの回転のみとすることができる。この結果、ヒステリシスを抑制することができる。
【００５１】
なお、自由層の磁化ベクトルの方向は形状異方性の影響も受ける。図１、図７の場合、自由層を含む上部電極１８の形状を簡単のため正方形としている。これに対して、形状異方性の影響を抑制するために上部電極１８の形状を円形とすることもできる。
【００５２】
あるいは、逆に、上部電極１８の形状を長方形とし、長辺を短辺に比べてかなり長くすることで形状異方性の影響を大きくすることができる。これによって、自由層に形成された各磁区の磁化方向が概略揃うので、ヒステリシスの影響を抑制することができる。
【００５３】
（磁界検出装置１による外部磁界の検出手順）
以下、磁界検出装置１によって外部磁界Ｈｅｘの大きさを検出する具体的に手順について説明する。以下の例は、外部磁界Ｈｅｘの方向とバイアス磁界Ｈｂの方向とが垂直の場合（外部磁界Ｈｅｘ方向とバイアス電流Ｉｂの方向とが平行または反平行の場合）である。
【００５４】
図８は、図１の磁界検出装置１の動作を説明するための図である。図８では、バイアス磁界Ｈｂを生成するための磁界発生部３２が示されている。実施の形態１の場合、磁界発生部３２は検出素子１０の下部電極１７である。磁界発生部３２によって、検出素子１０にバイアス磁界Ｈｂが生成される。なお、磁界発生部３２として、バイアス電流Ｉｂの供給用の電流線を下部電極１７と独立に設けた場合も、以下に示す手順によって外部磁界Ｈｅｘを検出することできる。
【００５５】
図８を参照して、外部磁界Ｈｅｘの方向をＸ軸方向とし、バイアス磁界Ｈｂの方向をＸ軸方向とする。このとき、バイアス電流Ｉｂの方向はＹ軸方向になる。また、固着層の磁化ベクトルＭｐの方向をＸ軸方向（外部磁界Ｈｅｘの方向に対して平行または反平行）とする。また、自由層の磁化ベクトルＭｆの方向は、外部磁界Ｈｅｘおよびバイアス磁界Ｈｂがいずれも印加されていない場合、形状異方性を利用して、Ｙ軸方向になるようにする。すなわち、自由層の磁化ベクトルＭｆの方向は、固着層の磁化ベクトルＭｐの方向と直交するようにする。
【００５６】
原理的には、自由層の磁化方向は任意の一定方向、たとえば、Ｘ軸方向とＹ軸方向との間の４５度の方向であれば以下に示す方法で未知の外部磁界Ｈｅｘを測定可能である。しかしながら、前述の式（１）に示すように、磁気トンネル抵抗は自由層の磁化方向と固着層の磁化方向とのなす角θの余弦（ｃｏｓθ）で決まる。したがって、磁界が０の状態のときの自由層の磁化方向をＹ軸方向にすることによって、固着層の磁化方向と自由層の磁化方向とを直交（θ＝９０°）させたほうが磁界に対する応答性がほぼ線形になって良好になるので好ましい。
【００５７】
図９は、図１の磁界検出装置１による外部磁界Ｈｅｘの検出手順を示すフローチャートである。以下、図８、図９を参照して、外部磁界Ｈｅｘの検出手順について説明する。なお、制御部２５の記憶部２７には、複数の既知の外部磁界Ｈｅｘに対して下記と同様の手順で測定した測定結果が記憶されているとする。
【００５８】
図９のステップＳ１０１で、外部磁界Ｈｅｘおよびバイアス磁界Ｈｂがいずれも印加されていない場合（Ｈｅｘ＝０，Ｈｂ＝０）に、制御部２５は、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔ（１）をＡ／Ｄ（Analog to Digital）変換して記憶部２７に記憶させる。
【００５９】
次のステップＳ１０２で、磁界検出装置１に未知の外部磁界Ｈｅｘが印加される。
次のステップＳ１０３で、制御部２５は、このときの差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔ（２）に基づいてバイアス電流Ｉｂの初期値を決定する。具体的には、制御部２５は、記憶部２７に記憶された既知の外部磁界に対する測定結果の中から、類似の出力電圧が得られたときに設定したバイアス電流Ｉｂの値を初期値として選択する。
【００６０】
次のステップＳ１０４で、制御部２５は、電流源３１よってステップＳ１０３で決定したバイアス電流Ｉｂの初期値を下部電極１７に供給する。これによって、バイアス磁界Ｈｂが発生する。制御部２５は、このときの差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔ（３）をＡ／Ｄ変換して記憶部２７に記憶させる。
【００６１】
次のステップＳ１０４で、制御部２５は、ステップＳ１０１で記憶した出力電圧Ｖｏｕｔ（１）とステップＳ１０４で記憶した出力電圧Ｖｏｕｔ（３）との差の絶対値が所定の閾値以内となるか否かを判定する。所定の閾値を超える場合（ステップＳ１０５でＮＯ）、ステップＳ１０６に進む。そして、ステップＳ１０６で制御部２５は、出力電圧Ｖｏｕｔ（１）と出力電圧Ｖｏｕｔ（３）との差の絶対値が小さくなるようにバイアス電流Ｉｂの値を変更する。その後、ステップＳ１０４，Ｓ１０５を再度実行する。
【００６２】
一方、ステップＳ１０４で、出力電圧Ｖｏｕｔ（１）と出力電圧Ｖｏｕｔ（３）との差の絶対値が所定の閾値以下の場合（ステップＳ１０５でＹＥＳ）、制御部２５は処理をステップＳ１０７に進める。そして、ステップＳ１０７で制御部２５は、現在のバイアス電流Ｉｂの値に予め設定された換算係数Ｋ０を掛けることによって外部磁界Ｈｅｘの大きさを算出する。
【００６３】
ここで、換算係数Ｋ０は、既知の外部磁界Ｈｅｘ０に対して上記と同様の処理を行なったときに得られたバイアス電流Ｉｂの値をＩｂ０としたとき、Ｋ０＝Ｈｅｘ０／Ｉｂ０によって求めることができる。好ましくは、複数の既知の外部磁界に対して上記と同様の手順によって複数のバイアス電流Ｉｂをそれぞれ決定し、各外部磁界と対応するバイアス電流との比によって求めた換算係数を予め記憶部２７に記憶しておく。そして、未知の外部磁界Ｈｅｘに対して得られたバイアス電流Ｉｂに最も近い場合を選び出して実際に使用する換算係数を決定してもよい。あるいは、未知の外部磁界Ｈｅｘから得られたバイアス電流に基づいて、記憶部２７に記憶された複数の換算係数を補間することによって実際に使用する換算係数を決定してもよい。
【００６４】
（まとめ）
以上のとおり、実施の形態１の磁界検出装置１によれば、検出素子１０（ＴＭＲ素子）の一方の電極である下部電極１７にバイアス電流Ｉｂを流すので、別途バイアス電流用の配線層を設ける場合に比べて、より少ない消費電力で検出素子１０（ＴＭＲ素子）にバイアス磁界Ｈｂを印加することができる。また、外部磁界Ｈｅｘに応じてバイアス磁界Ｈｂの大きさを変化させることによって、検出素子１０（ＴＭＲ素子）の線形領域をシフトさせたり、磁界感度を変化させたりすることができ、これによって磁界検出精度を向上させることができる。
【００６５】
［実施の形態１の変形例１］
図１０は、実施の形態１の変形例１による外部磁界Ｈｅｘの検出方法を説明するための図である。図１０の変形例１の磁界検出装置１Ａは、Ｘ軸方向にバイアス磁界Ｈｂ１，Ｈｂ２を印加する磁界発生部３２に加えて、Ｙ軸方向にバイアス磁界Ｈｂ０を印加する磁界発生部３５をさらに含む点で、図８の磁界検出装置１と異なる。また、図１０では、未知の外部磁界Ｈｅｘの方向をＸ軸方向とし、固着層の磁化ベクトルＭｐの方向をＸ軸方向（外部磁界Ｈｅｘの方向に対して平行または反平行）とする。その他の、図１０の磁界検出装置１Ａの構成は図８の磁界検出装置１の構成と共通するので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
【００６６】
磁界発生部３５は、たとえば、検出素子１０（ＴＭＲ素子）の近傍に永久磁石を配置することによって実現できる。磁界発生部３５によるバイアス磁界Ｈｂ０は、自由層の飽和磁界Ｈｋ（図５、図６参照）以上に設定される。図７で説明したように、これによって単一の磁区が形成されるので素子抵抗Ｒのヒステリシスを非常に小さくすることができる。
【００６７】
外部磁界Ｈｅｘが印加されていない状態では、バイアス磁界Ｈｂ０を印加することによって自由層の磁化方向Ｍｆと固着層の磁化方向Ｍｐとを概略直交させる。この状態で外部磁界Ｈｅｘが印加された場合、図７に関連して説明したように、素子抵抗Ｒは、前述の（１）式に従って固着層の磁化ベクトルＭｐと自由層の磁化ベクトルＭｆとのなす角θによって決まる。したがって、測定された素子抵抗Ｒから、（１）式に従って角θを算出すれば、Ｈｅｘ＝Ｈｂ０／ｔａｎθによって外部磁界Ｈｅｘの大きさを求めることができる。
【００６８】
変形例１では、さらに、制御部２５は、外部磁界Ｈｅｘが印加されていない状態で、バイアス電流Ｉｂを２通りの値に変化させ、これによって＋Ｘ方向および−Ｘ方向（固着層の磁化方向Ｍｐに対して平行および反平行）に既知バイアス磁界Ｈｂ１，Ｈｂ２を発生させる。そして、制御部２５は、それらのバイアス磁界Ｈｂ１，Ｈｂ２に対応した素子抵抗を測定する。これによって、前述の式（１）のＲｍ，ΔＲを求めることができる。
【００６９】
続いて、バイアス電流Ｉｂが流れていない状態で、未知の外部磁界Ｈｅｘが印加される。制御部２５は、このときの素子抵抗Ｒを測定し、測定した素子抵抗Ｒと、バイアス電流Ｉｂを流したときに算出したＲｍ，ΔＲとを用いて、前述の式（１）の角θを算出する。算出した角θを用いると、より精度よく未知の外部磁界の大きさを測定することができる。この場合、１つの検出素子１０で測定結果の補正を行なっていることになるので、回路の面積を削減することができる。また、同じ素子で補正ができるので、たとえば温度による感度の変化などをより正確に補正することができる。
【００７０】
図１１は、実施の形態１の変形例１による外部磁界Ｈｅｘの検出手順を示すフローチャートである。以下、具体的な測定手順を図１１を参照して説明する。
【００７１】
ステップＳ１５１で、制御部２５は、磁界発生部３５によって既知のバイアス磁界Ｈｂ０を＋Ｙ方向に印加する。バイアス磁界Ｈｂ０は、以下のステップＳ１５２，Ｓ１５３，Ｓ１５５の測定期間中、常に印加される。
【００７２】
次のステップＳ１５２で、制御部２５は、電流源３１によって、所定のバイアス電流Ｉｂ（１）を検出素子１０に供給する。このバイアス電流Ｉｂ（１）によって生成されたバイアス磁界Ｈｂ１と前述のバイアス磁界Ｈｂ０との合成磁界が検出素子１０に印加された状態で、制御部２５は、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔ（１）をＡ／Ｄ変換して記憶部２７に記憶させる。
【００７３】
次のステップＳ１５３で、制御部２５は、電流源３１によって、ステップＳ１５２と異なる大きさのバイアス電流Ｉｂ（２）を検出素子１０に供給する。このバイアス電流Ｉｂ（２）によって生成されたバイアス磁界Ｈｂ２と前述のバイアス磁界Ｈｂ０との合成磁界が検出素子１０に印加された状態で、制御部２５は、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔ（２）をＡ／Ｄ変換して記憶部２７に記憶させる。
【００７４】
次のステップＳ１５４で、制御部２５の演算部２６は、出力電圧Ｖｏｕｔ（１），Ｖｏｕｔ（２）に基づいて、前述の式（１）のＲｍ，ΔＲを算出する。具体的には、まず、演算部２６は、出力電圧Ｖｏｕｔ（１），Ｖｏｕｔ（２）と、抵抗素子２２の抵抗値と、電圧源２１の出力電圧を用いて、ステップＳ１５２の場合の検出素子１０の素子抵抗Ｒ（１）と、ステップＳ１５３の場合の検出素子１０の素子抵抗Ｒ（２）を算出する。次に、演算部２６は、バイアス磁界Ｈｂ１，Ｈｂ２の大きさと、バイアス磁界Ｈｂ０の大きさとから、ステップＳ１５２の場合における前述の式（１）の角θ（θ１と称する）と、ステップＳ１５３の場合における式（１）の角θ（θ２と称する）とを算出する。そして、演算部２６は、算出した素子抵抗Ｒ（１），Ｒ（２）と角θ１，θ２とから、式（１）に従ってＲｍおよびΔＲを算出する。
【００７５】
次のステップＳ１５５で、制御部２５は、バイアス電流Ｉｂが検出素子１０に供給されていない状態で、未知の外部磁界Ｈｅｘが印加されたときの差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔ（３）をＡ／Ｄ変換して記憶部２７に記憶される。この間、検出素子１０には、バイアス磁界Ｈｂ０と未知の外部磁界Ｈｅｘとの合成磁界が印加されている。
【００７６】
次のステップＳ１５６で、制御部２５の演算部２６は、ステップＳ１５４で算出したＲｍおよびΔＲと、ステップＳ１５５で測定した出力電圧Ｖｏｕｔ（３）とを用いて、未知の外部磁界Ｈｅｘの大きさを算出する。具体的には、まず、演算部２６は、出力電圧Ｖｏｕｔ（３）と抵抗素子２２の抵抗値と電圧源２１の出力電圧とを用いて、ステップＳ１５５の場合の検出素子１０の素子抵抗Ｒ（３）を算出する。次に、演算部２６は、算出した素子抵抗Ｒ（３）とステップＳ１５４で算出したＲｍおよびΔＲとを用いて、式（１）に従って角θ（θ３と称する）を算出する。そして、演算部２６は、算出した角θ３を用いて、Ｈｅｘ＝Ｈｂ０／ｔａｎθ３によって外部磁界Ｈｅｘの大きさを求める。こうして、温度による感度補正がなされたより正確な外部磁界Ｈｅｘの測定が可能になる。
【００７７】
なお、バイアス磁界Ｈｂ０の発生方法としては、この変形例１で挙げたような永久磁石でもよいし、検出素子１０（ＴＭＲ素子）の下部電極を用いてバイアス電流を流す方法でもよい。もしくは、別途作製した配線に電流を流す方法でもよい。
【００７８】
また、バイアス磁界Ｈｂ１，Ｈｂ２の発生方法として、この変形例１のような検出素子１０の下部電極を用いてバイアス電流Ｉｂを流す方法であってもよいし、可動式の永久磁石を用いる方法であってもよい。
【００７９】
［実施の形態１の変形例２］
図１２は、実施の形態１の変形例２によるＴＭＲ素子の構成を示す断面図である。図１２を参照して、変形例２によるＴＭＲ素子は、図４の反強磁性層１２に代えて保磁力の大きな強磁性層１２Ａを含む点で、図４のＴＭＲ素子と異なる。その他の点については、図１２のＴＭＲ素子の構成は図４のＴＭＲ素子の構成と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【００８０】
図１２のように保磁力の大きな強磁性層１２Ａを隣接して設けることによっても、強磁性層（固着層）１３の磁化方向を一方向に固定することができる。
【００８１】
［実施の形態１の変形例３]
図１３は、実施の形態１の変形例３によるＴＭＲ素子の構成を示す断面図である。図１３を参照して、変形例３によるＴＭＲ素子は、図４の強磁性層（固着層）１３が、２層の強磁性層１３Ａ，１３Ｃとこれらの間に挟まれた非磁性層１３Ｂによって構成される点で、図４のＴＭＲ素子と異なる。その他の点については、図１２のＴＭＲ素子の構成は図４のＴＭＲ素子の構成と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【００８２】
図１３の固着層１３では、薄い非磁性層１３Ｂを挟んで積層された２層の強磁性層１３Ａ，１３Ｃが互いに反強磁性結合をする。このような構造の固着層１３は、ＳＡＦ(Synthetic Anti-Ferroelectric)構造と呼ばれ、固着層１３の磁化をより安定化することができる。非磁性層１３ＢはＲｕ、Ｃｕなどの非磁性材料を用いて形成することができる。
【００８３】
［実施の形態２］
実施の形態２では、ＴＭＲ素子が磁界検出用の検出素子の他に、参照素子として利用される。
【００８４】
外部磁界Ｈｅｘに比べて大きいバイアス磁界Ｈｂを印加しているとみなせる場合に、バイアス磁界Ｈｂの方向と固着層の磁化の方向を平行または反平行とすることで、ＴＭＲ素子の抵抗を最小抵抗Ｒｍｉｎまたは最大抵抗Ｒｍａｘに固定することができる。このようなＴＭＲ素子は、参照素子として図１の抵抗素子２２の代わりに使用することができる。すなわち、同じ特性を有した複数のＴＭＲ素子を用意し、そのうちの一部を外部磁界Ｈｅｘに応じた抵抗を発生させる検出素子として使用し、その他のＴＭＲ素子を参照素子として使用する。そして検出素子と参照素子の抵抗値の差から外部磁界Ｈｅｘを求めることによって、周囲の温度によって変化するＴＭＲ素子の抵抗値の変化を補償して外部磁界Ｈｅｘを正確に求めることが可能になる。以下、図１４、図１５を参照して具体的に説明する。
【００８５】
図１４は、この発明の実施の形態２による磁界検出装置２の構成を模式的に示す平面図である。
【００８６】
図１５は、図１４の磁界検出装置２の要部の構成を模式的に示す模式的に示す斜視図である。
【００８７】
磁界検出装置２は、図１の抵抗素子２２に代えて、ＴＭＲ素子である参照素子５０を含む。すなわち、磁界検出装置２は、磁界を検出する検出素子１０と、電圧源２１と、抵抗素子として用いられる参照素子５０と、電圧増幅回路２３Ａと、制御部２５Ａと、バイアス電流供給部としての電流源３１、３３とを含む。ここで、電圧源２１および電圧増幅回路２３Ａが検出素子１０の抵抗値を測定するための測定部２０Ａを構成する。
【００８８】
検出素子１０は、基板４０上に形成されたＴＭＲ素子であり、絶縁層１４を挟んで上部に位置する上部電極１８と下部に位置する下部電極１７とを含む。実施の形態１の場合と同様に、上部電極１８は強磁性層（自由層）を含み、下部電極１７は強磁性層（固着層）を含む。検出素子１０の上部電極１８は、コンタクトホールに形成された導電部４６を介在して配線層４３と接続される。検出素子１０の下部電極１７は、複数のコンタクトホールにそれぞれ形成された複数の導電部４４を介在して配線層４１と接続され、複数のコンタクトホールにそれぞれ形成された複数の導電部４５を介在して配線層４２と接続される。コンタクトホールに形成された導電部４４，４５は、寄生抵抗を低減し、下部電極１７上の電流分布を均一にするために、多数を並列して設けられている。導電部４４および導電部４５は、検出素子１０の接合部を跨いでＹ軸方向の両側に設けられる。検出素子１０の接合部の詳細な構成については実施の形態１と同様であるので説明を繰返さない。
【００８９】
参照素子５０は、基板４０上に形成されたＴＭＲ素子であり、絶縁層５４を挟んで上部に位置する上部電極５８と下部に位置する下部電極５７とを含む。検出素子１０の場合と同様に、上部電極５８は強磁性層（自由層）を含み、下部電極５７は強磁性層（固着層）を含む。固着層の磁化ベクトルＭｐの方向はＹ軸方向に固定される。参照素子５０の上部電極５８は、コンタクトホールに形成された導電部６６を介在して配線層６３と接続される。参照素子５０の下部電極５７は、複数のコンタクトホールにそれぞれ形成された複数の導電部６４を介在して配線層６１と接続され、複数のコンタクトホールにそれぞれ形成された複数の導電部６５を介在して配線層６２と接続される。コンタクトホールに形成された導電部６４，６５は、寄生抵抗を低減し、下部電極５７上の電流分布を均一にするために、多数を並列して設けられている。導電部６４および導電部６５は、参照素子５０の接合部を跨いでＹ軸方向の両側に設けられる。参照素子５０の接合部の詳細な構成については検出素子１０と同様であるので、説明を繰返さない。
【００９０】
検出素子１０の配線層４３と参照素子５０の配線層６３は一体で形成される。これによって、参照素子５０および検出素子１０は、この順でノードＮｄ３と接地ＧＮＤとの間に電気的に直列に接続される。
【００９１】
また、図１４に示すように、検出素子１０および参照素子５０の下部電極１７，５７は、ＴＭＲ素子の接合部付近は下部電極の幅を細く形成し、それ以外の部分は幅広に形成することが好ましい。この理由は次のとおりである。
【００９２】
ＴＭＲ素子の抵抗値の測定時に、下部電極１７，５７による電圧降下が接合抵抗による電圧降下に比べて無視できない程度に大きくなると、ＴＭＲ素子の抵抗値の測定精度が悪くなる。そこで、下部電極１７，５７の抵抗を小さくする必要があるが、このために下部電極を構成する積層膜の膜厚を厚くすると積層膜のラフネスが増加することになる。この結果、下部電極の上に設けられるトンネル絶縁膜との界面のラフネスが増加するので、たとえばリーク電流増加によるＭＲ比が低下したり、ネールカップリングによって磁界−抵抗特性にシフトがしょうじたりする。あるいは、後述する回転磁界の方向検知において、ＴＭＲ素子の抵抗特性のサインカーブからのずれが大きくなるという問題が生じる。
【００９３】
そこで、下部電極１７，５７の抵抗を小さくするために下部電極の配線幅を大きくする必要があるが、ＴＭＲ素子の接合部近傍まで配線幅を大きくすると、バイアス磁界Ｈｂの形成に寄与している接合部直下の電流成分以外の電流成分が増加することになるので好ましくない。したがって、ＴＭＲ素子の接合部付近では下部電極の幅が狭く形成される。
【００９４】
次に、測定部２０Ａの構成について説明する。電圧源２１は、配線層６２と配線層４２との間に接続される。これによって、直列接続された参照素子５０および検出素子１０に定電圧が印加される。定電圧印加の手段として、ツェナーダイオードなどを利用してもよい。
【００９５】
電圧増幅回路２３Ａの入力ノードは、一体形成された配線層４３，６３に接続される。電圧増幅回路２３Ａは、参照素子５０および検出素子１０の接続ノードＮｄ１の電圧Ｖｄ１を増幅して出力電圧Ｖｏｕｔとして制御部２５に出力する。電圧増幅回路２３Ａは、実施の形態１と同様に、差動増幅回路と参照電圧源とによって構成することができる。このように検出素子１０と参照素子５０とからなるハーフブリッジを構成することによって、検出素子１０の上部電極１８と下部電極１７との間の抵抗値に応じた大きさの出力電圧Ｖｏｕｔが制御部２５Ａに出力される。
【００９６】
制御部２５Ａは、コンピュータによって構成され、演算部２６と記憶部２７とを含む。演算部２６は、電圧増幅回路２３Ａの出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて未知の外部磁界の大きさを算出する。具体的な算出方法は、実施の形態１の場合と同様であるので説明を繰返さない。記憶部２７は、電圧増幅回路２３Ａの出力電圧などを記憶する。また、制御部２５Ａは、電圧源２１および電流源３１，３３などの動作を制御する。
【００９７】
電流源３１は、配線層４１と配線層４２との間に接続される。電流源３１は、下部電極１７にＹ軸方向のバイアス電流を流すことによって検出素子１０の接合部にＸ軸方向のバイアス磁界を生成する。また、電流源３３は、配線層６１と配線層６２との間に接続される。電流源３３は、下部電極５７にＸ軸方向のバイアス電流Ｉｂを流すことによって参照素子５０の接合部にＹ軸方向のバイアス磁界Ｈｂを生成する。
【００９８】
測定部２０Ａおよび電流源３１，３３は、外部ノイズの影響やサージに対する耐性を向上する観点から、検出素子１０および参照素子５０（ＴＭＲ素子）と同一基板上に設けられるのが好ましい。もしくは、エポキシ樹脂基板やセラミック基板などの別の基板にチップ部品の形で実装し、たとえばワイヤボンディングで電気的に接続されていてもよい。
【００９９】
次に、磁界検出装置２の動作について説明する。外部磁界Ｈｅｘが変化すると、自由層の磁化の向きが変化し、固着層の磁化の向きとなす角度が変化するため、検出素子１０の抵抗が変化する。このとき、検出素子１０には、たとえば１０Ｏｅ程度のバイアス磁界が発生するように下部電極１７にバイアス電流が供給される。実施の形態１で説明したように、バイアス磁界にはヒステリシス低減などの効果がある。
【０１００】
一方、参照素子５０の下部電極５７にはＸ軸方向のバイアス電流Ｉｂが供給され、たとえば、１００Ｏｅの磁界が生成される。これによって、外部磁界によらずに常に参照素子５０の自由層の磁化方向を固着層の磁化方向に対して概略一定に保つようにして、参照素子５０が基準抵抗として用いられる。ＴＭＲ素子の抵抗について、固着層の磁化方向と自由層の磁化方向とのなす角度θについて前述の（１）式の関係があるので、好ましくは、自由層の磁化方向を固着層の磁化方向に対して平行または反平行とすることが好ましい。これによって、参照素子５０の抵抗は、ＴＭＲ素子の最大抵抗または最小抵抗を示すようになるので、外部磁界の影響を受けにくくなる。このため、実施の形態２では、参照素子５０の下部電極５７の磁化方向ＭｐをＹ軸方向にしている。参照素子５０を用いることによって、周囲の温度によって変化するＴＭＲ素子の抵抗値の変化を補償して外部磁界Ｈｅｘを正確に求めることができる。
【０１０１】
［実施の形態２の変形例］
図１６は、この発明の実施の形態２の変形例による磁界検出装置２Ａの構成を模式的に示す平面図である。
【０１０２】
図１７は、図１６の磁界検出装置２Ａの要部の構成を模式的に示す斜視図である。図１６、図１７の磁界検出装置２Ａは、検出素子１０の接合部近傍の下部電極１７に複数の導電部４８を介在して接続された配線層４７と、参照素子５０の接合部近傍の下部電極５７に複数の導電部６８を介在して接続された配線層６７とをさらに含む点で、図１４，１４の磁界検出装置２と異なる。さらに、磁界検出装置２では、電圧源２１が配線層４２，６２間に接続されていたのに対して、磁界検出装置２Ａでは、電圧源２１が配線層４７，６７間に接続される。この点でも変形例の磁界検出装置２Ａは磁界検出装置２と異なる。その他の点については、磁界検出装置２Ａは、図１４，１４の磁界検出装置２と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【０１０３】
図１６，１６に示すように、この変形例では、下部電極１７，５７の接合部近傍、すなわち、導電部４４，４５の中点近傍と導電部６４，６５の中点近傍とに電圧検出用の配線層４７，４８がさらに設けられる。これによって、下部電極１７，５７の抵抗による電圧降下の影響を抑制してＴＭＲ素子の接合抵抗をより精密に測定することができる。
【０１０４】
［実施の形態３］
図１８は、この発明の実施の形態３による磁界検出装置３の構成を模式的に示す平面図である。実施の形態３の磁界検出装置３は、２個の検出素子１０Ａ，１０Ｂと２個の参照素子５０Ａ，５０Ｂとによってブリッジを構成したものである。
【０１０５】
図１８を参照して、磁界検出装置３は、磁界を検出する検出素子１０Ａ，１０Ｂと、抵抗素子として用いられる参照素子５０Ａ，５０Ｂと、電圧源２１Ａ，２１Ｂと、差動増幅回路２３と、制御部２５Ｂと、バイアス電流供給部としての電流源３１Ａ，３１Ｂ，３３Ａ，３３Ｂとを含む。ここで、電圧源２１Ａ，２１Ｂおよび差動増幅回路２３が検出素子１０Ａ，１０Ｂの抵抗値を測定するための測定部２０Ａを構成する。
【０１０６】
検出素子１０Ａは、基板上に形成されたＴＭＲ素子であり、絶縁層１４Ａを挟んで上部に位置する上部電極１８Ａと下部に位置する下部電極１７Ａとを含む。また、検出素子１０Ｂは、基板上に形成されたＴＭＲ素子であり、絶縁層１４Ｂを挟んで上部に位置する上部電極１８Ｂと下部に位置する下部電極１７Ｂとを含む。実施の形態１の場合と同様に、上部電極１８Ａ，１８Ｂは強磁性層（自由層）を含み、下部電極１７Ａ，１７Ｂは強磁性層（固着層）を含む。検出素子１０Ａ，１０Ｂの接合部の詳細な構成については実施の形態１と同様であるので説明を繰返さない。
【０１０７】
参照素子５０Ａは、基板上に形成されたＴＭＲ素子であり、絶縁層５４Ａを挟んで上部に位置する上部電極５８Ａと下部に位置する下部電極５７Ａとを含む。参照素子５０Ｂは、基板上に形成されたＴＭＲ素子であり、絶縁層５４Ｂを挟んで上部に位置する上部電極５８Ｂと下部に位置する下部電極５７Ｂとを含む。検出素子１０Ａ，Ｂの場合と同様に、上部電極５８Ａ，５８Ｂは強磁性層（自由層）を含み、下部電極５７Ａ，５７Ｂは強磁性層（固着層）を含む。参照素子５０Ａ，５０Ｂの接合部の詳細な構成については検出素子１０Ａ，１０Ｂと同様であるので説明を繰返さない。
【０１０８】
検出素子１０Ａの上部電極１８Ａと参照素子５０Ａの上部電極５８Ａとは接続ノードＮｄ１に接続される。これによって、参照素子５０Ａおよび検出素子１０Ａは、この順でノードＮｄ３と接地ＧＮＤとの間に電気的に直列に接続されることになる。接続ノードＮｄ１の電位Ｖｄ１は差動増幅回路２３の−端子に入力される。
【０１０９】
また、検出素子１０Ｂの上部電極１８Ｂと参照素子５０Ｂの上部電極５８Ｂとは接続ノードＮｄ２に接続される。これによって、参照素子５０Ｂおよび検出素子１０Ｂは、この順でノードＮｄ４と接地ＧＮＤとの間に電気的に直列に接続されることになる。接続ノードＮｄ２の電位Ｖｄ２は差動増幅回路２３の＋端子に入力される。差動増幅回路２３は、接続ノードＮｄ１，Ｎｄ２間の電位差を増幅して制御部２５Ｂに出力する。
【０１１０】
電圧源２１Ａは、参照素子５０Ａの下部電極５７Ａの一端と検出素子１０Ａの下部電極１７Ａの一端とに接続される。これによって、直列接続された参照素子５０Ａおよび検出素子１０Ａに定電圧が印加される。また、電圧源２１Ｂは、参照素子５０Ｂの下部電極５７Ｂの一端と検出素子１０Ｂの下部電極１７Ｂの一端に接続される。これによって、直列接続された参照素子５０Ｂおよび検出素子１０Ｂに定電圧が印加される。
【０１１１】
電流源３１Ａ、３１Ｂは、それぞれ検出素子１０Ａ，１０Ｂの下部電極１７Ａ，１７Ｂの両端に接続され、下部電極１７Ａ，１７ＢにＹ軸方向のバイアス電流を供給する。これによって、検出素子１０Ａ，１０Ｂの接合部には、それぞれＸ軸方向のバイアス磁界が生成される。また、電流源３３Ａ、３３Ｂは、それぞれ参照素子５０Ａ，５０Ｂの下部電極５７Ａ，５７Ｂの両端に接続され、下部電極５７Ａ，５７ＢにＸ軸方向のバイアス電流を供給する。これによって、参照素子５０Ａ，５０Ｂの接合部には、それぞれＹ軸方向のバイアス磁界が生成される。
【０１１２】
制御部２５Ｂは、コンピュータによって構成され、演算部２６と記憶部２７とを含む。演算部２６は、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて未知の外部磁界の大きさを算出する。具体的な算出方法は、図１９、図２０を参照して後述する。記憶部２７は、差動増幅回路２３の出力などを記憶する。また、制御部２５Ａは、電圧源２１Ａ，２１Ｂおよび電流源３１Ａ，３１Ｂ，３３Ａ，３３Ｂなどの動作を制御する。
【０１１３】
図１９は、図１８の磁界検出装置３の動作を説明するための図である。図１９では、バイアス磁界Ｈｂを生成するための磁界発生部３２Ａ，３２Ｂ，３４Ａ，３４Ｂが示されている。実施の形態３の場合、磁界発生部３２Ａ，３２Ｂは、それぞれ検出素子１０Ａ，１０Ｂの下部電極１７Ａ，１７Ｂである。また、磁界発生部３４Ａ，３４Ｂは、それぞれ参照素子５０Ａ，５０Ｂの下部電極５７Ａ，５７Ｂである。磁界発生部３２Ａ，３２Ｂ，３４Ａ，３４Ｂによって、それぞれＴＭＲ素子１０Ａ，１０Ｂ，５０Ａ，５０Ｂにバイアス磁界Ｈｂが生成される。
【０１１４】
なお、磁界発生部３２Ａ，３２Ｂ，３４Ａ，３４Ｂとして、下部電極１７Ａ，１７Ｂ，５７Ａ，５７Ｂを用いずに、Ａｌ配線などによってバイアス電流Ｉｂの供給用の電流線を接合部の近傍に設けた場合も、以下に示す手順によって外部磁界Ｈｅｘを検出することできる。
【０１１５】
図１９の場合、外部磁界Ｈｅｘの方向はＸ軸方向であり、検出素子１０Ａ，１０Ｂのバイアス磁界Ｈｂの方向もＸ軸方向である。このとき、検出素子１０Ａ，１０Ｂに供給するバイアス電流Ｉｂの方向はＹ軸方向になる。また、参照素子５０Ａ，５０Ｂのバイアス磁界Ｈｂの方向はＹ軸方向であり、このときの参照素子５０Ａ，５０Ｂへ供給するバイアス電流Ｉｂの方向はＸ軸方向になる。
【０１１６】
さらに、検出素子１０Ａ，１０Ｂの固着層の磁化ベクトルＭｐの方向をＸ方向とし、参照素子５０Ａ，５０Ｂの固着層の磁化ベクトルＭｐの方向をＹ方向とする。また、外部磁界Ｈｅｘおよびバイアス磁界Ｈｂのいずれも印加されていない場合、検出素子１０Ａ，１０Ｂの自由層の磁化ベクトルＭｐの方向をＹ方向とし、参照素子５０Ａ，５０Ｂの自由層の磁化ベクトルＭｐの方向をＹ方向とする。電流源３３Ａ，３３Ｂによって下部電極５７Ａ，５７Ｂにバイアス電流Ｉｂを流すことによって、外部磁界Ｈｅｘが印加されていない状態では、参照素子５０Ａ，５０Ｂの自由層の磁化方向は、固着層の磁化方向に対して平行または反平行になる。
【０１１７】
図２０は、図１８、図１９の磁界検出装置３による外部磁界Ｈｅｘの検出手順を示すフローチャートである。以下、図１９、図２０を参照して、外部磁界Ｈｅｘの検出手順について説明する。
【０１１８】
図２０のステップＳ２０１で、制御部２５Ｂは、電流源３３Ａ，３３Ｂによって参照素子５０Ａ，５０Ｂの下部電極に５７Ａ，５７Ｂにバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、参照素子５０Ａ，５０Ｂに十分大きいバイアス磁界Ｈｂ（たとえば１００Ｏｅ）を生成し、参照素子５０Ａ，５０Ｂの自由層と固着層の磁化方向を反平行に固定する。
【０１１９】
次のステップＳ２０２で、制御部２５Ｂは、電流源３１Ａ，３１Ｂによって検出素子１０Ａ，１０Ｂの下部電極１７Ａ，１７Ｂにバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、検出素子１０Ａ，１０Ｂに十分大きいバイアス磁界Ｈｂ（たとえば１００Ｏｅ）を生成し、検出素子１０Ａ，１０Ｂの自由層と固着層の磁化方向を反平行にする。
【０１２０】
次のステップＳ２０３で、制御部２５Ｂの記憶部２７は、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔを記憶する。このときの出力電圧Ｖｏｕｔは、最小出力電圧Ｖｍｉｎとなっている。さらに記憶部２７は、最小出力電圧Ｖｍｉｎより少し大きな電圧を最小測定電圧ＶＬＬとして記憶する。最小測定電圧ＶＬＬは、外部磁界ＨｅｘをＴＭＲ素子の線形領域で測定するときの下限の出力電圧Ｖｏｕｔである。
【０１２１】
次のステップＳ２０４で、制御部２５Ｂは、電流源３１Ａ，３１Ｂによって検出素子１０Ａ，１０Ｂの下部電極１７Ａ，１７Ｂにバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、検出素子１０Ａ，１０Ｂに十分大きいバイアス磁界Ｈｂ（たとえば１００Ｏｅ）を生成し、検出素子１０Ａ，１０Ｂの自由層と固着層の磁化方向を平行にする。
【０１２２】
次のステップＳ２０５で、制御部２５Ｂの記憶部２７は、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔを記憶する。このときの出力電圧Ｖｏｕｔは、最大出力電圧Ｖｍａｘとなっている。さらに記憶部２７は、最大出力電圧Ｖｍａｘより少し小さい電圧を最大測定電圧ＶＨＬとして記憶する。最大測定電圧ＶＨＬは、外部磁界ＨｅｘをＴＭＲ素子の線形領域で測定するときの上限の出力電圧Ｖｏｕｔである。なお、好ましくは、徐々にバイアス電流をＩｂを変えながら差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔを記録して、最小測定電圧ＶＬＬおよび最大測定電圧ＶＨＬを決定することもできる。
【０１２３】
次のステップＳ２０６で、磁界検出装置３に既知の外部磁界Ｈｅｘが印加される。
次のステップＳ２０７で、制御部２５Ｂは、電流源３１Ａ，３１Ｂによって検出素子１０Ａ，１０Ｂに供給するバイアス電流Ｉｂを変更しながら、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔを取得する。そして、制御部２５Ｂは、出力電圧Ｖｏｕｔが最小測定電圧ＶＬＬと最大測定電圧ＶＨＬとの間になる最適なバイアス電流Ｉｂの設定値を探索する。出力電圧Ｖｏｕｔが最小測定電圧ＶＬＬと最大測定電圧ＶＨＬとの間になる場合、検出素子１０Ａ，１０Ｂは線形領域で動作していることになる。
【０１２４】
次のステップＳ２０８で、制御部２５Ｂの記憶部２７は、ステップＳ２０７で探索した適切なバイアス電流Ｉｂの設定値をそのときの外部磁界Ｈｅｘに対応付けて記憶する。さらに、記憶部２７は、これらの外部磁界Ｈｅｘ、バイアス電流Ｉｂのときに得られる出力電圧Ｖｏｕｔから算出された磁界感度（Ｈｅｘ／Ｖｏｕｔ）を記憶する。
【０１２５】
以上のステップＳ２０６〜Ｓ２０８は、所定数の既知の外部磁界Ｈｅｘについて繰返して実行される（ステップＳ２０９でＮＯ）。所定数の既知の外部磁界Ｈｅｘについての上記の測定が完了したら（ステップＳ２０９でＹＥＳ）、ステップＳ２１０に進む。
【０１２６】
ステップＳ２１０で、磁界検出装置３に未知の外部磁界Ｈｅｘが印加される。
次のステップＳ２１１で、制御部２５Ｂは、電流源３１Ａ，３１Ｂによって記憶部２７に記憶されたバイアス電流Ｉｂの設定値のうち最も小さいものを検出素子１０Ａ，１０Ｂに供給する。そして、そのときの差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔを取得する。
【０１２７】
次のステップＳ２１２で、制御部２５Ｂは、取得した出力電圧Ｖｏｕｔが最小測定電圧ＶＬＬと最大測定電圧ＶＨＬとの間の線形領域にあるか否かを判定する。出力電圧Ｖｏｕｔが線形領域にない場合（ステップＳ２１２でＮＯ）、ステップＳ２１３で他のバイアス電流Ｉｂの設定値に変更して、ステップＳ２１１，Ｓ２１２を再度実行する。一方、出力電圧Ｖｏｕｔが線形領域にある場合（ステップＳ２１２でＹＥＳ）、ステップＳ２１４に進む。
【０１２８】
ステップＳ２１４で、制御部２５Ｂの演算部２６は、現在のバイアス電流Ｉｂの設定値に対応する磁界感度を用いて、出力電圧Ｖｏｕｔから外部磁界Ｈｅｘの大きさを算出する。
【０１２９】
次のステップＳ２１５では、Ｓ２１４での外部磁界Ｈｅｘの検出後に、外部磁界Ｈｅｘが印加されていない状態で、制御部２５Ｂは、電流源３１Ａ，３１Ｂによって検出素子１０Ａ，１０Ｂの下部電極１７Ａ，１７Ｂにバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、検出素子１０Ａ，１０Ｂに十分大きいバイアス磁界Ｈｂ（たとえば１００Ｏｅ）を生成し、検出素子１０Ａ，１０Ｂの自由層と固着層の磁化方向を反平行にする。
【０１３０】
次のステップＳ２１６で、制御部２５Ｂの記憶部２７は、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔを記憶する。このときの出力電圧Ｖｏｕｔは、最小出力電圧Ｖｍｉｎとなっている。
【０１３１】
次のステップＳ２１７で、制御部２５Ｂは、電流源３１Ａ，３１Ｂによって検出素子１０Ａ，１０Ｂの下部電極１７Ａ，１７Ｂにバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、検出素子１０Ａ，１０Ｂに十分大きいバイアス磁界Ｈｂ（たとえば１００Ｏｅ）を生成し、検出素子１０Ａ，１０Ｂの自由層と固着層の磁化方向を平行にする。
【０１３２】
次のステップＳ２１８で、制御部２５Ｂの記憶部２７は、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔを記憶する。このときの出力電圧Ｖｏｕｔは、最大出力電圧Ｖｍａｘとなっている。
【０１３３】
次のステップＳ２１９で、演算部２６は、ステップＳ２０３の最小出力電圧Ｖｍｉｎ（１）、ステップＳ２０４の最大出力電圧Ｖｍａｘ（１）、ステップＳ２１６の最小出力電圧Ｖｍｉｎ（２）、およびステップＳ２１８の最大出力電圧Ｖｍａｘ（２）を用いて、ステップＳ２１４で算出した未知外部磁界Ｈｅｘの大きさの温度補正を行なう。具体的には、演算部２６は、ステップＳ２１４の外部磁界Ｈｅｘに（Ｖｍａｘ（２）−Ｖｍｉｎ（２））／（Ｖｍａｘ（１）−Ｖｍｉｎ（１））を乗ずることによって、最終的な温度補正後の外部磁界Ｈｅｘを算出する。こうして、未知の外部磁界Ｈｅｘの検出が完了する。
【０１３４】
以上の手順により、広い磁界範囲で、良好な精度で磁界を測定することができる。また、温度による感度の変化を補正することもできる。また、上記の検出手順によれば、磁界の印加方向が概略一定である磁界を高感度に測定することができるので、たとえば、磁界検出装置３を直流および交流の電流センサとして利用することができる。また、好ましくは、電流源３１Ａ，３１Ｂ，３３Ａ，３３Ｂから供給するバイアス電流Ｉｂを、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔを取得する直前に流し、出力電圧Ｖｏｕｔの取得後に切断することによって、磁界検出装置３の消費電力をさらに小さくできる。また、上記の参照素子５０Ａ，５０Ｂにおいて、自由層と固着層の磁化方向を反平行としていたが、逆に平行に設定してもよい。
【０１３５】
［実施の形態３の変形例１］
図２１は、この発明の実施の形態３の変形例１による磁界検出装置３Ａの構成を模式的に示す平面図である。図２１の磁界検出装置３Ａは、電圧源２１Ｂを含まない点で、図１８の磁界検出装置３と異なる。磁界検出装置３Ａでは、直列接続された検出素子１０Ｂおよび参照素子５０Ｂに電圧源２１Ａによって定電圧を印加するために、ノードＮｄ３とノードＮｄ４とが接続される。電圧源２１Ａの動作は、制御部２５Ｃによって制御される。このように構成された変形例による磁界検出装置３Ａは、磁界検出装置３と同様の作用効果を奏する。その他の点については、図２１の磁界検出装置３Ａは、図１８の磁界検出装置３と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【０１３６】
［実施の形態３の変形例２］
図２２は、この発明の実施の形態３の変形例２による磁界検出装置３Ｂを構成および動作を説明するための図である。図２２の磁界検出装置３Ｂは、検出素子５０Ａ，５０Ｂが図１９の場合からそれぞれ右回りに９０度回転させた位置に配置されている点で、図１９の磁界検出装置３と異なる。
【０１３７】
すなわち、図２２の場合、参照素子５０Ａ，５０Ｂのバイアス磁界Ｈｂの方向はＸ軸方向であり、このときの参照素子５０Ａ，５０Ｂへ供給するバイアス電流Ｉｂの方向はＹ軸方向になる。さらに、参照素子５０Ａ，５０Ｂの固着層の磁化ベクトルＭｐの方向を＋Ｘ方向とし、外部磁界Ｈｅｘおよびバイアス磁界Ｈｂのいずれも印加されていない場合、参照素子５０Ａ，５０Ｂの自由層の磁化ベクトルＭｆの方向を−Ｘ方向とする。電流源３３Ａ，３３Ｂによって参照素子５０Ａ，５０Ｂの下部電極５７Ａ，５７Ｂに十分に大きなバイアス電流Ｉｂを流すことによって、参照素子５０Ａ，５０Ｂの自由層の磁化方向は、固着層の磁化方向に対して平行または反平行になる。その他の点については、図２２の時間検出装置３Ｂは、図１８、図１９の磁界検出装置３と共通するので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
【０１３８】
一般に、ＴＭＲ素子の固着層において各磁区の磁化方向を一方向に揃えるために、磁界を印加しながら固着層の形成されたチップのアニール処理を行なう。図１９の磁界検出装置３の場合には、参照素子５０Ａ，５０Ｂの固着層の磁化ベクトルＭｐの方向と、検出素子１０Ａ，１０Ｂの固着層の磁化ベクトルＭｐの方向とが異なっていた。このため、検出素子１０Ａ，１０Ｂと参照素子５０Ａ，５０Ｂとを別個のチップに作製した後に磁界検出装置として実装する必要がある。
【０１３９】
これに対して、この変形例２による磁界検出装置３Ｂの場合には、参照素子５０Ａ，５０Ｂの固着層の磁化ベクトルＭｐの方向と、検出素子１０Ａ，１０Ｂの固着層の磁化ベクトルＭｐの方向とが同じＸ軸方向となっている。したがって、同一の基板上に参照素子５０Ａ，５０Ｂと検出素子１０Ａ，１０Ｂとを容易に形成することができる。
【０１４０】
［実施の形態４］
実施の形態１〜３では、電流源の出力電流を可変としていた。実施の形態４では、電流源３１からは定電流を供給するようにし、電流経路に設けた抵抗によって検出素子１０（１），１０（２），１０（３）（総称するとき、検出素子１０とも称する）に供給するバイアス電流量を変化させる。これによって相対的な磁界感度のずれを低減することができる。
【０１４１】
図２３は、この発明の実施の形態４による磁界検出装置４の構成を模式的に示す平面図である。図２３の磁界検出装置４は、図１４の磁界検出装置２に対応するものであり、検出素子１０と参照素子５０とによってハーフブリッジ回路を構成した例である。
【０１４２】
図２３を参照して、磁界検出装置２は、磁界を検出する検出素子１０（１），１０（２），１０（３）と、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ６と、電圧源２１と、抵抗素子として用いられる参照素子５０と、差動増幅回路２３と、参照電圧源２４と、制御部２５Ｄと、バイアス電流供給部としての電流源３１、３３とを含む。ここで、電圧源２１、差動増幅回路２３、および参照電圧源２４が検出素子１０の抵抗値を測定するための測定部２０Ａを構成する。検出素子１０（１），１０（２），１０（３）および参照素子５０の詳細な構成は、これまで説明した実施の形態１〜３の場合と同様であるので説明を繰返さない。
【０１４３】
図２３に示すように、検出素子１０（１）の下部電極１７（１）の一端はノードＮｄ５に接続され、他端は従属接続された抵抗素子Ｒ１〜Ｒ３を介在して接地ノードＧＮＤに接続される。検出素子１０（２）の下部電極１７（２）の一端はノードＮｄ５に接続され、他端は従属接続された抵抗素子Ｒ４，Ｒ５を介在して接地ノードＧＮＤに接続される。また、検出素子１０（３）の下部電極１７（３）の一端はノードＮｄ５に接続され、他端は抵抗素子Ｒ６を介在して接地ノードＧＮＤに接続される。ノードＮｄ５と接地ノードＧＮＤとの間には電流源３１が接続される。したがって、電流源３１から定電流が供給された場合に、検出素子１０（１），１０（２），１０（３）には異なるバイアス電流が流れることになる。
【０１４４】
一方、検出素子１０（１），１０（２），１０（３）の上部電極１８（１），１８（２），１８（３）は、スイッチ７１を介してノードＮｄ１に接続される。ノードＮｄ１は、参照素子５０の上部電極５８に接続される。また、参照素子５０の下部電極５７の一端（ノードＮｄ３）とノードＮｄ５との間に電圧源２１が接続される。この場合、スイッチ７１の切替によって、検出素子１０（１），１０（２），１０（３）のいずれか１つと検出素子５０とに対して電圧源２１から定電圧が印加される。スイッチ７１の切替は制御部２５Ｄによって制御される。
【０１４５】
差動増幅回路２３は、ノードＮｄ１の電圧Ｖｄ１と参照電圧源２４から出力された参照電圧Ｖｒｅｆとの差電圧を増幅して出力電圧Ｖｏｕｔとして制御部２５Ｄに出力する。制御部２５Ｄは、出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて外部磁界Ｈｅｘを検出する。外部磁界Ｈｅｘの検出手順は実施の形態１と同様であるので、説明を繰返さない。
【０１４６】
ここで、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ６として、既製の抵抗素子を外付けしてもよいし、基板内に抵抗素子を形成してもよい。もしくは、下部電極１７の長さや幅を異なるように作製することで抵抗素子の代わりとしてもよい。なお、下部電極１７の長さを長くして抵抗を高める場合には、電圧源２１が接続されているノードＮｄ５と反対側である、接地ノードＧＮＤ側の下部電極１７の長さを長く形成する。このほうが、素子抵抗の測定時の寄生抵抗を増大させることがないからである。
【０１４７】
図２４は、この発明の実施の形態４による磁界検出装置４Ａの動作を説明するための図である。図２４の磁界検出装置４Ａは、図１８、図１９の磁界検出装置３に対応するものであり、検出素子１０Ａ（１）〜１０Ａ（３），１０Ｂ（１）〜１０Ｂ（３）と参照素子５０Ａ，５０Ｂとによってフルブリッジ回路を構成した例である。以下では、検出素子１０Ａ（１）〜１０Ａ（３）について総称する場合、検出素子１０Ａと記載し、検出素子１０Ｂ（１）〜１０Ｂ（３）について総称する場合、検出素子１０Ｂと記載する。
【０１４８】
図２４の磁界検出装置４Ａは、図１９の磁界発生部３２Ａに代えて並列接続された磁界発生部３２Ａ（１）〜３２Ａ（３）を含み、磁界発生部３２Ｂに代えて並列接続された磁界発生部３２Ｂ（１）〜３２Ｂ（３）を含む。さらに、磁界検出装置４Ａは、図１９の検出素子１０Ａに代えて並列接続された検出素子１０Ａ（１）〜１０Ａ（３）を含み、検出素子１０Ｂに代えて並列接続された検出素子１０Ｂ（１）〜１０Ｂ（３）を含む。検出素子１０Ａ（１）〜１０Ａ（３），１０Ｂ（１）〜１０Ｂ（３）は、それぞれ磁界発生部３２Ａ（１）〜３２Ａ（３），３２Ｂ（１）〜３２Ｂ（３）によって生成されたバイアス磁界Ｈｂを受ける。
【０１４９】
また、検出素子１０Ａ（１）〜１０Ａ（３）の接合部の電圧は、スイッチ７１Ａに切替えられて差動増幅回路２３の−端子に与えられる。検出素子１０Ｂ（１）〜１０Ｂ（３）の接合部の電圧は、スイッチ７１Ｂに切替えられて差動増幅回路２３の＋端子に与えられる。スイッチ７１Ａ，７１Ｂの切替は制御部２５Ｅによって制御される。図２４の磁界検出装置４Ａのその他の構成は、図１９の磁界検出装置３と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【０１５０】
図２５は、図２４の磁界検出装置４Ａによる外部磁界Ｈｅｘの検出手順を示すフローチャートである。以下、図２４、図２５を参照して、外部磁界Ｈｅｘの検出手順について説明する。なお、図２５のフローチャートは、図２０のフローチャートで一部のステップを変更したものであるので、共通する部分については詳細な説明を繰返さない。
【０１５１】
図２５のステップＳ２０１で、制御部２５Ｅは、電流源３３Ａ，３３Ｂによって参照素子５０Ａ，５０Ｂの下部電極に５７Ａ，５７Ｂに十分大きいバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、参照素子５０Ａ，５０Ｂの自由層と固着層の磁化方向を反平行に固定する。
【０１５２】
次のステップＳ２０２で、制御部２５Ｅは、スイッチ７１Ａ，７１Ｂを切替えて、バイアス電流が最も大きくなる検出素子１０Ａ（３），１０Ｂ（３）の下部電極にバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、検出素子１０Ａ，１０Ｂの自由層と固着層の磁化方向を反平行にする。
【０１５３】
次のステップＳ２０３で、制御部２５Ｅの記憶部２７は、最小出力電圧Ｖｍｉｎおよび最小測定電圧ＶＬＬを記憶する。
【０１５４】
次のステップＳ２０４で、制御部２５Ｅは、電流源３１Ａ，３１Ｂによって検出素子１０Ａ（３），１０Ｂ（３）の下部電極に逆方向のバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、検出素子１０Ａ，１０Ｂの自由層と固着層の磁化方向を平行にする。
【０１５５】
次のステップＳ２０５で、制御部２５Ｅの記憶部２７は、最大出力電圧Ｖｍａｘおよび最大測定電圧ＶＨＬを記憶する。
【０１５６】
次のステップＳ２０６で、磁界検出装置３に既知の外部磁界Ｈｅｘが印加される。
次のステップＳ２０７Ａで、制御部２５Ｅは、スイッチ７１Ａ，７１Ｂを切替えながら、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔを取得する。そして、制御部２５Ｅは、出力電圧Ｖｏｕｔが最小測定電圧ＶＬＬと最大測定電圧ＶＨＬとの間になるようなスイッチ切替条件を探索する。
【０１５７】
次のステップＳ２０８Ａで、制御部２５Ｅの記憶部２７は、ステップＳ２０７Ａで探索したスイッチ切替条件をそのときの外部磁界Ｈｅｘに対応付けて記憶する。さらに、記憶部２７は、これらの外部磁界Ｈｅｘ、スイッチ切替条件のときに得られる出力電圧Ｖｏｕｔから算出された磁界感度（Ｈｅｘ／Ｖｏｕｔ）を記憶する。
【０１５８】
以上のステップＳ２０６〜Ｓ２０８は、所定数の既知の外部磁界Ｈｅｘについて繰返して実行される（ステップＳ２０９でＮＯ）。所定数の既知の外部磁界Ｈｅｘについての上記の測定が完了したら（ステップＳ２０９でＹＥＳ）、ステップＳ２１０に進む。
【０１５９】
ステップＳ２１０で、磁界検出装置３に未知の外部磁界Ｈｅｘが印加される。
次のステップＳ２１１Ａで、制御部２５Ｅは、スイッチ７１Ａ，７１Ｂによって、記憶部２７に記憶されたスイッチ切替条件のうちバイアス電流が最も小さい場合である検出素子１０Ａ（１），１０Ｂ（１）にバイアス電流の供給を切替える。そして、そのときの差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔを取得する。
【０１６０】
次のステップＳ２１２で、制御部２５Ｅは、取得した出力電圧Ｖｏｕｔが最小測定電圧ＶＬＬと最大測定電圧ＶＨＬとの間の線形領域にあるか否かを判定する。出力電圧Ｖｏｕｔが線形領域にない場合（ステップＳ２１２でＮＯ）、ステップＳ２１３Ａでスイッチを切替えて、ステップＳ２１１，Ｓ２１２を再度実行する。一方、出力電圧Ｖｏｕｔが線形領域にある場合（ステップＳ２１２でＹＥＳ）、ステップＳ２１４に進む。
【０１６１】
ステップＳ２１４では、制御部２５Ｅの演算部２６は、現在のスイッチ切替条件に対応する磁界感度を用いて、出力電圧Ｖｏｕｔから外部磁界Ｈｅｘの大きさを算出する。
【０１６２】
次のステップＳ２１５では、Ｓ２１４での外部磁界Ｈｅｘの検出後に、外部磁界Ｈｅｘが印加されていない状態で、制御部２５Ｅは、電流源３１Ａ，３１Ｂによって検出素子１０Ａ（３），１０Ｂ（３）の下部電極にバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、検出素子１０Ａ，１０Ｂの自由層と固着層の磁化方向を反平行にする。
【０１６３】
次のステップＳ２１６で、制御部２５Ｅの記憶部２７は、最小出力電圧Ｖｍｉｎを記憶する。
【０１６４】
次のステップＳ２１７で、制御部２５Ｅは、電流源３１Ａ，３１Ｂによって検出素子１０Ａ（３），１０Ｂ（３）の下部電極にバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、検出素子１０Ａ，１０Ｂの自由層と固着層の磁化方向を平行にする。
【０１６５】
次のステップＳ２１８で、制御部２５Ｅの記憶部２７は、最大出力電圧Ｖｍａｘを記憶する。
【０１６６】
次のステップＳ２１９で、演算部２６は、ステップＳ２０３の最小出力電圧Ｖｍｉｎ（１）、ステップＳ２０４の最大出力電圧Ｖｍａｘ（１）、ステップＳ２１６の最小出力電圧Ｖｍｉｎ（２）、およびステップＳ２１８の最大出力電圧Ｖｍａｘ（２）を用いて、ステップＳ２１４で算出した未知外部磁界Ｈｅｘの大きさの温度補正を行なう。こうして、未知の外部磁界Ｈｅｘの検出が完了する。
【０１６７】
以上の手順により、広い磁界範囲で、実施の形態３の場合よりもさらに良好な精度で磁界を測定することができる。また、実施の形態３の場合と同様に温度による感度の変化を補正することもできる。
【０１６８】
［実施の形態５］
実施の形態５の磁界検出装置５は、外部磁界Ｈｅｘの基板面内成分の方向を検知する。
【０１６９】
図２６は、この発明の実施の形態５による磁界検出装置５の構成を模式的に示す平面図である。図２６の磁界検出装置５は、図１８の参照素子５０Ａ，５０Ｂに代えて検出素子１０Ｃ，１０Ｄをそれぞれ設けた点で図１８の磁界検出装置３と異なる。また、図２６の磁界検出装置５において、検出素子１０Ａの固着層の磁化ベクトルＭｐの方向は−Ｘ方向であり、検出素子１０Ｂの固着層の磁化ベクトルＭｐの方向は＋Ｘ方向である。また、図２６の磁界検出装置５において、検出素子１０Ｃの固着層の磁化ベクトルＭｐの方向は＋Ｙ方向であり、検出素子１０Ｂの固着層の磁化ベクトルＭｐの方向は−Ｙ方向である。制御部２５Ｆは、これら４つの検出素子１０Ａ〜１０Ｄの素子抵抗に基づいて外部磁界の方向を検知する。その他の磁界検出装置５の構成は、図１８の磁界検出装置３の構成と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【０１７０】
図２７は、図２６の磁界検出装置５によって外部磁界Ｈｅｘの方向を検知する手順を示したフローチャートである。
【０１７１】
図２６、図２７を参照して、ステップＳ３０１で、制御部２５Ｆは、電流源３１Ａ，３１Ｂによって検出素子１０Ａ，１０Ｂの下部電極１７Ａ，１７Ｂに十分大きいバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、検出素子１０Ａ，１０Ｂの自由層と固着層の磁化方向を平行にする。また、制御部２５Ｆは、電流源３３Ａ，３３Ｂによって検出素子１０Ｃ，１０Ｄの下部電極１７Ｃ，１７Ｄに十分大きいバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、検出素子１０Ｃ，１０Ｄの自由層と固着層の磁化方向を反平行にする。
【０１７２】
次のステップＳ３０２で、制御部２５Ｆの記憶部２７は、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔを記憶する。このときの出力電圧Ｖｏｕｔは、最小出力電圧Ｖｍｉｎとなっている。
【０１７３】
次のステップＳ３０３で、制御部２５Ｆは、電流源３１Ａ，３１Ｂによって検出素子１０Ａ，１０Ｂの下部電極１７Ａ，１７Ｂに十分大きいバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、検出素子１０Ａ，１０Ｂの自由層と固着層の磁化方向を反平行にする。また、制御部２５Ｆは、電流源３３Ａ，３３Ｂによって検出素子１０Ｃ，１０Ｄの下部電極１７Ｃ，１７Ｄに十分大きいバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、検出素子１０Ｃ，１０Ｄの自由層と固着層の磁化方向を平行にする。
【０１７４】
次のステップＳ３０４で、制御部２５Ｆの記憶部２７は、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔを記憶する。このときの出力電圧Ｖｏｕｔは、最大出力電圧Ｖｍａｘとなっている。
【０１７５】
次のステップＳ３０５で、磁界検出装置５に未知の外部磁界Ｈｅｘが印加される。
次のステップＳ３０６で、制御部２５Ｆは、検出感度を考慮した所定の大きさのバイアス電流を検出素子１０Ａから１０Ｄに供給したときの、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔを取得して、記憶部２７に記憶させる。
【０１７６】
次のステップＳ３０７で、外部磁界Ｈｅｘの方向検知後で、外部磁界Ｈｅｘが印加されていない状態で、制御部２５Ｆは、電流源３１Ａ，３１Ｂによって検出素子１０Ａ，１０Ｂの下部電極１７Ａ，１７Ｂに十分大きいバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、検出素子１０Ａ，１０Ｂの自由層と固着層の磁化方向を平行にする。また、制御部２５Ｆは、電流源３３Ａ，３３Ｂによって検出素子１０Ｃ，１０Ｄの下部電極１７Ｃ，１７Ｄに十分大きいバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、検出素子１０Ｃ，１０Ｄの自由層と固着層の磁化方向を反平行にする。
【０１７７】
次のステップＳ３０８で、制御部２５Ｆの記憶部２７は、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔを記憶する。このときの出力電圧Ｖｏｕｔは、最小出力電圧Ｖｍｉｎとなっている。
【０１７８】
次のステップＳ３０９で、制御部２５Ｆは、電流源３１Ａ，３１Ｂによって検出素子１０Ａ，１０Ｂの下部電極１７Ａ，１７Ｂに十分大きいバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、検出素子１０Ａ，１０Ｂの自由層と固着層の磁化方向を反平行にする。また、制御部２５Ｆは、電流源３３Ａ，３３Ｂによって検出素子１０Ｃ，１０Ｄの下部電極１７Ｃ，１７Ｄに十分大きいバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、検出素子１０Ｃ，１０Ｄの自由層と固着層の磁化方向を平行にする。
【０１７９】
次のステップＳ３１０で、制御部２５Ｆの記憶部２７は、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔを記憶する。このときの出力電圧Ｖｏｕｔは、最大出力電圧Ｖｍａｘとなっている。
【０１８０】
次のステップＳ３１１で、演算部２６は、ステップＳ３０２の最小出力電圧Ｖｍｉｎ（１）、ステップＳ３０４の最大出力電圧Ｖｍａｘ（１）、ステップＳ３０８の最小出力電圧Ｖｍｉｎ（２）、およびステップＳ３０８の最大出力電圧Ｖｍａｘ（２）を用いて、ステップＳ３０６で取得した出力電圧Ｖｏｕｔの温度補正を行なう。具体的には、演算部２６は、ステップＳ３０６で取得した出力電圧Ｖｏｕｔに（Ｖｍａｘ（２）−Ｖｍｉｎ（２））／（Ｖｍａｘ（１）−Ｖｍｉｎ（１））を乗ずることによって、最終的な温度補正後の出力電圧Ｖｏｕｔを求める。
【０１８１】
次のステップＳ３１２で、演算部２６は、温度補正後の出力電圧Ｖｏｕｔを用いて、未知の外部磁界Ｈｅｘの方向を算出する。外部磁界Ｈｅｘの方向を算出する原理は以下のとおりである。
【０１８２】
前述の（１）式によれば、検出素子１０Ａ〜１０Ｄの抵抗値はＲA，ＲB，ＲC，ＲDは、
ＲA＝Ｒｍ＋(ΔＲ／２)×ｃｏｓθ
ＲB＝Ｒｍ＋(ΔＲ／２)×ｃｏｓ（θ＋１８０°）＝Ｒｍ−(ΔＲ／２)×ｃｏｓθ
ＲC＝Ｒｍ＋(ΔＲ／２)×ｃｏｓ（θ＋９０°）＝Ｒｍ−(ΔＲ／２)×ｓｉｎθ
ＲD＝Ｒｍ＋(ΔＲ／２)×ｃｏｓ（θ＋２７０°）＝Ｒｍ＋(ΔＲ／２)×ｓｉｎθ
と表わされる。したがって、ＲｍおよびΔＲの値を予め求めておけば、ＲAおよびＲCを用いて角θを算出することができる。ここで、ＲｍおよびΔＲの値は、素子抵抗の最大値と最小値を用いて計算することができる。
【０１８３】
以上の方法により、温度による感度の変化を補正しつつ、磁界方向を高精度に検出することができる。
【０１８４】
［実施の形態５の変形例］
図２８は、この発明の実施の形態５の変形例による磁界検出装置５Ａの構成を模式的に示す平面図である。図２８の磁界検出装置５Ａは、検出素子１０Ｂの固着層の磁化ベクトルＭｐの方向が−Ｘ方向であり、検出素子１０Ｄの固着層の磁化ベクトルＭｐの方向が＋Ｙ方向である点で、図１５の磁界検出装置５と異なる。固着層の磁化ベクトルＭｐの方向は、基板面内の回転方向に隣接する検出素子同士が互いに直交していればよいので、図２８の磁界検出装置５Ａによっても、図２６の磁界検出装置５と同様の作用効果を得ることができる。
【０１８５】
［実施の形態６］
図２９は、この発明の実施の形態６による回転角センサ６の構成を模式的に示す図である。図２９の回転角センサ６は、実施の形態５の磁界検出装置５を応用したものである。
【０１８６】
図２９を参照して、回転角センサ６は、回転軸８２の先端に取り付けられた永久磁石８１と、基板８３上に形成された検出素子８３Ａ〜８３Ｄと、制御部８４とを含む。検出素子８３Ａ〜８３Ｄおよび制御部８４が実施の形態５の磁界検出装置５に対応する。磁界検出装置５は、永久磁石８１の回転によって生じる回転磁界のように、磁界の大きさが概略一定で磁界の方向が変化する場合に、磁界の印加方向を高精度に測定することができる。
【０１８７】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この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。
【符号の説明】
【０１８８】
１〜５ 磁界検出装置、１０ 検出素子（ＴＭＲ素子）、５０ 参照素子（ＴＭＲ素子）、１２ 反強磁性層、１２Ａ 磁性層、１４，５４ トンネル絶縁層、１３ 強磁性層（固着層）、１５ 強磁性層（自由層）、１７，５７ 下部電極、１８，５８ 上部電極、２０ 測定部、２１ 電圧源、２３ 差動増幅回路、２４ 参照電圧源、２５ 制御部、２６ 演算部、２７ 記憶部、３１，３３ 電流源、３２，３４ 磁界発生部、４０ 基板、７１ スイッチ、Ｈｂ バイアス磁界、Ｉｂ バイアス電流、Ｈｅｘ 外部磁界、Ｍｆ 磁化ベクトル（自由層）、Ｍｐ 磁化ベクトル（固着層）。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、磁気抵抗効果を利用して外部から印加された磁界を検出する磁界検出装置および磁界検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
外部から印加された磁界を検出する磁界検出素子として、ホール素子のほかに磁気抵抗効果素子が知られている。磁気抵抗効果素子には、金属の磁気抵抗効果を利用したＡＭＲ（Anisotropic Magneto-Resistance）素子、巨大磁気抵抗効果を利用したＧＭＲ（Giant Magneto-Resistance）素子、およびトンネル磁気抵抗効果を利用したＴＭＲ（Tunnel Magneto-Resistance）素子などがある。特に、他に比べて大きなＭＲ比が得られるＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子が注目されている。
【０００３】
特公平８−２１１６６号公報（特許文献１）は、スピンバルブ構造を有したＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子について開示する。スピンバルブ構造の磁気抵抗効果素子は、非磁性の薄膜層によって仕切られた強磁性体の第１の薄膜層（自由層）および第２の薄膜層（固着層）を有する。印加磁界が０の場合、強磁性体の第１の薄膜層の磁化方向は、強磁性体の第２の薄膜層の磁化方向に対して直交するように設定され、強磁性体の第２の薄膜層の磁化方向は固定されている。第２の薄膜層の磁化方向を固定させるために、高電気抵抗の反強磁性体の薄膜層が強磁性体の第２の薄膜層に直接、接触して付着される。代替構造として、反強磁性体の薄膜層を、高飽和保磁力かつ高電気抵抗を有する強磁性の層にすることもできる。
【０００４】
また、特開２００５−２３６１３４号公報（特許文献２）に開示される磁気抵抗効果素子では、一定方向に固着された磁化方向を有する固着層と、外部磁界に応じて変化し、かつ、この外部磁界が０のときに固着層の磁化方向と平行となる磁化方向を示す自由層と、固着層と自由層との間に挟まれた中間層とを含む積層体が設けられる。この磁気抵抗効果素子ではさらに、固着層の磁化方向と直交する方向にバイアス磁界を印加するために、永久磁石または固着層の磁化方向に延びるバイアス電流ラインが設けられる。適切な強さのバイアス磁界を印加することによって外部磁界に対する読出電流の抵抗変化を線形とすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平８−２１１６６号公報
【特許文献２】特開２００５−２３６１３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、磁気抵抗効果素子に隣接して電流線を設置してバイアス磁界を印加する場合、電流線と磁気抵抗効果素子との間の電気的な絶縁を保つために絶縁膜を設ける必要がある。絶縁膜の絶縁性および耐久性は絶縁膜の膜厚を厚くするほど向上する。
【０００７】
一方、一様な電流Ｉから距離ｒだけ離れた場所に発生する磁界Ｈは、アンペアの法則によって、Ｈ＝Ｉ/（2πｒ）で与えられる。ここで、πは円周率である。したがって、絶縁膜を厚くするほど電流線と磁気抵抗効果素子の間の距離ｒが大きくなるので、バイアス磁界を一定に保つためには電流線に流す電流Ｉを増加させる必要がある。
【０００８】
上記の理由で、絶縁膜の絶縁性や耐久性をより向上させるために膜厚を厚くするほど、磁気抵抗効果素子に所望のバイアス磁界を印加するのに必要な電流が増大することになる。このため、磁界検出装置の消費電力が増大してしまうという問題がある。
【０００９】
この発明は、かかる課題を解決されるためになされたものである。この発明の目的は、消費電力が小さくかつ磁界の検出精度の高い磁界検出装置および磁界検出方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は要約すれば、外部磁界を検出するための磁界検出装置であって、１または複数の検出素子と、バイアス電流供給部と、測定部と、演算部とを備える。１または複数の検出素子の各々は、外部磁界に応じて磁化方向が変化する第１の強磁性体膜、磁化方向が一定の第２の強磁性体膜、およびこれらの強磁性体膜の間に挟まれたトンネル絶縁膜を含むトンネル磁気抵抗効果素子である。バイアス電流供給部は、１または複数の検出素子の各々に対して、第１の強磁性体膜の磁化方向を変化させるために、第１および第２の強磁性体膜のいずれかに膜面方向のバイアス電流を供給する。測定部は、１または複数の検出素子の各々において、第１の強磁性体膜の磁化方向の変化に応じた検出素子の電気特性を測定する。演算部は、測定部で測定された１または複数の検出素子の各々の電気特性に基づいて外部磁界を算出する。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、トンネル磁気抵抗効果素子の一方の電極にバイアス電流を流すので、別途バイアス電流用の配線層を設ける場合に比べて、より少ない消費電力でバイアス磁界をトンネル磁気抵抗効果素子に印加することができる。また、外部磁界に応じてバイアス磁界の大きさを変化させることによって、磁界検出精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１による磁界検出装置１の構成を示す模式的に示す平面図である。
【図２】図１の磁界検出装置１の構成を模式的に示す模式的に示す斜視図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図４】検出素子１０の接合部の構成を詳しく示す断面図である。
【図５】外部磁界Ｈｅｘとバイアス磁界Ｈｂとが平行の場合における外部磁界Ｈｅｘと素子抵抗Ｒとの関係を示す図である。
【図６】外部磁界Ｈｅｘとバイアス磁界Ｈｂとが垂直の場合における外部磁界Ｈｅｘと素子抵抗との関係を示す図である。
【図７】外部磁界Ｈｅｘおよびバイアス磁界Ｈｂの方向と磁化方向との関係を説明するための図である。
【図８】図１の磁界検出装置１の動作を説明するための図である。
【図９】図１の磁界検出装置１による外部磁界Ｈｅｘの検出手順を示すフローチャートである。
【図１０】実施の形態１の変形例１による外部磁界Ｈｅｘの検出方法を説明するための図である。
【図１１】実施の形態１の変形例１による外部磁界Ｈｅｘの検出手順を示すフローチャートである。
【図１２】実施の形態１の変形例２によるＴＭＲ素子の構成を示す断面図である。
【図１３】実施の形態１の変形例３によるＴＭＲ素子の構成を示す断面図である。
【図１４】この発明の実施の形態２による磁界検出装置２の構成を模式的に示す平面図である。
【図１５】図１４の磁界検出装置２の要部の構成を模式的に示す模式的に示す斜視図である。
【図１６】この発明の実施の形態２の変形例による磁界検出装置２Ａの構成を模式的に示す平面図である。
【図１７】図１６の磁界検出装置２Ａの要部の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１８】この発明の実施の形態３による磁界検出装置３の構成を模式的に示す平面図である。
【図１９】図１８の磁界検出装置３の動作を説明するための図である。
【図２０】図１８、図１９の磁界検出装置３による外部磁界Ｈｅｘの検出手順を示すフローチャートである。
【図２１】この発明の実施の形態３の変形例１による磁界検出装置３Ａの構成を模式的に示す平面図である。
【図２２】この発明の実施の形態３の変形例２による磁界検出装置３Ｂを構成および動作を説明するための図である。
【図２３】この発明の実施の形態４による磁界検出装置４の構成を模式的に示す平面図である。
【図２４】この発明の実施の形態４による磁界検出装置４Ａの動作を説明するための図である。
【図２５】図２４の磁界検出装置４Ａによる外部磁界Ｈｅｘの検出手順を示すフローチャートである。
【図２６】この発明の実施の形態５による磁界検出装置５の構成を模式的に示す平面図である。
【図２７】図２６の磁界検出装置５によって外部磁界Ｈｅｘの方向を検知する手順を示したフローチャートである。
【図２８】この発明の実施の形態５の変形例による磁界検出装置５Ａの構成を模式的に示す平面図である。
【図２９】この発明の実施の形態６による回転角センサ６の構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。
【００１４】
［実施の形態１］
（磁界検出装置１の構成）
図１は、この発明の実施の形態１による磁界検出装置１の構成を示す模式的に示す平面図である。
【００１５】
図２は、図１の磁界検出装置１の構成を模式的に示す模式的に示す斜視図である。
図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。以下、図１〜図３を参照して、磁界検出装置１の構成について説明する。なお、以下の説明では、座標軸の方向をＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向で表わす。単にＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向と記載したときは＋方向と−方向の両方向を意味するものとし、＋方向と−方向を区別して方向を表示するときは＋Ｘ方向、−Ｘ方向のように符号を付して記載するものとする。
【００１６】
磁界検出装置１は、磁界を検出する検出素子１０と、電圧源２１と、抵抗素子２２と、差動増幅回路２３と、参照電圧源２４と、制御部２５と、バイアス電流供給部としての電流源３１とを含む。ここで、電圧源２１、抵抗素子２２、差動増幅回路２３、および参照電圧源２４は、検出素子１０の抵抗値を測定するための測定部２０を構成する。
【００１７】
検出素子１０は、基板４０上に形成されたトンネル磁気抵抗効果素子(ＴＭＲ素子)であり、絶縁層１４を挟んで上部に位置する上部電極１８と下部に位置する下部電極１７とを含む。検出素子１０の上部電極１８は、コンタクトホールに形成された導電部４６を介在して配線層４３と接続される。配線層４３は、基板４０上に形成された測定部２０と電気的に接続される。図２には、測定部２０を構成する半導体素子の代表としてＭＯＳ（Metal-Oxide Semiconductor）トランジスタ２９が示されている。
【００１８】
また、検出素子１０の下部電極１７は、コンタクトホールに形成された導電部４４を介在して配線層４１と接続され、コンタクトホールに形成された導電部４５を介在して配線層４２と接続される。配線層４１は電流源３１と接続され、配線層４２は接地ＧＮＤに接続される。図２には、電流源３１を構成する半導体素子の代表としてＭＯＳトランジスタ３９が示される。また、コンタクトホールに形成された導電部４４および導電部４５は、検出素子１０の接合部を跨いでＹ軸方向の両側に設けられる。
【００１９】
上記の配線層４１〜４３は、導電性の材料で形成されていればよいが、シリコン集積回路などで使用される配線材料で形成されるのが好ましい。たとえば、Ａｌ、ＡｌＳｉ、ＡｌＳｉＣｕ、ＡｌＣｕなどの材料で形成される。コンタクトホールに形成された導電部４４〜４６についても、導電性の材料で形成されていいればよいが、好ましくはＷ，Ｔｉ，Ｃｏ，Ｓｉ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｒｕ，Ｐｔ，Ａｕなどを含む導電性の金属材料で形成される。
【００２０】
図４は、検出素子１０の接合部の構成を詳しく示す断面図である。図４を参照して、検出素子１０は、基板側から順に、非磁性導体１１、反強磁性層１２、強磁性層（固着層）１３、絶縁層１４、強磁性層（自由層）１５、および非磁性導体１６が積層されて形成される。非磁性導体１１、反強磁性層１２、および強磁性層１３が下部電極１７に含まれ、強磁性層（自由層）１５および非磁性導体１６が上部電極に含まれる。
【００２１】
強磁性層（固着層）１３の磁化方向は、反強磁性層１２との交換結合により１方向に固定されている。一方、強磁性層（自由層）１５の磁化方向は外部磁場に応じて変化する。このようなスピンバルブ構造を有した磁気抵抗素子の抵抗は、強磁性層（固着層）１３の磁化方向と強磁性層（自由層）１５の磁化方向とのなす角度に応じて変化する。つまり、外部磁界に影響されて強磁性層（自由層）１５の磁化方向が変化することによって素子抵抗が変化する。このため、外部磁界を素子抵抗によって検知することが可能になる。
【００２２】
一般に、ＴＭＲ素子では自由層の磁化方向と固着層の磁化方向とが平行の場合に抵抗は最小値となり、自由層の磁化方向と固着層の磁化方向とが反平行の場合に抵抗は最大値となる。なお、ＴＭＲ素子の場合、各層の厚みが素子のパターンサイズに対して１／１００以下であり形状異方性の影響を強く受ける。したがって、基板４０に垂直方向（図１〜図３のＺ軸方向）に磁化方向を変化させることは非常に難しく、強磁性層（自由層）１５の磁化方向は基板面内方向に限られる。また、基板４０に垂直方向に外部磁界を印加した場合には、強磁性層（自由層）１５の磁化方向の変化は無視できるので、結果として素子抵抗の変化も無視できる。
【００２３】
上記のＴＭＲ素子の構造は、たとえば、反強磁性層１２としてＩｒＭｎ、強磁性層（固着層）１３としてＮｉＦｅまたはＣｏＦｅ、絶縁層１４としてＡｌ2Ｏ3、強磁性層（自由層）１５としてＮｉＦｅを用いることによって構成できる。この他、反強磁性層１２として、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎを用いることができる。また、強磁性層１３，１５として、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金、ＣｏＦｅＮｉ合金、などのＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅを主成分として含む金属や、ＮｉＭｎＳｂ、Ｃｏ2ＭｎＧｅなどの合金などを用いることができる。ＴＭＲ素子として所望の性能が得られる材料であれば特段の制約はない。また、トンネル絶縁膜として用いられる絶縁層１４は、非磁性層の絶縁体であればよい。たとえば、絶縁層１４として、Ｔａ2Ｏ5、ＳｉＯ2、ＭｇＯなどの金属の酸化物や、弗化物などを用いることができる。
【００２４】
なお、実施の形態１の場合と異なり、強磁性層（自由層）１５が下部電極に含まれ、強磁性層（固着層）１３および反強磁性層１２が上部電極に含まれるように構成することもできる。また、強磁性層（自由層）１５は、図４のように単一の磁性層であってもよいし、図４と異なって２種類以上の磁性層が積層された構造であってもよい。
【００２５】
また、上記の各層は、たとえばＤＣマグネトロンスパッタリングにより形成される。その他、分子線エピタキシー(ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy)法、各種スパッタ法、化学気相成長(ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition)法、蒸着法などによって各層を形成してもよい。
【００２６】
上記の素子構造は、たとえば、フォトリソグラフィーによるパターンニングとエッチングとよって作製される。この場合、積層膜を形成後、フォトリソグラフィーを用いてフォトレジストによる所望のパターンを形成する。その後、パターンニングされたフォトレジストをマスクにしてイオンミリングもしくは反応性イオンエッチングにより素子の形状が得られる。なお、フォトリソグラフィーに代えて電子線リソグラフィーを用いても良いし、集束イオンビーム加工を用いてもよい。
【００２７】
再び図１〜図３を参照して、測定部２０の構成について説明する。図１の抵抗素子２２および電圧源２１は、配線層４３と配線層４２との間に直列に接続される。また、配線層４３は差動増幅回路２３の＋端子に接続される。一方、差動増幅回路２３の−端子には、参照電圧源２４によって参照電圧Ｖｒｅｆが与えられる。差動増幅回路２３は、抵抗素子２２および検出素子１０の接続ノードＮｄ１の電圧Ｖｄ１と参照電圧Ｖｒｅｆとの差を増幅して制御部２５に出力する。
【００２８】
上記のように検出素子１０と抵抗素子２０とからなるハーフブリッジを構成することによって、検出素子１０の上部電極１８と下部電極１７との間の抵抗値に応じた大きさの出力電圧Ｖｏｕｔが制御部２５に出力される。
【００２９】
制御部２５は、コンピュータによって構成され、演算部２６と記憶部２７とを含む。演算部２６は、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて未知の外部磁界の大きさを算出する。具体的な算出方法は、図８、図９を参照して後述する。記憶部２７は、差動増幅回路２３の出力など演算部２６の処理に必要なデータを記憶する。また、制御部２５は、電圧源２１および電流源３１の動作を制御する。なお、実施の形態１の場合と異なり、演算部２６を演算増幅器などを利用してアナログ回路で構成することもできる。
【００３０】
電流源３１は、配線層４１と配線層４２との間に接続される。電流源３１によって下部電極１７にＹ軸方向のバイアス電流Ｉｂを流すことによって、検出素子１０の接合部にはＸ軸方向のバイアス磁界Ｈｂが印加される。
【００３１】
実施の形態１の磁界検出装置１では、未知の外部磁界に加えてバイアス磁界Ｉｂを印加できるので、後述するように磁界の感度を調整することが可能になり、測定誤差を低減させて精度よく外部磁界を検出することができる。また、強磁性層（自由層）１５に直近の下部電極１７にバイアス電流Ｉｂを流すので、わずかの電流でＴＭＲ素子に磁界を印加することが可能であり、消費電力の節約ができる。
【００３２】
たとえば、検出素子１０に対して２０Ｏｅのバイアス磁界Ｈｂを印加することを考える。この場合、検出素子１０を保護するために０．１μｍの絶縁膜を介して設けられた配線に電流を流す場合には、アンペアの法則により１ｍＡのバイアス電流Ｉｂが必要である。
【００３３】
一方、検出素子１０の下部電極１７に電流を流す場合には、バイアス電流Ｉｂを小さくすることができる。たとえば、非磁性導体１１の比抵抗が下部電極１７を構成する他の層（反強磁性層１２および強磁性層１３）の比抵抗よりも十分小さいために、下部電極１７を流れるバイアス電流Ｉｂが主として非磁性導体１１を流れる場合を考える。この場合、反強磁性層１２および強磁性層１３の全体の厚みを１０ｎｍとすると、絶縁層１４よりも１０ｎｍ下の位置に形成された非磁性導体１１に主としてバイアス電流Ｉｂが流れることになる。したがって、０．１ｍＡのバイアス電流Ｉｂで上記の場合と略同じ２０Ｏｅのバイアス磁界Ｈｂを得ることができ、低消費電力化が可能になる。特に後述する参照素子のように大きな電流を印加する場合に顕著な効果がある。
【００３４】
（磁界検出装置１の動作）
次に、磁界検出装置１の動作について説明する。
【００３５】
実施の形態１の磁界検出装置１では、図４の強磁性層（自由層）１５の磁化方向は、外部磁界Ｈｅｘおよびバイアス磁界Ｈｂによって決まる。また、検出素子１０（ＴＭＲ素子）の抵抗値は、強磁性層（自由層）１５の磁化方向と強磁性層（固着層）１３の磁化方向とのなす角度に応じて変化する。
【００３６】
まず、外部磁界Ｈｅｘの方向とバイアス磁界Ｈｂの方向とが平行または反平行の場合（外部磁界Ｈｅｘ方向とバイアス電流Ｉｂの方向とが垂直の場合）について説明する。この場合、外部磁界Ｈｅｘに応じた適切な大きさのバイアス磁界Ｈｂを生成することによって、検出素子１０（ＴＭＲ素子）で測定可能な外部磁界Ｈｅｘの範囲をシフトすることができる。
【００３７】
図５は、外部磁界Ｈｅｘとバイアス磁界Ｈｂとが平行の場合における外部磁界Ｈｅｘと素子抵抗Ｒとの関係を示す図である。
【００３８】
図５を参照して、検出素子１０（ＴＭＲ素子）は、バイアス磁界Ｈｂが存在しない場合において、−Ｈｋ〜Ｈｋ（Ｈｋ：飽和磁界）の範囲内で線形領域を有する（図５の破線）。外部磁界ＨｅｘがＨｅｘ≦−ＨｋまたはＨｅｘ≧Ｈｋとなる飽和領域では、自由層の磁化方向と固着層の磁化方向とが平行または反平行となって素子抵抗Ｒが外部磁界Ｈｅｘに依存しなくなる。−Ｈｋ〜Ｈｋの線形領域における素子抵抗Ｒの変化量をΔＲとし、素子抵抗Ｒの最大値と最小値の平均値をＲｍとすると、素子抵抗Ｒの最大値はＲｍ＋ΔＲ／２と表わされ、素子抵抗Ｒの最小値はＲｍ−ΔＲ／２と表わされる。最も大きな抵抗変化ΔＲを得るためには、固着層の磁化方向が外部磁界Ｈｅｘの方向と平行または反平行であり、外部磁界Ｈｅｘが０のときの自由層の磁化方向は固着層の磁化方向と垂直であることが望ましい。
【００３９】
ここで、たとえば、外部磁界Ｈｅｘの大きさを測定する場合には、外部磁界Ｈｅｘの大きさと抵抗値Ｒ、すなわち外部磁界Ｈｅｘと検出信号とが比例関係にあることが望ましい。そのため、外部磁界Ｈｅｘの大きさを測定する場合には、検出素子１０（ＴＭＲ素子）が線形領域となる範囲（−Ｈｋ〜Ｈｋ）が測定可能範囲となる。このとき、バイアス磁界Ｈｂを外部磁界Ｈｅｘと反平行の方向に印加することで、検出素子１０（ＴＭＲ素子）の線形領域は、（−Ｈｋ−Ｈｂ）〜（＋Ｈｋ−Ｈｂ）の範囲へ移動する。すなわち、磁界検出装置１の測定可能範囲は、バイアス磁界Ｈｂ分だけシフトする。
【００４０】
このように、測定対象の外部磁界Ｈｅｘの変動範囲に応じて、適切な大きさバイアス電流Ｉｂを流してバイアス磁界Ｈｂを生成することによって、磁界検出装置１は、大きな直流成分を含む外部磁界Ｈｅｘに対して、微小な交流成分を検出することができる。
【００４１】
次に、外部磁界Ｈｅｘの方向とバイアス磁界Ｈｂの方向とが垂直の場合（外部磁界Ｈｅｘ方向とバイアス電流Ｉｂの方向とが平行または反平行の場合）について説明する。この場合、バイアス磁界Ｈｂは、自由層の磁化ベクトルをバイアス磁界Ｈｂの方向へ保持するように機能する。すなわち、自由層の磁化ベクトルは、バイアス磁界Ｈｂによりその向きの変化を妨げされられるので、外部磁界Ｈｅｘに対する自由層の磁化ベクトルの応答性（感度）が低下する。この結果、バイアス磁界Ｈｂが増加するにつれて、外部磁界Ｈｅｘに対する検出素子１０（ＴＭＲ素子）の抵抗値Ｒの変化率（ｄＲ／ｄＨｅｘ：感度）が小さくなる。
【００４２】
図６は、外部磁界Ｈｅｘとバイアス磁界Ｈｂとが垂直の場合における外部磁界Ｈｅｘと素子抵抗との関係を示す図である。
【００４３】
図６を参照して、検出素子１０（ＴＭＲ素子）は、バイアス磁界Ｈｂが存在しない場合において、−Ｈｋ〜Ｈｋ（Ｈｋ：飽和磁界）の範囲内で線形領域を有する（図６の破線）。一方、バイアス電流Ｉｂによってバイアス磁界Ｈｂが生成されると、検出素子１０（ＴＭＲ素子）の線形領域は、−Ｈｋｂ〜Ｈｋｂ（Ｈｋｂ：バイアス磁界Ｈｂを受けた場合における飽和磁界）へ拡大する（図６の実線）。
【００４４】
図５の場合と同様に、外部磁界Ｈｅｘの大きさを測定する場合には、検出素子１０（ＴＭＲ素子）が線形領域となる範囲が測定可能範囲となる。そのため、バイアス磁界Ｈｂを印加することで、磁界検出装置１の測定可能範囲は、Ｈｋｂ／Ｈｋ倍だけ拡大することになる。
【００４５】
このように、外部磁界Ｈｅｘの方向とバイアス磁界Ｈｂの方向とが垂直の場合には、測定対象の外部磁界Ｈｅｘの変動量に応じて、適切なバイアス磁界Ｈｂを選択することで、磁界検出装置１は、その測定範囲を拡大させ、より広い範囲の外部磁界Ｈｅｘを検出することができる。
【００４６】
次に、外部磁界Ｈｅｘの方向とバイアス磁界Ｈｂの方向とが垂直の場合（外部磁界Ｈｅｘ方向とバイアス電流Ｉｂの方向とが平行または反平行の場合）で、自由層が飽和状態である場合について説明する。この場合、外部磁界の大きさに拘らず、検出素子１０（ＴＭＲ素子）の抵抗値は固着層の磁化ベクトルと自由層の磁化ベクトルとのなす角度で決定される。すなわち、抵抗値Ｒは、固着層の磁化ベクトルと自由層の磁化ベクトルとのなす角度θとして、（１）式で表される。
【００４７】
Ｒ＝Ｒｍ＋(ΔＲ／２)×ｃｏｓθ …(1)
図７は、外部磁界Ｈｅｘおよびバイアス磁界Ｈｂの方向と磁化方向との関係を説明するための図である。
【００４８】
図７を参照して、固着層の磁化ベクトルＭｐの方向はＹ軸方向に固定される。また、Ｙ軸方向に外部磁界Ｈｅｘが印加され、バイアス電流をＹ軸方向に流すことによって、自由層を含む上部電極１８には、Ｘ軸方向のバイアス磁界Ｈｂが印加される。この結果、自由層の磁化ベクトルＭｆの方向は、外部磁界Ｈｅｘとバイアス磁界Ｈｂとの合成磁界Ｈの方向に一致する。結果として、固着層の磁化ベクトルＭｐと自由層の磁化ベクトルＭｆとのなす角θによって、上式（１）のように素子抵抗Ｒが決まる。
【００４９】
ここで、上記のようにバイアス磁界Ｈｂによってある一定以上の磁界を自由層に印加するようにすれば、磁界に対する素子抵抗Ｒのヒステリシスを非常に小さくすることができる。この理由は次のとおりである。
【００５０】
一般に、ヒステリシスは磁区の生成／消滅と磁壁の移動によって説明できる。磁界がほとんどかからない状態では、磁区を形成したほうが系の自由エネルギーが小さくなるのでヒステリシスが生じることになる。これに対して、ある一定以上のバイアス磁界Ｈｂをかけて自由層のスピンをできるだけ単一磁区になるようにすれば、磁化過程をほぼ磁化ベクトルの回転のみとすることができる。この結果、ヒステリシスを抑制することができる。
【００５１】
なお、自由層の磁化ベクトルの方向は形状異方性の影響も受ける。図１、図７の場合、自由層を含む上部電極１８の形状を簡単のため正方形としている。これに対して、形状異方性の影響を抑制するために上部電極１８の形状を円形とすることもできる。
【００５２】
あるいは、逆に、上部電極１８の形状を長方形とし、長辺を短辺に比べてかなり長くすることで形状異方性の影響を大きくすることができる。これによって、自由層に形成された各磁区の磁化方向が概略揃うので、ヒステリシスの影響を抑制することができる。
【００５３】
（磁界検出装置１による外部磁界の検出手順）
以下、磁界検出装置１によって外部磁界Ｈｅｘの大きさを検出する具体的に手順について説明する。以下の例は、外部磁界Ｈｅｘの方向とバイアス磁界Ｈｂの方向とが垂直の場合（外部磁界Ｈｅｘ方向とバイアス電流Ｉｂの方向とが平行または反平行の場合）である。
【００５４】
図８は、図１の磁界検出装置１の動作を説明するための図である。図８では、バイアス磁界Ｈｂを生成するための磁界発生部３２が示されている。実施の形態１の場合、磁界発生部３２は検出素子１０の下部電極１７である。磁界発生部３２によって、検出素子１０にバイアス磁界Ｈｂが生成される。なお、磁界発生部３２として、バイアス電流Ｉｂの供給用の電流線を下部電極１７と独立に設けた場合も、以下に示す手順によって外部磁界Ｈｅｘを検出することできる。
【００５５】
図８を参照して、外部磁界Ｈｅｘの方向をＸ軸方向とし、バイアス磁界Ｈｂの方向をＸ軸方向とする。このとき、バイアス電流Ｉｂの方向はＹ軸方向になる。また、固着層の磁化ベクトルＭｐの方向をＸ軸方向（外部磁界Ｈｅｘの方向に対して平行または反平行）とする。また、自由層の磁化ベクトルＭｆの方向は、外部磁界Ｈｅｘおよびバイアス磁界Ｈｂがいずれも印加されていない場合、形状異方性を利用して、Ｙ軸方向になるようにする。すなわち、自由層の磁化ベクトルＭｆの方向は、固着層の磁化ベクトルＭｐの方向と直交するようにする。
【００５６】
原理的には、自由層の磁化方向は任意の一定方向、たとえば、Ｘ軸方向とＹ軸方向との間の４５度の方向であれば以下に示す方法で未知の外部磁界Ｈｅｘを測定可能である。しかしながら、前述の式（１）に示すように、磁気トンネル抵抗は自由層の磁化方向と固着層の磁化方向とのなす角θの余弦（ｃｏｓθ）で決まる。したがって、磁界が０の状態のときの自由層の磁化方向をＹ軸方向にすることによって、固着層の磁化方向と自由層の磁化方向とを直交（θ＝９０°）させたほうが磁界に対する応答性がほぼ線形になって良好になるので好ましい。
【００５７】
図９は、図１の磁界検出装置１による外部磁界Ｈｅｘの検出手順を示すフローチャートである。以下、図８、図９を参照して、外部磁界Ｈｅｘの検出手順について説明する。なお、制御部２５の記憶部２７には、複数の既知の外部磁界Ｈｅｘに対して下記と同様の手順で測定した測定結果が記憶されているとする。
【００５８】
図９のステップＳ１０１で、外部磁界Ｈｅｘおよびバイアス磁界Ｈｂがいずれも印加されていない場合（Ｈｅｘ＝０，Ｈｂ＝０）に、制御部２５は、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔ（１）をＡ／Ｄ（Analog to Digital）変換して記憶部２７に記憶させる。
【００５９】
次のステップＳ１０２で、磁界検出装置１に未知の外部磁界Ｈｅｘが印加される。
次のステップＳ１０３で、制御部２５は、このときの差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔ（２）に基づいてバイアス電流Ｉｂの初期値を決定する。具体的には、制御部２５は、記憶部２７に記憶された既知の外部磁界に対する測定結果の中から、類似の出力電圧が得られたときに設定したバイアス電流Ｉｂの値を初期値として選択する。
【００６０】
次のステップＳ１０４で、制御部２５は、電流源３１よってステップＳ１０３で決定したバイアス電流Ｉｂの初期値を下部電極１７に供給する。これによって、バイアス磁界Ｈｂが発生する。制御部２５は、このときの差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔ（３）をＡ／Ｄ変換して記憶部２７に記憶させる。
【００６１】
次のステップＳ１０４で、制御部２５は、ステップＳ１０１で記憶した出力電圧Ｖｏｕｔ（１）とステップＳ１０４で記憶した出力電圧Ｖｏｕｔ（３）との差の絶対値が所定の閾値以内となるか否かを判定する。所定の閾値を超える場合（ステップＳ１０５でＮＯ）、ステップＳ１０６に進む。そして、ステップＳ１０６で制御部２５は、出力電圧Ｖｏｕｔ（１）と出力電圧Ｖｏｕｔ（３）との差の絶対値が小さくなるようにバイアス電流Ｉｂの値を変更する。その後、ステップＳ１０４，Ｓ１０５を再度実行する。
【００６２】
一方、ステップＳ１０４で、出力電圧Ｖｏｕｔ（１）と出力電圧Ｖｏｕｔ（３）との差の絶対値が所定の閾値以下の場合（ステップＳ１０５でＹＥＳ）、制御部２５は処理をステップＳ１０７に進める。そして、ステップＳ１０７で制御部２５は、現在のバイアス電流Ｉｂの値に予め設定された換算係数Ｋ０を掛けることによって外部磁界Ｈｅｘの大きさを算出する。
【００６３】
ここで、換算係数Ｋ０は、既知の外部磁界Ｈｅｘ０に対して上記と同様の処理を行なったときに得られたバイアス電流Ｉｂの値をＩｂ０としたとき、Ｋ０＝Ｈｅｘ０／Ｉｂ０によって求めることができる。好ましくは、複数の既知の外部磁界に対して上記と同様の手順によって複数のバイアス電流Ｉｂをそれぞれ決定し、各外部磁界と対応するバイアス電流との比によって求めた換算係数を予め記憶部２７に記憶しておく。そして、未知の外部磁界Ｈｅｘに対して得られたバイアス電流Ｉｂに最も近い場合を選び出して実際に使用する換算係数を決定してもよい。あるいは、未知の外部磁界Ｈｅｘから得られたバイアス電流に基づいて、記憶部２７に記憶された複数の換算係数を補間することによって実際に使用する換算係数を決定してもよい。
【００６４】
（まとめ）
以上のとおり、実施の形態１の磁界検出装置１によれば、検出素子１０（ＴＭＲ素子）の一方の電極である下部電極１７にバイアス電流Ｉｂを流すので、別途バイアス電流用の配線層を設ける場合に比べて、より少ない消費電力で検出素子１０（ＴＭＲ素子）にバイアス磁界Ｈｂを印加することができる。また、外部磁界Ｈｅｘに応じてバイアス磁界Ｈｂの大きさを変化させることによって、検出素子１０（ＴＭＲ素子）の線形領域をシフトさせたり、磁界感度を変化させたりすることができ、これによって磁界検出精度を向上させることができる。
【００６５】
［実施の形態１の変形例１］
図１０は、実施の形態１の変形例１による外部磁界Ｈｅｘの検出方法を説明するための図である。図１０の変形例１の磁界検出装置１Ａは、Ｘ軸方向にバイアス磁界Ｈｂ１，Ｈｂ２を印加する磁界発生部３２に加えて、Ｙ軸方向にバイアス磁界Ｈｂ０を印加する磁界発生部３５をさらに含む点で、図８の磁界検出装置１と異なる。また、図１０では、未知の外部磁界Ｈｅｘの方向をＸ軸方向とし、固着層の磁化ベクトルＭｐの方向をＸ軸方向（外部磁界Ｈｅｘの方向に対して平行または反平行）とする。その他の、図１０の磁界検出装置１Ａの構成は図８の磁界検出装置１の構成と共通するので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
【００６６】
磁界発生部３５は、たとえば、検出素子１０（ＴＭＲ素子）の近傍に永久磁石を配置することによって実現できる。磁界発生部３５によるバイアス磁界Ｈｂ０は、自由層の飽和磁界Ｈｋ（図５、図６参照）以上に設定される。図７で説明したように、これによって単一の磁区が形成されるので素子抵抗Ｒのヒステリシスを非常に小さくすることができる。
【００６７】
外部磁界Ｈｅｘが印加されていない状態では、バイアス磁界Ｈｂ０を印加することによって自由層の磁化方向Ｍｆと固着層の磁化方向Ｍｐとを概略直交させる。この状態で外部磁界Ｈｅｘが印加された場合、図７に関連して説明したように、素子抵抗Ｒは、前述の（１）式に従って固着層の磁化ベクトルＭｐと自由層の磁化ベクトルＭｆとのなす角θによって決まる。したがって、測定された素子抵抗Ｒから、（１）式に従って角θを算出すれば、Ｈｅｘ＝Ｈｂ０／ｔａｎθによって外部磁界Ｈｅｘの大きさを求めることができる。
【００６８】
変形例１では、さらに、制御部２５は、外部磁界Ｈｅｘが印加されていない状態で、バイアス電流Ｉｂを２通りの値に変化させ、これによって＋Ｘ方向および−Ｘ方向（固着層の磁化方向Ｍｐに対して平行および反平行）に既知バイアス磁界Ｈｂ１，Ｈｂ２を発生させる。そして、制御部２５は、それらのバイアス磁界Ｈｂ１，Ｈｂ２に対応した素子抵抗を測定する。これによって、前述の式（１）のＲｍ，ΔＲを求めることができる。
【００６９】
続いて、バイアス電流Ｉｂが流れていない状態で、未知の外部磁界Ｈｅｘが印加される。制御部２５は、このときの素子抵抗Ｒを測定し、測定した素子抵抗Ｒと、バイアス電流Ｉｂを流したときに算出したＲｍ，ΔＲとを用いて、前述の式（１）の角θを算出する。算出した角θを用いると、より精度よく未知の外部磁界の大きさを測定することができる。この場合、１つの検出素子１０で測定結果の補正を行なっていることになるので、回路の面積を削減することができる。また、同じ素子で補正ができるので、たとえば温度による感度の変化などをより正確に補正することができる。
【００７０】
図１１は、実施の形態１の変形例１による外部磁界Ｈｅｘの検出手順を示すフローチャートである。以下、具体的な測定手順を図１１を参照して説明する。
【００７１】
ステップＳ１５１で、制御部２５は、磁界発生部３５によって既知のバイアス磁界Ｈｂ０を＋Ｙ方向に印加する。バイアス磁界Ｈｂ０は、以下のステップＳ１５２，Ｓ１５３，Ｓ１５５の測定期間中、常に印加される。
【００７２】
次のステップＳ１５２で、制御部２５は、電流源３１によって、所定のバイアス電流Ｉｂ（１）を検出素子１０に供給する。このバイアス電流Ｉｂ（１）によって生成されたバイアス磁界Ｈｂ１と前述のバイアス磁界Ｈｂ０との合成磁界が検出素子１０に印加された状態で、制御部２５は、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔ（１）をＡ／Ｄ変換して記憶部２７に記憶させる。
【００７３】
次のステップＳ１５３で、制御部２５は、電流源３１によって、ステップＳ１５２と異なる大きさのバイアス電流Ｉｂ（２）を検出素子１０に供給する。このバイアス電流Ｉｂ（２）によって生成されたバイアス磁界Ｈｂ２と前述のバイアス磁界Ｈｂ０との合成磁界が検出素子１０に印加された状態で、制御部２５は、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔ（２）をＡ／Ｄ変換して記憶部２７に記憶させる。
【００７４】
次のステップＳ１５４で、制御部２５の演算部２６は、出力電圧Ｖｏｕｔ（１），Ｖｏｕｔ（２）に基づいて、前述の式（１）のＲｍ，ΔＲを算出する。具体的には、まず、演算部２６は、出力電圧Ｖｏｕｔ（１），Ｖｏｕｔ（２）と、抵抗素子２２の抵抗値と、電圧源２１の出力電圧を用いて、ステップＳ１５２の場合の検出素子１０の素子抵抗Ｒ（１）と、ステップＳ１５３の場合の検出素子１０の素子抵抗Ｒ（２）を算出する。次に、演算部２６は、バイアス磁界Ｈｂ１，Ｈｂ２の大きさと、バイアス磁界Ｈｂ０の大きさとから、ステップＳ１５２の場合における前述の式（１）の角θ（θ１と称する）と、ステップＳ１５３の場合における式（１）の角θ（θ２と称する）とを算出する。そして、演算部２６は、算出した素子抵抗Ｒ（１），Ｒ（２）と角θ１，θ２とから、式（１）に従ってＲｍおよびΔＲを算出する。
【００７５】
次のステップＳ１５５で、制御部２５は、バイアス電流Ｉｂが検出素子１０に供給されていない状態で、未知の外部磁界Ｈｅｘが印加されたときの差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔ（３）をＡ／Ｄ変換して記憶部２７に記憶される。この間、検出素子１０には、バイアス磁界Ｈｂ０と未知の外部磁界Ｈｅｘとの合成磁界が印加されている。
【００７６】
次のステップＳ１５６で、制御部２５の演算部２６は、ステップＳ１５４で算出したＲｍおよびΔＲと、ステップＳ１５５で測定した出力電圧Ｖｏｕｔ（３）とを用いて、未知の外部磁界Ｈｅｘの大きさを算出する。具体的には、まず、演算部２６は、出力電圧Ｖｏｕｔ（３）と抵抗素子２２の抵抗値と電圧源２１の出力電圧とを用いて、ステップＳ１５５の場合の検出素子１０の素子抵抗Ｒ（３）を算出する。次に、演算部２６は、算出した素子抵抗Ｒ（３）とステップＳ１５４で算出したＲｍおよびΔＲとを用いて、式（１）に従って角θ（θ３と称する）を算出する。そして、演算部２６は、算出した角θ３を用いて、Ｈｅｘ＝Ｈｂ０／ｔａｎθ３によって外部磁界Ｈｅｘの大きさを求める。こうして、温度による感度補正がなされたより正確な外部磁界Ｈｅｘの測定が可能になる。
【００７７】
なお、バイアス磁界Ｈｂ０の発生方法としては、この変形例１で挙げたような永久磁石でもよいし、検出素子１０（ＴＭＲ素子）の下部電極を用いてバイアス電流を流す方法でもよい。もしくは、別途作製した配線に電流を流す方法でもよい。
【００７８】
また、バイアス磁界Ｈｂ１，Ｈｂ２の発生方法として、この変形例１のような検出素子１０の下部電極を用いてバイアス電流Ｉｂを流す方法であってもよいし、可動式の永久磁石を用いる方法であってもよい。
【００７９】
［実施の形態１の変形例２］
図１２は、実施の形態１の変形例２によるＴＭＲ素子の構成を示す断面図である。図１２を参照して、変形例２によるＴＭＲ素子は、図４の反強磁性層１２に代えて保磁力の大きな強磁性層１２Ａを含む点で、図４のＴＭＲ素子と異なる。その他の点については、図１２のＴＭＲ素子の構成は図４のＴＭＲ素子の構成と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【００８０】
図１２のように保磁力の大きな強磁性層１２Ａを隣接して設けることによっても、強磁性層（固着層）１３の磁化方向を一方向に固定することができる。
【００８１】
［実施の形態１の変形例３]
図１３は、実施の形態１の変形例３によるＴＭＲ素子の構成を示す断面図である。図１３を参照して、変形例３によるＴＭＲ素子は、図４の強磁性層（固着層）１３が、２層の強磁性層１３Ａ，１３Ｃとこれらの間に挟まれた非磁性層１３Ｂによって構成される点で、図４のＴＭＲ素子と異なる。その他の点については、図１２のＴＭＲ素子の構成は図４のＴＭＲ素子の構成と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【００８２】
図１３の固着層１３では、薄い非磁性層１３Ｂを挟んで積層された２層の強磁性層１３Ａ，１３Ｃが互いに反強磁性結合をする。このような構造の固着層１３は、ＳＡＦ(Synthetic Anti-Ferroelectric)構造と呼ばれ、固着層１３の磁化をより安定化することができる。非磁性層１３ＢはＲｕ、Ｃｕなどの非磁性材料を用いて形成することができる。
【００８３】
［実施の形態２］
実施の形態２では、ＴＭＲ素子が磁界検出用の検出素子の他に、参照素子として利用される。
【００８４】
外部磁界Ｈｅｘに比べて大きいバイアス磁界Ｈｂを印加しているとみなせる場合に、バイアス磁界Ｈｂの方向と固着層の磁化の方向を平行または反平行とすることで、ＴＭＲ素子の抵抗を最小抵抗Ｒｍｉｎまたは最大抵抗Ｒｍａｘに固定することができる。このようなＴＭＲ素子は、参照素子として図１の抵抗素子２２の代わりに使用することができる。すなわち、同じ特性を有した複数のＴＭＲ素子を用意し、そのうちの一部を外部磁界Ｈｅｘに応じた抵抗を発生させる検出素子として使用し、その他のＴＭＲ素子を参照素子として使用する。そして検出素子と参照素子の抵抗値の差から外部磁界Ｈｅｘを求めることによって、周囲の温度によって変化するＴＭＲ素子の抵抗値の変化を補償して外部磁界Ｈｅｘを正確に求めることが可能になる。以下、図１４、図１５を参照して具体的に説明する。
【００８５】
図１４は、この発明の実施の形態２による磁界検出装置２の構成を模式的に示す平面図である。
【００８６】
図１５は、図１４の磁界検出装置２の要部の構成を模式的に示す模式的に示す斜視図である。
【００８７】
磁界検出装置２は、図１の抵抗素子２２に代えて、ＴＭＲ素子である参照素子５０を含む。すなわち、磁界検出装置２は、磁界を検出する検出素子１０と、電圧源２１と、抵抗素子として用いられる参照素子５０と、電圧増幅回路２３Ａと、制御部２５Ａと、バイアス電流供給部としての電流源３１、３３とを含む。ここで、電圧源２１および電圧増幅回路２３Ａが検出素子１０の抵抗値を測定するための測定部２０Ａを構成する。
【００８８】
検出素子１０は、基板４０上に形成されたＴＭＲ素子であり、絶縁層１４を挟んで上部に位置する上部電極１８と下部に位置する下部電極１７とを含む。実施の形態１の場合と同様に、上部電極１８は強磁性層（自由層）を含み、下部電極１７は強磁性層（固着層）を含む。検出素子１０の上部電極１８は、コンタクトホールに形成された導電部４６を介在して配線層４３と接続される。検出素子１０の下部電極１７は、複数のコンタクトホールにそれぞれ形成された複数の導電部４４を介在して配線層４１と接続され、複数のコンタクトホールにそれぞれ形成された複数の導電部４５を介在して配線層４２と接続される。コンタクトホールに形成された導電部４４，４５は、寄生抵抗を低減し、下部電極１７上の電流分布を均一にするために、多数を並列して設けられている。導電部４４および導電部４５は、検出素子１０の接合部を跨いでＹ軸方向の両側に設けられる。検出素子１０の接合部の詳細な構成については実施の形態１と同様であるので説明を繰返さない。
【００８９】
参照素子５０は、基板４０上に形成されたＴＭＲ素子であり、絶縁層５４を挟んで上部に位置する上部電極５８と下部に位置する下部電極５７とを含む。検出素子１０の場合と同様に、上部電極５８は強磁性層（自由層）を含み、下部電極５７は強磁性層（固着層）を含む。固着層の磁化ベクトルＭｐの方向はＹ軸方向に固定される。参照素子５０の上部電極５８は、コンタクトホールに形成された導電部６６を介在して配線層６３と接続される。参照素子５０の下部電極５７は、複数のコンタクトホールにそれぞれ形成された複数の導電部６４を介在して配線層６１と接続され、複数のコンタクトホールにそれぞれ形成された複数の導電部６５を介在して配線層６２と接続される。コンタクトホールに形成された導電部６４，６５は、寄生抵抗を低減し、下部電極５７上の電流分布を均一にするために、多数を並列して設けられている。導電部６４および導電部６５は、参照素子５０の接合部を跨いでＹ軸方向の両側に設けられる。参照素子５０の接合部の詳細な構成については検出素子１０と同様であるので、説明を繰返さない。
【００９０】
検出素子１０の配線層４３と参照素子５０の配線層６３は一体で形成される。これによって、参照素子５０および検出素子１０は、この順でノードＮｄ３と接地ＧＮＤとの間に電気的に直列に接続される。
【００９１】
また、図１４に示すように、検出素子１０および参照素子５０の下部電極１７，５７は、ＴＭＲ素子の接合部付近は下部電極の幅を細く形成し、それ以外の部分は幅広に形成することが好ましい。この理由は次のとおりである。
【００９２】
ＴＭＲ素子の抵抗値の測定時に、下部電極１７，５７による電圧降下が接合抵抗による電圧降下に比べて無視できない程度に大きくなると、ＴＭＲ素子の抵抗値の測定精度が悪くなる。そこで、下部電極１７，５７の抵抗を小さくする必要があるが、このために下部電極を構成する積層膜の膜厚を厚くすると積層膜のラフネスが増加することになる。この結果、下部電極の上に設けられるトンネル絶縁膜との界面のラフネスが増加するので、たとえばリーク電流増加によるＭＲ比が低下したり、ネールカップリングによって磁界−抵抗特性にシフトがしょうじたりする。あるいは、後述する回転磁界の方向検知において、ＴＭＲ素子の抵抗特性のサインカーブからのずれが大きくなるという問題が生じる。
【００９３】
そこで、下部電極１７，５７の抵抗を小さくするために下部電極の配線幅を大きくする必要があるが、ＴＭＲ素子の接合部近傍まで配線幅を大きくすると、バイアス磁界Ｈｂの形成に寄与している接合部直下の電流成分以外の電流成分が増加することになるので好ましくない。したがって、ＴＭＲ素子の接合部付近では下部電極の幅が狭く形成される。
【００９４】
次に、測定部２０Ａの構成について説明する。電圧源２１は、配線層６２と配線層４２との間に接続される。これによって、直列接続された参照素子５０および検出素子１０に定電圧が印加される。定電圧印加の手段として、ツェナーダイオードなどを利用してもよい。
【００９５】
電圧増幅回路２３Ａの入力ノードは、一体形成された配線層４３，６３に接続される。電圧増幅回路２３Ａは、参照素子５０および検出素子１０の接続ノードＮｄ１の電圧Ｖｄ１を増幅して出力電圧Ｖｏｕｔとして制御部２５に出力する。電圧増幅回路２３Ａは、実施の形態１と同様に、差動増幅回路と参照電圧源とによって構成することができる。このように検出素子１０と参照素子５０とからなるハーフブリッジを構成することによって、検出素子１０の上部電極１８と下部電極１７との間の抵抗値に応じた大きさの出力電圧Ｖｏｕｔが制御部２５Ａに出力される。
【００９６】
制御部２５Ａは、コンピュータによって構成され、演算部２６と記憶部２７とを含む。演算部２６は、電圧増幅回路２３Ａの出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて未知の外部磁界の大きさを算出する。具体的な算出方法は、実施の形態１の場合と同様であるので説明を繰返さない。記憶部２７は、電圧増幅回路２３Ａの出力電圧などを記憶する。また、制御部２５Ａは、電圧源２１および電流源３１，３３などの動作を制御する。
【００９７】
電流源３１は、配線層４１と配線層４２との間に接続される。電流源３１は、下部電極１７にＹ軸方向のバイアス電流を流すことによって検出素子１０の接合部にＸ軸方向のバイアス磁界を生成する。また、電流源３３は、配線層６１と配線層６２との間に接続される。電流源３３は、下部電極５７にＸ軸方向のバイアス電流Ｉｂを流すことによって参照素子５０の接合部にＹ軸方向のバイアス磁界Ｈｂを生成する。
【００９８】
測定部２０Ａおよび電流源３１，３３は、外部ノイズの影響やサージに対する耐性を向上する観点から、検出素子１０および参照素子５０（ＴＭＲ素子）と同一基板上に設けられるのが好ましい。もしくは、エポキシ樹脂基板やセラミック基板などの別の基板にチップ部品の形で実装し、たとえばワイヤボンディングで電気的に接続されていてもよい。
【００９９】
次に、磁界検出装置２の動作について説明する。外部磁界Ｈｅｘが変化すると、自由層の磁化の向きが変化し、固着層の磁化の向きとなす角度が変化するため、検出素子１０の抵抗が変化する。このとき、検出素子１０には、たとえば１０Ｏｅ程度のバイアス磁界が発生するように下部電極１７にバイアス電流が供給される。実施の形態１で説明したように、バイアス磁界にはヒステリシス低減などの効果がある。
【０１００】
一方、参照素子５０の下部電極５７にはＸ軸方向のバイアス電流Ｉｂが供給され、たとえば、１００Ｏｅの磁界が生成される。これによって、外部磁界によらずに常に参照素子５０の自由層の磁化方向を固着層の磁化方向に対して概略一定に保つようにして、参照素子５０が基準抵抗として用いられる。ＴＭＲ素子の抵抗について、固着層の磁化方向と自由層の磁化方向とのなす角度θについて前述の（１）式の関係があるので、好ましくは、自由層の磁化方向を固着層の磁化方向に対して平行または反平行とすることが好ましい。これによって、参照素子５０の抵抗は、ＴＭＲ素子の最大抵抗または最小抵抗を示すようになるので、外部磁界の影響を受けにくくなる。このため、実施の形態２では、参照素子５０の下部電極５７の磁化方向ＭｐをＹ軸方向にしている。参照素子５０を用いることによって、周囲の温度によって変化するＴＭＲ素子の抵抗値の変化を補償して外部磁界Ｈｅｘを正確に求めることができる。
【０１０１】
［実施の形態２の変形例］
図１６は、この発明の実施の形態２の変形例による磁界検出装置２Ａの構成を模式的に示す平面図である。
【０１０２】
図１７は、図１６の磁界検出装置２Ａの要部の構成を模式的に示す斜視図である。図１６、図１７の磁界検出装置２Ａは、検出素子１０の接合部近傍の下部電極１７に複数の導電部４８を介在して接続された配線層４７と、参照素子５０の接合部近傍の下部電極５７に複数の導電部６８を介在して接続された配線層６７とをさらに含む点で、図１４，１４の磁界検出装置２と異なる。さらに、磁界検出装置２では、電圧源２１が配線層４２，６２間に接続されていたのに対して、磁界検出装置２Ａでは、電圧源２１が配線層４７，６７間に接続される。この点でも変形例の磁界検出装置２Ａは磁界検出装置２と異なる。その他の点については、磁界検出装置２Ａは、図１４，１４の磁界検出装置２と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【０１０３】
図１６，１６に示すように、この変形例では、下部電極１７，５７の接合部近傍、すなわち、導電部４４，４５の中点近傍と導電部６４，６５の中点近傍とに電圧検出用の配線層４７，４８がさらに設けられる。これによって、下部電極１７，５７の抵抗による電圧降下の影響を抑制してＴＭＲ素子の接合抵抗をより精密に測定することができる。
【０１０４】
［実施の形態３］
図１８は、この発明の実施の形態３による磁界検出装置３の構成を模式的に示す平面図である。実施の形態３の磁界検出装置３は、２個の検出素子１０Ａ，１０Ｂと２個の参照素子５０Ａ，５０Ｂとによってブリッジを構成したものである。
【０１０５】
図１８を参照して、磁界検出装置３は、磁界を検出する検出素子１０Ａ，１０Ｂと、抵抗素子として用いられる参照素子５０Ａ，５０Ｂと、電圧源２１Ａ，２１Ｂと、差動増幅回路２３と、制御部２５Ｂと、バイアス電流供給部としての電流源３１Ａ，３１Ｂ，３３Ａ，３３Ｂとを含む。ここで、電圧源２１Ａ，２１Ｂおよび差動増幅回路２３が検出素子１０Ａ，１０Ｂの抵抗値を測定するための測定部２０Ａを構成する。
【０１０６】
検出素子１０Ａは、基板上に形成されたＴＭＲ素子であり、絶縁層１４Ａを挟んで上部に位置する上部電極１８Ａと下部に位置する下部電極１７Ａとを含む。また、検出素子１０Ｂは、基板上に形成されたＴＭＲ素子であり、絶縁層１４Ｂを挟んで上部に位置する上部電極１８Ｂと下部に位置する下部電極１７Ｂとを含む。実施の形態１の場合と同様に、上部電極１８Ａ，１８Ｂは強磁性層（自由層）を含み、下部電極１７Ａ，１７Ｂは強磁性層（固着層）を含む。検出素子１０Ａ，１０Ｂの接合部の詳細な構成については実施の形態１と同様であるので説明を繰返さない。
【０１０７】
参照素子５０Ａは、基板上に形成されたＴＭＲ素子であり、絶縁層５４Ａを挟んで上部に位置する上部電極５８Ａと下部に位置する下部電極５７Ａとを含む。参照素子５０Ｂは、基板上に形成されたＴＭＲ素子であり、絶縁層５４Ｂを挟んで上部に位置する上部電極５８Ｂと下部に位置する下部電極５７Ｂとを含む。検出素子１０Ａ，Ｂの場合と同様に、上部電極５８Ａ，５８Ｂは強磁性層（自由層）を含み、下部電極５７Ａ，５７Ｂは強磁性層（固着層）を含む。参照素子５０Ａ，５０Ｂの接合部の詳細な構成については検出素子１０Ａ，１０Ｂと同様であるので説明を繰返さない。
【０１０８】
検出素子１０Ａの上部電極１８Ａと参照素子５０Ａの上部電極５８Ａとは接続ノードＮｄ１に接続される。これによって、参照素子５０Ａおよび検出素子１０Ａは、この順でノードＮｄ３と接地ＧＮＤとの間に電気的に直列に接続されることになる。接続ノードＮｄ１の電位Ｖｄ１は差動増幅回路２３の−端子に入力される。
【０１０９】
また、検出素子１０Ｂの上部電極１８Ｂと参照素子５０Ｂの上部電極５８Ｂとは接続ノードＮｄ２に接続される。これによって、参照素子５０Ｂおよび検出素子１０Ｂは、この順でノードＮｄ４と接地ＧＮＤとの間に電気的に直列に接続されることになる。接続ノードＮｄ２の電位Ｖｄ２は差動増幅回路２３の＋端子に入力される。差動増幅回路２３は、接続ノードＮｄ１，Ｎｄ２間の電位差を増幅して制御部２５Ｂに出力する。
【０１１０】
電圧源２１Ａは、参照素子５０Ａの下部電極５７Ａの一端と検出素子１０Ａの下部電極１７Ａの一端とに接続される。これによって、直列接続された参照素子５０Ａおよび検出素子１０Ａに定電圧が印加される。また、電圧源２１Ｂは、参照素子５０Ｂの下部電極５７Ｂの一端と検出素子１０Ｂの下部電極１７Ｂの一端に接続される。これによって、直列接続された参照素子５０Ｂおよび検出素子１０Ｂに定電圧が印加される。
【０１１１】
電流源３１Ａ、３１Ｂは、それぞれ検出素子１０Ａ，１０Ｂの下部電極１７Ａ，１７Ｂの両端に接続され、下部電極１７Ａ，１７ＢにＹ軸方向のバイアス電流を供給する。これによって、検出素子１０Ａ，１０Ｂの接合部には、それぞれＸ軸方向のバイアス磁界が生成される。また、電流源３３Ａ、３３Ｂは、それぞれ参照素子５０Ａ，５０Ｂの下部電極５７Ａ，５７Ｂの両端に接続され、下部電極５７Ａ，５７ＢにＸ軸方向のバイアス電流を供給する。これによって、参照素子５０Ａ，５０Ｂの接合部には、それぞれＹ軸方向のバイアス磁界が生成される。
【０１１２】
制御部２５Ｂは、コンピュータによって構成され、演算部２６と記憶部２７とを含む。演算部２６は、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて未知の外部磁界の大きさを算出する。具体的な算出方法は、図１９、図２０を参照して後述する。記憶部２７は、差動増幅回路２３の出力などを記憶する。また、制御部２５Ａは、電圧源２１Ａ，２１Ｂおよび電流源３１Ａ，３１Ｂ，３３Ａ，３３Ｂなどの動作を制御する。
【０１１３】
図１９は、図１８の磁界検出装置３の動作を説明するための図である。図１９では、バイアス磁界Ｈｂを生成するための磁界発生部３２Ａ，３２Ｂ，３４Ａ，３４Ｂが示されている。実施の形態３の場合、磁界発生部３２Ａ，３２Ｂは、それぞれ検出素子１０Ａ，１０Ｂの下部電極１７Ａ，１７Ｂである。また、磁界発生部３４Ａ，３４Ｂは、それぞれ参照素子５０Ａ，５０Ｂの下部電極５７Ａ，５７Ｂである。磁界発生部３２Ａ，３２Ｂ，３４Ａ，３４Ｂによって、それぞれＴＭＲ素子１０Ａ，１０Ｂ，５０Ａ，５０Ｂにバイアス磁界Ｈｂが生成される。
【０１１４】
なお、磁界発生部３２Ａ，３２Ｂ，３４Ａ，３４Ｂとして、下部電極１７Ａ，１７Ｂ，５７Ａ，５７Ｂを用いずに、Ａｌ配線などによってバイアス電流Ｉｂの供給用の電流線を接合部の近傍に設けた場合も、以下に示す手順によって外部磁界Ｈｅｘを検出することできる。
【０１１５】
図１９の場合、外部磁界Ｈｅｘの方向はＸ軸方向であり、検出素子１０Ａ，１０Ｂのバイアス磁界Ｈｂの方向もＸ軸方向である。このとき、検出素子１０Ａ，１０Ｂに供給するバイアス電流Ｉｂの方向はＹ軸方向になる。また、参照素子５０Ａ，５０Ｂのバイアス磁界Ｈｂの方向はＹ軸方向であり、このときの参照素子５０Ａ，５０Ｂへ供給するバイアス電流Ｉｂの方向はＸ軸方向になる。
【０１１６】
さらに、検出素子１０Ａ，１０Ｂの固着層の磁化ベクトルＭｐの方向をＸ方向とし、参照素子５０Ａ，５０Ｂの固着層の磁化ベクトルＭｐの方向をＹ方向とする。また、外部磁界Ｈｅｘおよびバイアス磁界Ｈｂのいずれも印加されていない場合、検出素子１０Ａ，１０Ｂの自由層の磁化ベクトルＭｐの方向をＹ方向とし、参照素子５０Ａ，５０Ｂの自由層の磁化ベクトルＭｐの方向をＹ方向とする。電流源３３Ａ，３３Ｂによって下部電極５７Ａ，５７Ｂにバイアス電流Ｉｂを流すことによって、外部磁界Ｈｅｘが印加されていない状態では、参照素子５０Ａ，５０Ｂの自由層の磁化方向は、固着層の磁化方向に対して平行または反平行になる。
【０１１７】
図２０は、図１８、図１９の磁界検出装置３による外部磁界Ｈｅｘの検出手順を示すフローチャートである。以下、図１９、図２０を参照して、外部磁界Ｈｅｘの検出手順について説明する。
【０１１８】
図２０のステップＳ２０１で、制御部２５Ｂは、電流源３３Ａ，３３Ｂによって参照素子５０Ａ，５０Ｂの下部電極に５７Ａ，５７Ｂにバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、参照素子５０Ａ，５０Ｂに十分大きいバイアス磁界Ｈｂ（たとえば１００Ｏｅ）を生成し、参照素子５０Ａ，５０Ｂの自由層と固着層の磁化方向を反平行に固定する。
【０１１９】
次のステップＳ２０２で、制御部２５Ｂは、電流源３１Ａ，３１Ｂによって検出素子１０Ａ，１０Ｂの下部電極１７Ａ，１７Ｂにバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、検出素子１０Ａ，１０Ｂに十分大きいバイアス磁界Ｈｂ（たとえば１００Ｏｅ）を生成し、検出素子１０Ａ，１０Ｂの自由層と固着層の磁化方向を反平行にする。
【０１２０】
次のステップＳ２０３で、制御部２５Ｂの記憶部２７は、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔを記憶する。このときの出力電圧Ｖｏｕｔは、最小出力電圧Ｖｍｉｎとなっている。さらに記憶部２７は、最小出力電圧Ｖｍｉｎより少し大きな電圧を最小測定電圧ＶＬＬとして記憶する。最小測定電圧ＶＬＬは、外部磁界ＨｅｘをＴＭＲ素子の線形領域で測定するときの下限の出力電圧Ｖｏｕｔである。
【０１２１】
次のステップＳ２０４で、制御部２５Ｂは、電流源３１Ａ，３１Ｂによって検出素子１０Ａ，１０Ｂの下部電極１７Ａ，１７Ｂにバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、検出素子１０Ａ，１０Ｂに十分大きいバイアス磁界Ｈｂ（たとえば１００Ｏｅ）を生成し、検出素子１０Ａ，１０Ｂの自由層と固着層の磁化方向を平行にする。
【０１２２】
次のステップＳ２０５で、制御部２５Ｂの記憶部２７は、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔを記憶する。このときの出力電圧Ｖｏｕｔは、最大出力電圧Ｖｍａｘとなっている。さらに記憶部２７は、最大出力電圧Ｖｍａｘより少し小さい電圧を最大測定電圧ＶＨＬとして記憶する。最大測定電圧ＶＨＬは、外部磁界ＨｅｘをＴＭＲ素子の線形領域で測定するときの上限の出力電圧Ｖｏｕｔである。なお、好ましくは、徐々にバイアス電流をＩｂを変えながら差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔを記録して、最小測定電圧ＶＬＬおよび最大測定電圧ＶＨＬを決定することもできる。
【０１２３】
次のステップＳ２０６で、磁界検出装置３に既知の外部磁界Ｈｅｘが印加される。
次のステップＳ２０７で、制御部２５Ｂは、電流源３１Ａ，３１Ｂによって検出素子１０Ａ，１０Ｂに供給するバイアス電流Ｉｂを変更しながら、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔを取得する。そして、制御部２５Ｂは、出力電圧Ｖｏｕｔが最小測定電圧ＶＬＬと最大測定電圧ＶＨＬとの間になる最適なバイアス電流Ｉｂの設定値を探索する。出力電圧Ｖｏｕｔが最小測定電圧ＶＬＬと最大測定電圧ＶＨＬとの間になる場合、検出素子１０Ａ，１０Ｂは線形領域で動作していることになる。
【０１２４】
次のステップＳ２０８で、制御部２５Ｂの記憶部２７は、ステップＳ２０７で探索した適切なバイアス電流Ｉｂの設定値をそのときの外部磁界Ｈｅｘに対応付けて記憶する。さらに、記憶部２７は、これらの外部磁界Ｈｅｘ、バイアス電流Ｉｂのときに得られる出力電圧Ｖｏｕｔから算出された磁界感度（Ｈｅｘ／Ｖｏｕｔ）を記憶する。
【０１２５】
以上のステップＳ２０６〜Ｓ２０８は、所定数の既知の外部磁界Ｈｅｘについて繰返して実行される（ステップＳ２０９でＮＯ）。所定数の既知の外部磁界Ｈｅｘについての上記の測定が完了したら（ステップＳ２０９でＹＥＳ）、ステップＳ２１０に進む。
【０１２６】
ステップＳ２１０で、磁界検出装置３に未知の外部磁界Ｈｅｘが印加される。
次のステップＳ２１１で、制御部２５Ｂは、電流源３１Ａ，３１Ｂによって記憶部２７に記憶されたバイアス電流Ｉｂの設定値のうち最も小さいものを検出素子１０Ａ，１０Ｂに供給する。そして、そのときの差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔを取得する。
【０１２７】
次のステップＳ２１２で、制御部２５Ｂは、取得した出力電圧Ｖｏｕｔが最小測定電圧ＶＬＬと最大測定電圧ＶＨＬとの間の線形領域にあるか否かを判定する。出力電圧Ｖｏｕｔが線形領域にない場合（ステップＳ２１２でＮＯ）、ステップＳ２１３で他のバイアス電流Ｉｂの設定値に変更して、ステップＳ２１１，Ｓ２１２を再度実行する。一方、出力電圧Ｖｏｕｔが線形領域にある場合（ステップＳ２１２でＹＥＳ）、ステップＳ２１４に進む。
【０１２８】
ステップＳ２１４で、制御部２５Ｂの演算部２６は、現在のバイアス電流Ｉｂの設定値に対応する磁界感度を用いて、出力電圧Ｖｏｕｔから外部磁界Ｈｅｘの大きさを算出する。
【０１２９】
次のステップＳ２１５では、Ｓ２１４での外部磁界Ｈｅｘの検出後に、外部磁界Ｈｅｘが印加されていない状態で、制御部２５Ｂは、電流源３１Ａ，３１Ｂによって検出素子１０Ａ，１０Ｂの下部電極１７Ａ，１７Ｂにバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、検出素子１０Ａ，１０Ｂに十分大きいバイアス磁界Ｈｂ（たとえば１００Ｏｅ）を生成し、検出素子１０Ａ，１０Ｂの自由層と固着層の磁化方向を反平行にする。
【０１３０】
次のステップＳ２１６で、制御部２５Ｂの記憶部２７は、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔを記憶する。このときの出力電圧Ｖｏｕｔは、最小出力電圧Ｖｍｉｎとなっている。
【０１３１】
次のステップＳ２１７で、制御部２５Ｂは、電流源３１Ａ，３１Ｂによって検出素子１０Ａ，１０Ｂの下部電極１７Ａ，１７Ｂにバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、検出素子１０Ａ，１０Ｂに十分大きいバイアス磁界Ｈｂ（たとえば１００Ｏｅ）を生成し、検出素子１０Ａ，１０Ｂの自由層と固着層の磁化方向を平行にする。
【０１３２】
次のステップＳ２１８で、制御部２５Ｂの記憶部２７は、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔを記憶する。このときの出力電圧Ｖｏｕｔは、最大出力電圧Ｖｍａｘとなっている。
【０１３３】
次のステップＳ２１９で、演算部２６は、ステップＳ２０３の最小出力電圧Ｖｍｉｎ（１）、ステップＳ２０４の最大出力電圧Ｖｍａｘ（１）、ステップＳ２１６の最小出力電圧Ｖｍｉｎ（２）、およびステップＳ２１８の最大出力電圧Ｖｍａｘ（２）を用いて、ステップＳ２１４で算出した未知外部磁界Ｈｅｘの大きさの温度補正を行なう。具体的には、演算部２６は、ステップＳ２１４の外部磁界Ｈｅｘに（Ｖｍａｘ（２）−Ｖｍｉｎ（２））／（Ｖｍａｘ（１）−Ｖｍｉｎ（１））を乗ずることによって、最終的な温度補正後の外部磁界Ｈｅｘを算出する。こうして、未知の外部磁界Ｈｅｘの検出が完了する。
【０１３４】
以上の手順により、広い磁界範囲で、良好な精度で磁界を測定することができる。また、温度による感度の変化を補正することもできる。また、上記の検出手順によれば、磁界の印加方向が概略一定である磁界を高感度に測定することができるので、たとえば、磁界検出装置３を直流および交流の電流センサとして利用することができる。また、好ましくは、電流源３１Ａ，３１Ｂ，３３Ａ，３３Ｂから供給するバイアス電流Ｉｂを、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔを取得する直前に流し、出力電圧Ｖｏｕｔの取得後に切断することによって、磁界検出装置３の消費電力をさらに小さくできる。また、上記の参照素子５０Ａ，５０Ｂにおいて、自由層と固着層の磁化方向を反平行としていたが、逆に平行に設定してもよい。
【０１３５】
［実施の形態３の変形例１］
図２１は、この発明の実施の形態３の変形例１による磁界検出装置３Ａの構成を模式的に示す平面図である。図２１の磁界検出装置３Ａは、電圧源２１Ｂを含まない点で、図１８の磁界検出装置３と異なる。磁界検出装置３Ａでは、直列接続された検出素子１０Ｂおよび参照素子５０Ｂに電圧源２１Ａによって定電圧を印加するために、ノードＮｄ３とノードＮｄ４とが接続される。電圧源２１Ａの動作は、制御部２５Ｃによって制御される。このように構成された変形例による磁界検出装置３Ａは、磁界検出装置３と同様の作用効果を奏する。その他の点については、図２１の磁界検出装置３Ａは、図１８の磁界検出装置３と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【０１３６】
［実施の形態３の変形例２］
図２２は、この発明の実施の形態３の変形例２による磁界検出装置３Ｂを構成および動作を説明するための図である。図２２の磁界検出装置３Ｂは、検出素子５０Ａ，５０Ｂが図１９の場合からそれぞれ右回りに９０度回転させた位置に配置されている点で、図１９の磁界検出装置３と異なる。
【０１３７】
すなわち、図２２の場合、参照素子５０Ａ，５０Ｂのバイアス磁界Ｈｂの方向はＸ軸方向であり、このときの参照素子５０Ａ，５０Ｂへ供給するバイアス電流Ｉｂの方向はＹ軸方向になる。さらに、参照素子５０Ａ，５０Ｂの固着層の磁化ベクトルＭｐの方向を＋Ｘ方向とし、外部磁界Ｈｅｘおよびバイアス磁界Ｈｂのいずれも印加されていない場合、参照素子５０Ａ，５０Ｂの自由層の磁化ベクトルＭｆの方向を−Ｘ方向とする。電流源３３Ａ，３３Ｂによって参照素子５０Ａ，５０Ｂの下部電極５７Ａ，５７Ｂに十分に大きなバイアス電流Ｉｂを流すことによって、参照素子５０Ａ，５０Ｂの自由層の磁化方向は、固着層の磁化方向に対して平行または反平行になる。その他の点については、図２２の時間検出装置３Ｂは、図１８、図１９の磁界検出装置３と共通するので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
【０１３８】
一般に、ＴＭＲ素子の固着層において各磁区の磁化方向を一方向に揃えるために、磁界を印加しながら固着層の形成されたチップのアニール処理を行なう。図１９の磁界検出装置３の場合には、参照素子５０Ａ，５０Ｂの固着層の磁化ベクトルＭｐの方向と、検出素子１０Ａ，１０Ｂの固着層の磁化ベクトルＭｐの方向とが異なっていた。このため、検出素子１０Ａ，１０Ｂと参照素子５０Ａ，５０Ｂとを別個のチップに作製した後に磁界検出装置として実装する必要がある。
【０１３９】
これに対して、この変形例２による磁界検出装置３Ｂの場合には、参照素子５０Ａ，５０Ｂの固着層の磁化ベクトルＭｐの方向と、検出素子１０Ａ，１０Ｂの固着層の磁化ベクトルＭｐの方向とが同じＸ軸方向となっている。したがって、同一の基板上に参照素子５０Ａ，５０Ｂと検出素子１０Ａ，１０Ｂとを容易に形成することができる。
【０１４０】
［実施の形態４］
実施の形態１〜３では、電流源の出力電流を可変としていた。実施の形態４では、電流源３１からは定電流を供給するようにし、電流経路に設けた抵抗によって検出素子１０（１），１０（２），１０（３）（総称するとき、検出素子１０とも称する）に供給するバイアス電流量を変化させる。これによって相対的な磁界感度のずれを低減することができる。
【０１４１】
図２３は、この発明の実施の形態４による磁界検出装置４の構成を模式的に示す平面図である。図２３の磁界検出装置４は、図１４の磁界検出装置２に対応するものであり、検出素子１０と参照素子５０とによってハーフブリッジ回路を構成した例である。
【０１４２】
図２３を参照して、磁界検出装置２は、磁界を検出する検出素子１０（１），１０（２），１０（３）と、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ６と、電圧源２１と、抵抗素子として用いられる参照素子５０と、差動増幅回路２３と、参照電圧源２４と、制御部２５Ｄと、バイアス電流供給部としての電流源３１、３３とを含む。ここで、電圧源２１、差動増幅回路２３、および参照電圧源２４が検出素子１０の抵抗値を測定するための測定部２０Ａを構成する。検出素子１０（１），１０（２），１０（３）および参照素子５０の詳細な構成は、これまで説明した実施の形態１〜３の場合と同様であるので説明を繰返さない。
【０１４３】
図２３に示すように、検出素子１０（１）の下部電極１７（１）の一端はノードＮｄ５に接続され、他端は従属接続された抵抗素子Ｒ１〜Ｒ３を介在して接地ノードＧＮＤに接続される。検出素子１０（２）の下部電極１７（２）の一端はノードＮｄ５に接続され、他端は従属接続された抵抗素子Ｒ４，Ｒ５を介在して接地ノードＧＮＤに接続される。また、検出素子１０（３）の下部電極１７（３）の一端はノードＮｄ５に接続され、他端は抵抗素子Ｒ６を介在して接地ノードＧＮＤに接続される。ノードＮｄ５と接地ノードＧＮＤとの間には電流源３１が接続される。したがって、電流源３１から定電流が供給された場合に、検出素子１０（１），１０（２），１０（３）には異なるバイアス電流が流れることになる。
【０１４４】
一方、検出素子１０（１），１０（２），１０（３）の上部電極１８（１），１８（２），１８（３）は、スイッチ７１を介してノードＮｄ１に接続される。ノードＮｄ１は、参照素子５０の上部電極５８に接続される。また、参照素子５０の下部電極５７の一端（ノードＮｄ３）とノードＮｄ５との間に電圧源２１が接続される。この場合、スイッチ７１の切替によって、検出素子１０（１），１０（２），１０（３）のいずれか１つと検出素子５０とに対して電圧源２１から定電圧が印加される。スイッチ７１の切替は制御部２５Ｄによって制御される。
【０１４５】
差動増幅回路２３は、ノードＮｄ１の電圧Ｖｄ１と参照電圧源２４から出力された参照電圧Ｖｒｅｆとの差電圧を増幅して出力電圧Ｖｏｕｔとして制御部２５Ｄに出力する。制御部２５Ｄは、出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて外部磁界Ｈｅｘを検出する。外部磁界Ｈｅｘの検出手順は実施の形態１と同様であるので、説明を繰返さない。
【０１４６】
ここで、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ６として、既製の抵抗素子を外付けしてもよいし、基板内に抵抗素子を形成してもよい。もしくは、下部電極１７の長さや幅を異なるように作製することで抵抗素子の代わりとしてもよい。なお、下部電極１７の長さを長くして抵抗を高める場合には、電圧源２１が接続されているノードＮｄ５と反対側である、接地ノードＧＮＤ側の下部電極１７の長さを長く形成する。このほうが、素子抵抗の測定時の寄生抵抗を増大させることがないからである。
【０１４７】
図２４は、この発明の実施の形態４による磁界検出装置４Ａの動作を説明するための図である。図２４の磁界検出装置４Ａは、図１８、図１９の磁界検出装置３に対応するものであり、検出素子１０Ａ（１）〜１０Ａ（３），１０Ｂ（１）〜１０Ｂ（３）と参照素子５０Ａ，５０Ｂとによってフルブリッジ回路を構成した例である。以下では、検出素子１０Ａ（１）〜１０Ａ（３）について総称する場合、検出素子１０Ａと記載し、検出素子１０Ｂ（１）〜１０Ｂ（３）について総称する場合、検出素子１０Ｂと記載する。
【０１４８】
図２４の磁界検出装置４Ａは、図１９の磁界発生部３２Ａに代えて並列接続された磁界発生部３２Ａ（１）〜３２Ａ（３）を含み、磁界発生部３２Ｂに代えて並列接続された磁界発生部３２Ｂ（１）〜３２Ｂ（３）を含む。さらに、磁界検出装置４Ａは、図１９の検出素子１０Ａに代えて並列接続された検出素子１０Ａ（１）〜１０Ａ（３）を含み、検出素子１０Ｂに代えて並列接続された検出素子１０Ｂ（１）〜１０Ｂ（３）を含む。検出素子１０Ａ（１）〜１０Ａ（３），１０Ｂ（１）〜１０Ｂ（３）は、それぞれ磁界発生部３２Ａ（１）〜３２Ａ（３），３２Ｂ（１）〜３２Ｂ（３）によって生成されたバイアス磁界Ｈｂを受ける。
【０１４９】
また、検出素子１０Ａ（１）〜１０Ａ（３）の接合部の電圧は、スイッチ７１Ａに切替えられて差動増幅回路２３の−端子に与えられる。検出素子１０Ｂ（１）〜１０Ｂ（３）の接合部の電圧は、スイッチ７１Ｂに切替えられて差動増幅回路２３の＋端子に与えられる。スイッチ７１Ａ，７１Ｂの切替は制御部２５Ｅによって制御される。図２４の磁界検出装置４Ａのその他の構成は、図１９の磁界検出装置３と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【０１５０】
図２５は、図２４の磁界検出装置４Ａによる外部磁界Ｈｅｘの検出手順を示すフローチャートである。以下、図２４、図２５を参照して、外部磁界Ｈｅｘの検出手順について説明する。なお、図２５のフローチャートは、図２０のフローチャートで一部のステップを変更したものであるので、共通する部分については詳細な説明を繰返さない。
【０１５１】
図２５のステップＳ２０１で、制御部２５Ｅは、電流源３３Ａ，３３Ｂによって参照素子５０Ａ，５０Ｂの下部電極に５７Ａ，５７Ｂに十分大きいバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、参照素子５０Ａ，５０Ｂの自由層と固着層の磁化方向を反平行に固定する。
【０１５２】
次のステップＳ２０２で、制御部２５Ｅは、スイッチ７１Ａ，７１Ｂを切替えて、バイアス電流が最も大きくなる検出素子１０Ａ（３），１０Ｂ（３）の下部電極にバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、検出素子１０Ａ，１０Ｂの自由層と固着層の磁化方向を反平行にする。
【０１５３】
次のステップＳ２０３で、制御部２５Ｅの記憶部２７は、最小出力電圧Ｖｍｉｎおよび最小測定電圧ＶＬＬを記憶する。
【０１５４】
次のステップＳ２０４で、制御部２５Ｅは、電流源３１Ａ，３１Ｂによって検出素子１０Ａ（３），１０Ｂ（３）の下部電極に逆方向のバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、検出素子１０Ａ，１０Ｂの自由層と固着層の磁化方向を平行にする。
【０１５５】
次のステップＳ２０５で、制御部２５Ｅの記憶部２７は、最大出力電圧Ｖｍａｘおよび最大測定電圧ＶＨＬを記憶する。
【０１５６】
次のステップＳ２０６で、磁界検出装置３に既知の外部磁界Ｈｅｘが印加される。
次のステップＳ２０７Ａで、制御部２５Ｅは、スイッチ７１Ａ，７１Ｂを切替えながら、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔを取得する。そして、制御部２５Ｅは、出力電圧Ｖｏｕｔが最小測定電圧ＶＬＬと最大測定電圧ＶＨＬとの間になるようなスイッチ切替条件を探索する。
【０１５７】
次のステップＳ２０８Ａで、制御部２５Ｅの記憶部２７は、ステップＳ２０７Ａで探索したスイッチ切替条件をそのときの外部磁界Ｈｅｘに対応付けて記憶する。さらに、記憶部２７は、これらの外部磁界Ｈｅｘ、スイッチ切替条件のときに得られる出力電圧Ｖｏｕｔから算出された磁界感度（Ｈｅｘ／Ｖｏｕｔ）を記憶する。
【０１５８】
以上のステップＳ２０６〜Ｓ２０８は、所定数の既知の外部磁界Ｈｅｘについて繰返して実行される（ステップＳ２０９でＮＯ）。所定数の既知の外部磁界Ｈｅｘについての上記の測定が完了したら（ステップＳ２０９でＹＥＳ）、ステップＳ２１０に進む。
【０１５９】
ステップＳ２１０で、磁界検出装置３に未知の外部磁界Ｈｅｘが印加される。
次のステップＳ２１１Ａで、制御部２５Ｅは、スイッチ７１Ａ，７１Ｂによって、記憶部２７に記憶されたスイッチ切替条件のうちバイアス電流が最も小さい場合である検出素子１０Ａ（１），１０Ｂ（１）にバイアス電流の供給を切替える。そして、そのときの差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔを取得する。
【０１６０】
次のステップＳ２１２で、制御部２５Ｅは、取得した出力電圧Ｖｏｕｔが最小測定電圧ＶＬＬと最大測定電圧ＶＨＬとの間の線形領域にあるか否かを判定する。出力電圧Ｖｏｕｔが線形領域にない場合（ステップＳ２１２でＮＯ）、ステップＳ２１３Ａでスイッチを切替えて、ステップＳ２１１，Ｓ２１２を再度実行する。一方、出力電圧Ｖｏｕｔが線形領域にある場合（ステップＳ２１２でＹＥＳ）、ステップＳ２１４に進む。
【０１６１】
ステップＳ２１４では、制御部２５Ｅの演算部２６は、現在のスイッチ切替条件に対応する磁界感度を用いて、出力電圧Ｖｏｕｔから外部磁界Ｈｅｘの大きさを算出する。
【０１６２】
次のステップＳ２１５では、Ｓ２１４での外部磁界Ｈｅｘの検出後に、外部磁界Ｈｅｘが印加されていない状態で、制御部２５Ｅは、電流源３１Ａ，３１Ｂによって検出素子１０Ａ（３），１０Ｂ（３）の下部電極にバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、検出素子１０Ａ，１０Ｂの自由層と固着層の磁化方向を反平行にする。
【０１６３】
次のステップＳ２１６で、制御部２５Ｅの記憶部２７は、最小出力電圧Ｖｍｉｎを記憶する。
【０１６４】
次のステップＳ２１７で、制御部２５Ｅは、電流源３１Ａ，３１Ｂによって検出素子１０Ａ（３），１０Ｂ（３）の下部電極にバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、検出素子１０Ａ，１０Ｂの自由層と固着層の磁化方向を平行にする。
【０１６５】
次のステップＳ２１８で、制御部２５Ｅの記憶部２７は、最大出力電圧Ｖｍａｘを記憶する。
【０１６６】
次のステップＳ２１９で、演算部２６は、ステップＳ２０３の最小出力電圧Ｖｍｉｎ（１）、ステップＳ２０４の最大出力電圧Ｖｍａｘ（１）、ステップＳ２１６の最小出力電圧Ｖｍｉｎ（２）、およびステップＳ２１８の最大出力電圧Ｖｍａｘ（２）を用いて、ステップＳ２１４で算出した未知外部磁界Ｈｅｘの大きさの温度補正を行なう。こうして、未知の外部磁界Ｈｅｘの検出が完了する。
【０１６７】
以上の手順により、広い磁界範囲で、実施の形態３の場合よりもさらに良好な精度で磁界を測定することができる。また、実施の形態３の場合と同様に温度による感度の変化を補正することもできる。
【０１６８】
［実施の形態５］
実施の形態５の磁界検出装置５は、外部磁界Ｈｅｘの基板面内成分の方向を検知する。
【０１６９】
図２６は、この発明の実施の形態５による磁界検出装置５の構成を模式的に示す平面図である。図２６の磁界検出装置５は、図１８の参照素子５０Ａ，５０Ｂに代えて検出素子１０Ｃ，１０Ｄをそれぞれ設けた点で図１８の磁界検出装置３と異なる。また、図２６の磁界検出装置５において、検出素子１０Ａの固着層の磁化ベクトルＭｐの方向は−Ｘ方向であり、検出素子１０Ｂの固着層の磁化ベクトルＭｐの方向は＋Ｘ方向である。また、図２６の磁界検出装置５において、検出素子１０Ｃの固着層の磁化ベクトルＭｐの方向は＋Ｙ方向であり、検出素子１０Ｂの固着層の磁化ベクトルＭｐの方向は−Ｙ方向である。制御部２５Ｆは、これら４つの検出素子１０Ａ〜１０Ｄの素子抵抗に基づいて外部磁界の方向を検知する。その他の磁界検出装置５の構成は、図１８の磁界検出装置３の構成と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【０１７０】
図２７は、図２６の磁界検出装置５によって外部磁界Ｈｅｘの方向を検知する手順を示したフローチャートである。
【０１７１】
図２６、図２７を参照して、ステップＳ３０１で、制御部２５Ｆは、電流源３１Ａ，３１Ｂによって検出素子１０Ａ，１０Ｂの下部電極１７Ａ，１７Ｂに十分大きいバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、検出素子１０Ａ，１０Ｂの自由層と固着層の磁化方向を平行にする。また、制御部２５Ｆは、電流源３３Ａ，３３Ｂによって検出素子１０Ｃ，１０Ｄの下部電極１７Ｃ，１７Ｄに十分大きいバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、検出素子１０Ｃ，１０Ｄの自由層と固着層の磁化方向を反平行にする。
【０１７２】
次のステップＳ３０２で、制御部２５Ｆの記憶部２７は、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔを記憶する。このときの出力電圧Ｖｏｕｔは、最小出力電圧Ｖｍｉｎとなっている。
【０１７３】
次のステップＳ３０３で、制御部２５Ｆは、電流源３１Ａ，３１Ｂによって検出素子１０Ａ，１０Ｂの下部電極１７Ａ，１７Ｂに十分大きいバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、検出素子１０Ａ，１０Ｂの自由層と固着層の磁化方向を反平行にする。また、制御部２５Ｆは、電流源３３Ａ，３３Ｂによって検出素子１０Ｃ，１０Ｄの下部電極１７Ｃ，１７Ｄに十分大きいバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、検出素子１０Ｃ，１０Ｄの自由層と固着層の磁化方向を平行にする。
【０１７４】
次のステップＳ３０４で、制御部２５Ｆの記憶部２７は、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔを記憶する。このときの出力電圧Ｖｏｕｔは、最大出力電圧Ｖｍａｘとなっている。
【０１７５】
次のステップＳ３０５で、磁界検出装置５に未知の外部磁界Ｈｅｘが印加される。
次のステップＳ３０６で、制御部２５Ｆは、検出感度を考慮した所定の大きさのバイアス電流を検出素子１０Ａから１０Ｄに供給したときの、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔを取得して、記憶部２７に記憶させる。
【０１７６】
次のステップＳ３０７で、外部磁界Ｈｅｘの方向検知後で、外部磁界Ｈｅｘが印加されていない状態で、制御部２５Ｆは、電流源３１Ａ，３１Ｂによって検出素子１０Ａ，１０Ｂの下部電極１７Ａ，１７Ｂに十分大きいバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、検出素子１０Ａ，１０Ｂの自由層と固着層の磁化方向を平行にする。また、制御部２５Ｆは、電流源３３Ａ，３３Ｂによって検出素子１０Ｃ，１０Ｄの下部電極１７Ｃ，１７Ｄに十分大きいバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、検出素子１０Ｃ，１０Ｄの自由層と固着層の磁化方向を反平行にする。
【０１７７】
次のステップＳ３０８で、制御部２５Ｆの記憶部２７は、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔを記憶する。このときの出力電圧Ｖｏｕｔは、最小出力電圧Ｖｍｉｎとなっている。
【０１７８】
次のステップＳ３０９で、制御部２５Ｆは、電流源３１Ａ，３１Ｂによって検出素子１０Ａ，１０Ｂの下部電極１７Ａ，１７Ｂに十分大きいバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、検出素子１０Ａ，１０Ｂの自由層と固着層の磁化方向を反平行にする。また、制御部２５Ｆは、電流源３３Ａ，３３Ｂによって検出素子１０Ｃ，１０Ｄの下部電極１７Ｃ，１７Ｄに十分大きいバイアス電流Ｉｂを流す。これによって、検出素子１０Ｃ，１０Ｄの自由層と固着層の磁化方向を平行にする。
【０１７９】
次のステップＳ３１０で、制御部２５Ｆの記憶部２７は、差動増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔを記憶する。このときの出力電圧Ｖｏｕｔは、最大出力電圧Ｖｍａｘとなっている。
【０１８０】
次のステップＳ３１１で、演算部２６は、ステップＳ３０２の最小出力電圧Ｖｍｉｎ（１）、ステップＳ３０４の最大出力電圧Ｖｍａｘ（１）、ステップＳ３０８の最小出力電圧Ｖｍｉｎ（２）、およびステップＳ３０８の最大出力電圧Ｖｍａｘ（２）を用いて、ステップＳ３０６で取得した出力電圧Ｖｏｕｔの温度補正を行なう。具体的には、演算部２６は、ステップＳ３０６で取得した出力電圧Ｖｏｕｔに（Ｖｍａｘ（２）−Ｖｍｉｎ（２））／（Ｖｍａｘ（１）−Ｖｍｉｎ（１））を乗ずることによって、最終的な温度補正後の出力電圧Ｖｏｕｔを求める。
【０１８１】
次のステップＳ３１２で、演算部２６は、温度補正後の出力電圧Ｖｏｕｔを用いて、未知の外部磁界Ｈｅｘの方向を算出する。外部磁界Ｈｅｘの方向を算出する原理は以下のとおりである。
【０１８２】
前述の（１）式によれば、検出素子１０Ａ〜１０Ｄの抵抗値はＲA，ＲB，ＲC，ＲDは、
ＲA＝Ｒｍ＋(ΔＲ／２)×ｃｏｓθ
ＲB＝Ｒｍ＋(ΔＲ／２)×ｃｏｓ（θ＋１８０°）＝Ｒｍ−(ΔＲ／２)×ｃｏｓθ
ＲC＝Ｒｍ＋(ΔＲ／２)×ｃｏｓ（θ＋９０°）＝Ｒｍ−(ΔＲ／２)×ｓｉｎθ
ＲD＝Ｒｍ＋(ΔＲ／２)×ｃｏｓ（θ＋２７０°）＝Ｒｍ＋(ΔＲ／２)×ｓｉｎθ
と表わされる。したがって、ＲｍおよびΔＲの値を予め求めておけば、ＲAおよびＲCを用いて角θを算出することができる。ここで、ＲｍおよびΔＲの値は、素子抵抗の最大値と最小値を用いて計算することができる。
【０１８３】
以上の方法により、温度による感度の変化を補正しつつ、磁界方向を高精度に検出することができる。
【０１８４】
［実施の形態５の変形例］
図２８は、この発明の実施の形態５の変形例による磁界検出装置５Ａの構成を模式的に示す平面図である。図２８の磁界検出装置５Ａは、検出素子１０Ｂの固着層の磁化ベクトルＭｐの方向が−Ｘ方向であり、検出素子１０Ｄの固着層の磁化ベクトルＭｐの方向が＋Ｙ方向である点で、図１５の磁界検出装置５と異なる。固着層の磁化ベクトルＭｐの方向は、基板面内の回転方向に隣接する検出素子同士が互いに直交していればよいので、図２８の磁界検出装置５Ａによっても、図２６の磁界検出装置５と同様の作用効果を得ることができる。
【０１８５】
［実施の形態６］
図２９は、この発明の実施の形態６による回転角センサ６の構成を模式的に示す図である。図２９の回転角センサ６は、実施の形態５の磁界検出装置５を応用したものである。
【０１８６】
図２９を参照して、回転角センサ６は、回転軸８２の先端に取り付けられた永久磁石８１と、基板８３上に形成された検出素子８３Ａ〜８３Ｄと、制御部８４とを含む。検出素子８３Ａ〜８３Ｄおよび制御部８４が実施の形態５の磁界検出装置５に対応する。磁界検出装置５は、永久磁石８１の回転によって生じる回転磁界のように、磁界の大きさが概略一定で磁界の方向が変化する場合に、磁界の印加方向を高精度に測定することができる。
【０１８７】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この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。
【符号の説明】
【０１８８】
１〜５ 磁界検出装置、１０ 検出素子（ＴＭＲ素子）、５０ 参照素子（ＴＭＲ素子）、１２ 反強磁性層、１２Ａ 磁性層、１４，５４ トンネル絶縁層、１３ 強磁性層（固着層）、１５ 強磁性層（自由層）、１７，５７ 下部電極、１８，５８ 上部電極、２０ 測定部、２１ 電圧源、２３ 差動増幅回路、２４ 参照電圧源、２５ 制御部、２６ 演算部、２７ 記憶部、３１，３３ 電流源、３２，３４ 磁界発生部、４０ 基板、７１ スイッチ、Ｈｂ バイアス磁界、Ｉｂ バイアス電流、Ｈｅｘ 外部磁界、Ｍｆ 磁化ベクトル（自由層）、Ｍｐ 磁化ベクトル（固着層）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出素子を用いて外部磁界を検出する磁界検出方法であって、
前記検出素子は、前記外部磁界に応じて磁化方向が変化する第１の強磁性体膜、磁化方向が一定の第２の強磁性体膜、およびこれらの強磁性体膜の間に挟まれたトンネル絶縁膜を含むトンネル磁気抵抗効果素子であり、
前記磁界検出方法は、
前記外部磁界を印加せずに、前記第１の強磁性体膜の磁化方向を変化させる第１のバイアス磁界を印加したときの前記検出素子の第１の電気特性を測定するステップと、
前記外部磁界を印加せずに、前記第１のバイアス磁界と大きさが異なるまたは反平行の第２のバイアス磁界を印加したときの前記検出素子の第２の電気特性を測定するステップと、
前記第１および第２のバイアス磁界を印加せずに前記外部磁界を印加したときの前記検出素子の第３の電気特性を測定するステップと、
前記第１〜第３の電気特性を測定するステップの測定結果に基づいて、前記外部磁界の大きさを算出するステップとを備える、磁界検出方法。
【請求項２】
前記第１〜第３の電気特性を測定するステップでは、第３のバイアス磁界がさらに印加され、
前記外部磁界ならびに前記第１および第２のバイアス磁界を印加せずに前記第３のバイアス磁界を印加したとき、前記第１の強磁性体膜の磁化方向と前記第２の強磁性体膜の磁化方向とは直交し、
前記第１および第２のバイアス磁界は、前記外部磁界と概略平行または反平行であり、
前記第３のバイアス磁界は、前記外部磁界と概略垂直である、請求項１に記載の磁界検出方法。
【請求項３】
検出素子を用いて外部磁界を検出する磁界検出方法であって、
前記検出素子は、前記外部磁界に応じて磁化方向が変化する第１の強磁性体膜、磁化方向が一定の第２の強磁性体膜、およびこれらの強磁性体膜の間に挟まれたトンネル絶縁膜を含むトンネル磁気抵抗効果素子であり、
前記磁界検出方法は、
前記外部磁界が印加されていない状態で、前記検出素子の電気特性を測定して記憶するステップと、
前記第１の強磁性体膜の磁化方向を変化させるバイアス磁界と前記外部磁界とを共に印加したときの前記検出素子の電気特性を測定するステップとを備え、
前記測定するステップでは、測定された電気特性と前記記憶するステップで記憶された電気特性との差が所定の閾値以下になるまで、前記バイアス磁界の大きさが変更され、
さらに、前記測定するステップで測定された電気特性と前記記憶するステップで記憶された電気特性との差が所定の閾値以下になったとき、前記バイアス磁界の大きさに基づいて前記外部磁界の大きさを算出するステップとを備えた磁界検出方法。
【請求項４】
検出素子を用いて未知の外部磁界を検出する磁界検出方法であって、
前記検出素子は、前記外部磁界に応じて磁化方向が変化する第１の強磁性体膜、磁化方向が一定の第２の強磁性体膜、およびこれらの強磁性体膜の間に挟まれたトンネル絶縁膜を含むトンネル磁気抵抗効果素子であり、
前記磁界検出方法は、前記検出素子に印加するバイアス磁界の複数の設定値を、複数の既知の外部磁界にそれぞれ対応付けて記憶するステップを備え、
前記複数の設定値の各々は、前記バイアス磁界と対応する既知の外部磁界とが共に印加された状態で測定された前記検出素子の電気特性が所定の最適範囲内になるような値に設定され、
前記磁界検出方法は、さらに、前記複数の設定値のいずれかの大きさのバイアス磁界と前記未知の外部磁界とを共に印加したときの前記検出素子の電気特性を測定するステップを備え、
前記測定するステップでは、測定された前記検出素子の電気特性が前記最適範囲内になるまで前記バイアス磁界の設定値が変更され、
さらに、前記測定するステップで測定された前記検出素子の電気特性が前記最適範囲内になったときの電気特性に基づいて、前記未知の外部磁界の大きさを算出するステップを備えた磁界検出方法。
【請求項５】
前記磁界検出方法は、
前記外部磁界の検出前に前記外部磁界が印加されていない状態で、補正用バイアス磁界を印加したときの前記検出素子の電気特性を測定するステップと、
前記外部磁界の検出後に前記外部磁界が印加されていない状態で、前記補正用バイアス磁界を印加したときの前記検出素子の電気特性を測定するステップと、
前記外部磁界の検出前および検出後に前記補正用バイアス磁界に応じて測定された前記検出素子の電気特性を用いて、前記算出するステップで算出された前記未知の外部磁界の大きさを補正するステップとをさらに備える、請求項４に記載の磁界検出方法。
【請求項６】
前記補正用バイアス磁界は、前記第１の強磁性体膜の磁化方向を前記第２の強磁性体膜の磁化方向と平行にする磁界と、反平行にする磁界との両方を含む、請求項５に記載の磁界検出方法。
【請求項１】
検出素子を用いて外部磁界を検出する磁界検出方法であって、
前記検出素子は、前記外部磁界に応じて磁化方向が変化する第１の強磁性体膜、磁化方向が一定の第２の強磁性体膜、およびこれらの強磁性体膜の間に挟まれたトンネル絶縁膜を含むトンネル磁気抵抗効果素子であり、
前記磁界検出方法は、
前記外部磁界を印加せずに、前記第１の強磁性体膜の磁化方向を変化させる第１のバイアス磁界を印加したときの前記検出素子の第１の電気特性を測定するステップと、
前記外部磁界を印加せずに、前記第１のバイアス磁界と大きさが異なるまたは反平行の第２のバイアス磁界を印加したときの前記検出素子の第２の電気特性を測定するステップと、
前記第１および第２のバイアス磁界を印加せずに前記外部磁界を印加したときの前記検出素子の第３の電気特性を測定するステップと、
前記第１〜第３の電気特性を測定するステップの測定結果に基づいて、前記外部磁界の大きさを算出するステップとを備える、磁界検出方法。
【請求項２】
前記第１〜第３の電気特性を測定するステップでは、第３のバイアス磁界がさらに印加され、
前記外部磁界ならびに前記第１および第２のバイアス磁界を印加せずに前記第３のバイアス磁界を印加したとき、前記第１の強磁性体膜の磁化方向と前記第２の強磁性体膜の磁化方向とは直交し、
前記第１および第２のバイアス磁界は、前記外部磁界と概略平行または反平行であり、
前記第３のバイアス磁界は、前記外部磁界と概略垂直である、請求項１に記載の磁界検出方法。
【請求項３】
検出素子を用いて外部磁界を検出する磁界検出方法であって、
前記検出素子は、前記外部磁界に応じて磁化方向が変化する第１の強磁性体膜、磁化方向が一定の第２の強磁性体膜、およびこれらの強磁性体膜の間に挟まれたトンネル絶縁膜を含むトンネル磁気抵抗効果素子であり、
前記磁界検出方法は、
前記外部磁界が印加されていない状態で、前記検出素子の電気特性を測定して記憶するステップと、
前記第１の強磁性体膜の磁化方向を変化させるバイアス磁界と前記外部磁界とを共に印加したときの前記検出素子の電気特性を測定するステップとを備え、
前記測定するステップでは、測定された電気特性と前記記憶するステップで記憶された電気特性との差が所定の閾値以下になるまで、前記バイアス磁界の大きさが変更され、
さらに、前記測定するステップで測定された電気特性と前記記憶するステップで記憶された電気特性との差が所定の閾値以下になったとき、前記バイアス磁界の大きさに基づいて前記外部磁界の大きさを算出するステップとを備えた磁界検出方法。
【請求項４】
検出素子を用いて未知の外部磁界を検出する磁界検出方法であって、
前記検出素子は、前記外部磁界に応じて磁化方向が変化する第１の強磁性体膜、磁化方向が一定の第２の強磁性体膜、およびこれらの強磁性体膜の間に挟まれたトンネル絶縁膜を含むトンネル磁気抵抗効果素子であり、
前記磁界検出方法は、前記検出素子に印加するバイアス磁界の複数の設定値を、複数の既知の外部磁界にそれぞれ対応付けて記憶するステップを備え、
前記複数の設定値の各々は、前記バイアス磁界と対応する既知の外部磁界とが共に印加された状態で測定された前記検出素子の電気特性が所定の最適範囲内になるような値に設定され、
前記磁界検出方法は、さらに、前記複数の設定値のいずれかの大きさのバイアス磁界と前記未知の外部磁界とを共に印加したときの前記検出素子の電気特性を測定するステップを備え、
前記測定するステップでは、測定された前記検出素子の電気特性が前記最適範囲内になるまで前記バイアス磁界の設定値が変更され、
さらに、前記測定するステップで測定された前記検出素子の電気特性が前記最適範囲内になったときの電気特性に基づいて、前記未知の外部磁界の大きさを算出するステップを備えた磁界検出方法。
【請求項５】
前記磁界検出方法は、
前記外部磁界の検出前に前記外部磁界が印加されていない状態で、補正用バイアス磁界を印加したときの前記検出素子の電気特性を測定するステップと、
前記外部磁界の検出後に前記外部磁界が印加されていない状態で、前記補正用バイアス磁界を印加したときの前記検出素子の電気特性を測定するステップと、
前記外部磁界の検出前および検出後に前記補正用バイアス磁界に応じて測定された前記検出素子の電気特性を用いて、前記算出するステップで算出された前記未知の外部磁界の大きさを補正するステップとをさらに備える、請求項４に記載の磁界検出方法。
【請求項６】
前記補正用バイアス磁界は、前記第１の強磁性体膜の磁化方向を前記第２の強磁性体膜の磁化方向と平行にする磁界と、反平行にする磁界との両方を含む、請求項５に記載の磁界検出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【公開番号】特開２０１３−５７６８５（Ｐ２０１３−５７６８５Ａ）
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２７１３４４（Ｐ２０１２−２７１３４４）
【出願日】平成２４年１２月１２日（２０１２．１２．１２）
【分割の表示】特願２００８−３２２６５３（Ｐ２００８−３２２６５３）の分割
【原出願日】平成２０年１２月１８日（２００８．１２．１８）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１２月１２日（２０１２．１２．１２）
【分割の表示】特願２００８−３２２６５３（Ｐ２００８−３２２６５３）の分割
【原出願日】平成２０年１２月１８日（２００８．１２．１８）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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